DELFT 3D在離岸人工島建設(shè)中的應(yīng)用——以海南島萬(wàn)寧日月灣人工島為例

龔文平，李昌宇，林國(guó)堯，莫文淵

(1.中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東廣州 510275;2.海南省海洋開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，海南?？?570125)

DELFT 3D在離岸人工島建設(shè)中的應(yīng)用
——以海南島萬(wàn)寧日月灣人工島為例

龔文平1，李昌宇1，林國(guó)堯2，莫文淵2

(1.中山大學(xué)海洋學(xué)院，廣東廣州 510275;2.海南省海洋開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，海南海口 570125)

離岸建設(shè)人工島是圍填海的重要方式之一。人工島的建設(shè)勢(shì)必改變工程區(qū)的水動(dòng)力條件、泥沙輸運(yùn)格局與海岸演變狀況。選取合理的平面布置方案，減少工程建設(shè)對(duì)海岸環(huán)境的負(fù)面影響，是人工島建設(shè)能否成功的關(guān)鍵因素。以海南島萬(wàn)寧日月灣人工島建設(shè)為例，利用DELFT 3D模型系統(tǒng)，研究原場(chǎng)與不同平面布置方案后的波浪傳播、波生流、泥沙輸運(yùn)與岸灘演變，探討不同人工島方案島后形成連島壩(Tombolo)或突出體(Salient)的可能性及泥沙淤積體積的大小，分析不同方案的優(yōu)劣。研究表明，不同人工島方案因?yàn)槠浯笮?、離岸距離及所處位置的差異，對(duì)島后的波浪傳播、波生流、泥沙輸運(yùn)與地形沖淤演變產(chǎn)生不同的影響。人工島離岸距離越遠(yuǎn)、所處位置水深越大，人工島在波峰線上的投影長(zhǎng)度越短，形成連島壩的可能性越小。

DELFT 3D;人工島;連島壩;突出體;海南島

海上人工島建設(shè)正成為土地資源相對(duì)貧乏的國(guó)家和地區(qū)開(kāi)發(fā)利用海洋資源的重要方式之一［1］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)人工島建設(shè)前后的潮流動(dòng)力［2］、水體環(huán)境與水交換［3］、泥沙淤積［4］、對(duì)砂質(zhì)海岸的影響［5］等都進(jìn)行了較多的研究，但遺憾的是，研究中大多以考慮潮流及其輸沙為主，對(duì)波浪作用的影響研究相對(duì)較少，即使是對(duì)砂質(zhì)海岸。而國(guó)際上對(duì)人工島(或離岸堤)建設(shè)后波浪動(dòng)力、波生流、泥沙輸運(yùn)與地貌演變則進(jìn)行了大量的研究［6-10］。比較有代表性的成果為DHI的軟件系統(tǒng)MIKE21以及Delft Hydraulics開(kāi)發(fā)的DELFT 3D。

日月灣位于海南省東岸萬(wàn)寧縣境內(nèi)的新梅鄉(xiāng)附近，地理位置為北緯18°36＇以北至岸邊，東經(jīng)110°12＇至110°14＇范圍(圖1)。其海岸地貌類型為岬角海灣地貌類型，兩側(cè)為由花崗巖基巖組成的岬角，海灣為呈弧形的沙質(zhì)海岸。沿岸輸沙率不大，初步計(jì)算為20 000～30 000 m3/a。潮流含沙量與潮流輸沙率較?。?1］。沙壩物質(zhì)來(lái)源主要為古海底物質(zhì)，也有少部份來(lái)自海岸的侵蝕物質(zhì)。

圖1 日月灣地理位置圖Fig.1 Geographic location of Riyue Bay

日月灣海域的主導(dǎo)風(fēng)向是夏季的S向、SSW向和冬季的N向、NNW向。外海的波浪以風(fēng)浪為主，常浪向和強(qiáng)浪向均為東南向，全年平均波高為0.91 m。潮汐類型為不正規(guī)全日潮混合潮型。年平均潮差為0.94 m，為小潮環(huán)境。海區(qū)潮流基本呈往復(fù)流特征，潮流流速在0.2 m/s以內(nèi)［11］。漲潮流速大于落潮流速，余流方向基本指向偏東方向。根據(jù)Hayes［12］的海岸類型分類，日月灣為波浪作用為主的砂質(zhì)海岸。

