秦皇岛市人工岛工程潮流数值模拟研究

张 笑，严 冰

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2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）

秦皇岛市人工岛工程潮流数值模拟研究

张 笑1，严 冰2

（1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2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）

建立基于三角形网格的二维潮流数学模型，对秦皇岛市旅游休闲人工岛工程开展了潮流数值模拟研究。所建模型反映了该海域往复流形式的运动特征，流向主轴与等深线基本平行。模型结果表明：（1）人工岛建设影响范围仅限于人工岛周围局部海域。山海关港区及航道、秦皇岛港区及航道分别处于人工岛东西两侧流速减小区域内，山海关港区与秦皇岛港区间近岸水域处于流速增大区域内。（2）人工岛位置对流场影响较小，流速变化基本控制在0.10 m/s以内。最大涨、落潮流速变化分别为0.09 m/s和0.06 m/s。（3）双鱼造型轮廓光滑，水道内平均流速控制在0.36 m/s以内，最大流速为0.68 m/s。

人工岛；数值模拟；潮汐；潮流

沿海发达地区的土地、岸线资源日益紧张，为了寻找新的岸线和土地资源，近年来填海造地呈现加快的趋势，同时为避免沿岸围垦所造成的生态影响，人工岛的建设越来越受到认可和重视。人工岛的好处在于周边空间开阔、受到干扰小、拓展空间广阔、可创造深水岸线、对生态影响相对较小等［1］。但同时人工岛的建设会带来新的人工岸线，改变海底地形，势必会导致周边海区水动力环境和海床冲淤发生变化，进而对自身造成影响。因此在人工岛的建设过程中，必须考虑人工岛的建设对周边海域水动力环境造成的影响，这对于减小人工岛的建设对海洋环境的破坏十分重要。近年来对人工岛建设水动力环境的研究开始逐渐受到学者们的重视，也开展了一系列研究工作。例如，许婷等针对秦皇岛市莲花岛工程开展了潮流泥沙数值模拟研究，并对工程实施后的水动力以及海床冲淤进行了分析［2］。王诺等以大连海上机场离岸式人工岛为模拟对象，构建水动力及泥沙输运数学模型，分析了人工岛的建设对金州湾海洋动力的影响及海床冲淤情况，为进一步论证大连海上机场人工岛建设的可行性奠定了基础［3］。郭磊和杨树森利用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，并分析了人工岛实施前后周围海域水动力条件的变化［4］。

秦皇岛是我国著名的旅游胜地。根据经济发展的需要，秦皇岛市拟建设秦皇岛市旅游休闲人工岛工程。本文首先建立基于三角形网格的二维潮流数值模型，并采用实测水文资料对该模型进行验证，然后模拟分析秦皇岛人工岛工程实施后对周围海域水动力环境的影响，为工程方案的选定提供技术支持和参考。拟建人工岛位于山海关港区南侧。工程海域形势和水文观测点布置如1所示。

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

1 工程海域水动力环境

1.1 潮汐特性

研究海域受以秦皇岛附近为中心的旋转潮波控制，靠近半日潮无潮点。据2009年9月工程区附近4个潮位站（W1～W4）观测资料进行调和分析，潮性系数（HK1+HO1）/HM2均大于5，说明海域属规则日潮区。该日潮是入射波与反射波叠加的结果，HK1值介于0.34～0.38 m之间，接近半日潮区葫芦岛附近HK1值（0.37 m）。

由于本海域靠近无潮点，整体潮差较小。据统计，大潮潮差以小黑山站（W3）为界，向南北两端递减，小黑山站最大潮差为1.77 m，平均潮差0.86 m，其他各站最大潮差均介于1.4～1.5 m之间。大潮、中潮期间各站均表现为明显的一涨一落的日潮特征，小潮时呈现一定的半日潮特征［5］。

