開局與格局協(xié)調(diào)性研究范文

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《海洋工程雜志》2016年第一期

摘要:

渤海灣曹妃甸近岸海區(qū)多個(gè)潮汐深槽與沙島相伴而生并構(gòu)成極為復(fù)雜的海岸動(dòng)力地貌體系，而維護(hù)既有的灘槽宏觀格局是保持灘槽穩(wěn)定與合理開局的重要基礎(chǔ)。曹妃甸開發(fā)遵循因勢利導(dǎo)的原則，對(duì)淺灘與深槽進(jìn)行了科學(xué)保護(hù)和合理利用，通過尋找深水岸線開發(fā)、灘涂匡圍與環(huán)境影響之間的平衡點(diǎn)，在開發(fā)合理規(guī)劃布局與維護(hù)灘槽動(dòng)力地貌格局現(xiàn)狀之間實(shí)現(xiàn)了很好的協(xié)調(diào)性。工程實(shí)踐效果表明，由于曹妃甸開局規(guī)劃科學(xué)合理，沒有改變整個(gè)海區(qū)的灘槽動(dòng)力地貌格局和潮汐深槽形成的動(dòng)力機(jī)制，因而深槽及周邊海區(qū)在開發(fā)工程實(shí)施后穩(wěn)定性良好。

關(guān)鍵詞:

灘槽格局;開局;穩(wěn)定性;協(xié)調(diào)性;曹妃甸

河口海岸地區(qū)發(fā)育有眾多的水下深槽，并常伴生有各種島嶼、水下沙脊與淺灘等海岸地貌單元，共同組成了特性各異的海岸動(dòng)力地貌體系，如沙壩潟湖型潮汐通道、海灣型潮汐通道、河口攔門沙灘槽體系、江蘇輻射沙洲潮汐通道、浙江群島峽道深槽等。這些海岸動(dòng)力地貌體系常因深水岸線和灘涂資源豐富，具有十分重要的港口航道建設(shè)前景與圍涂造地開發(fā)價(jià)值。大量的工程實(shí)踐證明，缺乏科學(xué)論證的高強(qiáng)度開發(fā)可能會(huì)破壞原海岸體系的水動(dòng)力環(huán)境和泥沙沖淤動(dòng)態(tài)平衡，加劇海岸侵蝕或造成泥沙淤積，進(jìn)而嚴(yán)重影響灘槽的穩(wěn)定性，給沿海開發(fā)保護(hù)帶來很大的不確定性。如法國Maumusson潮汐通道體系自1821年來，因?yàn)闉硟?nèi)人工養(yǎng)殖使得納潮量減少35%，導(dǎo)致了口門深槽的淤淺和擺動(dòng)［1］;1932年荷蘭Zuiderzee大壩的建成破壞了Texel潮汐通道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，致使落潮三角洲向陸侵蝕后退［2］;Florida半島Gulf海岸的防波堤工程引起了Blind通道和BigSarasota通道下游海岸的侵蝕，導(dǎo)致了通道的不穩(wěn)定和封閉［3］;澳大利亞西海岸CurrumbinCreek兩側(cè)防波堤的建設(shè)雖然穩(wěn)定了口門位置，但由于新形成的環(huán)流模式把大量泥沙帶入口門通道內(nèi)而出現(xiàn)淤積，造成了排洪和通航問題［4］;Wadden海5個(gè)不同潮汐通道系統(tǒng)由于受到人類活動(dòng)的干擾，至少需要一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間才能達(dá)到新的地貌平衡狀態(tài)［5］。

