《Coastal Engineering》：Impact of the permeable breakwater on spatiotemporal siltation in a semi-enclosed harbor: case study of Binhai Harbor, China
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Binhai港研究揭示，高渗透性堤坝导致中央港区严重淤积，而非传统入口处。通过水动力-地貌模型分析多期数据，证实沉积来自入口悬浮物、堤坝孔隙及二次输移。封闭式港设计优化对制定差异化疏浚策略至关重要。
作者：Kaicheng Qu、Kefeng Chen、Mick van der Wegen、Qinghua Ye、Ali Dastgheib、Nairui Wang、Jinhai Zheng
中国江苏省南京市河海大学教育部海岸灾害与防护重点实验室，邮编210098
摘要
作为江苏省北部的主要货运港口，滨海港位于废弃的黄河三角洲强水动力和富沉积物的沿海水域。与世界上许多其他港口一样，它面临着严重的淤积问题。在港口建设前后进行的多次水深测量揭示了淤积的独特空间分布：沿防波堤内侧发生了高强度的淤积，形成了较大的沙洲。在航道疏浚后，航道中段的淤积量明显大于入口和码头区域，这一现象与传统淤积模式明显不同。因此，确定沉积物来源及其作用机制对于制定精确的淤积减少策略具有重要的工程意义。本研究利用2007年至2021年间收集的多时期水动力、沉积物和水深数据，系统分析了防波堤内侧的淤积过程及其对航道填充的影响。开发了一个水动力-形态动力学模型，考虑了防波堤的水和沉积物渗透性，以定量评估防波堤渗透性对港口淤积空间分布的影响。研究结果表明：（1）在当前可渗透的防波堤条件下，港口中段淤积明显，而入口和码头区域的淤积相对较少。中段沉积物主要来源于通过入口进入的悬浮沉积物以及防波堤内部的空隙，还有细颗粒在内部沙洲上的二次输送；（2）当防波堤改为不可渗透时，悬浮沉积物浓度从入口向陆地端逐渐减少。提高防波堤不透水部分的高度可以有效抑制航道中段的淤积。这些发现不仅加深了对半封闭港口盆地淤积过程的理解，还为优化防波堤设计和制定类似港口环境的空间差异化淤积缓解策略提供了理论支持和实际指导。
引言
长期以来，港口内的淤积一直是一个突出问题（Marriner和Morhange，2007）。为了保持设计的航道深度，需要定期进行疏浚作业（Van Schijndel和Kranenburg，1998；Mateo-Pérez等人，2020）。然而，传统的疏浚方法通常效率低下且维护成本较高（Frihy等人，2016）。因此，从港口设计优化的角度来看，在考虑环境和经济目标的同时，尽量减少港口内的沉积物沉积至关重要（Elnabwy等人，2022）。
半封闭港口的淤积主要受潮汐填充、水平携带（混合层）和密度驱动流的影响（Stoschek和Zimmermann，2006；Fettweis等人，2011；Van Maren等人，2011；Vanlede等人，2019）。韩国的仁川港和中国的连云港港都位于泥质海岸线上。水动力-沉积模型显示，洪水期间港口入口附近形成的潮汐诱导环流是这两个港口严重淤积的主要原因（Lee等人，2019；Cheng等人，2019）。同样，在伊朗的Now Shahr港，风驱动的沿岸流在港口入口产生的环流被认为是导致港口入口和航道淤积的主要因素（Mahmoodi等人，2020）。除了由水平携带引起的港口淤积外，加拿大圣约翰港的数值模拟结果还表明，密度流在河口港口的淤积中起着重要作用（Leys，V.，2007）。密度流可以由温度、盐度或沉积物浓度梯度驱动（Winterwerp，2005）。这导致了半封闭港口典型的淤积分布特征，即入口附近淤积严重，而盆地内部端的淤积较轻（Vanlede和Dujardin，2014），例如德国汉堡港，每年60%至85%的疏浚沉积物来自港口入口区域（Smith等人，2000）。
