海南岛小海潟湖通道治理方案研究

海南岛小海潟湖通道治理方案研究何为1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N北通道南通道北砂坝南砂坝涨潮三角洲光明V1T1V3Z4T2T3Z1Z2V4Z3Z6Z7Z5图例水位站流速观测点水质采样点波浪观测站V2南海潮汐通道沙坝潟湖2.0(km)0大花角后安潮港港北和乐万宁北坡英豪半岛英文联丰后鞍海小海后鞍岭188.7145.5大长184.3东山岭149.879.5111.6后山岭72.0老八岭69.7港尾岭-10m-5m内峙外峙大茂盐墩35.932.1英文岭图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NNW～SSE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1.5～2.0km，最高处高程15～24m;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（tidalflat）存在,这些潮滩随涨、落潮时而淹没或出露。(3)潮汐通道(tidalinlet)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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-1.00-0.80-0.60-0.40-0.200.000.200.400.600.80911131517192123135791113151719212313579光明北坡港北水位（m）16日17日18日时间口门内的北槽、南槽（群众称“后海”）和口门外的北汊、南汊。(4)入湖河流三角洲（fluvial—deltasintothelagoon）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30m～40m，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1000m3/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（2001.9.16～18）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3V2、V3、V4测点流速过程线（2001.9.16～17）2.3波浪小海地区属于热带季风气候，冬季为东北季风期，NNE~ENE风向频率高达75.5％，夏季盛行偏南风，SSE~SSW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，常有一个主汊道及图4潮汐通道的类型〔1〕-2-1.5-1-0.500.511.5911131517192123135791113151716日17日流速(m/s)V2V3V4一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。螺线段19932001内峙岛优势浪向小海上岬角外峙岛N40m切线段FABD200119931987CE光明N02.0(km)潟湖沙坝潮汐通道V2波浪观测站水质采样点流速观测点水位站图例Z5Z7Z6Z3V4Z2Z1T3T2Z4V3T1V1英文岭32.135.9盐墩大茂外峙内峙港尾岭69.7老八岭72.0后山岭111.679.5149.8东山岭184.3长大145.5188.7后鞍岭海小后鞍海联丰英文英豪半岛北坡万宁和乐港北潮港后安大花角下岬角切线段上岬角比例尺：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：Rcvgvdxdgvdxddxd2222)2()2(（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；t——时间；c——谢才系数。或改写成：dxRcvgvdgvdd2222)2()2(（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fgc/8（f为摩擦系数）代入上式并化成差分方式：222)41(21vgFvRfLg