國內(nèi)沿海開發(fā)過程中也出現(xiàn)了許多類似案例，如海南島小海和粵西博賀灣都出現(xiàn)了因大規(guī)模圍涂使得納潮水域和納潮量的急劇減少，導(dǎo)致潮流動(dòng)力明顯減弱，進(jìn)而造成口門深槽淤淺萎縮的現(xiàn)象［6-7］。因此，如何通過科學(xué)規(guī)劃布局合理開發(fā)保護(hù)既有的灘槽動(dòng)力地貌體系，不僅對(duì)于維護(hù)灘槽長期穩(wěn)定和減小開發(fā)負(fù)面效應(yīng)具有重要意義，也是我國新一輪沿海開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。渤海灣曹妃甸海區(qū)具有豐富的灘涂與深水岸線資源，為其開發(fā)建設(shè)提供了得天獨(dú)厚的條件與優(yōu)勢;但由于該海區(qū)地貌環(huán)境獨(dú)特，動(dòng)力條件復(fù)雜，自然環(huán)境對(duì)海岸工程較為敏感，特別是巨大的灘槽高差和陡峻的水下岸坡讓其在開發(fā)建設(shè)中不得不面對(duì)灘槽能否長期保持穩(wěn)定的難題。曹妃甸開發(fā)總體謀劃始于20世紀(jì)70年代，自90年代初針對(duì)深水港區(qū)規(guī)劃布局系統(tǒng)論證開始，眾多學(xué)者圍繞港區(qū)開發(fā)灘槽穩(wěn)定性影響這一核心問題開展了大量的調(diào)查分析和論證研究。如王艷等［8］分析了該海區(qū)的歷史灘槽沖淤演變，指出灘槽形勢基本穩(wěn)定;Lu等［9-11］和Kuang等［12］采用數(shù)學(xué)模型研究了曹妃甸港區(qū)規(guī)劃方案對(duì)周邊海區(qū)水沙動(dòng)力環(huán)境的影響;季榮耀等［13-14］則重點(diǎn)討論了曹妃甸深槽和老龍溝攔門沙的形成演變機(jī)制。本研究在闡明曹妃甸海岸體系動(dòng)力地貌特征及其形成演變機(jī)制的基礎(chǔ)上，著重探討了開發(fā)規(guī)劃布局與灘槽動(dòng)力地貌格局兩者之間的協(xié)調(diào)性，科學(xué)論證了可維護(hù)灘槽穩(wěn)定的曹妃甸綜合開發(fā)總體布局，并已得到了工程實(shí)踐的成功證明。

1曹妃甸灘槽動(dòng)力地貌格局與開發(fā)關(guān)鍵難題

曹妃甸原為渤海灣口北側(cè)的帶狀沙島，其以岬角形態(tài)向南伸入渤海灣，前沿水下岸坡陡峻，35m深槽距岸僅約400～500m(圖1)。曹妃甸近岸海區(qū)雙重岸線特征明顯，內(nèi)側(cè)大陸岸線為古灤河三角洲發(fā)育的沖積海積平原，外側(cè)是曹妃甸和東坑坨等沙島構(gòu)成的沙質(zhì)島嶼岸線;沙島與陸岸之間則發(fā)育有潟湖灣和大片潮灘，沙島間還有潮汐深槽發(fā)育。從海岸地貌、水動(dòng)力與泥沙輸移等特征綜合分析，本岸段可劃分為曹妃甸岬角－深槽、老龍溝潟湖－潮汐通道和南堡潮流沙脊－深槽等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立且緊密聯(lián)系的潮汐深槽動(dòng)力地貌體系。已有研究成果表明，上述三個(gè)海岸體系中潮汐深槽形成的動(dòng)力機(jī)制存在明顯差異［13］。其中曹妃甸岬角地貌引起的局部潮流增大是曹妃甸深槽形成的主要?jiǎng)恿l件，而潟湖漫灘水流歸槽和狹窄口門束水作用導(dǎo)致流速增大則是維持老龍溝通道深槽水深的主要?jiǎng)恿?對(duì)于南堡深槽－潮流沙脊體系，脊槽相間的水下地形格局使得深槽內(nèi)產(chǎn)生有較強(qiáng)的貼岸流，加之潮灘岬角效應(yīng)引起的局部潮流增大，這種獨(dú)特的動(dòng)力條件成為南堡深槽能夠長期維持的重要原因(圖2)。

