开局与格局协调性研究范文

《海洋工程杂志》2016年第一期

摘要:

渤海湾曹妃甸近岸海区多个潮汐深槽与沙岛相伴而生并构成极为复杂的海岸动力地貌体系，而维护既有的滩槽宏观格局是保持滩槽稳定与合理开局的重要基础。曹妃甸开发遵循因势利导的原则，对浅滩与深槽进行了科学保护和合理利用，通过寻找深水岸线开发、滩涂匡围与环境影响之间的平衡点，在开发合理规划布局与维护滩槽动力地貌格局现状之间实现了很好的协调性。工程实践效果表明，由于曹妃甸开局规划科学合理，没有改变整个海区的滩槽动力地貌格局和潮汐深槽形成的动力机制，因而深槽及周边海区在开发工程实施后稳定性良好。

关键词:

滩槽格局;开局;稳定性;协调性;曹妃甸

河口海岸地区发育有众多的水下深槽，并常伴生有各种岛屿、水下沙脊与浅滩等海岸地貌单元，共同组成了特性各异的海岸动力地貌体系，如沙坝潟湖型潮汐通道、海湾型潮汐通道、河口拦门沙滩槽体系、江苏辐射沙洲潮汐通道、浙江群岛峡道深槽等。这些海岸动力地貌体系常因深水岸线和滩涂资源丰富，具有十分重要的港口航道建设前景与围涂造地开发价值。大量的工程实践证明，缺乏科学论证的高强度开发可能会破坏原海岸体系的水动力环境和泥沙冲淤动态平衡，加剧海岸侵蚀或造成泥沙淤积，进而严重影响滩槽的稳定性，给沿海开发保护带来很大的不确定性。如法国Maumusson潮汐通道体系自1821年来，因为湾内人工养殖使得纳潮量减少35%，导致了口门深槽的淤浅和摆动［1］;1932年荷兰Zuiderzee大坝的建成破坏了Texel潮汐通道系统的稳定性，致使落潮三角洲向陆侵蚀后退［2］;Florida半岛Gulf海岸的防波堤工程引起了Blind通道和BigSarasota通道下游海岸的侵蚀，导致了通道的不稳定和封闭［3］;澳大利亚西海岸CurrumbinCreek两侧防波堤的建设虽然稳定了口门位置，但由于新形成的环流模式把大量泥沙带入口门通道内而出现淤积，造成了排洪和通航问题［4］;Wadden海5个不同潮汐通道系统由于受到人类活动的干扰，至少需要一个世纪的时间才能达到新的地貌平衡状态［5］。

国内沿海开发过程中也出现了许多类似案例，如海南岛小海和粤西博贺湾都出现了因大规模围涂使得纳潮水域和纳潮量的急剧减少，导致潮流动力明显减弱，进而造成口门深槽淤浅萎缩的现象［6-7］。因此，如何通过科学规划布局合理开发保护既有的滩槽动力地貌体系，不仅对于维护滩槽长期稳定和减小开发负面效应具有重要意义，也是我国新一轮沿海开发战略实施中亟待解决的关键技术难题。渤海湾曹妃甸海区具有丰富的滩涂与深水岸线资源，为其开发建设提供了得天独厚的条件与优势;但由于该海区地貌环境独特，动力条件复杂，自然环境对海岸工程较为敏感，特别是巨大的滩槽高差和陡峻的水下岸坡让其在开发建设中不得不面对滩槽能否长期保持稳定的难题。曹妃甸开发总体谋划始于20世纪70年代，自90年代初针对深水港区规划布局系统论证开始，众多学者围绕港区开发滩槽稳定性影响这一核心问题开展了大量的调查分析和论证研究。如王艳等［8］分析了该海区的历史滩槽冲淤演变，指出滩槽形势基本稳定;Lu等［9-11］和Kuang等［12］采用数学模型研究了曹妃甸港区规划方案对周边海区水沙动力环境的影响;季荣耀等［13-14］则重点讨论了曹妃甸深槽和老龙沟拦门沙的形成演变机制。本研究在阐明曹妃甸海岸体系动力地貌特征及其形成演变机制的基础上，着重探讨了开发规划布局与滩槽动力地貌格局两者之间的协调性，科学论证了可维护滩槽稳定的曹妃甸综合开发总体布局，并已得到了工程实践的成功证明。

