離岸人工島內(nèi)水環(huán)境的影響研究

朱宇新，李 欣（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

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離岸人工島內(nèi)水環(huán)境的影響研究

朱宇新，李 欣
（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

摘要：近年來，沿海各地通過填海造地的方式向海洋要地，建設港口及旅游業(yè)，導致填海工程對所在海域水體交換能力發(fā)生變化，影響水環(huán)境。本研究針對北戴河新區(qū)擬建人工島，對不同功能建設方案進行研究，運用MIKE21 flow model 模塊探討研究人工島后在不同開口條件下所在海域的水體交換、污染物擴散及污染物存留率的變化規(guī)律，進而評價人工島對水環(huán)境的影響。在考慮人工島景觀與自身凈化能力達到要求的前提下， 綜合考慮人工島和水環(huán)境的諸多因素，給出了可供規(guī)劃參考的人工島推薦方案。

關鍵詞：人工島；北戴河新區(qū)；MIKE21 FM；水交換

引 言

在近海開敞水域里建設離岸式人工島，將會對周邊水動力及水環(huán)境條件產(chǎn)生影響，為了保護海洋環(huán)境、促進旅游人工島健康、可持續(xù)發(fā)展，需要對人工島布置方案進行研究，通過人工島布置方案及周邊水動力條件的研究，分析有利于島內(nèi)水交換的布置情況［1］， 提出人工島建設的推薦方案。

本文利用MIKE21 FM模塊，對人工島所在海域潮流場及島內(nèi)水質(zhì)情況進行模擬研究，對人工島內(nèi)部不同開口布置方案進行分析，既解決了實際問題，也為從事這方面研究的技術人員提供了參考資料。

1 研究內(nèi)容及方法

1.1 人工島位置及海區(qū)情況介紹

人工島位于撫寧縣洋河口與人造河口之間、森林公園東側(cè)的近海海域，人工島離岸0.5 km，外形為半徑0.5 km的圓，外圍設防波堤，防波堤外側(cè)周長3 824 m，頂寬76.5 m，中間為1 141 m的中央干道，島上東西兩側(cè)分別設置50 m寬的口門，以供島內(nèi)海水交換和通航要求；在島內(nèi)設置14個半島，通過開設過水通道來增加內(nèi)部水交換能力。

人工島所在海域多年平均氣溫11.0 ℃，年平均最高氣溫16.8 ℃，年平均最低氣溫6.3 ℃。年平均風速2.2 m/s，4月平均風速最大， 8月份平均風速最?。辉摵Ｓ驗橐?guī)則日潮型，平均高潮位1.24 m，漲潮流向WSW，落潮流向ENE，與等深線平行，常浪向為S，次常浪向SSW；場區(qū)屬于海蝕型砂質(zhì)淺灘。

1.2 研究方法、模擬條件

作為旅游人工島，其內(nèi)部水體交換能力一直是研究的重點，本次研究中對內(nèi)部半島調(diào)整、水道的設計來分析其水體交換能力。根據(jù)前人的研究［2］，水體交換能力通常采用水體半交換周期來進行衡量，即在相同體量條件下，一半水體通過物理擴散遷移出去所需要的時間，水體半交換周期越短，其水交換能力越強，反之則水交換能力越弱。

在研究水交換過程中，以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為人工島內(nèi)的示蹤劑，通過建立對流-擴散型的海水交換數(shù)值模型對人工島的水交換進行模擬研究。

考慮到人工島位于洋河口與人造河口之間森林公園東側(cè)的近海海域，人工島的建設將會對局部水動力條件產(chǎn)生影響，故為了保證所采用模型在研究海域的準確性，計算開邊界遠離人工島，所選取的計算區(qū)域（如圖1所示），西起岸線，南至撫寧，北至北戴河海港區(qū)，東至外海-25 m等深線處，南北跨度51.7 km，東側(cè)開邊界距人工島約38.8 km，模型范圍內(nèi)水域面積約2 127 km2。

圖1 計算區(qū)域及驗證點位置

對整個計算區(qū)域用非結(jié)構化網(wǎng)格進行剖分，在人工島附近加密剖分，其中最小網(wǎng)格邊長13 m，最小網(wǎng)格面積107.2 m2，外海網(wǎng)格寬度相對較大，全部計算區(qū)域共生成 28 134個三角元，結(jié)點14 746個（如圖2所示）。

圖2 計算區(qū)域的網(wǎng)格部分

為了研究人工島內(nèi)不同布置方案條件下的水交換情況，對主要四種通道方案進行研究，各方案局部網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 各方案網(wǎng)格剖分

