离岸式人工岛内河水体紊流数值模拟与换水研究

戚 蓝，韩 东，汪彭生，张 亚

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）

离岸式人工岛内河水体紊流数值模拟与换水研究

戚 蓝，韩 东，汪彭生，张 亚

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）

以福建某人工岛为例，进行了内河道换水计算研究。为兼顾景观和环境，人工岛内设置内河道，河道两端设闸门。根据外海潮位和内河保证水位等水文条件，进行人工岛内河道换水计算研究。得到开闸时机、换水时间、不同情况下水体交换量和内河道水体流态图，并推荐了合理的换水方案。

人工岛;内河换水;紊流数值模拟;水体交换

随着现代社会的快速发展，陆域的土地资源渐趋枯竭，而可以用来开发的近海面积非常可观，从海洋开辟新的土地资源成为一种途径。近年来，人们在近海建设人工岛已经有了很多成功的经验，比如迪拜的棕榈岛［1］、澳门国际机场［2］、迪拜帆船酒店［3］、日本大阪关西国际空港［4］等等，为了兼顾景观和环境希望在人工岛内设置内河。以往人们对于人工岛的规划建设多强调其本身的应用价值或者人工岛本身的设计及施工等方面的研究［5］，而针对人工岛内部的水体交换的研究比较少。国内方伟［6］等人研究了在海滩工程中环境因子与人工岛工程的相互作用；陆敏［7］等人研究了人工岛对海湾水环境影响；何杰［8-9］等人曾对港池内的水体交换能力作了一些研究。人工岛建设在海湾中，区域潮流流速小，人工岛内设有细长内河时水动力很弱，造成换水困难。如果人工岛建设完成之后，该人工岛内河水体无法得到充分交换，岛内水体就会停滞、变质、甚至恶化，那么会给人工岛岛上的生存环境、人工岛的具体管理、运营带来很大的影响，一些已建工程的失败教训是前车之鉴。为避免这种情况的发生，在前期规划阶段，就要对人工岛岛内水体交换进行充分的研究。

本文以福建人工岛为例，本人工岛工程是经国务院审批通过的国内首个完全用于旅游、居住和生态开发建设的大型离岸式人工岛，与传统的大面积、平推式围填海方式所造成的生态破坏、海洋污染、价值单一不同，人工岛在区域规划中引入水体循环系统，两条交相呼应的海豚状平面形态构成了内河道亲水景观。人工岛内河道两端与外海衔接处设有闸门，在内河道常年保持有清新的内河水，从而构成人工岛独特的河道景观和环境保障。为了控制内河水位，保证水质，优化开启河道两端闸门时机，利用内外水位差进行水体的自然交换，使得内河水体与外来海水水体掺混充分，将污染物尽可能多的带出岛外，增强人工岛内河道水体自净能力。

现利用实际地形数据建立人工岛内河道模型的基础上，结合VOF［10］方法，对人工岛内河道进行了数值模拟，并与试验结果对比［11］。重点研究了人工岛内河道的水体交换，通过研究不同方案对内河道水体交换的影响，在定位人工岛功能的前提下，基于人工岛岛内水体充分交换的规划理念，提供了合理的换水方案。

1 数值模拟方法

1.1 VOF方法概述

VOF法［10］是Hirt和Nichols1981年提出的处理复杂自由表面的有效方法，是目前应用非常广泛的一种追踪自由表面的数值方法。VOF方法的基本原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数F来确定自由面，追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动。VOF方法可以处理自由面重组等非线性现象，所需计算时间短、存储量少，VOF方法根据体积比函数F来构造和追踪自由面：若F=1，表示该单元被流体完全充满；若F=0，表示该单元是个空单元；当0＜F＜1时，表示该单元被部分流体充满。自由表面的位置由当0＜F＜1时所确定的单元决定。

1.2 数学模型

数学模型采用基于结构化矩形网格的FAVOR方法及真实的3步Tru-VOF方法，控制方程中含有体积和面积分数参数。本次模拟应用GMRES方法求解离散方程。

1.3 控制方程

控制方程采用N-S方程，建立内河道三维RNGκ-ε紊流数学模型。

控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、紊动能κ方程、紊动能耗散率ε方程。

连续方程：

动量方程：

VOF运动学方程：

式中：u，v，w是在x，y，z三个方向上的流速分量，m/s；代表x，y，z三个方向可流动的面积分数，m2；为x，y，z三个方向的重力加速度是x，y，z三个方向的粘滞力；是可流动的体积分数；ρ是流体密度；p是作用在流体微元上的压力；流体体积函数F=F(x,y,z,t)，表示计算区域内流体的体积占据计算区域的相对比例。

