采用三维潮流模型分析人工岛对海湾污染物运动的影响

龚 煌，孙大鹏，孙志国

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116023）

人口的增长和社会的发展，有限的陆地资源难以满足人们的用地需求，而广阔的海洋面积为我们提供了巨大的发展空间，为此，人工岛的建设成为人们利用海洋资源解决土地需求矛盾的一种有效途径。早在20 世纪60 年代，国外就出现了卵石和沙坝式人工岛。到20 世纪80 年代，美国、日本等先后完成了一批钢筋混凝土人工岛和钢结构人工岛的建设［1］。国内外人工岛标志性工程的完成，如关西国际机场、澳门国际机场以及被称为“阿拉伯之星”的迪拜帆船酒店等［2-4］，使得人工岛的建设技术日趋成熟。关于人工岛水动力方面，国内李孟国、时钟［5］等对如东海域西太阳沙的人工岛工程进行了潮流模拟分析；秦崇仁［6］、季荣耀［7］等人分别探讨了人工岛局部冲刷问题和人工岛对水沙动力环境的影响；郭磊［8］等分析了人工岛对周边海域水动力的影响；方伟［9］等人初步分析了滩海工程中的环境因子与人工岛的相互作用；陆敏［10］利用MIKE21 flow model模块对嵌入人工岛的海湾水体交换进行了研究。应该说，在人工岛对海湾水环境影响及评价方面的研究还不够成熟，由于人工岛的嵌入，海湾内环流的形成会极大程度改变该水域的水动力特征，污染物扩散变得更为复杂，为避免人工岛建设引发恶化的环境代价，需在前期可行性研究阶段对污染物运动进行模拟和预测。

本文基于ECOMSED 三维数值模型［11］，以大连湾人工岛建设为研究背景，建立全湾的三维潮流模型。采用拉格朗日粒子追踪技术，对建设人工岛前后的大连湾污染物运动进行模拟，并以人工岛对海湾污染物扩散影响最小甚至改善其扩散状态为控制指标，从污染物扩散的角度推荐可供规划参考的人工岛建设方案和污水排放口的布置方式，为人工岛的规划设计提供参考意见。

1 ECOMSED 模型简介

ECOMSED 模式是一个模拟水动力、波浪和沉积物输运的三维数值模型，是Blumberg 等人在海洋数值模型(Princeton Ocean Model,POM)及其后来的河口、陆架和海洋模式(Estuarine Coastal and Ocean Model,ECOM)基础上发展而来。该模型从N-S 方程出发，采用静力学假定和Boussinesq 近似假定下的封闭海洋方程组。模型水平方向采用正交曲线坐标，垂向上通过采用σ 坐标可以较直角坐标更准确方便地处理浅海的海底变形，并在垂向上通过嵌套2.5 阶湍流闭合模型获得垂向湍流粘滞和扩散系数。为了提高计算效率，ECOMSED采用内外模态分离技术，外部模式(垂向积分方程)采用小的时间步长，内部模式(三维方程)采用大的时间步长。

示踪粒子扩散方程在σ 坐标下表达如下

式中：η 为海表面到平均水平面距离；D 为自由表面与底床之间的距离；ξ1、ξ2、σ 分别为水平正交曲线坐标和垂向坐标；（U1、U2、ω）为（ξ1、ξ2、σ）层上的速度分量；h1、h2为拉梅系数。KH、AH为垂向和水平方向上的湍流扩散系数。KH由Mellor and Yamada［12］2.5 阶湍流闭合模式求解，AH可用Smagornisky［13］参数化方法求解

其中α 取0.1～0.2 之间的常数。

图1 大连湾地形及测站位置Fig.1 Landform of Dalian bay and station locations

2 数值模拟

2.1 人工岛方案

大连湾是一个天然的半封闭海湾，位于辽东半岛南端，其三面为陆地包围仅东南面与黄海相通，大连湾地形如图1 所示，湾内自左向右有臭水套、甜水套和红土堆子湾等3 个副湾为污染物排放口的规划预设位置。

人工岛方案的确定主要依据长度和宽度2 个指标，在大连湾口门外连一条直线，定义直线方向为人工岛宽度方向，垂直于该直线方向为人工岛长度方向。沿湾顶陆地突出部分描一条曲线，作为湾顶（图2）。以L表征湾口到湾顶曲线的距离，以B 表征湾内两岸平行于湾口直线的距离。人工岛两侧岸线作了取直处理，而顶岸线连接侧边岸线则尽量平滑过渡。本研究以表1所示的3 种人工岛方案为比选基础，对比分析3 个副湾为污染物排放口的前提下，人工岛建设对海湾污染物运动的影响。

图2 人工岛预设方案布置Fig.2 Arranged schemes of artificial island

2.2 计算范围

模型计算范围为33 km×44 km（图1），水平方向上采用正交矩形网格，网格长度为ΔX=250 m，ΔY=270 m；垂向采用σ 分层，等间距分为10 层。模拟时间从2003 年12 月1 日0：00 至2003 年12 月15 日24：00，共计算16 d。该模型采用均一的温盐度，分别为10℃和31.0 g/L。

