（海洋地质专业论文）威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究.pdf

威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 捅璺 威海湾岸滩整治工程位于威海湾南部杨家湾内，湾内长峰河口受西侧岸壁阻 挡，水动力条件弱，水体交换能力差，且由于沿途污水注入，导致河口处水体混 浊，有异味。湾内海岸整体呈静态平衡状态，而由于后期人工建筑物的出现，一 定程度上改变了该海域的冲淤环境，使岸边局部区域发生侵蚀而后退，沙滩高低 起伏形成洼坑。岸滩整治工程正是为了改善长峰河口的水动力环境，避免九龙河 口侵蚀后退，减少长峰河口与九龙河口之间岸滩的侵蚀，促进沙滩的形成和稳定。 _ 本文采用e c o m s e d 数值模型模拟了威海湾的水动力及冲淤环境，与以往实测 资料基本吻合的基础上，模拟了研究区的水动力及冲淤环境现状，模拟结果与研 究区实际情况基本吻合。进而预测岸滩整治工程原有方案建成后研究区的水动力 及冲淤环境。结果表明，工程的建设改善了研究区的水动力环境，并在一定程度 上改善了区内的冲淤环境。但长峰河口与九龙河口之间区域仍存在一条窄带状冲 刷区，长期作用下，该处将形成一条冲沟。n w 向大风作用下，岸边将形成3 条 明显的带状冲刷区，且冲刷量较大，岸滩整治效果不甚理想。 本文将岸滩整治工程与现有岸线围成的区域视为岬湾海岸，并引用静态平衡 岬湾海岸理论，验证原有方案建成后岸线的稳定性。结果表明，长峰河口与九龙 河口之间存在侵蚀区，其位置与冲淤环境数值模拟结果中带状冲刷区的位置相吻 合。应用静态平衡岬湾海岸理论验证结果和数值模拟结果基本吻合，均表明岸滩 整治工程原有方案不甚理想。进而，本文将静态平衡岬湾海岸理论优化了原有方 案，理论上使工程建成后的海岸基本处于静态平衡状态。 在此基础上，本文应用数值模拟的方法对优化方案建成后区域内的水动力及 冲淤环境进行预测。结果表明，工程的建设明显改善了研究区的水动力环境和冲 淤环境，岸边整体呈现微冲刷状态，长峰河口与九龙河口之间的带状冲刷区消失， 有利于沙滩的形成与养护以及岸线的稳定，岸滩整治效果良好。但由于工程的建 设，研究区东部可能会存在一处明显冲刷区，且冲刷量较大。工程建成后，建议 对该处岸线进行防护，避免进一步冲刷，保持岸线的稳定。 关键词：威海湾；岸滩整治工程；水动力环境；冲淤环境 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 s t u d yo r lt h eh y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n d t h ee r o s i o na n d d e p o s i t i o ne n v i r o n m e n to f t h es a n db e a c hr e g u l a t i o np r o j e c t s i nt h es o u t ha r e ao fw e i h a ib a y a b s t r a c t t h es a n db e a c hr e g u l a t i o np r o j e c t sl o c a t eo ny a n j i ab a yo ft h es o u t ha r e ao f w e i h a ib a y o b s t r u c t e df r o mt h eb u l k h e a dw a l lo fw e s t ，t h eh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n a n dt h ea b i l i t yo fw a t e re x c h a n g ei sp o o r b e c a u s eo ft h ei n j e c t i o no fw a s t e w a t e r a l o n gt h ec h a n g f e n gr i v e r , t h ee s t u a r i n ew a t e ri st u r b i d i t ya n ds m e l l y t h eb e a c ho f y a n j i ab a yi se v e ro nt h es t a t i ce q u i l i b r i u m ，i tc h a n g e dw i t hs o m ea r e ao ft h ec o a s t a n dt h es a n db e a c he r o d e db e c a u s eo ft h ea p p e a r a n c eo fs o m ec o a s t a lp r o j e c t s t h e s a n db e a c hr e g u l a t i o np r o j e c t sw i l lb eb u i l ti no r d e rt oc h a n g et h eh y d r o d y n a m i c c o n d i t i o no ft h ee s t u a r i n eo fc h a n