连岛工程促淤计算方法

王诚超，潘国富，季有俊

连岛工程促淤计算方法

王诚超，潘国富，季有俊

（国家海洋局第二海洋研究所，工程海洋学重点实验室，浙江杭州310012）

通过二维潮流数值模型计算工程前后的潮流形态，利用实测水文泥沙资料确定悬沙沉降方程中的相关系数，同时考虑波浪对泥沙沉降的影响。再运用经过悬沙垂向分布参数β修正过的半理论半经验悬沙沉降方程计算工程后的冲淤强度，分析比较参数β对围涂工程冲淤强度计算值的优化效果。结果表明：通过对悬沙沉降公式的简单修正，预测的冲淤值在准确性上较修正前提高了5%～30%，整体计算冲淤值与实测冲淤值之间的相关系数由91%提高到98%。说明此修正对岔道交错，流场复杂，悬沙垂向分布在局部不同区域变化大的舟山海域围垦冲淤计算中有一定实际参考意义。

围涂工程；潮流模拟；经验公式；参数β

舟山浅滩、岛屿资源丰富，连岛围涂工程可有效缓解日益紧张的土地局势。但近海动力条件复杂，目前对围涂促淤的预测主要是基于工程实践的半经验半理论公式。半经验半理论公式具有运用简单、准确性符合工程需要的特点，在实践运用中得到广泛应用并均取得较好的预测效果。

在一个潮周期中，含沙量随着潮汐的涨落过程有规律的变化，悬沙垂向浓度的差异对沉降方程在不同海区的运用有较大影响。近底层水沙交换作用直接影响海床冲淤，本文在悬沙沉降计算方程中引入悬沙垂向分布参数β，重点考虑近底层悬沙对冲淤量变化的贡献。

1　工程海区水沙运动概况

据钓梁围垦二期工程水沙测验资料分析，钓梁海域潮汐类型属正规半日浅海潮，平均潮差2.34 m，实测最大潮差3.62 m，潮波具有不正规驻波性质。平均涨潮流多强于平均落潮流，实测最大涨落潮流速1.67～1.80 m/s，位于黄它山以东水道。平均含沙量0.26~0.55 kg/m3，随水深增加含沙量逐渐升高。悬浮体的主要粒级为0.002~ 0.032 mm，优势粒级为0.004~0.016 mm，颗粒组成以粉砂为主，其次为黏土，表层沉积物分析表明工程水域底质为黏土质粉砂。

2　潮流泥沙计算模型

2.1二维潮流模型

采用平面二维的浅水潮波运动方程，包括连续方程和动量方程[1]：

边界处理：固边界取法向流速为零；潮滩区用动边界处理；开边界采用水位控制[2]。

2.2冲淤计算方程

粉砂质海岸的1个潮周期淤积强度的计算方程[3]为：

式中：S1、S2为工程前后的含沙量，kg/m3；S*1、S*2为工程前后的挟沙能力，kg/m3；ω为悬沙沉降速度；α为沉降几率；γc为泥沙干重度。以淤积为正，冲刷为负。根据数值模拟工程应用实例，泥沙的边界条件按工程前后不变计算，即S1=S2；工程实施前该海域为冲淤平衡状态，即S1=S*1。

式（4）简化为：

则1 a的冲淤强度为：

式中：n为1 a中潮数；T为潮周期，s。

在二维的泥沙计算模型中，挟沙力、含沙量是以垂向平均值的形式给出的，没能反应含沙量或挟沙力在垂向上的梯度分布。近底层高含沙水体与底床泥沙直接接触，实现悬移质与床沙的相互转换。近底层悬沙应该是大部分海床冲淤的物质来源，因此对式（5）进行改写为：

为求解方程（7），本文引入参数β，即近底层的含沙量值与垂向平均含沙量值的比。则式（7）为：

挟沙力S*1、S*2为时间T的函数，式（8）在1个潮周期上对T积分，即可得1个潮周期时间段的冲淤强度值。

2.3挟沙能力公式

近岸海区含沙量不仅与风浪和潮流关系密切，也与水深和泥沙沉降速度等有关。参考刘家驹[4]对近岸水体挟沙力的研究，在风浪和潮流作用下挟沙力公式为：

参数k、m和α需根据实测资料进行率定；波生流Vw计算时波浪数据采用工程布设在9号站的1 a实测资料。

根据钓梁二期工程实测的水文泥沙资料对挟沙力公式进行参数拟合，得到式（9）中k=5.21，m=1.85，α=0.53。

2.4淤积物干重度γt

根据Koelzer提出的计算淤积物干重度与淤积历时关系的经验公式[5]：

式中：γ0=1 750d0.18350为床面泥沙初始干重度；d50为底质中值粒径；B为常数，根据杭州湾底质特性本文取值160。

2.5絮凝沉速ω

钓梁海域悬沙主要以絮凝体沉降，悬沙沉速受水流速度控制，可表示为[6]：ω=0.01 cm/a，|v|≥50 cm/s；ω=0.06-0.001×|v|，|v|＜50 cm/s。

