秦皇島市蓮花島工程潮流泥沙數(shù)值模擬研究

許婷，嚴冰，韓志遠，喬延龍

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；3.天津市海洋咨詢評估中心，天津300480）

秦皇島市蓮花島工程潮流泥沙數(shù)值模擬研究

許婷1，2，嚴冰1，韓志遠1，喬延龍3

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；3.天津市海洋咨詢評估中心，天津300480）

文章采用波流共同作用下平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，基于三角形網(wǎng)格剖分模式，針對秦皇島市蓮花島人工島工程開展潮流及泥沙數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：蓮花島外形輪廓近似呈橢圓狀，長軸走向與岸夾角較小，與水流主流向夾角較小，且圍墾面積有限，工程方案實施后未明顯改變工程海域大范圍主流態(tài)，僅人工島及附近小區(qū)域發(fā)生一些改變。人工島方案實施后，流速有增有減，但變化幅度較小，基本控制在0.10 m/s以內(nèi)；海床沖淤變化影響范圍也主要集中在人工島附近區(qū)域，沖淤變化幅度多介于-1.5～+0.9 m，少部分區(qū)域沖刷幅度超過1.5 m，其中人工島迎浪面大部分區(qū)域呈海床沖刷狀態(tài)，人工島內(nèi)部水域呈淤積狀態(tài)。

數(shù)值模擬；波流；海床沖淤；蓮花島

人工島是人工建造而非自然形成的島嶼，是人類利用海洋空間填海造地的一種方式［1］。自20世紀60年代以來，隨著人類對海洋空間利用的需求不斷增加，人工島建設(shè)工程也日益增多［2］。人工島的建設(shè)將產(chǎn)生新的人工岸線并改變海底地形，可能導(dǎo)致周邊海區(qū)水動力環(huán)境和海床沖淤發(fā)生顯著變化，進而對自身的穩(wěn)定性造成一定影響。因此，人工島建設(shè)過程中除了要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等問題外，還必須充分評估與分析工程對周圍海區(qū)造成的各種影響，這對于減小人工島建設(shè)后可能造成的海洋環(huán)境破壞具有積極的意義。國內(nèi)外眾多學(xué)者在人工島的設(shè)計、結(jié)構(gòu)及工程影響方面開展了大量研究，并積累了豐富的工程經(jīng)驗［3-5］。例如：Bayyinah Salahuddin研究了位于波斯灣的迪拜棕櫚樹人工島工程建設(shè)實施后對周圍海域生態(tài)環(huán)境和泥沙環(huán)境的影響情況［6］；陳可鋒、陸培東針對西太陽沙人工島工程開展了物理模型試驗研究，并分析了人工島建成后其周圍海域的水動力條件和泥沙運動的變化規(guī)律，并提出相應(yīng)防護措施［7］；郭磊、楊樹森利用MIKE21軟件水動力模塊建立和驗證了西太陽沙二維潮流數(shù)學(xué)模型，研究分析了江蘇如東人工島工程實施后對周圍海域水動力的影響變化情況［8］。

秦皇島是我國著名的旅游勝地。根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展的需要，擬建設(shè)蓮花島人工島工程，該工程位于北戴河區(qū)東北、海港區(qū)西南海域。人工島的建設(shè)，必將會引起周邊海區(qū)水沙輸移和海床沖淤發(fā)生變化，而這種變化對周圍的海洋環(huán)境可能帶來一定程度的影響。因此，評估與預(yù)測秦皇島市蓮花島人工島工程對周圍水動力環(huán)境及海床沖淤變化可能產(chǎn)生的影響，不僅對于減少本工程的負面環(huán)境影響具有重要的意義，還可為本工程方案設(shè)計和優(yōu)化提供必要的技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。因此，本文基于三角形網(wǎng)格剖分模式，建立了工程海域二維水沙數(shù)學(xué)模型，并采用大范圍實測水文資料對該模型進行了全面驗證，然后模擬分析蓮花島人工島工程實施后對周圍海域水動力的影響情況，并預(yù)測人工島工程引起的海床沖淤變化情況。