g f e n gr i v e r , a v o i dt h eb e a c he r o s i o ni nt h ea r e aa n d p r o m o t et h ef o r m a t i o no ft h es a n db e a c hb e t w e e nt h ee s t u a r i n eo fc h a n g f e n gr i v e r a n dj i u l o n gr i v e r t h ee c o m s e dm o d e li su s e dt os i m u l a t et h eh y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n d t h ee r o s i o na n dd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n to fw e i h a ib a y ，t h er e s u l ti sa c c o r d 州t l lt h e a c t u a lc o n d i t i o n s t h e nt h ev e n t h y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n de r o s i o na n d d e p o s i t i o ne n v i r o n m e n to ft h es t u d ya r e ai ss i m u l a t e d t h er e s u l ti sa l s oa c c o r dw i t h t h ea c t u a lc o n d i t i o n s t h e nt h eh y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n de r o s i o na n dd e p o s i t i o n e n v i r o n m e n to ft h eb e a c hw i t ht h ep r o j e c t si sf o r e c a s t e d 】li ss h o w e dt h a tt h e h y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n de r o s i o na n dd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n ta r ei m p r o v e d b u tt h e r ea r eab a n d i n ge r o s i o na r e ab e t w e e nt h ee s t u a r yo fc h a n g f e n gr i v e ra n d j i u l o n gr i v e ra n di sp o s s i b l et of o r mag u l l yi nt h ea r e a a n dt h e r ea r e3b a n d i n g e r o s i o na r e a sw i t had e e pe r o s i o ni ns t u d ya r e ao nt h ec l i m a t eo fs t r o n gw i n df r o m n w s ot h ee f f e c tj sn o tw e l j i nt h i sp a p e rt h es t a t i ce q u i l i b r i u mt h e o r yo fh e a d l a n d b a yi su s e dt oe s t i m a t et h e s t a b i l i t yo ft h ec o a s tw i t ht h es a n db e a c hr e g u l a t i o np r o j e c t sb yt h ea r e ac o n s t i t u t eo f 2 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 t h ep r o j e c t sa n dc o a s tr e g a r d e da sh e a d l a n d b a y i ti ss h o w e dt h a tt h e r ei sae r o s i o n a r e ab e t w e e nt h e e s t u a r yo fc h a n g f e n gr i v e ra n dj i u l o n g r i v e rw h i c hi s c o r r e s p o n d i n gt ot h ep o s i t i o no ft h ee r o s i o na r e ao ft h es i m u l a t i o nr e s u l t t h ec o a s t w i t ht h eo p t i m i z e dp r o j e c