人工岛群分阶段建设对附近水沙环境影响的数值研究

刘星池，王永学，陈静，2

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌330099）

人工岛群分阶段建设对附近水沙环境影响的数值研究

刘星池1，王永学1，陈静1，2

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌330099）

以龙口湾正在兴建的龙口人工岛群和招远人工岛群为例，利用MIKE21软件建立龙口湾人工岛群附近海域水沙数学模型。在模型经过实测资料验证的基础上，设计了两大人工岛群整体建设和间隔期不同的分期建设方案，模拟不同方案对龙口湾潮流变化和海底冲淤演变的影响。结果表明，间隔期为9 a的分期建设方案中人工岛群水道内流速较大，周围海域泥沙运动相对稳定，确定为优选方案。

龙口湾；数值模拟；人工岛群；分期填海；水沙环境变化

随着我国沿海地区经济快速发展，对土地需求日益增大，建设人工岛群是开发利用海洋空间资源的重要方式。通常大规模人工岛群建设应遵循整体规划、分期实施的原则。在海洋动力条件作用下，先期建成的人工岛群使周边的海床产生冲淤变化，且这种变化将作为后期建设的人工岛群的初始海床，而整体建设不存在这一过程，海床的冲淤变化是岛群整体共同影响的结果。也就是说，人工岛群整体建设与分阶段建设产生的海床冲淤演变过程是不同的。因此应科学制定填海先后次序与分期建设方案，以尽量减少对海洋环境的影响。

目前，山东半岛的龙口湾临港高端产业聚集区正在兴建我国最大的离岸人工岛群，该人工岛群由龙口人工岛群和招远人工岛群组成。近年来，国内在人工岛（群）附近海域水动力条件及泥沙冲淤演变方面开展了一些研究工作，安永宁等（2010）分析了龙口湾冲淤特性对龙口人工岛群建设的响应；周广镇等（2014）计算并对比了莱州湾东岸近岸海域人工岛群建设前后的最大冲刷深度；英晓明等（2014）研究了海南儋州由五个人工岛组成的海花岛对潮流变化及海床冲淤的影响；赵强等（2014）模拟计算了围填海工程对南黄海辐射沙脊群海域潮流和含沙量变化；许婷等（2015）模拟了波流共同作用下韩江河口附近海域汕头大型离岸人工岛群建设前后的海床冲淤变化；陈静等（2016）提出了大连湾内多个围填海工程使得湾内纳潮量减小。但上述研究大都是基于离岸人工岛群整体建成后对周围海域水动力环境的改变和产生的泥沙冲淤变化，关于动态跟踪建设过程对水沙环境影响的研究较少。

本文将以龙口湾临港高端产业聚集区人工岛群建设为研究区域，针对该区两组人工岛群建设整体方案和三种不同分期方案，运用MIKE21-FM模型数值模拟了在龙口人工岛群建设后不同间隔时间建设招远人工岛群对周围海域流场以及相应的泥沙冲淤变化，并进行对比分析，为人工岛群分阶段建设施工方案的优化提供参考依据。

1 龙口湾人工岛群概况

龙口湾位于山东半岛北部，莱州湾之东北隅，是一个半开敞海湾。湾内水深不足10 m，地形平坦，海底比降为1/1 000，沉积物中值粒径从岸向海逐渐变细，粒径值范围约为4～8Φ。龙口湾的潮汐性质为不正规的混合半日潮，龙口海洋站平均潮差为91 cm；龙口湾为不规则半日潮流区，以旋转流为主，涨潮流速略小于落潮流速，湾口流速大于湾内流速。海湾内常浪向为SW，强浪向为WSW，全年平均波高为0.4 m，仅为湾外1/3左右（中国海湾志编纂委员会，1991）。

龙口湾临港高端制造业聚集区位于龙口湾南部海域，总体规划由龙口人工岛群和招远人工岛群组成（图1）。其中龙口人工岛群包括7个离岸人工岛，填海面积35.237 km2，形成人工岸线57.8 km。人工岛群之间预留SW-NE方向两条宽550～600 m的主水道,以及NW-SE方向两条宽200～300 m的辅助水道。招远人工岛群由4座人工岛组成，填海面积12.07 km2，形成人工岸线32.8 km。龙口部分人工岛已经完成整体围堰工程，正在进行海上填筑；招远人工岛群也已经获得了国家有关部门的审批。

图1 人工岛群布置及小模型模拟区域

2 潮流场数值模拟方法简介

2.1 模拟方法及参数设置

MIKE21是丹麦水动力研究所开发的一种平面二维数值模型，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。

