人工岛建设对区域水动力及海床冲淤影响数值模拟研究

左书华，张征，李蓓

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

0 引言

白马井海域拟规划建设海花岛国际旅游度假岛项目。该项目位于儋州市排浦港与洋浦湾之间的海湾区域，南起排浦镇，北至马井镇，总跨度6.8 km。拟在工程区域新建护岸，吹填造陆，共建3个人工岛，人工岛之间以联系桥连接，总圈围形成陆地面积7.53 km2，形成海岸线39.44 km。海花岛形成陆域面积较大，其物料来源一部分来自陆域开山石料，一部分来自对海花岛周围水域开挖和两处挖沙区得到的泥沙，如图1所示。

图1 海花岛工程海域概况及水文测站图Fig.1 Generalsituation of Haihua Island projectand hydrologicalstations

本文采用波浪潮流泥沙数值模拟技术，模拟计算海花岛工程建设后，人工岛周围海域水动力和海床冲淤变化，给相关研究提供基本依据。

1 研究区域概况

海南儋州地处低纬[1]，气温较高，年际变化不大，多年平均气温24.7℃，年平均降水量1 113.8 mm。该区受季风影响，冬半年多ENE和NE风，夏半年多SW及SSW风，常风向ENE，次常风向NE，频率分别为22.3%、18.1%。强风向SW，实测最大风速达32.3m/s，≥5级风的频率为0.85%。

该海域的潮汐属于以全日潮为主的性质，多年平均潮差1.91 m，历史最高潮位4.38 m（理论基面）。潮流性质是以不正规日潮流为主的混合型潮流；潮流具有往复流性质，涨潮流方向与落潮流方向基本相反，海花岛工程区附近水域涨、落流向为NE～SW向，涨、落潮最大平均流速一般在 0.3～0.5m/s。

根据东方站波浪资料，全年以风浪为主的混合浪以SSW方向最多，NNE方向次之；年平均H1/10为0.8 m，平均周期6.0 s；月最大H1/10的最大值均出现在9月，一般由台风引起，如9618号台风所引起最大H1/10为4.1m。

海花岛所在洋浦湾海域基本没有外来泥沙来源，其洋浦湾内湾—新英湾上游有一定的陆域来沙，其大多都沉积在新英湾内。根据实测结果和遥感卫片反演结果，海花岛工程海域含沙量很低，潮平均含沙量在0.02～0.03 kg/m3之间，多数站位的最大含沙量低于0.04 kg/m3；在大风天气下，动力作用强，海水扰动剧烈，含沙量也会相应的增大，约比平常增加50%，在小铲滩附近最大含沙量达到0.169 kg/m3。海花岛工程附近底质主要以相对较粗的粗砂和粗中砂为主，平均中值粒径在0.05～0.9mm。

2 数学模型原理

应用全球潮汐模型和三维河口海岸海洋模式（ECOMSED），进行深海潮汐及海流的模拟，并与实测资料作比较，确定模型中参数，给模型提供准确的边界条件。通过波浪模型模拟计算出本工程实施前、后海区的有关波浪参数，为波浪潮流数学模型提供辐射应力值[2]。在此基础上，应用海岸河口多功能数学模型软件TK-2D[3]，利用在工程海域得到的大小潮潮位、流速及流向的实测数据，对模拟结果进行验证，然后进行海区建设前后的水动力变化状态及海床冲淤等模拟计算。

3 相关参数及处理技术

1） 边界条件

对于水动力学模型，初始条件为 u｜t=0=0，v｜t=0=0，z｜t=0=0，计算区域边界分为水-陆边界（闭边界）和水-水边界（开边界）两种。关于水-陆边界，假设其满足∂u/∂n=0 和∂v/∂n=0，即沿闭边界的外法向流量为0；水-水边界由已知的流量或水位资料给出。

2） 网格区域划分

根据计算海区岛屿和岸线特点，模型采用任意三角形计算网格，其优点在于：在计算域内可以准确模拟岛屿岸线的任意曲折走向变化，可以解决其它计算网格对复杂边界处理时难以达到的精度问题，也可以在重点研究段内随意进行网点加密，次要区域将网点安排稀疏，并且也考虑到了这二者之间的渐变过程，既要保证计算成果的精度，又要考虑到计算机的处理速度。

