采用三維潮流模型分析人工島對海灣污染物運動的影響

龔 煌，孫大鵬，孫志國

（大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116023）

人口的增長和社會的發(fā)展，有限的陸地資源難以滿足人們的用地需求，而廣闊的海洋面積為我們提供了巨大的發(fā)展空間，為此，人工島的建設(shè)成為人們利用海洋資源解決土地需求矛盾的一種有效途徑。早在20 世紀60 年代，國外就出現(xiàn)了卵石和沙壩式人工島。到20 世紀80 年代，美國、日本等先后完成了一批鋼筋混凝土人工島和鋼結(jié)構(gòu)人工島的建設(shè)［1］。國內(nèi)外人工島標志性工程的完成，如關(guān)西國際機場、澳門國際機場以及被稱為“阿拉伯之星”的迪拜帆船酒店等［2-4］，使得人工島的建設(shè)技術(shù)日趨成熟。關(guān)于人工島水動力方面，國內(nèi)李孟國、時鐘［5］等對如東海域西太陽沙的人工島工程進行了潮流模擬分析；秦崇仁［6］、季榮耀［7］等人分別探討了人工島局部沖刷問題和人工島對水沙動力環(huán)境的影響；郭磊［8］等分析了人工島對周邊海域水動力的影響；方偉［9］等人初步分析了灘海工程中的環(huán)境因子與人工島的相互作用；陸敏［10］利用MIKE21 flow model模塊對嵌入人工島的海灣水體交換進行了研究。應(yīng)該說，在人工島對海灣水環(huán)境影響及評價方面的研究還不夠成熟，由于人工島的嵌入，海灣內(nèi)環(huán)流的形成會極大程度改變該水域的水動力特征，污染物擴散變得更為復(fù)雜，為避免人工島建設(shè)引發(fā)惡化的環(huán)境代價，需在前期可行性研究階段對污染物運動進行模擬和預(yù)測。

本文基于ECOMSED 三維數(shù)值模型［11］，以大連灣人工島建設(shè)為研究背景，建立全灣的三維潮流模型。采用拉格朗日粒子追蹤技術(shù)，對建設(shè)人工島前后的大連灣污染物運動進行模擬，并以人工島對海灣污染物擴散影響最小甚至改善其擴散狀態(tài)為控制指標，從污染物擴散的角度推薦可供規(guī)劃參考的人工島建設(shè)方案和污水排放口的布置方式，為人工島的規(guī)劃設(shè)計提供參考意見。

1 ECOMSED 模型簡介

ECOMSED 模式是一個模擬水動力、波浪和沉積物輸運的三維數(shù)值模型，是Blumberg 等人在海洋數(shù)值模型(Princeton Ocean Model,POM)及其后來的河口、陸架和海洋模式(Estuarine Coastal and Ocean Model,ECOM)基礎(chǔ)上發(fā)展而來。該模型從N-S 方程出發(fā)，采用靜力學(xué)假定和Boussinesq 近似假定下的封閉海洋方程組。模型水平方向采用正交曲線坐標，垂向上通過采用σ 坐標可以較直角坐標更準確方便地處理淺海的海底變形，并在垂向上通過嵌套2.5 階湍流閉合模型獲得垂向湍流粘滯和擴散系數(shù)。為了提高計算效率，ECOMSED采用內(nèi)外模態(tài)分離技術(shù)，外部模式(垂向積分方程)采用小的時間步長，內(nèi)部模式(三維方程)采用大的時間步長。

示蹤粒子擴散方程在σ 坐標下表達如下

式中：η 為海表面到平均水平面距離；D 為自由表面與底床之間的距離；ξ1、ξ2、σ 分別為水平正交曲線坐標和垂向坐標；（U1、U2、ω）為（ξ1、ξ2、σ）層上的速度分量；h1、h2為拉梅系數(shù)。KH、AH為垂向和水平方向上的湍流擴散系數(shù)。KH由Mellor and Yamada［12］2.5 階湍流閉合模式求解，AH可用Smagornisky［13］參數(shù)化方法求解

