钦州湾老人沙围垦水动力泥沙影响物理模型试验研究

张 磊, 佘小建，马进荣

(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)

图1 钦州湾位置示意图Fig.1 Location of Qinzhou bay

钦州湾位于广西钦州市以南的海域，湾内岛屿众多，浅滩与潮沟交替，钦州湾分为内湾和外湾，内湾也称茅尾海，海湾面积约380 km2(图1)。目前该湾建设的很多工程影响了钦州湾水动力环境和泥沙运动[1-3]。规划老人沙围填海方案位于钦州湾外湾青菜头以南的浅滩水域，正处于涨、落潮水流通道的口门区，与单纯的海岸浅滩围垦水流变化并不一样[4-5]，这一区域的围垦形状和大小直接影响湾内水流流路和纳潮量。

鉴于钦州湾内浅滩围垦影响巨大，要对规划围填海方案水动力变化，纳潮量及泥沙淤积影响作出评估。利用潮流泥沙物理模型试验研究[6-7]围填海水动力变化及泥沙淤积是一个可靠的技术方法。基于潮流泥沙物理模型，对钦州湾潮流泥沙及方案水动力泥沙环境变化进行了专门研究。

1 自然条件

1.1 潮汐和潮流

钦州湾潮汐性质比为4.60，属正规全日潮，潮流属不规则全日潮流，平均潮差2.40 m。该湾涨潮时涨潮流由西南进入湾内后，在东侧呈NNW流向青菜头，落潮方向相反，一般落潮流速大于涨潮流速，夏季落潮流大于冬季落潮流，龙门通道水流流速最大[8-11]。

钦州湾海域的潮流运动往复流特征明显，较大的涨、落潮流速一般均出现在主水道内，龙门水道潮流明显强于其他区域(图2)。

图2 潮流椭圆图Fig.2 Graph of tidal current ellipse

1.2 风浪

钦州湾常风向N向出现频率为26%，强风向为南向海上来风向。湾内波浪主要是风浪，波向和风向基本一致，年平均H1/3为0.5 m，年平均T1/3为3.3 s。 受岛屿及浅滩掩护，老人沙水域波浪不强。

1.3 泥沙特征

钦州湾沉积物类型分布复杂[12-14]， 5 m等深线以上平均中值粒径约0.22 mm左右，围垦区浅滩即为沙质环境；5 m等深线以下平均约为0.065 mm左右；钦州港深水航道内的样本均为淤泥质，中值粒径一般小于0.007 mm。

夏季施测海域实测涨、落潮平均含沙量为0.017 kg/m3，冬季施测海域实测涨、落潮平均含沙量为0.008 kg/m3，夏季略大于冬季。平面分布上，北部水域含沙量大于南部水域。钦州湾内悬沙平均中值粒径为0.008 5 mm左右。

2 潮流泥沙物理模型

2.1 模型比尺设计

物理模型研究老人沙围填海工程，因老人沙方案位于龙门水道出海口水域，研究区域需要涵盖整个钦州湾水域，包括内湾茅尾海，模拟区域约70 km×35 km(图1)。模型设计主要满足水流运动相似和泥沙沉降相似。物理模型研究确定模型水平比尺λl=700，垂直比尺λh=100，即变率为7.0。

2.2 模型加糙

钦州湾海域现场糙率np取值0.015，物理模型水泥面糙率为0.012左右，因此模型需要加糙。根据徐华的研究[15]三角橡皮块在潮汐模型中加糙可以解决涨落潮糙率不同的问题，为此模型采用三角橡皮块梅花形加糙。

2.3 悬沙选择

模型主要考虑悬沙运动相似。潮流条件下悬沙沉降运动相似比尺为1.43，原型泥沙絮凝沉速为0.05 cm/s，则模型要求模型沙沉速为0.035 cm/s。

根据笔者经验[16]，用木粉(湿容重为1.16 g/cm3)可较好地模似细颗粒泥沙沉降运动。根据斯托克斯沉速公式，中径0.07 mm木粉沉速可以满足悬沙沉降运动相似要求。泥沙沉速比尺为1.43，冲淤时间比尺为568。

2.4 潮汐水流验证

物理模型采用2009年1月大潮(图2)验证，果子山、核电厂和沙耙墩潮位过程模型相位与实测基本一致，潮位极值最大偏差0.09 m(图3)。流速验证点流速过程模型相位与实测走势一致，模型中涨、落潮最大流速与实测值大小点偏差基本在±10%以内(图4)。

图3 潮位过程验证Fig.3 Tidal level process verification

图4 大潮流速、流向验证过程Fig.4 Verification of current velocity and direction process

2.5 淤积验证

根据2009年9月～2010年6月期间9个月老人沙东航道的淤积作为模型悬沙淤积验证资料。钦州湾东航道的泥沙淤积最大淤强为0.46 m，平均淤强为0.31 m，模型航槽内泥沙淤积最大淤强为0.44 m，平均淤强为0.32 m。航槽内泥沙淤积沿程分布、淤积厚度与实测基本一致，最终确定泥沙冲淤时间比尺为λt2=546。

