沈家门渔港输沙机制及对浚深响应

谢滢芳，孟艳秋，童朝锋，高祥宇

(1.河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京210098；2.河海大学 疏浚技术教育部工程研究中心，南京 210098；3.南京水利科学研究院 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210029)

海湾地形的演变是泥沙在波流作用下发生不平衡输沙导致。按通量计算式，泥沙通量值决定于分析时段内体现潮幅变化的水深、潮流流速以及随潮动力变化的挟沙量。受潮动力、地形、泥沙运动特性和周围海域泥沙供给条件影响，海湾水域的水深、流速与含沙量变化过程存在涨落潮的不对称性，并且三者之间关系呈非线性，各位置间关系也存在差异性，导致海湾泥沙的净输运。通量机制分解法便是用来分析这三者组合关系形成的平流输沙、潮泵输沙等各输沙项，既探究各项的相对贡献，也可探讨各项所对应的动力因子的内在输移机理[1-2]。David C.Fugatea[3]根据美国切萨皮克海湾上游段水沙实测数据分析发现，潮不对称性与横向环流相互作用导致海湾泥沙输运净通量集中在左侧，并在表面产生与海湾底部的悬沙净通量相同数量级的净落潮泥沙输移。刘波等[4-5]利用通量机制分解法分析海湾输沙机制得出，悬浮泥沙输运方向与潮致余流方向基本一致，平流输运在悬沙输移中占绝对优势，其次为潮泵输沙或垂向净环流输沙。可见，潮不对称对海湾净输沙影响显著。

舟山沈家门渔港是典型的与周边海域多通道相连的狭长型海湾，与半岛形成的盲肠型海湾不同，其属于由岛屿相间形成的海峡型海湾。海湾内的泥沙主要为潮流输入，由长江口、杭州湾供给，但连接湾内与湾外的各通道泥沙输沙机制尚不是很明晰。根据地形实测，当前海湾内淤积速率约0.25 m/a，为改善海湾水环境并提高港口航道通航能力，实施蓝色海湾清淤工程。而工程作用与海湾的动力环境和海湾内输沙机制之间的相互影响是非常巨大的[6-7]。

为此，根据2017年的实测水文泥沙和2017～2019年的实测地形数据，建立二维潮流泥沙数学模型，应用通量计算等相关方法，以分析沈家门渔港海域输沙机制及其对疏浚工程浚深的响应。

1 研究区域和实测数据

沈家门渔港位于杭州湾东南部的舟山群岛海域，崎头洋北侧，东至半升洞，西至勾山浦，总长度约16.0 km，宽度190～700 m，其中港区长11.5 km，港口水域面积18.5万m2(图1)。海湾西段由舟山本岛和小干岛相间形成，呈东南—西北走向，长度约11.5 km，平均水深约4.0 m；东段由鲁家峙和舟山本岛之间海峡形成，呈东北—西南走向，平均水深约5.0 m。东湾口连接普沈水道，鲁家峙岛和小干岛之间海峡形成南湾口，宽度约700 m，平均水深约4.0 m，是船舶进出沈家门渔港的重要通道；由长峙岛、舟山本岛、小干岛相间形成的三口连接沈家门渔港西侧。

图1 沈家门渔港区域分布及疏浚范围图Fig.1 Layout and dredging area of Shenjiamen Bay

沈家门渔港清淤工程范围包括海湾半升洞附近—舟渔公司以及鲁家峙—小干岛之间，清淤区域如图1，海湾小干岛段清淤了一半，鲁家峙段实现全部清淤。工程清淤量约达 530万m3，清淤区水深增加约3.48 m。

根据2017年9月21日～22日大潮、2017年9月27日～28日小潮期间水文泥沙实测数据统计分析，沈家门渔港潮汐性质属正规半日潮港，其受东南—西北向传入的M2分潮为主的东海前进波系统控制，最大潮差约4.0 m，平均潮差2.43 m，有明显的涨落潮历时不等现象，平均涨潮历时5 h 57 min，平均落潮历时6 h 28 min，涨潮历时短于落潮历时。受舟山南部众多岛屿的掩护，外海波浪不易传入本海区，潮流是控制本区的主要动力。沈家门渔港的水动力主要来自于崎头洋海域的潮流，水文实测数据显示，海湾狭长地形致使其水动力具有明显的狭道效应，潮流由无岛礁的外海的椭圆流变为海湾内的往复流。湾内小干岛段主槽大潮涨落潮最大流速约为0.9 m/s，对应潮差3.84 m。

