秦皇岛市莲花岛工程潮流泥沙数值模拟研究

许婷，严冰，韩志远，乔延龙

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.天津大学环境科学与工程学院，天津300072；3.天津市海洋咨询评估中心，天津300480）

秦皇岛市莲花岛工程潮流泥沙数值模拟研究

许婷1，2，严冰1，韩志远1，乔延龙3

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.天津大学环境科学与工程学院，天津300072；3.天津市海洋咨询评估中心，天津300480）

文章采用波流共同作用下平面二维水沙数学模型，基于三角形网格剖分模式，针对秦皇岛市莲花岛人工岛工程开展潮流及泥沙数值模拟。研究结果表明：莲花岛外形轮廓近似呈椭圆状，长轴走向与岸夹角较小，与水流主流向夹角较小，且围垦面积有限，工程方案实施后未明显改变工程海域大范围主流态，仅人工岛及附近小区域发生一些改变。人工岛方案实施后，流速有增有减，但变化幅度较小，基本控制在0.10 m/s以内；海床冲淤变化影响范围也主要集中在人工岛附近区域，冲淤变化幅度多介于-1.5～+0.9 m，少部分区域冲刷幅度超过1.5 m，其中人工岛迎浪面大部分区域呈海床冲刷状态，人工岛内部水域呈淤积状态。

数值模拟；波流；海床冲淤；莲花岛

人工岛是人工建造而非自然形成的岛屿，是人类利用海洋空间填海造地的一种方式［1］。自20世纪60年代以来，随着人类对海洋空间利用的需求不断增加，人工岛建设工程也日益增多［2］。人工岛的建设将产生新的人工岸线并改变海底地形，可能导致周边海区水动力环境和海床冲淤发生显著变化，进而对自身的稳定性造成一定影响。因此，人工岛建设过程中除了要考虑结构设计、施工等问题外，还必须充分评估与分析工程对周围海区造成的各种影响，这对于减小人工岛建设后可能造成的海洋环境破坏具有积极的意义。国内外众多学者在人工岛的设计、结构及工程影响方面开展了大量研究，并积累了丰富的工程经验［3-5］。例如：Bayyinah Salahuddin研究了位于波斯湾的迪拜棕榈树人工岛工程建设实施后对周围海域生态环境和泥沙环境的影响情况［6］；陈可锋、陆培东针对西太阳沙人工岛工程开展了物理模型试验研究，并分析了人工岛建成后其周围海域的水动力条件和泥沙运动的变化规律，并提出相应防护措施［7］；郭磊、杨树森利用MIKE21软件水动力模块建立和验证了西太阳沙二维潮流数学模型，研究分析了江苏如东人工岛工程实施后对周围海域水动力的影响变化情况［8］。

秦皇岛是我国著名的旅游胜地。根据经济发展的需要，拟建设莲花岛人工岛工程，该工程位于北戴河区东北、海港区西南海域。人工岛的建设，必将会引起周边海区水沙输移和海床冲淤发生变化，而这种变化对周围的海洋环境可能带来一定程度的影响。因此，评估与预测秦皇岛市莲花岛人工岛工程对周围水动力环境及海床冲淤变化可能产生的影响，不仅对于减少本工程的负面环境影响具有重要的意义，还可为本工程方案设计和优化提供必要的技术支持和科学依据。因此，本文基于三角形网格剖分模式，建立了工程海域二维水沙数学模型，并采用大范围实测水文资料对该模型进行了全面验证，然后模拟分析莲花岛人工岛工程实施后对周围海域水动力的影响情况，并预测人工岛工程引起的海床冲淤变化情况。

图1工程海域形势和观测点布置图Fig.1Sketch of topography and station locations in Qinhuangdao sea area

