王思超，蔣志凱，趙 鵬

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣州 510230；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456)

吉達灣位于茂名市電白區(qū)電城鎮(zhèn)。目前吉達灣淤積較嚴(yán)重，平均水深已不足1 m(基于MSL)，灣口內(nèi)側(cè)淤積體低潮時可露出水面。灣內(nèi)水色相對外海水體發(fā)黑，且吉達港圍堤近岸長有綠藻，環(huán)境感官較差。為提升吉達灣的整體環(huán)境，還人民群眾綠水青山，當(dāng)?shù)卣媱潓_灣藍色海灣進行疏浚整治。

目前對于類似海灣的整治疏浚類工程在如何界定疏浚整治范圍、確定疏浚底高程等方面缺乏有效的設(shè)計思路，相關(guān)研究也較少：于東生等[1]研究了茅尾海淺灘清淤、葵子江水道貫通工程導(dǎo)致的水動力條件和半交換周期變化，匡翠萍等[2]分析了清淤疏浚工程對七里海潟湖濕地水體交換的影響。本文通過計算整治水域周邊設(shè)施的整體穩(wěn)定性，提出整治疏浚范圍；建立潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，對比分析不同疏浚底高程下的水體交換和回淤量，并結(jié)合項目投資等因素提出整治疏浚底高程。

1 自然條件

1.1 潮汐特征

據(jù)2019年4月11日～5月11日觀測統(tǒng)計分析，測驗海區(qū)(HK1+HO1)/HM2為1.14，潮汐屬不正規(guī)半日潮類型。本海域平均潮差為2.07 m，最大潮差為2.92 m。漲落潮歷時基本一致，平均漲潮歷時略大于落潮歷時。

1.2 潮流特征

圖1和圖2為垂線平均流速矢量圖，大潮期不同測站大致為往復(fù)流，也呈現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流特征；小潮期V1站往復(fù)流特征明顯，V2和V4站表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流特征，V3、V5和V6均為西向的單向流。

圖1 大潮垂線平均潮流矢量圖 圖2 小潮垂線平均潮流矢量圖Fig.1 Vertical averaged current velocity vector in spring tide Fig.2 Vertical averaged current velocity vector in neap tide

施測海域潮流呈現(xiàn)出隨潮差的減弱而減小的趨勢，最大流速表現(xiàn)出大潮大于小潮的特點。從流速平面分布來看，處于吉達灣灣口的V1站最大，其余各站大潮期最大流速在0.15～0.23 m/s，小潮期最大流速在0.11～0.45 m/s?？拷夂５腣3、V5和V6站流速大于近岸的V2和V4站。

1.3 波浪特征

本工程位于南海北部，受來自東南向的熱帶氣旋影響相對較大，常浪向應(yīng)在E向～SE向之間，強浪向為ESE～S向，年均波高不超過1.5 m，年均波周期在6 s以下。

1.4 懸沙及底質(zhì)分布

在潮流測站同步進行了含沙量取樣工作，大、小潮平均含沙量分別為0.042 kg/m3和0.034 kg/m3，大潮期間的含沙量大于小潮含沙量。各測站的懸沙中值粒徑介于4.99～14.23 μm，成分以砂質(zhì)粉砂和粘土質(zhì)粉砂為主。

砂是本海區(qū)分布最廣的沉積類型，中值粒徑在123.22～411.91 μm，廣泛分布在吉達灣和外海-2 m等深線以淺的水域。粉砂質(zhì)砂中值粒徑在65.08～206.44 μm，集中分布在儒洞河河口區(qū)和外海-5 m等深線外側(cè)區(qū)域。砂-粉砂-粘土和粘土質(zhì)粉砂中值粒徑在9.96 ～17.06 μm，主要分布在-10 m等深線附近。

1.5 泥沙來源

儒洞河曾是工程附近流域來沙的主要來源，但隨著上游陂底水庫和支流長角水庫等水利設(shè)施的建設(shè)，輸沙量已大為減少。該海域總體含沙量較低，工程海域的平均含沙量小于0.05 kg/m3。潮間帶和近岸沉積多為砂質(zhì)，且本海區(qū)潮流較弱，因此在潮流作用下的輸沙量不大。經(jīng)分析，有限的岸灘侵蝕泥沙及岸灘局部搬運泥沙為工程海域主要泥沙來源。