本文采用MIKE21的水动力模块，利用大小模型嵌套的方法，大模型研究区域为莱州湾（37.08°-38.04°N，118.87°-120.89°E），图2为大模型模拟区域及实测资料的测点位置图。小模型研究区域（图1）为龙口湾附近海域（37.48°-37.68°N，120.00°-120.62°E）。数值离散采用非结构化网格，并对人工岛群建设区域进行加密处理。由M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1 8个分潮提供大模型开边界处边界条件，分潮调和常数由渤海、黄海、东海海洋图集（海洋图集编委会，1993）中各分潮同潮图插值得到，并参考MIKE21自带全球潮汐模型提供的参数。小模型边界从大模型模拟结果中提取。泥沙运动数值模拟以水动力模型为基础，主要模拟人工岛群建设前后，研究区在正常天气下年冲淤状况。

图2 大模型模拟区域（莱州湾）及实测资料点位置

2.2 大模型潮位潮流验证

数学模型潮位验证依据2010年5月份的潮位资料（国家海洋信息中心，2010）；数学模型潮流验证依据国家海洋局第一海洋研究所在莱州湾2007年10月26日10时-27日11时测得的2个测站（L1，L2）的大潮实测海流数据及2007年11月10日12时-11日13时测得的4个测站（H1～H4）大潮实测海流数据（刘建强，2012）。验证结果表明，潮位过程线和流速流向过程线形态基本一致，计算值与实测值吻合较好；潮位验证点最高最低潮位值偏差均不超过±10 cm，潮流验证点平均流向均不超过允许偏差，平均流速除H4和L2略超出允许偏差±10%之外，其他各点均满足精度要求；其中超出允许偏差的测站（H4，L2）未超出总测站数量的20%，满足相关规程（交通运输部天津水运工程科学研究所，2010）要求，说明模型建立较为合理因篇幅有限，图3，图4，图5，图6仅列出莱州港和龙口港大潮期的潮位验证曲线和L1、H3站位的流速流向验证曲线。

图3 莱州港潮位验证曲线

图4 龙口港潮位验证曲线

图5 L1站流速流向验证曲线

图6 H3站流速流向验证曲线

3 龙口人工岛群数值模拟及分析

3.1 小模型合理性验证

在小模型研究区内的龙口部分人工岛群周围选取15个流速点（图7），将模拟计算后的涨潮时最大流速及对应流向与参考文献（安永宁，2010）进行对比，结果吻合较好（图8），进一步说明潮流场数学模型的参数设置较为合理，可进行应用计算。

图7 小模型流速对比验证点分布图

图8 龙口人工岛群周围各点流速及流向验证

3.2 潮流场数值模拟结果

图9和图10分别是龙口部分人工岛群建设前后附近海域大潮涨急和落急时刻的潮流场模拟结果。可以看出，大潮涨急时刻潮流绕过屺姆岛后向西南流，受到人工岛群影响，一部分经西侧防波堤继续向南流，一部分进入人工岛群经水道向西南流；大潮落急时刻与涨潮过程大致相反，一部分潮流绕过防波堤后向北流，一部分经人工水道后沿西北方向流出。

图9 工程建设前附近海域大潮涨急、落急时刻流场

图10 龙口人工岛群建设后附近海域大潮涨急、落急时刻流场

图11是大潮涨急、落急时刻龙口部分人工岛群建设后与建设前流速值之差的等值线图。由图11的比较可见，龙口部分人工岛群建设后附近海域的流速将有不同程度的改变。在人工岛群建设后，人工岛群西北侧海域流速整体增加，涨急时刻比落急时刻增加幅度大；西南侧海域和北侧海域流速均有不同程度的减小，且落急时刻比涨急时刻减小幅度大。人工岛群附近最大流速增减值为0.12m/s，西南侧减小范围为0.02～0.08 m/s，北侧减小范围为0.02～0.12 m/s，龙口部分人工岛群水道内流速增加幅度在0.02～0.06 m/s。

图11 大潮涨急、落急时刻龙口人工岛群建设前后流速差等值线图

3.3 泥沙冲淤特性模拟结果

本文在MIKE21-FM中运用MT泥沙输运模块，考虑潮流作用下小模型研究区在正常天气下泥沙年冲淤状况（图12）。参考中国海湾志第三册（中国海湾志编纂委员会，1991）给出的沉积物中值粒径分布（图12），采用窦国仁（1999）的经验公式，计算出研究区附近海域的沉积物临界的启动应力。