1.2 潮流特性

秦皇岛海域的潮流主要表现为半日潮流性质［6］。2009年9月15条水文垂线观测显示，该岸段潮流总体特征表现为顺岸的往复流，各垂线涨潮流向为WSW向，落潮为ENE向，流向主轴与岸线或等深线基本平行。各垂线整体流速较小，且大、中、小潮差异不很明显，落潮平均流速略大于涨潮平均流速。各垂线涨潮平均流速介于0.13～0.3 m/s之间，涨潮最大流速介于0.20～0.5 m/s之间，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s之间，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s之间。各站流速在垂线分布规律上变化不大，呈表层流速大、底部小的变化特征。涨潮流速底、表层平均比值在0.8左右，落潮流速底、表层平均比值在0.75左右［5］。

2 二维潮流数学模型的建立及计算

2.1 计算域的确定及网格划分

这里采用MIKE21 Flow Model模块进行计算。工程所在海域靠近渤海无潮点，受入射和反射潮波的综合影响，潮汐特征复杂，模型范围需采用足够大范围，才能较合理反映出潮波运动特征，本文模型范围为渤海海域。模型东西距离约400 km，南北距离约420 km。选取大连老虎滩和烟台两个潮位站连线为开边界，模型边界条件由ChinaTide［7］软件计算得到。为了完成对复杂岸线边界的模拟，采用三角形网格［8］进行计算，同时通过工程区域的网格加密提高模拟精度。网格共20 215个网格节点，38 722个网格单元。模型范围及网格剖分见图2。

2.2 模型验证

为了验证潮流模型的合理性，采用2009年9月大、中、小潮过程对模型潮位、流速、流向进行了验证。大潮过程测量时段为2009年9月4日8时～5日9时，期间V8和V13点数据缺失；中潮过程测量时段为2009年9月7日14时～8日16时；小潮过程测量时段为2009年9月10日8时～11日9时。大潮时图中0时刻对应9月4日7时；中潮时图中0时刻对应9月7日0时；小潮时图中0时刻对应9月10日0时。

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

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

这里只给出W3测站大中小潮潮位和V4、V11测站大中小潮流速及流向的验证曲线，如图3～图4。由实测与计算结果的比较可见，各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，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》［9］的要求。因此本文所建立的潮流模型能够较真实地反映出工程区附近海域的流动规律，可以进一步为分析工程后流场变化提供必要的水流动力条件。

图4 流速、流向验证Fig.4 Verification of flow velocity and tidal current direction

3 潮流计算结果分析

3.1 人工岛工程概况

根据工程所在海域自然条件特征和人工岛规划设计要求，拟定人工岛围垦面积30 km2，位于石河口和老龙头南侧，人工岛造型定位双鱼人工岛［10］。本研究主要对人工岛对周围水流环境的影响进行计算和分析。本文通过计算在垂直岸线不同距离下人工岛附近的潮流场，掌握人工岛位置对周围海域影响规律的变化，确定较为合理的人工岛位置。本文比较了两种方案。方案一人工岛垂直岸线最小距离为1.4 km，方案二人工岛垂直岸线最小距离2.4 km。如图5所示。计算以实测大潮过程为试验潮型。

为定量反映工程实施后流速流向变化，在相关海域设置三组观测点共35个。山海关海域港区航道观测点H1～H10，间距500 m，沿堤流观测点D1～D6，间距1 000 m。秦皇岛港至山海关港区之间海域沿岸观测点A1～A10，间距1 000 m。秦皇岛港10万t级航道观测点Q1～Q9，间距1 000 m。如图6所示。另外在人工岛内部分别设置了3个观测点（E1～E3，F1～F3）。如图5所示。