2.6沉降概率α

根据窦国仁的假定：竖向脉动流速的出现几率等于泥沙的沉降几率[7]α=0.5+φ（ω/σ），函数φ（ω/σ）可由ω/σ与φ（ω/σ）对应关系查得。计算概率α主要分布在0.45～0.65。

2.7含沙量垂线分布参数β

底部含沙量浓度一般高于其他层次的浓度，因此β取值大于1。根据9个测站的水文泥沙数据建立简单的计算公式：式中：系数η通过实测资料拟合得到，本研究区域η取值0.02。根据实测水文泥沙资料，钓梁工程区域的β取值约为1.1～1.6。

3　二维潮流数值模型验证

模型计算范围为舟山本岛以东黄大洋海域，东至黄大洋东部海域，北接衢山列岛，南到普陀山。模型采用曲线正交网格，网格最大空间步长200 m，在工程区域将网格加密至20 m。形成25 620个单元和9 520个节点的计算网格。动边界采用0.05 m作为“干湿”判断标准的临界水深，时间步长1min。模型根据2012年8—9月实测的水文资料进行验证。本模型潮位站1个、潮流站9个，布设如图1所示。

图1　工程区域及测站位置示意Fig.1 Sketch map of the project area and observation stations

潮位验证：限于篇幅，本文仅列出大潮期明显验证结果。由图2所示，模拟的潮位值与实测值拟合良好。

潮流验证：本模型选取9个工程水文测站中的2号、6号、9号潮流测站进行验证。工程后大潮最大涨潮流速和最大落潮流速与实测值误差在0.1～0.3m/s，误差率控制在15%以内。大潮期间模拟流向与实测流向误差在10°以内，个别时刻误差较大。总体而言，模拟的流向和流速令人满意，基本反映了工程区潮流的实际变化情况，可以用于冲淤计算。

2号验证结果如图3所示。

图2　模型潮位验证Fig.2 Validation of sim ulated tide

图3　2号测站流速、流向验证Fig.3 The verification of velocity and direction in 2nd station

4　流场变化分析

图4（a）是工程实施前大潮涨急流场，图4（b）是北Ⅰ、北Ⅱ堤建成后大潮涨急流场。对工程前后的涨潮流流态进行对比，钓梁二期北堤的修建因阻断骡门渔港水道潮汐通道，对工程附近海域潮流形态产生了较大影响。涨潮时刻，通过螺门渔港水道进入钓梁海域的潮流北进受阻，螺门渔港水道最大涨潮流速由1.30 m/s减小为0.58 m/s，减小幅度为55%。而黄它山—梁横山水道成为潮流北溯进入灌门水道的唯一通路，大潮最大流速由1.20 m/s增大了0.20 m/s，增加幅度为16%。涨潮流进入螺门渔港水道后，因为北堤的阻断，潮流因无法北溯而迅速减小，在北堤南侧减小到0.2m/s。

图4　大潮涨急流场Fig.4 The rising fashion field

北堤修建后，螺门渔港水道落潮最大流速由1.19 m/s减小到0.68 m/s，减小幅度为43%。黄它山—梁横山水道涨落潮流流速增大不到20%，变化幅度小于螺门渔港水道。涨落潮流向在工程实施前后基本不变，涨落潮流向变化幅度均控制在10°以内。这主要是因为螺门深槽基本呈现东西走向，与两侧岸线走向平行，潮流进入水道后因岸线的束窄集流，流向在工程前后变化不大。

5　海床冲淤变化分析

为分析工程实施后的促淤效果，钓梁二期工程项目对围区布设了82个网格点进行每年的水深定点监测（图1）。

由于围垦北堤到2007年7月竣工，潮流二维数学模型模拟的工程后的工况是围垦北堤建成后的情况，因此本文选取围垦北堤建成后2008— 2010年共3 a的实测冲淤资料对促淤效果进行实测与计算的对比。

