海南?；◢u內(nèi)海圍堤工程及其影響數(shù)值模擬研究

張 征，左書華，崔 成

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室, 天津 300456)

1 概 述

海花島項目位于海南省儋州市排浦港與洋浦灣之間的海灣區(qū)域，南起排浦鎮(zhèn)，北至馬井鎮(zhèn)，總跨度6.8 km。通過吹填造陸，共建3個人工島，人工島之間以聯(lián)系橋連接，總?cè)纬申懙孛娣e7.53 km2，形成海岸線39.44 km，工程建設(shè)區(qū)海域概況見圖1。

?；◢u由3個人工島串聯(lián)而成，其中1#島將打造為綜合服務(wù)區(qū)，主要含風(fēng)情酒店、商務(wù)會議、健康養(yǎng)生、運(yùn)動、溫泉、飲食、酒吧等旅游配套服務(wù)；2#島、3#島為配套旅游地產(chǎn)。根據(jù)設(shè)計要求，在3個島嶼與內(nèi)陸之間設(shè)置堤壩形式的橋梁，使3個島嶼與東南側(cè)內(nèi)陸之間形成內(nèi)海。由于上下游堤壩及島與島之間的設(shè)置堤壩結(jié)構(gòu)，改變了原有水動力條件。為分析內(nèi)海圍堤工程建成后，工程周圍流場、泥沙運(yùn)動趨勢及其影響，本文采用波浪潮流泥沙數(shù)值模擬技術(shù)，模擬計算?；◢u人工島內(nèi)海圍堤工程建設(shè)后，周圍海域水動力和海床沖淤變化，為相關(guān)研究提供基本依據(jù)。

圖1 ?；◢u工程海域概況及水文測站圖

2 研究區(qū)域概況

1) 海南洋浦地區(qū)地處低緯，氣溫較高，年際變化不大，多年平均氣溫24.7℃，年平均降水量1 113.8 mm。該區(qū)受季風(fēng)影響，冬半年多ENE和NE風(fēng)，夏半年多SW及SSW風(fēng)，常風(fēng)向ENE，次常風(fēng)向NE，頻率分別為22.3%、18.1%。強(qiáng)風(fēng)向SW，實測最大風(fēng)速達(dá)32.3 m/s，≥5級風(fēng)的頻率為0.85%。

2) 工程所在的洋浦灣海域潮波由南海潮波經(jīng)北部灣南部傳入而至，經(jīng)地形和底摩擦作用而形成，潮波系統(tǒng)與北部灣屬同一系統(tǒng)。根據(jù)洋浦港潮位站多年資料顯示，其潮汐形態(tài)數(shù)F為7.94，屬于以全日潮為主的潮汐性質(zhì)，平均潮差為1.9 m左右，歷史最高潮位4.38 m(理論基面)。潮流以不正規(guī)日潮流為主，具有往復(fù)流性質(zhì)，流向與等深線方向基本一致，工程區(qū)附近水域漲、落流向為NE～SW向，漲落潮最大平均流速一般為0.4 m/s左右。

3) 根據(jù)東方站波浪資料，全年以風(fēng)浪為主的混合浪以SSW方向最多，NNE方向次之；年平均H1/10為0.8 m，平均周期6.0 s；月最大H1/10的最大值均出現(xiàn)在9月份，一般由臺風(fēng)引起的，如9618號臺風(fēng)所引起最大H1/10為4.1 m。

4) ?；◢u工程所在洋浦灣海域含沙量低，在一般天氣下，全潮平均含沙量僅在0.02 kg/m3左右；在大風(fēng)天氣下，動力作用強(qiáng)，海水?dāng)_動劇烈，含沙量也會相應(yīng)的增大，約比平常增加50%，最大含沙量約為0.16 kg/m3。?；◢u工程附近底質(zhì)主要以相對較粗的粗砂和粗中砂為主，平均中值粒徑為0.05～0.9 mm。