t sw h i c ho p t i m i z e db yu s i n gt h es t a t i ce q u i l i b r i u mt h e o r yo f h e a d l a n d b a yw i l la b s t r a c t l yb es t a t i ce q u i l i b r i u m t h e nt h eh y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n dt h ee r o s i o na n dd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n t o ft h eb e a c hw i t ht h eo p t i m i z e dp r o j e c t sa r es i m u l a t e d i ti ss h o w e dt h a tt h e h y d r o d y n a m i ce n v i r o n m e n ta n dt h ee r o s i o na n dd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n ta r eo b v i o u s l y i m p r o v e d t h eb e a c hw i t ho p t i m i z e dp r o j e c t si si ns t a t eo fs l i g h te r o s i o nw h i c hi s b e n e f i c i a lt of o r mt h es a n db e a c ha n dh o l dt h es t a b i l i t y t h ee f f e c tw i t ho p t i m i z e d p r o j e c t si sw e l l b u ti ti sp o s s i b l et of o r mao b v i o u se r o s i o na r e aw i t hd e e pe r o s i o n i t i ss u g g e s t e dt h a ts o m ep r o t e c t i v em e a s u r e ss h o u l db eb u i l tt oa v o i dt h ef u r t h e re r o s i o n o ft h i sa r e aa n dh o l dt h es t a b i l i t yo ft h ec o a s t k e y w o r d s ：w e i h a ib a y ；s a n db e a c hr e g u l a t i o np r o j e c t s ；h y d r o d y n a m i c e n v i r o n m e n t ；e r o s i o na n dd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n t 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 j 挂! 垫邃直基丝重要挂型童明的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砷 签字日期：加。男年乡月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：；食韦 导师签字： 芝迂攻 签字日期：加。辟f 月2 日签字日期：a 一辟多月1 日签字日期：加。占年二月2 日签字日期：炒挥6 月1 日 学位论文作者毕业后去向： 镆十争 工作单位： 毕国垮埠式谗 通讯地址： 渐1 幺4 烙2 强呈幸因骅孰善礼 电话：，7 ，如z v 暑，p电话：，歹，占牛z 丫j 6 】7 邮编z 歹口p 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 0 前言 0 1 研究意义 威海市地处山东半岛最东端，湾内的刘公岛风景秀丽，历史古迹众多，加上 威海市冬暖夏凉的气候特点，是极好的旅游胜地。研究区位于威海湾南部杨家湾 内，周边现有威海国际海水浴场、威海公园、海上公园等多处旅游景点，是旅游 度假、避暑疗养的胜地。而目前湾内长峰河口受西侧岸壁阻挡，水动力条件弱， 水体交换能力差，由于沿途有污水直接注入，导致河口处水体混浊，有异味，与 周边区域美丽的旅游景观格格不入。区内多处岸滩遭受冲刷，落潮时沙滩高低起 伏，局部岸段防护林树木根部裸露，沙基被淘刷，不利于岸线的稳定，而且严重 影响该区旅游景观的整体和谐。 为了解决杨家湾岸滩侵蚀问题，实现沿岸沙滩的养护，威海湾岸滩整治工程 应运而生。本文应用e c o m s e d 数值模型模拟了工程建成后周边海域的水动力 和冲淤环境，并引用静态平衡岬湾海岸理论优化了原有方案，使岸滩整治工程能 够发挥最大的功效，减小对周边环境的不利影响，有利于岸线的稳定及岸滩的养 护，对于工程的设计和建设具有鲜明的指导意义。e c o m s e d 数值模型和静态平 衡岬湾海岸理论的结合应用，对于研究近岸海域的冲淤环境以及岸线稳定性也具 有一定的指导意义。 