1.3 模型驗證

潮流數(shù)學模型驗證采用2010年8月的現(xiàn)場實測水文資料［3］，共對9個潮流站和1個潮位站進行驗證，結(jié)果表明：計算的水位過程與實測資料吻合較好；計算流速值與實測流速吻合較好，且流態(tài)也較合理，能夠反映出工程區(qū)附近海域的潮流狀況，可用于進一步工程問題的研究。

圖4 潮位驗證

圖5 流速驗證

圖6 流向驗證

2 方案計算

2.1 納潮量計算結(jié)果

人工島內(nèi)各方案的布置將會改變島內(nèi)水體的納潮量及潮流場，為了分析各因子對水交換的敏感程度［4～5］，本文對不同布置方案下的平均納潮量進行了分析。

表1給出了在不同方案布置情況下，人工島內(nèi)納潮量與水體總量的關系，從表可以看出人工島島內(nèi)水域面積較小，約53 hm2，島內(nèi)增設過水通道及改變局部半島的透水屬性，基本不會改變平均納潮量。但由于過水通道的改變，將改變島內(nèi)水動力條件，從而對島內(nèi)水交換能力產(chǎn)生直接影響，由此可見，在近岸區(qū)域布置人工島，在人工島外部輪廓確定的前提下，島內(nèi)布置結(jié)構的改變基本不會對島內(nèi)納潮量產(chǎn)生明顯影響，從而說明改善島內(nèi)水交換能力主要因素來源于島內(nèi)水動力條件的優(yōu)化。

表1 不同計算工況、人工島內(nèi)納潮量與水體總量的關系

2.2 水交換情況

在水交換計算過程中，假定水體濃度為均勻分布，并給定初始人工島內(nèi)污染物濃度為G0=1，島外外水體濃度為G0=1，在潮流作用下，島內(nèi)外水體產(chǎn)生交換，在交換過程中島內(nèi)水質(zhì)不斷更新，濃度逐漸減小，島內(nèi)平均濃度變?yōu)?0＜G＜1，當島內(nèi)的平均濃度降低到 0.5時所用時間即為水體的半交換周期。半交換周期越短，則水體交換能力越強［6～7］。

通過對人工島內(nèi)不同布置及口門方案的研究，計算各方案下水體交換能力，可以發(fā)現(xiàn)，人工島內(nèi)部水流流態(tài)及動力條件是影響島內(nèi)部水體交換能力的主要因素，而島內(nèi)過水通道是改變水流流態(tài)最主要因素。具體表現(xiàn)為：

1）通過統(tǒng)計人工島內(nèi)各結(jié)占交換率所占水域面積的占標率情況（即島內(nèi)某個時刻、相同交換率所占水域面積與島內(nèi)總的水域面積的比值），以方案一為例分析得知，從起始時刻起，島內(nèi)交換率在20 %以下面積的占整個水域面積的比率從89.3 %逐漸下降，在100 h后降至32.1 %；交換率在20 %～60 %間的占標率在整個模擬期間基本穩(wěn)定，維持在20 %以下；而交換率在80 %以上的水域面積隨著時間的推移逐漸增大，在100 h的模擬周期內(nèi)，占島內(nèi)水域面積可達到30 %以上。根據(jù)分析可以說明在水體交換過程中，島外水體通過口門向島內(nèi)侵入，逐漸將高濃度（G0=1）的水體混合、攜帶出島外，在此過程中，交換率在20 %～60 %之間的水域面積為過渡的臨界水域，所占整個島內(nèi)水域面積較小，僅占人工島30 %的水域面積，而其他水域面積或為人工島底部、高濃度、難以擴散的區(qū)域，或為接近口門附近、低濃度、易交換的區(qū)域，但隨著時間的推移，人工島底部、高濃度、難以擴散的區(qū)域也將逐漸被稀釋。

2）從方案一與方案二中交換率為 0～10 %和80 %～90 %在各個時刻對應的占標率可以看出（如圖8所示），在人工島內(nèi)過水通道不變的情況下，方案二通過減少人工島內(nèi)填海用地的面積，從而增大水域面積，增大島內(nèi)納潮量，有利于島外水體涌入、混合，對起始時刻島內(nèi)水體濃度下降具有重要作用，但在長時間交換過程中，高濃度和低濃度水體所占島內(nèi)水域面積基本一致，不利于島內(nèi)底部水體的交換。由此可見，通過減少人工島內(nèi)填海區(qū)、增加納潮量不能有效提高島內(nèi)水交換率。