其中α 取0.1～0.2 之間的常數(shù)。

圖1 大連灣地形及測站位置Fig.1 Landform of Dalian bay and station locations

2 數(shù)值模擬

2.1 人工島方案

大連灣是一個天然的半封閉海灣，位于遼東半島南端，其三面為陸地包圍僅東南面與黃海相通，大連灣地形如圖1 所示，灣內(nèi)自左向右有臭水套、甜水套和紅土堆子灣等3 個副灣為污染物排放口的規(guī)劃預(yù)設(shè)位置。

人工島方案的確定主要依據(jù)長度和寬度2 個指標，在大連灣口門外連一條直線，定義直線方向為人工島寬度方向，垂直于該直線方向為人工島長度方向。沿灣頂陸地突出部分描一條曲線，作為灣頂（圖2）。以L表征灣口到灣頂曲線的距離，以B 表征灣內(nèi)兩岸平行于灣口直線的距離。人工島兩側(cè)岸線作了取直處理，而頂岸線連接側(cè)邊岸線則盡量平滑過渡。本研究以表1所示的3 種人工島方案為比選基礎(chǔ)，對比分析3 個副灣為污染物排放口的前提下，人工島建設(shè)對海灣污染物運動的影響。

圖2 人工島預(yù)設(shè)方案布置Fig.2 Arranged schemes of artificial island

2.2 計算范圍

模型計算范圍為33 km×44 km（圖1），水平方向上采用正交矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格長度為ΔX=250 m，ΔY=270 m；垂向采用σ 分層，等間距分為10 層。模擬時間從2003 年12 月1 日0：00 至2003 年12 月15 日24：00，共計算16 d。該模型采用均一的溫鹽度，分別為10℃和31.0 g/L。

為了在三維條件下準確模擬污染物運動，先建立整個渤海和部分黃海海域的大尺度模型，以威海港和小長山島實測潮位資料線性插值給定邊界，驗證后提取計算區(qū)域的邊界資料，驗證潮位站資料取自潮汐表。

表1 大連灣人工島的比選方案Tab.1 Scheme of artificial island

2.3 模型驗證

模型驗證包括潮位站的潮位驗證和流速站點0.2、0.6、1.0 倍水深處的速度驗證。潮位驗證資料取自老虎灘潮位站，流速資料取自D1～D4 站的實測值，位置見圖1。這里以老虎灘潮位及D4 大潮速度驗證為例（圖3）。

圖3 潮位和流速驗證圖Fig.3 Verification of tidal level and flow velocity

驗證結(jié)果中，潮位站的潮位過程吻合較好；流場驗證中除0.2 h 處流速出現(xiàn)峰值時計算值稍偏大外，其余流速和流向均驗證良好，這可能跟當時天氣有關(guān)，而該模型忽略了氣候等因素。

3 示蹤粒子運動模擬

為了研究人工島的嵌入對污染物運動規(guī)律的影響，這里僅以人工島方案Ⅰ、甜水套灣內(nèi)設(shè)置污染物粒子點源為例介紹示蹤粒子運動模擬。粒子釋放時間為2003 年12 月2 日零時，共模擬15 d。

3.1 單個粒子運動軌跡

為對比分析嵌入人工島前后單個粒子的三維運動規(guī)律，在甜水套灣內(nèi)粒子源的水體表層、中層和底層各放置1 個粒子進行模擬追蹤，粒子位置記錄間隔為1 h，來分析人工島對海灣污染物運動的影響。

如圖4 所示，從15 d 的模擬過程來看，無人工島時，甜水套表層釋放的粒子在灣內(nèi)呈現(xiàn)出沿甜水套海岸線的緩慢運動，15 d 后仍滯留在副灣內(nèi)；中、底層粒子首先呈現(xiàn)平行岸線的進出灣往復(fù)運動，同時伴有向東移動，繞過岸線運動至紅土堆子灣灣口水域經(jīng)過短暫徘徊后停止。

人工島嵌入之后，灣內(nèi)水體形成環(huán)流，甜水套在漲落潮流下都成為頂沖點。各層粒子運動均與無人工島時明顯不同，在漲落潮流的作用下沿人工島頂端岸線做往復(fù)運動。經(jīng)過15 d 的模擬，中層粒子經(jīng)過較長時間的往復(fù)運動后，從大連灣左側(cè)運動至口門外；而表層和底層粒子最終仍滯留在灣內(nèi)。