o 2 前人研究工作 0 2 1 威海湾研究概述 威海湾的研究资料相对较少，杨玉岭等n 2 1 对威海湾南部的水环境及地质特 征进行过初步分析，姚兰芳b 3 研究了威海湾的潮流分布特征，冯秀丽1 分析了威 海湾的建港条件。而目前尚没有对威海湾的冲淤环境进行分析和研究的相关资 料。 0 2 2 岸滩整治工程问题研究 岸滩侵蚀在世界范围内都是一个严重的问题，它对社会和经济的发展都有一 定的影响。岸滩的侵蚀状态不仅受自然条件影响，而且也受人类活动的影响。岸 滩侵蚀会造成严重的近海土地流失及海洋特性和海洋资源的损失，对海岸线较长 l 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 的国家更是如此喳3 而且目前由岸滩侵蚀造成资源流失也正在加速，使得多种新 的环保工程项目和环境保措施亟待开发。1 。 然而不合理的海岸构筑物加速海岸侵蚀灾害，也是不乏其例的。张光天呻3 以 石臼所岚山头码头和辽宁皮口镇人工引堤为例，论述了不合理的海岸工程引起的 海岸侵蚀灾害问题；张我华等n 3 讨论了岸滩岩土介质在风浪潮作用下，根据不同 的侵蚀准则所建立的岸滩沉积物在近海迁移和传输的模型，分析了岸滩的侵蚀、 演变过程：季耀华等咱3 针对飞雁滩油田的岸滩侵蚀情况提出了几种岸滩防护设 想，并从理论上进行对比分析，确定了飞雁滩油田岸滩防护初步方案：喻国华“町 分析了江苏吕四岸滩侵蚀的原因，并提出了整治的措施；董吉田“”对胶东湾东北 部岸滩改造方案进行了讨论；蔡峰等“羽通过分析沿岸输沙率和岸线形态，讨论了 闽粤交界的大埕湾岸滩的冲淤形态及海岸的演化趋势，并提出了相应的岸滩防护 对策；吴世迎“3 1 等对岸滩的演化与防护措施提出了自己的观点。 前人对岸滩的侵蚀与防护措施进行了大量的分析和研究，但主要是通过理论 分析和经验判断来预测岸滩防护措施的防护效果。本文应用数值模型，模拟了研 究区冲淤现状，与实际情况基本吻合的前提下，预测了岸滩整治工程建成后周边 海域的水动力及冲淤环境，并将整治的效果用图件的形式直观的表述出来，对于 岸滩整治工程的设计和建设具有一定的指导意义。 0 2 3 数值模拟技术研究进展 海岸水动力数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代，在国内始于2 0 世纪7 0 年代，并 于2 0 世纪7 0 年代末以后有大量研究成果问世。水动力数值模拟是海岸工程、水 运工程和环境工程中重要的模拟方法，它随着近代电子计算机和数值计算方法的 发展而发展。根据电子计算机在水动力学科中的应用情况，水动力数值模拟经历 了三个发展阶段d 4 第一为阶段数值计算阶段。本阶段的特点是利用电子计算机对水力学公式或 方程 直接求解，解决了工程技术人员用简单计算工具难以完成的工作，由于操作 简单，方法实用，受到了工程技术人员的欢迎，但它的计算能力有很大的局限性。 第二阶段为数值模拟低级阶段( 单因素模拟) 。其特点为采用离散方法将整 2 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 个计算水域划分为若干单元，然后利用各种数值分析方法( 例如有限差分法、有 限元法、边界元法等) 在单元节点上求解描述水力学现象的微分方程。在这阶段 中，要研究各种离散方法数值格式的构成和求解方法；它与原微分方程的相容性： 计算过程的稳定性和收敛性等问题，形成了一门崭新的学科计算水力学。由 于上述问题的复杂性，使得水动力数值模拟不易为工程技术人员和科学工作者掌 握，这种水动力数值模拟通常是针对某一水力现象而开发的专业数学模型，其特 点是专用化和一次性使用。 第三阶段为数值模拟高级阶段( 多因素的过程模拟) 。本阶段以实用化、系 统化为标志，使多动力因素影响下的复杂水力现象实现过程模拟，并进一步引入 人工智能和专家系统，达到水动力数值模拟的自动化。在这个阶段，还采用水动 力数值模拟与水力模型有机地结合的复合模型，大大地开拓了模型的应用范围。 另外，模拟过程和模拟结果的彩色仿真显示，也是本阶段数值模拟的重大进展。 随着高速度大容量电子计算机的发展和河口动力理论的不断完善，我国采用 数学模型研究河口及海岸工程的可行性已越来越普遍，并逐渐为工程界所信任和 采纳。从总体情况而言，7 0 年代以河口一维潮流计算为主，进入8 0 年代后，除 继续应用推广一维潮流计算外，大多已采用二维潮流数学模型j 并按需要，配以 泥沙、温度、盐度和污染物等物质输移模型，三维模型也已逐步展开，并取得了 一些颇有价值的研究成果。 自2 0 世纪8 0 年代中起，一些发达国家已致力于将计算机软硬件技术、通讯 与信号处理、全球定位技术和各类高性能传感器研制技术应用于开发多功能、自 动化、集成化、智能化和网络化的海洋立体监测系统。当代海洋监测的总趋势是 从空中、水面、水下、沿岸对海洋的物理、气象、化学和生物指标进行立体监测， 各种优势互补，构成完整的立体监测系统。监测手段的更新和进步，为科学研究 提供了大量的时空准连续的观测资料，有了新的信息源，新的认识就会产生。这 些新的认识和信息输入到数值模型中，就会使它更逼近真实的原型。因此，可以 确信，不久的未来近岸数值模拟技术将会有更大的发展。 