海南岛小海潟湖通道治理方案研究.doc

海南岛小海潟湖通道治理方案研究何为1*何为，硕士，（1974），从事河口海岸工程和水利水电工程研究规划工作 李春初2 沈汉堃1 田向平2 黎开志1 （1 中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州，510611；2 中山大学河口海岸研究所，广东 广州，510275）摘要：沙坝潟湖潮汐通道体系是一个特殊的有机体，有其自身的沉积动力特点与发育演变规律。小海潮汐通道的淤塞导致洪涝灾害频繁、水质恶化等问题，本文在充分分析了小海潟湖通道沉积动力特点的基础上，提出了小海口门断面的设计方案。关键词：潟湖通道 动力特点 口门性质 弧形湾顶 丰满系数 治理方案1. 概况图1 小海沙坝潟湖潮汐通道体系1.1小海沙坝潟湖体系结构海南省万宁市的小海区域，是一个发育良好的沙坝-潟湖体系。这个体系主要由下述四个地形单元组成：(1) 沙坝（barrier） 指将潟湖与外海分隔的、呈NNWSSE走向的沿海狭长的砂质沉积体，主要由海滩砂和风成砂 （丘）构成。沙坝分南、北两部分：南沙坝长约12km，宽1.52.0km，最高处高程1524m;北沙坝较短、较窄，约长4km，宽度小于1km.沙坝是整个沙坝-潟湖体系的基干，整个体系依沙坝的存在而存在，同样亦依沙坝的消失（或失去作用）而消失。(2)潟湖（lagoon） 指被沙坝（半）封闭的坝后水域：即小海。小海面积达49km2，这在华南沿海众多沙坝-潟湖体系中，是很突出的。但湖水很浅，多在1m左右。潟湖的另一特点是湖岸周围有泥质潮滩（tidal flat）存在, 这些潮滩随涨、落潮时而淹没或出露。(3)潮汐通道(tidal inlet) 简称通道（inlet），指潟湖穿越沙坝的出海口，它主要由潮汐动力即涨、落潮流的往返运动所维持，故称“潮汐通道”。潮汐通道本身也是一个小体系，它由最狭窄的咽喉部位通道口门及口门内、外的涨、落潮三角洲堆积砂体组成，其中还包括发育在口门砂体上的潮流冲刷槽，如口门内的北槽、南槽（群众称“后海”）和口门外的北汊、南汊。(4)入湖河流三角洲（fluvialdeltas into the lagoon） 注入小海的河系很多，主要有经北坡镇入湖的太阳河、经后安镇入湖的龙尾河与经和乐镇入湖的龙首河等三大河系。据统计，入湖河系的年径流量达16.22亿m3，这一来水量是相当可观的。上述三大河系都在入湖处形成了明显的、突伸于湖中的河流三角洲。1.2小海潟湖通道体系存在的问题通道淤塞，严重影响泄洪、纳潮和水体交换。上世纪70年代以来，小海地区的人类经济活动（太阳河、官栈河分洪改道工程，口门北汊及南通道的封堵工程，龙首河、龙尾河、南山河的裁弯取直工程，以及小海周边的围垦、河道上游的开矿和采石等）直接导致了注入小海的径流量、纳潮量减少而来沙量增加，使小海由原来的冲淤平衡状态向淤填方向发展，小海通道口门不断缩窄、淤塞，严重影响了小海的泄洪、纳潮和水体交换。目前口门宽仅30m40m，一方面影响洪水及时排泄，导致小海内洪水位居高不下，2000年10月洪峰流量3550m3/s，口门最大泄量仅1000 m3/s左右，大量洪水滞留在小海内，内海水位高达1.93m；另一方面影响潮流上溯，涨潮量过小致使小海内、外水体难以充分交换。2.小海潟湖通道的动力特点2.1径流小海沿岸有八条河流汇入，流域面积1082km2,年径流量16.22亿m3,其中以太阳河、龙尾河和龙首河三条河流为大。太阳河长82.5km,集水面积576km2,平均流量20.6m3/s，1972年改道由南道村直接入海后，小海径流量减至8.23亿m3,即小海总径流量约减少了一半。据Kreeks和Haring（1980）对莱茵墨兹河三角洲的四个河口湾的稳定性问题研究,当下泄径流量超过口门四分之一的进潮量时,径流作用就能对口门产生一定的冲刷作用,反之则有利于口门的淤积。