1.6 海岸地貌

吉達灣內(nèi)淤積較嚴(yán)重，灣內(nèi)大部分潮灘的底高程在-2.0～2.6 m，靠近雞打港圍堤海域水深略大。東側(cè)靠近灣口分布有島狀灘地，在低潮時露出，在淤積體北側(cè)和南側(cè)分別有兩條汊道從口門通向東側(cè)較深水域。吉達灣灣口兩側(cè)均有沙嘴存在，其中西岸沙嘴指向口內(nèi)，東岸沙嘴相對靠外，在沙嘴之間形成彎曲的潮汐通道，反應(yīng)出兩岸均有沿岸輸沙存在。在雞打港灣口外側(cè)，由于潮汐汊道水流對沿岸輸沙有攔截作用，并且在潮流和波浪共同作用下形成多處淺灘[3-4]。

1.7 工程地質(zhì)

吉達灣內(nèi)表層以細沙為主，下層有殘積土、風(fēng)化巖。納泥區(qū)表層土質(zhì)以砂混粘土為主，底層有淤泥夾層。-6 m以上的土質(zhì)基本為砂性土，-6 m以下的土質(zhì)開始出現(xiàn)粘性土，土質(zhì)的可挖性較好。

2 淤積歷史成因

目前吉達灣內(nèi)水域淤淺萎縮，水質(zhì)惡化。通過現(xiàn)場調(diào)研與相關(guān)資料研究分析，對吉達灣淤積和水質(zhì)惡化的原因分析如下：雞打港圍堤及擋潮排洪閘于20世紀(jì)50年代末建成后，吉達灣的納潮面積明顯減小。即使按20世紀(jì)80年代岸線統(tǒng)計，圍堤建設(shè)也使吉達灣納潮面積減少了4.23 km2，接近原有面積的70%。納潮量減小的直接影響是潮流動力作用的減弱，并導(dǎo)致泥沙的收支平衡被破壞?？谕饽嗌吃诓ɡ俗饔孟孪破穑㈦S漲潮流進入灣內(nèi)后，由于落潮流強度減小，灣內(nèi)泥沙不能完全輸移出灣外，在長時間泥沙交換過程中，在灣口內(nèi)側(cè)形成漲潮三角洲，灣內(nèi)水深逐漸淤淺萎縮。同時，遍及水域的養(yǎng)殖網(wǎng)箱對落潮流動力也存在較大的阻滯，致使潮灘淤展[5]。

灣口的潮汐汊道是吉達灣和外海相互溝通的通道，雞打港圍堤建設(shè)導(dǎo)致納潮量減小后，降低了漲潮的漫灘流速和落潮時的歸槽流速，已沒有足夠的潮流動力塑造、刷深口門潮汐汊道，致使其淤淺、縮窄、位置遷移，從而對潟湖的納潮量、水交換能力和航道等進一步造成負面影響?，F(xiàn)場調(diào)研也了解到歷史上雞打港灣口較為開敞，港內(nèi)與外海直接相連，可通航百噸級漁船，近年來灣口沙嘴地形變化較頻繁，只可通行小型漁船。另外，吉達灣由口門向上漲潮歷時變短而落潮歷時延長，嚴(yán)重地影響了灣內(nèi)的水體交換，使得水質(zhì)惡化[6-8]。

3 整治范圍的確定

根據(jù)分析，項目初步考慮灣內(nèi)與潮汐通道疏浚二者結(jié)合的方式開展整治。吉達灣涉及海洋生態(tài)保護紅線，無法建設(shè)整治建筑物，因此吉達灣的整治疏浚無法完全根除淤積的問題，但可以做到在一定時期內(nèi)緩解瀉湖萎縮的狀況，為解決政策問題、保留瀉湖爭取時間。

灣內(nèi)疏浚整治工程范圍主要考慮開挖水域邊線與現(xiàn)有大堤、東側(cè)及北側(cè)山體、魚(蝦)塘保持一定的安全距離，保障水域開挖對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定不構(gòu)成威脅。本項目采用地基穩(wěn)定計算軟件對原大堤結(jié)構(gòu)、山體穩(wěn)定、塘梗穩(wěn)定進行工程前后對比計算，試算相關(guān)設(shè)施與水域開挖邊線保持不同距離時的穩(wěn)定性，以不影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定為原則，詳細穩(wěn)定性計算結(jié)果見表1。

