李文丹，黃玉新，解鳴曉，陽志文 (交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

摘 要：文章通過自然條件分析以及經(jīng)驗證的二維潮流泥沙數(shù)值模擬計算等手段對兩種采砂范圍及不同采砂深度條件下，甌江北口采砂工程對甌江河口河勢影響進行了綜合分析并給出相應優(yōu)化建議。

采砂工程對甌江河口河勢影響分析

李文丹，黃玉新，解鳴曉，陽志文 (交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津 300456)

摘要：文章通過自然條件分析以及經(jīng)驗證的二維潮流泥沙數(shù)值模擬計算等手段對兩種采砂范圍及不同采砂深度條件下，甌江北口采砂工程對甌江河口河勢影響進行了綜合分析并給出相應優(yōu)化建議。

采砂；河口河勢；甌江；數(shù)值模擬

1998年國家開始實施投資拉動政策，建筑市場陡然活躍，砂石料作為不可或缺的主要建筑材料，需求量猛增。同時，因周邊國家和地區(qū)限制開采砂石或資源枯竭等原因，我國砂石出口量增長較快，其中大量的建筑用砂來自天然河道的開采。

采砂對河口河勢穩(wěn)定的影響問題比較復雜，以往研究成果表明[1]，采砂對河勢影響的程度與開采部位、開采量、開采時間等因素有密切聯(lián)系。河床具有自我修復能力，少量開采對河勢的影響是有限的，甚至是有利的，但不受限制的采砂是可以影響到河勢穩(wěn)定的。

圖1 工程方案示意圖Fig.1 Sketch of the project scheme

溫州地區(qū)的砂源主要有甌江砂源、甌江口砂源和外地砂源，其中甌江砂源和甌江口砂源所占比例較大。近幾年甌江可采砂量正在不斷減少，現(xiàn)有幾個砂源已不能滿足市場需求，整體呈現(xiàn)供需不平衡的態(tài)勢，因此，尋找新的采砂砂源地迫在眉睫。本研究中砂源主要為甌江北口海域中沙和三角沙區(qū)域，均為敏感淺灘，砂源的開采將會對甌江河口河勢造成一定的影響，為有效地解決采砂的影響，需進行該項目潮流泥沙數(shù)模研究工作，為溫州采砂工程論證提供技術支撐。

根據(jù)相關單位提供，采砂范圍參見圖1。其中，采砂范圍一(方案一)位于北島堤南側烏仙頭西側淺灘水域(采砂深度分別為4 m和8 m)，采砂范圍二(方案二)位于大門島與靈霓大堤之間大片水域(采砂深度分別為3 m和7 m)。

1 水沙環(huán)境

1.1海岸地貌特點

擬設采砂區(qū)位于甌江北口外側水域。北側為三角沙、小門島、大門島及沙頭水道，南側為靈昆島、靈霓大堤和大霓嶼，東側狀元岙和青山島。

該水域灘槽交錯分布，深槽和淺灘沙咀基本呈東西走向，與該水域的漲落潮流方向一致。甌江出岐頭后形成沙頭水道和中水道兩條落潮沖刷槽，而外海漲潮流自大門島—狀元岙之間下口進入該水域后塑造了黃大岙水道、重山水道等漲潮沖刷槽，漲落潮交匯之處形成中沙、重山沙咀等淺灘，由此在大門島和霓嶼島之間形成黃大岙水道、中沙、青山島西側深槽重山沙咀、重山水道等灘槽相間分布的地貌格局。

圖2 甌江河口形勢圖Fig.2 River regime of the Oujiang estuary

1.2甌江徑流和輸沙

甌江是一個山溪性河流，徑流和輸沙量年際和年內(nèi)都有較大的變化。據(jù)甌江圩仁站1956～2004年和楠溪江石柱站1957～2004年實測資料統(tǒng)計：二站多年平均徑流量分別為422.9 m3s和46.2 m3s，合計為469.1 m3s。圩仁站實測最大流量為22 800 m3s(1952年7月20日)，最小為10.6 m3s(1967年10月20日)，最大與最小年平均流量變化達3.4倍。徑流量主要發(fā)生在3～8月(占全年的76.1%)，最大流量主要出現(xiàn)在6月份，最小流量出現(xiàn)在10月～翌年2月份枯水季，同月內(nèi)最大流量與最小流量變化達3～23倍。