o 3 本文研究内容 研究区位于威海湾南部杨家湾内，杨家湾现有两条河流入海口，西端长峰河 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 河口宽1 2 m ，河口距离西侧岸壁北端1 6 0 多米，受到西侧岸壁的掩护，使得河口 附近水域波浪减小，海流微弱，水体的交换能力较差，水体混浊，有异味。长峰 河口南岸呈明显侵蚀状态，落潮时潮潍可见明显洼坑，为防止进一步冲刷，此处 现已建有长约2 5 0 m 的人工岸线。人工湖出水口宽2 6 6 m ，此处与九龙河口东侧 岸滩均呈明显侵蚀状态，形成略低于其他潮滩的浅坑和浅沟，部分防护林树木根 部裸露，沙基被淘刷。岸滩侵蚀不利于岸滩的养护及岸线的稳定，对周边自然环 境、社会和经济发展都产生了一定的影响。岸滩整治工程正是为了解决杨家湾的 岸滩侵蚀问题，实现沿岸沙滩的养护。 岸滩整治工程主要包括：改造长峰河口，增强其水体交换能力；养护长峰河 口与九龙河口之间的沙滩；改造九龙河口东岸，防止海岸侵蚀后退。 本文应用e c o m s e d 数值模型模拟了研究区水动力及冲淤环境现状，在模 拟结果与现状基本吻合的情况下，预测了岸滩整治工程初始设计方案建成后引起 的水动力及冲淤环境的改变，并引用s i i v e s t e ra n dh s u 静态平衡岬湾海岸理论， 对预测的冲淤结果及岸线稳定性进行验证。在此基础上，应用静态平衡岬湾海岸 理论优化了原有方案。进而应用数值模拟的方法预测优化后的工程方案建成后引 起的水动力及冲淤环境酌变化。 4 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 1 研究区自然条件概况 1 1 研究区地理位置 威海湾位于山东半岛北岸，隔北黄海与辽东半岛相望。湾i ；2 1 北起北山嘴，中 经连林岛、黄岛、刘公岛、大红、小红等岛礁，南迄鬼子头。湾口被刘公岛分为 南、北两口，北v i 宽1 6 0 0 m ，水深6 - 2 8 m ，无暗礁，是主航道；南e l 又被日岛 分为南、北水道，北水道宽1 3 8 5 m ，水深6 - - 1 5 m n 射。威海湾以旗杆嘴又可分为 南湾和北湾，北湾即狭义的威海湾，位于威海市中心东侧，建有商港；南湾称为 杨家湾。威海湾e l 西北侧还有一小湾，即半月湾，与附近的牙石岛、小黄岛、青 岛构成优美的旅游景区。 研究区位于威海湾南部杨家湾内，其西北侧约5 2 k m 为威海市区，东北侧临 近威海新港，主要有长峰河和九龙河两条入海河流( 见图1 1 ) 。区内有威海公园、 海上公园等多处旅游景点，其中海上公园包括游乐园、人工湖、奇石园，森林生 态园、海水浴场、九龙湾旅游度假区六个部分。 图1 1 研究区位置及调查站位图 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 1 2 气象 威海市地处中纬度，属温带大陆性季风气候，四季变化和季风进退都较明显。 与同纬度内陆地区相比，具有冬暖、夏凉、春冷、秋温、昼夜温差小、无霜期长 和湿度大等气候特点。春季多大风，间有春旱；夏季最短，湿润凉爽，盛行从海 洋吹来的暖湿夏季风，偶有伏旱；秋季天气凉爽，个别年份出现秋季连阴雨；冬 季漫长干冷且雨雪稀少，盛行从大陆北部吹来的干冷冬季风。 研究区周边尚未有系统的气象要素的观测，本文采用威海船厂南侧金线顶威 海气象站( 北纬3 7 。2 9 ，东经1 2 2 0 0 8 ) 1 9 5 9 - - 1 9 7 8 年观测资料作统计分析。 ( 1 ) 气温 威海市濒临黄海，具有海洋性气候的一些特点，表现为春冷、夏凉、秋暖、 冬温，昼夜温差较小等。1 月份气温最低，平均为1 6 。8 月份气温最高，平均 为2 4 6 。全年平均气温为1 2 1 。据统计，历年极端最低气温为1 3 8 ，历年 极端最高气温为3 8 4 。c ( 见图1 2 ) 。 3 0 2 5 2 0 ；1 5 孝l o 5 o 5 1 -j 3一，it 昱曼r 一心1 1 11 2 e 图1 2 研究区周边海域月平均气温变化趋势 ( 2 ) 降水 研究区周边海域年平均降水量7 9 3 5 m m ，最大年降水量l1 9 2 7 m m ( 1 9 6 5 年) 。 月平均最多降水量在7 、8 月份，平均值为2 0 4 2 m m ，最高值为5 4 1 7 m m ；月平 均最少降水量在】、1 2 月份，平均值为1 2 7 m m ，最低值为o 7 m m 。日最大降水 量3 7 0 8 m m ( 1 9 6 5 年7 月6 日) 。 日降水量 0 1 m m 最长连续降水日数1 2 d ( 1 9 7 0 年7 月1 6 日至2 7 日) ，降 水量2 9 0 7 m m 。日降水量 0 1 m m 连续最长降水日数5 9 d ( 1 9 7 7 年2 月5 日至4 月 4 日) 。 年平均降雪日数1 8 8 d ，晟多年3 5 d ，最少仅有5 d 。降雪初日平均在1 1 月6 6 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 日，降雪终日平均在3 月2 6 日。 ( 3 ) 风 根据威海气象台实测资料统计表明，多年平均风速5 4 m s 。常风向为n n w 及n w 向，频率都是1 1 。威海的最大风速达2 2 r r d s ，对应的强风向为n n w 向 及s w 向。