1曹妃甸滩槽动力地貌格局与开发关键难题

曹妃甸原为渤海湾口北侧的带状沙岛，其以岬角形态向南伸入渤海湾，前沿水下岸坡陡峻，35m深槽距岸仅约400～500m(图1)。曹妃甸近岸海区双重岸线特征明显，内侧大陆岸线为古滦河三角洲发育的冲积海积平原，外侧是曹妃甸和东坑坨等沙岛构成的沙质岛屿岸线;沙岛与陆岸之间则发育有潟湖湾和大片潮滩，沙岛间还有潮汐深槽发育。从海岸地貌、水动力与泥沙输移等特征综合分析，本岸段可划分为曹妃甸岬角－深槽、老龙沟潟湖－潮汐通道和南堡潮流沙脊－深槽等3个相对独立且紧密联系的潮汐深槽动力地貌体系。已有研究成果表明，上述三个海岸体系中潮汐深槽形成的动力机制存在明显差异［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动力条件，而潟湖漫滩水流归槽和狭窄口门束水作用导致流速增大则是维持老龙沟通道深槽水深的主要动力;对于南堡深槽－潮流沙脊体系，脊槽相间的水下地形格局使得深槽内产生有较强的贴岸流，加之潮滩岬角效应引起的局部潮流增大，这种独特的动力条件成为南堡深槽能够长期维持的重要原因(图2)。

曹妃甸海区独特的海岸地貌体系是古滦河废弃三角洲沉积体长期被改造的产物。滦河多沙是这种海岸地貌形成发育的基本条件，因此其演变与滦河来沙状况密切相关。随着古滦河的改道东移与近年来入海泥沙的急剧减少，本海区泥沙明显供给不足，使得月坨、东坑坨到曹妃甸一线沿岸目前均处于轻微侵蚀冲刷状态。1996—2006年冲淤分析表明，离岸沙坝外侧海区整体上以冲刷态势为主，海床平均冲深多在1～2m之间。曹妃甸海区具有丰富的滩涂与深水岸线资源，为其开发建设提供了得天独厚的条件与优势。其中曹妃甸深槽为渤海湾最深水域，最大水深达41m，是渤海湾唯一不需要开挖港池航道即可建设30万吨级大型深水泊位的天然港址;沙岛与陆岸之间则发育有数百平方千米的潮滩，为大规模围涂造地提供了良好的基础。但曹妃甸作为一个复杂的海岸动力地貌体系，巨大的滩槽高差和陡峻的水下岸坡，在周边海区整体处于侵蚀冲刷态势及深槽强劲的潮流动力作用下，其开发建设中不得不面对滩槽能否长期保持稳定的难题。特别是考虑到深水岸线属于开发利用的核心资源，因而如何通过科学规划开局，在充分利用与保护现有深水岸线资源的基础上维护滩槽的长期稳定，成为评判曹妃甸海区能否成功开发建设的关键依据。

2开局与滩槽格局的协调性分析

曹妃甸总体开局围绕滩槽稳定性这一核心问题，自20世纪90年代以来经历了多个阶段的优化论证［15］，其中2007年确定的最终优化方案在开发总体布局与滩槽动力地貌格局之间实现了很好的协调性(图3)，主要体现在:

1)滩槽宏观格局的维护曹妃甸滩槽动力地貌宏观格局能否维持是影响其稳定性变化趋势的控制性因素。特别是曹妃甸外侧岛链对浅滩的掩护作用至关重要，是形成现状滩槽动力地貌格局的关键，因此开局应以岛链外缘作为参照界，不宜破坏或延伸至其外侧。有鉴于此，2007年优化方案中充分利用滩槽稳定的格局实施港区水陆域的总体布局，围填海控制线采用凸岸形式从甸头沿5m等深线向东北方向延伸至蛤坨附近，顺应了现有的离岸沙坝群的和走势，很好的遵循了本海区的水沙运移规律，也有效减弱了工程开发引起的动力地貌环境演变效应。

2)深水岸线资源的保护曹妃甸前沿深水岸线属于开发利用核心资源，应特别注意近期的合理利用和远期的有效保护。曹妃甸沙岛发育时间长，砂基深厚，已形成稳定的沙质岛屿;而沙岛形成的岬角地貌构成了潮汐深槽的边界条件，由此引起的局部潮流增大是深槽形成与维持的动力条件。因此，曹妃甸开发规划布局应以维护岬角地貌为原则，即甸头保持其岬角形态，同时充分利用深槽水深稳定、深水近岸的特点规划建设20万吨级以上大型深水码头泊位。曹妃甸三个阶段的开局方案都较好保护了原有的岬角地貌特征，因而没有改变甸头前沿潮汐深槽的动力形成机制，不会影响滩槽的稳定性。此外，老龙沟潮汐通道体系的潟湖湾与口门深槽也得到了科学利用，前者被布局开挖成深水港池，后者则规划为进港航道。

3)潮沟与浅滩与的综合利用本海区老龙沟、二龙沟等潮沟具有潮汐通道的性质，是内港开发的优良水域资源;而曹妃甸浅滩在性质和功能上则属于潮汐通道体系中的潟湖纳潮水域，也具有良好的匡围条件。由于大规模围涂造地会显著减少潟湖纳潮水域和纳潮量进而可能影响深槽水深的维持，故曹妃甸开发中需要通过论证寻求纳潮量维持与浅滩围涂两者资源开发效益最大化的平衡点。2007年优化方案在考虑浅滩围填的同时规划布置3个挖入式港池以扩充岸线的使用，其中为了维持老龙沟潮汐动力和纳潮量，三港池保持4km宽水域作为纳潮区。该方案与1997年和2005年提出的开局相比，在显著增加围涂造陆面积的同时，有效维持了各潮沟原来的纳潮水域功能，减小了浅滩围填对潟湖纳潮量的影响，实现了潮沟与浅滩的综合开发与科学利用。

4)潮沟水交换功能的维持曹妃甸海区未开发前，老龙沟与二龙沟存在一定的水交换，涨、落潮期间在曹妃甸浅滩的滩脊附近存在明显的汇流和分流现象。2007年优化方案中充分考虑了这一自然条件，以绿色港口的开发建设理念为指导，沿潮沟走向规划布置开挖纳潮河，使得曹妃甸东西两侧港池相连通以利于水体交换，整体上形成前岛后陆的布置格局。纳潮河的宽度设计为1000m，水深7m，保持了一定的过水断面，对于提高挖入式港池水体交换能力、改善港区整体水环境质量起到了重要作用。上述不同阶段的开局优化方案在一定程度上反映了对曹妃甸海岸动力地貌体系认识的逐步深入与开发理念的进步。如1997年提出的优化方案，港区岸线规划及围涂基本局限在以利用甸头深槽与连接后方陆域为主;随着对海岸动力地貌体系认识的深入，2005年提出的优化方案扩大了内港池和围涂造陆面积;2007年则经过进一步论证，遵循因势利导的原则，以保持滩槽稳定为前提，通过寻找深水岸线开发、滩涂匡围与环境影响之间的平衡点，提出了以曹妃甸—蛤坨为轴心、老龙沟－纳潮河为分界的前岛后陆的总体开局形态，与滩槽动力地貌宏观格局之间取得了很好的协调性。