據(jù)圩仁和石柱站實測輸沙量資料統(tǒng)計，甌江多年平均年懸移質(zhì)輸沙量為205.1萬t，年平均含沙量為0.131 kgm3，其中圩仁站為0.135 kgm3，石柱站為0.094 kgm3；年輸沙量，最大為559.4萬t(1975年)，最小為42.3萬t(1979年)，其變化達到13倍。其推移質(zhì)，按其為懸沙量的10%量級估算，也僅有20～50萬t左右。

1.3潮汐潮流

該海域潮汐屬正規(guī)半日潮類型。潮流屬正規(guī)淺海半日潮流類型。為強潮海域，受制于地形基本呈往復流運動，漲落潮流速較大，且總體呈現(xiàn)落潮大于漲潮特點。

1.4含沙量

擬設采砂工程位于甌江北口附近，流速較大，含沙量較高，懸沙物質(zhì)類型為粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂。

1.5底質(zhì)

工程海域粘土質(zhì)粉砂占絕對優(yōu)勢，廣泛分布在甌江口外島間水道、樂清灣、洞頭洋及溫州灣水域，其中值粒徑基本在0.005～0.02 mm之間。細砂和中細砂主要分布在甌江口內(nèi)外、大小門島周邊及狀元岙北側深槽水域，其中值粒徑基本在0.1～0.2 mm之間。粉砂質(zhì)粘土分布在洞頭峽-5 m深槽及洞頭島東側深槽內(nèi)，其中值粒徑基本小于0.005 mm。粉砂和砂-粉砂-粘土分布在青山島西側、洞頭島東側及洞頭漁港深槽局部水域，其中值粒徑基本在0.007～0.03 mm。

2 模型建立與驗證

為擬合復雜岬灣、河口和堤線等細致邊界，潮流數(shù)學模型中采用無結構三角形網(wǎng)格對計算域進行剖分，并采用大區(qū)域與局部模型嵌套方式進行計算，以消除模型范圍過小帶來的邊界傳入誤差。

其中，大尺度模型為潮波傳播模型，小尺度模型為計算模型，東至漩門灣，南至鰲江，東西距離約為75 km，南北距離約為60 km。大模型數(shù)學模型開邊界由中國海潮汐預報軟件給出[2]。小模型潮汐潮流開邊界由大范圍潮汐潮流數(shù)學模型提供。

采用三角形網(wǎng)格對工程海域進行剖分，在重點區(qū)域進行加密布置，保證計算精度要求。圖3示意了局部模型網(wǎng)格剖分情況。

圖3 網(wǎng)格示意圖Fig.3 Sketch of grid mesh

為了驗證模型的合理性，分別采用2015年3月和2015年9月兩次甌江口大規(guī)模水文全潮大、中、小潮測驗資料對模型潮位、流速流向和含沙量分別進行了率定和驗證。本次數(shù)模泥沙淤積驗證主要采用中水道2005～2006年回淤資料進行驗證。限于篇幅，考慮波浪作用的潮流泥沙數(shù)學模型理論及具體驗證過程不在此贅述[3-5]。

3 甌江河口河勢影響分析

3.1主流線影響

圖4分別給出了采砂工程實施前后，甌江北口水質(zhì)點在一個落潮過程中的運移軌跡線。結合工程實施前后流場圖經(jīng)分析可得：

(1)現(xiàn)狀條件下，甌江北口及口外附近水域漲落潮流態(tài)呈往復運動，流路與其地形分布相輔相成。漲潮時，漲潮流自外海由SE向NW向漲入，受大小門島和狀元岙島等島嶼分流作用，分別沿各條水道，尤其是沙頭水道和黃大岙水道—中水道向甌江北口納入。落潮時，水流基本為漲潮流的反方向，自甌江北口向外海運動。

(2)整體上看，采砂工程均位于大小門島—狀元岙島西側河口區(qū)，因此，工程前后流態(tài)發(fā)生改變的區(qū)域同樣集中在工程區(qū)附近水域，外海水域流速流向變化則較小。

(3)方案一實施后，沙頭水道水流流速略有減弱，北島堤北側水域落潮流線略有南偏的趨勢。采沙區(qū)及其南側局部中水道水域流速有所減弱。

(4)方案二實施后，由于采砂范圍較大，導致大門島南側河床過度下切，淺灘消失，水流有所變緩。而大小門島北側沙頭水道流速大幅度減弱，甌江北口—沙頭水道主流線消失，基本改變了甌江北口河口附近水流流態(tài)整體格局及主流線。

