欽州灣波流耦合作用泥沙輸運特性研究

朱 峰，陳良志，覃 杰

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

三娘灣位于欽州灣外灣區(qū)域的咸淡水交匯區(qū)域，大風(fēng)江和鹿耳環(huán)江等河流每年攜帶大量泥沙進(jìn)入三娘灣[1]，同時由于三娘灣近岸區(qū)域底質(zhì)多為淤泥，在漲落潮期間受到風(fēng)浪擾動作用使得海水混濁度較高，特定區(qū)域存在一定的泥沙淤積風(fēng)險[2]。

在充分考慮工程海域目前的海洋環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展需求的條件下，本文在對當(dāng)?shù)厮?、水動力條件、泥沙現(xiàn)狀詳細(xì)排查的基礎(chǔ)上，針對工程海域建立高分辨率水動力泥沙沖淤數(shù)值模型，開展局部區(qū)域沖淤變化分析，為工程海域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 工程概況

三墩公路是一條長達(dá)13 km 的陸地—島嶼連接公路，該公路由人工填海形成。三墩公路是欽州灣臨港工業(yè)發(fā)展與自然保護(hù)的偉大壯舉，不僅是經(jīng)濟發(fā)展的底線、紅線，也為保護(hù)北部灣生物多樣性作出了巨大貢獻(xiàn)。

圖1 三墩公路及東側(cè)臨港工業(yè)區(qū)Fig.1 Sandun road and the port eastern industrial zone

三墩公路東側(cè)海域作為臨港工業(yè)發(fā)展區(qū)，由于三墩公路的建設(shè)，其水體交換能力下降，導(dǎo)致其在工程形成后的數(shù)年內(nèi)發(fā)生較為明顯的淤積。因此需要對該片海域開展評估清淤2 m 后的水深條件是否能維持，納潮量是否能有所增加。

2 泥沙輸運模式

2.1 波流相互作用模型

為考慮波浪和海流之間的相互作用對底部切應(yīng)力的影響，引入Grant-Madsen 模型[3]，采用迭代過程求解波流共同作用下的底部切應(yīng)力。波浪引起的底摩擦切應(yīng)力為：

其中：ρ 為水體密度；uw為波浪摩阻流速；fw為波浪摩擦系數(shù)；Uδ為近底波浪軌道速度。

通過迭代確定波浪引起的切應(yīng)力增加系數(shù)：

1）假定波浪的切應(yīng)力增加系數(shù)CRn=1.0；

2）計算CRn對應(yīng)的波浪摩擦系數(shù)fw：

3）計算增大的波浪摩阻流速u*wm：

4）計算摩阻流速u*c：

其中：φcw為波浪與水流交角。

2.2 動力沉積模式

SED 模型是基于沉積動力學(xué)的物質(zhì)輸運數(shù)值模擬系統(tǒng)[4-5]，它包含了沉積物輸運、沉積與再懸浮過程，可以計算分層懸浮泥沙濃度。其三維輸運控制方程如下：

其中：k 為1、2，分別表示粘性泥沙（1-75 um）和非粘性泥沙（>75 um）；Ck為泥沙顆粒濃度，U、V 和W 分別為x、y 和z 方向上的水體流速。AH、KH分別是水平和垂直方向的渦擴散率，Ws,k為泥沙顆粒（絮團(tuán)）沉降速度。

泥沙三維輸運控制方程的邊界條件為：在海表不考慮大氣中的顆粒物，海底把泥沙沉降和再懸浮作為水體泥沙擴展的源和匯[6]。

其中：Ck為泥沙濃度，EK、DK分別為再懸浮和沉積通量。η 為自由表面，H 為水深。

對于粘性泥沙，再懸浮過程中的通量計算，采用如下公式[7]：

其中，ε 為再懸浮概率；a0為常數(shù)，與環(huán)境有關(guān)；Td為沉積時間，τb為底床剪切應(yīng)力；τc為臨界剪切應(yīng)力；m、n 為環(huán)境參數(shù)。則輸運方程中的粘性泥沙通量為[8]：

其中：fk為底床中粘性泥沙的百分含量。

沉降過程中粘性泥沙通量計算采用如下算法：

其中，D1為沉積通量，Ws,1為粘性泥沙絮凝沉降速率，C1為粘性泥沙濃度，P1為沉降概率。絮凝沉降速度由試驗或者經(jīng)驗確定，沉降概率P1可以參考如下經(jīng)驗公式[9]：

3 模型計算與分析

3.1 模型設(shè)置

水動力計算網(wǎng)格模式如圖2 所示。數(shù)值計算采用三維模式，計算網(wǎng)格的水平分辨率為100 m，垂直方向設(shè)置為均勻分布6 層。模型的南側(cè)開邊界由外海大尺度模型的計算或者觀測結(jié)果插值得到。

圖2 模型計算網(wǎng)格Fig.2 Meshes for model calculation

計算區(qū)域的底摩擦系數(shù)最大取值0.0028，水平粘性和擴散系數(shù)由Smagorinsky 公式給出[10]。模型考慮了潮位變化引起的干濕邊界變化，采用了干濕網(wǎng)格判別法對計算單元在每個計算步內(nèi)進(jìn)行更新。欽州灣的泥沙初始條件設(shè)置為45 mg/L，灣外開放邊界處設(shè)置為10 mg/L。

