周廣鎮(zhèn), 馮秀麗, 劉 杰, 劉 瀟, 徐 芳

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100)

萊州灣東岸近岸海域規(guī)劃圍填海后沖淤演變預(yù)測(cè)

周廣鎮(zhèn), 馮秀麗, 劉 杰, 劉 瀟, 徐 芳

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島 266100)

運(yùn)用Mike21模型中的水動(dòng)力模塊對(duì)研究區(qū)的潮流場(chǎng)進(jìn)行了模擬, 分析研究區(qū)的沖淤趨勢(shì); 利用經(jīng)驗(yàn)公式, 對(duì)波浪和潮流進(jìn)行耦合, 計(jì)算出極端條件下的最大沖刷深度, 對(duì)比規(guī)劃用海實(shí)施前后的最大沖刷深度, 以對(duì)該區(qū)域的海岸防護(hù)、工程選址等提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明: 受到填海工程的影響, 龍口灣內(nèi)有輕微淤積, 界河至石虎咀近岸海域的波浪和潮流受工程影響而變小, 沖刷強(qiáng)度變?nèi)酢?/p>

萊州灣東岸; 水動(dòng)力演變; 最大沖刷深度

山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃的 9個(gè)集中集約用海核心區(qū), 萊州灣有4個(gè), 僅位于萊州灣東岸的龍口灣海洋裝備制造業(yè)集聚區(qū)一期工程, 填海面積接近 50 km2, 如此大規(guī)模的圍填海, 必定會(huì)導(dǎo)致萊州灣海域潮流、波浪、泥沙沖淤狀況的改變, 進(jìn)而影響萊州灣東岸附近海域的沖淤變化, 以及岸線的變化。近50 a來許多學(xué)者對(duì)該區(qū)的侵蝕災(zāi)害和泥沙運(yùn)移做過大量研究[1-3], 研究萊州灣東岸近岸海域的沖淤變化, 對(duì)指導(dǎo)該區(qū)海岸防護(hù)、工程選址和沿岸地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。

1 自然概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)地貌

萊州灣東岸位于山東半島西北部, 北界為屺坶島及其連島沙壩, 東為龍口港, 向西南經(jīng)招遠(yuǎn)延伸至萊州的石虎咀(研究位置如圖1所示)。屬于穩(wěn)定的平原港灣海岸, 其平面形態(tài)呈對(duì)數(shù)螺旋形。本段海岸沿岸堤低,海灘較寬, 坡度緩, 物質(zhì)細(xì)。構(gòu)造上位于郯廬大斷裂東側(cè), 為上升區(qū), 屬于膠東隆起及膠北抬凸的西北翼, 沿岸多低緩丘陵, 沙嘴、沙壩、潟 湖十分發(fā)育, 是典型的對(duì)數(shù)螺旋型砂質(zhì)海岸。研究區(qū)地勢(shì)由東南向西北傾斜,入海河流主要有界河、朱橋河和王河等[4]。

1.2 工程概況

龍口灣臨港高端制造業(yè)聚集區(qū)一期工程龍口部分, 南至龍口界河以北300 m, 北至龍口恒河入海口南側(cè), 西至約-8.5 m等深線, 東至海岸線, 集中集約填海約37 km2。共有6個(gè)人工島和1個(gè)突堤式人工島填海, 人工島群和陸地間水道寬度約 500 m, 島間 NE-SW 向縱向主水道寬度也為 500 m, 北部NW-SE向橫向水道寬度300 m, 南部NW-SE向橫向水道寬度200 m。規(guī)劃用海區(qū)共形成人工岸線54.8 km,占用自然岸線3.9 km。招遠(yuǎn)部分填海約9 km2。

圖1 填海工程位置及研究區(qū)水深地形圖Fig. 1 Location of the reclamation and water depth of the study area

2 數(shù)值模擬簡(jiǎn)介

2.1 模型介紹及參數(shù)設(shè)置

MIKE21是丹麥水動(dòng)力學(xué)研究所開發(fā)的一種平面二維數(shù)值模型, 采用擬合陸邊界、網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密的非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域。因其具有友好的界面、可靠的算法、強(qiáng)大的前后處理功能等優(yōu)點(diǎn), 已經(jīng)在世界70多個(gè)國(guó)家得到應(yīng)用, 并得到世界公認(rèn)。MIKE21FM 采用標(biāo)準(zhǔn) Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散, 在時(shí)間上采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程[5]。