圖1工程海域形勢和觀測點布置圖Fig.1Sketch of topography and station locations in Qinhuangdao sea area

1 工程海域水動力泥沙環(huán)境

1.1 工程海域地貌特征

工程海域岸線受金山咀、秦皇島角、老龍頭和環(huán)海寺地咀等基巖岬角控制，整體呈ENE—WSW向，僅金山咀至湯河口岸線呈NNE—S向。沿岸潮間帶內(nèi)主要為砂質(zhì)沉積物，海岸性質(zhì)為岬灣沙質(zhì)海岸。沙河口至湯河口沿岸基本上為人工岸線，沿岸主要分布有秦皇島東港區(qū)、海水浴場和西港區(qū)。工程海域0 m、-2 m、-5 m、-10 m、-15 m、-20 m等深線基本沿平行岸線方向展布，水下地形自近岸向SE向傾斜，自近岸向海地形坡度逐漸變緩。工程海域近岸水下地形坡度較陡，0 m、-2 m和-5 m等深線基本貼岸展布。-10 m等深線，在金山咀處貼近岸邊，金山咀至湯河口離岸6～7 km，湯河口至山海關(guān)船廠離岸3～4 km；-5m外等深線以外水下地形坡度為0.5%～1‰。2011年2～3月，根據(jù)研究需要，組織了一次大規(guī)模水文測驗，在工程海域布設(shè)了2個臨時潮位站，同時布設(shè)了9條水文垂線，于大、小潮期間，各連續(xù)27 h測量流速、流向、含沙量、水溫、鹽度，為掌握工程海域潮汐潮流特性提供了可靠的數(shù)據(jù)。工程海域形勢及觀測點布置見圖1。

1.2 潮汐與潮流特征

工程海域靠近半日潮無潮點，受旋轉(zhuǎn)潮波控制，整體潮差較小。據(jù)2011年2月～3月實測潮位資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，金山咀和西港區(qū)站的潮差均較小，最大潮差分別為1.4 m和1.49 m，平均潮差均為0.73 m。

工程海域潮流屬非正規(guī)半日淺海潮流，漲潮主流向呈WSW向，落潮主流向呈ENE向，主流向方向與陸域岸線或等深線走向趨于一致。根據(jù)2011年2月～3月工程區(qū)附近海域9條水文垂線觀測分析結(jié)果，各垂線流速整體較小，漲、落潮差異較小，且大、小潮差異也不很明顯。各垂線漲、落潮平均流速分別介于0.05～0.17 m/s、0.03～0.19 m/s；漲、落潮最大流速分別介于0.14～0.34 m/s、0.10～0.27 m/s。從流速垂向分布變化來看，表、底層差異較小，表、底層漲落潮流速比值介于1.2～1.4。各垂線漲、落潮流平均歷時分別為5 h59 min和6 h13 min，大潮分別為6 h和6 h16 min；小潮分別為5 h59 min和6 h07 min。

1.3 波浪特征

根據(jù)秦皇島海洋站測波點（南山燈塔SSW方向，水深-6～-7 m）統(tǒng)計結(jié)果：工程海域以風(fēng)浪以及風(fēng)浪為主的混合浪為主，全年總頻率可達75%，涌浪以及涌浪為主的混合浪比例為22%；根據(jù)1960～2008年測波資料統(tǒng)計分析，工程海域常浪向呈S向，頻率17.77%；強浪向呈SE向，最大波高3.5 m，出現(xiàn)在1972年7月27日和1984年8月10日，主要因受臺風(fēng)影響的結(jié)果，2.0 m以上波高主要出現(xiàn)在ENE～WSW向，累年出現(xiàn)率最高的波級為0～0.5 m，出現(xiàn)頻率為62.31%［9］。