表1 整體穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.1 Overall stability calculation results

根據(jù)計算結(jié)果，在不影響相關(guān)設(shè)施現(xiàn)有穩(wěn)定性的情況下適當(dāng)留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側(cè)、東側(cè)山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對于西南角現(xiàn)有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內(nèi)疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)，整治范圍見圖3。在潮流泥沙數(shù)模中，也將驗證確定的整治范圍所達到的整治效果。

圖3 整治范圍邊界Fig.3 Regulation boundary

4 整治底高程的確定

整治底高程的確定通過選擇不同設(shè)計底高程進行數(shù)模試算并綜合對比分析，最終確定適宜的設(shè)計底高程。由于吉達灣內(nèi)缺乏歷史水深資料，疏浚底高程的確定缺乏依據(jù)，但灣內(nèi)目前最深的底高程約為-3.18 m(85高程，折合當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋?2.0 m)，因此選擇-3.18 m作為整治底高程方案之一?？紤]到整治效果及環(huán)境要求，在-3.18 m的基礎(chǔ)上進一步加深有利于延長灣內(nèi)保持良好水深的時間，因此選擇-5.18 m及-7.18 m作為整治底高程方案。如進一步加深整治底高程，則項目的投資過大，經(jīng)濟效益降低。

因此，經(jīng)與專家充分討論，初步選定-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m(85高程)作為疏浚底高程試算輸入條件，下文中分別稱為方案一、方案二和方案三[9]。

4.1 模型建立

4.1.1 研究方法

針對工程所在海域的特點，使用MIKE21軟件包建立適用于該海域的二維水動力泥沙數(shù)學(xué)模型，并考慮波浪對泥沙運動的影響。使用示蹤劑法對方案實施后吉達灣水體交換能力進行評估，其原理是對溶解性保守示蹤劑在灣內(nèi)隨流輸運過程進行模擬，通過示蹤劑平均濃度的變化反映港池水交換能力的強弱程度，在計算末期示蹤劑濃度越小，表明灣內(nèi)-外海水體交換效果越好。當(dāng)示蹤劑平均濃度降低到0.5 g/L時，所用時間即為吉達灣的水體半交換周期[10]。

4.1.2 計算域及網(wǎng)格劃分

潮流數(shù)學(xué)模型計算域如圖7所示，東西方向長約220 km，南北方向長約120 km。開邊界東起陽江市東平鎮(zhèn)，西到湛江市南三島附近。采用局部加密的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對計算域進行劃分。外海區(qū)域空間步長較大，在開邊界約為2 000 m，工程區(qū)域空間步長為10～15 m。

4.1.3 模型驗證

本文使用2019年4月在工程海域布設(shè)的H1潮位站資料和V1～V6共6個潮流測站的大、小潮期流速、含沙量觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比，以對潮流數(shù)學(xué)模型進行率定和驗證。其中大潮期對比曲線可見圖4～圖6，由圖可見模型計算得到的各測點潮位、流速、流向、含沙量計算值與實測值吻合較好，可以進一步為分析工程后流場、泥沙沖淤提供必要的水流動力條件。

圖4 潮位對比曲線Fig.4 Comparison results of tide

圖5 流速流向?qū)Ρ惹€Fig.5 Comparison results of current velocity

圖6 含沙量對比曲線Fig.6 Comparison results of suspended sediment concentration

4.2 整治效果-水體交換

計算時段選取2019年4月11日～5月10日共計28 d，包含由水文實測小潮至大潮的漲落過程。至第5 d時現(xiàn)狀條件和方案一～方案三的吉達灣示蹤劑濃度分布可見圖7。

7-a 工程現(xiàn)狀 7-b 方案一

由計算結(jié)果可知，現(xiàn)狀條件下示蹤劑濃度下降速率最小，主要是因為灣內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重，漲落潮流動力較弱，造成示蹤劑不易向外海擴散。濃度在平面分布上由東側(cè)向西側(cè)逐漸升高，在灣內(nèi)形成堆積。至28 d示蹤劑平均濃度仍大于0.6 g/L，表明現(xiàn)狀條件下吉達灣水域半交換周期大于28 d，反映出灣內(nèi)水體自凈能力減弱、可能產(chǎn)生水污染問題。

