劉公島岸灘整治方案數(shù)值模擬

， ，

(中海石油環(huán)保服務(wù)有限公司，天津 300452)

劉公島位于山東半島東端、黃海之濱的威海灣內(nèi)，面積3.15 km2，與威海市區(qū)相距3.9 km(輪渡距離)，島西、島南與威海市區(qū)隔海相望，是國家級(jí)海洋生態(tài)特別保護(hù)區(qū)和國家級(jí)海洋公園。然而隨著日久天長的風(fēng)化、海蝕、地表徑流切割、主體滑坡、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害以及近年來威海灣沿岸的開發(fā)，海島島體面積逐年減小，生態(tài)環(huán)境日益惡化。南部沿岸沙灘嚴(yán)重流失，沙灘較5年前整體向海方向后退了1.5 m左右，地表裸露，遍布卵石、小石塊，已經(jīng)不適宜游人親海游玩。

文中利用MIKE21軟件建立二維潮流模型，針對(duì)劉公島南部東村沿岸的沙灘開展了海洋水動(dòng)力環(huán)境和沖淤數(shù)模研究，給出沙灘保護(hù)工程設(shè)計(jì)方案，為劉公島南部海域岸灘整治修復(fù)工作提供技術(shù)支持。

1 MIKE21模型簡介

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21FM來進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。該模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，三角網(wǎng)格能較好地?cái)M合陸邊界，網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密，該軟件具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，已在全球70多個(gè)國家得到應(yīng)用，有上百例成功算例，計(jì)算結(jié)果可靠，為國際所公認(rèn)。MIKE21FM采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散，在時(shí)間上，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程[1]。

1.1 模型控制方程

1)質(zhì)量守恒方程。

2)動(dòng)量方程。

式中：ζ——水位；

h——靜水深；

H——總水深，H=h+ζ；

u、v——x、y方向垂向平均流速；

g——重力加速度；

f——科氏力參數(shù)(f=2ωsinφ，φ為計(jì)算海域所處地理緯度)；

εx、εy——x、y方向水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

1.2 定解條件

邊界條件：固定邊界取法向流速為零，即V·n=0；在潮灘區(qū)采用動(dòng)邊界處理；水邊界采用預(yù)報(bào)潮位控制。

式中：A0——平均海面;

F0i、(v0+u)i——天文要素;

Hi、gi——某分潮調(diào)和常數(shù)，即振幅與遲角[2-5]。

2 潮流數(shù)值模擬

2.1 模型計(jì)算范圍

2.1.1 計(jì)算域設(shè)置

建立海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域范圍見圖1，即為圖中A、B、C三點(diǎn)以及岸線圍成的海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，將劉公島南部東村沿岸附近海域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密(D、E、F三點(diǎn)與岸線圍成的海域)，數(shù)值模擬局部域見圖2，整個(gè)模擬區(qū)域最小空間步長約為25 m。用動(dòng)邊界的方法對(duì)干、濕網(wǎng)格進(jìn)行處理。

圖1 大海域計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置

圖2 局部海域網(wǎng)格設(shè)置

2.1.2 模型水邊界輸入

開邊界：本次模擬的開邊界水位由黃渤海潮流模型提供，其開邊界潮位由下式輸入計(jì)算。

式中：fi、σi——第i個(gè)分潮(這里取4個(gè)分潮);

M2、S2、O1和K1——交點(diǎn)因子和角速度；

Hi和Gi——調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角；

Voi+Vi——分潮的幅角。

閉邊界：以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

2.2 潮流數(shù)值模型及驗(yàn)證

潮流場數(shù)值模型采用計(jì)算區(qū)域的潮位、潮流流速和流向的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其中潮位驗(yàn)證采用2010年9月的實(shí)測(cè)資料，潮流驗(yàn)證分別采用2010～2011年兩次的實(shí)測(cè)資料，共設(shè)置了3個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)。潮位、潮流驗(yàn)證點(diǎn)的位置圖見圖3。潮位驗(yàn)證曲線見圖4，潮流驗(yàn)證曲線見圖5～圖6。