杭州湾附近灰鳖洋水域及象山港附近水域的高含沙水体在水动力作用下由金塘、册子、螺头及佛渡水道等的对流、扩散作用进入上述舟山—北仑水域[8]，大潮期间沈家门渔港垂向平均含沙量最大值为0.712 kg/m3，平均含沙量为0.431 kg/m3，大、小潮平均含沙量比值约为1:0.73。根据宁波市海洋环境监测中心水文观测资料，悬沙中值粒径在6.73～12.61 μm，平均粒径在8.04～47.86 μm，按照海洋规范分类为粉砂；悬沙中值粒径时空分布均匀。底质以细颗粒的粉砂和粘土为主，前者约占总量的52%，后者约占33%，此外还有砂。

2 研究方法

2.1 潮流泥沙数学模型

选择丹麦水工研究所开发的Mike21软件水动力泥沙模拟模块，建立长江口-杭州湾-舟山海域二维潮流泥沙数学模型，模拟沈家门渔港及周边海域动力传输及泥沙输运，获得充足动力泥沙输移时空变化数据，如图2-a所示，模型网格采用非结构三角形网格，沈家门渔港网格较密，平均边长5 m，模型中已耦合代表常浪场。受舟山海域岛屿遮蔽影响，舟山本岛至穿山半岛海域波浪较小，对本地泥沙再起悬影响强度有限[9]。

模型4个潮位站及9个流速、含沙量验证点位置如图2-b所示。潮位验证中模型很好模拟了该站的潮波运动，涨落潮历时基本一致，各潮位站高、低潮相位最大误差在20 min以内，潮位最大误差平均值小于 0.10 m，大、小潮时间段流速、含沙量过程线形态基本一致，平均流速误差为7%，平均流向误差绝对值小于10°。平均含沙量误差为28.1 %，满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》。建立的潮流泥沙数学模型与实测数据拟合较好，能较准确地反映局部海域小尺度流态及含沙量变化特征。模型选取的泥沙参数[5]中，临界沉积剪切应力取τcd=0.05～0.25 N/m2，临界起动剪切应力取τce=0.2～0.7 N/m2，较低浓度区域的泥沙不考虑絮凝时的沉降速度为0.05～0.4 mm/s，而随着浓度增加，考虑絮凝时的沉降速度取0.5～0.6 mm/s。限于篇幅，仅列朱家尖站水位验证图以及SW3点流速含沙量实测数据与模型结果对比如图3所示。

3-a 潮位验证

3-b 流速、流向及含沙量验证图3 潮位、流速、流向及含沙量验证Fig.3 Verification of tidal level, velocity, direction and sediment concentration

2.2 悬沙通量计算及机制分解

海湾内泥沙随潮流以往复形式运动，分析单宽悬沙通量，主要考虑悬沙沿主流向的输运，潮周期内单位时间悬沙通量可由瞬时通量在时间上积分并求平均所得。分析输沙机制时可通过悬沙通量机制分解法将悬沙输移通量定量地分解成多个动力项，每个动力项由一种或多种动力因子联合作用，既可探究每个动力项的相对贡献大小，也可探讨各个动力项所对应的主要动力因子的内在输移机理，对于潮汐河口，由于潮波变形，涨、落潮不对称，各动力项对输水输沙的作用是不一样的[2,10-11]。浅水区域垂向环流输沙在净输沙中所占比重较小，在此只考虑平面输沙部分。将瞬时流速、潮位和含沙量分解为垂向平均值与波动值，则潮周期内单宽时均悬沙净通量可由式(2)所得

(1)

式中：C为悬沙浓度；U为水流速度；H为水深；T为一个潮周期；下标0表示随时间和空间变化的平均值，下标t表示波动变化值；Q1为垂向平均欧拉余流输移项，其方向取决于涨落潮的优势流对比；Q2为斯托克斯余流输移项，反映了斯托克斯漂流效应对单宽输沙的贡献，前二项合称拉格朗日余流影响项，体现了潮汐余流对悬沙净输移的影响，为平流输沙。Q3、Q4、Q5为潮泵效应输沙项，表明输沙量与水体和底部泥沙之间的双向交换有一定联系[12-15]。

