青島膠州灣大橋建設(shè)對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境影響的數(shù)值研究*

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青島膠州灣大橋建設(shè)對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境影響的數(shù)值研究*

張莞君，遲萬清，胡澤建，劉建強(qiáng)，張永強(qiáng)

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

摘要：應(yīng)用MIKE21建立膠州灣平面二維潮流模型，對(duì)青島膠州灣大橋建設(shè)前后膠州灣內(nèi)的潮流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了青島膠州灣大橋建設(shè)對(duì)周邊海域的潮位、潮流、潮通量等水動(dòng)力環(huán)境的影響。通過膠州灣大橋兩側(cè)的連續(xù)實(shí)測(cè)海流、潮位資料與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出兩者趨勢(shì)基本符合，說明該模型能夠較精確地反映膠州灣大橋建設(shè)前后的潮流場(chǎng)分布情況。計(jì)算結(jié)果表明，大橋的建設(shè)具有一定的阻流作用并減小了過水?dāng)嗝?，從而?duì)周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，但對(duì)膠州灣整體潮流場(chǎng)改變較小，影響范圍限于橋位南北1.5 km范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：膠州灣；大橋；水動(dòng)力；數(shù)值模擬

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及近年來島嶼的充分開發(fā)利用，跨海大橋的建設(shè)規(guī)模空前，青島膠州灣大橋(青島海灣大橋)、杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋、廈漳跨海大橋、舟山跨海大橋等的建設(shè)極大地縮短了地區(qū)之間的距離，緩解了城市交通壓力、促進(jìn)大橋兩岸經(jīng)濟(jì)的交流和發(fā)展。但大橋建設(shè)后增加了橋位水域阻力并減小了過水?dāng)嗝妫瑢?duì)周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。

已有學(xué)者[1-3]研究跨海大橋?qū)λ畡?dòng)力環(huán)境的影響，但主要都是針對(duì)潮汐河口附近的大橋。魯海燕等結(jié)合數(shù)模和物模的方法對(duì)位于錢塘江河口赭山灣彎道下游的江東大橋建設(shè)影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為建橋后橋孔內(nèi)水流趨于集中，漲、落潮流速分別增加4.6%～6.2%和3.7%～5.7%，離橋軸線1.5 km附近區(qū)域，漲、落潮流速減小幅度均在5%之內(nèi)，5 km以外區(qū)域基本不受影響[1]；韓海騫等通過定床模型實(shí)驗(yàn)分析了杭州灣大橋?qū)﹀X塘江河口水流的影響，認(rèn)為大橋建設(shè)對(duì)涌潮、上游行洪基本沒有影響[2]；方神光和陳文龍利用數(shù)學(xué)模型對(duì)位于珠江河口的港珠澳大橋建設(shè)前后水域納潮量變化進(jìn)行研究，認(rèn)為大橋的建設(shè)總體造成了伶仃洋納潮量的減少，但在一定程度上增加了虎門口門的納潮量[3]。

孫英蘭等根據(jù)山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院編制的《青島海灣大橋可行性研究報(bào)告》，按當(dāng)時(shí)大石頭至瑞昌路的大橋建設(shè)方案對(duì)建橋前后膠州灣水動(dòng)力變化進(jìn)行了一系列的研究[4-6]。但由于研究時(shí)間較早，橋體設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際情況出入較大，橋體整體北移且增加紅島連線；同時(shí)，模型使用的水深、岸線資料較舊，因此不能真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)出已建大橋?qū)δz州灣水動(dòng)力環(huán)境的實(shí)際影響。本文以大橋?qū)嶋H建設(shè)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過建立膠州灣的平面二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，分析大橋建設(shè)后周圍海域水動(dòng)力環(huán)境的變化情況。