紊动能k方程：

紊动能耗散率ε方程：

式中：k为紊动能，kg·m2/s2；ε为紊动能耗散率为水体动力黏滞系数，为紊动黏性系数为紊动能κ的产生项分别为湍动能和耗散率所对应的Prandtl数是经验常数=1.42，

1.4 模型网格划分及边界条件

按原型（工程图纸）1：1建立数学模型，模型范围为整个人工岛，规划总面积为221.67万m2，半径为840 m，人工岛内河道底高程为-1 m，形状如图1为倒S型，内河道水位随外海潮位变化范围为2.5～0.0 m。计算区域内划分连续式区块，各区块内采用结构化正交网格来划分。最小单元尺寸1.0 m×1.0 m×0.5 m(长×宽×高)，网格总数约2.1×106，具体见图1。

人工岛内河道水体交换先开闸排水、再于外海涨潮时进水。图2为人工岛所在区域流态图，由于人工岛是建设在海湾内，所在水域基本为缓流区，水动力较弱，而且内河道进水、排水又有闸门的限制，潮流对内河道水体交换影响甚微，经计算对比认为分析可以忽略潮流对内河道水体交换的影响，只考虑潮位变化的影响，图3为外海大潮期潮型曲线，以85国家高程为基准面，本文以此潮型为例模拟，排水时段：外海落潮时段排水，内河道与外海水位一致时(2.5m)开闸门，内河水位随外海潮位降低至一定水位（0m或1m）后关闸。进水时段：外海涨潮时段进水，内河道与外海水位一致时开闸，内河水位随外海潮位升高至设计常水位（2.5 m）后关闸。（注：以上水位均以85国家高程为基准面）

对于边界条件作如下设置：相应的进口和出口边界分别以实测潮位给定变化水位，其他边界采用固壁边界设置。

2 数值模拟及分析

2.1 模型验证

人工岛内河道分为北水道和南水道两部分，两条水道基本上呈对称分布，在模型中南、北水道各布置了3个测流点共6个测点，测点布置见图4。

图5为进水时不同时刻d1点的实测流速与数值模拟流速的对比图，从图中看出，最大数值模拟流速与实测流速基本吻合，其他时刻流速值相差不到0.02m/s；图6为人工岛物理试验模型，图7为数值模拟的内河道出水时流态图，从图7可看出南水道流速较北水道大，人工岛中间表演场地流速较小，数值模拟与模型实测数据吻合较好；表1为内河道各测点最大实测流速［11］与数值模拟流速的对比情况，基本一致；

总体来看，数值模拟中流速、流态验证情况良好，数值模拟流速、流态过程与实测物理模型的流速、流态过程基本一致。

2.2 换水时间分析

本次计算得到只开南（或北）闸门排水内河道水位由2.5m下降至1.0m时历时为67min左右；开两个闸门历时为63 min左右，具体见表2和3。结合大潮期潮型曲线（图3），外海潮位由2.5 m下降到1.0m的历时60 min，可得出排水时，内河水位与外海潮位的下降基本同步（其中开两个闸门滞后3 min，开一个闸门滞后7 min）。相应的，进水时内河水位与外海潮位的上升也基本同步。因此人工岛内河道和岛外潮位过程基本一致，没有明显滞后现象出现，模拟结果与物理模型试验结果一致。

2.3 水体交换分析

评价水体交换的指标很多，例如质点示踪模型［12］、物质交换率［13］等等。本次研究中通过新进入内河道水体占原有内河道水体百分比来评价人工岛内河道的水体交换。一次排水、进水为一个换水周期。定义换水率为［14］

式中：C0为引排水前人工岛内河道的背景浓度；C为 引排水过程中某时刻内河道的平均浓度值；Ci为引水进入内河道的水体中某溶解物的浓度。设定内河道某溶解物质A初始含量为1，入库水体含量Ci=0，则换水率

图8为不同工况下水体交换图。其中图8-a为第一个换水周期进水，从中可以看出，由于内河道窄而长，而且内河道水位随外海潮位稳定上升，所以内河道进水时外海进入的水体与内河道原水体不会有大的掺混，并且会把内河道水体推向南闸门，原内河道水体会持续雍高到设计水位2.5m（t=108min）后进水结束，此周期换水率为40%左右。

