秦皇島市人工島工程潮流數(shù)值模擬研究

張 笑，嚴 冰

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001；2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）

秦皇島市人工島工程潮流數(shù)值模擬研究

張 笑1，嚴 冰2

（1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱150001；2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）

建立基于三角形網(wǎng)格的二維潮流數(shù)學(xué)模型，對秦皇島市旅游休閑人工島工程開展了潮流數(shù)值模擬研究。所建模型反映了該海域往復(fù)流形式的運動特征，流向主軸與等深線基本平行。模型結(jié)果表明：（1）人工島建設(shè)影響范圍僅限于人工島周圍局部海域。山海關(guān)港區(qū)及航道、秦皇島港區(qū)及航道分別處于人工島東西兩側(cè)流速減小區(qū)域內(nèi)，山海關(guān)港區(qū)與秦皇島港區(qū)間近岸水域處于流速增大區(qū)域內(nèi)。（2）人工島位置對流場影響較小，流速變化基本控制在0.10 m/s以內(nèi)。最大漲、落潮流速變化分別為0.09 m/s和0.06 m/s。（3）雙魚造型輪廓光滑，水道內(nèi)平均流速控制在0.36 m/s以內(nèi)，最大流速為0.68 m/s。

人工島；數(shù)值模擬；潮汐；潮流

沿海發(fā)達地區(qū)的土地、岸線資源日益緊張，為了尋找新的岸線和土地資源，近年來填海造地呈現(xiàn)加快的趨勢，同時為避免沿岸圍墾所造成的生態(tài)影響，人工島的建設(shè)越來越受到認可和重視。人工島的好處在于周邊空間開闊、受到干擾小、拓展空間廣闊、可創(chuàng)造深水岸線、對生態(tài)影響相對較小等［1］。但同時人工島的建設(shè)會帶來新的人工岸線，改變海底地形，勢必會導(dǎo)致周邊海區(qū)水動力環(huán)境和海床沖淤發(fā)生變化，進而對自身造成影響。因此在人工島的建設(shè)過程中，必須考慮人工島的建設(shè)對周邊海域水動力環(huán)境造成的影響，這對于減小人工島的建設(shè)對海洋環(huán)境的破壞十分重要。近年來對人工島建設(shè)水動力環(huán)境的研究開始逐漸受到學(xué)者們的重視，也開展了一系列研究工作。例如，許婷等針對秦皇島市蓮花島工程開展了潮流泥沙數(shù)值模擬研究，并對工程實施后的水動力以及海床沖淤進行了分析［2］。王諾等以大連海上機場離岸式人工島為模擬對象，構(gòu)建水動力及泥沙輸運數(shù)學(xué)模型，分析了人工島的建設(shè)對金州灣海洋動力的影響及海床沖淤情況，為進一步論證大連海上機場人工島建設(shè)的可行性奠定了基礎(chǔ)［3］。郭磊和楊樹森利用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，并分析了人工島實施前后周圍海域水動力條件的變化［4］。

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，秦皇島市擬建設(shè)秦皇島市旅游休閑人工島工程。本文首先建立基于三角形網(wǎng)格的二維潮流數(shù)值模型，并采用實測水文資料對該模型進行驗證，然后模擬分析秦皇島人工島工程實施后對周圍海域水動力環(huán)境的影響，為工程方案的選定提供技術(shù)支持和參考。擬建人工島位于山海關(guān)港區(qū)南側(cè)。工程海域形勢和水文觀測點布置如1所示。

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

1 工程海域水動力環(huán)境

1.1 潮汐特性

研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉(zhuǎn)潮波控制，靠近半日潮無潮點。據(jù)2009年9月工程區(qū)附近4個潮位站（W1～W4）觀測資料進行調(diào)和分析，潮性系數(shù)（HK1+HO1）/HM2均大于5，說明海域?qū)僖?guī)則日潮區(qū)。該日潮是入射波與反射波疊加的結(jié)果，HK1值介于0.34～0.38 m之間，接近半日潮區(qū)葫蘆島附近HK1值（0.37 m）。

由于本海域靠近無潮點，整體潮差較小。據(jù)統(tǒng)計，大潮潮差以小黑山站（W3）為界，向南北兩端遞減，小黑山站最大潮差為1.77 m，平均潮差0.86 m，其他各站最大潮差均介于1.4～1.5 m之間。大潮、中潮期間各站均表現(xiàn)為明顯的一漲一落的日潮特征，小潮時呈現(xiàn)一定的半日潮特征［5］。