图12 莱州湾沉积物中值粒径等值线图

图13龙口人工岛群建设前后附近海域年冲淤量分布图表明：工程建设前，附近海域近岸地区大部分处于微淤积状态，年淤积量小于0.024 m，离岸较远处部分区域呈微冲刷态，年冲刷量也小于0.024 m，整个小模型研究区基本上冲淤平衡，冲淤趋势与陈明波（2012）利用海图进行的20 a水深变化分析以及安永宁（2010）的泥沙模拟计算结果基本一致，冲淤厚度量级一致，说明模型参数基本合理，可用于泥沙冲淤计算。龙口部分人工岛群建成后，岛群西北侧海域处于较强的冲刷状态，岛群西南侧及北侧海域的淤积范围和深度较未建设前明显增大，但屺姆岛西南侧的侵蚀状态有所减少。

图13 龙口人工岛群建设前后附近海域年冲淤量分布图

4 不同实施方案数值模拟及分析

鉴于当前龙口人工岛群已经完成整体围堰施工、招远人工岛群处于待建状态，本文设计了龙口人工岛群与招远人工岛群整体建设，在龙口人工岛群建成后以1 a、5 a和9 a为间隔期再建设招远人工岛群，共4种实施方案（简称方案）列于表1。数值计算中忽略了招远人工岛群建设对小模型区域边界条件的影响，分别在这4种实施方案下，模拟了龙口湾海域的水动力环境和年冲淤变化，并计算10年后海底地形变化量，探讨人工岛群分阶段建设对海洋水动力及海床冲淤演变的影响。

表1 招远人工岛群不同间隔期实施方案

4.1 不同实施方案对人工岛群附近流场变化的影响

在整体人工岛群水道内取16个点（A-P），在整体人工岛群周边地形变化较大处取5个点（QU），点位分布图见图14。根据所处位置，分别提取4种实施方案涨潮时各点最大流速绘制成曲线（图15：其中A、B、C、I、K用于对比分析龙口人工岛群水道内的流速值（图15（a））；M、N、O、P用于对比分析招远人工岛群水道内的流速值（图15（b））；Q、R、S、T、U用于对比分析整体人工岛群临海方向外围的流速值（图15（c））；J、F、G、H、L用于对比分析整体人工岛群临岸水道内的流速值（图15（d））。

图14 人工岛群周围计算点分布

图15中4个曲线图比较显示不同实施方案对招远人工岛群水道和整体人工岛群临岸水道内点最大流速值影响最大；对龙口人工岛群水道内点最大流速值影响次之；除S点外，对整体人工岛群临海外围各点最大流速值影响最小。整体人工岛群建成后，值得关注的是岛间水道中水体的交换能力，水体的交换能力与水体流速成正相关，且这种交换能力直接影响岛周围的水环境。从水动力环境角度选择实施方案时，需将人工岛群内水道流速最大化作为目标。由图15（a）龙口人工岛群水道内各点涨潮最大流速值显示方案2最佳，其次是方案3；由图15（b）招远人工岛群水道内各点涨潮最大流速值显示方案4最佳，其次是方案3；由图15（c）整体人工岛群临海外围各点涨潮最大流速值显示方案2最佳，其次是方案3；由图15（d）整体人工岛群临岸水道内各点涨潮最大流速值显示方案4最佳，其次为方案3。

若从全局综合考虑人工岛群可选择次优方案3作为实施方案；若将易淤积区的招远人工岛群水道和整体岛群近岸水道作为考虑的重点，则应选择方案4。

4.2 不同实施方案对整体岛群周围海底冲淤变化的影响

图15 不同实施方案龙口湾内人工岛群附近各点大潮涨潮时最大流速值

根据不同实施方案累计10 a的龙口湾海底地形变化分布见图16。其中，陆域河流界河来沙量较少在此忽略不计，计算过程中未考虑研究区边界来沙情况，故龙口湾内泥沙冲刷量与淤积量保持不变。图16中4个图均反映整体岛群西北侧海域海底冲刷严重，海底标高降低大于0.6 m；临近北侧海域淤积严重，最大量超过0.6 m；在整体岛群西南侧海域海底淤积面积较大，但淤积高度较小，约为0.2 m。由于招远人工岛群所在位置未建设龙口人工岛群之前是泥沙淤积区，年淤积量在0.024 m/a左右（见图13（a）），故整体人工岛群的建设对该区西南侧未被占用海域海底泥沙淤积影响不大，但对西北侧两个防波堤头和北侧海域海底冲淤影响相对严重。