1工程概況

世界上最長(zhǎng)的跨海大橋——青島膠州灣大橋始建于2006-12-26，于2011-06-30實(shí)現(xiàn)全線通車。它位于我國著名的對(duì)外港口貿(mào)易城市青島市，地處黃海中部、山東半島南部的膠州灣內(nèi)(120°04′～120°23′E，35°58′～36°18′N)[7]。大橋東接青島主城區(qū)，西至黃島紅石崖，北側(cè)與紅島相接，南臨黃海，包括3座可以通航的航道橋和兩座互通立交，以及路上引橋、黃島側(cè)接線工程和紅島連接線等，全長(zhǎng)35.4 km，其中海上長(zhǎng)度26.75 km。紅石崖側(cè)陸上段橋梁及道路共0.9 km，紅島連接線長(zhǎng)1.9 km，該項(xiàng)目總投資99.38億元。青島海灣大橋是國家高速公路路網(wǎng)規(guī)劃中的青島至蘭州高速青島段的起點(diǎn)，也是山東省“五縱四橫一環(huán)”公路網(wǎng)主框架中南濟(jì)青高速公路的重要組成部分，同時(shí)還是青島市道路交通規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)布局中膠州灣東西岸跨海通道中“一路、一橋、一隧”的重要組成部分*張學(xué)雷,徐宗軍.紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)海岸帶基礎(chǔ)調(diào)查及專題研究專題三——生態(tài)環(huán)境調(diào)查研究報(bào)告.2014.。整個(gè)橋體共有鉆孔灌注樁5 110根，承臺(tái)1 103個(gè)，墩身1 691個(gè)，3個(gè)主航道橋(滄口、紅島和大沽河航道橋)分別采用鋼箱梁雙塔斜拉橋、鋼箱梁獨(dú)塔斜拉橋和獨(dú)塔自錨式懸索橋[8-9]。

2數(shù)學(xué)模型介紹及數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

2.1　模型方程

二維潮流基本方程包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程，連續(xù)方程為

(1)

動(dòng)量方程為

2.2　模型參數(shù)設(shè)置及邊界條件

本研究計(jì)算區(qū)域?yàn)?120°00′57″~120°41′01″E，35°35′43″~36°15′58″N)(圖1)，寬約50 km，長(zhǎng)約55 km，總面積為2 750 km2。外海的計(jì)算網(wǎng)格分辨率在200~300 m，為了能清楚了解大橋建設(shè)對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響，對(duì)工程區(qū)進(jìn)行加密，網(wǎng)格分辨率在50 m左右。整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有節(jié)點(diǎn)數(shù)33 796個(gè)，計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。本次模型試驗(yàn)中膠州灣采用國家海洋局第一海洋研究所于2013年測(cè)量的1∶2.5萬的水深數(shù)據(jù)，外海采用海軍航保部電子海圖水深插值后取得計(jì)算水深。模擬以2013-11-19大潮實(shí)測(cè)潮流的潮型為計(jì)算條件，計(jì)算時(shí)岸線采用的是海流觀測(cè)期間岸線，在計(jì)算建橋后影響時(shí)只是與建設(shè)預(yù)測(cè)情景相比增加了橋墩，橋墩按實(shí)際尺寸在模型中設(shè)計(jì)為不透水的構(gòu)筑物。

計(jì)算水域與其他水域相通的開邊界上，通過給定開邊界水位驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行，水位表達(dá)式為

(4)

圖1　研究區(qū)域及計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1　Location of the study area and computation grid

2.3　模型數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

海流采用工程海域2013-11-19T19∶00—11-20T20∶00六站(L01~L06站)大潮垂線平均海流數(shù)據(jù)、潮位采用同時(shí)段L04站潮位數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，觀測(cè)站位見圖2。潮位及各站流速、流向?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值的驗(yàn)證曲線見圖3和圖4。由圖可見，模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的潮位誤差小于0.2 m，各站實(shí)測(cè)與模擬流向基本一致， 流速量級(jí)一致， 模型模擬出來的流速、流向過程與大部分測(cè)站的實(shí)測(cè)過程基本吻合，模式計(jì)算所得結(jié)果基本上反映了流速的漲急落急的狀態(tài)，流向的模擬值與實(shí)測(cè)值也相差不大，說明模型采用的參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，可用于建橋?qū)λ畡?dòng)力影響的預(yù)測(cè)。

圖2　膠州灣驗(yàn)證點(diǎn)位置圖Fig.2　Locations of the verification points in the Jiaozhou Bay

圖3　L04站大潮潮位驗(yàn)證圖Fig.3　Verification of the water level of spring tide at Station L04

圖4　L01~L06站大潮流速流向驗(yàn)證圖Fig.4　Verification of the tidal current velocity and direction during spring tide at stations L01 to L06