4-a現(xiàn)狀 4-b方案一(下挖8 m) 4-c方案二(下挖7 m)

圖4 水質(zhì)點軌跡圖
Fig.4 Track diagram of water point

3.2水動力變化

通過工程前后全潮平均流速差值等值線圖分析可知：

(1)采砂方案一實施后，挖沙范圍內(nèi)水流流速有所減弱(-0.01～-0.25 ms)，上下游水域流速有所增加(0.01～0.35 ms)，南北兩側水域流速有所減弱(-0.01～-0.27 ms)。以流速變化0.03 ms為界，對甌江北口和甌江南口沒有影響，沙頭水道和三角沙水域流速略有減弱(-0.01～-0.10 ms)，大門島烏仙頭附近港區(qū)流速有所增加，挖沙南側甌江口進港航道局部航段流速有所減弱(-0.01～-0.27 ms)。

(2)采砂方案二實施后，對周圍海域水動力影響范圍較大，甌江北口水流流速有所增加(0.01～0.10 ms)，南口水域流速有所減弱(-0.01～-0.15 ms)。大小門島—狀元岙西側水域流速大幅減弱(-0.01～-0.60 ms)，狀元岙北側重山水道流速有所增加(0.01～0.40 ms)。

(3)采砂深度越深，附近水域水動力變化程度越大。

圖5 平均流速差值等值線(工程后-工程前) Fig.5 Average current velocity difference distribution

3.3主要水道納潮量

為分析采砂工程實施后對甌江北口附近水域斷面(圖1)潮量的影響，根據(jù)潮流場變化進行工程前后大潮潮量統(tǒng)計。采用斷面潮量計算方法，經(jīng)統(tǒng)計分析，可看出：

(1)總體來看，采砂方案二實施后對甌江北口附近河口各斷面流量影響較大，甌江北口—黃大岙水道(重山水道)水域貫通，北島堤兩側分流比有所調(diào)整，采砂上下游斷面納潮量有所增加，最大可達 30%。沙頭水道斷面納潮量減小在30%～140%。

(2)方案一實施后，斷面流量隨著挖沙深度增深變化越大。挖沙深度4 m情況下，上下游斷面增加在2.8%以內(nèi)，沙頭水道斷面減小7.1%以內(nèi)。挖沙深度8 m情況下，上下游斷面增加3.5%以內(nèi)，沙頭水道斷面減小10.6%以內(nèi)。

3.4泄洪條件下高潮位變化

本文同樣計算實測大潮疊加100 a一遇泄洪流量(27 000 m3s)條件下，采砂方案實施后的最高高潮位變化情況。經(jīng)分析可知：

(1)采砂方案一實施后，河口附近水域高潮位變化在0.01 m以內(nèi)。

(2)采砂方案二實施后，高潮位變化基本呈“剪刀型”，采砂工程上游洪水水位有所下降(甌江北口高潮位下降-0.01～-0.10 m)，下游洪水水位略有抬升(重山水道和黃大岙水道高潮位抬升0.01～0.03 m)。

3.5甌江北口沖淤影響

圖6 地形沖淤變化(方案一)Fig.6 Topography siltation and erosion(Scheme 1)

圖6和圖7分別給出了采砂工程實施后，甌江北口附近水域在達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)下的沖淤分布(正為淤積，負為沖刷)。由圖可知：

(1)總體來說，各采砂方案實施后海床沖淤與水動力變化相輔相成。流速增加水域地形有所沖深，流速減弱水域地形則有所抬高。兩種方案實施后，采砂坑上下游水域呈沖刷狀態(tài)，南北兩側水域呈淤積狀態(tài)，且隨著采砂坑采砂深度加深，附近水域地形沖淤變化幅度有所加大。

圖7 地形沖淤變化(方案二)Fig.7 Topography siltation and erosion(Scheme 2)

(2)采砂方案一實施后，地形變化范圍(以地形沖淤變化0.1 m為界)，向西影響至靈昆島西側，向東影響至黃大峽水道。影響最大水域為采砂區(qū)南側甌江進港航道局部拐彎航段，為淤積狀態(tài)，局部最大淤厚0.98 m(下挖深度為4 m)和1.5 m(下挖深度為8 m)。