1.4 含沙量特征

根據(jù)2011年2～3月大、小潮實測含沙量資料分析結(jié)果可知：工程海區(qū)含沙量整體較低，平均含沙量介于0.008～0.025 kg/m3，平均值約為0.015 kg/m3。各垂線含沙量沿均呈底層大、中層次之、表層小的變化特點，底/表比值介于1.06～2.50。在平面分布上，自近岸向外含沙量差別也不大，其原因主要有二：一是幾無徑流輸沙入海；二是近岸區(qū)（含潮間帶及其以外一定范圍）內(nèi)的底質(zhì)較粗，其泥沙中值粒徑一般都在0.1～0.5 mm，本海區(qū)的漲、落潮平均流速分別在0.05～0.17 m/s和0.03～0.19 m/s范圍內(nèi)，除底質(zhì)中所含少量細顆粒物質(zhì)外，不可能導(dǎo)致懸揚；在深水區(qū)，雖然底質(zhì)逐漸向粉砂—泥質(zhì)轉(zhuǎn)變，但水深很大，加之海域流速較小，也難以大量啟動，因此，本水域在無風(fēng)及中、小風(fēng)天都將維持低含沙量特征，從而為工程建設(shè)提供了良好的泥沙環(huán)境［9］。

1.5 底質(zhì)特征

2011年2 月工程區(qū)附近28個表層沉積物樣品統(tǒng)計結(jié)果表明：沉積物類型由粗至細分別有粗砂、中細砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土和粘土質(zhì)粉砂共6種，以粉砂比重最高，為29%，其次依次為粗砂和粘土質(zhì)粉砂，為25%，其余物質(zhì)各占7%；沉積物中值粒徑在0.014 9～0.916 4 mm，平均值為0.207 1 mm，顯示出近岸粗于遠岸、北部粗于南部的變化特征。工程區(qū)海域的砂質(zhì)沉積主要分布在金山咀至新開河口-2 m等深線以淺的近岸帶、金山咀東側(cè)及西港區(qū)南側(cè)-5～-7 m等深線之間的區(qū)域，較細的粉砂沉積呈條帶狀分布在湯河口外淺灘、湯河口至金沙咀-2～-7 m等深線之間、鴿子窩東側(cè)-7～-10 m等深線之間、西港區(qū)港池航道及西側(cè)-5 m等深線以深的區(qū)域，無論從東到西還是由北到南，表層沉積物都呈現(xiàn)明顯的不連續(xù)分布特點，這說明海域泥沙基本上屬原地運動，外界泥沙的影響是不明顯的［10］。

2 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 潮流數(shù)學(xué)模型

式中：h=η+d，η和d分別表示水面高度和靜水深；x和y分別表示橫軸和縱軸坐標；t為時間；g為重力加速度；uˉ和vˉ分別為沿x和y方向的深度平均流速；f為柯氏力系數(shù)；ρ為流體密度；ρ0為參考密度；S為點源流量；us與vs為點源流速；Tij為應(yīng)力項，包括粘性應(yīng)力、紊流應(yīng)力和對流等，根據(jù)水深平均的流速梯度計算［11］。

2.2 泥沙數(shù)學(xué)模型

泥沙運動方程

式中：S為鉛直方向積分的水體含沙濃度；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴散系數(shù)；FS為泥沙源匯函數(shù)或床面沖淤函數(shù)，按下面方法確定

式中：S*為水體的挾沙力，一般采用經(jīng)驗公式法或半理論方法確定。ω為泥沙沉降速度；α為泥沙沉降幾率。懸沙運動造成的海床沖淤方程

式中:ηs為海底床面懸沙引起的沖淤厚度；γ0為床面泥沙干容重。底沙（推移質(zhì)）造成的海床沖淤方程

式中:ηb為底沙引起的海床沖淤厚度;γb為床面底沙干容重;qx和qy分別為單位時間內(nèi)單寬底沙輸移量qb沿x和y方向的分量;qb采用考慮波浪作用的竇國仁公式，即