小海口门的QR/QT值从改道前的0.50减小到改道后的0.27，说明改道前,小海径流对口门的冲刷和保持是有一定的作用的,而今径流量锐减,它已难于对口门泥沙的冲刷发生影响，这是当今口门泥沙淤积的原因之一。2.2潮流根据2001年9月14日21日水文观测资料分析，小海的潮汐特性有如下特点：1) 湖内潮汐曲线严重变形，小海内潮型、潮位与外海相距甚远，小海内水位居高不下。从潮位过程线看，潮差向里急剧衰减，小海内水位波动很小，口外最大潮差1.39m，光明站最大潮差仅0.19m（图2）。小海内涨潮历时短于落潮历时。2) 出口流速较大，以落潮流占优势。从流速过程线看（图3），港北口门（V2点）落潮流速大于涨潮流速，表、底层落潮最大流速分别达1.56m/s和1.30m/s，涨潮表、底层最大流速分别为1.21m/s和1.17m/s。图2 北坡、光明、港北站实测潮位过程（2001.9.1618）流速往口内沿程减小，至潮港附近（V4点）水流大部分时间近乎于滞流状态，即在目前通道口门情况下，涨潮流仅至内村仔村至潮港一线（图3）。3) 延时角较大，丰满系数很小。从图2可见，湖内发生高潮的时间比外海滞后很多，光明站和北坡站比港北外站分别滞后了1小时30分和3小时45分。根据延时角与丰满系数的关系，延时角增大必然引起丰满系数减小，小海的丰满系数仅有0.05。 图3 V2、V3、V4测点流速过程线（2001.9.1617）2.3波浪小海地区属于热带季风气候，冬季为东北季风期，NNEENE风向频率高达75.5，夏季盛行偏南风，SSESSW方向的频率为55.0。冬季以偏北向浪为主，夏季以偏南向浪为主，常浪向和次强浪向均为偏东北向。小海附近海域的波型是以涌浪为主的混合浪，出现的频率为64.5，其次是风浪，占21.3。年平均波高和平均周期分别为1.0m和4.2s，最大波高和最大周期分别为2.9m和6.0s。2.4泥沙小海潟湖泥沙来源丰富，泥沙的运动主要以底沙推移的方式为主。小海口外的沙坝提供了丰富的泥沙来源，在方向接近45度的波浪的作用下，利于形成沿岸泥沙流，在涨潮流的作用下容易被带到口内淤积。根据计算，1.5m波高条件下，小海口外的细沙发生完全移动的临界水深是5m。据地形对比，5m等深线以外的床底较为稳定，而5m以内海滩床底变化较大。3通道口门的性质及口门位置的选择小海口门整治成功与否，很大程度上取决于能否解决口门泥沙淤积和通道畅通问题，而泥沙问题的解决需要对口门性质及泥沙淤积特征作出正确的认识与判断。沙坝潟湖体系潮汐通道口门的泥沙，主要来自波浪作用下的沿岸输沙，沿岸输沙相对强度的大小、在口门的堆积位置以及口门淤积特征，决定于物质（泥沙）供给的数量和潮汐与波浪动力相互作用的力量对比。a)潮汐通道类型据国外研究，沙坝潟湖体系潮汐通道类型可划分为三种1（见图4）。1）波浪作用为主型图4 潮汐通道的类型1波浪动力甚于潮汐动力，沿岸输沙主要堆积在口门之内形成裂片状的“涨潮三角洲”沙体，口门水道的边界不明显，常呈多汊道。2）潮汐作用为主型潮汐动力相对甚于波浪动力，沿岸输沙主要堆积在口门外，形成“落潮三角洲”沙体，该沙体向海拉长即伸出岸外较远，口外水道为单水道，深而稳定，且其两侧有明显的滨槽边缘坝出现。3）过渡型波浪动力与潮汐动力基本势均力敌，沿岸输沙堆积在口门附近，口门水道变化不定，常有一个主汊道及一个或几个支汊道且都较浅。b) 小海通道口门性质从小海通道口门的地形和淤积变化特点分析，小海潮汐通道的性质在不同的历史时期有所不同，大体可以分为三个阶段，即“波浪作用为主型”、“过渡型”和“弧型湾顶”三个阶段。1）“波浪作用为主型”阶段历史上小海通道口门内侧曾发育过大规模的裂片状涨潮三角洲（即：盐墩西村、上村和下村等沙岛），表征当时海岸供沙丰富，通道口门的宽度较大，波浪作用的沿岸输沙进入口内堆积形成盐墩诸沙岛，通道具有“波浪作用优势型”性质。