日月灣由于其良好的交通條件和區(qū)位優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)發(fā)展的區(qū)域。為進(jìn)一步發(fā)展當(dāng)?shù)氐穆糜螛I(yè)，擬在日月灣內(nèi)建設(shè)一人工島(由狀如太陽(yáng)的日島和狀如月亮的月島構(gòu)成)。人工島的平面布置方案是否合理是該項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵因素。為合理確定人工島的平面布置方案，對(duì)原場(chǎng)與規(guī)劃的三個(gè)人工島方案進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)多方面的對(duì)比分析，確定出最優(yōu)的建設(shè)方案。

由于國(guó)內(nèi)對(duì)波浪作用為主的砂質(zhì)海岸中人工島建設(shè)前后的波浪動(dòng)力、波生流及地貌演變的研究相對(duì)較少，本項(xiàng)研究一定程度上填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，將豐富對(duì)砂質(zhì)海岸動(dòng)力地貌及人類活動(dòng)影響的研究。

1 研究方法

1.1 數(shù)值模型

考慮到研究區(qū)的特色，采用DELFT 3D數(shù)值模型進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬計(jì)算。

DELFT 3D［6］是一套耦合波浪、流、泥沙輸運(yùn)與地形變化的模型系統(tǒng)，其采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(矩形或曲線正交網(wǎng)格)，波浪模塊利用SWAN 40.41進(jìn)行計(jì)算，流模塊與大多數(shù)的海洋環(huán)流模塊類似，根據(jù)BOUSSNESQ假設(shè)，采用基本的連續(xù)方程與動(dòng)量方程，以及標(biāo)量的輸運(yùn)方程，計(jì)算水動(dòng)力中的水位、流速、各種標(biāo)量的濃度等。動(dòng)量方程中包括了由波浪作用所產(chǎn)生的輻射應(yīng)力和由波浪破碎產(chǎn)生的Roller而形成的動(dòng)量項(xiàng)。

SWAN模型綜合考慮了風(fēng)能的輸入，波浪的折射、繞射、破碎、底摩擦耗能、白浪、波-波相互作用等過(guò)程。SWAN也考慮了流對(duì)波浪的折射及頻移(Doppler shift)的效應(yīng)。DELFT 3D在模擬波流相互作用時(shí)，采用在線(ON-LINE)方式完成波-流交互作用。泥沙輸運(yùn)的計(jì)算在流場(chǎng)計(jì)算的每個(gè)時(shí)間步中進(jìn)行。地形沖淤的更新則有自己的地貌時(shí)間步長(zhǎng)，一般地形變化的時(shí)間步長(zhǎng)要遠(yuǎn)大于流場(chǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)。

在本次研究中，采用DELFT 3D中的平面二維流場(chǎng)模型，其底摩擦系數(shù)采用謝才系數(shù)加以確定。對(duì)于波浪作用下的泥沙輸運(yùn)，模型采用的為VAN RIJN的SEDTRAN模塊。對(duì)于地形的沖淤變化，DELFT 3D采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的地形變化方程，在原有的歐拉方程基礎(chǔ)上加進(jìn)一擴(kuò)散項(xiàng)，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性。DELFT 3D已經(jīng)過(guò)良好的驗(yàn)證［6］，并在砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸的動(dòng)力、泥沙輸運(yùn)與地貌演變模擬研究中獲得廣泛應(yīng)用。

由于所研究區(qū)域范圍相對(duì)較小，周圍的河流徑流量極小，斜壓作用很次要，模擬過(guò)程中未考慮海水的溫度、鹽度、密度的時(shí)空變化，同時(shí)也未考慮風(fēng)和次生流(Secondary Flow)對(duì)海岸過(guò)程的影響。由于潮流作用小，本次研究未考慮潮汐與波浪的相互作用。根據(jù)距離日月灣28 km、海岸走向與之基本相同的烏場(chǎng)灣的一年波浪實(shí)測(cè)資料，選取出現(xiàn)頻率最大的三個(gè)浪向，即SE、SSE與SSW向，分別計(jì)算其平均浪與最大浪的向岸傳播過(guò)程，以及這些波浪在向岸傳播過(guò)程中產(chǎn)生的波生流和相對(duì)應(yīng)的泥沙輸運(yùn)與地形沖淤變化及岸灘演變。

