大連海上機場施工通道開口寬度對水環(huán)境影響的數(shù)值研究

猶 爽，張寧川

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024）

大連海上機場位于渤海遼東灣南部金州灣海域，是我國內(nèi)地即將修建的第一座離岸式海上機場，竣工后將成為目前為止世界上最大的海上機場。機場人工島在軟土基礎(chǔ)上填筑形成［1］，規(guī)劃人工島總面積為21 km2，平面布置為矩形，寬3.4 km，長6.4 km。機場物流區(qū)布置在機場人工島西側(cè)海岸，機場施工過程中擬修建從空港物流中心到機場人工島西南角的全封閉式施工通道。機場人工島填海完成后，為保障水質(zhì)環(huán)境，施工通道擬全部或部分拆除。

金州灣距離大連市金州區(qū)約2 km，海灣呈橢圓形，灣口朝向西北，水域面積約為342 km2，海岸線長65.7 km，灣內(nèi)水深自東向西遞增至約10 m。金州灣是金州區(qū)工業(yè)和生活廢水以及北大河、紅旗河等流域的最終歸處。因為機場人工島位于近灣底水域，加之施工通道，在灣底形成半封閉水域。該水域水質(zhì)保障成為機場建設(shè)環(huán)境保護面臨的挑戰(zhàn)性課題。

為保障大連海上機場建成后金州灣海域水流形態(tài)和污染物輸移順暢，進行海上機場施工通道布置的水動力優(yōu)化研究，期望通過優(yōu)化海上機場施工通道開口寬度，盡可能減小工程建設(shè)對金州灣海域的水動力及環(huán)境影響?；诖四康?，以工程水域物理自凈能力、水體半更換期、局部污染物擴散軌跡、局部污染物示蹤粒子第一次到達灣外的時長等參數(shù)為評價指標，建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下的水動力及污染物輸移擴散數(shù)值模型，對大連海上機場施工通道布置方案進行水動力學(xué)優(yōu)化研究。

1 水動力模型的建立及驗證

1.1 模型計算范圍及網(wǎng)格劃分

金州灣位于遼南半島前端黃渤海分界線附近的渤海一側(cè)水域，海灣呈橢圓形，灣口朝向西北開放。漲潮水動力主要來自北黃海漲潮流通過遼南半島老鐵山水道的水流動力；落潮水動力主要來自渤海遼東灣落潮流動力。灣內(nèi)潮流受進出灣口的水動力控制。灣口2個岬角地理坐標分別為39°03′30"N、121°22′25"E和39°11′42"N、121°34′50"E（圖 1）。

人工島工程位于金州灣灣底，距南岸線最短距離僅2 km，距東岸線最短距離約4 km，長軸走向為131°～311°。人工島西南角與西側(cè)空港物流中心由施工通道連接（圖 2）。

針對上述地理形勢和工程布置方案，考慮到開邊界對工程所在海域潮流計算的影響，將模型計算區(qū)域開邊界設(shè)置在距離工程區(qū)域西側(cè)約30 km附近的2個岬角南北垂直連線處。計算范圍東西跨度約58 km，南北跨度約55 km，計算范圍的經(jīng)緯度坐標為121.266°～121.927°E；38.950°～39.446°N。

為更好地擬合岸線，網(wǎng)格劃分采用三角形網(wǎng)格單元［2-4］，并對重點關(guān)注區(qū)域進行加密，網(wǎng)格單元總數(shù)為19 491，節(jié)點總數(shù)為10 187，最小網(wǎng)格步長為100 m。

圖1 金州灣地理位置及測點布置Fig.1 Geographic position of Jinzhou Bay and layout of sites

圖2 機場人工島及物流中心平面規(guī)劃布置Fig.2 Plane layout of artificial island and logistics center of airport

1.2 計算模型選取及參數(shù)設(shè)置

計算模型選取MIKE21中的flow model FM模型。該模型采用淺水連續(xù)性方程和動量方程作為控制方程，適用于近岸海域下的水動力計算。本研究不考慮溫度和鹽度影響，模型為正壓模型。

計算時，模型渦黏性系數(shù)通過Smagorinsky方程確定，取Smagorinsky系數(shù)Cs為0.28；通常情況下阻力系數(shù)Cf可由曼寧系數(shù)M或謝才系數(shù)C確定，本模型采用曼寧系數(shù)來決定底摩阻，鑒于計算區(qū)域范圍內(nèi)水深和地質(zhì)類型變化不大，故將整個計算范圍內(nèi)的曼寧系數(shù)值設(shè)置為常數(shù)，取值為50；MIKE21采用“凍結(jié)法”處理邊界，通過定義臨界水深來確定干濕單元［5］，本研究中干濕單元的臨界水深取為0.05 m。