式中：k2為系數(shù)；c0為無量綱謝才系數(shù)；γ、γs分別為水容重和泥沙顆粒容重；ωb為底沙顆粒的沉降速度；V→為水流平均速度矢量；V→w為波浪平均特征速度矢量；Vk為底沙顆粒的臨界起動流速。

2.3 模型范圍及網(wǎng)格

模型計算范圍在以工程區(qū)域為中心、沿岸寬約33 km的扇形區(qū)域內(nèi)，采用三角形網(wǎng)格剖分模式，可以很好地擬合復(fù)雜岸線和建筑物邊界，在重點關(guān)心區(qū)域可以任意局部加密。模型共11 462個網(wǎng)格節(jié)點，最大空間步長為1 000 m，最小空間步長為5 m，計算時間步長從0.1～5 s自適應(yīng)調(diào)節(jié)。計算域及網(wǎng)格剖分詳見圖2。

2.4 模型的驗證

2.4.1 潮位、流速、流向驗證

本文基于2011年2月～3月大、小潮實測水文觀測資料，對潮流模型的潮位、流速、流向進行驗證。圖3給出了大、小潮實測潮位與計算結(jié)果的比較，圖4給出了大、小潮代表測點實測流速、流向與計算結(jié)果的比較情況。由實測與計算結(jié)果的比較可見，測站的計算與實測潮位、流速、流向在連續(xù)的變化過程中都比較接近，計算值與實測值吻合較好，滿足精度要求，可以用于工程海域潮流場計算分析。

圖2模型范圍及網(wǎng)格剖分Fig.2Model scope and mesh generation

圖3潮位驗證Fig.3 Verification of tidal level

圖4流速、流向驗證Fig.4Verification of speed and direction

圖5含沙量驗證Fig.5Verification of sediment concentration

2.4.2含沙量驗證

2011年2 月～3月大、小潮含沙量觀測資料與潮流同步，大潮、小潮含沙量驗證曲線分別見圖5，從實測值和計算值對比結(jié)果來看，泥沙數(shù)學(xué)模型驗證結(jié)果良好，可以進一步用于工程海域泥沙運動和海床沖淤的預(yù)測。

3 計算結(jié)果分析

3.1 人工島工程概況

蓮花島人工島整體上為橢圓形布置，外圍設(shè)置防波堤。人工島離岸距離600 m，對稱設(shè)置有2個過水通道，游艇碼頭有2個出口，分別位于防波堤的兩端（圖6）。

圖6工程方案平面布置Fig.6Plane layout of engineering project

圖7工程方案實施前后漲落急時刻流場圖Fig.7Flow field before and after the implementation of engineering scheme

圖8工程方案實施后全潮平均流速變化等值線（工程后-工程前）Fig.8Contour map of the whole tidal averaged velocity difference before and after the project

3.2 人工島實施后對潮流場的影響

現(xiàn)狀條件下水流總體表現(xiàn)為順岸往復(fù)流特征，漲潮主流向呈WSW向，落潮主流向呈ENE向，主流向方向與陸域岸線或等深線走向趨于一致。工程海域流速整體較小。人工島所在區(qū)域現(xiàn)狀條件下，漲、落潮平均流速分別介于0.05～0.08 m/s、0.05～0.07 m/s；漲、落潮最大流速分別介于0.08～0.12 m/s、0.07～0.11 m/s，漲潮段流向介于214°～247°，落潮段流向介于30°～64°（圖7-a，圖7-b）。