1.2 模型計(jì)算設(shè)置

根據(jù)不同的平面布置方案，生成了四套貼體的曲線正交網(wǎng)格，見(jiàn)圖2。圖中采用54坐標(biāo)系及墨卡托(Mercator)投影，以m為單位。

圖2 模型網(wǎng)格圖Fig.2 Model grid

網(wǎng)格的范圍包括整個(gè)日月灣，西到分界洲附近，東至日月灣新梅村岬角附近，北以岸線為陸邊界，南以海圖中的30 m等深線為外海邊界。網(wǎng)格單元數(shù)為162×99，網(wǎng)格的分辨率在外海邊界區(qū)域相對(duì)較疏，而在岸線、分界洲島以及擬建工程附近進(jìn)行局部加密。為方便進(jìn)行人工島工程建設(shè)前后的比較，保持了網(wǎng)格的一致性，只是根據(jù)人工島方案的不同，將人工島所處的范圍設(shè)置為島邊界。

將海圖水深與工程區(qū)域附近1∶1 000地形圖的水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一到平均海平面下后，內(nèi)插到模型網(wǎng)格中得到模型水深。

由于缺乏日月灣的海浪觀測(cè)資料，采用距離日月灣只有28 km左右且海岸走向與日月灣基本相同、海浪特征完全可以代表日月灣近岸海域海浪特征的烏場(chǎng)灣波浪觀測(cè)資料。根據(jù)1985～1986年烏場(chǎng)灣在10 m左右水深實(shí)測(cè)的波浪統(tǒng)計(jì)資料，選取出現(xiàn)頻率最大的三個(gè)浪向SE、SSE與SSW向，分別將其平均波高采用簡(jiǎn)單的SNELL定律外推到外海30 m等深線處(除以折射系數(shù)與淺水系數(shù))，得出如表1所示的計(jì)算邊界條件。

對(duì)平均浪的計(jì)算，計(jì)算時(shí)間選取為3天。對(duì)風(fēng)暴浪的計(jì)算，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)度為1天。在波流相互作用過(guò)程中，選取FLOW子模塊每計(jì)算120 min將流場(chǎng)與水位傳送給SWAN進(jìn)行波浪計(jì)算，即FLOW和WAVE的數(shù)據(jù)交換頻率為120 min/次。模型的敏感性試驗(yàn)表明，選取不同的交換頻率對(duì)模型結(jié)果無(wú)影響。在選取地形沖淤變化的放大系數(shù)時(shí)，在平均浪的情況下取為10，即1天的流場(chǎng)計(jì)算可得到相當(dāng)于10天的地形變化結(jié)果，3天的平均浪計(jì)算可得到相當(dāng)于30天的地形變化;而在風(fēng)暴浪的條件下，因?yàn)橐话泔L(fēng)暴浪的作用時(shí)間較短，放大系數(shù)取為1，即不進(jìn)行放大。風(fēng)暴浪計(jì)算的地形變化為其作用一天的結(jié)果。

根據(jù)研究區(qū)的沉積物粒徑分布［11］，模型中的沉積物粒徑取為0.2 mm，為細(xì)砂至中砂。

表1 計(jì)算邊界條件Tab.1 Boundary conditions for computation

2 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述初始條件，分別模擬SE向、SSE向和SSW向三個(gè)主要浪向下的平均浪和風(fēng)暴浪自外海傳播至日月灣海域的情形。

根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SSE浪的過(guò)程類似于SE向，而且其強(qiáng)度也較SE浪向?yàn)樾?。同時(shí)，無(wú)論從出現(xiàn)頻率，還是波浪強(qiáng)度、產(chǎn)生的波生流、泥沙輸運(yùn)與地形變化來(lái)看，SSW向浪相對(duì)于SE向浪而言都很次要。下面只介紹SE浪作用的模擬結(jié)果。