2.3 悬沙通量不对称性计算方法

悬沙发生净输运的条件是其周期性运动存在不对称性，参照潮流不对称三阶原点矩偏度计算原理[16]，涨落潮悬沙通量可采用三阶原点矩偏度表征其不对称性程度，潮周期内的悬沙通量偏度γ计算式如下

(2)

式中：Q为某一时刻悬沙通量率，Q=UCH；E(*)为期望值。偏度为正表明涨潮净输沙占主导，偏度为负则落潮净输沙占主导。

3 结果

考虑实测数据时空的限制以及外界因素如噪声等的干扰，结果分析基于模拟值，实测值主要用于模型的验证等。

3.1 输沙动力

海湾净输沙与潮流的非线性作用产生的潮汐余流密切相关。图4为采用拉格朗日方法[17]利用模型数据计算得到工程前沈家门渔港及其附近海域潮汐余流场。不同于长江口、杭州湾方向潮汐余流直接沿落潮流方向汇入东海，群岛海域外部的潮汐余流形成绕流一部分经册子、螺头等水道输至崎头洋，另一部分沿涨潮流方向经福利门水道、佛渡水道等进入崎头洋，崎头洋海域潮汐余流经海湾东侧口、南侧口以及长峙岛和小干岛之间的水道进出海湾。潮汐余流在海湾小干岛段浅滩沿涨潮流、深槽沿落潮流向，且此时浅滩潮汐余流量值大于深槽，海湾鲁家峙段潮汐余流均沿涨潮流向。

图4 工程前海湾附近海域潮汐余流分布Fig.4 Layout of tidal residual current in the sea area near the bay before engineering project

3.2 悬沙通量

图5为海湾及周边水域单宽悬沙净通量矢量分布。崎头洋海域泥沙经普沈水道沿落潮流输移时，一部分泥沙由崎头洋经东湾口汇入沈家门渔港，鲁家峙段整体均沿涨潮流向输移，小干岛段深槽向落潮流、浅滩向涨潮流方向输移。南侧湾口泥沙主要沿落潮流向输移。沈家门渔港作为狭长形海湾，其泥沙输移呈往复运动形式，与潮流一致。

图5 工程前海湾单宽悬沙净通量分布Fig.5 Layout of per unit width sediment net flux in the bay before engineering project

选取10个能反映进出海湾泥沙输沙特征的断面，日悬沙净通量如图6所示。各断面净输沙整体沿涨潮流方向输移，其中小干岛北段中D4断面和鲁家峙段中D8断面泥沙日净通量大潮0.20×107kg/d和0.34×107kg/d、小潮0.10×107kg/d和0.15×107kg/d。D5、D6及D7断面通量显示从海湾鲁家峙段向涨潮流向输运的泥沙近一半进入海湾小干岛段。

图6 沈家门渔港断面悬沙净通量Fig.6 Per unit width net flux of suspended sediment of Shenjiamen Bay

海湾清淤工程后各断面泥沙输移方向与工程前总体一致，海湾小干岛段净输沙量基本不变，海湾鲁家峙段增加相对明显。显然其与清淤工程范围有关，鲁家峙段为全海湾清淤，潮动力增强，而小干岛段只清淤了一半，潮动力受海湾未清淤段地形限制。

3.3 悬沙通量偏度

为便于分析海湾输沙规律，按式(1)、式(2)计算海湾清淤前后各断面南、北边滩及深槽代表点单宽悬沙净通量和悬沙通量不对称性，并分析单宽悬沙净通量与悬沙通量不对称性的相关性，如图7～图12所示。海湾深槽单宽悬沙通量与悬沙通量偏度相关系数达0.85，而南、北边滩分别为0.57和0.61，表现为深槽大于边滩。

单宽悬沙净通量总体上随水深的变化而变化，说明水深对单宽悬沙净通量强度影响比较大。海湾小干岛北段深槽单宽悬沙净通量向落潮流方向，相应偏度为负；浅滩单宽悬沙净通量向西涨潮流方向，相应偏度为正，各位置悬沙通量不对称性变化趋势和净输沙强度方向总体一致。

4 分析与讨论

4.1 岛屿效应

如图4-a所示，受岛礁众多、水下地形复杂多变、滩槽交替等的影响，潮汐余流空间复杂多变的趋势相较无岛礁或岛礁较少的宽敞海域明显不同[9]。岛屿附近，潮汐余流量值会存在骤变且方向混乱无序现象。