1.2 潮流特性

秦皇島海域的潮流主要表現(xiàn)為半日潮流性質(zhì)［6］。2009年9月15條水文垂線觀測顯示，該岸段潮流總體特征表現(xiàn)為順岸的往復(fù)流，各垂線漲潮流向為WSW向，落潮為ENE向，流向主軸與岸線或等深線基本平行。各垂線整體流速較小，且大、中、小潮差異不很明顯，落潮平均流速略大于漲潮平均流速。各垂線漲潮平均流速介于0.13～0.3 m/s之間，漲潮最大流速介于0.20～0.5 m/s之間，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s之間，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s之間。各站流速在垂線分布規(guī)律上變化不大，呈表層流速大、底部小的變化特征。漲潮流速底、表層平均比值在0.8左右，落潮流速底、表層平均比值在0.75左右［5］。

2 二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立及計算

2.1 計算域的確定及網(wǎng)格劃分

這里采用MIKE21 Flow Model模塊進行計算。工程所在海域靠近渤海無潮點，受入射和反射潮波的綜合影響，潮汐特征復(fù)雜，模型范圍需采用足夠大范圍，才能較合理反映出潮波運動特征，本文模型范圍為渤海海域。模型東西距離約400 km，南北距離約420 km。選取大連老虎灘和煙臺兩個潮位站連線為開邊界，模型邊界條件由ChinaTide［7］軟件計算得到。為了完成對復(fù)雜岸線邊界的模擬，采用三角形網(wǎng)格［8］進行計算，同時通過工程區(qū)域的網(wǎng)格加密提高模擬精度。網(wǎng)格共20 215個網(wǎng)格節(jié)點，38 722個網(wǎng)格單元。模型范圍及網(wǎng)格剖分見圖2。

2.2 模型驗證

為了驗證潮流模型的合理性，采用2009年9月大、中、小潮過程對模型潮位、流速、流向進行了驗證。大潮過程測量時段為2009年9月4日8時～5日9時，期間V8和V13點數(shù)據(jù)缺失；中潮過程測量時段為2009年9月7日14時～8日16時；小潮過程測量時段為2009年9月10日8時～11日9時。大潮時圖中0時刻對應(yīng)9月4日7時；中潮時圖中0時刻對應(yīng)9月7日0時；小潮時圖中0時刻對應(yīng)9月10日0時。

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

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

這里只給出W3測站大中小潮潮位和V4、V11測站大中小潮流速及流向的驗證曲線，如圖3～圖4。由實測與計算結(jié)果的比較可見，各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，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》［9］的要求。因此本文所建立的潮流模型能夠較真實地反映出工程區(qū)附近海域的流動規(guī)律，可以進一步為分析工程后流場變化提供必要的水流動力條件。

圖4 流速、流向驗證Fig.4 Verification of flow velocity and tidal current direction

3 潮流計算結(jié)果分析

3.1 人工島工程概況

根據(jù)工程所在海域自然條件特征和人工島規(guī)劃設(shè)計要求，擬定人工島圍墾面積30 km2，位于石河口和老龍頭南側(cè)，人工島造型定位雙魚人工島［10］。本研究主要對人工島對周圍水流環(huán)境的影響進行計算和分析。本文通過計算在垂直岸線不同距離下人工島附近的潮流場，掌握人工島位置對周圍海域影響規(guī)律的變化，確定較為合理的人工島位置。本文比較了兩種方案。方案一人工島垂直岸線最小距離為1.4 km，方案二人工島垂直岸線最小距離2.4 km。如圖5所示。計算以實測大潮過程為試驗潮型。

為定量反映工程實施后流速流向變化，在相關(guān)海域設(shè)置三組觀測點共35個。山海關(guān)海域港區(qū)航道觀測點H1～H10，間距500 m，沿堤流觀測點D1～D6，間距1 000 m。秦皇島港至山海關(guān)港區(qū)之間海域沿岸觀測點A1～A10，間距1 000 m。秦皇島港10萬t級航道觀測點Q1～Q9，間距1 000 m。如圖6所示。另外在人工島內(nèi)部分別設(shè)置了3個觀測點（E1～E3，F(xiàn)1～F3）。如圖5所示。