從工程方案實施后的流場來看，工程海域主流態(tài)仍保持漲潮流基本為WSW向，落潮流基本為ENE向的順岸往復(fù)流特征。工程方案人工島外形輪廓近似呈橢圓狀，長軸走向與岸夾角較小，與水流主流向夾角較小，且圍墾面積有限，因此，工程方案實施后不會明顯改變工程海域大范圍主流態(tài)，僅人工島及附近小區(qū)域發(fā)生一些改變。人工島建成后，水流在漲、落潮時遇島分成兩股流，繞島匯合，部分水流由口門流入人工島內(nèi)。該海域臨近無潮點，潮差小，因此工程區(qū)流速強度普遍較弱，加之人工島外有防波堤掩護，島內(nèi)水域流速十分微弱。防波堤堤頭及各口門處的最大流速也十分有限，這對船舶進出是有利的。人工島內(nèi)部水域，漲潮平均流速小于0.03 m/s，落潮平均流速小于0.02 m/s，漲潮最大流速介于0.01～0.05 m/s，落潮最大流速均小于0.03 m/s。人工島各開口區(qū)最大流速僅介于0.07～0.13 m/s，防波堤堤頭處最大流速為0.21 m/s，沿堤外側(cè)最大流速0.22 m/s，出現(xiàn)在防波堤的東南側(cè)（圖7-c，圖7-d）。

人工島方案實施后，人工島與岸線之間水域流速大部分呈增加趨勢，少部分區(qū)域流速有所減小，該區(qū)域漲落潮流速變動幅度介于-0.01～0.06 m/s。金夢沙灘附近水域流速改變幅度在0.02 m/s以內(nèi)。國際游艇碼頭內(nèi)流速基本沒有發(fā)生改變。因此，人工島實施后僅對其附近小范圍水域產(chǎn)生較小影響（圖8）。

3.3 人工島實施后對海床沖淤的影響

3.3.1 海床沖淤計算動力條件

為了考慮波、流共同作用下海床沖淤變化，在泥沙數(shù)學(xué)模型計算時潮流動力按照實測大、小潮進行組合，波浪條件考慮年均波浪場的影響，根據(jù)秦皇島海洋站1960～2008年波浪實測資料，過濾掉對泥沙運動作用輕微的波浪數(shù)據(jù)（即波高小于0.5 m的數(shù)據(jù)），進行各波向年平均波高統(tǒng)計，將其作為波要素進行波浪場推算，為泥沙數(shù)學(xué)模型提供波浪條件。從本工程所在地理位置來看，本工程所在海域主要受E～S向浪影響，因此泥沙模型主要考慮E、ESE、SE、SSE和S向5個波向，其出現(xiàn)頻率按照年權(quán)重進行加權(quán)，出現(xiàn)頻率依次為5.48%、2.91%、2.57%、2.49%、8.70%。

圖9各向年均波浪場分布Fig.9Distribution of annual average wave height

針對泥沙作用相對較大的0.5 m以上的波浪統(tǒng)計結(jié)果，對該海域的E向、ESE向、SE向、SSE向和S向浪分別進行了計算，各向年均波高分布如圖9所示。從計算結(jié)果看，各方向波浪場的波高均呈現(xiàn)外海大、近岸小的分布規(guī)律，較好地反映了該海域波浪自海向岸的傳播過程。E向浪年平均波浪作用下，工程區(qū)域波高介于0.6～0.8 m，ESE向、SE向、SSE向和S向浪年平均波浪作用下，工程區(qū)域波高介于0.6～0.7 m。

3.3.2 計算結(jié)果分析

人工島工程實施后，會引起工程區(qū)及附近區(qū)域水動力條件的改變，當(dāng)工程后流速的挾沙能力小于工程前流速的起懸型平衡含沙量，且工程后流速小于不淤流速，則海床發(fā)生淤積；當(dāng)工程后流速相應(yīng)的挾沙能力大于工程前流速的沉降型平衡含沙量，且工程后流速大于泥沙的起動流速，則海床發(fā)生沖刷；當(dāng)工程后流速相應(yīng)的挾沙能力介于工程前流速的起懸平衡含沙量和沉降型平衡含沙量之間，則海床發(fā)生微沖微淤，沖淤基本平衡。這里將工程實施后海床基本達到?jīng)_淤平衡時，工程區(qū)及附近區(qū)域的沖淤分布情況進行預(yù)測分析。