模型計算歷時長度取為34 d，啟動時間設(shè)為1 d，模型時間步長為10 s。計算得到的流場如圖3所示。

圖3 金州灣海域流場Fig.3 Flow field of Jinzhou Bay

1.3 模型邊界條件及初始條件

模型計算區(qū)域驗潮站有限，難以提供開邊界資料，本文采用大小區(qū)域嵌套法獲取開邊界潮位。大區(qū)域計算范圍選取潮位資料豐富的整個渤海海域，驗潮站位包括煙臺、蓬萊港、龍口港、老虎灘、長興島等10個站點，開邊界為威?！￠L山島連線及其延長線與岸線相交部分，大范圍模型計算結(jié)果與實測潮位吻合較好，可以為小范圍模型提供可靠的開邊界條件。初始水位及流速均設(shè)置為0。

1.4 模型驗證

選取靠近岸邊的棋盤磨潮位驗證點（實測資料為2009年11月7日～2009年12月11日）和1#～6#潮流驗證點分別對模型的潮位和潮流計算結(jié)果進行驗證，各驗證點布置如圖1所示。潮流驗證分大潮時段（2009年12月3日～4日）和小潮時段（2009年11月27日～28日）。

驗證結(jié)果如圖4所示，這里潮流驗證以2#點和5#點作為示例，從圖4中可以看出，計算值和實測值吻合較好，具有良好的一致性，由于本模型沒有考慮溫度、鹽度及風(fēng)的影響，在個別時刻實測值和計算值具有一定差別，但總體符合較好，且能正確地刻畫漲落潮的情況，通過潮位和流場的驗證結(jié)果表明，模型是合理的，模擬結(jié)果可以反映計算海域的水動力場特征。

圖4 各站點潮位和潮流驗證Fig.4 Tidal level and flow verification of each site

2 施工通道開口寬度對水環(huán)境的影響

2.1 施工通道開口寬度設(shè)定

工程水域人工島—施工通道—海岸之間形成的半封閉水體與外海的交換，主要取決于施工通道的開口寬度和人工島—海岸之間形成的流口寬度B(圖2)。在人工島寬度和走向確定的條件下，人工島—海岸之間形成的流口寬度B為一確定值。為了使海灣自凈能力、局部水體交換率等指標達到最優(yōu)值，擬將連接人工島與陸地的施工通道從靠近人工島一側(cè)進行開挖，并確定最佳開挖寬度。

施工通道總長度約3 000 m（記為L，圖2）。為了確定最佳開口寬度，設(shè)定5種開口方案（表1），開口寬度分別為施工通道總長的1/10、1/3、1/2、2/3以及將施工通道全部開挖，即開口寬度分別為300 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m及3 000 m。

表1 施工通道開口方案Tab.1 Schemes of opening-size of construction access

2.2 施工通道開口寬度對水體交換情況的影響

采用濃度對流擴散模型研究工程水域的水體交換情況。在潮流模型的基礎(chǔ)上，添加對流擴散模塊，求解對流擴散方程得到水體中指標物質(zhì)的濃度分布，計算時不考慮污染物降解。

在工程水域人工島—施工通道—海岸之間形成的半封閉水域網(wǎng)格點上均布濃度為1 mg/L的保守污染物，邊界污染物初始濃度設(shè)定為0，計算污染物經(jīng)過30 d輸運擴散后的濃度分布，并采用物理自凈率和水體半更換期作為水體交換情況的量化指標。

（1）物理自凈率。設(shè)經(jīng)過一段時間i后灣內(nèi)的污染物平均濃度為n%，則物理自凈率定義為

圖5給出了施工通道開口方案四條件下，污染物經(jīng)歷不同時長的輸移擴散后在全灣水域的數(shù)值計算結(jié)果示例。其中圖5-a～圖5-f分別為污染物輸移擴散5 d、10 d、15 d、20 d、25 d以及30 d后全灣的濃度分布。

圖6匯總給出了不同施工通道開口方案、不同時間點上的物理自凈率之比較。

圖5 某時刻污染物濃度分布示例Fig.5 Pollutant distribution in the bay at a certain time

從圖6中可以看出，總體而言，5種施工通道開口寬度的物理自凈率差別不大。具體比較可以看出：施工通道開口寬度與灣內(nèi)污染物擴散率并不呈現(xiàn)簡單的單增或單減關(guān)系，方案一、方案四和方案五的物理自凈率較方案二和方案三略大。這主要是因為當(dāng)施工通道開口較小時，開口處的水流湍急，流速較大，在灣內(nèi)形成環(huán)流，從而有利于灣內(nèi)污染物的輸移；當(dāng)施工通道開口較大時，盡管此時開口處的流速相對較小，但由于開口寬度大，流量也隨之增大，增強了灣內(nèi)水體與灣外水體的交換。

（2）水體半更換期。類比于化學(xué)元素的半衰期，把灣內(nèi)污染物總量降低到起始污染物總量一半所需的時間定義為水體的半更換期，表明此時灣內(nèi)水體已被更換一半［6］。根據(jù)此定義，分別統(tǒng)計各方案的半更換期，分別為 313 h、350 h、361 h、299 h和288 h。其中，方案五的半更換期最短，其次為方案四。

