漢班托塔港人工島水域水體交換能力研究

李雨

摘 要：本文對擬建工程項目完工后的人工島內(nèi)側(cè)水域的水體流速、水體交換率進(jìn)行分析研究，研究重點(diǎn)表明人工島實施后內(nèi)側(cè)水體交換率較低，可通過開挖明渠連接港池加強(qiáng)水體交換率，并對不同寬度、深度的明渠加強(qiáng)水體交換率做了對比。

關(guān)鍵詞：漢班托塔港;潮流運(yùn)動;水體交換;優(yōu)化

中圖分類號：U651+.3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0157-04

漢班托塔港位于南亞次大陸斯里蘭卡島東南方，該地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，北半球夏季時盛行西南季風(fēng)，而冬季時則盛行東北季風(fēng)，此外，受印度洋洋流作用港區(qū)附件波流異常復(fù)雜[1，2，3]，需要對工程海域波浪、水流特征進(jìn)行分析。本文對工程實施后人工島后方水域流場和各代表點(diǎn)流速、水體交換作研究，提出人工島建成后后方水域形成半封閉水域使水體交換能力較差，研究得出通過在人工島后方水域末端與一期港池間開設(shè)明渠可有效提升人工島北側(cè)水域的水體交換能力。研究成果可為漢班托塔港未來生態(tài)港口、綠色港口建設(shè)提供一定參考。

1工程概況

漢班托塔港二期工程中的人工島位于西防波堤西側(cè)，呈靴子形，東西長度約1000m，南北寬度約400m，考慮未來濱水開發(fā)而預(yù)留了水灣，即在原岸線南側(cè)和人工島北側(cè)形成了狹長的水域。為防止沿岸輸沙淤塞該水域，在人工島西側(cè)還設(shè)置了一條攔沙堤，攔沙堤大致呈南北向布置，攔沙堤與人工島之間的開放通道寬度約為130m。

人工島完工后將在北側(cè)形成半封閉水域。根據(jù)對水文條件的分析，并結(jié)合前期二維潮流數(shù)學(xué)模型計算，獲得當(dāng)?shù)爻绷鬟\(yùn)動主要為東西流特征，與口門夾角接近90°，在口門內(nèi)可形成流速較低的回流。因此，特別注意圍堤及防波堤形成后，人工島內(nèi)側(cè)水域水體交換能力的變化是非常有意義的。為更好、更全面地給出人工島工程后水體交換特征，本文采用三維水動力、守恒物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型手段進(jìn)行了計算分析。

2模型理論

2.1潮流動力三維數(shù)模

本三維潮流動力數(shù)模在平面上使用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，垂向上則采用地形貼體的σ坐標(biāo)。其三維潮流動力控制方程為：

其中地形相對坐標(biāo)，代表床面，代表自由表面;u，v為水平方向流速;ω為σ坐標(biāo)系下的垂向流速，w為垂直坐標(biāo)系下的垂向流速;ρ為海水密度;為由密度梯度引起的斜壓項;f為科氏力系數(shù);υt為垂向紊動粘性系數(shù)，可由紊流模型確定;ρ0為水體參考密度;S，us，vs分別為點(diǎn)源流量和點(diǎn)源在水平方向的速度分量。Fu，F(xiàn)v為水平剪力項，表示為：

模型中開邊界采用潮位控制，各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的潮位值由大尺度模型提供。紊動邊界條件可表示為：

采用有限體積法顯式求解控制方程，存在的露灘現(xiàn)象則采用干濕網(wǎng)格判斷法進(jìn)行模擬。離散方程時將水位、水深布置在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而將流速布置在網(wǎng)格中心。時間離散采用水平方向顯式離散，垂直方向采用隱式離散。

2.2守恒物質(zhì)擴(kuò)散的三維數(shù)模

對水體交換數(shù)模常用的手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統(tǒng)計，即在研究水域中加入溶解性守恒物質(zhì)，該守恒物質(zhì)將分布在水體中，并且無法降解。當(dāng)守恒物質(zhì)發(fā)生對流和擴(kuò)散時則能夠直接反映水體的運(yùn)動形態(tài)。三維對流擴(kuò)散方程形式為：

其中C為守恒性物質(zhì)濃度;z為垂向坐標(biāo)系;為垂向擴(kuò)散系數(shù);為水平擴(kuò)散系數(shù)。由于為守恒性物質(zhì)，從而無源匯項及物質(zhì)降解項。

3三維潮流驗證

合理的潮流運(yùn)動規(guī)律是物質(zhì)擴(kuò)散模擬精度的前提條件。因此，模擬中應(yīng)首先對三維潮流運(yùn)動數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證。大潮潮位的表層流速、流向驗證過程線可見圖2，小潮潮位的表層流速、流向驗證過程線在此略過。經(jīng)對比，絕大多數(shù)模擬值與實測值規(guī)律一致，潮位、各分層流速、流向的變化過程吻合度高，能夠滿足潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程的要求。因此，該水動力數(shù)學(xué)模型較合理地反映了該海域潮流運(yùn)動情況，已滿足物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的條件。

4人工島水域流速情況

根據(jù)經(jīng)驗可知港區(qū)口門處及人工島內(nèi)側(cè)水域流速均不高，且平面分布是呈顯著的不均勻性，流態(tài)亦相對較為復(fù)雜，有回流生成。因此，可預(yù)計以上水域水體交換能力亦具有不均勻性。在水體交換模擬前，首先對研究區(qū)域進(jìn)行了劃分，圖3中給出了分區(qū)位置。值得指出的是，盡管在驗證中，根據(jù)實測資料，考慮了西南季風(fēng)影響，但由于水體交換為長時間過程，因此在潮流計算時未考慮季風(fēng)影響。