曹妃甸海區(qū)獨(dú)特的海岸地貌體系是古灤河廢棄三角洲沉積體長期被改造的產(chǎn)物。灤河多沙是這種海岸地貌形成發(fā)育的基本條件，因此其演變與灤河來沙狀況密切相關(guān)。隨著古灤河的改道東移與近年來入海泥沙的急劇減少，本海區(qū)泥沙明顯供給不足，使得月坨、東坑坨到曹妃甸一線沿岸目前均處于輕微侵蝕沖刷狀態(tài)。1996—2006年沖淤分析表明，離岸沙壩外側(cè)海區(qū)整體上以沖刷態(tài)勢為主，海床平均沖深多在1～2m之間。曹妃甸海區(qū)具有豐富的灘涂與深水岸線資源，為其開發(fā)建設(shè)提供了得天獨(dú)厚的條件與優(yōu)勢。其中曹妃甸深槽為渤海灣最深水域，最大水深達(dá)41m，是渤海灣唯一不需要開挖港池航道即可建設(shè)30萬噸級(jí)大型深水泊位的天然港址;沙島與陸岸之間則發(fā)育有數(shù)百平方千米的潮灘，為大規(guī)模圍涂造地提供了良好的基礎(chǔ)。但曹妃甸作為一個(gè)復(fù)雜的海岸動(dòng)力地貌體系，巨大的灘槽高差和陡峻的水下岸坡，在周邊海區(qū)整體處于侵蝕沖刷態(tài)勢及深槽強(qiáng)勁的潮流動(dòng)力作用下，其開發(fā)建設(shè)中不得不面對(duì)灘槽能否長期保持穩(wěn)定的難題。特別是考慮到深水岸線屬于開發(fā)利用的核心資源，因而如何通過科學(xué)規(guī)劃開局，在充分利用與保護(hù)現(xiàn)有深水岸線資源的基礎(chǔ)上維護(hù)灘槽的長期穩(wěn)定，成為評(píng)判曹妃甸海區(qū)能否成功開發(fā)建設(shè)的關(guān)鍵依據(jù)。

2開局與灘槽格局的協(xié)調(diào)性分析

曹妃甸總體開局圍繞灘槽穩(wěn)定性這一核心問題，自20世紀(jì)90年代以來經(jīng)歷了多個(gè)階段的優(yōu)化論證［15］，其中2007年確定的最終優(yōu)化方案在開發(fā)總體布局與灘槽動(dòng)力地貌格局之間實(shí)現(xiàn)了很好的協(xié)調(diào)性(圖3)，主要體現(xiàn)在:

1)灘槽宏觀格局的維護(hù)曹妃甸灘槽動(dòng)力地貌宏觀格局能否維持是影響其穩(wěn)定性變化趨勢的控制性因素。特別是曹妃甸外側(cè)島鏈對(duì)淺灘的掩護(hù)作用至關(guān)重要，是形成現(xiàn)狀灘槽動(dòng)力地貌格局的關(guān)鍵，因此開局應(yīng)以島鏈外緣作為參照界，不宜破壞或延伸至其外側(cè)。有鑒于此，2007年優(yōu)化方案中充分利用灘槽穩(wěn)定的格局實(shí)施港區(qū)水陸域的總體布局，圍填海控制線采用凸岸形式從甸頭沿5m等深線向東北方向延伸至蛤坨附近，順應(yīng)了現(xiàn)有的離岸沙壩群的外圍和走勢，很好的遵循了本海區(qū)的水沙運(yùn)移規(guī)律，也有效減弱了工程開發(fā)引起的動(dòng)力地貌環(huán)境演變效應(yīng)。

2)深水岸線資源的保護(hù)曹妃甸前沿深水岸線屬于開發(fā)利用核心資源，應(yīng)特別注意近期的合理利用和遠(yuǎn)期的有效保護(hù)。曹妃甸沙島發(fā)育時(shí)間長，砂基深厚，已形成穩(wěn)定的沙質(zhì)島嶼;而沙島形成的岬角地貌構(gòu)成了潮汐深槽的邊界條件，由此引起的局部潮流增大是深槽形成與維持的動(dòng)力條件。因此，曹妃甸開發(fā)規(guī)劃布局應(yīng)以維護(hù)岬角地貌為原則，即甸頭保持其岬角形態(tài)，同時(shí)充分利用深槽水深穩(wěn)定、深水近岸的特點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)20萬噸級(jí)以上大型深水碼頭泊位。曹妃甸三個(gè)階段的開局方案都較好保護(hù)了原有的岬角地貌特征，因而沒有改變甸頭前沿潮汐深槽的動(dòng)力形成機(jī)制，不會(huì)影響灘槽的穩(wěn)定性。此外，老龍溝潮汐通道體系的潟湖灣與口門深槽也得到了科學(xué)利用，前者被布局開挖成深水港池，后者則規(guī)劃為進(jìn)港航道。

