傾倒區(qū)二維水沙數(shù)值模擬研究

翟 月，馮嘉琦

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

海上傾倒是港口與航道等工程建設所產生的疏浚物的主要3種處置方式之一，其余2種分別是吹填和資源化利用。傾倒區(qū)的使用，會導致使用海域的水體參數(shù)發(fā)生改變，水中的懸浮物、沉積物增加，會影響海域的生態(tài)環(huán)境，以及改變海底的形態(tài)，從而影響傾倒區(qū)的傾倒容量?！妒杩Ｎ飳ｍ椩u價指南》指出，傾倒區(qū)容量評估時應該考慮以下幾點：①預期的年、月、周、日傾倒量；②傾倒區(qū)域是否為擴散型海區(qū)；③由海底可能發(fā)生的堆積而使傾倒區(qū)水深減少的容許量。

傾倒區(qū)的類型會影響到傾倒區(qū)的容量，同時，傾倒區(qū)的傾倒強度和海底地形的改變也是傾倒區(qū)容量評估的重要組成部分。

現(xiàn)如今，傾倒區(qū)選劃的方法、傾倒區(qū)海洋活動影響的研究方法較多，本文選用傳統(tǒng)的傾倒區(qū)容量評估方法對傾倒區(qū)的懸沙擴散與泥沙淤積進行數(shù)值模擬，并對傾倒區(qū)附近海域的水動力特征進行分析。傾倒區(qū)使用一段時間后，其水深、沖淤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境可能發(fā)生一定的變化。

1 研究區(qū)域概況

所選傾倒區(qū)位于黃海，黃海是太平洋西部最大的邊緣海，位于我國與朝鮮半島之間。黃海平均水深44m，海底比較平坦，最大深度140m。自南部進入黃海的半日潮波與山東半島南岸和黃海北部大陸反射回來的潮波互相干涉，在地轉偏向力的影響下，形成了2個沿逆時針方向旋轉的潮波系統(tǒng)。無潮點分別位于成山角以東和海州灣外。黃海大部分區(qū)域為規(guī)則半日潮，只有成山角以東至朝鮮大青島一帶和海州灣以東一片海區(qū)，為不規(guī)則半日潮。潮差東部大于西部。東部(朝鮮半島西岸)潮差一般為4～8m，仁川港附近最大可能潮差達10m。西部(中國大陸沿岸)潮差一般為2～4m，成山角附近，潮差尚不到2m，為黃海潮差最小的區(qū)域。但江蘇沿海，弶港至小洋口一帶海域，潮差較大，平均潮差超過3.9m；最大可能潮差，在小洋口近海達6.7m，長沙港北為8.4m。海域潮流，除煙臺近海和渤海海峽等處為不規(guī)則半日潮流外，其他區(qū)域為規(guī)則半日潮流。流速東部大于西部。強潮流區(qū)位于朝鮮半島西端的一些水道，曾觀測到最大流速為4.8m/s；其次為西北部的老鐵山水道，最大流速超過2.5m/s。呂泗、小洋口及斗龍港以南水域，潮流亦較強，最大可能潮流流速2.6m/s。

2 水動力模型

根據黃海某傾倒區(qū)位置，選取合適的計算范圍利用MIKE 21建立二維水動力模型，為了能夠清楚了解傾倒區(qū)附近海域的潮流狀況，對傾倒區(qū)附近的海域進行了加密。模型整體計算域由10051個節(jié)點和19623個三角形網格單元組成。模型計算域與網格劃分如圖1—2所示。

圖1 模型計算域網格劃分

圖2 傾倒區(qū)附近網格劃分

為保證所建立模型的準確性，對水動力計算結果與實測數(shù)據進行比對。本模型在對計算區(qū)域的潮位、流速、流向驗證良好的基礎上，對傾倒區(qū)附近區(qū)域的流場進行模擬計算。

通過計算結果與實測數(shù)據的比較結果可知，各測站的潮位、流速、流向變化與實測值擬合很好，建立的二維水動力模型能夠很好地反映出真實的海域水動力特征。圖3—5為水動力特征對比結果。