5) ?；◢u工程位于洋浦南沙灘南側(cè)，在理論基面下，岸灘附近為裸露的礁盤，0 m等深線以下2 m、5 m等深線距離較近，坡度較陡，再向下至10 m等深線坡度變緩。從等深線變化和斷面水深來看[2]，工程區(qū)附近水深都是保持相對穩(wěn)定的。

3 數(shù)學(xué)模型原理

在該模型中，應(yīng)用全球潮汐模型和三維河口海岸海洋模式(ECOMSED)，進(jìn)行深海潮汐及海流的模擬，并與實測的潮汐和潮流資料作比較，確定模型中參數(shù)，給模型提供準(zhǔn)確的邊界條件。通過波浪模型模擬計算出本工程實施前后海區(qū)的有關(guān)波浪參數(shù)，為波浪潮流數(shù)學(xué)模型提供輻射應(yīng)力值[3]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件TK-2D[4-5]，利用2011年7月實測潮位、流速及流向的數(shù)據(jù)，對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。然后在驗證誤差允許的范圍內(nèi)，模擬海區(qū)建設(shè)前后的水動力變化狀態(tài)及海床沖淤等模擬計算。模型原理在此就不再贅述，詳見文獻(xiàn)[4-5]。

4 相關(guān)參數(shù)及處理技術(shù)

1) 對于水動力學(xué)模型，初始條件為u|t=0=0，v|t=0=0，z|t=0=0，計算區(qū)域邊界分為水～陸邊界(閉邊界)和水～水邊界(開邊界)兩種。關(guān)于水～陸邊界，假設(shè)其滿足?u/?n=0和?v/?n=0，即沿閉邊界的外法向流量為零；水～水邊界由已知的流量或水位資料給出。

2) 根據(jù)計算海區(qū)島嶼和岸線特點，本模型采用任意三角形計算網(wǎng)格。此網(wǎng)格的優(yōu)點在于：在計算域內(nèi)可以準(zhǔn)確模擬出島嶼岸線的任意曲折走向變化，可以解決其它計算網(wǎng)格對復(fù)雜邊界處理時難以達(dá)到的精度問題。也可以在重點研究段內(nèi)隨意進(jìn)行網(wǎng)點加密，次要區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)點安排稀疏，并且也考慮到這二者之間的漸變過程，既要保證計算成果的精度又要考慮到計算機(jī)的處理速度。

3) 時間步長。公式如下：

式中：Hmax為計算域內(nèi)的最大水深；ΔLmin為三角形單元的最小邊長；r為系數(shù)(r=1.0～1.5)。

計算中，取Δt=2 s。

4) 阻力系數(shù)。方程中阻力項的計算，可近似采用曼寧公式：C=1/n×H1/6，即謝才公式。式中n是曼寧阻力系數(shù)，經(jīng)過多組調(diào)試計算，確定n=0.010～0.025。在數(shù)學(xué)模型中，n除反映底床粗糙度外，還包括其它因素對水流的綜合影響。所以它已不是原有意義的糙率系數(shù)，應(yīng)當(dāng)把它看成是一個綜合的影響因素。

5) 動水邊界的處理。隨著潮汐周期性的漲落，岸邊界發(fā)生相應(yīng)的移動。對于具有淺灘的計算區(qū)域，漲潮時潮灘淹沒，落潮時潮灘出露，這種“干”“濕”交替的變化給模型的邊界處理帶來一定的困難。從計算穩(wěn)定性和淺灘流態(tài)考慮，需要作動邊界處理。本文采用凍結(jié)法。選定一判別水深H0(通常H0=0.1～0.2 m)，每個計算時刻對計算區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行掃描，得到每個網(wǎng)格節(jié)點上的計算信息。某一網(wǎng)格節(jié)點實際水深H≤H0時，認(rèn)為該結(jié)點干出，關(guān)閉該點所在計算單元，并將其水位貯存起來。在計算過程中，當(dāng)某一干出點水深H>H0時，說明該點已被淹沒，單元重新打開參與計算。