3)潮溝與淺灘與的綜合利用本海區(qū)老龍溝、二龍溝等潮溝具有潮汐通道的性質(zhì)，是內(nèi)港開發(fā)的優(yōu)良水域資源;而曹妃甸淺灘在性質(zhì)和功能上則屬于潮汐通道體系中的潟湖納潮水域，也具有良好的匡圍條件。由于大規(guī)模圍涂造地會(huì)顯著減少潟湖納潮水域和納潮量進(jìn)而可能影響深槽水深的維持，故曹妃甸開發(fā)中需要通過論證尋求納潮量維持與淺灘圍涂兩者資源開發(fā)效益最大化的平衡點(diǎn)。2007年優(yōu)化方案在考慮淺灘圍填的同時(shí)規(guī)劃布置3個(gè)挖入式港池以擴(kuò)充岸線的使用，其中為了維持老龍溝潮汐動(dòng)力和納潮量，三港池保持4km寬水域作為納潮區(qū)。該方案與1997年和2005年提出的開局相比，在顯著增加圍涂造陸面積的同時(shí)，有效維持了各潮溝原來的納潮水域功能，減小了淺灘圍填對(duì)潟湖納潮量的影響，實(shí)現(xiàn)了潮溝與淺灘的綜合開發(fā)與科學(xué)利用。

4)潮溝水交換功能的維持曹妃甸海區(qū)未開發(fā)前，老龍溝與二龍溝存在一定的水交換，漲、落潮期間在曹妃甸淺灘的灘脊附近存在明顯的匯流和分流現(xiàn)象。2007年優(yōu)化方案中充分考慮了這一自然條件，以綠色港口的開發(fā)建設(shè)理念為指導(dǎo)，沿潮溝走向規(guī)劃布置開挖納潮河，使得曹妃甸東西兩側(cè)港池相連通以利于水體交換，整體上形成前島后陸的布置格局。納潮河的寬度設(shè)計(jì)為1000m，水深7m，保持了一定的過水?dāng)嗝妫瑢?duì)于提高挖入式港池水體交換能力、改善港區(qū)整體水環(huán)境質(zhì)量起到了重要作用。上述不同階段的開局優(yōu)化方案在一定程度上反映了對(duì)曹妃甸海岸動(dòng)力地貌體系認(rèn)識(shí)的逐步深入與開發(fā)理念的進(jìn)步。如1997年提出的優(yōu)化方案，港區(qū)岸線規(guī)劃及圍涂基本局限在以利用甸頭深槽與連接后方陸域?yàn)橹?隨著對(duì)海岸動(dòng)力地貌體系認(rèn)識(shí)的深入，2005年提出的優(yōu)化方案擴(kuò)大了內(nèi)港池和圍涂造陸面積;2007年則經(jīng)過進(jìn)一步論證，遵循因勢利導(dǎo)的原則，以保持灘槽穩(wěn)定為前提，通過尋找深水岸線開發(fā)、灘涂匡圍與環(huán)境影響之間的平衡點(diǎn)，提出了以曹妃甸—蛤坨為軸心、老龍溝－納潮河為分界的前島后陸的總體開局形態(tài)，與灘槽動(dòng)力地貌宏觀格局之間取得了很好的協(xié)調(diào)性。

3開局實(shí)施動(dòng)力地貌演變效應(yīng)

