大連太平灣港區(qū)人工湖工程水體交換數(shù)值模擬研究

解鳴曉, 李孟國(guó)，麥 苗, 姚姍姍, 李文丹

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

擬建大連太平灣人工湖工程位于遼東灣仙人島至將軍石岸段的大連太平灣海區(qū)，地理位置約東經(jīng)121°52′、北緯40°0′，具體位置見(jiàn)圖1中所示。目前，太平灣港區(qū)總體規(guī)劃工程正在起步實(shí)施中。為更好的將港區(qū)產(chǎn)業(yè)與城市景觀和諧統(tǒng)一，達(dá)到最佳綜合效果，目前正在籌劃建設(shè)人工湖工程。依托太平灣港區(qū)總體規(guī)劃方案，人工湖景觀工程共分為兩個(gè)區(qū)段，其一為太平角處的太平湖工程，其二為將軍石處的將軍湖工程。兩個(gè)人工湖均為人工疏浚所得的內(nèi)湖，圖2中示意了人工湖工程的平面布置情況。人工湖建設(shè)后，湖內(nèi)水體與外海潮體的交換能力將對(duì)湖內(nèi)水質(zhì)有所影響。因此，全面了解與評(píng)價(jià)人工湖實(shí)施后湖內(nèi)的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及湖內(nèi)水體交換能力，是規(guī)劃中應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素。

圖1 工程區(qū)位示意 圖2 人工湖方案布置示意 Fig.1 Location of the study site Fig.2 Planar layout of the artificial lake

此外，景觀湖的建設(shè)不僅受制于水體交換能力，同時(shí)也需在外海潮汐漲落時(shí)保持一定的最小湖深，以保證游船在湖內(nèi)通航。基于以上考慮，擬在太平湖口門附近設(shè)置攔水潛堤，以保證潮汐落至最低時(shí)，湖內(nèi)仍有一定水深。然而，攔水潛堤的設(shè)置又將阻隔內(nèi)湖與外海的潮體交換，隨潛堤高程的增加，湖深條件更佳，但同時(shí)亦將降低湖內(nèi)水體交換能力。總體來(lái)說(shuō)，最大湖深與湖內(nèi)水體交換能力是一對(duì)矛盾體，需平衡取舍。

對(duì)半封閉海灣內(nèi)工程建設(shè)對(duì)水動(dòng)力及水體交換能力的研究多采用基于過(guò)程的數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)手段，技術(shù)手段較為成熟，并在大量工程案例中得到廣泛應(yīng)用，例如羅鋒[1]、劉浩[2]等人分別對(duì)樂(lè)清灣、深滬灣內(nèi)的納潮量及水體交換情況進(jìn)行了研究；許雪峰[3]、沈林杰[4]等人探討了圍墾工程建設(shè)對(duì)三門灣及河口地區(qū)水體交換的影響；王靖鑫[5]利用二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型，從水體交換能力和泥沙輸運(yùn)角度，探尋了旅順琥珀灣工程治理的合理方案等。

本文在對(duì)工程海域水動(dòng)力環(huán)境全面分析的基礎(chǔ)上，采用潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)、守恒性物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，以北側(cè)太平湖為例，對(duì)太平灣人工湖方案的整體流態(tài)、湖區(qū)內(nèi)的水體交換能力進(jìn)行研究，并論證了湖區(qū)口門潛堤高程對(duì)水體交換的影響規(guī)律，結(jié)論可為大連太平灣人工湖工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

表1 太平湖各工況條件示意Tab.1 Scenarios of the Taiping artificial lake

1 研究區(qū)域概況

1.1 工程方案概況

太平灣港區(qū)總體規(guī)劃方案由陸域圍墾、進(jìn)港航道及內(nèi)港池三部分組成，其中進(jìn)港航道底高程為-16.0 m，內(nèi)港池根據(jù)不同功能區(qū)劃，分為-16.0 m和-11.0 m兩種底高程。太平湖工程位于太平灣港區(qū)的東北角處，向東浚深形成內(nèi)湖，口門寬度約370 m，設(shè)計(jì)湖底高程-4.7 m，湖中建設(shè)人工島嶼。為保證湖內(nèi)在潮流漲、落時(shí)可保有一定水體，在口門附近設(shè)置攔水潛堤。潛堤頂高程需論證，表1中給出了工況條件。