對比方案一～方案三，整治底高程分別為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m。隨著灣內(nèi)整治底高程的降低，在納潮量和漲落潮次數(shù)相同的情況下，灣內(nèi)示蹤劑稀釋能力下降，半交換周期增加。方案一～方案三的半交換周期分別為2.33 d、2.50 d和3.50 d。

4.3 整治效果-回淤分析

使用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，并考慮波浪作用，對整治工程實施后吉達灣附近水域的淤積情況進行了模擬。3個方案淤積分布相似，均為吉達灣東側(cè)水域和潮汐通道內(nèi)淤積強度較大：在潮汐通道，淤積強度向外海沿程遞減；在吉達灣，外海含沙水體隨漲潮流進入灣內(nèi)，潮流動力減弱挾沙力下降使懸沙產(chǎn)生落淤。

整治方案實施后，淤積強度及回淤量統(tǒng)計可見表2。在吉達灣水域，方案一～方案三最大淤積強度在0.21～0.30 m/a，平均淤積強度在0.10～0.19 m/a，淤積量在13.1萬m3/a～24.8萬m3/a；至10 a后底床高程最高值為-1.18～-4.18 m，平均值為-2.38～-5.28 m。潮汐通道平均淤積強度在0.15～0.29 m/a，淤積量在1.3萬m3/a～2.6萬m3/a。總的來看，不同方案中方案一的淤積強度和回淤量均最小，但10 a后存在露灘的可能性，整治效果較為一般。方案二、方案三隨著疏浚底高程的降低，淤積強度和回淤量有所增加，但10 a內(nèi)露灘的可能性低，整治效果相對較好。

表2 不同方案淤積強度及回淤量統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of siltation intensity and volume

4.4 方案比選

通過以上分析可知，疏浚整治后在水深條件改善的同時，灣內(nèi)與外海的水體交換能力有較大改善，半交換周期明顯縮短。方案一疏浚至-3.18 m，相比較開挖工程量最小，約為628萬m3，但其對水深條件的提升有限，10 a之后灣內(nèi)可能出現(xiàn)露灘的情況。方案二疏浚至-5.18 m，開挖工程量約為987萬m3。方案三疏浚至-7.18 m，相比較開挖工程量最大，約為1 398萬m3。另外也考慮到疏浚水深增大導(dǎo)致水體交換效果變差，綜合整治效果與工程量、工程費用、項目工期等方面的因素進行綜合比選(表3)。

表3 疏浚底高程綜合對比表Tab.3 Comprehensive comparison table of dredging bottom elevation

由表3可知，3個方案實施后水體交換周期均比現(xiàn)狀有顯著改善，其中疏浚至-5.18 m及-7.18 m的整治效果相對較好，方案一10 a后存在露灘的可能性；但疏浚至-7.18 m的工程量及工程費用相比方案一與方案二增大明顯且工期較長。因此從整治效果、項目投資等方面綜合對比，項目的疏浚底高程推薦取為-5.18 m。

5 結(jié)論

針對整治范圍的界定，通過計算周邊設(shè)施整體穩(wěn)定性，確保項目安全，在不影響相關(guān)設(shè)施現(xiàn)有穩(wěn)定性的情況下適當(dāng)留出富余空間。整治水域的范圍為：開挖水域坡頂線離大壩的距離取約100 m，離魚(蝦)塘的距離取為50～70 m，離北側(cè)、東側(cè)山體的距離取為60 m；邊坡按1∶5取值，對于西南角現(xiàn)有沙灘處按1∶25的坡比留出沙灘。由此可以確定灣內(nèi)疏浚整治水域面積約1.44 km2(含邊坡)。針對整治工程底高程如何取值的問題，根據(jù)水文實測資料，建立了吉達灣水域的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測分析了疏浚底高程為-3.18 m、-5.18 m和-7.18 m時的水體交換和回淤量。計算結(jié)果表明水深條件改善的同時，半交換周期由大于28 d降低為2～4 d。考慮到隨著疏浚底高程的降低，半交換周期和回淤量均有所增大，綜合清淤工程量方面的因素，可將疏浚底高程定為-5.18 m。