第二个换水周期排水情况。（1）当只开南闸门排水时，从图8-b中可以看出，外海新进的水体由北门逐渐涌向南门，原河道的水体大部分由南闸门排出，当内河道水体由设计常水位2.5 m下降到1.0m（t=69min）时，换水率为85%左右。（2）当只开北闸门排水时，从图8-c中可以看出，新进入的外海水体大部分又被排出到外海，原河道水体只有部分排出，南闸门附近水体长时间得不到交换，水体可能会恶化、变质，因此开北闸门达不到换水的目的，此时换水率为50%左右。（3）当开南、北两个闸门排水时，从图8-d中可以看出，新进入内河道的水体大部分由北闸门排出，原河道的水体大部分由南闸门排出，当内河道水体由设计常水位2.5 m下降到1.0m（t=69 min）时，换水率为70%左右。

依据数值模拟结果和式（8），图9给出了第二个换水周期人工岛内河道换水率的时间过程线。通过对三种工况的比较可见，开两个闸门比只开北闸门时换水率高，开南闸门的换水效率较之开北闸门和开两个闸门明显提高。

2.4 流态分析

图10为不同工况下具有最大速度时刻排水流态图。由图10-a中可以看出，只开南闸门时，南水道流速明显比北水道大，中间表演场地左侧束窄部位局部流速增大，速度达到0.50 m/s左右，整个区域最大流速为1.00m/s。；从图10-b中可以得出，只开北闸门时，北水道流速明显比南水道流速大，中间表演场地右侧束窄部位局部流速增大，速度达到0.40m/s左右，整个区域最大流速为0.97 m/s。；从图10-c中可以看出，开南、北两个闸门时，南、北闸门附近流速明显比中间表演场地大，中间表演场地左右两侧束窄部位流速较大，为0.20m/s左右，整个区域最大流速为0.69 m/s。

以上分析可以得出只开南闸门和只开北闸门其最大流速基本一致，开两个闸门比开一个闸门在相同部位的最大流速小0.3 m/s左右，因此开两个闸门对于内河道的防护有利，但是由于其流速相对比较小，河道内水动力较弱，因此不利于内河道水体交换；单纯从河道水体速度流态来说，开南闸门与开北闸门对换水的影响区别不大，但是从2.3节水体交换得出只开北闸门南水道水体不易排出海外，达不到有效换水的目的，因此建议开南闸门排水。

3 结论及建议

本文依据人工岛实际地形数据和实测水文资料建立了人工岛三维数学模型，且根据实际情况建立了内河道的进、出口边界条件，采用VOF方法对内河道水体水流自由表面进行追踪，并采用RNGκ-ε数学模型对内河道水体进行数值模拟。数值模拟和物理模型的对比表明建立的模型和求解方法能够较好的处理内河道水体的流动。

水体交换模拟结果表明：第一个换水周期，换水量占原内河道的40%左右；虽然只开北闸门的排水时间和最大流速与只开南闸门没有很大差别，但是由水体交换图得出只开北闸门换水率只有50%左右，远小于其他两种工况的换水率；开南、北两个闸门的换水时间比只开南闸门的时间少4 min左右，但是其换水率却比后者小15%，而且其河道内水动力也比后者小，不利于水体的交换。因此从水体交换的角度建议只开南闸门排水，这样有利于将污染物尽可能多的带出岛外，增强人工岛内河道水体自净能力并保持内河道长期拥有良好的水质，此时第二个周期换水率约为85%，内河道水体由常水位2.5m下降到1.0 m的排水时间为67 min，内河道最大流速约为1.0m/s左右。

由人工岛内河道水体流态分析可以看出内河道与闸室连接的部位流速比其他部位相对要大，如有条件可以加强防护，防止冲刷。中间表演场地周边速度比较小，注意防止淤积现象的发生。本文结论仅限于本工程。

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Research on turbulent numerical simulation and water exchange in inner river course of offshore artificial island

QI Lan,HAN Dong,WANG Peng-sheng,ZHANG Ya
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In this paper,water exchange in the inner river course for an artificial island in Fujian was studied.To build an artificial island,a river course was set taking into account of the landscape and the environment,with two sluices at the end of the river course.According to the hydrological conditions such as the tidal level of open sea and the guaranteed water level in the inner river,water exchange of the inner river course was analyzed.The occasion of sluice opening,the time of water exchange,the exchange capacity and the flow state figures of river course were obtained,and the reasonable scheme for water exchange was proposed.

artificial island;inland river water exchange;turbulent numerical simulation;water exchange

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2013）05-0403-06

2013-01-08；

2013-01-18

戚蓝（1955-），女，山东省人，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程及岩石力学方面的研究与教学工作。

Biography：QILan（1955-），female，professor.