大连海上机场施工通道开口宽度对水环境影响的数值研究

犹 爽，张宁川

(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024）

大连海上机场位于渤海辽东湾南部金州湾海域，是我国内地即将修建的第一座离岸式海上机场，竣工后将成为目前为止世界上最大的海上机场。机场人工岛在软土基础上填筑形成［1］，规划人工岛总面积为21 km2，平面布置为矩形，宽3.4 km，长6.4 km。机场物流区布置在机场人工岛西侧海岸，机场施工过程中拟修建从空港物流中心到机场人工岛西南角的全封闭式施工通道。机场人工岛填海完成后，为保障水质环境，施工通道拟全部或部分拆除。

金州湾距离大连市金州区约2 km，海湾呈椭圆形，湾口朝向西北，水域面积约为342 km2，海岸线长65.7 km，湾内水深自东向西递增至约10 m。金州湾是金州区工业和生活废水以及北大河、红旗河等流域的最终归处。因为机场人工岛位于近湾底水域，加之施工通道，在湾底形成半封闭水域。该水域水质保障成为机场建设环境保护面临的挑战性课题。

为保障大连海上机场建成后金州湾海域水流形态和污染物输移顺畅，进行海上机场施工通道布置的水动力优化研究，期望通过优化海上机场施工通道开口宽度，尽可能减小工程建设对金州湾海域的水动力及环境影响。基于此目的，以工程水域物理自净能力、水体半更换期、局部污染物扩散轨迹、局部污染物示踪粒子第一次到达湾外的时长等参数为评价指标，建立非结构网格下的水动力及污染物输移扩散数值模型，对大连海上机场施工通道布置方案进行水动力学优化研究。

1 水动力模型的建立及验证

1.1 模型计算范围及网格划分

金州湾位于辽南半岛前端黄渤海分界线附近的渤海一侧水域，海湾呈椭圆形，湾口朝向西北开放。涨潮水动力主要来自北黄海涨潮流通过辽南半岛老铁山水道的水流动力；落潮水动力主要来自渤海辽东湾落潮流动力。湾内潮流受进出湾口的水动力控制。湾口2个岬角地理坐标分别为39°03′30"N、121°22′25"E和39°11′42"N、121°34′50"E（图 1）。

人工岛工程位于金州湾湾底，距南岸线最短距离仅2 km，距东岸线最短距离约4 km，长轴走向为131°～311°。人工岛西南角与西侧空港物流中心由施工通道连接（图 2）。

针对上述地理形势和工程布置方案，考虑到开边界对工程所在海域潮流计算的影响，将模型计算区域开边界设置在距离工程区域西侧约30 km附近的2个岬角南北垂直连线处。计算范围东西跨度约58 km，南北跨度约55 km，计算范围的经纬度坐标为121.266°～121.927°E；38.950°～39.446°N。

为更好地拟合岸线，网格划分采用三角形网格单元［2-4］，并对重点关注区域进行加密，网格单元总数为19 491，节点总数为10 187，最小网格步长为100 m。

图1 金州湾地理位置及测点布置Fig.1 Geographic position of Jinzhou Bay and layout of sites

图2 机场人工岛及物流中心平面规划布置Fig.2 Plane layout of artificial island and logistics center of airport

1.2 计算模型选取及参数设置

计算模型选取MIKE21中的flow model FM模型。该模型采用浅水连续性方程和动量方程作为控制方程，适用于近岸海域下的水动力计算。本研究不考虑温度和盐度影响，模型为正压模型。

计算时，模型涡黏性系数通过Smagorinsky方程确定，取Smagorinsky系数Cs为0.28；通常情况下阻力系数Cf可由曼宁系数M或谢才系数C确定，本模型采用曼宁系数来决定底摩阻，鉴于计算区域范围内水深和地质类型变化不大，故将整个计算范围内的曼宁系数值设置为常数，取值为50；MIKE21采用“冻结法”处理边界，通过定义临界水深来确定干湿单元［5］，本研究中干湿单元的临界水深取为0.05 m。