圖3 潮流潮位驗(yàn)證點(diǎn)位置

圖4 1號(hào)點(diǎn)大潮潮位驗(yàn)證

驗(yàn)證結(jié)果表明，數(shù)值模擬得到的潮位和潮流與實(shí)測(cè)潮位和潮流資料基本吻合，能夠較好地反映關(guān)注海域潮流狀況。

圖5 2號(hào)點(diǎn)大潮流速、流向驗(yàn)證

圖6 3號(hào)點(diǎn)大潮流速、流向驗(yàn)證

2.3 現(xiàn)狀潮流計(jì)算結(jié)果分析

圖7是研究海域大潮期間漲急時(shí)潮流場現(xiàn)狀，研究海域內(nèi)的漲潮流整體由E往W流，外海潮流在劉公島北端分叉，一部分潮流在劉公島西南處轉(zhuǎn)向東南，另一部分潮水沿劉公島東北部岸線由西北向東南流動(dòng)，大潮漲潮流速在劉公島北部的東西兩側(cè)偏大，在0.3～0.5 m/s之間;而在威海灣內(nèi)部潮流偏小，流速普遍介于0.10～0.30 m/s之間。

圖7 研究海域大潮期間漲急時(shí)流場圖

圖8是研究海域大潮期間落急時(shí)潮流場現(xiàn)狀，研究海域內(nèi)的落潮流整體由W往E流，劉公島西南側(cè)海域潮流由SE往NW流，流速普遍介于0.10～0.30 m/s之間。

圖8 研究海域大潮期間落急時(shí)流場圖

2.4 設(shè)計(jì)方案潮流場計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出漲落潮在研究海域流場主要是東西方向的順岸流動(dòng)，而且流速較強(qiáng)，這可能導(dǎo)致泥沙運(yùn)移造成沖刷。根據(jù)這一數(shù)值計(jì)算結(jié)果，針對(duì)劉公島南部研究海域沙灘沖刷情況，設(shè)計(jì)如下方案[6]。

考慮到劉公島南側(cè)岸線較長，長約1 000 m，2個(gè)丁壩形式的設(shè)計(jì)可能難以阻止泥沙沖刷，故如圖9所示，設(shè)計(jì)3個(gè)丁壩工況，進(jìn)行數(shù)值模擬測(cè)試阻沙效果。

圖9 設(shè)計(jì)方案布置圖

設(shè)計(jì)方案的大潮漲急流場與落急流場分別見圖10、圖11?？梢钥闯?，相比現(xiàn)狀條件，由于研究海域3條丁壩的建設(shè)，使得沙灘海域流態(tài)有所變化，流向有所改變，近岸流速有所減小，尤其是在丁壩的頂端，流速加強(qiáng)，而在3條丁壩所圍的內(nèi)區(qū)流速甚小?？梢娫O(shè)計(jì)方案對(duì)沙灘海域潮流運(yùn)動(dòng)影響顯著，顯著地減小了壩之間海域的流速。

圖10 設(shè)計(jì)方案漲急流場圖

圖11 設(shè)計(jì)方案落急流場圖

3 地形地貌沖淤數(shù)值模擬

3.1 泥沙運(yùn)動(dòng)控制方程

MIKE21FM采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin 有限元法進(jìn)行水平空間離散，在時(shí)間上，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程[7]。

泥沙控制方程為

u，v——水深平均流速,m/s；

Dx，Dy——分散系數(shù),m2/s；

h——水深,m；

S——沉積/侵蝕源匯項(xiàng),g/(m3·s)；

QL——單位水平區(qū)域內(nèi)點(diǎn)源排放量,m3/(s·m2)；

CL——點(diǎn)源排放濃度,g/m3。

3.2 地形地貌與沖淤數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 現(xiàn)狀地形地貌與沖淤數(shù)值模擬結(jié)果

