海南儋州人工岛建设对海床冲淤影响数值模拟

英晓明，贾后磊，曹玲珑，谢健

（国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院，广东 广州 510300）

海南儋州海花岛区域建设用海项目位于儋州市洋浦海域内（图1），靠近白马井镇。项目拟采用离岸式人工岛填海形式，规划新建五个人工岛，岛屿之间采用桥梁连接，两侧人工岛与儋州市白马井镇用大型桥梁作为陆岛主通道。

儋州海花岛所在洋浦海域潮流为不正规日潮流，潮流具有略带旋转性的往复流，表层实测最大流速约0.82 m/s，项目附近东方站年平均波高0.8 m；该海域含沙量较低，潮平均含沙量在0.02～0.03 kg/m3之间，底质以粉砂质粘土为主（国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院，2012）。海南儋州五个人工岛最小面积约14.57 公顷，最大面积约381.14 公顷，人工岛之间距离约48～196 m。海花岛主要位于洋浦浅滩（图1），浅滩处水深在2 m 以内。洋浦湾潮汐通道是一条长度约8.2 km、宽度约600 m、水深10～20 m 的弧形深槽，最深处在24 m 以上；拦门沙最浅处水深5 m，水深小于8.5 m 的长度约3.5 km。

人工岛填海规模较大，工程实施引起洋浦湾及周边海域的水动力环境改变，进而影响海床冲淤演变的变化。儋州人工岛引起的海床冲淤如何演变，是值得研究清楚的问题。本文利用Delft3D 数值模式模拟工程对海床冲淤演变的影响，并对原因进行了探讨。

图1 海南海花岛项目位置、附近水域地形及水文测站

1 数学模型

本研究利用Delft3D 数值模式建立海南岛大范围数学模型和嵌套的儋州海域垂向平均的二维水沙数学模型。Delft3D 的泥沙模块是目前世界上较先进的泥沙模式，在泥沙模拟过程中能够同时耦合水深和地形变化。Delft3D 综合了水动力、水质、生态、泥沙输运和地貌演变等模块（Lesser et al，2004），功能强大，模式开发早，相对成熟，在国内外许多领域有广泛的应用（Smit et al，2008，Hu et al，2009，Jeuken，2010）。

Delft3D 通过求解三维浅水运动方程（自由表面不可压缩流体的三维Navier-Stokes 方程） 来研究河流、河口和近海区域等的流体和物质输运。模式采用正交曲线网格，能够很好的模拟弯曲的岸线，提供直角坐标和球坐标，采用交错网格布置变量，利用ADI 方法，使用干湿动边界处理技术，同时提供前后处理可视化模块。正交曲线坐标系中的水流运动和泥沙输运基本方程见Delft3D 手册（Deltares，2011）。

2 模型建立和验证

2.1 模型建立

模型采用二重网格嵌套方式（图2）。大区网格个数为112 × 122，范围约为105.6°N-112.3°E，16.6°N-21.8°N，ξ 方向最大格距约为6 254 m，最小格距约为1 690 m；η 方向最大格距约为15 655 m，最小格距约为1 847 m。小区网格个数为210×278，范围约为19.2°-20.4°N，108°-109.3°E，ξ 方向最大格距约为4 021 m，最小格距约为17 m；η 方向最大格距约为4 082 m，最小格距约为26 m。模拟范围内的岛屿及陆域填充工程，用网格干点表示。

大区模型开边界均设置为水位边界条件。流场的外海开边界通过水位变化作为模式的驱动，本文选用8 个分潮计算水位，包括M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q18 个分潮。边界上的8 个分潮初始值取自全球调和常数TPXO7.2（http：//volkov.oce.orst.edu/tides/global.html），后根据调和分析进行调整。外海开边界泥沙浓度设置为0。模式采用的风速 资 料 来 自 http：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html，空间分辨率为2.5°，1 d 1 次。

小区模型边界为水位边界条件，由大区模型嵌套提供。底摩擦曼宁系数基本为0.013，每个网格格点糙率值由模型率定确定。大区和小区模拟时间步长分别为1 分和0.5 分。地形设置12 h 更新1次，同时考虑悬沙浓度对水流密度的影响。由于洋浦海域年平均波高不大，这里没有考虑波浪对海床冲淤的影响。

悬沙起动应力、淤积应力值相同，范围为0.13～0.20 N/m2，泥沙起动系数M 约为1×10-6～1×10-5kg/m2/s，泥沙沉降速度为5×10-4mm/s。这些参数根据前人的经验（Hu et al，2009，Xie et al，2009） 初步设定，再根据模型率定确定。