实测淤积量和计算淤积量的部分结果见表1。表中计算值b为未引入参数β计算结果，计算值c为引入参数β计算结果。优化率d=（c-b）/a。通过比较计算值b和计算值c与实测值a相关性大小确定整体计算结果的优化效果，运用统计学原理计算其拟合优化度，计算值b与实测值a相关系数91%，计算值c与实测值的相关系数98%，结果表明引入参数β对预测结果有较大改进。

北堤修建前，流经钓梁海域的潮流强劲，水流挟沙力强，泥沙主要以过境形式运移，整个工程海域处于冲淤平衡状态。北堤修建后工程海域潮动力显著减弱，但外海潮动力变化很小，钓梁海域来沙变化不大，造成淤积的因素主要是挟沙力的减小。从外海挟带的大量泥沙进入螺门渔港水道时在水道深槽内大量淤积。年淤积速率1.9 m/a。潮流继续流向西北，流速向北减小，但水体含沙量亦沿程减少，从螺门向北至北堤附近泥沙淤积量减少（图5）。大部分测点引入参数β后的冲淤量计算值与没有引入参数的计算值情况相比，优化率在5%～30%之间，部分结果如表1。螺门渔港水道等水深较深处，悬沙垂向含量差异显著，参数β的引入对计算结果的改进效果明显，优化率值达20%以上。围区北部暨水深较浅区域，潮流紊动较大，悬沙垂向混合良好，这些区域优化率偏小，一般不到10%。

表1　冲淤效果对比表Table 1 The comparison of erosion and deposition

图5　冲淤效果Fig.5 Effect of erosion and deposition

6　结语

运用引入悬沙垂向分布参数β的悬沙沉降方程对工程所引起的海床冲淤变化进行计算，分析工程前后潮流的变化形态，对比钓梁海域在引入参数β前后两种情况下计算的冲淤强度。可得出如下结论；

1）北堤的修建显著地改变了钓梁海区的潮流形态，围区内最大流速减小幅度达55%，黄它山附近潮流速度增加了20%左右。泥沙运移形态由过境输移转变为岙湾内沉积。在螺门渔港水道泥沙淤积值达1.9m/a，向湾内随流速减小，淤积强度减弱。

2）计算参数β在对悬沙沉降方程的改进上提高了预测计算的准确性，优化率在5%～30%之间。从本研究案例看，本预测模型对潮汐岔道交错、峡道效应明显的岛域围垦工程运用有一定实际意义。

3）浙江沿海是台风暴潮影响严重地区，如何全面的考虑其对围涂促淤的影响需深入研究，且参数β的计算公式也需有更多数据去优化拟合。

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Calculation methods of siltation in islands link project

WANG Cheng-chao,PANGuo-fu,JIYou-jun
（Second Institute ofOceanography,SOA,Key Laboratory ofEngineering Oceanography,Hangzhou,Zhejiang 310012,China）

Through the before and after wave form of two-dimensional tidal current numerical model calculation of engineering,and using the equation of suspended sediment coefficient of correlation which was confirmed by observed hydrological and sediment data,also taking into account the impact of waves on sediment deposition,and further by applying the intensity of sediment thatwas calculated by the revised semi-theoretical semi-empirical settlementof suspended sediment equation,the sem i-theoretical semi-empirical was corrected by suspended sediment vertical distribution parameterβ,we analyzed and compared the optimize impact of parameterβfor erosion and deposition coating engineering strength calculation values.The results show that:through simple correction of the equation of suspended sediment coefficient of correlation,the predicted erosion values on accuracy would be increased by 5%to 30%then before final correction,the overall correlation coefficientvaluesbetween calculated erosion and measured erosion increased from 91%to 98%.Itproofs that thisamendment has the certain actual reference value for reclamation erosion calculations in Zhoushan sea area where contains different local regions changes,especially on the placesof fork in the staggered,complex flow field,the vertical suspended sediment.

reclamation project;tidal current simulation;empirical formula;parametersβ

U656.2；TV148.6；P753

A

2095-7874（2016）04-0020-06

10.7640/zggw js201604006

2015-11-19

2015-12-29

海洋公益性行业科研专项（201305009）；国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项（JT1307）

王诚超（1990—），男，江西抚州市人，硕士，主要从事河口海岸过程及工程应用研究。E-mail：13342262085@163.com