3.2 工程前流场特征

图5 人工岛平面布置Fig.5 Plane layout of the artificial island

图7 为现状条件下大潮涨、落急时刻流场。水流沿岸往复运动，涨急时刻潮流沿岸线主要自东北向西南运动；落急时则相反。山海关航道平均流速0.04～0.25 m/s，最大流速0.39 m/s，位于H7测点；沿堤流测点平均流速0.01～0.43 m/s，最大流速0.75 m/s，位于D1测点；秦皇岛港至山海关港区之间沿岸观测点平均流速0.04～0.14 m/s，最大流速0.25 m/s，位于A1测点；秦皇岛10万t航道测点平均流速0.06～0.13 m/s，最大流速0.24 m/s，位于Q8测点。所有观测点平均流速最大值为0.43 m/s，位于山海关港区D1测点。

图6 观测点布置图Fig.6 Layout of observation point

3.3 工程后流场特征

（1）影响范围及变化趋势。

由图7可见，整体上依然表现为顺岸的往复流运动，人工岛的实施仅对局部海域流场影响明显。人工岛与陆地之间以及外海局部区域流速有所增大；人工岛迎流和背流面流速有所减小。两种方案山海关港区及航道大部分都处于人工岛东北侧流速减小区域内，越靠近人工岛流速减小越明显。山海关港区流速减小范围方案一大于方案二，-0.02 m/s等值线以内区域方案一约40 km2，方案二约12 km2。方案一人工岛距山海关港区较近，观测点流速减小较多，平均减小0.04 m/s；方案二人工岛距山海关港区较远，观测点流速减小较少，平均减小0.01 m/s。秦皇岛港与山海关港区间近岸水域流速增大区域范围较小，0.02 m/s等值线以内区域方案一约4 km2，方案二约17 km2。方案一流速增大0.1 m/s以上区域小于方案二，方案一最大流速增大0.32 m/s左右，方案二最大流速增大在0.36 m/s左右。秦皇岛10万t级航道处于人工岛西南侧流速减小区域。两种方案对航道的影响都不大，-0.02 m/s等值线以内区域方案一约40 km2，方案二约7 km2。观测点平均流速减小均在0.02 m/s以内，最大流速减小在0.05 m/s以内。

（2）不同区域流速变化。

图9中四幅图依次为方案一实施后涨急、落急流场，方案二实施后涨急、落急流场。方案一山海关航道最大流速0.46 m/s，在H10测点，平均流速0.03～0.18 m/s；沿堤流测点最大流速0.6 m/s，在D1测点，平均流速0.01～0.33 m/s；秦皇岛港至山海关港区之间沿岸观测点最大流速0.43 m/s，在A6测点，平均流速0.02～0.16 m/s；秦皇岛10万t航道测点最大流速0.23 m/s，在测点Q9，平均流速0.05～0.12 m/s。方案二山海关航道最大流速0.42 m/s，在H6测点，平均流速0.05～0.23 m/s；沿堤流测点最大流速0.75 m/s，在D1测点，平均流速0.01～0.40 m/s；秦皇岛港至山海关港区之间沿岸观测点最大流速0.38 m/s，在A5测点，平均流速0.04～0.21 m/s；秦皇岛10万t航道测点最大流速0.22 m/s，在测点Q2和Q9，平均流速0.05～0.11 m/s。

（3）内部水流及回流情况。

图7 工程方案实施前涨落急时刻流场图Fig.7 Flow field before the project implementation

图8 工程方案实施后全潮平均流速变化等值线Fig.8 The contour map of the whole tidal averaged velocity difference after the project

两方案人工岛内水道平均流速均在0.36 m/s以内。涨急时刻人工岛内水流自东侧进入，西侧流出。方案一人工岛内有1个明显的回流，回流直径1 600 m，如图9-a中1所示；北侧鱼背部外侧有一个回流，回流直径2 500 m，如图9-a中2所示。方案二人工岛内有1个明显的回流，回流直径为1 600 m，如图9-c中1所示；北侧鱼背部外侧有一个回流，回流直径4 000 m，如图9-c中2所示。落急时刻人工岛内部水自西侧进入，东侧流出。方案一水道内部有一个明显的回流，回流直径1 600 m，如图9-b中1所示；东侧出口外侧有1个回流，回流直径800 m，如图9-b中2所示；北侧鱼尾部外侧有一个回流，回流直径2 100 m，如图9-b中3所示。方案二水道内部有一个明显的回流，回流直径1 600 m，如图9-d中1所示；北侧鱼尾部外侧有一个回流，回流直径2 400 m，如图9-d中2所示。方案一回流的尺度小于方案二，两方案均满足工程要求。