采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 開邊界處由M2, S2, O1, K1四個(gè)主要分潮提供水位開邊界條件。四分潮調(diào)和常數(shù)由渤、黃、東海海洋圖集各分潮同潮圖內(nèi)插得到。為了能清楚了解本工程附近海域的潮流狀況, 將本工程附近海域進(jìn)行局部加密, 加密區(qū)域計(jì)算范圍為37.447°～37.686°N, 120.012°～120.317°E。整個(gè)模擬區(qū)域(填海之前)共有7 024個(gè)節(jié)點(diǎn)和12 304個(gè)三角單元組成。

2.2 潮位驗(yàn)證

國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心于2007年12月25日19: 00～2007年12月26日20: 00(大潮期間)在工程周邊海域分別進(jìn)行了3個(gè)站位26 h單周日潮流同步連續(xù)觀測(cè)。對(duì)于半日潮海區(qū), 利用大潮期間的潮位觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析計(jì)算, 可以確保得到較為正確的結(jié)果。因此, 本次模擬選用大潮期間的潮流觀測(cè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證資料。驗(yàn)證結(jié)果表明, 對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)上潮位和潮流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)潮流資料吻合較好, 能夠較好地反映工程周邊海域潮流狀況。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖 2是研究區(qū)海域大潮期間落潮中間時(shí)潮流場(chǎng)現(xiàn)狀, 潮流整體由SW往NE流, 屺姆島最大流速約為75 cm/s; 石虎咀最大流速約25 cm/s, 招遠(yuǎn)岸段附近海域潮流流速整體介于18～35 cm/s之間。

通過數(shù)值模擬結(jié)果(圖 3)可以看出, 工程前后,研究區(qū)西北部流速大小基本不變; 受到工程影響,龍口灣流速減小 4～8 cm/s, 填海工程招遠(yuǎn)部分至石虎咀的近岸區(qū)域流速減小4～12 cm/s, 工程形成的半圓形區(qū)域, 流速減小 24 cm/s; 填海工程西側(cè)由于挑流作用流速變大 0～8 cm/s, 填海工程招遠(yuǎn)部分與岸之間的水道以及兩工程之間的水道, 流速增大幅度在4 cm/s左右。

4 極限沖刷深度預(yù)測(cè)計(jì)算

4.1 計(jì)算原理

海岸地區(qū)大規(guī)模的泥沙輸移大多是波浪和水流共同作用下完成的。根據(jù)力學(xué)平衡原理, 將波浪和潮流在海底產(chǎn)生的切應(yīng)力耦合, 與沉積物顆粒臨界起動(dòng)剪切力相比較, 如果切應(yīng)力大于臨界起動(dòng)剪切力,研究區(qū)海床將繼續(xù)沖刷, 然后根據(jù)沖刷后的水深重新計(jì)算波浪要素, 計(jì)算浪流切應(yīng)力, 再次比較, 直到切應(yīng)力等于臨界起動(dòng)剪切力, 就停止計(jì)算, 保留下此點(diǎn)的水深, 即為極限沖刷深度。

波流共同作用下的床面切應(yīng)力:

圖2 工程前后研究區(qū)海域潮流場(chǎng)對(duì)比Fig. 2 Comparison of tide current field of the study area

圖3 填海前后流速變化圖Fig.3 Flow velocity changes after the coastal planning

曹祖德[6]等利用波浪槽試驗(yàn)結(jié)果, 推導(dǎo)出不同流態(tài)、泥沙粒徑時(shí)的臨界起動(dòng)力τb:

式中:ν為水體動(dòng)粘滯系數(shù);ρs為泥沙顆粒密度;ρ為水的密度;d為沉積物中值粒徑。

本文利用招遠(yuǎn)岸段沉積物調(diào)查資料、908渤海灣沉積物調(diào)查資料、海灣志第3冊(cè)龍口港的資料, 得到研究區(qū)的中值粒徑分布。利用surfer8.0, 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化, 每隔120 m取一個(gè)點(diǎn), 得到研究區(qū)的中值粒徑, 利用上述公式, 計(jì)算出萊州灣東岸附近海域沉積物臨界啟動(dòng)力。

