波流共同作用下阳西青海湾下岬角泥沙骤淤研究

王润钿1，黄本胜1，邱 静1，杨清书1，2，黄广灵1

(1.广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635;2.中山大学，广东 广州 510006)

摘 要：岬控弧形海岸因海湾岬角其基岩构造的稳定性及地貌动力特性而成为海岸工程开发利用的首选之处，然而弧形海岸岬角往往向海凸出，是波浪能量的汇聚之地，波浪动力作用强烈，尤其在大风浪天气条件下，该区域泥沙运动情况更为复杂。大风浪作用下泥沙骤淤是海岸工程开发的重要问题，该文采用二维波流泥沙数学模型，模拟水动力及泥沙输运，探讨大风浪下青海湾下岬角泥沙骤淤情况，为海岸工程的维护提供依据。

关键词：阳西青海湾；岬角；水动力；泥沙；骤淤

1 概述

1.1 研究意义

弧形海湾岬角多为基岩海岸，岸线地形相对稳定，且是波浪能量汇聚之地，海床多表现为冲刷状，水深较大，常为海岸工程建设的重要地貌单元。海岸工程如火电厂、核电厂的防波堤等建设，形成次生人工岬角，打破了原有动力及泥沙的平衡，加之华南地区海岸易遭受风暴潮袭击，可能引起岸滩、港口航道骤淤、防波堤等建筑物侵蚀等现象，是海岸工程迫切需要解决的重要应用问题。

阳西电厂是位于广东省阳西县青海湾下岬角处的大型海岸燃煤电厂，电厂的建设改变了岸线形态，导致水动力条件和泥沙运动的变化。同时，华南海岸经常遭受不同程度台风的侵袭，台风期间产生的大浪和风暴潮极易掀起海床泥沙，使含沙量剧增，泥沙被水流搬运至近岸处发生骤淤，对近岸港口、航道及取、排水口的安全等造成较大影响。计算并分析阳西青海湾下岬角大风浪作用下泥沙运动规律，不仅对探讨物质输移的关键过程具有重大的理论意义，亦可为阳西电厂的运行维护提供重要的科学依据。

1.2 区域概况

青海湾位于阳西县东南部，为岬角控制的砂质弧形海湾，上岬角为东侧海陵岛闸坡岬角，西端原来为东门岬、白虎岭岬角，现东门岬处已建成为阳西电厂(见图1)。2个岬角均属侵蚀丘陵，由花岗岩及其风化壳组成。岬角附近海域分布有礁石和小岛屿，较大的有双山岛。湾口大体向南，东西宽约14 km，其东北端为与海陵湾内湾相连的潮汐水道。青海湾湾口水深约10 m，海湾东部水深在2～5 m之间，西部水深则一般在5～10 m。双山岛至白虎岭岬角沿岸水深多变，一般在2～5 m，最深处为白虎岭南侧岬角附近，其10 m等深线距岸仅400 m左右。

图1 研究区域位置示意

区域内受热带气旋影响频繁。根据“中国台风网”2001—2010年资料统计，研究海区热带气旋出现的频数为33次，平均每年出现3.3次热带气旋，多在6—10月发生。热带气旋大风引起的风暴潮和巨浪，可能造成沿岸沙质海岸强烈侵蚀和局部海域的骤淤。

1.3 阳西电厂工程概况

广东华厦阳西电厂位于青海湾西南侧下岬角处(见图1)，规划装机容量为7 560 MW(2×600 MW+2×660 MW+4×1 260 MW)，分2期建设。其中1期工程共4台机组，已于2013年底全部建成并投产发电；2期工程拟建设4台(5～8号)1 260 MW超临界燃煤发电机组及延长防波堤约300 m。

2 水动力与泥沙特征

2.1 潮汐与潮流

本海域潮汐类型为不正规半日潮，1 d内出现2涨2落，潮汐日不等现象显著，多年平均潮差为1.47 m，历史记录最大潮差为3.92 m。

以国家85高程基准面起算，闸坡潮位站多年平均海平面为0.56 m，历史最高潮位为3.64 m，最低潮位为-1.55 m，多年平均高潮位为1.29 m，多年平均低潮位为-0.18 m。

潮流常年流向为S～W，基本与岸线平行；海域流速较小，流速量值范围在0.07～0.51 m/s之间，其中，大于0.4 m/s的约占20%，介于0.3～0.4 m/s之间的约占20%，小于0.3 m/s的约占60%；夏季流速大于冬季流速；大潮流速最大，中潮次之，小潮最小；表层海水流速最大，底层最小。海域余流主要成分为沿岸流、潮汐余流以及一定强度的风海流。