3.2 工程前流場特征

圖5 人工島平面布置Fig.5 Plane layout of the artificial island

圖7 為現(xiàn)狀條件下大潮漲、落急時刻流場。水流沿岸往復(fù)運動，漲急時刻潮流沿岸線主要自東北向西南運動；落急時則相反。山海關(guān)航道平均流速0.04～0.25 m/s，最大流速0.39 m/s，位于H7測點；沿堤流測點平均流速0.01～0.43 m/s，最大流速0.75 m/s，位于D1測點；秦皇島港至山海關(guān)港區(qū)之間沿岸觀測點平均流速0.04～0.14 m/s，最大流速0.25 m/s，位于A1測點；秦皇島10萬t航道測點平均流速0.06～0.13 m/s，最大流速0.24 m/s，位于Q8測點。所有觀測點平均流速最大值為0.43 m/s，位于山海關(guān)港區(qū)D1測點。

圖6 觀測點布置圖Fig.6 Layout of observation point

3.3 工程后流場特征

（1）影響范圍及變化趨勢。

由圖7可見，整體上依然表現(xiàn)為順岸的往復(fù)流運動，人工島的實施僅對局部海域流場影響明顯。人工島與陸地之間以及外海局部區(qū)域流速有所增大；人工島迎流和背流面流速有所減小。兩種方案山海關(guān)港區(qū)及航道大部分都處于人工島東北側(cè)流速減小區(qū)域內(nèi)，越靠近人工島流速減小越明顯。山海關(guān)港區(qū)流速減小范圍方案一大于方案二，-0.02 m/s等值線以內(nèi)區(qū)域方案一約40 km2，方案二約12 km2。方案一人工島距山海關(guān)港區(qū)較近，觀測點流速減小較多，平均減小0.04 m/s；方案二人工島距山海關(guān)港區(qū)較遠，觀測點流速減小較少，平均減小0.01 m/s。秦皇島港與山海關(guān)港區(qū)間近岸水域流速增大區(qū)域范圍較小，0.02 m/s等值線以內(nèi)區(qū)域方案一約4 km2，方案二約17 km2。方案一流速增大0.1 m/s以上區(qū)域小于方案二，方案一最大流速增大0.32 m/s左右，方案二最大流速增大在0.36 m/s左右。秦皇島10萬t級航道處于人工島西南側(cè)流速減小區(qū)域。兩種方案對航道的影響都不大，-0.02 m/s等值線以內(nèi)區(qū)域方案一約40 km2，方案二約7 km2。觀測點平均流速減小均在0.02 m/s以內(nèi)，最大流速減小在0.05 m/s以內(nèi)。

（2）不同區(qū)域流速變化。

圖9中四幅圖依次為方案一實施后漲急、落急流場，方案二實施后漲急、落急流場。方案一山海關(guān)航道最大流速0.46 m/s，在H10測點，平均流速0.03～0.18 m/s；沿堤流測點最大流速0.6 m/s，在D1測點，平均流速0.01～0.33 m/s；秦皇島港至山海關(guān)港區(qū)之間沿岸觀測點最大流速0.43 m/s，在A6測點，平均流速0.02～0.16 m/s；秦皇島10萬t航道測點最大流速0.23 m/s，在測點Q9，平均流速0.05～0.12 m/s。方案二山海關(guān)航道最大流速0.42 m/s，在H6測點，平均流速0.05～0.23 m/s；沿堤流測點最大流速0.75 m/s，在D1測點，平均流速0.01～0.40 m/s；秦皇島港至山海關(guān)港區(qū)之間沿岸觀測點最大流速0.38 m/s，在A5測點，平均流速0.04～0.21 m/s；秦皇島10萬t航道測點最大流速0.22 m/s，在測點Q2和Q9，平均流速0.05～0.11 m/s。

（3）內(nèi)部水流及回流情況。

圖7 工程方案實施前漲落急時刻流場圖Fig.7 Flow field before the project implementation

圖8 工程方案實施后全潮平均流速變化等值線Fig.8 The contour map of the whole tidal averaged velocity difference after the project

