離岸式人工島內(nèi)河水體紊流數(shù)值模擬與換水研究

戚 藍(lán)，韓 東，汪彭生，張 亞

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津300072）

離岸式人工島內(nèi)河水體紊流數(shù)值模擬與換水研究

戚 藍(lán)，韓 東，汪彭生，張 亞

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津300072）

以福建某人工島為例，進(jìn)行了內(nèi)河道換水計算研究。為兼顧景觀和環(huán)境，人工島內(nèi)設(shè)置內(nèi)河道，河道兩端設(shè)閘門。根據(jù)外海潮位和內(nèi)河保證水位等水文條件，進(jìn)行人工島內(nèi)河道換水計算研究。得到開閘時機(jī)、換水時間、不同情況下水體交換量和內(nèi)河道水體流態(tài)圖，并推薦了合理的換水方案。

人工島;內(nèi)河換水;紊流數(shù)值模擬;水體交換

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，陸域的土地資源漸趨枯竭，而可以用來開發(fā)的近海面積非常可觀，從海洋開辟新的土地資源成為一種途徑。近年來，人們在近海建設(shè)人工島已經(jīng)有了很多成功的經(jīng)驗，比如迪拜的棕櫚島［1］、澳門國際機(jī)場［2］、迪拜帆船酒店［3］、日本大阪關(guān)西國際空港［4］等等，為了兼顧景觀和環(huán)境希望在人工島內(nèi)設(shè)置內(nèi)河。以往人們對于人工島的規(guī)劃建設(shè)多強(qiáng)調(diào)其本身的應(yīng)用價值或者人工島本身的設(shè)計及施工等方面的研究［5］，而針對人工島內(nèi)部的水體交換的研究比較少。國內(nèi)方偉［6］等人研究了在海灘工程中環(huán)境因子與人工島工程的相互作用；陸敏［7］等人研究了人工島對海灣水環(huán)境影響；何杰［8-9］等人曾對港池內(nèi)的水體交換能力作了一些研究。人工島建設(shè)在海灣中，區(qū)域潮流流速小，人工島內(nèi)設(shè)有細(xì)長內(nèi)河時水動力很弱，造成換水困難。如果人工島建設(shè)完成之后，該人工島內(nèi)河水體無法得到充分交換，島內(nèi)水體就會停滯、變質(zhì)、甚至惡化，那么會給人工島島上的生存環(huán)境、人工島的具體管理、運(yùn)營帶來很大的影響，一些已建工程的失敗教訓(xùn)是前車之鑒。為避免這種情況的發(fā)生，在前期規(guī)劃階段，就要對人工島島內(nèi)水體交換進(jìn)行充分的研究。

本文以福建人工島為例，本人工島工程是經(jīng)國務(wù)院審批通過的國內(nèi)首個完全用于旅游、居住和生態(tài)開發(fā)建設(shè)的大型離岸式人工島，與傳統(tǒng)的大面積、平推式圍填海方式所造成的生態(tài)破壞、海洋污染、價值單一不同，人工島在區(qū)域規(guī)劃中引入水體循環(huán)系統(tǒng)，兩條交相呼應(yīng)的海豚狀平面形態(tài)構(gòu)成了內(nèi)河道親水景觀。人工島內(nèi)河道兩端與外海銜接處設(shè)有閘門，在內(nèi)河道常年保持有清新的內(nèi)河水，從而構(gòu)成人工島獨(dú)特的河道景觀和環(huán)境保障。為了控制內(nèi)河水位，保證水質(zhì)，優(yōu)化開啟河道兩端閘門時機(jī)，利用內(nèi)外水位差進(jìn)行水體的自然交換，使得內(nèi)河水體與外來海水水體摻混充分，將污染物盡可能多的帶出島外，增強(qiáng)人工島內(nèi)河道水體自凈能力。

現(xiàn)利用實際地形數(shù)據(jù)建立人工島內(nèi)河道模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合VOF［10］方法，對人工島內(nèi)河道進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果對比［11］。重點(diǎn)研究了人工島內(nèi)河道的水體交換，通過研究不同方案對內(nèi)河道水體交換的影響，在定位人工島功能的前提下，基于人工島島內(nèi)水體充分交換的規(guī)劃理念，提供了合理的換水方案。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 VOF方法概述