3.2 粒子群運動軌跡

鑒于單個粒子運動具有較強的隨機性，故通過模擬污染物粒子群運動，以更準確地研究污染物的運動規(guī)律。在甜水套粒子源表層放置1 000 個相同粒子，每隔1 h 記錄一次粒子坐標位置，每隔5 d 對粒子群位置輸出一次（圖5）。

由圖5-a 可以看出，在污染物運動5 d 后，粒子群的分布狀況明顯不同。在原始地形條件下，粒子群主要在甜水套副灣內(nèi)運動，很少有粒子運動至副灣外；嵌入人工島之后，除少部分粒子滯留在灣內(nèi)，其余粒子則沿人工島頂端岸線呈對稱狀分布在人工島兩側(cè)?？梢娫谌斯u的挑流作用下，該副灣處漲落潮流速度增大，使得該處污染物擴散明顯加快。

在模擬10 d 后，污染物均整體呈現(xiàn)繼續(xù)向外擴散的趨勢。無人工島時，粒子群在沿岸流的作用下整體呈現(xiàn)紅腿堆子灣方向的緩慢移動，其中小部分粒子已運動至紅土堆子灣；建造人工島之后，一部分粒子繼續(xù)運動至紅土堆子灣附近，一部分則沿大連灣左側(cè)岸線向灣外運動，且少量粒子已運動至大連灣口門外，如圖5-b。

粒子群經(jīng)過15 d 的模擬后，位置布置如圖5-c。無人工島時，經(jīng)過15 d 的模擬基本沒有粒子運動至口門外，粒子群整體表現(xiàn)出向紅土堆子灣方向緩慢移動的態(tài)勢，可期出灣路徑為大連灣右側(cè)；有人工島時，除一部分粒子從大連灣左側(cè)運動出灣外，較多粒子運動至大連灣右側(cè)口門靠灣內(nèi)不遠處，可以預(yù)見其將從右側(cè)出灣。

人工島的嵌入明顯改變污染物運動軌跡以及污染物的出灣路徑，甜水套的污染物從原來的沿大連灣右側(cè)運動出灣，變?yōu)閺拇筮B灣右側(cè)和左側(cè)2 條出灣路徑。其次，大連灣在人工島的挑流下形成的環(huán)流，使得灣內(nèi)流速增大，副灣處的污染物擴散速度也明顯增加?？傊ㄔ烊斯u后，灣內(nèi)的潮流環(huán)境產(chǎn)生很大差異，污染物的運動也隨著發(fā)生明顯變化。

圖5 甜水套粒子群位置圖Fig. 5 Location of particles in Tianshuitao

4 人工島方案及排污方式推薦

4.1 人工島方案推薦

海灣的水體交換評價方法很多，包括時間尺度［14］、物質(zhì)交換率［15］、關(guān)聯(lián)矩陣法［16］等。人工島的建造使得海灣內(nèi)的水域面積減少，為使量化評估的指標更加準確，本研究以前面所介紹的示蹤粒子運動追蹤為基礎(chǔ)，通過各灣的粒子平均濃度來評估人工島對海灣水環(huán)境的影響。在大連灣口門及3 個副灣灣口處沿水深各取定一個邊界，設(shè)各邊界與各灣所圍水域的水體體積為V，該區(qū)域水體內(nèi)存留的粒子數(shù)為N，定義平均粒子濃度為C=N/V。

針對3 種不同人工島方案，通過在3 個副灣表層、中層、底層污染物粒子排放口各同時釋放1 000 粒子，對15 d 的粒子群運動進行追蹤模擬，統(tǒng)計15 d 后各副灣及大連灣內(nèi)的存留粒子數(shù)并計算各灣水域的平均粒子濃度。這里以3 個副灣處的表層粒子群為例，分析各方案下各灣平均粒子濃度的變化。對于3 個副灣，副灣粒子群在各副灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖6～圖8；對于全灣水域，15 d 后各粒子群在大連灣水域的平均粒子濃度如圖9。