1 工程海域水动力泥沙环境

1.1 工程海域地貌特征

工程海域岸线受金山咀、秦皇岛角、老龙头和环海寺地咀等基岩岬角控制，整体呈ENE—WSW向，仅金山咀至汤河口岸线呈NNE—S向。沿岸潮间带内主要为砂质沉积物，海岸性质为岬湾沙质海岸。沙河口至汤河口沿岸基本上为人工岸线，沿岸主要分布有秦皇岛东港区、海水浴场和西港区。工程海域0 m、-2 m、-5 m、-10 m、-15 m、-20 m等深线基本沿平行岸线方向展布，水下地形自近岸向SE向倾斜，自近岸向海地形坡度逐渐变缓。工程海域近岸水下地形坡度较陡，0 m、-2 m和-5 m等深线基本贴岸展布。-10 m等深线，在金山咀处贴近岸边，金山咀至汤河口离岸6～7 km，汤河口至山海关船厂离岸3～4 km；-5m外等深线以外水下地形坡度为0.5%～1‰。2011年2～3月，根据研究需要，组织了一次大规模水文测验，在工程海域布设了2个临时潮位站，同时布设了9条水文垂线，于大、小潮期间，各连续27 h测量流速、流向、含沙量、水温、盐度，为掌握工程海域潮汐潮流特性提供了可靠的数据。工程海域形势及观测点布置见图1。

1.2 潮汐与潮流特征

工程海域靠近半日潮无潮点，受旋转潮波控制，整体潮差较小。据2011年2月～3月实测潮位资料统计结果显示，金山咀和西港区站的潮差均较小，最大潮差分别为1.4 m和1.49 m，平均潮差均为0.73 m。

工程海域潮流属非正规半日浅海潮流，涨潮主流向呈WSW向，落潮主流向呈ENE向，主流向方向与陆域岸线或等深线走向趋于一致。根据2011年2月～3月工程区附近海域9条水文垂线观测分析结果，各垂线流速整体较小，涨、落潮差异较小，且大、小潮差异也不很明显。各垂线涨、落潮平均流速分别介于0.05～0.17 m/s、0.03～0.19 m/s；涨、落潮最大流速分别介于0.14～0.34 m/s、0.10～0.27 m/s。从流速垂向分布变化来看，表、底层差异较小，表、底层涨落潮流速比值介于1.2～1.4。各垂线涨、落潮流平均历时分别为5 h59 min和6 h13 min，大潮分别为6 h和6 h16 min；小潮分别为5 h59 min和6 h07 min。

1.3 波浪特征

根据秦皇岛海洋站测波点（南山灯塔SSW方向，水深-6～-7 m）统计结果：工程海域以风浪以及风浪为主的混合浪为主，全年总频率可达75%，涌浪以及涌浪为主的混合浪比例为22%；根据1960～2008年测波资料统计分析，工程海域常浪向呈S向，频率17.77%；强浪向呈SE向，最大波高3.5 m，出现在1972年7月27日和1984年8月10日，主要因受台风影响的结果，2.0 m以上波高主要出现在ENE～WSW向，累年出现率最高的波级为0～0.5 m，出现频率为62.31%［9］。

1.4 含沙量特征

根据2011年2～3月大、小潮实测含沙量资料分析结果可知：工程海区含沙量整体较低，平均含沙量介于0.008～0.025 kg/m3，平均值约为0.015 kg/m3。各垂线含沙量沿均呈底层大、中层次之、表层小的变化特点，底/表比值介于1.06～2.50。在平面分布上，自近岸向外含沙量差别也不大，其原因主要有二：一是几无径流输沙入海；二是近岸区（含潮间带及其以外一定范围）内的底质较粗，其泥沙中值粒径一般都在0.1～0.5 mm，本海区的涨、落潮平均流速分别在0.05～0.17 m/s和0.03～0.19 m/s范围内，除底质中所含少量细颗粒物质外，不可能导致悬扬；在深水区，虽然底质逐渐向粉砂—泥质转变，但水深很大，加之海域流速较小，也难以大量启动，因此，本水域在无风及中、小风天都将维持低含沙量特征，从而为工程建设提供了良好的泥沙环境［9］。