无岛屿影响的P1、P2点以及有岛屿影响的P3、P4点日潮周期流速过程如图13所示，无岛屿及复杂地形影响下相邻两点的流速过程与受岛屿影响的两点差别非常大，岛外相同潮时的P1、P2点，其流速过程线几乎一致，而受岛屿地形影响，海湾内的P4点的流速过程要滞后于海湾外的P3点，湾内外的流速大小也有明显区别。

图13 岛内、外代表点流速过程线Fig.13 Velocity process at the representative points inside and outside the island

4.2 输沙机制探讨

为分析海湾潮动力、含沙量与净输沙之间的关系，将不同断面边滩、深槽各代表点单宽悬沙净通量按公式(2)分解出各项，如图14～图19所示，正值为涨潮向输沙，负值为落潮向输沙。Q1、Q2、Q3项所占比重最大，三项共同决定净输沙趋势。海湾小干岛段Q1项均为负值，沿落潮流向，鲁家峙段Q1项均为正值，沿涨潮流向；整个海湾Q2均为正值，沿涨潮流方向，潮位、流速相位差均小于90°。Q3、Q4、Q5共同作用产生潮泵输沙，除涨、落潮期的含沙量波动变化外，含沙量与潮流的相位差对其影响明显。

4.2.1 平流输沙

图15、图17、图19中D1～D10各断面输沙对比显示，小干岛段南、北边滩拉格朗日余流控制的平流输沙均沿涨潮流向，深槽则相反，平流输沙均沿落潮流向；鲁家峙段，拉格朗日余流控制的平流输沙均沿涨潮流向。沈家门渔港净输沙与平流输沙规律基本一致，结合潮汐余流与单宽悬沙通量输移趋势，说明拉格朗日余流对海湾净输沙起控制作用，潮动力是净输沙的主要影响因素。

为了明晰海湾小干岛段深槽与边滩的潮汐余流、单宽悬沙通量方向相反的原因，观察图14、图16、图18的D3～D5代表点，边滩水深较浅，欧拉余流小于斯托克斯余流，拉格朗日余流受斯托克斯余流主控沿涨潮流向，深槽水深较大，欧拉余流大于斯托克斯余流，拉格朗日余流受欧拉余流主控沿落潮流向，这也就导致了平流输沙在浅滩和深槽区域的差异。

4.2.2 潮泵输沙

图15、图17、图19显示，潮泵输沙量相对平流输沙总体要小一个量级，但当平流输沙量值很小时，潮泵效应对净输沙的影响不容忽视，甚至决定其输移趋势，如D4、D5深槽点。

图20为海湾D4、D5深槽点流速、含沙量过程曲线，潮泵输沙项中，其值由Q3项主导，由平均水深及流速、含沙量波动项共同作用。D4点涨潮平均含沙量为0.447 kg/m3，落潮平均含沙量为0.472 kg/m3，落潮含沙量稍大于涨潮含沙量，含沙量平均滞后流速约2.5 h，此时Q3为-0.04 kg/(m·s)；D5点涨潮平均含沙量为0.431 kg/m3，落潮平均含沙量为0.432 kg/m3，涨、落潮含沙量区别不大，含沙量平均滞后流速约2 h，Q3为0.02 kg/(m·s)。可见海湾内潮泵输沙与涨、落潮含沙量以及含沙量和流速相位差均有密切联系。

图20 D4、D5深槽点流速、含沙量过程线Fig.20 Velocity and sediment concentration process at the points of D4 and D5

4.3 输沙对浚深的响应

由图14、图16、图18可知，海湾浚深是因改变了水深，导致欧拉余流量值变化，进而影响平流输沙及净输沙。而沈家门渔港清淤工程鲁家峙段全部疏浚，小干岛段仅疏浚至舟渔公司，导致工程前后海湾鲁家峙段、小干岛段输沙通量变化程度不一致，表明海湾疏浚不单改变了水深，其实也调整了海湾的动力条件及含沙量。

为进一步探究海湾疏浚引起的水深变化对海湾净输沙及其动力机制的影响，分别设置和工程同样疏浚范围海湾部分浚深4 m、6 m以及和工程不同浚深范围海湾全段浚深4 m、6 m的工况，均为等深挖深(图21)。