3.2 模型验证

大区模型主要为小区模型提供水位边界条件。限于观测资料，大区模型进行了项目附近洋浦站潮位验证（站位见图1），潮位取自2011年潮汐表的数值。大区模型洋浦站潮位分潮调和常数比较结果见表1。从表1 可见，振幅误差在1.2 cm 以内，迟角误差在5°以内，大区模型能够较好的模拟潮位变化。

小区模型主要进行流速和含沙量的验证。观测站位见图1。由于监测站位距离不大，这里给出项目附近4 个站位的验证结果，流速验证结果见图3，含沙量验证结果见图4。流速和流向模拟值与实测值误差较小，变化趋势相近，表明模式所选参数较好的反映研究区域流速变化，模型能复演流场过程。悬沙模拟值与实测值误差较小，表明模式所选参数能较好的反映研究区域泥沙浓度。实测值表明，研究区域含沙量很小。

图2 模型网格

表1 调和常数比较（振幅：cm；迟角：度）

3 工程前后冲淤影响及原因探讨

海花岛分为1 号、2 号和3 号3 个人工岛（图5），本文模拟海花岛施工完毕，1年后海床冲淤变化。模式在运行15 d 稳定后，再继续模拟1年。图5 表明，海花岛实施后，年冲淤幅度不大，基本在5 cm/a 左右，主要在海花岛北侧小铲礁和儋州陆域之间，洋浦航道进港部分略有冲刷，人工岛之间区域主要为冲刷，1 号和2 号岛之间冲刷幅度超过10 cm/a，范围较小。要做好海花岛护岸工程，以防潮流侵蚀堤脚。

从图5 上看，海花岛实施后，海床冲淤变化较小。主要原因是研究区域附近海域泥沙来源少，水体含沙量低，泥沙起动落淤较少，岸线和海床长期稳定。流速增加易引起地形冲刷，流速减小易引起地形淤积。图6 可以看出，小铲礁南侧区域，无论涨急还是落急，流速均增加，增加幅度基本在20 cm/s 以内。因此小铲礁南侧区域为冲刷，洋浦航道进港段也表现为冲刷。2 号和1 号人工岛之间，涨急时流速增加，增幅可达30 cm/s，落急时流速稍微增加，因此2 号和1 号人工岛之间地形变化为冲刷。海花瓣之间流速变小，可能引起淤积。

图3 流速、流向验证结果

图4 含沙量验证结果

图5 海花岛建成1年后海床冲淤变化（+淤积，-冲刷）

图6 人工岛建设前后流速变化（+增加，-减少）

4 结语

本文利用Delft3D 数值模式建立了嵌套的儋州洋浦海域二维垂向平均水沙数学模型，并对模型进行了验证。结果表明，本文所建立的模型能够反演潮流动力和泥沙的变化过程，模型能够用来模拟海花岛建设后引起的海床冲淤变化。

由实测资料表明，研究区域含沙量较低，泥沙起动较少，因此项目实施后，海床年淤积变化不大。通过项目实施前后，潮流变化分析，流速增加是导致小铲礁南侧及洋浦航道冲刷的主要动力原因。

洋浦海域位于海南岛西偏北方，与一般台风来向相背，台风影响主要来自于登录海南岛、雷州半岛或进入北部湾的热带气旋，而登录台风或进入北部湾的台风已经减弱，所以该区域受到台风影响相对较小。因此，本文没有模拟台风对海床冲淤的影响。

项目实施过程中，吹填溢流的悬沙扩散会引起项目附近海床局部淤积。由于施工吹填是短暂的，这里没有考虑施工吹填溢流的影响。

Deltares, 2011. Delft3D-flow, simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomenon, including sediments, User Manual.

Hu K L, Ding P X, Wang Z B, et al. 2009. A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary,China.Journal of Marine Systems 77,114-136.

Jeuken M C J L,Wang Z B,2010.Impact of dredging and dumping on the stability of ebb-flood channel systems. Coastal Engineering 57,553-566.

Lesser G R,Roelvink J A,Van kester J A T M, et al. 2004. Development and validation of a three-dimensional morphological model.Coastal Engineering,51：883-915.

Smit M W J,Reniers A J H M,Ruessink B G,et al.2008.The morphological response of a nearshore double sandbar system to constant wave forcing.Coastal Engineering,55：761-770.

Xie D F, Wang Z B, Gao S, et al. 2009. Modeling the tidal channel morphodynamics in a macro-tidal embayment, Hangzhou Bay, China.Continental Shelf Research 29,1757-1767.