外釣光匯石油基地工程水動(dòng)力及海床沖淤數(shù)值模擬分析

祝 悅，倪云林，李康婷，宣勝男

(1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江東天虹環(huán)保工程有限公司，浙江杭州 310012)

外釣山島位于舟山群島西側(cè)，與老塘山港區(qū)隔海相望(圖1)。周邊水深條件良好，具備建設(shè)大型碼頭深水港之條件[1]。舟山外釣光匯石油基地工程位于外釣山島南側(cè)，在基地填海造地的基礎(chǔ)上，布置6個(gè)3 000 t級(jí)油品碼頭泊位和3個(gè)工作船碼頭泊位(圖2)。工程的選址和布置需要參考周邊海域的岸灘演變和歷史沖淤規(guī)律，為此，劉毅飛等[2]利用1962年、1995年、2001年海圖或水下地形圖和淺地層探測數(shù)據(jù)，分析了舟山外釣山島西海岸邊坡的水動(dòng)力、懸浮泥沙及沖淤特征，得到了外釣山島西海岸邊坡“上淤下沖”的演變結(jié)論。宣勝男等[3]基于歷史海圖和水深地形資料，采用GIS技術(shù)，研究分析了外釣山島附近海域沖淤演變，結(jié)果表明在2004-2011年間，該海域經(jīng)歷了由緩慢沖刷到較快淤積的調(diào)整過程，但總體以淤積為主，淤積速率7.6 cm/a。此外，基地工程和碼頭工程的實(shí)施會(huì)對(duì)周邊海域的水動(dòng)力和海床沖淤變化產(chǎn)生影響，需要采用數(shù)值模擬的方法預(yù)測分析。目前，世界上比較成熟的潮流泥沙數(shù)值模型有Delft3D、ECOM、MIKE21等，例如，姜尚等[4]基于Delft3D模型數(shù)值模擬了液體化工碼頭醋酸泄露風(fēng)險(xiǎn)；鮑獻(xiàn)文等[5]應(yīng)用ECOM模式開展了膠州灣潮流計(jì)算；傅杰能和王瓊琳[6]采用MIKE21分析了舟山老塘山港區(qū)2萬t級(jí)碼頭工程潮流數(shù)模及港池泥沙回淤問題；謝中宇等[7]同樣采用MIKE21模型建立了樂清灣潮流水環(huán)境數(shù)學(xué)模型,對(duì)樂清灣區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境及污染物擴(kuò)散輸移進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到Delft3D模式的開源優(yōu)勢，本文將利用該模型分析研究外釣光匯石油基地工程對(duì)海域水動(dòng)力和沖淤變化的影響。

圖1 地理位置示意圖Fig.1 Geographic sketch map

圖2 外釣山島油品基地平面布置Fig.2 Plane layout of oil product base in Waidiaoshan island

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程和定界條件

為了更好的模擬邊界處的流態(tài)，本文采用曲線網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行剖分。曲線坐標(biāo)系ξ-η下的基本控制方程組為[8]：

式中：ζ是潮位；t是時(shí)間；u、v是ξ、η方向上的流速分量；H=h+ζ是實(shí)際水深，其中h為靜水深；f=2ωsinφ是科氏力，其中ω為地轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度；g是重力加速度；C=H1/6/n為謝才系數(shù)，其中n為糙率；Aξ、Aη是渦動(dòng)粘滯系數(shù)；gξ、gη分別對(duì)應(yīng)于曲線網(wǎng)格的 2 個(gè)邊長。

初始條件通過開邊界上的潮位預(yù)報(bào)資料確定，固壁邊界條件取流速的法向分量為零[9]。

1.2 模型建立

本模型先進(jìn)行大范圍計(jì)算，得到基地工程附近的邊界條件，然后利用小范圍的高分辨率網(wǎng)格計(jì)算基地工程周邊流場。大范圍計(jì)算網(wǎng)格共計(jì)640 000個(gè)，網(wǎng)格最大邊長約1 000 m；小范圍計(jì)算網(wǎng)格共計(jì)90 000個(gè)，網(wǎng)格邊長約30 m；計(jì)算時(shí)間步長為60 s。

1.3 模型驗(yàn)證

利用國家海洋局第二海洋研究所的水文測驗(yàn)資料，對(duì)本文模型計(jì)算所得的潮位、流速、流向進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3.1 潮位驗(yàn)證

選取舟山本島西側(cè)岑港碼頭臨時(shí)潮位站的潮位觀測資料進(jìn)行潮位驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合較好，誤差小于8 cm。

圖3 潮位驗(yàn)證Fig.3 Tide level validation

1.3.2 潮流驗(yàn)證

選擇基地工程區(qū)附近4個(gè)錨系潮流站的實(shí)測資料進(jìn)行潮流驗(yàn)證，結(jié)果如圖4(a～d)和圖5(a～d)所示。從大、小潮流速流向的驗(yàn)證曲線來看，流速總體上擬合較好，相對(duì)誤差小于10%；流向除個(gè)別轉(zhuǎn)流時(shí)刻誤差較大外，其余誤差一般小于10°。

綜合潮位、流速、流向的驗(yàn)證結(jié)果，本文模型計(jì)算精度滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》(JTS/T 231-2-2010)中的精度要求，可應(yīng)用于模擬分析基地工程對(duì)水動(dòng)力和海床沖淤變化的影響。