現(xiàn)狀情況下研究海域的地形地貌沖淤數(shù)值模擬結(jié)果見圖12。威海灣和楊家灣整體呈微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4 cm/年，劉公島東南側(cè)和西南側(cè)附近海域由于地形改變導(dǎo)致海域面積變窄，流速較大，處于微沖刷狀態(tài)，每年的沖刷厚度小于6 cm。研究海域小范圍處于微沖刷，每年沖刷程度小于4 cm，其余附近海域處于微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4 cm/年。

在研究海域，由于地理環(huán)境特征和海洋水文動(dòng)力特征，決定了該海域目前存在微沖刷狀態(tài)，年沖淤率為3～6 cm/年之間，沙灘外側(cè)沖刷相對(duì)更為嚴(yán)重。

圖12 現(xiàn)狀年沖淤率數(shù)值模擬結(jié)果(m/年)

3.2.2 設(shè)計(jì)方案地形地貌與沖淤數(shù)值模擬結(jié)果

設(shè)計(jì)方案研究海域的地形地貌沖淤數(shù)值模擬結(jié)果見圖13，除了局部區(qū)域計(jì)算結(jié)果相比現(xiàn)狀情況有所差別之外，其他海域并沒有顯著變化。威海灣和楊家灣整體呈微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4 cm/年，劉公島東南側(cè)和西南側(cè)附近海域由于地形改變導(dǎo)致海域面積變窄，流速較大，處于微沖刷狀態(tài)，沖刷厚度小于6 cm/年。研究海域小范圍處于微沖刷，沖刷程度小于4 cm/年，其余附近海域處于微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4 cm/年。

圖13 設(shè)計(jì)方案年沖淤率數(shù)值模擬結(jié)果(m/年)

由于3條丁壩的建設(shè)，研究海域近岸沙灘沖刷的現(xiàn)狀有很大改觀，在擋水壩兩側(cè)出現(xiàn)了較為顯著的淤積現(xiàn)象，沖刷現(xiàn)狀幾乎消失，僅在西側(cè)兩條丁壩之間出現(xiàn)了很小范圍的微沖地帶，且沖刷率約1 cm/年，大部分沙灘的淤積率在2 cm/年以上，建壩促淤效果顯著。

4 結(jié)束語

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)方案減小了近岸潮流，有效減緩了丁壩之間的水動(dòng)力能量，防沖刷效果也比較明顯，僅有小段岸線略有沖刷，基本形成了促淤態(tài)勢(shì)，能夠有效防止沙灘沖刷、岸線侵蝕。希望進(jìn)一步優(yōu)化詳細(xì)工程方案，加強(qiáng)海洋調(diào)查和監(jiān)測(cè)，對(duì)該段沙灘岸線進(jìn)行有效的整治修復(fù)工作。

[1] DHI.Mike 21&Mike 3 Flow Model FM Scientific Documentation[M].Denmark:2011.

[2] 安永寧，楊 鯤.MIKE21模型在海洋工程研究中的應(yīng)用[J].海岸工程，2013(3)：1-10.

[3] 包偉斌.MIKE21水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型在橋梁工程中流場模擬中的應(yīng)用[J].華東科技,2014(4):238-239.

[4] 鄭志飛.MIKE21模型在碼頭工程流場模擬中的應(yīng)用研究[J].海峽科學(xué),2010(10):104-106.

[5] 許 婷.丹麥MIKE21模型概述及應(yīng)用實(shí)例[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2010(8):867-869.

[6] 倪會(huì)東.東遼河河道沖淤分析及整治[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014(3):113-115.

[7] 吳園園，婁安剛.海陽中心漁港建設(shè)對(duì)附近海域沖淤的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)[J].海岸工程,2014(1):50-52.