1.5 底质特征

2011年2 月工程区附近28个表层沉积物样品统计结果表明：沉积物类型由粗至细分别有粗砂、中细砂、砂质粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土和粘土质粉砂共6种，以粉砂比重最高，为29%，其次依次为粗砂和粘土质粉砂，为25%，其余物质各占7%；沉积物中值粒径在0.014 9～0.916 4 mm，平均值为0.207 1 mm，显示出近岸粗于远岸、北部粗于南部的变化特征。工程区海域的砂质沉积主要分布在金山咀至新开河口-2 m等深线以浅的近岸带、金山咀东侧及西港区南侧-5～-7 m等深线之间的区域，较细的粉砂沉积呈条带状分布在汤河口外浅滩、汤河口至金沙咀-2～-7 m等深线之间、鸽子窝东侧-7～-10 m等深线之间、西港区港池航道及西侧-5 m等深线以深的区域，无论从东到西还是由北到南，表层沉积物都呈现明显的不连续分布特点，这说明海域泥沙基本上属原地运动，外界泥沙的影响是不明显的［10］。

2 二维潮流泥沙数学模型的建立

2.1 潮流数学模型

式中：h=η+d，η和d分别表示水面高度和静水深；x和y分别表示横轴和纵轴坐标；t为时间；g为重力加速度；uˉ和vˉ分别为沿x和y方向的深度平均流速；f为柯氏力系数；ρ为流体密度；ρ0为参考密度；S为点源流量；us与vs为点源流速；Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算［11］。

2.2 泥沙数学模型

泥沙运动方程

式中：S为铅直方向积分的水体含沙浓度；Dx、Dy分别为x、y方向的泥沙扩散系数；FS为泥沙源汇函数或床面冲淤函数，按下面方法确定

式中：S*为水体的挟沙力，一般采用经验公式法或半理论方法确定。ω为泥沙沉降速度；α为泥沙沉降几率。悬沙运动造成的海床冲淤方程

式中:ηs为海底床面悬沙引起的冲淤厚度；γ0为床面泥沙干容重。底沙（推移质）造成的海床冲淤方程

式中:ηb为底沙引起的海床冲淤厚度;γb为床面底沙干容重;qx和qy分别为单位时间内单宽底沙输移量qb沿x和y方向的分量;qb采用考虑波浪作用的窦国仁公式，即

式中：k2为系数；c0为无量纲谢才系数；γ、γs分别为水容重和泥沙颗粒容重；ωb为底沙颗粒的沉降速度；V→为水流平均速度矢量；V→w为波浪平均特征速度矢量；Vk为底沙颗粒的临界起动流速。

2.3 模型范围及网格

模型计算范围在以工程区域为中心、沿岸宽约33 km的扇形区域内，采用三角形网格剖分模式，可以很好地拟合复杂岸线和建筑物边界，在重点关心区域可以任意局部加密。模型共11 462个网格节点，最大空间步长为1 000 m，最小空间步长为5 m，计算时间步长从0.1～5 s自适应调节。计算域及网格剖分详见图2。

2.4 模型的验证

2.4.1 潮位、流速、流向验证

本文基于2011年2月～3月大、小潮实测水文观测资料，对潮流模型的潮位、流速、流向进行验证。图3给出了大、小潮实测潮位与计算结果的比较，图4给出了大、小潮代表测点实测流速、流向与计算结果的比较情况。由实测与计算结果的比较可见，测站的计算与实测潮位、流速、流向在连续的变化过程中都比较接近，计算值与实测值吻合较好，满足精度要求，可以用于工程海域潮流场计算分析。

图2模型范围及网格剖分Fig.2Model scope and mesh generation

图3潮位验证Fig.3 Verification of tidal level

图4流速、流向验证Fig.4Verification of speed and direction

图5含沙量验证Fig.5Verification of sediment concentration

2.4.2含沙量验证

2011年2 月～3月大、小潮含沙量观测资料与潮流同步，大潮、小潮含沙量验证曲线分别见图5，从实测值和计算值对比结果来看，泥沙数学模型验证结果良好，可以进一步用于工程海域泥沙运动和海床冲淤的预测。

3 计算结果分析

3.1 人工岛工程概况

莲花岛人工岛整体上为椭圆形布置，外围设置防波堤。人工岛离岸距离600 m，对称设置有2个过水通道，游艇码头有2个出口，分别位于防波堤的两端（图6）。

图6工程方案平面布置Fig.6Plane layout of engineering project

图7工程方案实施前后涨落急时刻流场图Fig.7Flow field before and after the implementation of engineering scheme