圖6 不同方案之間物理自凈率之比較Fig.6 Comparison of physical self-purification rate among different schemes

圖7 追蹤粒子釋放點Fig.7 Release position of tracer particles

2.3 對局部污染物擴散規(guī)律的影響

灣內(nèi)局部范圍的污染物擴散規(guī)律直接影響到部分海域的環(huán)境質(zhì)量，灣內(nèi)水體的交換情況僅反映海灣整體水交換情況，并不能反應(yīng)局部區(qū)域的水體質(zhì)量，因而有必要對局部污染物的擴散規(guī)律進行討論。

施工通道掩護的近岸海域流速較小，若在該海域排放污染物，將對海域水環(huán)境造成較大不良影響，此處著重關(guān)注污染物近岸排放的情況。為追蹤污染物擴散輸移規(guī)律，在施工通道掩護的水域內(nèi)釋放5個追蹤粒子，考慮污染物近岸排放，追蹤粒子均在靠近海岸500 m范圍內(nèi)釋放，粒子釋放地點如圖7所示。根據(jù)前人研究結(jié)果［7］，在漲急時刻投放粒子更為合理，故本模型釋放追蹤粒子的時刻為2009年11月10日3：00的漲急時刻。

限于篇幅，圖8中以各方案中3#粒子運動軌跡作為示例。比較圖8中各圖可以看出：對應(yīng)開口寬度較小的方案一和方案二，施工通道掩護的近岸水域流速極小，出現(xiàn)近乎死水區(qū)，該局部污染物輸移非常緩慢，長時間不能排出；對應(yīng)方案三，落潮時可以將污染物較順利地排出灣外，但漲潮時將已經(jīng)排出灣外的污染物又重新帶回灣內(nèi)，易造成局部潮流通道水域反復(fù)污染；對應(yīng)方案四，落潮時排出到灣外的污染物漲潮時不會再帶回灣內(nèi)；對應(yīng)方案五，由于其開口最大，流速最小，落潮流速幾乎不足以將污染物帶出灣外。

綜上所述，開口寬度為2/3 L時，更有利于局部污染物的排放，即從施工通道掩護的近岸局部水域污染物輸移情況看，方案四最佳。

圖8 施工通道掩護的近岸水域污染物擴散軌跡Fig.8 Diffusion trajectory of pollutant in offshore area shielded by construction access

表2匯總給出了各方案中示蹤粒子第一次到達灣外所經(jīng)歷的時長。由表2中可見，除方案三中的4#粒子第一次到達灣外時間較長外，從總體上而言，方案三和方案四中各追蹤粒子第一次到達灣外的時間明顯短于其他各方案，說明方案三和方案四施工通道掩護的近岸水域內(nèi)污染物擴散輸移速度較其他方案快。對于單個方案來講，這一統(tǒng)計結(jié)果和追蹤粒子釋放的位置之間存在一定的關(guān)系，粒子釋放的位置不同，統(tǒng)計結(jié)果也存在一定差異，但從整體規(guī)律上來講，方案一和方案二施工通道較長，其掩護的近岸海域中靠近海岸的區(qū)域流速較其他方案小，再加上施工通道開口寬度較小，阻礙了追蹤粒子向灣外的運動；方案五中由于施工通道全部開挖，開口寬度較大，其中一些粒子借助落潮流能很快到達灣外，但工程所在海域漲潮流流速大于落潮流流速，因此方案五中追蹤粒子很快返回灣內(nèi)，且在計算時間內(nèi)追蹤粒子長時間停留在灣內(nèi)。

2.4 方案推薦

在不同的評價指標下得到的最優(yōu)方案并不完全一致，若以物理自凈能力為評價指標，方案一、四、五的計算結(jié)果較為突出；若以半更換期為評價指標，方案四和方案五較其他方案好；從局部區(qū)域污染物擴散軌跡來看，方案四較其他方案理想；根據(jù)局部區(qū)域追蹤粒子第一次到達灣外的歷時來看，方案三和方案四較優(yōu)。綜合以上各評價指標，方案四是較為理想的方案，因而推薦方案四（即開挖2/3 L）為最終方案。

表2 各方案追蹤粒子第一次到達灣外經(jīng)歷時長Tab.2 The time when tracer particles in local area first get out of the bay of each scheme

3 結(jié)語

本文以大連海上機場工程為背景，基于MIKE21 flow model FM模塊建立了金州灣二維潮流模型和二維污染物輸移擴散模型，計算結(jié)果與實測值的對比表明模型是可靠的。在此基礎(chǔ)上計算機場施工通道不同開口寬度下的物理自凈能力、水體半更換期、局部污染物擴散軌跡、局部污染物第一次到達灣外所經(jīng)歷的時長，并以此為指標確定施工通道開挖全長的2/3（即2 000 m）時為最佳方案。本文計算結(jié)果可為大連海上機場施工通道布置的進一步改進提供可靠的依據(jù)。

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