模型计算历时长度取为34 d，启动时间设为1 d，模型时间步长为10 s。计算得到的流场如图3所示。

图3 金州湾海域流场Fig.3 Flow field of Jinzhou Bay

1.3 模型边界条件及初始条件

模型计算区域验潮站有限，难以提供开边界资料，本文采用大小区域嵌套法获取开边界潮位。大区域计算范围选取潮位资料丰富的整个渤海海域，验潮站位包括烟台、蓬莱港、龙口港、老虎滩、长兴岛等10个站点，开边界为威海—小长山岛连线及其延长线与岸线相交部分，大范围模型计算结果与实测潮位吻合较好，可以为小范围模型提供可靠的开边界条件。初始水位及流速均设置为0。

1.4 模型验证

选取靠近岸边的棋盘磨潮位验证点（实测资料为2009年11月7日～2009年12月11日）和1#～6#潮流验证点分别对模型的潮位和潮流计算结果进行验证，各验证点布置如图1所示。潮流验证分大潮时段（2009年12月3日～4日）和小潮时段（2009年11月27日～28日）。

验证结果如图4所示，这里潮流验证以2#点和5#点作为示例，从图4中可以看出，计算值和实测值吻合较好，具有良好的一致性，由于本模型没有考虑温度、盐度及风的影响，在个别时刻实测值和计算值具有一定差别，但总体符合较好，且能正确地刻画涨落潮的情况，通过潮位和流场的验证结果表明，模型是合理的，模拟结果可以反映计算海域的水动力场特征。

图4 各站点潮位和潮流验证Fig.4 Tidal level and flow verification of each site

2 施工通道开口宽度对水环境的影响

2.1 施工通道开口宽度设定

工程水域人工岛—施工通道—海岸之间形成的半封闭水体与外海的交换，主要取决于施工通道的开口宽度和人工岛—海岸之间形成的流口宽度B(图2)。在人工岛宽度和走向确定的条件下，人工岛—海岸之间形成的流口宽度B为一确定值。为了使海湾自净能力、局部水体交换率等指标达到最优值，拟将连接人工岛与陆地的施工通道从靠近人工岛一侧进行开挖，并确定最佳开挖宽度。

施工通道总长度约3 000 m（记为L，图2）。为了确定最佳开口宽度，设定5种开口方案（表1），开口宽度分别为施工通道总长的1/10、1/3、1/2、2/3以及将施工通道全部开挖，即开口宽度分别为300 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m及3 000 m。

表1 施工通道开口方案Tab.1 Schemes of opening-size of construction access

2.2 施工通道开口宽度对水体交换情况的影响

采用浓度对流扩散模型研究工程水域的水体交换情况。在潮流模型的基础上，添加对流扩散模块，求解对流扩散方程得到水体中指标物质的浓度分布，计算时不考虑污染物降解。

在工程水域人工岛—施工通道—海岸之间形成的半封闭水域网格点上均布浓度为1 mg/L的保守污染物，边界污染物初始浓度设定为0，计算污染物经过30 d输运扩散后的浓度分布，并采用物理自净率和水体半更换期作为水体交换情况的量化指标。

（1）物理自净率。设经过一段时间i后湾内的污染物平均浓度为n%，则物理自净率定义为

图5给出了施工通道开口方案四条件下，污染物经历不同时长的输移扩散后在全湾水域的数值计算结果示例。其中图5-a～图5-f分别为污染物输移扩散5 d、10 d、15 d、20 d、25 d以及30 d后全湾的浓度分布。

图6汇总给出了不同施工通道开口方案、不同时间点上的物理自净率之比较。

图5 某时刻污染物浓度分布示例Fig.5 Pollutant distribution in the bay at a certain time

从图6中可以看出，总体而言，5种施工通道开口宽度的物理自净率差别不大。具体比较可以看出：施工通道开口宽度与湾内污染物扩散率并不呈现简单的单增或单减关系，方案一、方案四和方案五的物理自净率较方案二和方案三略大。这主要是因为当施工通道开口较小时，开口处的水流湍急，流速较大，在湾内形成环流，从而有利于湾内污染物的输移；当施工通道开口较大时，尽管此时开口处的流速相对较小，但由于开口宽度大，流量也随之增大，增强了湾内水体与湾外水体的交换。

（2）水体半更换期。类比于化学元素的半衰期，把湾内污染物总量降低到起始污染物总量一半所需的时间定义为水体的半更换期，表明此时湾内水体已被更换一半［6］。根据此定义，分别统计各方案的半更换期，分别为 313 h、350 h、361 h、299 h和288 h。其中，方案五的半更换期最短，其次为方案四。