2）“过渡型”阶段上世纪70年代以前，波浪输沙堆积在口门位置上，少部分偏于口内形成很小的涨潮三角洲，大部分偏于口外形成稍大的落潮三角洲，该落潮三角洲形体短而宽，其上“滨槽边缘坝”不明显，此时通道口门的淤积规模已大不如“盐墩”时期宏大，说明泥沙供给强度已经减小；口外分南北两条汊道入海，两汊道在冬、夏季发生此冲彼淤的变化，很不稳定，且都较浅。这些特征表明，20世纪70年代以前的小海口门已转变为具有“过渡型”潮汐通道特征。3）“弧形湾顶”阶段1972年修筑北堤将北汊道堵塞后，口门附近海岸出现了“弧形海岸”的新形势，内峙-通道口门-南沙咀-南沙坝间的岸线成为一个半圆形的、朝ESE方向敞开的弧形海岸（图5）。弧形海岸是一种较为稳定或平衡的海岸，具有如下特点：(1)湾顶靠近上波侧方向，即紧挨上岬角，其岸线要侵蚀成圆弧状，称为“螺线段”，是优势向（ENE）浪的绕射折射地带，环境相对较平静，泥沙相对不活跃。圆弧东半侧岸段基本不受优势向浪的作用，环境最隐蔽，而圆弧西侧岸段可受优势向浪的作用，其侵蚀产生的泥沙在NEE向波浪作用下，主要向南即向下波侧方向搬运。1960年1975年，南砂坝0m线年均向海淤进12.1m，而1975年1985年则年均向陆蚀退-18.8m，且以后一直处于蚀退状态（图5）。(2）湾顶以南的下波侧岸段呈直线形，与湾顶的圆弧相切，岸线走向与常浪向（ENE）相垂直，泥沙运动相对活跃并以横向搬运为主，为相对堆积岸段。(3)夏季本水域在偏S向波浪的作用下，能产生自南向北的沿岸输沙活动，对通道口门淤积产生重大影响，一方面南沙咀侵蚀后退，另一方面沙咀尖端向北淤积延伸，使口门宽度减小。小海口门的宽度由1960年的140m缩窄到现今的不足40m。图5 小海口外弧形海岸形势图现在的口门位置比较有利于口门的稳定，如粤东的神泉港就是利用这样的条件而治理成功的例子，所以本次研究仍然以现在口门位置作为出海口门。4口门治理方案研究4.1 口门面积计算公式潟湖通道水流主要是通道内外水面坡降引起的不稳定潮流，其强度与潟湖纳潮面积、外海与潟湖之间的水位差的大小和通道的水道特性等因素有关。因为通道相对狭窄，故横向水流和柯氏力可忽略不计，由此对于天然水道的非均匀流，其运动方程为： （4-1） 式中： v 断面平均流速；x 沿通道方向的距离；R 水力半径； 水位；g 重力加速度； 时间；c 谢才系数。或改写成： （4-2） 上式中等号左边为水位变化值，等号右边第一项为动力水头；第二项为局部水头损失；第三项为沿程水头损失。 以谢才系数 （为摩擦系数）代入上式并化成差分方式： （4-3） 上式中：L 通道长度；F 为能量损失系数之和。假定外海和潟湖的潮汐过程线为正弦曲线（图6），则外海潮位随时间的变化为： （4-4） 式中： 外海潮位；外海潮汐振幅；圆频率（=2/ T）； T 为潮周期。图6 潟湖潮汐过程示意图而潟湖发生高潮和低潮的时间均较外海延迟小时： （4-5） 在任一时刻通道内外两端的水位差为： （4-6） 当=时刻，=0，得潟湖的潮汐振幅为： （4-7） 当外海低潮后=+/2时刻发生最大涨潮流速；当外海高潮后=+/2时刻发生最大落潮流速，所以 （4-8） 由于 （4-9） 因此，通道断面最大平均流速为： （4-10）由于摩擦阻力是与流速的平方成关系，故潟湖的潮汐过程不可能是正弦曲线。在布朗工作的基础上（其研究了正弦潮波对潟湖潮汐动力的影响），库利根研究了潟湖非正弦潮波的水流运动，其主要成果之一是提出了上述的延时角、潮汐振幅和通道最大流速之间的关系可用丰满系数（K）的函数方式来表达，其定义为： （4-11）式中：K 丰满系数； 潟湖口门断面面积；潟湖纳潮面积。由于该公式物理概念清晰，在潟湖潮汐动力的研究和应用中，迄今为止，丰满系数公式仍是较好的一个公式。4.2口门治理方案设计一个处在良好水环境状况下的潟湖，其丰满系数必须大于0.7。