3大橋建設(shè)對(duì)水動(dòng)力條件的影響分析

3.1　潮流影響分析

3.1.1大橋建設(shè)對(duì)周邊潮流場(chǎng)的影響

圖5和圖6分別為大橋附近海域建橋前后大潮期漲、落急時(shí)刻流速矢量圖，可以看出大橋的建設(shè)對(duì)膠州灣整體潮流場(chǎng)的改變較小，但對(duì)局部流場(chǎng)有一定的影響，水流在橋墩附近發(fā)生類似繞流現(xiàn)象，這與唐士芳和李蓓樁認(rèn)為的樁群斷面后將出現(xiàn)漩渦的觀點(diǎn)是一致的[13]。建橋?qū)q、落潮流場(chǎng)的影響主要在橋位南北1.5 km的范圍內(nèi)。對(duì)比建橋前后大橋附近漲、落急時(shí)流向可發(fā)現(xiàn)，落急時(shí)流向改變整體表現(xiàn)為大橋建設(shè)后流向較建設(shè)前流向在東部海域呈逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)，在西部海域呈順時(shí)針偏轉(zhuǎn)；漲急時(shí)流向改變整體表現(xiàn)為大橋建設(shè)后流向較建設(shè)前呈逆時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。

圖5　建橋前后大潮漲急時(shí)流場(chǎng)比較圖Fig.5　Current fields during the flood of spring tide before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge

圖6　建橋前后大潮落急時(shí)流場(chǎng)比較圖Fig.6　Current fields during the ebb of spring tide before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge

圖7　建橋前后大潮漲急時(shí)流速比較圖Fig.7　Current velocities during the flood of spring tide before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge

圖8　建橋前后大潮落急時(shí)流速比較圖Fig.8　Current velocities during the ebb of spring tide before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge

圖7和圖8分別為大潮期工程區(qū)附近建橋前后漲、落急流速比較圖，分析可知，建橋前后漲、落潮流速變化有以下特點(diǎn)： 1)除通航孔橋和紅島連接線附近，整個(gè)海區(qū)流速整體變化趨勢(shì)為漲急時(shí)大橋北側(cè)海域流速較建橋前明顯減小，落急時(shí)大橋南側(cè)海域流速較建橋前明顯減?。?)紅島連接線附近海域在漲急時(shí)流速較建橋前變小，變小幅度在0.02~0.14 m/s，落急時(shí)在連接線的東西兩側(cè)海域流速增大，幅度在0.02 m/s以上，在連接線的三角區(qū)及南部海域流速較建橋前變小，幅度在0.02~0.14 m/s；3)在通航孔橋跨度最大的橋墩之間工程后流速較工程前變大，增幅可達(dá)0.06 m/s以上，最大跨橋墩東西兩側(cè)海域流速較工程前變小；幅度均在0.04 m/s以內(nèi)； 4)大橋的其他橋墩附近海域可以看到在橋墩南北兩側(cè)工程后流速均較工程前變小，在橋墩東西兩側(cè)工程后流速較工程前變大，但流速改變的海域范圍不大。

3.1.2建橋前后最大流速的變化

如圖9所示，在跨海大橋向?yàn)澈拖蚝蓚?cè)各取3個(gè)代表點(diǎn)來分析建橋前后最大流速的變化，計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)潮流場(chǎng)模擬結(jié)果，大橋的建設(shè)具有一定的阻流作用，各代表點(diǎn)最大流速基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，所選的6個(gè)代表點(diǎn)中最大流速變化點(diǎn)出現(xiàn)在橋向?yàn)?.2 km處，減小幅度約為0.06 m/s，離橋距離越遠(yuǎn)，最大流速的絕對(duì)變化越小，至大橋兩側(cè)5.0 km處變化幅度降至0.01 m/s以內(nèi)。

圖9　建橋前后潮汐、潮流變化代表點(diǎn)站位圖Fig.9　Locations of the representative stations showing the changes of tide and tidal current before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge

位 置/km建橋前最大流速/m·s-1建橋后最大流速/m·s-1絕對(duì)變化/m·s-1最大變化流速/m·s-1橋向海5.00.58740.5819-0.0054-0.0080橋向海1.50.56120.5471-0.0141-0.0141橋向海0.20.63670.6131-0.0236-0.0260橋向?yàn)?.20.66710.6030-0.0640-0.0802橋向?yàn)?.50.72030.7168-0.0035-0.0036橋向?yàn)?.00.30020.30160.0014-0.0065

3.2　大橋建設(shè)后潮位變化

大橋建設(shè)后橋位水域阻力增加，引起潮位變化如下：大橋向?yàn)硟?nèi)一側(cè)(橋后)海域漲潮時(shí)存在潮位降低現(xiàn)象，落潮時(shí)出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，且潮位變化隨距離橋體距離增加而逐漸減小。對(duì)選取的6個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行分析(圖9)，發(fā)現(xiàn)在大橋向?yàn)?.2 km的海域，潮位逐時(shí)最大變化大約為0.08 m，至灣頂0 m等深線附近潮位變化小于0.01 m；大橋向海一側(cè)(橋前)海域潮位逐時(shí)變化主要體現(xiàn)在橋體附近0.2 km內(nèi)的漲潮時(shí)段，漲潮時(shí)大橋附近水體出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，潮位提升0.03 m左右，其它時(shí)刻潮位變化不大；同時(shí)，在大橋兩側(cè)建橋前后在高潮、低潮時(shí)潮位變化不大。這主要是由于橋墩占據(jù)的過水面積相對(duì)于整個(gè)水道的過水面積所占比例甚小，因此橋墩對(duì)水流的影響范圍較小，水位變化程度也會(huì)有限。