3开局实施动力地貌演变效应

笔者曾建立曹妃甸海区波流作用下的二维泥沙数学模型，预测了最终优化方案实施后的水沙动力环境影响与海床冲淤变化［9-10］;其中甸头前沿深槽区流速有所增加，港池、航道内流速有所减小;与工程前相比，由于港区大面积围填阻挡了波浪向浅滩的传播，使其含沙量大幅减小，外海含沙量则变化不大;开局方案实施1年后，甸头前沿深槽冲深约0．15～0．48m，港池和老龙沟内则淤厚约0．35～1．31m，预计方案实施2～3年后工程引起的海床冲淤基本达到平衡状态。当前曹妃甸开局方案正在快速实施过程中，截止到2013年底已经累计围涂造地超过250km2(图3(d))。曹妃甸前沿深槽的冲淤演变与稳定性变化趋势一直是最引人关注的问题，也是该海区滩槽稳定的标志之一。2004—2012年期间的多次地形观测结果表明［11］，曹妃甸开发过程中甸头前沿深槽基本处于冲淤平衡并略有轻微冲刷的状态，深槽水深维持良好，平面位置没有出现明显摆动，周边海区海床冲淤变化幅度也相对较小，整个海区滩槽稳定性良好(图4和图5)。由此可见，开发工程实施后的海床冲淤变化幅度与数学模型预测结果有着很好的一致性，这也充分说明曹妃甸总体开局方案规划科学合理，没有改变整个海区的滩槽动力地貌整体格局和潮汐深槽的动力形成机制，因而深槽及周边海区在开发工程实施后可以保持滩槽稳定。曹妃甸作为我国规模最大的单体围填海开发工程，不仅需要匡围数百平方千米的浅滩水域，还涉及海堤建设、港池开挖、航道整治、码头栈桥等各类海岸工程，因此开发过程中对周边海区的影响也不容忽视。如大量的港池开挖与陆域吹填工程不仅使得局部海区海床大幅下切(见图5断面D07)，还会造成水体含沙量大幅增加，大量泥沙随潮流输移后落淤，造成了临近海域较大范围的淤积［13］，这也是海床冲淤变化实测值与数学模型计算结果存在局部差异的主要原因。此外，需要特别注意的是，由于围涂造陆需要大量吹填，本海区在老龙沟口门浅滩、南堡潮流沙脊等附近出现了多处大规模海床采砂现象(图3(d))。由于这些大规模海床采砂没有规划、缺乏论证，可能对未来本海区的滩槽演变和动力地貌格局会产生重要影响。因此，亟待加强相关活动的监管，特别是靠近离岸沙坝的浅滩区应禁止采砂，以防止破坏沙岛的基础及岸滩的稳定性。

4结语

1)曹妃甸滩槽稳定是其开发利用的基础，而滩槽动力地貌宏观格局能否维持则是影响其稳定性变化趋势的控制性因素。曹妃甸综合开发遵循因势利导的原则，通过寻找深水岸线开发、滩涂匡围与环境影响之间的平衡点，在维护滩槽动力地貌宏观格局现状的基础上对浅滩与深槽进行科学保护和合理利用，提出了可维护滩槽稳定的曹妃甸综合开发总体布局，在开局与滩槽动力地貌格局之间实现了很好的协调性。2)工程实践效果表明，曹妃甸开发过程中甸头前沿深槽水深维持良好，平面位置没有出现明显摆动，整个海区滩槽稳定性良好;表明曹妃甸总体开局方案规划科学合理，没有改变整个海区的滩槽动力地貌格局和潮汐深槽形成的动力机制，因而深槽及周边海区在开发工程实施后可以保持滩槽稳定。未来需要密切关注大规模海床采砂对滩槽演变和动力地貌格局可能产生的影响。

作者：季荣耀 陆永军 孙路 左利钦 佘小建 单位：南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室  交通运输部规划研究院