筆者曾建立曹妃甸海區(qū)波流作用下的二維泥沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了最終優(yōu)化方案實(shí)施后的水沙動(dòng)力環(huán)境影響與海床沖淤變化［9-10］;其中甸頭前沿深槽區(qū)流速有所增加，港池、航道內(nèi)流速有所減小;與工程前相比，由于港區(qū)大面積圍填阻擋了波浪向淺灘的傳播，使其含沙量大幅減小，外海含沙量則變化不大;開局方案實(shí)施1年后，甸頭前沿深槽沖深約0．15～0．48m，港池和老龍溝內(nèi)則淤厚約0．35～1．31m，預(yù)計(jì)方案實(shí)施2～3年后工程引起的海床沖淤基本達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)前曹妃甸開局方案正在快速實(shí)施過程中，截止到2013年底已經(jīng)累計(jì)圍涂造地超過250km2(圖3(d))。曹妃甸前沿深槽的沖淤演變與穩(wěn)定性變化趨勢一直是最引人關(guān)注的問題，也是該海區(qū)灘槽穩(wěn)定的標(biāo)志之一。2004—2012年期間的多次地形觀測結(jié)果表明［11］，曹妃甸開發(fā)過程中甸頭前沿深槽基本處于沖淤平衡并略有輕微沖刷的狀態(tài)，深槽水深維持良好，平面位置沒有出現(xiàn)明顯擺動(dòng)，周邊海區(qū)海床沖淤變化幅度也相對(duì)較小，整個(gè)海區(qū)灘槽穩(wěn)定性良好(圖4和圖5)。由此可見，開發(fā)工程實(shí)施后的海床沖淤變化幅度與數(shù)學(xué)模型預(yù)測結(jié)果有著很好的一致性，這也充分說明曹妃甸總體開局方案規(guī)劃科學(xué)合理，沒有改變整個(gè)海區(qū)的灘槽動(dòng)力地貌整體格局和潮汐深槽的動(dòng)力形成機(jī)制，因而深槽及周邊海區(qū)在開發(fā)工程實(shí)施后可以保持灘槽穩(wěn)定。曹妃甸作為我國規(guī)模最大的單體圍填海開發(fā)工程，不僅需要匡圍數(shù)百平方千米的淺灘水域，還涉及海堤建設(shè)、港池開挖、航道整治、碼頭棧橋等各類海岸工程，因此開發(fā)過程中對(duì)周邊海區(qū)的影響也不容忽視。如大量的港池開挖與陸域吹填工程不僅使得局部海區(qū)海床大幅下切(見圖5斷面D07)，還會(huì)造成水體含沙量大幅增加，大量泥沙隨潮流輸移后落淤，造成了臨近海域較大范圍的淤積［13］，這也是海床沖淤變化實(shí)測值與數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果存在局部差異的主要原因。此外，需要特別注意的是，由于圍涂造陸需要大量吹填，本海區(qū)在老龍溝口門淺灘、南堡潮流沙脊等附近出現(xiàn)了多處大規(guī)模海床采砂現(xiàn)象(圖3(d))。由于這些大規(guī)模海床采砂沒有規(guī)劃、缺乏論證，可能對(duì)未來本海區(qū)的灘槽演變和動(dòng)力地貌格局會(huì)產(chǎn)生重要影響。因此，亟待加強(qiáng)相關(guān)活動(dòng)的監(jiān)管，特別是靠近離岸沙壩的淺灘區(qū)應(yīng)禁止采砂，以防止破壞沙島的基礎(chǔ)及岸灘的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

1)曹妃甸灘槽穩(wěn)定是其開發(fā)利用的基礎(chǔ)，而灘槽動(dòng)力地貌宏觀格局能否維持則是影響其穩(wěn)定性變化趨勢的控制性因素。曹妃甸綜合開發(fā)遵循因勢利導(dǎo)的原則，通過尋找深水岸線開發(fā)、灘涂匡圍與環(huán)境影響之間的平衡點(diǎn)，在維護(hù)灘槽動(dòng)力地貌宏觀格局現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上對(duì)淺灘與深槽進(jìn)行科學(xué)保護(hù)和合理利用，提出了可維護(hù)灘槽穩(wěn)定的曹妃甸綜合開發(fā)總體布局，在開局與灘槽動(dòng)力地貌格局之間實(shí)現(xiàn)了很好的協(xié)調(diào)性。2)工程實(shí)踐效果表明，曹妃甸開發(fā)過程中甸頭前沿深槽水深維持良好，平面位置沒有出現(xiàn)明顯擺動(dòng)，整個(gè)海區(qū)灘槽穩(wěn)定性良好;表明曹妃甸總體開局方案規(guī)劃科學(xué)合理，沒有改變整個(gè)海區(qū)的灘槽動(dòng)力地貌格局和潮汐深槽形成的動(dòng)力機(jī)制，因而深槽及周邊海區(qū)在開發(fā)工程實(shí)施后可以保持灘槽穩(wěn)定。未來需要密切關(guān)注大規(guī)模海床采砂對(duì)灘槽演變和動(dòng)力地貌格局可能產(chǎn)生的影響。

作者：季榮耀 陸永軍 孫路 左利欽 佘小建 單位：南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院