由圖6 可以看出，臭水套釋放的粒子群經(jīng)15 d 的擴散后，無人工島只有在紅土堆子灣內(nèi)的平均粒子濃度比3 種方案條件下小，其余較后者要大。這是由于臭水套污染物經(jīng)過15 d 的擴散尚未運動至紅土堆子灣，在之前的粒子群運動分析中也討論過。由圖可知方案Ⅲ條件下，臭水套污染物擴散最快，方案Ⅱ次之，方案Ⅰ最慢。如圖7 可知，方案Ⅲ可以明顯改善各個副灣內(nèi)的污染物擴散，起到利好的作用；方案Ⅱ在臭水套內(nèi)的平均粒子濃度比無人工島時稍大，但對其他2 個副灣也能起到改善作用；方案Ⅲ則只有在甜水套內(nèi)平均粒子濃度比無人工島小，其余均較其要大。無人工島時，紅土堆子灣釋放的粒子群只有在紅土堆子灣內(nèi)的平均粒子濃度比方案Ⅲ要大，其余情況下均為最?。▓D8）。

而對于整個大連灣水域，各個副灣粒子群經(jīng)過15 d 的模擬后，在全灣水域的平均粒子濃度如圖9。由圖可知，在3 種方案條件下的全灣水域平均粒子濃度均比無人工島時大，且從方案Ⅲ到方案Ⅰ，其污染物擴散速度依次減少。可見，人工島的嵌入導(dǎo)致大連灣水域面積減少，對全灣水域的污染物擴散產(chǎn)生不利影響。

表2 不同人工島方案下各粒子源15 d 后在各灣內(nèi)的污染物平均濃度Tab.2 Concentration of the bay with particles in different gulfs after 15 d 個/萬m3

3 個副灣處污染物粒子源表層、中層、底層粒子群經(jīng)15 d 運動擴散后，在各副灣及全灣水域的平均粒子濃度如表2 所示。以人工島對海灣污染物擴散影響最小甚至改善其擴散狀態(tài)為目標，以粒子平均濃度為評估參數(shù)，經(jīng)綜合分析、比選3 種人工島建設(shè)方案，方案Ⅲ相對較優(yōu)，宜為人工島建設(shè)的推薦方案。

圖10 臭水套釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.10 Concentration of the bay with particles in Choushuitao

4.2 污染物排放方式推薦

以上推薦的人工島方案Ⅲ為基礎(chǔ)，在3 個副灣粒子源表層、中層、底層分別預(yù)設(shè)3 個污染物排放口，每個排放口放置1 000 個粒子，通過模擬污染物粒子的運動，統(tǒng)計粒子群經(jīng)過15 d 擴散后在各副灣及大連灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖10～圖12。

圖11 甜水套釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.11 Concentration of the bay with particles in Tianshuitao

圖12 紅土堆子灣釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.12 Concentration of the bay with particles in Hongtuduizi bay

對于臭水套各層粒子群，在各灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖10，可見中層粒子擴散速度最快、表層次之、底層最慢，故宜將該副灣處污水排放口布置在水體中層；對于甜水套（圖11），中層粒子群甜水套灣內(nèi)平均粒子濃度最少，且較快向紅土堆子灣運動，污染排放口適宜布置在水體中層；而在紅土堆子灣水域，通過其各層粒子群在各灣內(nèi)的粒子濃度（圖12），可知其底層粒子群在該副灣平均粒子濃度最低，宜將污染排放口優(yōu)先布置在水體底層。

5 結(jié) 語

本文借助ECOMSED 建立大連灣三維潮流數(shù)值模型，采用拉格朗日粒子追蹤技術(shù)，對嵌入人工島前后的海灣污染物運動進行了模擬。針對3 種人工島比選方案、3 個污染物預(yù)設(shè)排放口，對比分析了污染物運動的變化，以污染物平均濃度為評估參數(shù)，推薦了可供規(guī)劃參考的人工島建設(shè)方案并對污染物的排放布置給出建議。本研究從污染物擴散的角度，為人工島的規(guī)劃設(shè)計提供技術(shù)支持，進一步完善了人工島對海灣水環(huán)境影響的評價內(nèi)容，可以預(yù)估海灣因建設(shè)人工島對水環(huán)境的影響，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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