圖3 2020年7月測站潮位計算和實測值對比圖

圖6—9為黃海某傾倒區(qū)附近海域大小潮漲急和落急時刻流場圖。從圖中可以看出，計算中雖然采用了不同尺度的網格，但整個計算域內，流場變化合理，無突變。數(shù)值模擬結果表明：傾倒區(qū)所在位置漲落潮流最大流速約為1.02m/s，傾倒區(qū)附近主流向明顯，黃海某傾倒區(qū)漲急、落急流向沿南-北方向。

3 泥沙模型

3.1 泥沙淤積結果

基于二維水動力模型，建立二維泥沙模型。傾倒區(qū)是面積2km2的矩形區(qū)域，全年均可傾倒。本文模擬疏浚物傾倒100萬、200萬、400萬、800萬m3/a傾倒區(qū)的海底床面淤積情況，模型傾倒模擬時長為1a。疏浚物傾倒后[5]，顆粒較大的非黏性泥沙大部分淤積在傾倒區(qū)內。遷移能力強的黏性泥沙部分隨潮流遷移到傾倒區(qū)外部，傾倒區(qū)疏浚物傾倒后，易于輸運的黏性泥沙主要隨潮流方向遷移。

圖4 3個測站大潮期流速和流向的計算和實測值對比圖

圖5 3個測站小潮期流速和流向的計算和實測值對比圖

圖6 傾倒區(qū)附近海域大潮漲急時刻流場分布

圖7 傾倒區(qū)附近海域大潮落急時刻流場分布

圖8 傾倒區(qū)附近海域小潮漲急時刻流場分布

圖9 傾倒區(qū)附近海域小潮落急時刻流場分布

傾倒區(qū)附近海域平均水深為29.03m，在4種工況下，傾倒區(qū)水深分別變淺0.49、0.98、2.01和3.66m。圖10—13給出傾倒區(qū)在100萬、200萬、400萬和800萬m3/a傾倒量情景的水深變化情況。

圖10 傾倒區(qū)傾倒100萬m3/a淤積情況示意圖

圖11 傾倒區(qū)傾倒200萬m3/a淤積情況示意圖

圖12 傾倒區(qū)年傾倒400萬m3/a淤積情況示意圖

圖13 傾倒區(qū)年傾倒800萬m3/a淤積情況示意圖

3.2 懸沙擴散結果

懸浮泥沙[8]的運動軌跡不僅受海流和風的影響，還受傾倒時間和傾倒地點等因素的影響，為了解疏浚物傾倒對周邊環(huán)境的影響，需要模擬懸浮泥沙各濃度的擴散[6]情況。表1為傾倒2.19萬m3/d工況下一個完整潮流周期某傾倒區(qū)懸浮物各濃度最大擴散面積。圖14為一個潮流周期懸浮泥沙最大擴散面積對生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的影響，結果顯示在傾倒量為2.19萬m3/d時，傾倒區(qū)懸浮物擴散[7]范圍距離敏感區(qū)較遠。

圖14 黃海某傾倒區(qū)傾倒2.19萬m3/d情景下懸浮物擴散對環(huán)境敏感區(qū)的影響

表1 某黃海傾倒區(qū)傾倒區(qū)傾倒2.19萬m3/d情景下懸浮物擴散情況

4 結語

(1)從水動力模型結果可以看出，建立的水動力模型可以很好地反映水動力特征；對泥沙[12]模擬結果進行分析可知，4種工況下傾倒區(qū)水深分別變淺0.49、0.98、2.01和3.66m；10mg/L懸浮泥沙[9]的最大擴散面積為30.14km2，對周圍環(huán)境敏感區(qū)[10]沒有影響。

(2)傾倒區(qū)海底地形變化和懸沙擴散[11]預測，對傾倒區(qū)的管理和使用有重要意義，類似傾倒區(qū)工程對海洋環(huán)境的影響可參照本研究進行預測分析，并結合其環(huán)境特點進行調整。本文只考慮了潮流作用下海上傾倒活動對海域環(huán)境的影響，未考慮風場等條件對傾倒活動的影響，在今后的模型構建中需要進行深入研究。