3） 时间步长

式中：Hmax为计算域内的最大水深；ΔLmin为三角形单元的最小边长；r为系数（r=1.0～1.5）。计算中取Δt=2 s。

4） 阻力系数

方程中阻力项的计算近似采用曼宁公式：C=1/n·H1/6，即谢才公式。式中：n是曼宁阻力系数，经过多组调试计算，确定n=0.010～0.025。在数学模型中，n除反映底床粗糙度外，还包括了其它因素对水流的综合影响。

5）动水边界的处理

随着潮汐周期性的涨落，岸边界发生相应的移动。对于具有浅滩的计算区域，涨潮时潮滩淹没，落潮时潮滩出露，这种“干”“湿”交替的变化给模型的边界处理带来一定的困难。从计算稳定性和浅滩流态考虑，需要作动边界处理。本文采用冻结法。选定一判别水深H0（通常H0=0.1～0.2 m），每个计算时刻对计算区域的网格节点进行扫描，得到每个网格节点上的计算信息。某一网格节点实际水深H≤H0时，认为该结点干出，关闭该点所在计算单元，并将其水位贮存起来。在计算过程中当某一干出点水深H＞H0时，说明该点已被淹没，单元重新打开参与计算。

4 模型验证

根据2011年7月2日—8日海花岛工程海域大小潮水文含沙量和潮位实测资料（站位见图1），对模型进行验证，如图2～图5（部分验证图）。验证结果表明计算潮位、流速与流向均与实测值达到较好的一致性，大范围流场可以如实反映洋浦湾海域的潮流特性；计算含沙量与实测值相比处于同一量级，两者最大变率不超过30%，可以很好地反映洋浦湾海域在一般天气下的含沙量分布特征；数值计算的结果与实测数据吻合较好，满足有关技术规程[4]的要求；地形验证采用了不同时期的水深断面测图对比与洋浦港港池淤积资料综合验证，计算得出的地形情况与实际水深地形情况基本一致。表明本文建立的模型是合理的，可以用于儋州海花岛工程海区建设前后的潮流和泥沙运动数值模拟的计算分析。

图2 2号站大潮潮位验证曲线Fig.2 Verification of the tide levelduring the spring tide atNo.2 station

图3 6号站大潮流速验证曲线Fig.3 Verification of the currentvelocity during the spring tide at No.6 station

图4 6号站大潮流向验证曲线Fig.4 Verification of the currentdirection during the spring tide atNo.6 station

图5 6号站大潮含沙量验证曲线Fig.5 Verification of the suspended sediment concentration during the spring tideatNo.6 station

5 工程海域流场变化影响分析

如图6所示，现状情况下，涨潮时，主要是西侧进入的潮波经大铲礁和工程海域浅滩水域汇入新英湾方向，在小铲礁处受地形边界作用流向有所偏转；南浅滩水流属于上滩状态，水流由浅滩汇入洋浦港前深槽内，浅滩水流基本呈垂直于现有码头岸线，深槽内主流向与码头岸线一致。落潮时，水流从新英湾口门呈射流状流出，出新英湾后一部分沿深槽向西运动，深槽内水流流速仍然较大，经小铲礁处往西北流动；一部分向南浅滩扩散，经工程海域浅滩处往西或西南流动。海花岛工程区附近流势主要为NE向的涨潮流以及SW向的落潮流所控制，由于水深较小，其流速也较弱，绝大多数流速均在0.4m/s以下。

海花岛建设后，洋浦湾深槽内的潮流主流向仍为呈NE～SW向的往复流（图7）。不过海花岛的建设无疑是缩窄了过水通道面积，挤压了水流，使得局部水流流速有所增大，增大的范围主要集中在小铲礁与海花岛之间水域，流速增加10%或0.02 m/s的区域范围约5.4 km×2.6 km，洋浦港航道最大流速增加了0.05 m/s左右（图8）；受阻流影响南沙滩流速有所减小。

图6 现状下洋浦湾海域涨潮流场图Fig.6 The flood current field of the Yangpu Bay at presentsituation

图7 海花岛实施后洋浦湾海域涨潮流场图Fig.7 The flood current field of the Yangpu Bay after the Haihua Island project

图8 现状条件下海花岛实施后平均流速变化Fig.8 Themean velocity change of the Yangpu Bay after the Haihua Island projectatpresentsituation