5 模型驗證

根據(jù)2011年7月2～8日海花島工程海域大小潮水文含沙量和潮位實測資料(站位見圖1)，對模型進(jìn)行驗證，見圖2～圖4(部分驗證圖)。驗證結(jié)果表明，計算潮位、流速與流向均與實測值達(dá)到較好的一致性，大范圍流場可以如實反映洋浦灣海域的潮流特性；計算含沙量與實測值相比處于同一量級，兩者最大變率不超過30%，可以很好地反映洋浦灣海域在一般天氣下的含沙量分布特征；數(shù)值計算的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)程[7]的要求；地形驗證采用不同時期的水深斷面測圖對比與洋浦港港池淤積資料綜合驗證，計算得出的地形情況與實際水深地形情況基本一致。表明本文建立的模型是合理的，可以用于儋州海花島工程海區(qū)建設(shè)前后的潮流和泥沙運(yùn)動進(jìn)行數(shù)值模擬的計算分析。

圖2 大潮潮位驗證曲線

圖3 大潮流速流向部分驗證曲線

圖4 大潮含沙量部分驗證曲線

6 內(nèi)海圍堤工程方案

圍堤內(nèi)水域為海花島工程重點規(guī)劃功能區(qū)，其設(shè)計方案有兩個：

1) 大范圍內(nèi)海方案：新建堤壩長度2 684 m，形成內(nèi)海水域面積約5.34 km2，內(nèi)海設(shè)計水深為-3 m。

2) 小范圍內(nèi)海方案：內(nèi)海水域面積約3.7 km2，內(nèi)海設(shè)計水深為-3 m。

兩個方案均在內(nèi)海的4 條圍堤上設(shè)置不同的箱涵，在漲落潮期間開關(guān)箱涵，利用漲落潮水體與外海水體進(jìn)行自然交換。

7 工程海域流場變化影響分析

7.1 現(xiàn)狀下流場分析

現(xiàn)狀下海域邊界為海花島工程建成后的陸域邊界，圖5為?；◢u建成后的漲落潮流場情況。漲潮時，主要是西側(cè)進(jìn)入的潮波經(jīng)大鏟礁和工程海域淺灘水域匯入新英灣方向，在小鏟礁處受地形邊界作用流向有所偏轉(zhuǎn)；南淺灘水流屬于上灘狀態(tài)，水流由?；◢u各水道匯入南沙灘在進(jìn)入洋浦港潮汐深槽內(nèi)，淺灘水流基本呈垂直于現(xiàn)有碼頭岸線，深槽內(nèi)主流向于碼頭岸線一致。落潮時，水流從新英灣口門呈射流狀流出。出新英灣后，一部分沿深槽向西運(yùn)動，深槽內(nèi)水流流速仍然較大，經(jīng)小鏟礁處往西北流動；一部分向南淺灘擴(kuò)散，流經(jīng)?；◢u各水道往西南流動。

?；◢u周圍總體流速較小，?；◢u各水道內(nèi)最大流速一般為0.1～0.4 m/s之間，最大為0.6 m/s。一般情況下，海花島各水道之間水流較順暢，基本不存在環(huán)流區(qū)，在局部花瓣內(nèi)水域受到岬角影響存在局部環(huán)流現(xiàn)象。

7.2 圍堤工程后流場變化

圖6和圖7為?；◢u內(nèi)海圍堤工程實施后周圍海域漲落潮流場情況。由流場圖可以看出，從總體來看，大范圍流場運(yùn)動特征與現(xiàn)狀相同，基本不會影響到外海和周圍海域的潮流形態(tài)；?；◢u周圍總體流速較小，圍堤外側(cè)水域的最大漲落潮流速一般在0.1～0.4 m/s之間，局部最大為0.6 m/s；落潮流一般大于漲潮流。?；◢u內(nèi)海水域的流速較小，一般呈弱流形勢，流速在0.1 m/s以下；兩個方案流速分布差異不大。