根据丰满系数（K）和潟湖与外海潮汐振幅之比值（ab / ao）的关系，若丰满系数大于0.7，当潟湖受到某些因素影响致使丰满系数减小时，ab / ao减小缓慢，即湖内的潮差减小的幅度相应较小；若丰满系数小于0.7，则ab / ao随丰满系数的减小而快速减小，即湖内的潮差减小的幅度相应较大。因此，应尽可能地维持潟湖的丰满系数在0.7以上。依据2001年9月对口门断面的测量数据，计算出口门断面面积约为205m2，平均水深约2m，现通道（北槽）长约4,000m，经计算，其丰满系数非常小，近似地只有0.05。经过冬半年的沿岸泥沙淤积，至2002年3月口门宽不足50m，口门断面面积已不到100m2。潟湖的口门断面面积要小于通道断面的面积，也可以说口门断面面积是所有断面面积中最小的，故称其为咽喉断面。如北槽不加以整治，则口门面积顶多与其最窄处的断面面积相当，现北槽断面最窄处宽约220m，以平均水深2.8m计算得断面面积为616m2，相应的丰满系数很小，约为0.16现北槽断面最窄处仅有220m，平均水深小于3m，即使以3m水深计算，面积也只有660m2，相差甚远。因此，必须重新恢复已被封堵的南槽。南槽断面最窄宽度为150m，两者相加后为370m，如以水深3m计算，则面积有1,110m2，当然，两槽均有进一步拓宽的可能。从目前的情况和现行的技术手段看，这是有可能实行的工程措施。丰满系数可以达到0.37。如图7，设计的要点是全面恢复南槽，挖掉口内浅滩，其泥沙可堆填在邻近的岛前端并人工建成分流嘴；因为单靠口门的潮汐动力，仍难达到丰满系数为0.7以上的良好条件，所以必须另有工程措施，在口门南岸建一拦沙堤（拦截由南向北的沿岸输沙），依据铜鼓岭1984年10月至次年9月的波浪资料，其最大波高为2.9m，周期6秒，计算得破波水深为3.6m，再根据泥沙临界活动水深及岸滩动态，拦沙堤应建至5m等深线处。口门断面宽500m，为复合型断面，深槽靠北岸，宽250m，水深4m，边坡1:10；南侧为浅水面（与外海涨潮流向相应，为人工建筑物），水深1m。基本思路是：落潮流走北槽经口门深槽出海；涨潮流则漫过口门浅水面经南槽流入潟湖，以此增大涨潮流量，改善湖内水体的交换，同时，洪水时又可增大泄洪流量。 4.3治理方案进一步研究 为了更进一步通过数学模型比较研究，根据实际情况，还设计了两个方案，将以上的设计方案定为方案3，另两个方案如下：方案1：拟定口门断面宽200m，边坡1：10，断面底宽120m，底高程-4m，相应过水面积约650m2。按设计断面向内挖掉口内浅滩，并沿北通道疏挖至和乐分洪口 图7 小海潟湖通道口门断面设计示意图（方案3）以上，向外疏浚与外海-4m高程相接，口门外南侧修建拦沙堤至-5m 等高线。 方案2：拟定口门断面宽250m，边坡1：10，断面底宽170m，底高程-4m，相应过水面积约850m2。按设计断面向内挖掉口内浅滩，并沿北通道疏挖至和乐分洪口以上，向外疏浚与外海-4m高程相接，口门外南侧建拦沙堤至-5m 等高线。各方案的主要技术指标如表1，工程后涨潮流场图如图8，由此可以看到，从防洪潮水位、通道稳定性和水环境指标方面看，方案3较优。技术指标方案1方案2方案3北坡防洪潮水位（m） 2000年10月洪水1.521.221.0920年一遇洪水碰10年一遇潮位1.981.921.8510年一遇洪水碰外海20年一遇潮位1.661.621.59纳潮量(万m3)155019902440小海平均潮差（m）0.350.440.55口门最大涨潮流速(m/s)0.931.001.17口门最大落潮流速(m/s)1.071.271.51COD小海二类海水环境容量（t/y）484575749166730小海水体交换周期（天，常遇大潮）312721V4测点盐度值（）最大27.027.528.5最小1.54.59.5养殖增加效益（万元）50026