胶州湾潮滩整治工程对潮流泥沙影响及冲淤预测分析_曹同钢.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02122-09科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-04-02;修订日期:2022-11-16基金项目:国家自然科学基金(U200620158)第一作者:曹同钢(1983)，男，汉族，山东滨州人，博士，工程师。研究方向:陆海统筹下海洋水库。E-mail:383358131 qq com。引用格式:曹同钢，耿尧，尹衍华，等 胶州湾潮滩整治工程对潮流泥沙影响及冲淤预测分析J 科学技术与工程，2023，23(5):2122-2130Cao Tonggang，Geng Yao，Yin Yanhua，et al Influence of tidal flat regulation project on tidal current and sediment in Jiaozhou Bay and pre-diction analysis of erosion and depositionJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):2122-2130水利工程胶州湾潮滩整治工程对潮流泥沙影响及冲淤预测分析曹同钢1，耿尧2，尹衍华3，况海4，谢宜欣5，张英6(1 中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100;2 青岛西海岸新区应急管理局，青岛 266555;3 青岛开投铁山水务有限公司，青岛 266400;4 青岛利安建设工程有限公司，青岛 266100;5 青岛西海岸新区城市管理局，青岛 266400;6 青岛黄岛区隐珠街道办事处，青岛 266400)摘要潮滩开挖后回淤问题一直是困扰航道建设和港口发展的突出问题，为探究胶州湾北部海湾整治工程在不同开挖方案下潮流场分布情况，通过对胶州湾北部海域进行潮流数值模拟，基于二维平面不可压缩雷诺平均纳维埃-斯托克斯(Navier-Stokes)浅水方程，对比分析两种潮滩开挖方案对航道水动力条件及冲淤变形影响。研究结果表明，工程疏浚后，开挖区及附近海域涨潮流作用明显增强，落潮流深槽流速降低，产生进水加速、出水缓慢的效应，方案二涨潮流作用增强而落潮流减小效应大于方案一。工程完成以后，开挖区有所淤积，方案一潮滩开挖区年平均淤强约 15.6 cm/a，方案二约为19.0 cm/a，淤积强度由深水区向浅水区逐渐增加，工程疏浚产生的涨潮流增强、落潮流减弱的效应将使淤积加速。关键词胶州湾潮滩;潮流;数值模拟;疏浚演变中图法分类号TV213.4;文献标志码AInfluence of Tidal Flat egulation Project on Tidal Current and Sediment inJiaozhou Bay and Prediction Analysis of Erosion and DepositionCAO Tong-gang1，GENG Yao2，YIN Yan-hua3，KUANG Hai4，XIE Yi-xin5，ZHANG Ying6(1 School of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China;2 Qingdao West Coast New Area Emergency Management Bureau，Qingdao 266555，China;3 Qingdao Kaitou Tieshan Water Co，Ltd，Qingdao 266400，China;4 Qingdao Lian Construction Engineering Co，Ltd，Qingdao 266100，China;5 Qingdao West Coast New Area Urban Administration Bureau，Qingdao 266400，China;6 Qingdao Huangdao Yinzhu Sub District Office，Qingdao 266400，China)Abstract The problem of recovery of the stasis after tidal flat excavation has always been a prominent problem puzzling the channelconstruction and port development In order to explore the distribution of tidal flow field under different excavation schemes in the north-ern sea area of Jiaozhou Bay，the tidal current numerical simulation of the northern sea area of Jiaozhou Bay was carried out based on thetwo-dimensional incompressible eynolds average Navier-Stokes shallow water equation，the effects of two tidal flat excavation schemes onthe hydrodynamic conditions and scouring and silting deformation of the channel were compared and analyzed The results show that afterengineering dredging，the