3 老人沙围垦方案水动力影响及泥沙淤积

图5 围垦方案示意图Fig.5 Graph of reclamation plan

3.1 老人沙围垦方案说明

老人沙围海规划区域基本为浅滩，水深在0 m，规划围海方案有3个(图5)。各方案均为东南—西北条形布置，北侧岸线似梯形，东面和西面岸线均与航道走向平行。方案0为基础方案，围垦面积最小为10.74 km2，南侧岸线为直线，直接联系东、西岸线；方案A围垦面积为11.49 km2，与方案0的区别是南岸线为三段折线连接东、西面岸线；方案B围垦面积最大为12.30 km2，南岸线也为三段折线连接东、西面岸线，但南岸线折线更曲折。3个方案主要区别在于围垦区域南岸线形状走向的不同。

3.2 工程对流态影响

围垦方案形状基本顺水流流向布置，由于方案南部处于涨潮水流迎面区域，外海涨潮水流被规划围垦方案南岸分成左、右两股，两股水流基本与规划围垦东、西岸线及航道平行行进，利于船舶航行安全。两股水流汇于青菜头北面水域；落潮时，规划方案北面有青菜头分流，围垦方案本身影响落潮水流不甚明显(图6和图7)。

鉴于围垦方案南岸对涨潮流影响大，规划围垦方案在南端岸线不同走线对涨潮水流影响明显，方案B因南部岸线拐角多，岸线相对圆滑，挑流现象不明显(图7)。围垦方案充分利用北端青菜头岛屿分流，优化南端岸线形状，尽量减少分汇流影响。

6-a涨急照片6-b落急照片7-a涨急流矢7-b落急流矢图6 围垦方案A形成后涨、落急流态图Fig．6GraphofflowregimeafterreclamationplanA图7 围垦方案B形成后涨、落急流矢图Fig．7GraphofflowvectorafterreclamationplanB

3.3 工程后水动力变化

图8 围垦方案B形成后平均流速变化(工程后-工程前)Fig.8 Graph of mean velocity change after reclamation plan B

虽然围垦方案充分利用地形地貌及水流特点，但围垦方案面积较大，又占用涨、落潮过水通道，规划方案西面过水通道水流平均流速增强，增加在0.10 m/s以内，东、西航道水流流速略有降低；规划方案南端形成分汇流，平均流速降低达到0.30 m/s；局部拐角平均流速增加达0.35 m/s左右(图8)。

规划3个围垦方案围海面积差别不是很大，老人沙新围垦所占海湾面积为3.0%左右；围垦方案减少的水域纳潮面积体现到口门流速上，口门区域平均流速降低约0.03 m/s；钦州湾口门断面纳潮量减少4.0% 左右。

围垦位置虽然在浅滩上，但浅滩地形不是很高，围垦方案引起了通道水流重新分配，通道中增加的水流强度受岸线及边界的限制，不足以抵消围垦区内减少的部分水流，口门区水流和湾内纳潮量还是减少。

3个围垦方案仅南部岸线有区别，围垦方案对流态、水流变化及纳潮量影响差别不大，但围垦方案B南岸线水流相对平顺，为较优方案。

3.4 工程后附近航道泥沙淤积

根据水流成果进行较优围垦方案泥沙淤积试验，因方案实施后，浅滩泥沙来源不复存在，航道泥沙淤积主要是悬浮细颗粒泥沙淤积。泥沙淤积模型试验中，东侧港池航道平均回淤强度为0.19 m/a，最大淤强0.25 m/a；西侧港池航道平均回淤强度为0.11 m/a，最大淤强0.15 m/a。东侧航道淤积大于西侧航道，这与围垦方案实施后，东部航道落潮流速减弱有较大关系。总体上，泥沙淤积强度不是很大，围垦圈住了浅滩粗沙运动，利于航道维护。

4 结论与建议

(1)钦州湾水域潮流以往复流为主，落潮流强于涨潮流，潮差不是很大。沉积物特征表明浅水区颗粒较粗，老人沙围垦区即为0.22 mm的沙质；航道及深水区为淤泥质细颗粒泥沙，悬沙平均中值粒径为0.008 5 mm左右。

(2)在分析本海域潮流、泥沙、波浪条件的基础上，应用潮流泥沙物理模型试验研究围垦开发方案，模型潮位、水流和泥沙淤积验证良好，具备方案试验条件。

(3)物模试验研究表明，在钦州湾涨、落潮通道浅滩处口门围海，利用地形地貌顺水流布置，南岸线优化后的B方案可以平顺附近通道水流。围垦圈住了浅滩粗沙运动，利于航道维护。但围垦方案面积较大造成钦州湾湾内纳潮量减少，因此在钦州湾口门围垦还应谨慎为好。

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