表2　建橋前后橋位附近代表點(diǎn)潮位變化

3.3　大橋?qū)χ車^(qū)潮通量的影響

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，選取連續(xù)的12個(gè)漲、落潮過程沿著大橋斷面對(duì)建設(shè)前后分別進(jìn)行潮通量累加，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大橋建成后橋墩的存在使得過水?dāng)嗝鏈p小，造成潮通量略有減小。建橋前后漲潮期的累加潮通量變化幅度在0.04%以內(nèi)，落潮累加潮通量變化不超過0.06%。因此可以說明大橋建設(shè)后，大橋斷面潮通量呈減小趨勢(shì)，但是變化量甚微，且影響范圍有限。

3.4　大橋建設(shè)對(duì)膠州灣納潮量的影響

將每小時(shí)得到灣口截面的流量通過積分獲得膠州灣的納潮量[14]，膠州灣附近的河流徑流相比納潮量極小, 并且多數(shù)河流現(xiàn)在已經(jīng)斷流，對(duì)納潮量的影響可以忽略。本文基于建立的二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)工程前后相同時(shí)段一個(gè)潮周期進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)工程前后納潮量變化進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)大橋建設(shè)對(duì)整個(gè)膠州灣的納潮量改變影響較小，大橋建設(shè)前納潮量計(jì)算結(jié)果約為9.88×108m3，大橋建成后納潮量略有減小，為9.83×108m3。

4結(jié)論

本文利用MIKE21建立膠州灣二維潮流模型，研究了青島膠州灣大橋建設(shè)對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響情況，獲得如下結(jié)論：大橋建設(shè)對(duì)膠州灣整體潮流場(chǎng)改變較小，大橋的影響限于橋位南北1.5 km的范圍內(nèi)，在通航孔橋跨度最大的橋墩之間基本表現(xiàn)為流速較周邊附近海域流速稍大，在小的橋墩的南北兩側(cè)流速均較周邊海域小，在橋墩的東西兩側(cè)海域流速均較周邊海域流速大。大橋的建設(shè)造成大橋斷面兩側(cè)的潮通量和潮位都有所減小，但變化量甚微且基本只在0.2 km內(nèi)的海區(qū)體現(xiàn)，隨距橋體距離增加逐漸減小,大橋?qū)Τ蔽弧⒊蓖康挠绊懛秶驹跇蛭桓浇?/p>

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Numerical Study on the Effect of the Jiaozhou Bay Bridge

Construction on the Hydrodynamic Conditions in the

Surrounding Sea Area

ZHANG Wan-jun，CHI Wan-qing，HU Ze-jian，LIU Jian-qiang，ZHANG Yong-qiang

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061,China)

Abstract:A two dimensional tide current model is established by using MIKE21 and used for the numerical simulation of tidal current field in the Jiaozhou Bay before and after the construction of the Jiaozhou Bay Bridge. Based on these，the effects of the construction of the bridge on the hydrodynamic conditions such as the water level, the tidal current velocity and the tidal flux in the sea area surrounding the bridge are discussed. A comparison has been made between the data measured continuously for tidal current and tidal level in the areas at the two sides of the bridge and the results from the simulation and shows a similar trend between the two results, indicating that the model can reflect accurately the distributions of tidal current field before and after the construction of the bridge. The results from the calculation indicate that the construction of the bridge has, to a certain extent, a choke effect and has reduced the area of the flow section in the sea area around the bridge, thus influencing, to some extent, the hydrodynamic environment in the sea area surrounding the bridge. But the overall current field in the Jiaozhou Bay has been changed little, and the influenced scope is limited within 1.5 km to the north and south of the bridge site.

Key words:Jiaozhou Bay; bridge; hydrodynamic conditions; numerical simulation

中圖分類號(hào)：P731.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張莞君(1990-)，女，碩士研究生，主要從事區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)方面研究.E-mail：zhangwanjun@fio.org.cn(李燕編輯)

收稿日期：*2015-03-15

文章編號(hào)：1002-3682(2015)02-0040-11