为了在三维条件下准确模拟污染物运动，先建立整个渤海和部分黄海海域的大尺度模型，以威海港和小长山岛实测潮位资料线性插值给定边界，验证后提取计算区域的边界资料，验证潮位站资料取自潮汐表。

表1 大连湾人工岛的比选方案Tab.1 Scheme of artificial island

2.3 模型验证

模型验证包括潮位站的潮位验证和流速站点0.2、0.6、1.0 倍水深处的速度验证。潮位验证资料取自老虎滩潮位站，流速资料取自D1～D4 站的实测值，位置见图1。这里以老虎滩潮位及D4 大潮速度验证为例（图3）。

图3 潮位和流速验证图Fig.3 Verification of tidal level and flow velocity

验证结果中，潮位站的潮位过程吻合较好；流场验证中除0.2 h 处流速出现峰值时计算值稍偏大外，其余流速和流向均验证良好，这可能跟当时天气有关，而该模型忽略了气候等因素。

3 示踪粒子运动模拟

为了研究人工岛的嵌入对污染物运动规律的影响，这里仅以人工岛方案Ⅰ、甜水套湾内设置污染物粒子点源为例介绍示踪粒子运动模拟。粒子释放时间为2003 年12 月2 日零时，共模拟15 d。

3.1 单个粒子运动轨迹

为对比分析嵌入人工岛前后单个粒子的三维运动规律，在甜水套湾内粒子源的水体表层、中层和底层各放置1 个粒子进行模拟追踪，粒子位置记录间隔为1 h，来分析人工岛对海湾污染物运动的影响。

如图4 所示，从15 d 的模拟过程来看，无人工岛时，甜水套表层释放的粒子在湾内呈现出沿甜水套海岸线的缓慢运动，15 d 后仍滞留在副湾内；中、底层粒子首先呈现平行岸线的进出湾往复运动，同时伴有向东移动，绕过岸线运动至红土堆子湾湾口水域经过短暂徘徊后停止。

人工岛嵌入之后，湾内水体形成环流，甜水套在涨落潮流下都成为顶冲点。各层粒子运动均与无人工岛时明显不同，在涨落潮流的作用下沿人工岛顶端岸线做往复运动。经过15 d 的模拟，中层粒子经过较长时间的往复运动后，从大连湾左侧运动至口门外；而表层和底层粒子最终仍滞留在湾内。

3.2 粒子群运动轨迹

鉴于单个粒子运动具有较强的随机性，故通过模拟污染物粒子群运动，以更准确地研究污染物的运动规律。在甜水套粒子源表层放置1 000 个相同粒子，每隔1 h 记录一次粒子坐标位置，每隔5 d 对粒子群位置输出一次（图5）。

由图5-a 可以看出，在污染物运动5 d 后，粒子群的分布状况明显不同。在原始地形条件下，粒子群主要在甜水套副湾内运动，很少有粒子运动至副湾外；嵌入人工岛之后，除少部分粒子滞留在湾内，其余粒子则沿人工岛顶端岸线呈对称状分布在人工岛两侧。可见在人工岛的挑流作用下，该副湾处涨落潮流速度增大，使得该处污染物扩散明显加快。

在模拟10 d 后，污染物均整体呈现继续向外扩散的趋势。无人工岛时，粒子群在沿岸流的作用下整体呈现红腿堆子湾方向的缓慢移动，其中小部分粒子已运动至红土堆子湾；建造人工岛之后，一部分粒子继续运动至红土堆子湾附近，一部分则沿大连湾左侧岸线向湾外运动，且少量粒子已运动至大连湾口门外，如图5-b。

粒子群经过15 d 的模拟后，位置布置如图5-c。无人工岛时，经过15 d 的模拟基本没有粒子运动至口门外，粒子群整体表现出向红土堆子湾方向缓慢移动的态势，可期出湾路径为大连湾右侧；有人工岛时，除一部分粒子从大连湾左侧运动出湾外，较多粒子运动至大连湾右侧口门靠湾内不远处，可以预见其将从右侧出湾。

人工岛的嵌入明显改变污染物运动轨迹以及污染物的出湾路径，甜水套的污染物从原来的沿大连湾右侧运动出湾，变为从大连湾右侧和左侧2 条出湾路径。其次，大连湾在人工岛的挑流下形成的环流，使得湾内流速增大，副湾处的污染物扩散速度也明显增加。总之，建造人工岛后，湾内的潮流环境产生很大差异，污染物的运动也随着发生明显变化。