1.2 工程海域水動(dòng)力環(huán)境

太平灣港區(qū)位于遼東灣東岸，屬岬灣沙質(zhì)海岸類型，基巖岬角眾多，岬角間發(fā)育海灣，遼東灣內(nèi)潮波由太平洋潮波經(jīng)渤海海峽老鐵山水道傳入，潮汐屬不規(guī)則半日潮，且日潮不等現(xiàn)象明顯。據(jù)2010年5月29日～6月27日實(shí)測(cè)水文資料[6]，太平角平均潮差1.88 m，最大潮差3.08 m，最小潮差0.89 m；潮流類型為規(guī)則半日潮流，運(yùn)動(dòng)形式屬往復(fù)流，圖4～圖5中分別給出了實(shí)測(cè)大、小潮期間的工程海域潮流運(yùn)動(dòng)矢量。

圖3 海域2010年實(shí)測(cè)大潮流速矢量 圖4 海域2010年實(shí)測(cè)小潮流速矢量 Fig.3 Current vector of 2010 spring tideFig.4 Current vector of 2010 neap tide

據(jù)文獻(xiàn)[6]中統(tǒng)計(jì)，各站漲、落潮平均流向隨位置不同略有變化，大潮漲潮時(shí)1#、2#、6#、7#站靠岸側(cè)潮流向?yàn)?0°左右，靠海側(cè)潮流呈50°～60°變化，3#～5#站由于受太平角挑流的影響，流向呈30°～50°變化；落潮時(shí)，1#、3#由于太平角挑流和過(guò)岬角后潮流向太平灣內(nèi)擴(kuò)撒，其落潮流向太平灣內(nèi)擴(kuò)散，其流向分別為248°、208°，其他各站呈225°～237°間。大潮漲潮時(shí)，除1#處于向太平角北側(cè)灣內(nèi)擴(kuò)散而流速為0.36 ms外，其他各站均在0.41～0.51 ms間，其變化為岸側(cè)稍小，深水區(qū)稍大。3#～5#間由于局部地形作用，相對(duì)4#站流速略低。大潮落潮時(shí)各站流速介于0.35～0.40 ms，其中以3#～4#由于處于淺水區(qū)域而流速稍小，僅在0.35～0.36 ms。大潮垂線漲潮最大平均流速在0.65～0.95 ms，落潮時(shí)均處于0.64～0.74 ms間。

2 數(shù)值模擬計(jì)算方法

潮流數(shù)學(xué)模型理論采用平面二維淺水方程組，其基本形式見(jiàn)式(1)～式(3)。其中h為總水深；g為重力加速度；u和v分別為垂線平均流速在x,y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)；ρ為水體密度；Ex和Ey分別為x,y方向的水平紊動(dòng)粘性系數(shù)，可由Smagorinsky方程求解；τbx、τby分別為床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy分別為波浪輻射應(yīng)力的各向分量。

模擬中計(jì)算域剖分采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并采用多尺度模型嵌套手段。圖5中示意了模型計(jì)算范圍與網(wǎng)格配置情況，其中最小網(wǎng)格尺度為30 m。大尺度模型潮位邊界條件由東中國(guó)海潮波運(yùn)動(dòng)模型提供，并考慮8個(gè)主要分潮(S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M2)。

(1)

(2)

(3)

對(duì)水體交換程度的模擬采用示蹤劑法，即在水城內(nèi)部設(shè)置溶解態(tài)無(wú)降解守恒物質(zhì)，并考察其在潮流動(dòng)力作用下的濃度擴(kuò)散情況。示蹤劑輸運(yùn)采用基于歐拉物質(zhì)輸運(yùn)的對(duì)流擴(kuò)散方程形式，見(jiàn)式(4)

(4)

式中：C為守恒性物質(zhì)濃度；Dwx和Dwy分別為x、y方向的物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，可取為和紊動(dòng)粘性系數(shù)相等；F為物質(zhì)衰減系數(shù)，守恒性物質(zhì)取為零。

2.1 模型建立與驗(yàn)證

5-a 計(jì)算域范圍 5-b 局部模型網(wǎng)格剖分圖5 模型計(jì)算域及網(wǎng)格配置Fig.5 Model domain and mesh resolution

