养马岛连陆海堤拆除前后水动力及海底冲淤演变研究

养马岛连陆海堤拆除前后水动力及海底冲淤演变研究

1研究领域的总结1.1养马岛规划设计阳马岛位于半岛北部，距烟台牟平区9公里。如图1所示，地理位置。东西长7km,南北宽1.5km,面积10km2,是胶东第3大岛。20世纪70年代以来开始在海岛的东部和中部修建两道实体海堤,将养马岛南侧海域分为3部分,东大堤以东为东庙江,中部大堤以西为西庙江。自2003年以来烟台开始修建连接牟平区宁海镇和养马岛风景区的跨海大桥,已于2004年通车。现有海堤计划逐步拆除。1.2潮流性质的特征养马岛海区的潮汐状况受北黄海潮波系统控制,潮汐类型属于正规半日潮。根据2005年3月19—20日的调查资料进行准调和分析可知,本区的潮流性质判据系数K在0.2～0.86之间,各调查站位M2和S2分潮流的K′值在0.01～0.06之间,说明该海区的潮流主要以往复流为主,潮流类型属于不正规日潮流和不正规半日潮流的混合型。根据统计资料全年常浪向为N、NNW和NW向,出现频率均为7%,强浪向为N向,最大波高为4.7m。1.3深水土壤条件据前人调查资料,海岛周围底质类型近岸为砾石粗砂和中砂,深水为砂质粉砂和黏土质粉砂,其中海岛北部海域沉积物颗粒较南部海域细,可能由于此海域主要受陆域来沙的影响。岸滩底质类型主要有砾石-粗砂、粉砂、砂质粉土、黏质粉土和粉质黏土等。2研究方法和数据2.1岩石学模型分析在围填工程及港口建设工程中,水流泥沙数学模型在工程项目的可行性论证中发挥重要作用。为了分析养马岛海堤对水动力条件及海底冲淤规律的影响,首先利用ECOMSED水动力模型,模拟海堤拆除前后的水动力场,分析海堤对水动力的影响;在水动力模型基础上,通过泥沙运动模拟,分析海堤拆除前后的海底蚀淤变化。ECOMSED模型包括水动力模型ECOM以及物质输运模块SED两部分。SED模型基于沉积动力学的物质输运数值模拟系统,包含黏性和非黏性沉积物的输运、沉积及再悬浮过程。其中,对非黏性泥沙的输运、沉积及再悬浮过程采用的是VanRijn模式,而对于黏性泥沙的再悬浮、沉降、堆积等过程则是采用Gailani等的研究成果。2.1.1海底流速度y参数∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y-fv=-g∂ζ∂x+∂u∂t+u∂u∂x+v∂u∂y−fv=−g∂ζ∂x+∂∂x(AΗ∂u∂x)+∂∂y(AΗ∂v∂y)-τbxΗ∂∂x(AH∂u∂x)+∂∂y(AH∂v∂y)−τbxH(1)∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y+fu=-g∂ζ∂y+∂v∂t+u∂v∂x+v∂v∂y+fu=−g∂ζ∂y+∂∂x(AΗ∂v∂x)+∂∂y(AΗ∂v∂y)-τbyΗ∂∂x(AH∂v∂x)+∂∂y(AH∂v∂y)−τbyH(2)∂ζ∂t+∂(Ηu)∂x+∂(Ηv)∂y=0∂ζ∂t+∂(Hu)∂x+∂(Hv)∂y=0(3)式中:t为时间;x、y为Cartesain坐标,在这里分别取向东和向北为正;ζ为水位;d为未扰动水深;H为总水深,H=d+ζ;u、v为海流速度沿x、y方向分量的从海底到海面的平均值;f为Coriolis参数;ρw是海水密度,取1.025g/cm3;g为重力加速度,取为9.81m/s2;AH为水平扩散系数;τbx、τby为底摩擦应力沿x、y方向分量;τb=ρwCb|u|u,其中:Cb是摩擦系数。2.1.2k类沉积物悬浮岩∂Ck∂t+u∂UCk∂x+v∂VCk∂y+∂(W-Ws,k)∂z=∂∂x(AΗ∂Ck∂x)+∂∂y(AΗ∂Ck∂y)+∂∂z(ΚΗ∂Ck∂z)(4)式中:CK为k类沉积物悬浮浓度,其中k=1、2,分别代表黏性和非黏性沉积物;AH为水平扩散系数;KH为垂向涡动黏滞系数;Ek,Dk为k类沉积物的冲刷和沉积函数;η为海表面波动;H为水深;Ws为悬浮泥沙沉降速度。