在SE平均浪作用下，原場(chǎng)與三種不同設(shè)計(jì)方案的有效波高分布如圖3所示。

從圖3中可以看出:1)各個(gè)方案都會(huì)在人工島島后形成明顯的波影區(qū)，但除了有效波高在島后變化較大外，即由原場(chǎng)的1.6 m左右減小到島后的0.5 m左右，其他區(qū)域則變化很小。同時(shí)，有效波高在岬角處變化梯度大，在海灣處則較小。2)方案一中，由于人工島(日島和月島)之間的通道距離較大，加上通道近似于SE-NW走向，部分外海波浪可通過(guò)該通道傳播到人工島后，對(duì)島后水域產(chǎn)生一定影響，具體表現(xiàn)在有效波高較其他兩個(gè)方案稍大。

對(duì)波生流的研究表明(見(jiàn)圖4)，在SE平均浪作用下:1)人工島建設(shè)對(duì)分界洲島后的水域和人工島后東側(cè)岸外海域有一定影響，但工程后流速大小和方向與原場(chǎng)的基本相似;2)不同方案下均會(huì)在人工島后的西側(cè)形成東向沿岸流，在東側(cè)形成西向沿岸流。兩股流在島后匯聚，形成或大或小的一個(gè)或多個(gè)渦旋。而在方案一和方案二中，日島的周圍發(fā)育有一明顯的逆時(shí)針繞島環(huán)流。

從波生流的大小(見(jiàn)圖4)來(lái)看，建島后:1)波生流極大值較原場(chǎng)略有增大，由0.45 m/s左右增大到0.5 m/s左右，以方案一的增加值最大;2)分界洲島后及人工島后東側(cè)新梅村岬角近岸水域?yàn)閺?qiáng)流區(qū)域，但工程前后波生流相對(duì)大小基本無(wú)變化，說(shuō)明人工島的建設(shè)對(duì)該區(qū)域流速影響很小;3)人工島后的近岸區(qū)域?yàn)閺?qiáng)流區(qū)。

比較原場(chǎng)和三種方案在SE平均浪作用下泥沙輸運(yùn)情況(見(jiàn)圖5)，可以看出:1)三種方案下的泥沙輸運(yùn)量值基本一樣，但泥沙輸運(yùn)強(qiáng)度較原場(chǎng)略有增大，除了分界洲后西側(cè)岸線以及新梅村附近岬角處岸線泥沙輸移依然較大外，在島后的東、西側(cè)近岸區(qū)也出現(xiàn)較強(qiáng)的泥沙輸運(yùn);2)人工島后的東側(cè)侵蝕，侵蝕泥沙在西向沿岸流輸運(yùn)下向島后搬運(yùn)，在島后的東側(cè)岸線附近形成淤積。人工島后的西側(cè)侵蝕，侵蝕泥沙在東向沿岸流作用下向島后輸運(yùn)，但強(qiáng)度略小。方案一在人工島后西側(cè)的泥沙輸運(yùn)要略強(qiáng)于另外兩個(gè)方案。

圖3 有效波高分布Fig.3 Distribution of significant wave heights

圖4 波生流矢量與大小Fig.4 Wave-induced currents

再考慮到SE平均浪連續(xù)作用30天后造成的地形沖淤變化(圖6)，可見(jiàn):1)不論是原場(chǎng)還是人工島三種方案，研究海域的大部分范圍，特別是外側(cè)海域，地形基本無(wú)沖淤變化。2)在原場(chǎng)時(shí)，沿著整個(gè)岸線附近都存在近岸淤積、岸外沖刷、再往外又淤積的沖淤相間的現(xiàn)象。人工島建設(shè)后，島后沖淤相間的格局不復(fù)存在。島后東西兩側(cè)出現(xiàn)明顯的淤積，且有向島后發(fā)展的趨勢(shì)。3)各方案中，方案一島后的淤積速率和范圍要明顯大于另外兩個(gè)方案。