图16 不同实施方案附近海域10年海底地形变化量

对于4种实施方案，方案2和方案1两组人工岛群的建设时间仅相差一年，先期建设的龙口人工岛群对海底地形的影响较小，图16（a）（b）显示方案1和方案2十年后海底地形变化量相差不大；方案3和方案4两个人工岛群建设的间隔期较长，图16（c）（d）显示龙口人工岛群西侧防波堤头附近与招远人工岛群西侧防波堤头附近的地形变化量与方案1和方案2明显不同。在龙口人工岛群围堰完成后未建招远人工岛群的这段时间间隔期内，龙口岛群西侧防波堤头处附近海域处于明显冲刷状态。因此随着间隔期的变长，龙口人工岛群西侧防波堤头附近的地形冲刷深度与范围变大，表现在图16（d）方案4的冲刷深度与范围要大于图16（c）方案3情形。招远人工岛群建设后改变了局部的流场，减弱了龙口人工岛群西侧防波堤头附近的地形冲刷深度与范围，招远人工岛群西侧防波堤头附近进入冲刷状态。

图17显示不同实施方案整体岛群建成后龙口岛群水道内、招远岛群水道内和整体周围海域各点的海底年冲淤量。其中正值表示淤积量，负值表示冲刷量，研究点冲淤量值离X轴越近冲淤量越小，海床越稳定。（a）（b）（c）（d）4个图联合起来综合考虑，发现方案4为优选方案，其次为方案3，方案1和方案2基本相当。但是，由于龙口人工岛群东北侧临岸水道没有南北贯通留有拐角并且水道较窄，附近J、F点淤积较严重，方案2-4的年淤积量均比方案1大。

图18显示不同实施方案整体人工岛群内及周围各点10年后地形变化情况，其中正值表示淤积，负值表示冲刷。图18（a）中两组人工岛群建设间隔时间越长龙口人工岛群水道内冲刷越严重，淤积量越少；图18（b）中招远人工岛群水道内以淤积为主，两组人工岛群建设间隔时间越长招远人工岛群水道内淤积量越少；在图18（c）中对于整体人工岛群临海外围各点两组人工岛群建设间隔时间越短S点冲刷量越小，T点特征与S点相反，Q、R、U点变化不大；图18（d）整体人工岛群临岸水道中J点淤积量最大，其他各点淤积量较小，与图17（d）结果一致，但整体人工岛群临岸水道内10年淤积量方案4最小。若从减少人工岛群水道内泥沙淤积的角度选择实施方案时，可选择方案4。

图17 不同实施方案整体岛群建成后附近各点年冲淤量

图18 不同实施方案整体人工岛群附近各点10年海底地形变化量图

5 结论

本文以龙口湾临港高端制造业聚集区的龙口与招远两大人工岛群工程为例，运用MIKE21软件计算并分析了在龙口人工岛群围堰建成后，招远部分人工岛群相隔不同年份建设对工程水域水动力与泥沙的影响，可得到如下结论：

（1）人工岛群分期建设中，先期建设的人工岛群会引起附近海域的海底地形和海洋动力环境条件较大的改变，因而后期人工岛群建成后的附近海域地形冲淤演变不同于两部分人工岛群整体建设方案。实际工程中可根据建设需求的不同选择最优分阶段建设方案。

（2）在龙口部分人工岛群和招远部分人工岛群分阶段建设过程中，综合考虑整体岛群水道内和临海外围海域的流场及泥沙冲淤变化情况，分期间隔较长的方案为优选方案。

（3）本文仅考虑潮流场变化下的招远部分人工岛群相隔不同年份填海建设对工程区域附近海底地形变化的影响。鉴于人工岛群工程离岸较近、水深较浅，波浪与水流共同作用下人工岛群分阶段建设对海床冲淤演变的影响需进一步的探讨。

安永宁，吴建政，朱龙海，等，2010.龙口湾冲淤特性对人工岛群建设的响应，海洋地质动态，26（10）：24-30.

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刘建强，2012.莱州湾海洋工程建设对小清河口环境影响数值研究.硕士学位论文.青岛：中国海洋大学.

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（本文编辑：袁泽轶）

Study on the water-sediment environment of artificial islands constructed in stages by numerical simulation

LIU Xing-chi1,WANG Yong-xue1,CHEN Jing1,2

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China）

Hydrodynamic and sediment model for the Longkou bay nearby waters is set up by MIKE21 software in this paper.The overall construction scheme and Installment construction schemes of different intervals are simulated on the basis of the validation by the measured data。The results show that the velocity within the waterways is relatively larger and the sediment movement around the artificial islands is relatively stable in the 9-year interval scheme,so this scheme is preferred.

Longkou Bay;numerical simulation;artificial islands;staging reclamation;water and sediment environment changes

P753

A

1001－6932（2017）03－0302－09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.008

2016-01-24；

2016-03-18

国家自然科学创新研究群体基金（51221961）。

刘星池（1991－），硕士研究生，主要从事海岸工程与海洋环境科学方面研究。电子邮箱：lxc102@mail.dlut.edu.cn。