2.2资料和历史资料模型及验证中所用的资料包括潮流、底质、水深地形,资料来源包括现场调查(见图1)和历史资料。潮流资料利用2005年3月19—20日对养马岛海域现场实测的25h的全潮资料;底质资料来源于前人在2003年8月调查的历史资料;水深和岸界根据11940、11961和11962号海图确定。3连通性破坏对趋势场的影响3.1潮流验证过程大海域模型范围为烟台芝罘岛西端至威海褚岛之间封闭海域。在模拟时段内使用烟台港作为潮汐验证点,2005年3月19—20日在A、B、C站进行了潮流观测(站位位置见图1)。图2是潮位验证过程曲线。从图中可知,计算潮位与实测值符合较好,最大误差都小于10cm,潮位误差在10%以内。图3是潮流验证过程曲线,选取具有代表性的B、C两点为潮流验证点。从图中可知,模拟流速、流向与实测值符合较好,某些峰值有一定误差。误差的原因是多方面的,除了模型的数值误差和不准确的开边界处理之外,最主要的原因在于水深地形变化,从2001年到现在,由于烟台港航道已经经过了多次疏浚、挖深与拓宽,模拟采用的海图地形有了较大的变化,局部深槽区域水深加大。此外,观测流速是受多种作用力驱动的,观测流速资料显示了一些不同于潮流结构的垂向结构,除潮汐运动外,还受风应力与密度驱动,但模型没有反应风应力与密度驱动作用。从验证结果可知,模型结果基本上与实测值符合,模型可用于预测模拟。3.2海堤清理后的潮流场落急时刻流场现状流场的流向为WS—EN向(见图4),西南向的落潮流在养马岛西南角处绕过岛屿分岔,一部分沿养马岛西北沿岸向东北流,流向与岛屿走向一致;另一部分流入西庙江水体中,海堤拆除前落潮流流速普遍较小,最大流速仅为0.2m/s,位于养马岛东北角,而东、西庙江海域受养马岛和海堤的阻隔潮流微弱,流速均小于0.1m/s(见图5);海堤拆除后潮流场(见图4)变化主要集中在海堤拦截的海域部分,东西庙江打通后水流畅通,过水面积总体加大,落潮流流速也普遍有所增大,由于落潮海水流过养马岛南部海域后,西南角处口门的束水作用使得养马岛东北角至西南角处存在强流区,最大流速可达1m/s(见图5),强流区的流速平均在0.5m/s左右,连通后的海域流速平均为0.2m/s左右。涨急时刻流场现状流场的流向为EN—WS向(见图6),拆除前涨潮流流速较落潮流速普遍大,最大流速为0.4m/s,仍位于养马岛东北角,东、西庙江海域流速平均在0.05m/s左右(见图7);拆除后潮流场(见图6)主要的变化仍集中在海堤拦截的海域部分,养马岛东北角至西南角处存在强流区,最大可达0.8m/s,当涨潮海水进入海堤打通后海域后过水面积加宽,流速逐渐减小,平均在0.2m/s左右(见图7)。4陆源泥沙源质量导致养马岛海床变型的泥沙来源有陆源来沙、外海域泥沙输入及局地的水动力条件下的泥沙输运。根据资料养马岛近岸海域内没有大的河流注入,径流来沙量小,陆源泥沙的源强较小。本文侧重于海堤拆除后工程水动力条件的改变对工程区域的海床变型的影响,在模拟中,不考虑陆源来沙的影响,只考虑局地水动力条件下泥沙运动引起的海底冲淤变化。4.1养马岛西南海域海底蚀淤模拟主要计算了正常天气下养马岛周围海域的海底蚀淤情况(图8)。图8以及研究区域的等深线位置(图9)可以看出,整个研究区域呈现近岸略微侵蚀、离岸整体淤积的规律,最大年淤积量为15cm之内,最大侵蚀量为1cm。养马岛西北近岸海域一直是略微淤积的状态,年淤积量小于1cm;5～10m等深线之间为淤积状态,年淤积量在2～15cm之间;10m等深线以深海域淤积速率大于15cm/a。2m等深线以浅海域为泥沙强烈活动范围,侵蚀速率小于1cm/a。