2.2 波浪特征

国家海洋局南海分局于2004年1月16日—2005年1月18日在阳西电厂海域外海水深18 m处建立了临时波浪观测站，进行为期1 a的波浪观测。

青海湾下岬角海域常浪向为SE，次常浪向为ESE，出现频率分别为44.8%、21.2%，强浪向为S，次强浪向为SSE，出现频率分别为14.83%、12%，波周期在3～6 s之间。冬季(1月)常浪向为ESE，次常浪向为SE；夏季(7月)常浪向为S，次常浪向为SSE。全年平均有效波高(H1/3)为0.73 m,全年平均最大有效波高为1.53 m,平均周期为4.4 s。

本海域波浪主要受东北季风、西南季风、热带气旋3种天气系统所影响，在观测期间内，本海域没有受热带气旋影响，热带气旋路径最接近本海域的0409号台风，引起最大波高(H1/10)为2.8 m，对应平均周期为6.2 s，波向为S。1997年3月—1998年2月波浪观测期间，本海区受到9713号台风吹袭，出现浪向为S、波高H4%=6.6 m的大浪，平均周期为15 s。

2.3 表层沉积物特征

青海湾海岸由基岩岬角与砂质海岸构成。海岸的侵蚀形态和堆积形态交替分布，岬角向海突出；海湾宽浅，呈开敞的新月形状向陆地凹入；岬间沿岸带砂质堆积体普遍发育。岬角周围海区波浪动力作用较强，泥沙来源以海岸侵蚀产物为主。

青海湾下岬角附近海域表层沉积物类型以砂、粘土质粉砂为主，分别占25%与40%，其他类型为砾石质砂、粉砂质砂、粉砂质粘土。阳西电厂附近主要是砂与砾石质砂，而向外海由砂逐渐变为粘土质粉砂。靠近岬角的泥沙主要是青海湾弧形砂质海岸的沿岸输沙，以及岬角附近破碎带内的泥沙输运，沉积物粒径相对较粗，以砾石质砂和砂为主，表明形成于较强的动力环境，与岬角波能辐聚密切相关；岬角向外特别是波浪破碎带以外，泥沙以涨落潮流带来的东侧海陵湾潮汐通道向外输运的细颗粒物为主。南侧近岸处分布有粉砂质砂、粘土质粉砂以及粉砂质粘土，沉积物粒径较小，再往外则分布着砂，外海处与东侧相似，分布着粘土质粉砂(见图2)。

图2 沉积物类型空间分布示意

3 水动力及泥沙输运数值计算

3.1 波浪数学模型

MIKE 21 SW(波浪模块)主要用于近岸波浪传播过程，模拟的物理过程包括：地形和海流空间变化导致的波浪折射作用；地形和海流空间变化导致的浅水变形作用；逆向流造成的障碍和反射作用；障碍物的阻挡或部分传播作用。其基本方程为：

N+CxN+CyN+CσN+CθN=

(1)

其中 N=N(σ，θ，x，y，t)=E(σ，θ，x，y，t)/σ，为波作用密度谱，σ为相对波频，θ为波向；Cx和Cy为波浪在x和y方向的传播速度分量；Cσ和Cθ为σ、θ空间的波浪传播速度；S是以谱密度表示的源项，包括风能输入、波与波之间的非线性相互作用和能量耗散。

该模型采用了全隐式有限差分格式对波作用量守恒能量平衡方程进行离散，然后在4个象限中用迭代的方法进行求解，其计算是无条件稳定的，因而允许较大的时间步长。

3.2 水动力数学模型

水动力模块是泥沙数学模型的基础，因此建立泥沙数学模型的前提是先建立潮流水动力数学模型。本章采用的潮流数学模型为MIKE 21软件水动力(FM)模块

连续方程:

++=hS

(2)

动量方程:

(3)

(4)

式中 t为时间；x，y，z为右手Cartesian坐标系；d为静止水深；h=η+d为总水深；η为水位；u，v，w分别为流速在x，y，z方向上的分量；ρ为水的密度，ρ0则是参考水密度；pa为当地的大气压；f=2Ωsin φ为 Coriolis 参数(Ω为地球自转角速率，φ为地理纬度)；和为地球自转引起的加速度；Ax、Ay为应力项，由应力模型提供；S为源汇项，(us，vs)源汇项水流流速。横线表示深度的平均值。例如和平均深度的速度，被定义为：

(5)

应力项Ax、Ay为包括水平粘滞应力、表面风应力、底部切应力和波浪辐射应力(可由MIKE 21波浪模块(SW)计算提供)。

模型的空间离散是使用单元中心有限体积法，时间差分格式采用显式迎风格式，

3.3 泥沙数学模型

根据海区泥沙场分析结果可知，本海区泥沙粒径较小，表层沉积物以粉砂为主，泥沙输运以悬移为主，用二维悬沙输运模型来计算泥沙输运及泥沙骤淤。

粘性泥沙输运模型涉及泥沙在水体中的运动以及泥沙与底床的相互作用。悬移泥沙的输运一般建立在水动力模型中的对流项中，可用以下方程来描述：

(6)