4.2 極限沖刷深度預(yù)測(cè)結(jié)果

4.2.1 N向風(fēng)

規(guī)劃用海實(shí)施后, 研究區(qū)無沖刷區(qū)域變大, 屺坶島前端沖刷強(qiáng)度不大, 龍口灣到填海工程之間的區(qū)域沖刷作用不明顯。波浪和潮流在傳播的過程中受到填海工程的阻擋, 發(fā)生繞射和反射, 工程前端沖刷強(qiáng)度增大。春雨漁港西側(cè)1 000 m左右至石虎咀的近岸海域, 最大沖刷深度0～4 m, 界河口西側(cè)也有輕微的沖刷。

4.2.2 NE向風(fēng)

規(guī)劃用海實(shí)施后, 研究區(qū)無沖刷區(qū)域變大, 屺坶島和龍口灣最大沖刷深度無較大變化, 但是界河到石虎咀近岸海域最大沖刷深度變小, 填海工程西側(cè)最大沖刷深度變大。

兩種工況下的計(jì)算結(jié)果見圖4和表1。通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算最大沖刷深度發(fā)現(xiàn), 受到填海工程的影響,龍口灣流速和有效波高變小, 不利于泥沙的啟動(dòng)和運(yùn)移, 最大沖刷深度變化不大; 填海工程前端由于挑流和破浪作用, 潮流和波浪作用較強(qiáng), 有利于泥沙的啟動(dòng)和運(yùn)移, 最大沖刷深度增大; 界河至石虎咀近岸海域的波浪和潮流受工程影響而變小, 最大沖刷深度較填海前變小。所得結(jié)論與數(shù)值模擬得到的沖淤趨勢(shì)一致。

5 結(jié)論

表1 工程前后八級(jí)N和NE向風(fēng)最大沖刷深度對(duì)比表Tab.1 The comparison between the maximum scour depth before and after the engineering N and NE direction 8 degree wind

本文運(yùn)用Mike21模擬研究區(qū)的潮流特征, 分析規(guī)劃填海前后研究區(qū)海洋環(huán)境的變化趨勢(shì); 利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出極端條件下的最大沖刷深度, 分析規(guī)劃填海實(shí)施后研究區(qū)的沖淤演變規(guī)律。研究成果主要有: (1) 工程前后, 研究區(qū)西北部流速大小基本不變; 受到工程影響, 龍口灣流速減小4～8 cm/s, 填海工程招遠(yuǎn)部分至石虎咀的近岸區(qū)域流速減小 4～12 cm/s,工程形成的半圓形區(qū)域, 流速減小 24 cm/s; 填海工程西側(cè)由于挑流作用流速變大0～8 cm/s, 填海工程招遠(yuǎn)部分與岸之間的水道以及兩工程之間的水道,流速增大 4 cm/s。(2) 通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算最大沖刷深度發(fā)現(xiàn), 受到填海工程的影響, 龍口灣最大沖刷深度變化不大; 填海工程前端最大沖刷深度增大;界河至石虎咀近岸海域最大沖刷深度較填海前變小,與數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)變化趨勢(shì)基本一致。

圖4 八級(jí)N, NE向風(fēng)作用下的最大沖刷深度Fig. 4 The maximum scouring depth after and before the engineering

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(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Prediction of erosion evolution and deposition in the east coast of the Laizhou Bay after the implemention of the coastal planning

ZHOU Guang-zhen, FENG Xiu-li, LIU Jie, LIU Xiao, XU Fang
(College of marine geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

May, 17, 2012

east coast of the Laizhou Bay; hydrodynamic evolution; the limit depth of scouring

In this paper, the hydrodynamic model of Mike21 was used to simulate the flow current, deposition characteristics of the east coast of the Laizhou Bay, to predict its erosion and deposition evolution, Coupling the wave and current, to calculate the limit depth of scouring using empirical formula. By comparing the limit depth of scouring before and after planning reclamation, we found that the Longkou Bay would have a slight deposition. The wave and current of coastal water between the Jiehe River and Shihu area would become smaller and erosion intensity would become weaker, under the influence of engineering. All these analyses have shown that the coastal water between the Jiehe River and Shihu area would change from erosion to deposition when the planning reclamation is implemented.

P751

A

1000-3096(2014)01-0015-05

10.11759/hykx20120517002

2012-05-17;

2013-11-02

海洋公益科研專項(xiàng)(201005009)

周廣鎮(zhèn)(1986-), 男, 山東棗莊人, 碩士在讀, 主要從事海洋地質(zhì)環(huán)境與工程研究, E-mail: anchor.ocean@163.com; 馮秀麗(1962-), 通信作者, 電話: 0532-66782057, E-mail: fengxiuli@ouc.edu.cn