3.2 潮流模擬驗證

本文研究采用2013 年的潮流現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進(jìn)行分析驗證?，F(xiàn)場觀測在三墩公路東側(cè)布置有 ABCD 四個測點，測點的觀測時間為2013/7/20～2013/8/20，如圖3 所示。

圖3 實際觀測點位置分布Fig.3 Distribution of actual observation point

圖4 列舉了ABC 三個點上的觀測結(jié)果與計算結(jié)果對比。圖中列舉了一個典型自然日內(nèi)三個測點的水深平均流速與流向變化情況。在三個典型測點上，潮流的流速與流向的模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為接近（注意水流方向0 °與360 °是指的同一個方向），計算結(jié)果與觀測結(jié)果的相關(guān)度達(dá)到0.97。

圖4 數(shù)值模型結(jié)果驗證Fig.4 Verification of numerical model results

圖5 清淤前后典型時刻流速差異Fig.5 Typical flow velocity difference before and after dredging

受限于篇幅，本文對波浪驗證結(jié)果和泥沙驗證結(jié)果不進(jìn)行詳細(xì)列舉。因此關(guān)于模型的驗證結(jié)果說明：計算模型與觀測模型的吻合度較高，數(shù)值模型結(jié)果對實際工程的實施具有較高的技術(shù)指導(dǎo)價值。

3.3 工程區(qū)清淤后的結(jié)果評價

1）清淤前后流速變化

工程區(qū)域的流速變化是衡量清淤效果的重要參考指標(biāo)，下圖給出了三墩公路東側(cè)清淤實施前后漲急和落急時刻的流速變化結(jié)果。計算結(jié)果顯示：三墩公路東側(cè)清淤完成后，整個片區(qū)在典型漲急工況下流速普遍減小，尤其是在位置相對較窄處，清淤后的流速比清淤前減小近30 cm/s，相對減小 35 %；在典型落急工況下，整個工程片區(qū)的流速依然以減小為主，僅在局部位置流速有所增加，但是流速的增加幅度不到10 cm/s，且位置主要集中在擋水建筑物附近的繞流區(qū)域。

2）清淤前后納潮量變化

納潮量是指一個海灣可以接納的潮水的體積，納潮量的大小反映海灣的自凈能力，決定海灣與外海的交換強度，對海灣環(huán)境、生態(tài)及沖淤等方面意義重大。工程海域的納潮量是三墩公路以東區(qū)域納潮量。分析結(jié)果顯示：清淤前三墩公路以東區(qū)域納潮量為0.049105 億m3，清淤工況實施后三墩公路以東區(qū)域納潮量為0.049137 億m3，增加了0.000032億m3，增加幅度為0.065 %，由此可見清淤對工程海域的納潮量影響較為有限。

3）清淤后回淤強度分析

工程海域清淤后，盡管納潮量有微幅增加，但是由于流速整體有所降低，清淤之后整個工程海域面臨著重新回淤的問題。因此定量評估工程海域的回淤速度是判斷清淤深度是否合適的重要途徑，同時也為后續(xù)的再次清淤疏浚計劃提供定量參考依據(jù)。圖6 給出了三墩公路東側(cè)清淤后的年回淤厚度分布結(jié)果。

圖6 清淤后的年回淤強度分布Fig.6 Distribution of annual siltation intensity after dredging

從圖中可以看出：工程海域在清淤完成后，大部分區(qū)域呈淤積狀態(tài)，平均回淤速度大致在每年2～4 cm，近岸區(qū)域的回淤速度較快，達(dá)到每年8～ 10 cm。工程海域的南側(cè)區(qū)域由于局部流速有所增大，因此局部呈沖刷狀態(tài)，沖刷速度大致為每年1～ 2 cm。

4 結(jié)語

本文以欽州灣三墩公路東側(cè)海域清淤工程為原型，建立了平面二維數(shù)學(xué)模型開展波流耦合作用泥沙輸運特性研究，在驗證水動力條件計算結(jié)果與實際觀測結(jié)果相符合的條件下，探討了工程海域疏浚對水流特性分布、納潮量變化以及工程后年回淤量的影響。

1）三墩公路東側(cè)清淤完成后，工程海域流速普遍減小，典型漲急落急狀態(tài)下，流速平均降低4～ 8 cm/s，局部口門較窄區(qū)域流速最大降低30 cm/s；

2）清淤后三墩公路以東區(qū)域納潮量微幅增加0.065 %，由此可見，清淤完成后對該區(qū)域納潮量增加貢獻(xiàn)幅度有限，不會顯著改變?yōu)硟?nèi)的水體交換速率；

3）清淤完成后，由于流速降低，工程海域大部分區(qū)域呈淤積狀態(tài)，平均回淤強度達(dá)到每年2～ 4 cm，近岸區(qū)域回淤強度較大，達(dá)到每年8～10 cm；海域南側(cè)區(qū)域由于局部流速增大，呈沖刷狀態(tài)，沖刷強度達(dá)到每年1～2 cm。整體而言，海域回淤強度較大，應(yīng)進(jìn)一步加強三墩公路以東區(qū)域的清淤與水土保持以滿足生態(tài)環(huán)境要求。