式中为悬沙含量的垂向平均值，g/m3；u，v为流速垂向平均值，m/s；Dx，Dy分别为x，y方向的泥沙扩散系数，m2/s；h为水深，m；S为泥沙冲淤函数，g/(m3·s)；QL为单位面积的流量源强，m3/(s·m2)；CL为源强流量的泥沙浓度，g/m3；悬移质泥沙的输运采用被动分量输运求解程序(对流扩散模块)。

3.4 模型的建立

为了更好的提供水动力模型所需要的边界条件以保证局部流场计算符合潮流场的整体物理特征，潮流模拟采用嵌套计算。大模型范围包括整个海陵湾，波、流耦合的泥沙数学模型采用小模型范围和网格，二层模型的计算区域见图3。

图3 模型嵌套示意

潮流数学模型采用2013年夏季的水文资料进行验证，2013年夏季小潮期实测时间为7月16日12：00至7月17日13：00；中潮期实测时间为7月19日12：00至7月20日13：00；大潮期实测时间为7月22日14：00至7月23日15：00。2013年夏夏季小、中、大潮潮位验证相对误差分别为0.044 m、0.053 m、0.058 m(见表1)；流速验证平均绝对误差控制在0.12 m/s以内(见表2)。验证结果表明该模型可用于青海湾下岬角海区水动力与泥沙模拟。

表1 潮位误差统计 m

潮期小潮中潮大潮平均绝对误差0.0440.0530.058均方根误差0.0290.0450.049

注：潮位以国家85高程基准面起算。

表2 流速误差统计 m/s

站位绝对误差均方根误差大潮中潮小潮大潮中潮小潮B70.0830.0700.0350.0580.0520.026B100.1120.1080.0650.1000.0940.043B110.1050.1260.0580.0780.0770.044

3.5 骤淤计算试验组次设计

根据研究海区风浪的特点，以及大风浪的不确定性，本次骤淤计算设计试验组次见表3。

阳西电厂的设计高水位为3.28 m，设计低水位为0.4 m，大风浪一般均会引起近岸水域水位增高，因此，计算水位采用3.28 m高水位。再根据研究区域风浪特点，设计S、SE 2个方向的大风浪，最后每个方向大风浪再设计2.8 m(观测期受台风间接影响产生的最大波高，对应周期为6.2 s，波向为S)、5.5 m(5年一遇有效波高，对应周期为9.3 s)、6.6 m(历史最大波高，对应周期为15 s)3种有效波高，每组试验计算时间为2 d。

表3 骤淤计算试验组次设计

试验方案水位/m浪向有效波高/m周期/s作用时间/d3.28S6.6152试验13.28S5.59.32试验23.28S2.86.22试验33.28SE6.6152试验43.28SE2.86.22试验53.28SE5.59.32试验6

4 计算结果分析

4.1 大风浪作用下流场特征

大风浪的作用会使潮流场发生改变，水动力增强，使水深较大的海域泥沙起动与输运。因此，需对大风浪作用下水动力场进行分析。图4、5分别为S、SE方向不同波高条件下涨急、落急时刻流场图。2.8 m S向大风浪作用下，涨潮方向为北向，在白虎岭东侧形成东向沿岸流，经过阳西电厂防波堤后改为东北向。落潮时刻在流向主要为西南向，由于S向浪的作用，落潮流方向改变为西向，在阳西电厂防波堤南侧形成环流场。当S向浪波高增大至5.5 m时，涨潮时刻流速增大，尤其白虎岭西侧与双山岛东侧附近，流速较大。落潮时刻由于强风浪的作用，在阳西电厂防波堤东侧，向北传播的大风浪，遇落潮流后部分转为东南向，并在南侧形成顺时针环流。波高增大至6.6 m时，涨潮时刻流速增大，而落潮时刻西南向潮流几乎消失，水流流向主要为东、北向。

2.8 m SE向大风浪作用下，涨急时刻，阳西电厂防波堤东侧潮流流向主要为东北向，南侧由于SE向浪的作用，流速减小，流向往北。落急时刻，落潮流与波浪相互作用后，形成西南向流场。波高增大至5.5 m时，涨潮流受SE强浪影响，方向向转变为西南向，仅在双山岛北侧存在向北潮流。落急时刻西南向流速增大。波高继续增大至6.6 m时，涨落潮流场接近相似，流向基本为西南向，流速较大

由此可见，随着波高增大，波浪作用增强，流速增大，SE向大浪会改变涨潮流向，而S向大浪会改变落潮流向。因此，大风浪作用下，海域水动力作用加强，将对泥沙起动与输运产生影响。