图8工程方案实施后全潮平均流速变化等值线（工程后-工程前）Fig.8Contour map of the whole tidal averaged velocity difference before and after the project

3.2 人工岛实施后对潮流场的影响

现状条件下水流总体表现为顺岸往复流特征，涨潮主流向呈WSW向，落潮主流向呈ENE向，主流向方向与陆域岸线或等深线走向趋于一致。工程海域流速整体较小。人工岛所在区域现状条件下，涨、落潮平均流速分别介于0.05～0.08 m/s、0.05～0.07 m/s；涨、落潮最大流速分别介于0.08～0.12 m/s、0.07～0.11 m/s，涨潮段流向介于214°～247°，落潮段流向介于30°～64°（图7-a，图7-b）。

从工程方案实施后的流场来看，工程海域主流态仍保持涨潮流基本为WSW向，落潮流基本为ENE向的顺岸往复流特征。工程方案人工岛外形轮廓近似呈椭圆状，长轴走向与岸夹角较小，与水流主流向夹角较小，且围垦面积有限，因此，工程方案实施后不会明显改变工程海域大范围主流态，仅人工岛及附近小区域发生一些改变。人工岛建成后，水流在涨、落潮时遇岛分成两股流，绕岛汇合，部分水流由口门流入人工岛内。该海域临近无潮点，潮差小，因此工程区流速强度普遍较弱，加之人工岛外有防波堤掩护，岛内水域流速十分微弱。防波堤堤头及各口门处的最大流速也十分有限，这对船舶进出是有利的。人工岛内部水域，涨潮平均流速小于0.03 m/s，落潮平均流速小于0.02 m/s，涨潮最大流速介于0.01～0.05 m/s，落潮最大流速均小于0.03 m/s。人工岛各开口区最大流速仅介于0.07～0.13 m/s，防波堤堤头处最大流速为0.21 m/s，沿堤外侧最大流速0.22 m/s，出现在防波堤的东南侧（图7-c，图7-d）。

人工岛方案实施后，人工岛与岸线之间水域流速大部分呈增加趋势，少部分区域流速有所减小，该区域涨落潮流速变动幅度介于-0.01～0.06 m/s。金梦沙滩附近水域流速改变幅度在0.02 m/s以内。国际游艇码头内流速基本没有发生改变。因此，人工岛实施后仅对其附近小范围水域产生较小影响（图8）。

3.3 人工岛实施后对海床冲淤的影响

3.3.1 海床冲淤计算动力条件

为了考虑波、流共同作用下海床冲淤变化，在泥沙数学模型计算时潮流动力按照实测大、小潮进行组合，波浪条件考虑年均波浪场的影响，根据秦皇岛海洋站1960～2008年波浪实测资料，过滤掉对泥沙运动作用轻微的波浪数据（即波高小于0.5 m的数据），进行各波向年平均波高统计，将其作为波要素进行波浪场推算，为泥沙数学模型提供波浪条件。从本工程所在地理位置来看，本工程所在海域主要受E～S向浪影响，因此泥沙模型主要考虑E、ESE、SE、SSE和S向5个波向，其出现频率按照年权重进行加权，出现频率依次为5.48%、2.91%、2.57%、2.49%、8.70%。

图9各向年均波浪场分布Fig.9Distribution of annual average wave height

针对泥沙作用相对较大的0.5 m以上的波浪统计结果，对该海域的E向、ESE向、SE向、SSE向和S向浪分别进行了计算，各向年均波高分布如图9所示。从计算结果看，各方向波浪场的波高均呈现外海大、近岸小的分布规律，较好地反映了该海域波浪自海向岸的传播过程。E向浪年平均波浪作用下，工程区域波高介于0.6～0.8 m，ESE向、SE向、SSE向和S向浪年平均波浪作用下，工程区域波高介于0.6～0.7 m。