為擬合復(fù)雜岸線和航道、堤線等細(xì)致建筑物邊界，潮流數(shù)學(xué)模型中采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分，并采用大范圍與局部模型嵌套方式進(jìn)行計(jì)算，以消除模型范圍過(guò)小帶來(lái)的邊界傳入誤差。圖5-a中示意了模型嵌套范圍，其中大范圍包含整個(gè)渤海海域；局部模型北至營(yíng)口港鲅魚(yú)圈港區(qū)以北，南至長(zhǎng)興島，西至約-30 m等深線。局部模型所需的潮位邊界數(shù)值可由大范圍模型提供。圖5-b中示意了局部模型的網(wǎng)格剖分情況，最小空間步長(zhǎng)為5 m，能夠保證充足的網(wǎng)格分辨率。

模型驗(yàn)證依據(jù)2010年實(shí)測(cè)大、中、小潮水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)(測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3～圖4)。為節(jié)約篇幅，僅以大潮為例給出了部分測(cè)站潮位、流速流向驗(yàn)證結(jié)果，如圖6中所示。其它驗(yàn)證成果可見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，符合現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖6 大潮潮位、流速流向驗(yàn)證(2010年5月29日 8:00～5月30日12:00)Fig.6 Model validation of the tidal level and current speeddirection

2.2 水體交換統(tǒng)計(jì)方法

目前對(duì)水體交換常用的數(shù)值模擬手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統(tǒng)計(jì)，其原理為在所研究水域內(nèi)設(shè)置溶解性守恒物質(zhì)，該物質(zhì)將隨水體攜帶，且無(wú)降解。因此，守恒物質(zhì)的對(duì)流與擴(kuò)散直接反映了水體的運(yùn)動(dòng)形式?；谝陨峡紤]，本研究中于太平湖內(nèi)布置初始濃度為1.0的守恒性物質(zhì)，湖外及外海水域物質(zhì)濃度設(shè)置為0.0。為充分了解現(xiàn)狀條件下各湖區(qū)內(nèi)水體交換的時(shí)間過(guò)程，本次模擬時(shí)段采用連續(xù)潮作用一個(gè)月。由于采用守恒物質(zhì)，衰減系數(shù)取F=0，點(diǎn)源濃度設(shè)置S=0。物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)取為與水流紊動(dòng)粘性系數(shù)相等。經(jīng)一定的時(shí)間過(guò)程后，自湖內(nèi)擴(kuò)散至湖外的物質(zhì)總量占湖內(nèi)初始物質(zhì)總量的百分比即為水體交換率，統(tǒng)計(jì)計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式(6)

(6)

式中：EX為水體交換率；C為物質(zhì)濃度；D為總水深；i為統(tǒng)計(jì)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)；N為統(tǒng)計(jì)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；j為時(shí)刻編號(hào)。

3 人工湖內(nèi)水體交換模擬及分析

3.1 潛堤高程對(duì)湖內(nèi)流態(tài)分布影響

以大潮為例，圖7～圖9中分別給出了各工況湖內(nèi)流態(tài)歷時(shí)過(guò)程。經(jīng)分析：

(1)工況S1#。漲潮時(shí)，外海潮體受太平灣港區(qū)北防波堤歸束，口門外側(cè)水體呈自西向東運(yùn)移，部分進(jìn)入口門內(nèi)，部分跨過(guò)口門繼續(xù)向東北側(cè)流動(dòng)；隨進(jìn)一步漲潮，外海潮體進(jìn)一步進(jìn)入湖區(qū)內(nèi)部，口門流速逐漸增大。由于流速量值較低，潮體未達(dá)湖區(qū)末端時(shí)已開(kāi)始落潮。漲憩時(shí)，口門內(nèi)可有較弱回流生成。落潮基本為漲潮的反過(guò)程，湖內(nèi)水體隨落潮流并入外海主流，并呈自東向西流動(dòng)。

(2)工況S2#。由于太平湖湖區(qū)外觀未變，從而流場(chǎng)整體形態(tài)與方案S1#基本相同。然而，值得注意的是，由于口門內(nèi)設(shè)置攔水潛堤，其高程為-1.7 m。在潛堤上方，由于水深陡然變淺，從而在過(guò)水?dāng)嗝媸臈l件下，潛堤上方流速局部有所增大。