4.2 骤淤分析

由大风浪引起的海域高浓度悬沙场将引起某些区域泥沙出现淤积情况，根据泥沙模型输出的冲淤结果，可对不同大风浪条件下泥沙冲淤情况进行分析。

图6为各组次大风浪作用下地形冲淤图，a～c为S向大风浪情况下不同波高地形冲淤图；d～f为SE向大风浪情况下不同波高地形冲淤图。

由图6a可见，2.8 m有效波高S向大风浪作用下，阳西电厂防波堤东侧、双山岛中间与两侧出现冲刷，防波堤东侧与双山岛西侧冲刷量为0.1～0.2 m，双山岛东侧冲刷严重，冲刷量可达0.5 m。阳西电厂防波堤两侧出现0.1～0.2 m的淤积量，双山岛东北侧也出现淤积，量级可达0.3 m以上。当有效波高增大到5.5 m时(图6b)，冲淤情况相似而冲淤量增大。阳西电厂防波堤以东冲刷严重，冲刷量可达0.6 m，此外，双山岛东侧冲刷也较为严重。而阳西电厂港池大范围出现0.3 m以上的淤积，双山岛北侧淤积面积较2.8 m有效波高条件下大。当有效波高继续增大至6.6 m时(图6c)，阳西电厂与白虎岭南侧整片海域大面积冲刷，其泥沙被搬运至阳西电厂防波堤北侧与双山岛北侧，使这两处区域出现大量淤积，最大淤积厚度可达1.2 m。

图4 S向大风浪下流场示意

对比图6a～c可以发现，有效波高增大，水动力与底部剪切应力增强，泥沙侵蚀淤积情况加重，波浪由南向岸传播，遇岛屿、防波堤或岬角等遮蔽物时能量汇聚，在其两侧出现冲刷；而遮蔽物后方波浪能量弱，泥沙在此淤积。此外，从流场图可知，落急时刻，阳西电厂南侧波生流与落潮流与防波堤附近汇集而形成东南流向，因此悬沙被搬运至阳西电厂东南侧形成淤积。而阳西电厂以东，双山岛以西区域，由于防波堤与双山岛的遮蔽作用，动力较弱，尤其阳西电厂港池与双山岛北侧，悬沙搬运至此易沉降淤积。

图5 SE向大风浪下流场示意

图6d～f为SE向大风浪不同有效波高条件下泥沙冲淤对比，其冲淤情况与S向浪较相似。不同之处在于，SE向5.5 m有效波高条件下，研究区域东南侧为冲刷状，而S向为淤积状。

图6 各组次大风浪下泥沙冲淤对比示意

5 结语

针对岬控弧形海岸的岬角动力效应及阳西电厂建设所考虑的泥沙冲淤问题，本文采用实测资料分析方法研究青海湾下岬角岬控水动力与泥沙运动特性，并建立波浪、潮流水动力模型模拟大风浪极端天气条件下的泥沙骤淤。

大风浪作用下，无论S向或SE向，海域水动力增强，流速增大，波浪增水导致落潮流向改变，海域含沙量明显增大，进入港池和取水口的含沙量也随之增大，因此可造成港池和取水口的较强淤积。随着波高增大，波浪增水导致海域流速增大，底部剪切应力增大，水深较大处泥沙被掀起并随海水被搬运至水动力较弱的阳西电厂防波堤以北港池以及双山岛北侧淤积。因此，在大风浪天气过后，阳西电厂需要对防波堤内港池等位置进行清淤。

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(本文责任编辑 马克俊)

Research of Sudden Siltation around the Downcoast Headland with Wave-current Interaction in Qinghai Bay, Yangxi County

WANG Runtian1, HUANG Bensheng1 ，QIU Jing1, YANG Qingshu1,2,HUANG Guangling1

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangdong Key Laboratory of Hydrodynamic Research, National and Local Jiont Engineering Laboratory of Estuarine Water Technology，Guangzhou 510635, China;2.Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510006, China)

Abstract：Headland-controlled arc-shaped coast is the preferred site for coastal engineering by virtue of its landform dynamic property and its stable bedrock’s structure. However, sediment movement around the outward headland is complex because of the strong wave dynamics, especially under storm waves. Sudden siltation under storm waves is a big problem in coastal engineering. Therefore, a two-dimensional wave-stream-sediment mathematical model is used to explore the sediment transport and the sudden siltation under storm waves, to provide a basis for coastal engineering maintenance,

Keywords：Qinghai Bay; headland; dynamic; sediment; sudden siltation

收稿日期：2017-04-14;

修回日期：2017-05-07

作者简介：王润钿(1989)，男，硕士，助理工程师，从事河口海岸动力研究。

中图分类号：TV142

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)08-0001-08