rising tide effect in the excavation area and nearby sea areas is significantly enhanced，the flow velocity of thedeep trough of the falling tide is reduced，resulting in the effect of accelerated inflow and slow outflow The rising tide effect in scheme 2is enhanced，and the decreasing effect of the falling tide is greater than that in scheme 2 After the completion of the project，there willbe siltation in the excavation area The annual average siltation intensity of the tidal flat excavation area in scheme 1 is about15.6 cm/a，and that in scheme 2 is about 19.0 cm/a The siltation intensity gradually increases from deep water area to shallow waterarea The effect of enhanced rising tide and weakened falling tide generated by engineering dredging will accelerate the siltation Keywords Jiaozhou Bay tidal flat;tidal current;numerical simulation;dredging evolution投稿网址:www stae com cn潮滩作为海岸带重要的组成部分，不仅是生物多样性保护、极端气象防护的重要区域，也是旅游观光、港口码头等经济所依托的建设地带。作为一种特殊的系统，潮滩区域同时受到陆地径流和海洋潮汐的影响，因此，潮汐对河口沉积物的迁移、转化和分布有很大的影响1。近年来，中国沿海海域不断改善潮滩海域环境，如利用近海潮滩建设游艇码头、围垦工程等，这势必会对潮滩水动力及泥沙供应产生一定影响，工程建设前后潮滩带在不同时间尺度的淤积或侵蚀规律成为研究关注的重点2-3。胶州湾由于其在黄海中部这一优越的地理位置，外加潮滩丰富的资源，在周边城市开发过程中带来了巨大的经济效益4。为加快胶州湾近海区域经济的发展，近年来，前湾地区开展多期码头扩建工程，使湾区内大量潮滩破坏。根据国家海洋局监测数据，2012 年胶州湾的总水域缩减为原有面积的65.6%5。海域面积的减小也使得海洋水土质与悬浮物的对流传播速率下降，而海湾自净能力也减弱，因此如何减少工程建设对近海海湾危害也是亟待解决的关键问题。潮滩整治对泥沙冲淤影响主要分析方法有物理模型试验法、经验公式法、现场资料分析法、数值模拟分析法 4 种。目前应用较多的是经验公式和数值模拟法。在海湾及河口整治对潮流泥沙及冲淤演变的影响分析方面，国内外众多学者开展了研究。陈伟伦等6 通过平面二维潮流悬沙数值模拟方法，研究了长江口青草沙水库对河床冲淤演变影响规律，同时基于改进的王义刚公式，对水库建设后对冲刷和淤积的影响进行分析。徐艺哲等7 通过建立大丰港深水航道水沙数学模型，将实测资料对模型进行验证，探究航道在极端天气下骤淤情况。徐啸等8 分析了京唐港发生泥沙骤淤的海岸动力条件和泥沙回淤特点，提出了大风浪条件下粉砂质岸滩泥沙运动规律。李春良等9 应用 FVCOM方法建立了长江口三维潮流模型，分析了不同淤积时间下长江口各分支航道的潮位、潮时和潮流的变化规律。张永强等10 讨论了胶州湾大桥海域流速及流向变化，通过数值模拟方法对比大桥建设前后对湾内泥沙冲淤影响，研究表明，大桥建设前后除桥墩外其余区域的冲淤趋势基本一致。徐洪波等11 基于数值水流模型和泥沙输运模型对深圳机场跑道工程施工对珠江口水域潮流泥沙影响，并对工程局部进行精细分析计算。石晓雨等12 依托胶州湾内各种观测以及调研资料，利用数理分析和数模计算，针对跨海大桥建设对海水结冰的影响，分析了气温、水动力、沉积等影响因素。赵占超等13 基于黄河上游内蒙古河段实测水沙及地形资料，在考虑同流量水位及典型断面变化情况下，采用输沙率法分析了该河段水沙变化特征，同时研究了河道时空冲淤分布特征及水沙条件与河道冲砂的耦合关系，研究成果可为河道整治、岸线利用及水库调水调砂提供参考。金文14 根据东台子水库附近流域的水沙特征，为充分用弃水进行排沙，采用一维不饱和全沙模型，分析了 4 种方案下淤积的情况。为了改善胶州湾北部海域景观，考虑将胶州湾东北部海湾整治，拟在北部白沙河以南段修建一座游艇码头，通过开挖形成航道连接码头和较浅水域。现通过建立大范围非等距三角形网格的高精度数值模型，探究胶州湾北部海湾整治工程在不同开挖方案下潮流场分布规律，并对工程后开挖潮滩区对航道水动力条件及冲淤变化进行预测，以期为海湾整治工程建设提供可靠的工程咨询。1研究区域与方法1.1研究区概况胶州湾是中国黄海中部的浅水湾，湾内水域宽阔，湾口及湾中南部水域较深，5 m 以深的水域面积不足整个海湾面积的 1/35，其西部、北部及东部水深较浅，另有大面积的浅滩。本工程位于胶州湾北部潮滩区，国家海洋局对该区域寒潮过境中的波浪进行观测，数据显示，在风速为 14 m/s 的情况下，测得最大波高为 1.07 m，平均周期为 4.2 s，其余波高均未超过 1 m。该区域风区很短，水深较浅，波高普遍较小，波浪周期较小。1.2泥沙来源及海底冲淤变化1.2.1海域泥沙来源长期以来，河流来沙一直是主要的泥沙来源，1980