以大潮為例，表1中統(tǒng)計了不同區(qū)域特征流速變化，此外亦估算了半潮時水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移距離。經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論：工程海域潮差較小，流速亦不高。平面分布分析可知內(nèi)側(cè)水域明顯較小，至末端平均流速僅為0.003m/s～0.004m/s。從水質(zhì)點(diǎn)平均運(yùn)移距離來看，人工島內(nèi)側(cè)水域即使在大潮條件下，水質(zhì)點(diǎn)平均移動距離不足100m。內(nèi)側(cè)水域由于落潮水體向外流出的距離很短，并受下一時段漲潮水體向回頂托，水體的對流效應(yīng)極低，水體交換主要依靠擴(kuò)散作用。

5水體交換率隨時間的變化

5.1計算條件

本研究中，在研究某一區(qū)域水體交換能力時，該水域的示蹤劑濃度可設(shè)置為1.0，其余部分的水域物質(zhì)濃度應(yīng)設(shè)置為0.0，各分區(qū)初始濃度分布如圖4。為保證水體的充分交換，本計算模擬了15天的潮流作用。

5.2交換率統(tǒng)計方式

待水體交換充分后，自人工島的內(nèi)側(cè)擴(kuò)散至其他水域的物質(zhì)總量占原始物質(zhì)總量的百分比就是水體交換率。

5.3交換率隨時間的變化

不同分區(qū)處水體交換率隨時間的變化過程可見圖5，經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）各分區(qū)水體交換隨時間的變化，初始較快，隨時間增長逐漸趨緩，這一規(guī)律與以往類似研究成果相近。

（2）從平面分布來看，如按整體考慮，人工島后方水域15天水體交換率約為41%左右。

6人工島水體交換初步優(yōu)化

根據(jù)以上數(shù)值模擬研究，人工島北側(cè)水域水體的交換率有如下特點(diǎn)：首先表現(xiàn)為開放通道處的交換率較高，由開放通道向內(nèi)逐漸降低，至該水域最東側(cè)時已極低的分布特征。工程后水體交換率平面分布的不均勻性值得引起投資方注意。

鑒于該水域未來的濱海開發(fā)前景巨大，較高的水體交換率是保證水質(zhì)必然要求。為了整體提高該水域的水體交換率，可開通一條明渠連接人工島北側(cè)水域與一期港池，考慮明渠寬度差異，提出兩個優(yōu)化方案，布置形式詳見圖6。其中優(yōu)化方案一中明渠寬度為70m，優(yōu)化方案二中明渠寬度為90m。兩個方案中均將明渠底高程疏浚至0m高程。

圖7和圖8中分別給出了不同優(yōu)化方案條件下的各分區(qū)（位置見圖3）處水體交換率歷時過程。經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）從整體交換率角度，優(yōu)化方案增設(shè)了明渠聯(lián)通，直接使原人工島北側(cè)的半封閉水域變?yōu)闁|西雙通暢的水域。如此該水域與外海潮流的交換能力有所提升，其中優(yōu)化方案一的半月交換率提升17%，優(yōu)化方案二的半月交換率提升20%。

（2）從平面分布來看，較初始的單一通道而言，通過在水域最東側(cè)設(shè)置明渠，原本水體交換率最差的區(qū)域D交換能力得到極大增強(qiáng)，其中優(yōu)化方案一半月交換率約提升53%，優(yōu)化方案二提升甚至達(dá)到60%。隨著與明渠的距離增大，其它分區(qū)的交換率提升逐漸減弱，至原口門處（區(qū)域A）水體交換率提升已僅2%左右。

（3）對比兩個優(yōu)化方案，明渠寬度由70m增為90m后，整體水體交換率提升約3%，其中區(qū)域D提升7%。實際上，在明渠東側(cè)的一期港池內(nèi)流速亦不高，明渠寬度的增加與水體交換的提升未表現(xiàn)出線性關(guān)系。

綜上，通過在人工島北側(cè)水域最東側(cè)與一期港池間設(shè)置明渠的辦法可有效提高該水域的整體水體交換能力，不失為一種可以嘗試的辦法。

7結(jié)論

項目人工島建設(shè)后形成的半封閉水域，受制于回流的影響，除口門附近流速稍大外，人工島內(nèi)側(cè)水域流速都很小，致使口門以內(nèi)水體只能隨漲、落潮來回蕩動，很難實現(xiàn)水體的交換：整個人工島內(nèi)側(cè)水域，15天水體交換率約為41%。通過研究表明在人工島內(nèi)側(cè)與一期港池之間開挖一條明渠，可為人工島內(nèi)側(cè)水體充分交換提供條件，明渠底高程和寬度將直接影響水體交換率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧永昌， 李蘇.斯里蘭卡 Hambantota 港口項目港址選擇及一期工程設(shè)計介紹[J].水運(yùn)工程， 2009 （7）： 44-48.

[2] Ms. Kaushalya Subasinghe，Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 01 Hambantota Port Development Project （Phase -II）[R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013

[3] Ms. Kaushalya Subasinghe， Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 02 Hambantota Port Development Project （Phase -II） [R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013.