圖5 洋浦灣海花島海域流場圖

圖6 內(nèi)海圍堤方案1實施后?；◢u周圍漲落潮流場情況

圖7 內(nèi)海圍堤方案2實施后?；◢u周圍漲落潮流場情況

圖8為工程方案后大潮平均流速變化等值線分布情況。兩個方案實施后?；◢u周圍及內(nèi)海水域流速大都呈減小趨勢；大范圍內(nèi)海方案，?；◢u外圍水域平均流速減小0.05～0.2 m/s，內(nèi)海水域減小0.1～0.4 m/s，內(nèi)海圍堤附近局部減小0.5 m/s左右，局部區(qū)域如2#島與陸地之間的圍堤局部流速增大0.1 m/s，見圖8(a)；小范圍內(nèi)海方案，流速變化趨勢與方案1基本一致，其主要區(qū)別在于3#島與陸域相連的堤壩附近，圖8(b)。

總體而言，圍堤工程對附近海域流速影響僅局限于?；◢u周圍局部區(qū)域，對洋浦深槽和洋浦港水域基本沒有影響。

圖8 內(nèi)海圍堤工程實施后周圍平均潮流速變化(工程后-現(xiàn)狀)

8 工程海域海床沖淤變化及影響

工程海域泥沙運(yùn)動，主要是“波浪掀沙，潮流輸沙”。正常天氣下的淤積采用年平均波高與潮流、泥沙組合下的水動力作用為條件，同時考慮懸沙和底沙對地形的影響，模擬計算工程后正常天氣情況下年地形沖淤變化。圖9為?；◢u內(nèi)海圍堤工程實施后，正常天氣下對地形影響的年沖淤變化。從結(jié)果看：

1) 從整體來看，海花島內(nèi)海圍堤建成后，內(nèi)海水域呈現(xiàn)為弱淤積狀態(tài)。

2) 方案1：內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m；在內(nèi)海圍堤附近局部區(qū)域淤積狀態(tài)有所減弱，而且在局部流速相對較大的水體交換的出流口附近呈沖刷狀態(tài)，最大沖刷幅度在0.4 m左右。另外，在1#島、2#島和3#島外側(cè)迎浪區(qū)的人工島岬角區(qū)有局部沖刷，沖刷幅度在0.1～0.3 m。

3) 方案2：內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m；在內(nèi)海3#圍堤外側(cè)區(qū)域一定范圍進(jìn)行了開挖，該水域呈淤積狀態(tài)，在0.05～0.2 m之間；在1#島與3#島之間圍堤附近都一定的沖刷，最大沖刷幅度在0.4 m左右，由于該區(qū)域箱涵處流速較大的原因。另外，在1#島、2#島和3#島外側(cè)迎浪區(qū)的人工島岬角區(qū)有局部沖刷，沖刷幅度在0.1～0.3 m。

圖9 內(nèi)海圍堤工程實施后正常天氣下地形年沖淤變化

9 結(jié) 語

本文采用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的方法，對?；◢u圍堤工程實施后周圍海域動力變化、地形變化及其影響進(jìn)行了研究。數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果顯示：

1) 流速、流向、潮位過程及含沙量過程與實測數(shù)據(jù)符合良好，模型能夠較好地復(fù)演了工程建設(shè)后海域流場、含沙量場變化。

2) 現(xiàn)狀條件下，?；◢u周圍總體流速較小，海花島各水道內(nèi)最大流速一般在0.1～0.4 m/s之間，最大為0.6 m/s。一般情況下，海花島各水道之間水流較順暢，基本不存在環(huán)流區(qū)，在局部花瓣內(nèi)水域受到岬角影響存在局部環(huán)流現(xiàn)象。

3) 圍堤工程實施后，海花島內(nèi)海水域呈弱流形勢，流速在0.1 m/s以下，各個方案流速分布差異不大；圍堤工程對附近海域流速影響僅局限于?；◢u周圍局部區(qū)域，對洋浦深槽和洋浦港水域基本沒有影響。

4) 內(nèi)海水域呈現(xiàn)為弱淤積狀態(tài)，正常天氣下，內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m，局部沖刷在0.3 m左右，兩個方案在沖淤量級上沒有本質(zhì)差別。