3.3.2 计算结果分析

人工岛工程实施后，会引起工程区及附近区域水动力条件的改变，当工程后流速的挟沙能力小于工程前流速的起悬型平衡含沙量，且工程后流速小于不淤流速，则海床发生淤积；当工程后流速相应的挟沙能力大于工程前流速的沉降型平衡含沙量，且工程后流速大于泥沙的起动流速，则海床发生冲刷；当工程后流速相应的挟沙能力介于工程前流速的起悬平衡含沙量和沉降型平衡含沙量之间，则海床发生微冲微淤，冲淤基本平衡。这里将工程实施后海床基本达到冲淤平衡时，工程区及附近区域的冲淤分布情况进行预测分析。

图10工程方案实施后至冲淤平衡时的冲淤变化Fig.10Thickness change of the seabed when achieved the balance of erosion and deposition after the project

图10给出了人工岛工程方案实施后基本达到冲淤平衡时的冲淤变化分布。从图10可以看出，在人工岛的迎浪面大部分区域呈海床冲刷状态，其中大部分区域冲刷幅度在0.50 m以下，最大冲刷坑幅度为1.62 m；人工岛内部呈淤积状态，口门淤积较重些，口门最大淤积厚度0.84 m，岛内平均淤积厚度0.16 m；岛与岸之间处于波影区内，该区域有部分范围呈海床淤积状态，平均淤积厚度0.23 m，最大淤积厚度0.89 m；金梦沙滩和国际游艇码头距离莲花岛有一定安全距离，莲花岛工程的建设实施未影响到它们的海床冲淤变化。

4 结语

本文通过建立波流共同作用下平面二维水沙数学模型，对秦皇岛市莲花岛人工岛工程进行了数值模拟计算，分析了人工岛工程方案建设对潮流场及海床冲淤变化情况的影响。从数值模拟计算结果来看，人工岛外形轮廓近似呈椭圆状，长轴走向与岸夹角较小，与水流主流向夹角较小，且围垦面积有限，因此，工程方案实施后不会明显改变工程海域大范围主流态，仅人工岛及附近小区域发生一些改变。人工岛方案实施后，流速有增有减，但变化幅度较小，基本控制在0.10 m/s以内；海床冲淤变化影响范围也主要集中在人工岛附近区域，冲淤变化幅度多介于-1.5～+0.9 m，少部分区域冲刷幅度超过1.5 m，其中在人工岛的迎浪面大部分区域呈海床冲刷状态，人工岛内部水域呈淤积状态，口门淤积较重些，岛内淤积稍轻些，岛与岸之间处于波影区内，该区域基本呈泥沙淤积状态。

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Numerical simulation research on tide and sediment in Lotus Island project in Qinhuangdao

XU Ting1,2,YAN Bing1,HAN Zhi⁃yuan1,QIAO Yan⁃long3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2. School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;3.Tianjin Marine Research and Consulting Centre,Tianjin 300480,China）

Based on the two⁃dimensional tidal current and sediment mathematical model under the co⁃action of wave and tide and the triangular mesh subdivision mode,the numerical simulation on the tidal current and sediment in allusion to artificial island project of Lotus Island in Qinhuangdao was carried out in this paper.Research results show that the contour of Lotus Island is approximately elliptical,and the trend of its long axis has a small included angle with the shore and the main water flow direction.Moreover,the reclamation area is limited.The construction of the project scheme has not obviously changed the wide⁃range main flow state of the engineering sea area.Only the artificial island and small regions around have some changes.After the implementation of artificial island proj⁃ect,the flow velocity increases and decreases,but within smaller changes,less than 0.10 m/s.According to changes of seabed erosion and deposition caused by the construction of artificial island project scheme,the influence of the construction of this artificial island scheme on the sea area around is mainly manifested in the sea area around the artificial island between-1.5～+0.9 m,which the head sea side of the artificial island is most seabed scour,and the internal of it is in siltation state.

numerical simulation;the co⁃action of wave and tide;seabed erosion and deposition;Lotus Island

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0502-08

2015-03-06；

2015-04-10

国家自然科学基金资助项目（51209111）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（Tks150210）

许婷（1985-），女，山东省菏泽人，副研究员，博士研究生，主要从事海岸河口水动力泥沙及水环境数值模拟研究。

Biography：XU Ting（1985-），female，associate professor.