作为半封闭港口的核心防护结构，防波堤通过有效减弱波浪能量和保持港口内的水面平静，对确保船舶的安全停泊和操作条件起着至关重要的作用（Pourzangbar等人，2017）。大多数关于防波堤建设影响的研究集中在描述其对外部沿岸沉积物输送的影响以及由此引起的相邻海岸线位置的变化（Franzen等人，2021）。在这些情况下，沉积物会在防波堤的上游侧堆积，而下游侧则发生侵蚀（El-Asmar和White，2002）。对于港口盆地内的淤积，防波堤与潮汐填充和水平携带密切相关（Van Maren等人，2009；Nassar等人，2019）。一些案例研究表明，防波堤的具体配置和布局会导致半封闭港口内淤积分布的显著时空异质性（D'Alpaos等人，2013；Moghaddam等人，2018；Lojek等人，2021）。意大利拉斯佩齐亚Arsenale港的淤积发生在码头区域而非港口入口（Colangeli等人，2023）。同样，在法国的拉罗谢尔码头，独特的港口布局在洪水期间改变了环流中心，导致淤积集中在港口盆地内的航道中，而入口附近则观察到局部侵蚀（Huguet等人，2020a，2020b）。
然而，大多数现有研究集中在不可渗透结构上，而对部分可渗透防波堤如何调节半封闭港口盆地内的水动力和沉积物输送的系统性研究仍然有限。中国江苏省的滨海港为解决这一知识空白提供了一个典型案例。与之前报道的典型淤积过程不同，滨海港的可渗透防波堤内部出现了明显的淤积现象。受这一工程挑战的启发，本研究旨在探讨导致滨海港独特淤积模式的水动力和沉积物输送机制，并进一步研究防波堤不透水部分高度的变化如何调节港口盆地内的淤积强度和空间分布。
研究区域
滨海港位于中国江苏省废弃的黄河三角洲（AYRD）海岸线的弯曲段（图1a）。它靠近潮位对称点，平均潮差仅为1.76米，是江苏省沿岸最小的。潮汐类型被归类为不规则的半日潮，其中潮流强度超过-15米的区域表现出明显的往复流特征。涨潮主要向东南方向流动，而
现场测量
在滨海港建设前后进行了潮汐、潮汐流和SSC（悬浮沉积物浓度）的现场测量。同时进行了水深测量，以捕捉海底地形变化（表1）。这些全面的数据集为了解该地区的水动力和沉积环境、分析海底侵蚀和淤积模式以及验证数值模型提供了坚实的基础。
2007年6月、2017年5月和2021年3月，设置了三组观测点（P1–P3）
水动力-沉积过程
滨海港建设前后的模拟结果显示，在南海西北部的旋转潮波系统的影响下，随着潮水从潮位对称点附近向岸边推进，AYRD的流场分布从旋转流转变为往复流。在港口建设之前，-5米至-15米水深范围内的近岸区域以明显的往复流为主，且
港口淤积的控制过程
早期的理论和工程实践表明，港口淤积受水交换与SSC（悬浮沉积物浓度）之间的关系影响（De Nijs等人，2009）。当高浊度水通过入口进入港口盆地时，由于防波堤的遮挡作用，港口内的水动力条件减弱，导致携带沉积物的能力降低，悬浮沉积物沉淀。
结论
本研究基于2006年至2021年间港口建设前后收集的多组水动力-沉积和地形数据，以及考虑了防波堤渗透性的水动力-形态动力学数值模型，分析了滨海港淤积的空间和时间特征及其潜在机制。
滨海港的防波堤上部结构由可渗透的护岸块和石料构成。来自开阔海域的悬浮沉积物进入港口
作者贡献声明
Kaicheng Qu：撰写——初稿、软件、方法论、资金获取、正式分析。
Kefeng Chen：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。
Mick van der Wegen：撰写——审阅与编辑、软件、方法论。
Qinghua Ye：撰写——审阅与编辑、软件。
Ali Dastgheib：撰写——审阅与编辑、软件。
Nairui Wang：资源获取、调查、资金获取。
Jinhai Zheng：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
本研究得到了中国华能集团科技项目[项目编号：HNKJ23–H18]、国家自然科学基金[项目编号：42301011]以及江苏省研究生研究与实践创新计划[项目编号：KYCX24_0880]的财政支持。