另外，新英湾口门东侧区域受到取料开挖的影响，水流流速有所减小，最大流速减小0.1m/s左右。

海花岛附近受到水深开挖和岛体阻流的影响，局部有增加和减小，增大的区域主要在海花岛西南侧与陆域之间水道，增加在10%或0.05 m/s，如H0-2和H0-3两个特征点平均流速增加在0.03 m/s，局部变化在0.05 m/s以上；而位于海花岛1号、2号和3号岛之间水道偏西侧的点则都是减弱的，减小都在20%以上，如H0-4、H0-5和H0-6点平均流速减小在0.04～0.08 m/s之间，最大流速减小在 0.09～0.13 m/s（图 8）。

6 工程海域海床冲淤变化及影响

6.1 正常天气下的海床冲淤变化

采用2 a一遇波浪与潮流、泥沙组合下的水动力作用为条件，同时考虑悬沙和底沙对地形的影响，模拟计算工程后一般天气下3 a的海底冲淤情况，见图9（a）。从图上可以看出，3 a内其冲淤范围值主要集中在-0.12～0.48 m；3 a期内，海花岛与小铲礁之间的水域总体较工程前呈现为微冲的趋势，幅度在0.03～0.12m；洋浦港区航道外段有微弱冲刷，对洋浦港内航道淤积的影响基本没有变化；南沙滩区域淤积在0.06～0.18 m；虽然海花岛之间水道局部流速有增加，流速增加的同时也带来了泥沙来源，再受其开挖影响，仍呈现出淤积趋势，幅度在0.06～0.30 m；海花岛南侧1号填料开挖区域和新英湾内填料开挖区域淤积幅度相对较大，最大淤积在0.4m以上。

图9 海花岛实施后海床冲淤变化Fig.9 The changeof seabed erosion and siltation after the construction of Haihua Island

6.2 非正常天气下的海床冲淤变化

洋浦湾海域不同位置的强浪向有所不同，以洋浦港波浪资料，强浪向以SW为主；以神尖角波浪资料，强浪向以NW为主。SW向大浪可以直接传入洋浦港区海域，考虑到主要研究本工程对周围海域冲淤影响，因此，本次计算取50 a一遇SW向波浪，作用24 h的情况下工程区的冲淤分布。

图9（b）给出了海花岛后周围海域地形24 h冲淤变化情况，结果显示：海花岛实施后，在50 a一遇SW大浪作用24 h后周围海域地形有一定淤积，海花岛与小铲礁之间的水域淤积幅度在0.05～0.15m/d；洋浦港区航道淤积强度在0.01～0.17m/d，最大淤积集中在新口门附近；南沙滩区域淤积在0.04～0.05m/d。

7 结语

本文基于儋州海花岛工程海域现场实测资料，建立了任意三角形网格的海花岛工程海域波浪潮流共同作用下的海床冲淤变化数学模型，并对模型的潮位、流速及悬沙等进行充分验证模拟，结果表明计算的流速、流向、潮位过程及含沙量过程与实测数据符合良好，模型能够较好地复演工程建设后海域流场、含沙量场变化。

通过计算和模拟得到了海花岛建设对区域海洋潮流场及海床的影响程度，结果表明海花岛人工岛的建设对区域潮流和海床冲淤会产生一定的影响，为工程选址、用海规划和相关研究提供了重要依据。

[1] 王宝灿，陈沈良，龚文平，等.海南岛港湾海岸的形成与演变[M].北京：海洋出版社，2006.WANGBao-can,CHEN Shen-liang,GONGWen-ping,etal.Formation and evolution ofHainan embayed coast[M].Beijing:Ocean Press,2006.

[2] 李孟国.海岸河口泥沙数学模型研究进展[J].海洋工程，2006，24（1）：139-154.LIMeng-guo.A review on mathematicalmodels of sediment in coastal and estuarinewaters[J].TheOcean Engineering,2006,24(1):139-154.

[3] 李孟国，张华庆，陈汉宝，等.海岸河口多功能数学模型软件包TK-2D 的研究与应用[J].水道港口，2006，27（1）：51-56.LIMeng-guo,ZHANGHua-qing,CHENHan-bao,etal.Study on multi-function mathematicalmodel software package TK-2D and its application for coast and estuary[J].JournalofWaterway and Harbor,2006,27(1):51-56.

[4]JTS/T 231-2—2010，海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].JTS/T 231-2—2010,Technical regulation of modelling for tidal currentand sedimenton coastand estuary[S].