VOF法［10］是Hirt和Nichols1981年提出的處理復(fù)雜自由表面的有效方法，是目前應(yīng)用非常廣泛的一種追蹤自由表面的數(shù)值方法。VOF方法的基本原理是通過研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)F來確定自由面，追蹤流體的變化，而非追蹤自由液面上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。VOF方法可以處理自由面重組等非線性現(xiàn)象，所需計算時間短、存儲量少，VOF方法根據(jù)體積比函數(shù)F來構(gòu)造和追蹤自由面：若F=1，表示該單元被流體完全充滿；若F=0，表示該單元是個空單元；當(dāng)0＜F＜1時，表示該單元被部分流體充滿。自由表面的位置由當(dāng)0＜F＜1時所確定的單元決定。

1.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型采用基于結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格的FAVOR方法及真實的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有體積和面積分?jǐn)?shù)參數(shù)。本次模擬應(yīng)用GMRES方法求解離散方程。

1.3 控制方程

控制方程采用N-S方程，建立內(nèi)河道三維RNGκ-ε紊流數(shù)學(xué)模型。

控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、紊動能κ方程、紊動能耗散率ε方程。

連續(xù)方程：

動量方程：

VOF運(yùn)動學(xué)方程：

式中：u，v，w是在x，y，z三個方向上的流速分量，m/s；代表x，y，z三個方向可流動的面積分?jǐn)?shù)，m2；為x，y，z三個方向的重力加速度是x，y，z三個方向的粘滯力；是可流動的體積分?jǐn)?shù)；ρ是流體密度；p是作用在流體微元上的壓力；流體體積函數(shù)F=F(x,y,z,t)，表示計算區(qū)域內(nèi)流體的體積占據(jù)計算區(qū)域的相對比例。

紊動能k方程：

紊動能耗散率ε方程：

式中：k為紊動能，kg·m2/s2；ε為紊動能耗散率為水體動力黏滯系數(shù)，為紊動黏性系數(shù)為紊動能κ的產(chǎn)生項分別為湍動能和耗散率所對應(yīng)的Prandtl數(shù)是經(jīng)驗常數(shù)=1.42，

1.4 模型網(wǎng)格劃分及邊界條件

按原型（工程圖紙）1：1建立數(shù)學(xué)模型，模型范圍為整個人工島，規(guī)劃總面積為221.67萬m2，半徑為840 m，人工島內(nèi)河道底高程為-1 m，形狀如圖1為倒S型，內(nèi)河道水位隨外海潮位變化范圍為2.5～0.0 m。計算區(qū)域內(nèi)劃分連續(xù)式區(qū)塊，各區(qū)塊內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格來劃分。最小單元尺寸1.0 m×1.0 m×0.5 m(長×寬×高)，網(wǎng)格總數(shù)約2.1×106，具體見圖1。

人工島內(nèi)河道水體交換先開閘排水、再于外海漲潮時進(jìn)水。圖2為人工島所在區(qū)域流態(tài)圖，由于人工島是建設(shè)在海灣內(nèi)，所在水域基本為緩流區(qū)，水動力較弱，而且內(nèi)河道進(jìn)水、排水又有閘門的限制，潮流對內(nèi)河道水體交換影響甚微，經(jīng)計算對比認(rèn)為分析可以忽略潮流對內(nèi)河道水體交換的影響，只考慮潮位變化的影響，圖3為外海大潮期潮型曲線，以85國家高程為基準(zhǔn)面，本文以此潮型為例模擬，排水時段：外海落潮時段排水，內(nèi)河道與外海水位一致時(2.5m)開閘門，內(nèi)河水位隨外海潮位降低至一定水位（0m或1m）后關(guān)閘。進(jìn)水時段：外海漲潮時段進(jìn)水，內(nèi)河道與外海水位一致時開閘，內(nèi)河水位隨外海潮位升高至設(shè)計常水位（2.5 m）后關(guān)閘。（注：以上水位均以85國家高程為基準(zhǔn)面）

對于邊界條件作如下設(shè)置：相應(yīng)的進(jìn)口和出口邊界分別以實測潮位給定變化水位，其他邊界采用固壁邊界設(shè)置。

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 模型驗證

人工島內(nèi)河道分為北水道和南水道兩部分，兩條水道基本上呈對稱分布，在模型中南、北水道各布置了3個測流點(diǎn)共6個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置見圖4。