（4）综合评价。

比较来看，受影响程度与观测点距人工岛距离呈反比，距离越近受影响程度越大。潮流是泥沙输运的主要因素之一，流速的增大将直接导致泥沙运动的活跃，因此从保持原有泥沙环境角度考虑，流速增大值越小、增大范围越小越有利。0.02 m/s等值线以内区域方案一流速增大范围小于方案二，-0.02 m/s等值线以内区域方案一流速减小范围大于方案二。两种方案内部水流和回流情况相差不大。总体来看，人工岛内部和附近流场主要受人工岛所处位置影响不大，两种方案均满足工程要求。

图9 工程方案实施后涨落急时刻流场图Fig.9 Flow field after the project implementation

4 结语

本文通过潮流数学模型，对秦皇岛双鱼人工岛工程进行了计算，分析了人工岛位置及其对周围海域水动力环境的影响。主要结论如下：

（1）人工岛建设影响范围仅限于人工岛周围较小的局部海域。山海关港区及航道、秦皇岛港区及航道分别处于人工岛东西侧流速减小区域内。山海关港区与秦皇岛港区间近岸水域处于流速增大区域内。

（2）人工岛附近流场受人工岛所处位置影响不大。人工岛方案实施后，流速有增有减，但变化幅度较小，全潮平均流速基本控制在0.10 m/s以内。最大涨、落潮流速变化分别为0.09 m/s和0.06 m/s。

（3）人工岛双鱼造型轮廓光滑，涨急时入口外没有回流，落急时入口处回流范围较小，且距离口门较远。水道内平均流速不大，在0.36 m/s以内，最大流速为0.68 m/s。

（4）秦皇岛人工岛工程实施后，对周边海域流场影响较小，工程区附近有回流出现，水道内流速较小，因此从潮流角度考虑，人工岛工程是完全可行的。

人工岛工程对海洋环境影响复杂，不仅仅是水流问题，还涉及泥沙运动、水体交换、岸滩演变等其他方面的问题，均是下一步需要展开的工作。

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Numerical simulation research on tide in artificial island project in Qinhuangdao

ZHANG Xiao1,YAN Bing2
（1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.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）

Through the two⁃dimensional mathematical model for flow based on triangular mesh,a numerical simulation of Qinhuangdao tourism artificial island project was carried out.The model reflected the main feature of a reciprocating flow along the shore in that sea area,and the principal axis of the flow direction was parallel with the bathymetric contour.The result of the model shows that:（1）the construction of the artificial island will only affect partial area around the artificial island.Shanhaiguan port and channel,Qinhuangdao port and channel are in the ve⁃locity reduction zone in east and west of the artificial island respectively.The inshore waters between Shanhaiguan port and Qinhuangdao Port are in the velocity increasing zone.（2）The location of the artificial island has a small impact on flow field.The variation of current speed is within 0.10 m/s.The flood and ebb current velocity are 0.09 m/s and 0.06 m/s,respectively.（3）Artificial island modeling has a smooth contour.The average flow rate of water⁃courses is within 0.36 m/s and the maximum velocity is 0.68 m/s.

artificial island;numerical simulation;tide;tidal current

P 731.2；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0137-06

2016-07-22；

2016-10-13

张笑（1992-），女，天津市人，硕士研究生，主要从事海岸河口水动力泥沙及水环境数值模拟研究。

Biography：ZHANG Xiao（1992-），female，master student.