圖4 大潮期1～4#站位流速流向驗(yàn)證Fig.4 Velocity and directions validation with 1-4#stations of spring tide

圖5 小潮期1～4#站位流速流向驗(yàn)證Fig.5 Velocity and directions validation with 1-4#stations of neap tide

2 水文泥沙沖淤變化數(shù)模預(yù)測

2.1 潮流變化預(yù)測分析

將填海工程區(qū)由水域改為陸域，將油品碼頭和工作船碼頭工程區(qū)用等效底摩擦力來模擬碼頭樁基的阻水效果，計(jì)算基地工程實(shí)施后的流場狀況，將計(jì)算結(jié)果與工程前進(jìn)行比較，求得工程前后的潮流場變化情況。

從圖6(a)基地工程實(shí)施前后漲潮平均流速變化情況來看，工程區(qū)東側(cè)圍堤前沿漲潮流速減小明顯，流速減小幅度約20%～40%，而南側(cè)圍堤前沿漲潮流速變化不大；碼頭工程附近海域流速減小幅度在10%以內(nèi)；碼頭對(duì)岸流速有所增大，流速增大幅度為10%～20%。

從圖6(b)基地工程實(shí)施前后落潮平均流速變化情況來看，工程區(qū)東側(cè)圍堤前沿落潮流速減小幅度20%～30%，而南側(cè)圍堤前沿落潮流速變化不大；碼頭工程附近海域流速減小幅度在5%以內(nèi)；碼頭對(duì)岸流速有所增大，流速增大幅度為5%左右。

圖6 基地工程實(shí)施前后潮流速變化百分比Fig.6 The percentage variation of current velocity before and after the construction

2.2 工程后沖淤變化預(yù)測分析

2.2.1 床面沖淤計(jì)算方法

根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)理論中的輸沙平衡原理[10-11]，若只考慮潮流的挾沙能力S*，則

式中，H=h+ζ是實(shí)際水深，g是重力加速度，k是挾沙系數(shù)，取0.5～0.6。假設(shè)工程區(qū)附近的海床在工程前處于不沖不淤的平衡狀態(tài)，但由于填海工程和碼頭工程的實(shí)施，使得漲、落潮流的流速和挾沙能力發(fā)生變化，由此可以選用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式計(jì)算工程后海床的沖淤變化：

式中：α為懸沙沉降機(jī)率，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值0.3左右；ω為沉降速度，取0.000 4 m/s[12]；γ＇s為淤積物干容重 1 750 d500.183，中值粒徑 d50取 0.003 mm；s為平均含沙量；v1、v2為工程前、后的垂線平均流速；h1、h2為工程前、后的水深[13]。

2.2.2 第1年沖淤變化預(yù)測

工程后第1年的沖淤變化如圖7所示。結(jié)果表明：東側(cè)圍堤前沿、碼頭所在區(qū)域及鄰近海域普遍淤積，第1年淤積厚度一般0.05～0.35 m；工作船碼頭和油品碼頭后方淤積相對(duì)較大，達(dá)到0.30～0.40 m；南側(cè)圍堤前沿局部發(fā)生輕微淤積，幅度約0.05～0.15 m；碼頭前沿航道基本處于沖淤平衡狀態(tài)；基地工程造成對(duì)岸老塘山港區(qū)的泥沙略有沖刷，沖刷厚度為0.10～0.15 m。

2.2.3 最終沖淤變化預(yù)測

根據(jù)舟山海域的工程經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有的邊界條件和水文泥沙條件下，一般工程實(shí)施后5 a，海床初步達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)，因此本文將基地工程實(shí)施后5 a的累計(jì)沖淤量作為最終沖淤預(yù)測結(jié)果。

從圖8可以看出，最終沖淤分布趨勢和第1年基本相似。東側(cè)圍堤前沿、碼頭所在區(qū)域及鄰近海域淤積明顯，最終淤積厚度一般約0.1～1.0 m，最大淤積可達(dá)1.2 m，位于碼頭后方，淤積范圍擴(kuò)大至碼頭上下游0.5～1.2 km；南側(cè)圍堤前沿0.1～0.5 m；碼頭前沿航道依舊保持沖淤平衡狀態(tài)；基地工程造成對(duì)岸老塘山港區(qū)海床沖刷0.4～0.5 m。

總的來說，外釣光匯石油基地工程對(duì)附近海域的沖淤變化影響不大。

圖7 工程實(shí)施后第1年沖淤變化Fig.7 Erosion-deposition of the 1st year after the construction

圖8 工程實(shí)施后最終沖淤變化Fig.8 Final erosion-deposition after the construction

3 結(jié)論

外釣光匯石油基地碼頭工程位于外釣島南側(cè)，在基地填海工程基礎(chǔ)上，布置6個(gè)3 000 t級(jí)油品碼頭泊位和3個(gè)工作船碼頭泊位。一方面，受基地填海工程的影響，潮流通道的過流面積有所減小，使得漲落潮流速增大；另一方面，由于碼頭樁基工程的阻水作用，又使周邊的漲落潮流速減小，綜合上述兩個(gè)因素，漲落潮流速在工程區(qū)東側(cè)圍堤前沿和碼頭后方表現(xiàn)為明顯減小，而在碼頭對(duì)岸則有所增加。相應(yīng)地，工程區(qū)東側(cè)圍堤前沿和碼頭后趨于淤積，而碼頭對(duì)岸則趨于沖刷。