圖5為進(jìn)水時不同時刻d1點(diǎn)的實測流速與數(shù)值模擬流速的對比圖，從圖中看出，最大數(shù)值模擬流速與實測流速基本吻合，其他時刻流速值相差不到0.02m/s；圖6為人工島物理試驗?zāi)Ｐ?，圖7為數(shù)值模擬的內(nèi)河道出水時流態(tài)圖，從圖7可看出南水道流速較北水道大，人工島中間表演場地流速較小，數(shù)值模擬與模型實測數(shù)據(jù)吻合較好；表1為內(nèi)河道各測點(diǎn)最大實測流速［11］與數(shù)值模擬流速的對比情況，基本一致；

總體來看，數(shù)值模擬中流速、流態(tài)驗證情況良好，數(shù)值模擬流速、流態(tài)過程與實測物理模型的流速、流態(tài)過程基本一致。

2.2 換水時間分析

本次計算得到只開南（或北）閘門排水內(nèi)河道水位由2.5m下降至1.0m時歷時為67min左右；開兩個閘門歷時為63 min左右，具體見表2和3。結(jié)合大潮期潮型曲線（圖3），外海潮位由2.5 m下降到1.0m的歷時60 min，可得出排水時，內(nèi)河水位與外海潮位的下降基本同步（其中開兩個閘門滯后3 min，開一個閘門滯后7 min）。相應(yīng)的，進(jìn)水時內(nèi)河水位與外海潮位的上升也基本同步。因此人工島內(nèi)河道和島外潮位過程基本一致，沒有明顯滯后現(xiàn)象出現(xiàn)，模擬結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果一致。

2.3 水體交換分析

評價水體交換的指標(biāo)很多，例如質(zhì)點(diǎn)示蹤模型［12］、物質(zhì)交換率［13］等等。本次研究中通過新進(jìn)入內(nèi)河道水體占原有內(nèi)河道水體百分比來評價人工島內(nèi)河道的水體交換。一次排水、進(jìn)水為一個換水周期。定義換水率為［14］

式中：C0為引排水前人工島內(nèi)河道的背景濃度；C為 引排水過程中某時刻內(nèi)河道的平均濃度值；Ci為引水進(jìn)入內(nèi)河道的水體中某溶解物的濃度。設(shè)定內(nèi)河道某溶解物質(zhì)A初始含量為1，入庫水體含量Ci=0，則換水率

圖8為不同工況下水體交換圖。其中圖8-a為第一個換水周期進(jìn)水，從中可以看出，由于內(nèi)河道窄而長，而且內(nèi)河道水位隨外海潮位穩(wěn)定上升，所以內(nèi)河道進(jìn)水時外海進(jìn)入的水體與內(nèi)河道原水體不會有大的摻混，并且會把內(nèi)河道水體推向南閘門，原內(nèi)河道水體會持續(xù)雍高到設(shè)計水位2.5m（t=108min）后進(jìn)水結(jié)束，此周期換水率為40%左右。

第二個換水周期排水情況。（1）當(dāng)只開南閘門排水時，從圖8-b中可以看出，外海新進(jìn)的水體由北門逐漸涌向南門，原河道的水體大部分由南閘門排出，當(dāng)內(nèi)河道水體由設(shè)計常水位2.5 m下降到1.0m（t=69min）時，換水率為85%左右。（2）當(dāng)只開北閘門排水時，從圖8-c中可以看出，新進(jìn)入的外海水體大部分又被排出到外海，原河道水體只有部分排出，南閘門附近水體長時間得不到交換，水體可能會惡化、變質(zhì)，因此開北閘門達(dá)不到換水的目的，此時換水率為50%左右。（3）當(dāng)開南、北兩個閘門排水時，從圖8-d中可以看出，新進(jìn)入內(nèi)河道的水體大部分由北閘門排出，原河道的水體大部分由南閘門排出，當(dāng)內(nèi)河道水體由設(shè)計常水位2.5 m下降到1.0m（t=69 min）時，換水率為70%左右。

依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和式（8），圖9給出了第二個換水周期人工島內(nèi)河道換水率的時間過程線。通過對三種工況的比較可見，開兩個閘門比只開北閘門時換水率高，開南閘門的換水效率較之開北閘門和開兩個閘門明顯提高。