图6 不同方案之间物理自净率之比较Fig.6 Comparison of physical self-purification rate among different schemes

图7 追踪粒子释放点Fig.7 Release position of tracer particles

2.3 对局部污染物扩散规律的影响

湾内局部范围的污染物扩散规律直接影响到部分海域的环境质量，湾内水体的交换情况仅反映海湾整体水交换情况，并不能反应局部区域的水体质量，因而有必要对局部污染物的扩散规律进行讨论。

施工通道掩护的近岸海域流速较小，若在该海域排放污染物，将对海域水环境造成较大不良影响，此处着重关注污染物近岸排放的情况。为追踪污染物扩散输移规律，在施工通道掩护的水域内释放5个追踪粒子，考虑污染物近岸排放，追踪粒子均在靠近海岸500 m范围内释放，粒子释放地点如图7所示。根据前人研究结果［7］，在涨急时刻投放粒子更为合理，故本模型释放追踪粒子的时刻为2009年11月10日3：00的涨急时刻。

限于篇幅，图8中以各方案中3#粒子运动轨迹作为示例。比较图8中各图可以看出：对应开口宽度较小的方案一和方案二，施工通道掩护的近岸水域流速极小，出现近乎死水区，该局部污染物输移非常缓慢，长时间不能排出；对应方案三，落潮时可以将污染物较顺利地排出湾外，但涨潮时将已经排出湾外的污染物又重新带回湾内，易造成局部潮流通道水域反复污染；对应方案四，落潮时排出到湾外的污染物涨潮时不会再带回湾内；对应方案五，由于其开口最大，流速最小，落潮流速几乎不足以将污染物带出湾外。

综上所述，开口宽度为2/3 L时，更有利于局部污染物的排放，即从施工通道掩护的近岸局部水域污染物输移情况看，方案四最佳。

图8 施工通道掩护的近岸水域污染物扩散轨迹Fig.8 Diffusion trajectory of pollutant in offshore area shielded by construction access

表2汇总给出了各方案中示踪粒子第一次到达湾外所经历的时长。由表2中可见，除方案三中的4#粒子第一次到达湾外时间较长外，从总体上而言，方案三和方案四中各追踪粒子第一次到达湾外的时间明显短于其他各方案，说明方案三和方案四施工通道掩护的近岸水域内污染物扩散输移速度较其他方案快。对于单个方案来讲，这一统计结果和追踪粒子释放的位置之间存在一定的关系，粒子释放的位置不同，统计结果也存在一定差异，但从整体规律上来讲，方案一和方案二施工通道较长，其掩护的近岸海域中靠近海岸的区域流速较其他方案小，再加上施工通道开口宽度较小，阻碍了追踪粒子向湾外的运动；方案五中由于施工通道全部开挖，开口宽度较大，其中一些粒子借助落潮流能很快到达湾外，但工程所在海域涨潮流流速大于落潮流流速，因此方案五中追踪粒子很快返回湾内，且在计算时间内追踪粒子长时间停留在湾内。

2.4 方案推荐

在不同的评价指标下得到的最优方案并不完全一致，若以物理自净能力为评价指标，方案一、四、五的计算结果较为突出；若以半更换期为评价指标，方案四和方案五较其他方案好；从局部区域污染物扩散轨迹来看，方案四较其他方案理想；根据局部区域追踪粒子第一次到达湾外的历时来看，方案三和方案四较优。综合以上各评价指标，方案四是较为理想的方案，因而推荐方案四（即开挖2/3 L）为最终方案。

表2 各方案追踪粒子第一次到达湾外经历时长Tab.2 The time when tracer particles in local area first get out of the bay of each scheme

3 结语

本文以大连海上机场工程为背景，基于MIKE21 flow model FM模块建立了金州湾二维潮流模型和二维污染物输移扩散模型，计算结果与实测值的对比表明模型是可靠的。在此基础上计算机场施工通道不同开口宽度下的物理自净能力、水体半更换期、局部污染物扩散轨迹、局部污染物第一次到达湾外所经历的时长，并以此为指标确定施工通道开挖全长的2/3（即2 000 m）时为最佳方案。本文计算结果可为大连海上机场施工通道布置的进一步改进提供可靠的依据。

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