圖7 方案一中各交換率所占水域面積的占標率對比曲線

圖8 方案一二對比曲線

3）方案三與方案四是在人工島中軸線上開設過水通道，來改變島內(nèi)水動力條件，從而達到改善內(nèi)部水體交換的目的。統(tǒng)計各方案下島內(nèi)總水體交換率變化（如圖9和表2所示）可以發(fā)現(xiàn)，水體半交換周期差異較大，這主要與島內(nèi)水動力強弱有關，其中方案一與方案二的水體半交換周期分別為79 h和44 h，方案三開設了三個過水通道，但在漲落潮過程中潮流均從中間的過水通道穿過，而對兩側(cè)的水動力條件影響較小，在西北側(cè)的水交換速度仍較弱，在此方案下水體半交換周期為 29.5 h；而僅在島內(nèi)西北與東南設置兩過水通道后（方案四），潮差的影響將加強島內(nèi)水動力條件，尤其加強了島底部的水流條件，更有利于底部水體的交換，水體半交換周期為27.3 h，在100 h后水交換率可達到75 %，如圖10所示。

表2 不同計算工況條件下人工島各時刻水體交換率情況

圖9 各方案布置下島內(nèi)總水體交換率變化曲線

圖10 各方案布置下100 h后島內(nèi)水交換率分布情況

4）通過對人工島內(nèi)部多方案布置的研究，可以發(fā)現(xiàn)，在人工島內(nèi)部西北側(cè)區(qū)域的水體交換較緩，所以在優(yōu)化設計中盡可能加大方案四中西北側(cè)的通道，以便于西北側(cè)水體的交換。通過預測在西北側(cè)通道由20 m增大為60 m后，整個人工島內(nèi)水交換能力有較大地增強。

圖11 方案四優(yōu)化后的布置及100 h后水交換率情況

3 結(jié) 語

人工島作為一種實現(xiàn)填海造陸的手段，越來越多地應用于港口建設及旅游項目的建設中，人工島對海域的影響不僅僅是對水動力環(huán)境的影響，更多的是由于人工島建設改變了水動力環(huán)境而帶來的水質(zhì)環(huán)境的影響，為了保護環(huán)境，使工程建設不造成難以預料的環(huán)境影響，開展人工島對海域水環(huán)境影響的數(shù)值研究是必要的［8］。本文通過對北戴河新區(qū)人工島內(nèi)部水質(zhì)的研究，分析在不同方案布置條件下水交換率的情況，結(jié)果表明：

1）在近岸區(qū)域布置人工島，由于人工島內(nèi)水域面積相對較小，島內(nèi)布置結(jié)構的改變不會明顯改變島內(nèi)納潮量；納潮量的增大，對內(nèi)部高濃度水體交換有一定作用，但并不是影響水交換能力的主要因素；島內(nèi)水交換能力的大小主要取決于島內(nèi)水動力攜帶作用的強弱；

2）當在人工島中間開設過水通道時，潮流直接從通道內(nèi)穿過，而島嶼兩翼的水動力改善不明顯，因此兩翼位置水交換率沒有明顯提高；

3）在島內(nèi)西北與東南設置兩過水通道后，潮差的影響將加強島內(nèi)水動力條件，明顯地改善了島內(nèi)水流條件，極大提高了水交換率；考慮到人工島西北側(cè)水交換相對較弱的情況，應加大在西北側(cè)過水通道的布設，對整個島內(nèi)的水交換能力有增強作用。

本文對人工島內(nèi)水環(huán)境的研究，通過多方案過水通道的布置，使得島內(nèi)水流流暢，有利于水體交換，為規(guī)劃設計提供了可參考的方案。

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Effect of Water Environment of Offshore Artificial Island

Zhu Yuxin， Li Xin
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering.， M.O.T.， Tianjin 300456， China）

Abstract：Recently， many sea reclamation projects have been carried out along China coastal line in order to construct port and develop tourism， which results in the change of water exchange capacity and impacts local water environment.Based on the proposed artificial island in Beidaihe new district， the schemes that consider different functions are compared and analyzed， MIKE21 flow module is used to study the variation of water exchange， pollutants diffusion and retention rate under the condition of different entrances of artificial island.In addition， an evaluation is made for the effect of artificial island on local water environment.At last， a suitable layout plan of artificial island is put forward by considering relevant factors， and the artificial island layout must meet the landscaping and self-purifying requirements.

Key words：artificial island； Beidaihe new district； MIKE21 FM； water exchange

中圖分類號：U651+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0001-05

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160201

收稿日期：2015-04-13

作者簡介：朱宇新（1982-），男，高級工程師，主要從事海洋環(huán)境與評價工作。