2.4 流態(tài)分析

圖10為不同工況下具有最大速度時刻排水流態(tài)圖。由圖10-a中可以看出，只開南閘門時，南水道流速明顯比北水道大，中間表演場地左側(cè)束窄部位局部流速增大，速度達(dá)到0.50 m/s左右，整個區(qū)域最大流速為1.00m/s。；從圖10-b中可以得出，只開北閘門時，北水道流速明顯比南水道流速大，中間表演場地右側(cè)束窄部位局部流速增大，速度達(dá)到0.40m/s左右，整個區(qū)域最大流速為0.97 m/s。；從圖10-c中可以看出，開南、北兩個閘門時，南、北閘門附近流速明顯比中間表演場地大，中間表演場地左右兩側(cè)束窄部位流速較大，為0.20m/s左右，整個區(qū)域最大流速為0.69 m/s。

以上分析可以得出只開南閘門和只開北閘門其最大流速基本一致，開兩個閘門比開一個閘門在相同部位的最大流速小0.3 m/s左右，因此開兩個閘門對于內(nèi)河道的防護(hù)有利，但是由于其流速相對比較小，河道內(nèi)水動力較弱，因此不利于內(nèi)河道水體交換；單純從河道水體速度流態(tài)來說，開南閘門與開北閘門對換水的影響區(qū)別不大，但是從2.3節(jié)水體交換得出只開北閘門南水道水體不易排出海外，達(dá)不到有效換水的目的，因此建議開南閘門排水。

3 結(jié)論及建議

本文依據(jù)人工島實際地形數(shù)據(jù)和實測水文資料建立了人工島三維數(shù)學(xué)模型，且根據(jù)實際情況建立了內(nèi)河道的進(jìn)、出口邊界條件，采用VOF方法對內(nèi)河道水體水流自由表面進(jìn)行追蹤，并采用RNGκ-ε數(shù)學(xué)模型對內(nèi)河道水體進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模擬和物理模型的對比表明建立的模型和求解方法能夠較好的處理內(nèi)河道水體的流動。

水體交換模擬結(jié)果表明：第一個換水周期，換水量占原內(nèi)河道的40%左右；雖然只開北閘門的排水時間和最大流速與只開南閘門沒有很大差別，但是由水體交換圖得出只開北閘門換水率只有50%左右，遠(yuǎn)小于其他兩種工況的換水率；開南、北兩個閘門的換水時間比只開南閘門的時間少4 min左右，但是其換水率卻比后者小15%，而且其河道內(nèi)水動力也比后者小，不利于水體的交換。因此從水體交換的角度建議只開南閘門排水，這樣有利于將污染物盡可能多的帶出島外，增強(qiáng)人工島內(nèi)河道水體自凈能力并保持內(nèi)河道長期擁有良好的水質(zhì)，此時第二個周期換水率約為85%，內(nèi)河道水體由常水位2.5m下降到1.0 m的排水時間為67 min，內(nèi)河道最大流速約為1.0m/s左右。

由人工島內(nèi)河道水體流態(tài)分析可以看出內(nèi)河道與閘室連接的部位流速比其他部位相對要大，如有條件可以加強(qiáng)防護(hù)，防止沖刷。中間表演場地周邊速度比較小，注意防止淤積現(xiàn)象的發(fā)生。本文結(jié)論僅限于本工程。

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Research on turbulent numerical simulation and water exchange in inner river course of offshore artificial island

QI Lan,HAN Dong,WANG Peng-sheng,ZHANG Ya
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In this paper,water exchange in the inner river course for an artificial island in Fujian was studied.To build an artificial island,a river course was set taking into account of the landscape and the environment,with two sluices at the end of the river course.According to the hydrological conditions such as the tidal level of open sea and the guaranteed water level in the inner river,water exchange of the inner river course was analyzed.The occasion of sluice opening,the time of water exchange,the exchange capacity and the flow state figures of river course were obtained,and the reasonable scheme for water exchange was proposed.

artificial island;inland river water exchange;turbulent numerical simulation;water exchange

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2013）05-0403-06

2013-01-08；

2013-01-18

戚藍(lán)（1955-），女，山東省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程及巖石力學(xué)方面的研究與教學(xué)工作。

Biography：QILan（1955-），female，professor.