极大风速3 0 m s ，风向n n e 向；次强风向为n w 、n n e 向。 多年平均8 级大风日数4 1 5 d 。大风日数以冬春季较多，其中又以4 月最 多，月平均6 6 d 。8 月份大风日数撮少，月平均0 8 d o ( 4 ) 雾 多年平均雾日1 6 d 。最多年3 0 d ( 1 9 7 8 年) ，最少年7 d ( 1 9 6 5 年) 。主要集 中于3 7 月，月平均雾日2 d 3 8 d ，7 月平均3 8 d ，最多年】l d 。9 月至翌年2 月 雾日较少，月平均在0 0 - 0 5 d 。全年雾和雨量大于1 0 m m 的天气有1 0 d 2 0 d 。 ( 5 ) 湿度 多年平均相对湿度6 8 ，7 - 8 月湿度较大，7 、8 两月降水量和阴天日数多， 相对湿度也大，两月分别为8 6 和8 4 ，3 月相对湿度最小为6 l 。其它月在 6 2 7 4 之间。月最小相对湿度在2 2 6 。多年最小相对湿度为2 ，出现在 1 9 7 9 年4 月9 日和1 9 8 0 年5 月4 日。 1 3 水文 ( 1 ) 水温 威海湾多年平均水温年变化比较明显，平均水温的最高值出现在8 月份，为 2 4 2 c 9 月至翌年2 月，水温逐渐下降，下降速度平均每月为3 9 c ；2 月份水 温最低，平均为1 1 ；3 月，随气温的回升水温亦逐渐升高，至8 月达最高值； 年较差为2 3 1 。多年平均水温为1 2 4 c 。 研究区周边海域表层水温累年平均为1 2 5 。全年最低水温在2 月份，平均 0 8 c 。最高水温在8 月份，平均2 4 1 。 ( 2 ) 盐度 威海湾年平均盐度为3 0 4 7 0 ；6 月平均盐度最高，为3 1 3 4 ；8 、9 月最低， 均为2 9 9 7 。这是由于8 、9 月降水量增加，使湾内海水盐度下降。 研究区周边海域平均盐度为2 9 9 8 ，盐度随季节的变化较小；最高月平均 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 盐度出现在6 月份，为3 0 8 6 ：最低月平均盐度出现在1 2 月份，为2 9 o o ； 极端最高盐度出现在1 9 6 8 年6 月2 6 日，为3 1 6 9 0 ：极端最低盐度出现在1 9 6 3 年8 月1 日，为2 5 0 7 ( 见表1 1 ) 。 表1 - 1 累年各月平均盐度( ) 月份 12345 6 平均 2 9 0 32 9 9 13 0 - 3 13 0 4 73 0 7 2 3 0 8 6 月份 7891 01 】1 2 平均 3 0 2 02 9 8 32 9 7 83 0 0 4 2 9 _ 8 02 9 0 0 ( 3 ) 潮汐 威海湾的潮汐，受北黄海支左旋波控制，由于成山角外m 2 分潮无潮点的 影响，湾内的潮汐为不规则半日潮性质，潮差较小，根据实测资料”1 ，湾内平均 潮差为1 3 5 m 。 研究区周边没有验潮站，因此引用威海湾北山嘴验潮站的潮汐资料。其中晟 高、最低潮位使用了1 9 5 4 1 9 9 2 年的极值资料，其他潮位特征值使用了1 9 5 3 1 9 8 1 年的全年高、低潮记录，个别项目( 平均涨潮历时、平均落潮历时) 仅使用了 1 9 6 4 年全年的逐时记录( 表1 2 ) 。 表1 - 2 潮汐特征值表( 单位：c m ) 5 6 年黄海平均 项目 深度基准面起算8 5 年高程 海水面起算 最高高潮高 3 3 42 0 42 0 7 最低低潮高 一8 82 1 82 1 5 平均高潮高1 9 0 6 0 6 3 平均低潮高 5 58 58 2 平均潮差 1 3 5 平均海平面 1 3 0o3 平均大潮高潮高 2 0 87 8引 平均大潮低潮高 5 17 97 6 平均大潮差 1 5 7 平均小潮差1 1 9 平均小潮高潮高 1 8 75 76 0 平均小潮低潮高 6 8- 6 25 9 最大潮差 2 5 7 平均涨潮历时 6 o h 平均落潮历时 6 5h 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 ( 4 ) 潮流 潮流的运动形式：威海湾潮流性质复杂，既有规则的半臼潮流性质，又有不 规则半日潮流的性质，其原因是该海区同时受到成山头东北m 2 分潮无潮点和烟 台北西渤海海峡中部k 1 分潮无潮点作用的结果，并且m 2 分潮无潮点的作用较 k 1 分潮无潮点强。 潮流分布：其水平分布可从图1 3 、图1 - 4 看出，威海湾的南口和北口是两 个强流区。北口的涨潮流主流向为偏s w 向，落潮流主流向为偏n e ，这一区域， 一般在高潮时前3 h 一4 h 开始涨潮，最大涨潮流速发生在高潮前1 h 或发生在高潮 时，其流速为2 4 c m s ，流向2 2 0 。 在高潮时后2 h 一3 h 转为落潮流，最大落潮流速一般发生在高潮后6 h 或前6 h ， 流速为1 6 c m s ，流向5 7 。南口的涨潮流主流向基本为偏w 向，落潮流主流向 为偏e 向，涨、落潮流开始时间从主港高潮后3 h 、4 h 至高潮前2 h 、3 h ，但由于 威海湾为理想的旋转流型，因此，涨、落潮流的起始时间各处不尽一致。最大涨 潮流速为5 0 c m s ，流向2 5 7 。，最大落潮流速为4 3 c m s ，流向9 3 。