(3)工況S3#。由于潛堤高程修筑至85高程基面以上+1.0 m，僅能在大潮部分潮時(shí)可有部分潮體進(jìn)入湖內(nèi)，從而湖內(nèi)水體在大多數(shù)潮時(shí)與外海隔絕，成為封閉池湖，且在湖內(nèi)形成極為微弱、較為散亂的回流流態(tài)。此外，由于相當(dāng)于縮小了有效納潮面積，外海漲潮時(shí)水體更加難以進(jìn)入口內(nèi)，導(dǎo)致湖內(nèi)流速全面降低。

綜上分析，由于各湖區(qū)口門朝向與外海潮流運(yùn)動(dòng)主軸夾角較大，從而湖內(nèi)水體流動(dòng)僅靠納潮驅(qū)動(dòng)?？傮w而言湖內(nèi)流速均維持在較低水平，較為平靜，適合游艇通航。然而，對(duì)太平湖而言，攔水潛堤建設(shè)將進(jìn)一步降低流速，甚至在較高潛堤的條件下可將一定的外海潮體與湖內(nèi)隔絕，可能造成與外海水體交換不通暢，是值得注意的問(wèn)題。

圖7 工況S1#太平湖內(nèi)流態(tài)過(guò)程(左為漲急，右為落急)Fig.7 Current field in the Taiping Lake of S1#

圖8 工況S2#太平湖內(nèi)流態(tài)過(guò)程(左為漲急，右為落急)Fig.8 Current field in the Taiping Lake of S2#

圖9 工況S3#太平湖內(nèi)流態(tài)過(guò)程(左圖為漲急，右圖為落急)Fig.9 Current field in the Taiping Lake of S3#

3.2 潛堤高程對(duì)湖內(nèi)濃度分布影響

根據(jù)上節(jié)中對(duì)湖內(nèi)流態(tài)的研究結(jié)論，太平湖內(nèi)流速很低，且平面呈現(xiàn)口門相對(duì)較高，末端流速幾乎為零的趨勢(shì)，這種流態(tài)格局將對(duì)水體交換率產(chǎn)生影響。因此，為全面了解各工況建設(shè)后，特別是太平湖內(nèi)攔水潛堤建設(shè)后的水體交換能力情況，圖10～圖12中分別給出了不同代表工況條件下各湖區(qū)內(nèi)在某個(gè)漲、落潮循環(huán)作用下的濃度時(shí)空分布過(guò)程，經(jīng)分析：

(1)對(duì)不設(shè)置攔水潛堤的工況S1#而言，漲潮時(shí)，在指向湖內(nèi)的潮體作用下，清澈海水進(jìn)入湖內(nèi)，并摻混稀釋湖內(nèi)相對(duì)濃度較高的水體，隨逐漸漲潮，可稀釋的水體越來(lái)越多；至落潮時(shí)，湖內(nèi)原有相對(duì)濃度較高的水體，以及稀釋后的水體一并隨落潮流出外海。經(jīng)過(guò)一個(gè)漲落潮循環(huán)，部分湖內(nèi)水體可對(duì)流擴(kuò)散出口門，并由外海潮體帶至相鄰的其他近海水域。

(2)對(duì)攔水潛堤高程為-1.7 m的工況S2#而言，由于地形局部抬高，納潮容積變小，盡管在低潮位時(shí)潛堤不出露，但其湖區(qū)內(nèi)交換能力與S1#相比略低。

(3)對(duì)攔水潛堤高程為+1.0 m的工況S3#而言，由于潛堤高程已顯著影響湖內(nèi)水位，絕大多數(shù)潮時(shí)外海水體無(wú)法進(jìn)入湖內(nèi)，從而湖區(qū)濃度最高，且在潮位低于+1.0 m時(shí)整個(gè)太平湖區(qū)成為封閉池湖，水體與外海無(wú)交換，僅在大、中潮落潮初期時(shí)可有極少水體流出外海，水體交換能力很低。

(4)無(wú)論何種工況條件下，太平湖區(qū)內(nèi)濃度分布均呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，其中靠近口門一側(cè)由于直接與外海相通，從而交換能力較強(qiáng)，但湖區(qū)末端由于流速很低，且距離口門較遠(yuǎn)，在對(duì)流作用下難以直接交換，而主要通過(guò)摻混擴(kuò)散的形式與相鄰水體進(jìn)行稀釋，并隨落潮流逐漸流出該區(qū)。