兩方案人工島內(nèi)水道平均流速均在0.36 m/s以內(nèi)。漲急時刻人工島內(nèi)水流自東側(cè)進入，西側(cè)流出。方案一人工島內(nèi)有1個明顯的回流，回流直徑1 600 m，如圖9-a中1所示；北側(cè)魚背部外側(cè)有一個回流，回流直徑2 500 m，如圖9-a中2所示。方案二人工島內(nèi)有1個明顯的回流，回流直徑為1 600 m，如圖9-c中1所示；北側(cè)魚背部外側(cè)有一個回流，回流直徑4 000 m，如圖9-c中2所示。落急時刻人工島內(nèi)部水自西側(cè)進入，東側(cè)流出。方案一水道內(nèi)部有一個明顯的回流，回流直徑1 600 m，如圖9-b中1所示；東側(cè)出口外側(cè)有1個回流，回流直徑800 m，如圖9-b中2所示；北側(cè)魚尾部外側(cè)有一個回流，回流直徑2 100 m，如圖9-b中3所示。方案二水道內(nèi)部有一個明顯的回流，回流直徑1 600 m，如圖9-d中1所示；北側(cè)魚尾部外側(cè)有一個回流，回流直徑2 400 m，如圖9-d中2所示。方案一回流的尺度小于方案二，兩方案均滿足工程要求。

（4）綜合評價。

比較來看，受影響程度與觀測點距人工島距離呈反比，距離越近受影響程度越大。潮流是泥沙輸運的主要因素之一，流速的增大將直接導(dǎo)致泥沙運動的活躍，因此從保持原有泥沙環(huán)境角度考慮，流速增大值越小、增大范圍越小越有利。0.02 m/s等值線以內(nèi)區(qū)域方案一流速增大范圍小于方案二，-0.02 m/s等值線以內(nèi)區(qū)域方案一流速減小范圍大于方案二。兩種方案內(nèi)部水流和回流情況相差不大。總體來看，人工島內(nèi)部和附近流場主要受人工島所處位置影響不大，兩種方案均滿足工程要求。

圖9 工程方案實施后漲落急時刻流場圖Fig.9 Flow field after the project implementation

4 結(jié)語

本文通過潮流數(shù)學(xué)模型，對秦皇島雙魚人工島工程進行了計算，分析了人工島位置及其對周圍海域水動力環(huán)境的影響。主要結(jié)論如下：

（1）人工島建設(shè)影響范圍僅限于人工島周圍較小的局部海域。山海關(guān)港區(qū)及航道、秦皇島港區(qū)及航道分別處于人工島東西側(cè)流速減小區(qū)域內(nèi)。山海關(guān)港區(qū)與秦皇島港區(qū)間近岸水域處于流速增大區(qū)域內(nèi)。

（2）人工島附近流場受人工島所處位置影響不大。人工島方案實施后，流速有增有減，但變化幅度較小，全潮平均流速基本控制在0.10 m/s以內(nèi)。最大漲、落潮流速變化分別為0.09 m/s和0.06 m/s。

（3）人工島雙魚造型輪廓光滑，漲急時入口外沒有回流，落急時入口處回流范圍較小，且距離口門較遠。水道內(nèi)平均流速不大，在0.36 m/s以內(nèi)，最大流速為0.68 m/s。

（4）秦皇島人工島工程實施后，對周邊海域流場影響較小，工程區(qū)附近有回流出現(xiàn)，水道內(nèi)流速較小，因此從潮流角度考慮，人工島工程是完全可行的。

人工島工程對海洋環(huán)境影響復(fù)雜，不僅僅是水流問題，還涉及泥沙運動、水體交換、岸灘演變等其他方面的問題，均是下一步需要展開的工作。

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Numerical simulation research on tide in artificial island project in Qinhuangdao

ZHANG Xiao1,YAN Bing2
（1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.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）

Through the two?dimensional mathematical model for flow based on triangular mesh,a numerical simulation of Qinhuangdao tourism artificial island project was carried out.The model reflected the main feature of a reciprocating flow along the shore in that sea area,and the principal axis of the flow direction was parallel with the bathymetric contour.The result of the model shows that:（1）the construction of the artificial island will only affect partial area around the artificial island.Shanhaiguan port and channel,Qinhuangdao port and channel are in the ve?locity reduction zone in east and west of the artificial island respectively.The inshore waters between Shanhaiguan port and Qinhuangdao Port are in the velocity increasing zone.（2）The location of the artificial island has a small impact on flow field.The variation of current speed is within 0.10 m/s.The flood and ebb current velocity are 0.09 m/s and 0.06 m/s,respectively.（3）Artificial island modeling has a smooth contour.The average flow rate of water?courses is within 0.36 m/s and the maximum velocity is 0.68 m/s.

artificial island;numerical simulation;tide;tidal current

P 731.2；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0137-06

2016-07-22；

2016-10-13

張笑（1992-），女，天津市人，碩士研究生，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：ZHANG Xiao（1992-），female，master student.