金线顶以 东附近海域，涨、落潮流流向为s n 向。 潮流流速由南、托口向湾内逐渐减小，至湾顶张峰咀附近海域) 潮流十分 微弱。 垂直分布，威海湾潮流的垂直变化很明显，表层的流速要比底层的流速大近 一倍( 图1 3 、图1 - 4 ) 。 根据实测资料计算平均涨、落潮流历时，北口大小潮期间的表、底层平均涨 潮历时远小于平均落潮流历时，小潮期间平均涨潮历时只有l h 4 3 m i n ，而平均落 潮流历时却长达1 0 h 4 2 m i n ；南口大潮期间，平均涨潮流历时短于平均落潮流历 时，而小潮期间，平均涨潮流历时又长于平均落潮流历时；金线顶南部海域的平 均涨潮流历时长于平均落潮流历时，其差值为l h 一2 h 。 余流：威海湾的余流分布( 图1 5 ) 与潮流一样，南口l t , j l 口的流速大，向 湾内逐渐减小，至湾顶( 长峰咀附近海域) 流速只有i c m s - 2 c m s 。 9 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 图1 3 威海湾潮流分布图( 表层) 图1 4 威海湾潮流分布图( 底层) 1 0 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 余流流向：北口偏e 向，由湾内流向湾外，南口的流向不甚一致，总趋势是 偏西北向进入海湾，绕过日岛，从其北侧流出海湾，形成一个半封闭的环流。金 线顶以东、刘公岛以南海域余流较弱，流向为n n e 。 余流垂直变化，表层流大于底层流。北口余流流向，表、底层一致，偏n e 向流出，南e l 的部分测站，表、底层流向较一致，偏e 或偏n 流出。 最大余流流速，北口为1 6 c m s ，偏n e 向；南口为2 2 c r n s ，偏e 向。 研究区位于威海湾南部，潮流类型主要是规则半日潮流，潮流运动形式以旋 转流为主，旋转方向以顺时针为主。研究区周边海域潮流十分微弱，实测最大流 速为1 0 c m s ，流向2 1 2 。，最小流速为零。本区余流很小，大潮期最大3 2 c r n s ， 小潮期最大2 1 e r n s ，最小均不足0 5 c m s 。 图i - 5 威海湾余流分布图 ( 5 ) 波浪 北海舰队自1 9 7 6 年1 0 月至1 9 8 6 年1 2 月在威海南山嘴n e 方向海面上进行 了1 0 a 连续的波浪观测。中国科学院海洋研究所于1 9 8 9 年3 月至1 9 9 0 年2 月在 威海新港区东炮台附近海域进行了1 a 的波浪观测。区域内波浪以风浪为主，有 较多的混合浪，纯涌浪出现较少。常浪向为e n e 向，频率为1 1 2 6 ，次常浪向 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 为n 向，频率为1 1 2 ，再其次为n n w ，频率为1 0 3 6 。强浪向为e n e 向。 用南山嘴十年的测波资料计算：5 0 a 一遇e n e 向h i h 、“波高分别为5 6 0 m 、 4 9 2 m ，对应的周期均为9 1 s 。波级波浪玫瑰图见图1 6 。 憩毯伊 如飞a 曩， 影j 勿可擘叁耋 图1 6 赵北嘴波级波浪玫瑰图 1 4 表层沉积物特征 威海湾内主要沉积物为粘土质粉砂，其次为砂一粉砂一粘土和粉砂质黏土。 沉积物分布由岸向海，由粗变细再变粗。研究区以细砂为主，中值粒径2 3 2 9 ，分选好，呈正态分布( 图1 7 ) 。中国海洋大学于2 0 0 8 年1 月9 日l o 日在 研究区附近进行了1 6 个站位( 其中6 、1 0 、1 4 、1 6 站位位于潮间带内) 的沉积物 取样调查，中值粒径分布见图1 8 。调查结果表明，杨家湾沿岸沉积物为中砂粗 砂，向海过渡为细砂、粉砂质砂、砂质粉砂和粘土质粉砂，与以往实测资料基本 吻合。 1 5 泥沙来源及其运移规律 ( 1 ) 泥沙来源 河流输沙：在威海湾入海的河流主要有四条，即城南河、望岛河、长峰河和 徐家河。这些河流均为短小的山溪性雨源河流，仅在夏季暴雨时向海湾输送泥沙。 研究区内主要有长峰河、九龙河两条河流入海，源短流小，且只在汛期有少量泥 沙入海。 1 2 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 图1 7 威海湾沉积物类型图 图1 8 研究区周边海域实测中值粒径( o ) 分布图 1 3 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 侵蚀海岸来沙：威海湾内有不少海岸为基岩侵蚀岸，如海埠沿岸、金线顶、 东山及刘公岛等处均为基岩侵蚀海岸，这些海岸经波浪侵蚀，每年向海供应一部 分泥沙，这部分泥沙也加入海湾的泥沙运动和沉积作用。研究区内局部岸段发生 侵蚀而后退，但侵蚀下来的物质有限，对沿岸区域内泥沙补给甚微。 侵蚀海底来沙：威海湾主要有三处，均位于刘公岛附近，1 2 p 支。公岛西、东北、 东三侧。由于该处流大，所以不断侵蚀海底，使之海底物质被带往海湾内成为泥 沙来源的一部分，但数量有限。研究区距离刘公岛较远，海底侵蚀来沙量甚微。 人工堆积物：由于经济建设的发展，对海岸的开发利用也越来越深入，改造 原来海岸、填海造地等人为因素都造成向海输送一部分泥沙；另外，工厂排污， 城市垃圾亦为海湾提供部分泥沙来源。研究区内长峰河沿途有污水和垃圾注入， 但其量甚微。 