總體而言，對(duì)各工況而言，湖區(qū)呈現(xiàn)出口門附近交換率較高，末端交換率很低的分布趨勢(shì)。太平湖攔水潛堤高程增高后，湖區(qū)內(nèi)濃度逐漸增高，顯示出更低的交換能力。

圖10 工況S1#太平湖內(nèi)濃度過(guò)程(左為漲急，右為落急)Fig.10 Concentration in the Taiping Lake of S1#

圖11 工況S2#太平湖內(nèi)濃度過(guò)程(左為漲急，右為落急)Fig.11 Concentration in the Taiping Lake of S2#

圖12 工況S3#太平湖內(nèi)濃度過(guò)程(左為漲急，右為落急)Fig.12 Concentration in the Taiping Lake of S3#

3.3 潛堤高程對(duì)水體交換影響

圖13中給出了各工況條件下的日均水體交換率時(shí)間過(guò)程，表2中給出了30 d內(nèi)太平湖水體交換率的計(jì)算數(shù)值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)太平湖不建潛堤條件下，外海潮體可不受阻攔進(jìn)入湖內(nèi)，并隨落潮向外擴(kuò)散，水體交換能力最佳，月交換率可達(dá)86%左右。

(2)隨攔水潛堤頂高程抬升，月水體交換率逐漸降低，這是由于當(dāng)潛堤高程逐漸抬高時(shí)，特別是當(dāng)頂高程位于85高程下-1.7 m以上時(shí)，開(kāi)始有部分潮體被潛堤阻攔，愈加難以進(jìn)入湖內(nèi)。當(dāng)潛堤高程為+1.0 m時(shí)，僅在中、大潮的高潮位附近時(shí)刻才有潮水進(jìn)入湖內(nèi)(見(jiàn)圖14)，小潮時(shí)甚至無(wú)潮水進(jìn)入，導(dǎo)致其水體極難與外海交換，月交換率僅為29%。

圖13 各工況日均水體交換率時(shí)間過(guò)程Fig.13 Time series of the water exchange rate for different scenarios

圖14 不同潛堤工況太平湖區(qū)外海潮位歷時(shí)過(guò)程對(duì)比Fig.14 Time series of the tidal level in the offshore

綜上分析，對(duì)太平湖口門攔水潛堤而言，其高程決定了水體交換能力的量級(jí)。當(dāng)潛堤高程不斷抬高，水體交換能力逐漸變差。根據(jù)以上結(jié)論，從改善太平湖內(nèi)水體交換能力角度，不建議攔水潛堤修筑過(guò)高。

表2 人工湖各方案工況日均水體交換率數(shù)值Tab.2 Water exchange rate values for different scenarios

4 結(jié)論

本文圍繞大連太平灣人工湖工程水動(dòng)力及水體交換能力開(kāi)展研究，建立了潮流、守恒性物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，并以太平湖為例對(duì)人工湖不同潛堤工況實(shí)施后的湖內(nèi)流態(tài)、水體交換率時(shí)空分布進(jìn)行了模擬研究，得到以下結(jié)論：

(1)各湖區(qū)水體流動(dòng)僅靠納潮，流速整體均較低，大潮平均在0.2 m/s以內(nèi)。流速分布呈口門附近略高，湖區(qū)末端接近靜水的趨勢(shì)。太平湖攔水潛堤高程越高，湖內(nèi)流速越低。總體而言湖內(nèi)較為平靜，適合游艇通航。

(2)湖區(qū)呈現(xiàn)出口門附近交換率較高，末端交換率很低的平面分布趨勢(shì)。太平湖不建潛堤條件下,水體交換能力最佳，月交換率可達(dá)86%左右。如攔水潛堤頂高程抬升，則月水體交換率降低，當(dāng)潛堤高程為85高程上+1.0 m時(shí)，月交換率僅為29%。總體而言，攔水潛堤的高程決定了水體交換能力的量級(jí)。在方案選取中，應(yīng)結(jié)合人工湖的規(guī)劃功能等其他條件綜合取舍。

(3)如期改善湖內(nèi)水質(zhì)，建議盡可能降低攔水潛堤高程，減少湖區(qū)內(nèi)的無(wú)效水深?？煽紤]定期對(duì)湖區(qū)內(nèi)進(jìn)行換水；可考慮將潛堤設(shè)置為橡膠壩形式，定期下降高程泄水。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制污染物直接排放至湖區(qū)內(nèi)部。

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