养马岛西南海域以淤积为主,年淤积量在0.5～5cm之间,淤积速率最大位于原牟平港航道附近。在辛安河和鱼鸟河之间的岸滩呈现略微侵蚀的趋势,年侵蚀量小于1cm。4.2养马岛海域细粒泥沙主要来源分析海图对比是研究航道、港区和海湾等近海环境冲淤变化的常用方法。在保证海图比例尺、坐标系、投影和深度基准面等要素一致的前提下,计算出的不同时期海图水深差值能精确地反映研究区的冲淤变化。近年来计算机技术的应用使得海图对比计算的效率和计算结果的精度大大提高。本文选用1976年和2004年养马岛附近海图作对比(图9),来验证本次模拟结果的可靠性。将研究区划分为以下3部分:养马岛西北侧海域、鱼鸟河以西至辛安河之间海域、养马岛西南海域,具体结果如下:(1)养马岛西北侧海域近岸5m等深线外移距离大约20m,以略微淤积为主。(2)鱼鸟河以西至辛安河之间近岸海域自2001年以来,2m等深线向陆位移,即有侵蚀迹象。该段侵蚀原因主要有两方面:①与河流供沙下降有关,辛安河上游修建水库减少了河流供沙,海岸泥沙来源减少,波浪和沿岸流导致海岸泥沙亏损,岸滩遭侵蚀;②与潮流冲刷作用有关,由于此段距离辛安河和鱼鸟河口门较近,是涨落潮流水道,因此,流速较大,经过潮流、径流不断作用,泥沙极易被水流冲走,导致岸滩易被侵蚀;(3)养马岛西南海域鱼鸟河口外2m等深线和5m等深线明显外移,最大位移可达200m,说明该区域明显淤积。由于受海堤的阻隔和位于养马岛的波影区内,沿岸流减弱,波浪能量降低,携沙能力下降,自西向东的沿岸泥沙流在低能水动力环境下细粒泥沙就发生沉降落淤,造成缓慢淤积;另外,西庙江附近近年来围海池塘增多,导致其纳潮量减小,潮流动力减弱,也是细粒泥沙在此沉积的主要原因之一。所以,ECOMSED数值模拟结果与海图对比结果的蚀淤趋势大体相当,可以用于研究区域的蚀淤变化预测。4.3养马岛南部海域泥沙落淤模拟结果表明,在与拆除前各参数一致的情况下,正常天气下养马岛海堤拆除后周边海域海底冲淤预测见图10。对比图9,表明养马岛海堤拆除后周边海域海底蚀淤情况局部变化较大,主要蚀淤改变集中在海堤拦截海域部分及养马岛东南角海域。海堤拆除后养马岛南部海域淤积情况有所减弱,牟平港附近的局部快速淤积情况消失,但由于该部分海域处于岛的波影区,淤积的态势将继续存在,但年淤积强度非常小,一般为1cm/a左右。主要的冲刷区域在养马岛东北角至西南角处的强流区内,该区域涨、落潮流较强,且床沙组成中以细沙与黏土为主体,床面泥沙容易起动并悬浮扩散,最大冲刷深度可超过5cm/a。涨潮时,养马岛东北侧和西南侧被冲刷的泥沙随涨潮流输送至养马岛南部海域,流速下降,潮流变弱,造成这部分海域的泥沙落淤,淤积强度约为1cm/a;落潮时,养马岛西南侧口门强流区被冲刷的泥沙随落潮流输送至口门之外的邻近海域,流速急剧下降,冲刷的泥沙造成邻近区域明显淤积,淤积强度约为2cm/a。5养马岛海域冲淤情况养马岛海堤的拆除对水动力的改变和海底冲淤的影响,得到如下主要结论:(1)由潮流场的分析可知,海堤拆除前,东西庙江之间水道被堵死,水流不通畅,该海域流速大幅度减小,这样极不利于海域的物理自净,辛安河附近的排污在一定程度上受到阻碍,污染物不易交换到四十里湾外海域,而导致污染物加快积聚海底,近岸水质越来越恶化。调查资料表明,海堤修筑后养马岛海域自净能力和自我调节能力降得更低,赤潮发生率明显增加。(2)养马岛西南海域目前以淤积为主,年淤积量在0.5～5cm之间;养马岛西北近岸海域一直略微淤积的状态,年淤积量小于1cm;在辛安河和鱼鸟河之间的岸滩呈现略微侵蚀的趋势,年侵蚀量小于1cm,所以养马岛现状冲淤模拟结果与历史海图资料得出的长期演变趋势符合。(3)由潮流场模拟预测结果可知海堤拆除后东西庙江之间海域打通,表层及底层流速明显加大,水体交换能力和海域的物理