圖5 SE平均浪作用下的泥沙輸運(yùn)Fig.5 Sediment transport under SE mean wave

此外，對(duì)原場(chǎng)和三種不同方案進(jìn)行了SE風(fēng)暴浪條件下的模擬。相對(duì)平均浪，風(fēng)暴浪的有效波高大小、波生流強(qiáng)度均為前者的2.5倍左右，而泥沙輸移率則是前者的10倍，即要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。風(fēng)暴浪作用下三種不同方案所產(chǎn)生的效果類似于平均浪下的情況，僅在波生流強(qiáng)度這一點(diǎn)上，方案一要稍大于另兩個(gè)方案。關(guān)于SE風(fēng)暴浪的作用效果不再贅述。

3 岸灘演變分析及最終方案的選定

對(duì)人工島建設(shè)，一個(gè)備受關(guān)注的問(wèn)題是建島后是否會(huì)形成連島壩或突出體。連島壩出露水面，將人工島與岸線相連，最終形成半島(Peninsula)。而突出體則不能將人工島與岸線相連。它們的發(fā)育將使島后水域變淺，并可能影響旅游區(qū)有關(guān)功能的發(fā)揮。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人工島或離岸堤(detached breakwater)建設(shè)后海岸的發(fā)育演變進(jìn)行了大量的研究［13-18］，包括室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)、野外長(zhǎng)期觀測(cè)(水動(dòng)力、泥沙、岸灘剖面)、地形圖與遙感圖的對(duì)比分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等，產(chǎn)生了大量研究成果。目前比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)是連島壩的形成與波浪大小、泥沙供給條件、島堤在波峰線上的投影長(zhǎng)度B與其離岸距離X之比B/X有關(guān)。對(duì)于多個(gè)離岸堤，與相鄰離岸堤之間的距離G也有關(guān)。當(dāng)B/X越大，掩護(hù)的區(qū)域越大，掩護(hù)效果越好，島后越易形成連島壩或突出體;反之，則越難形成。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，將三種方案下X、B和G的數(shù)值列表，見(jiàn)表2。

圖6 SE平均浪作用30天后的地形沖淤變化Fig.6 Bathymetric change under SE mean wave for 30 days

表2 三種方案下的離岸堤形式Tab.2 The parameters of three different detached breakwater schemes

1)Dally和Pope［13］提出，對(duì)于連島壩的形成有如下判據(jù):

其中，L為離岸堤處的波浪的波長(zhǎng)，這里近似由等式L=1.56T2=47.19 m得到。

對(duì)于突出體的形成，不論是單個(gè)或多個(gè)離岸堤，其判據(jù)均為:

根據(jù)上述判據(jù)，對(duì)方案一而言，對(duì)日島和月島都有L=47.19≤G=188＜B。日島的，易形成連島壩;月島的，則易形成突出體。

對(duì)于方案二而言，對(duì)日島和月島也都有L＜G＜B成立，日島的，月島的，故較易形成連島壩。

2)Hallermeir［14］根據(jù)離岸堤所在水深大小，提出如下判據(jù)來(lái)判斷是否會(huì)形成連島壩:

其中:s為泥沙的密度，He為一年中出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)12個(gè)小時(shí)的深水波高，Te為該深水波對(duì)應(yīng)的周期。采用萬(wàn)寧烏場(chǎng)灣一年實(shí)測(cè)資料中的最大SE波高與周期代入計(jì)算，得出dS為8.11 m。當(dāng)離岸堤處的水深小于這一臨界水深值時(shí)，連島壩可能會(huì)形成。

按照此判據(jù)，在方案一中，日島處的水深略小于該臨界水深，而月島處的則稍大于臨界水深，因而有形成連島壩的可能性;方案二中，日島的位置與方案一的相當(dāng)，而月島的位置則略向外，形成連島壩的可能性要小于方案一;方案三的人工島處水深則大部分小于這一臨界水深，會(huì)形成連島壩。

3)Seiji et al.［20］得出離岸堤的間距與海灘演變的如下關(guān)系:

4)Suh 和 Dalrymple［18］得出結(jié)論為:

根據(jù)上面的分析，人工島建設(shè)后，其后的海岸出現(xiàn)淤積是確定的。Wen and Ching［19］提出如下公式，計(jì)算離岸堤建設(shè)后，堤后的泥沙堆積的體積Qb滿足:

對(duì)于多個(gè)的離岸堤:

對(duì)于單個(gè)的離岸堤:

其中:d為破波處的水深，H0為離岸堤處的有效波高。由此計(jì)算，1)對(duì)于方案一，采用多個(gè)離岸堤的計(jì)算公式，工程建設(shè)后的泥沙堆積量為2 004.2 m3。如此小的泥沙堆積量可能偏小。2)對(duì)于方案二，工程建設(shè)后的泥沙堆積量為2 526.1 m3。量值也較小，但比方案一要大。3)對(duì)于方案三，工程建設(shè)后的泥沙堆積量為177 820 m3，如果按照年沿岸輸沙率20 000～30 000 m3計(jì)算的話，則泥沙堆積體完全形成需要6～9年。

通過(guò)上述模擬和分析，可以看到方案一和方案二要明顯優(yōu)于方案三，但方案一、二之間孰優(yōu)孰劣還不是很明確，為此，將SE平均浪條件下的計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)，共計(jì)算10天，取地形變化的放大系數(shù)為10，得出SE平均浪連續(xù)作用100天的地形變化，相當(dāng)于SE平均浪作用一年的結(jié)果(SE浪的出現(xiàn)頻率為27.84%)。結(jié)果如圖7所示。

圖7 方案一和方案二在SE平均浪作用100天后的地形沖淤變化Fig.7 Bathymetric changes of schemes 1 and 2 under SE mean wave for 100 days

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，SE平均浪連續(xù)作用100天后，方案一的日島背后形成明顯的淤積，淤積體離日島的距離只有100 m左右，極有可能將日島與岸線連接起來(lái)而成為連島壩。在月島的向岸側(cè)也出現(xiàn)一定程度的淤積，但形成連島壩的可能較小。而在日島與月島之間通道的向岸側(cè)，則出現(xiàn)一定程度的侵蝕。對(duì)于方案二而言，在日島的背后也形成淤積體，但淤積體離日島的距離在180 m左右，淤積體將日島與岸線連接起來(lái)形成連島壩的可能性要小于方案一。方案二后在月島的向岸側(cè)也出現(xiàn)一定程度的泥沙淤積。

造成方案一與方案二這種差異的原因主要是由于兩個(gè)方案中人工島的尺寸不同。方案一后的波影區(qū)長(zhǎng)，加上日島與月島之間波浪可以部分傳入，不僅使島后區(qū)域的波高沿岸梯度相對(duì)較小，從而形成的波生流也較小，而且傳入的波浪還削弱了繞島環(huán)流的發(fā)育，易于造成泥沙在人工島周圍的淤積。而方案二后的波影區(qū)相對(duì)較短，波高的沿岸梯度大，波生流強(qiáng)，繞島環(huán)流也較強(qiáng)，因而泥沙的淤積幅度要小于方案一的情況。

根據(jù)以上分析，可認(rèn)為方案二最優(yōu)，其次為方案一。理由為:1)從其對(duì)波浪的屏蔽效果來(lái)看，各方案基本屏蔽了主要的三個(gè)波向的波浪，但方案一建設(shè)后日島與月島之間的通道內(nèi)波浪仍可部分傳入。2)從波生流的發(fā)育來(lái)看，方案一與方案二的日島周圍發(fā)育了良好的繞島環(huán)流，水流通暢。方案二的環(huán)流要強(qiáng)于方案一。3)從地形變化來(lái)看，方案二在平均浪的作用下，其后的泥沙淤積相對(duì)較小，在風(fēng)暴浪期間雖有一定的淤積，但整體上看是較優(yōu)的;方案一其次。從計(jì)算的泥沙堆積體體積來(lái)看，方案二與方案一近似。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，無(wú)論從短期(1～30天)還是中期(100天)來(lái)看，方案二建設(shè)后人工島后的泥沙淤積相對(duì)最小。4)從能否形成連島壩的角度來(lái)看，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)公式(主要是離岸堤的長(zhǎng)度與離岸距離之比)和中期數(shù)值模擬的結(jié)果，方案二形成連島壩的可能性最小，其次是方案一。