图5 甜水套粒子群位置图Fig. 5 Location of particles in Tianshuitao

4 人工岛方案及排污方式推荐

4.1 人工岛方案推荐

海湾的水体交换评价方法很多，包括时间尺度［14］、物质交换率［15］、关联矩阵法［16］等。人工岛的建造使得海湾内的水域面积减少，为使量化评估的指标更加准确，本研究以前面所介绍的示踪粒子运动追踪为基础，通过各湾的粒子平均浓度来评估人工岛对海湾水环境的影响。在大连湾口门及3 个副湾湾口处沿水深各取定一个边界，设各边界与各湾所围水域的水体体积为V，该区域水体内存留的粒子数为N，定义平均粒子浓度为C=N/V。

针对3 种不同人工岛方案，通过在3 个副湾表层、中层、底层污染物粒子排放口各同时释放1 000 粒子，对15 d 的粒子群运动进行追踪模拟，统计15 d 后各副湾及大连湾内的存留粒子数并计算各湾水域的平均粒子浓度。这里以3 个副湾处的表层粒子群为例，分析各方案下各湾平均粒子浓度的变化。对于3 个副湾，副湾粒子群在各副湾内的平均粒子浓度如图6～图8；对于全湾水域，15 d 后各粒子群在大连湾水域的平均粒子浓度如图9。

由图6 可以看出，臭水套释放的粒子群经15 d 的扩散后，无人工岛只有在红土堆子湾内的平均粒子浓度比3 种方案条件下小，其余较后者要大。这是由于臭水套污染物经过15 d 的扩散尚未运动至红土堆子湾，在之前的粒子群运动分析中也讨论过。由图可知方案Ⅲ条件下，臭水套污染物扩散最快，方案Ⅱ次之，方案Ⅰ最慢。如图7 可知，方案Ⅲ可以明显改善各个副湾内的污染物扩散，起到利好的作用；方案Ⅱ在臭水套内的平均粒子浓度比无人工岛时稍大，但对其他2 个副湾也能起到改善作用；方案Ⅲ则只有在甜水套内平均粒子浓度比无人工岛小，其余均较其要大。无人工岛时，红土堆子湾释放的粒子群只有在红土堆子湾内的平均粒子浓度比方案Ⅲ要大，其余情况下均为最小（图8）。

而对于整个大连湾水域，各个副湾粒子群经过15 d 的模拟后，在全湾水域的平均粒子浓度如图9。由图可知，在3 种方案条件下的全湾水域平均粒子浓度均比无人工岛时大，且从方案Ⅲ到方案Ⅰ，其污染物扩散速度依次减少。可见，人工岛的嵌入导致大连湾水域面积减少，对全湾水域的污染物扩散产生不利影响。

表2 不同人工岛方案下各粒子源15 d 后在各湾内的污染物平均浓度Tab.2 Concentration of the bay with particles in different gulfs after 15 d 个/万m3

3 个副湾处污染物粒子源表层、中层、底层粒子群经15 d 运动扩散后，在各副湾及全湾水域的平均粒子浓度如表2 所示。以人工岛对海湾污染物扩散影响最小甚至改善其扩散状态为目标，以粒子平均浓度为评估参数，经综合分析、比选3 种人工岛建设方案，方案Ⅲ相对较优，宜为人工岛建设的推荐方案。

图10 臭水套释放粒子群在各湾内的平均粒子浓度Fig.10 Concentration of the bay with particles in Choushuitao

4.2 污染物排放方式推荐

以上推荐的人工岛方案Ⅲ为基础，在3 个副湾粒子源表层、中层、底层分别预设3 个污染物排放口，每个排放口放置1 000 个粒子，通过模拟污染物粒子的运动，统计粒子群经过15 d 扩散后在各副湾及大连湾内的平均粒子浓度如图10～图12。

图11 甜水套释放粒子群在各湾内的平均粒子浓度Fig.11 Concentration of the bay with particles in Tianshuitao

图12 红土堆子湾释放粒子群在各湾内的平均粒子浓度Fig.12 Concentration of the bay with particles in Hongtuduizi bay

对于臭水套各层粒子群，在各湾内的平均粒子浓度如图10，可见中层粒子扩散速度最快、表层次之、底层最慢，故宜将该副湾处污水排放口布置在水体中层；对于甜水套（图11），中层粒子群甜水套湾内平均粒子浓度最少，且较快向红土堆子湾运动，污染排放口适宜布置在水体中层；而在红土堆子湾水域，通过其各层粒子群在各湾内的粒子浓度（图12），可知其底层粒子群在该副湾平均粒子浓度最低，宜将污染排放口优先布置在水体底层。

5 结 语

本文借助ECOMSED 建立大连湾三维潮流数值模型，采用拉格朗日粒子追踪技术，对嵌入人工岛前后的海湾污染物运动进行了模拟。针对3 种人工岛比选方案、3 个污染物预设排放口，对比分析了污染物运动的变化，以污染物平均浓度为评估参数，推荐了可供规划参考的人工岛建设方案并对污染物的排放布置给出建议。本研究从污染物扩散的角度，为人工岛的规划设计提供技术支持，进一步完善了人工岛对海湾水环境影响的评价内容，可以预估海湾因建设人工岛对水环境的影响，具有一定的工程应用价值。

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