图22为不同浚深工况下的各断面日潮周期悬沙净通量。部分浚深时，海湾小干岛段悬沙净通量随浚深增加稍有增幅，鲁家峙段净输沙随浚深增加增幅明显，其悬沙输移对地形变化的响应大于海湾小干岛侧。全部浚深6 m时，小干岛段断面净输沙由原来的涨潮流向变为落潮流向，可见改变海湾小干岛段整体净输沙方向的临界浚深深度约为6 m。

对海湾小干岛段部分浚深6 m和全部浚深6 m的两种工况边滩、深槽进行悬沙通量机制分解及偏度相关性计算，如图23～图28所示，与工程前比较，部分浚深6 m时，海湾小干岛段未浚深区域，地形限制使得欧拉余流数值基本不变，海湾鲁家峙段随浚深增加，欧拉余流也相应增加。全部浚深时，小干岛段欧拉余流均明显增加，边滩净输沙由涨潮流向变为落潮流向，鲁家峙段边滩欧拉余流相较部分浚深6 m均有所减小，深槽欧拉余流均由涨潮流向变为落潮流向，净输沙趋势整体仍沿涨潮流向，但量值相对部分浚深均明显减小。

图29～图32潮周期单宽悬沙净通量分布场显示，部分浚深调整为全段浚深后，小干岛段明显由涨潮单宽泥沙通量占主导变为落潮单宽泥沙通量占主导，而鲁家峙段涨潮主导单宽泥沙通量量值明显减小。综合可知，水深变化主要通过改变欧拉余流的量值影响平流输沙，进而影响净输沙。

比较浚深前后边滩、深槽潮周期单宽悬沙净通量及悬沙通量偏度相关性，浚深6 m后，南、北边滩相关性由工程前的0.57、0.61增至0.85、0.80，深槽基本不变，说明悬沙净通量与悬沙通量偏度相关性受水深影响大，深水区域，相关性相对强，浅水区域，相关性相对弱。

为从机制上探究深槽、浅滩相关性区别较大的原因，分别计算边滩、深槽欧拉余流、斯托克斯余流输沙量值与悬沙通量偏度的相关性(表1)，工程前，边滩欧拉余流输沙项和悬沙通量偏度相关系数与斯托克斯余流输沙项和悬沙通量偏度相关系数相差不大，深槽则相差较大，当海湾整体浚深6 m时，边滩、深槽欧拉余流输沙项与悬沙通量偏度相关性明显增大，斯托克斯余流输沙项与其相关性小，由此可知单宽悬沙净通量与悬沙通量偏度相关性强弱取决于欧拉余流在输沙趋势中所占比重，深槽欧拉余流强于斯托克斯余流、欧拉余流主导平流输沙，决定输沙趋势，而悬沙通量偏度可反映净输沙趋势，此时，欧拉余流与悬沙通量偏度相关性相对强；而在浅滩区，欧拉余流、斯托克斯余流共同决定净输沙趋势，削弱了欧拉余流输沙在平流输沙中所占比重，由二者主导的净输沙与悬沙通量偏度也呈现弱相关性。

表1 不同工况下欧拉余流输沙项Q1、斯托克斯余流输沙项Q2项与悬沙通量偏度相关系数Tab.1 Correlation coefficient between Q1 and Q2 with skewness of suspended sediment flux under different conditions

5 结论

(1)受群岛遮蔽及地形制约，沈家门渔港及其附近海域泥沙输移主要受潮流影响，输沙动力及输沙规律相对宽敞海域表现出极强的复杂性。

(2)海湾净输沙由平流输沙主导，方向与拉格朗日余流一致，欧拉余流和斯托克斯余流对海湾平流输沙的主控作用与水深密切相关。

(3)疏浚工程引起的水深增大增强了欧拉余流输沙量值，但潮动力受地形制约，浚深范围不同，欧拉余流量值变化程度也不同。工况分析可知改变海湾小干岛段整体净输沙方向的临界疏浚条件为全范围浚深6 m。

(4)水深影响欧拉余流输沙量值在平流输沙中所占比重，进而影响潮周期内单宽悬沙净通量与悬沙通量偏度相关性，深水区域欧拉余流在平流输沙中占主导，单宽悬沙净通量与悬沙通量偏度相关性强，浅水区域欧拉余流主导作用变弱，相关性降低。