(3)采砂方案二實施后，整體破壞了甌江北口附近河口水域深槽淺灘地形穩(wěn)定性。采砂坑上下游水域(甌江北口和重山水道)地形呈沖刷狀態(tài)，大門島北側水域(三角沙和沙頭水道)則呈現(xiàn)明顯淤積狀態(tài)。

4 結論

經(jīng)本文研究：

(1)從采砂范圍來看，方案一明顯較方案二好。從采砂深度來看，下挖深度越深對周圍環(huán)境影響越大。

(2)采砂方案二實施后，由于采砂區(qū)范圍較大，河床過度下切，對甌江北口河口河勢、甌江進港航道、深槽、淺灘水域水動力(潮位、潮量、流速流向)影響較大。導致甌江北口—沙頭水道主流線消失，基本改變了甌江北口河口附近水流流態(tài)和淺灘深槽地形的整體格局。

(3)采砂方案一實施后，沙頭水道呈淤積狀態(tài)，達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)時，淤厚介于0.1～0.3 m(下挖4 m)和0.1～0.5 m(下挖8 m)。采砂區(qū)南側甌江進港航道局部航段地形呈淤積狀態(tài)，達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)時(期間不整治疏浚)，淤厚介于0.1～0.98 m(下挖4 m)和0.1～1.5 m(下挖8 m)。

(4)從方案可實施性來看，方案一相對較優(yōu)，除應關注沙頭水道和甌江進港航道局部航段淤積問題外，建議盡量減少沙坑開挖深度。方案二由于采砂范圍較大，對周圍敏感水域影響較大，不建議實施。

(5)建議針對采砂區(qū)平面布置方案一進行優(yōu)化，盡量為沿水流走向的條帶形并遠離敏感深槽水道(航道)，以免分散水道水流導致其淤積。

[1]劉蓉,錢兆燕,趙志舟.采砂對河道的影響分析及治理措施研究[J].重慶交通學院學報,2006,25(2):146-149.

LIU R,QIAN Z Y,ZHAO Z Z.Study on the situation of sand-gravel extraction in the river channel[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2006,25(2) :146-149.

[2]李孟國,鄭敬云.中國海域潮汐預報軟件Chinatide的應用[J].水道港口,2007,28(1):65-68.

LI M G,ZHENG J Y. Introduction to Chinatide software for tide prediction in China seas[J].Journal of Waterway and Harbor,2007,28(1):65-68.

[3]李孟國,張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數(shù)學模型軟件包TK-2D的開發(fā)研制[J].水運工程,2005(12):1-4.

LI M G,ZHANG H Q,CHEN H B,et al.Development of multi-functional mathematical model software package TK-2D on coast and estuary[J].Port & Waterway Engineering,2005(12):1-4.

[4]李孟國,張華慶,陳漢寶,等.海岸河口多功能數(shù)學模型軟件包TK-2D的研究與應用[J].水道港口,2006，27(1):51-56.

LI M G,ZHANG H Q,CHEN H B,et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary[J].Journal of Waterway and Harbor,2006,27(1):51-56.

[5]李孟國.三角形網(wǎng)格在水動力水環(huán)境數(shù)學模型中的應用[J].水利水運工程學報,2001 (3):59-64.

LI M G. Application of triangular mesh in mathematical models of hydrodynamic and hydro-envionment field[J].Hydro-Science and Engineering,2001(3):59-64.

Study on influence of sand excavation project on Oujiang estuarine processes

LIWen-dan,HUANGYu-xin,XIEMing-xiao,YANGZhi-wen

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Based on the analysis of hydrology & sediment environment and two-dimensional model of tidal current and sediment in the ocean area near the project, two schemes of sand excavation in range and depth were computed in this paper. The comprehensive research of the influence of sand excavation project on the river regime of the Oujiang estuary and the optimization suggestions were given in the end.

sand excavation;estuary regime; Oujiang river; numerical simulation

2016-07-04；

2017-07-27

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目(TKS150207)；天津市自然科學基金青年項目(16JCQNJC06900)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目(TKS150211)

李文丹(1982-)，女，天津市人，副研究員，主要從事港口航道與海岸工程研究。

Biography：LI Wen-dan (1982-), female, associate professor.

TV 143;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0484-05