圖10工程方案實施后至沖淤平衡時的沖淤變化Fig.10Thickness change of the seabed when achieved the balance of erosion and deposition after the project

圖10給出了人工島工程方案實施后基本達到?jīng)_淤平衡時的沖淤變化分布。從圖10可以看出，在人工島的迎浪面大部分區(qū)域呈海床沖刷狀態(tài)，其中大部分區(qū)域沖刷幅度在0.50 m以下，最大沖刷坑幅度為1.62 m；人工島內(nèi)部呈淤積狀態(tài)，口門淤積較重些，口門最大淤積厚度0.84 m，島內(nèi)平均淤積厚度0.16 m；島與岸之間處于波影區(qū)內(nèi)，該區(qū)域有部分范圍呈海床淤積狀態(tài)，平均淤積厚度0.23 m，最大淤積厚度0.89 m；金夢沙灘和國際游艇碼頭距離蓮花島有一定安全距離，蓮花島工程的建設(shè)實施未影響到它們的海床沖淤變化。

4 結(jié)語

本文通過建立波流共同作用下平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對秦皇島市蓮花島人工島工程進行了數(shù)值模擬計算，分析了人工島工程方案建設(shè)對潮流場及海床沖淤變化情況的影響。從數(shù)值模擬計算結(jié)果來看，人工島外形輪廓近似呈橢圓狀，長軸走向與岸夾角較小，與水流主流向夾角較小，且圍墾面積有限，因此，工程方案實施后不會明顯改變工程海域大范圍主流態(tài)，僅人工島及附近小區(qū)域發(fā)生一些改變。人工島方案實施后，流速有增有減，但變化幅度較小，基本控制在0.10 m/s以內(nèi)；海床沖淤變化影響范圍也主要集中在人工島附近區(qū)域，沖淤變化幅度多介于-1.5～+0.9 m，少部分區(qū)域沖刷幅度超過1.5 m，其中在人工島的迎浪面大部分區(qū)域呈海床沖刷狀態(tài)，人工島內(nèi)部水域呈淤積狀態(tài)，口門淤積較重些，島內(nèi)淤積稍輕些，島與岸之間處于波影區(qū)內(nèi)，該區(qū)域基本呈泥沙淤積狀態(tài)。

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Numerical simulation research on tide and sediment in Lotus Island project in Qinhuangdao

XU Ting1,2,YAN Bing1,HAN Zhi?yuan1,QIAO Yan?long3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2. School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Tianjin Marine Research and Consulting Centre,Tianjin 300480,China）

Based on the two?dimensional tidal current and sediment mathematical model under the co?action of wave and tide and the triangular mesh subdivision mode,the numerical simulation on the tidal current and sediment in allusion to artificial island project of Lotus Island in Qinhuangdao was carried out in this paper.Research results show that the contour of Lotus Island is approximately elliptical,and the trend of its long axis has a small included angle with the shore and the main water flow direction.Moreover,the reclamation area is limited.The construction of the project scheme has not obviously changed the wide?range main flow state of the engineering sea area.Only the artificial island and small regions around have some changes.After the implementation of artificial island proj?ect,the flow velocity increases and decreases,but within smaller changes,less than 0.10 m/s.According to changes of seabed erosion and deposition caused by the construction of artificial island project scheme,the influence of the construction of this artificial island scheme on the sea area around is mainly manifested in the sea area around the artificial island between-1.5～+0.9 m,which the head sea side of the artificial island is most seabed scour,and the internal of it is in siltation state.

numerical simulation;the co?action of wave and tide;seabed erosion and deposition;Lotus Island

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0502-08

2015-03-06；

2015-04-10

國家自然科學(xué)基金資助項目（51209111）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（Tks150210）

許婷（1985-），女，山東省菏澤人，副研究員，博士研究生，主要從事海岸河口水動力泥沙及水環(huán)境數(shù)值模擬研究。

Biography：XU Ting（1985-），female，associate professor.