4 結(jié)語(yǔ)

由于受時(shí)間和資料的限制，本次研究尚存在一定的不足，如SWAN本身仍不能精確模擬小尺度的港池、防波堤等海岸工程處的波浪繞射過(guò)程，也不能反映結(jié)構(gòu)物對(duì)波浪的反射效應(yīng)，因而不可能對(duì)人工島前波浪的增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行反映。另外，本次研究中進(jìn)行的是平面二維的數(shù)值模擬，未考慮三維過(guò)程，因而對(duì)海灘剖面垂向上的波生流未能模擬，如在海灘演變中起重要作用的底流(undertow)就未被很好地加以再現(xiàn)，因而對(duì)風(fēng)暴浪期間海灘的上部侵蝕不能反映。此外，也沒(méi)有對(duì)波浪作用下岸灘的長(zhǎng)期演變進(jìn)行細(xì)致的模擬，有待在今后的工作中加強(qiáng)。

主要結(jié)論如下:

1)利用DELFT 3D對(duì)原場(chǎng)和三種不同的建島方案分別進(jìn)行模擬，從有效波高、波生流分布、泥沙輸運(yùn)、地形沖淤變化的結(jié)果比較了人工島各種平面布置方案的優(yōu)劣。

2)在不同方案下，由于日島和月島兩者的大小、離岸距離及相對(duì)平面位置的不同，人工島后方的波浪傳播、波生流、泥沙輸運(yùn)與地形沖淤變化及岸灘演變會(huì)因此產(chǎn)生一定差異，島后形成連島壩或突出體的可能性也相應(yīng)不同。根據(jù)短期(一天的風(fēng)暴浪)、中期(30天至100天的平均浪)的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)公式，判斷表明，方案二的平面布置最優(yōu)，其建設(shè)后形成連島壩的可能性最小。

3)在設(shè)計(jì)和施建日月灣人工島時(shí)，在考慮到經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、滿足旅游區(qū)各項(xiàng)功能的前提下，日島和月島應(yīng)盡量建在離岸線稍遠(yuǎn)、水深略大的區(qū)域，兩島間距也應(yīng)適當(dāng)，兩島的布局應(yīng)盡量使其在波峰線上的投影長(zhǎng)度最小。

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Application of DELFT 3D model for plan design of an artificial island—A case study for the artificial island construction in the Riyue Bay，Wanning City，Hainan Island

GONG Wen-ping1，LI Chang-yu1，LIN Guo-yao2，MO Wen-yuan2
(1.School of Marine Science，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;2.Hainan Marine Development Plan and Design Research Institute，Haikou 570125，China)

The construction of offshore artificial island has become one of the dominant ways for land reclamation.It will definitely alter the hydrodynamics，sediment transport and coastal morphology in the surrounding area.A critical issue for the success of the project is to choose an optimal layout and minimize its negative impact on the regional environment.This case study focuses on the application of DELFT 3D model to the plan design of an artificial island in Riyue Bay，Wanning City，Hainan Island.Through simulation of the changes in wave propagation，wave induced circulation，sediment transport and morphological evolution under different layout schemes，the possibility of formation of tombolo or salient is discussed，and the potential accumulated sand volume is calculated.Consequently，the advantages and disadvantages of each layout scheme are compared，and finally，an optimal scheme is recommended.The study results show that the possibility of the formation of the tombolo is reduced as the artificial island becomes far away from the coastline，the location is deeper，and the projected length on the wave crest is shorter.

DELFT 3D model;artificial island;tombolo and/or salient;Hainan Island

TV148;U651+.4

A

1005-9865(2012)03-0035-010

2011-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40976052);國(guó)家海洋局公益項(xiàng)目資助課題(200905008)

龔文平(1968-)，男，湖北天門人，教授，主要從事河口海岸地貌動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:gongwp@mail.sysu.edu.cn

林國(guó)堯。E-mail:linguoyao63@163.com