总之，研究区泥沙来源有限，对沿岸区域泥沙补给甚微。 ( 2 ) 泥沙运移趋势 威海湾岸线曲折，地形复杂，各段泥沙运移趋势有所差别，大致有三种情况： 金线顶以东的杨家湾及以北的小威海湾，以波浪输移泥沙为主，刘公岛附近，则 为流输沙为主。 金线顶以北到合庆一带，泥沙具有向湾顶运移趋势。刘公岛附近的泥沙运动 的主要动力是流，其运移趋势完全同流的运动方向一致。刘公岛西侧泥沙在流的 作用下向东南运移，进入威海湾，刘公岛西部泥沙可影响到刘公岛东南部海域。 刘公岛东侧泥沙也向湾内输移。 研究区位于杨家湾内，杨家湾为典型的砂质海岸，波浪是造成泥沙运动的主 要动力。在波浪长期作用下，杨家湾整体呈静态平衡状态。区内的强波向和常波 向均为偏北，偏东方向。因此，泥沙运动主要受偏北，偏东方向波浪影响。破波 带以外泥沙起动流速大，由于水动力条件弱，泥沙不易起动，整体呈微淤积状态。 波浪对砂质海岸的影响主要表现在破波带以内区域，由于后期人工建筑物的出现， 一定程度上改变了杨家湾海岸的平衡输沙条件，导致岸滩局部范围出现侵蚀或淤 积n 引，如区内长峰河南岸、人工湖出水口、九龙河东岸均呈侵蚀状态。由于泥沙 来源有限，沿岸输沙量很小，其运移方向由湾口指向湾顶。 1 4 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 2 研究方法 2 1 数值模拟方法 2 1 1 模型简介 本文采用e c o m s e d 数值模型进行模拟，e c o m s e d 是一个具有发展前景 的水动力和泥沙输运模型，它可以较为真实地模拟环流、温度盐度、粘性与非粘 性泥沙的输运、沉积与再悬浮。完整的e c o m s e d 包括以下几个模块：水动力 模块、沉积物输运模块、风驱波浪模块、热通量模块和粒子示踪模块n 7 。舢3 ， e c o m s e d 模型的框架见图2 1 。 l l 堙篓兰l i 赢鬟燕鼍置l r 翮 厩黍司 | i 酬八 气t 露薹 i l ：l 盘度沮度和木爱i ： i | 垃再囊忙| | l 稳擎 - - 量度盘座 。气皇吾造 藤焉司 ：1 器鼹 嘲雌忙 l ： i 蕊露参熬i 坑职锄镰造曩块 珏翻l 一 o 各样嚣瞬钫诛度 重量忙的慢蚀藐职 矗点矗矗矗生 i i i - j i i i i l 量 i 叫：萎罟栩h ij 蠢摩墓ji 伯八 覆块 - 出 图2 - 1e c o m s e d 模型框架图 ( 1 ) 水动力模块 水动力模拟为水质要素输运算子提供平流和扩散信息。e c o m s e d 可以使用 内部或外部水动力信息，当选择内部水动力项时，e c o m 水动力模块，构建入 e c o m s e d ，与泥沙和示踪算子并行运行。e c o m s e d 外部模块选项允许模型使 用以前产生的水动力信息( 以计算机文件形式储存) ，泥沙和示踪输移的模拟通 1 s 一 一块 i 一 威海湾岸滩整治工程的水动力及冲淤环境研究 过读水动力信息文件来完成。 ( 2 ) 沉积物输运模块 e c o m s e d 可以模拟粘性和非粘性泥沙的输移，粘性泥沙，由粘土、粉砂和 有机物质组成，其再悬浮、沉积和输运用s e d 模块模拟。非粘性泥沙，主要是 细砂，使用v a i lr i j n 程序( v a nr i j n ，1 9 8 4 ) 计算。底床屏蔽的影响也引入了非粘 性泥沙的输运模拟。这里床砂质的输移没有被考虑，因为它不会明显影响水体的 光学性质。 泥沙输移模块可以预测下列时空分布：粘性与非粘性沙的悬沙浓度；沙 床高程的变化；沙水界面通量；沙床组成的变化。模块输入：沙床性质的 空间变量，河流流量或开边界形式( 潮位、流速) 的泥沙时间变量。 ( 3 ) 示踪沙输运 e c o m s e d 可以模拟来自一个具体源( 如河流流量或特殊的河床位置) 的泥 沙输运过程。这种类型的模拟通过使用一种示踪砂( s e d i m e n t b o u n dt r a c e r ) 来完 成。类似于疏水( h y d r o p h o b i c ) 污染物( 如有机化学物质，重金属或放射性核素) ， 它吸附细粒径泥沙粒子。在模拟中这些示踪物是永久吸附泥沙粒子的，然而实际 的疏水污染物是部分吸附的，以粒子态或溶解质形式存在的。粘性和非粘性示踪 砂的输移都可被模拟。示踪砂是保守的或有一阶衰减率( f i r s t o r d e rd e c a yr a t e ) ， 类似放射性核素，最重要的是沙床模型的使用使它可能模拟因为沉积或侵蚀而引 起的示踪砂床浓度的变化，包括在时间和空间( 水平与垂向方向) 上变化，底床 模型也可模拟在底床表层的物质对示踪物混合的影响。 ( 4 ) 溶解性示踪物的输运 e c o m s e d 可以模拟溶解示踪物的输运，示踪物为保守的或有一阶衰减率。 这种模拟对决定释放自某位置( 河流流量、沿岸散射体或开边界) 的w a t e r - b o r n e 污染物的输运十分有用。需指明三种边界条件的随时间变化的示踪物浓度。 ( 5 ) 粒子示踪模块 该选项可以模拟由不同位置释放入水域中的离散粒子的示踪，这些粒子是中 性浮游( n e u t r a l l y b u o y a n t ) 或保守的。l a g r a n g i a n 技术用来计算平流输运粒子， 随机游动程序( r a