海南海花岛内海围堤工程及其影响数值模拟研究

张 征，左书华，崔 成

(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)

1 概 述

海花岛项目位于海南省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。通过吹填造陆，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，工程建设区海域概况见图1。

海花岛由3个人工岛串联而成，其中1#岛将打造为综合服务区，主要含风情酒店、商务会议、健康养生、运动、温泉、饮食、酒吧等旅游配套服务；2#岛、3#岛为配套旅游地产。根据设计要求，在3个岛屿与内陆之间设置堤坝形式的桥梁，使3个岛屿与东南侧内陆之间形成内海。由于上下游堤坝及岛与岛之间的设置堤坝结构，改变了原有水动力条件。为分析内海围堤工程建成后，工程周围流场、泥沙运动趋势及其影响，本文采用波浪潮流泥沙数值模拟技术，模拟计算海花岛人工岛内海围堤工程建设后，周围海域水动力和海床冲淤变化，为相关研究提供基本依据。

图1 海花岛工程海域概况及水文测站图

2 研究区域概况

1) 海南洋浦地区地处低纬，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32.3 m/s，≥5级风的频率为0.85%。

2) 工程所在的洋浦湾海域潮波由南海潮波经北部湾南部传入而至，经地形和底摩擦作用而形成，潮波系统与北部湾属同一系统。根据洋浦港潮位站多年资料显示，其潮汐形态数F为7.94，属于以全日潮为主的潮汐性质，平均潮差为1.9 m左右，历史最高潮位4.38 m(理论基面)。潮流以不正规日潮流为主，具有往复流性质，流向与等深线方向基本一致，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为0.4 m/s左右。

3) 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月份，一般由台风引起的，如9618号台风所引起最大H1/10为4.1 m。

4) 海花岛工程所在洋浦湾海域含沙量低，在一般天气下，全潮平均含沙量仅在0.02 kg/m3左右；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%，最大含沙量约为0.16 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，平均中值粒径为0.05～0.9 mm。

5) 海花岛工程位于洋浦南沙滩南侧，在理论基面下，岸滩附近为裸露的礁盘，0 m等深线以下2 m、5 m等深线距离较近，坡度较陡，再向下至10 m等深线坡度变缓。从等深线变化和断面水深来看[2]，工程区附近水深都是保持相对稳定的。

3 数学模型原理

在该模型中，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，并与实测的潮汐和潮流资料作比较，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[3]。在此基础上，应用海岸河口多功能数学模型软件TK-2D[4-5]，利用2011年7月实测潮位、流速及流向的数据，对模拟结果进行验证。然后在验证误差允许的范围内，模拟海区建设前后的水动力变化状态及海床冲淤等模拟计算。模型原理在此就不再赘述，详见文献[4-5]。

4 相关参数及处理技术

1) 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零；水～水边界由已知的流量或水位资料给出。

2) 根据计算海区岛屿和岸线特点，本模型采用任意三角形计算网格。此网格的优点在于：在计算域内可以准确模拟出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。公式如下：

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，可近似采用曼宁公式：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，还包括其它因素对水流的综合影响。所以它已不是原有意义的糙率系数，应当把它看成是一个综合的影响因素。

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。

5 模型验证

根据2011年7月2～8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，见图2～图4(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[7]的要求；地形验证采用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进行数值模拟的计算分析。

图2 大潮潮位验证曲线

图3 大潮流速流向部分验证曲线

图4 大潮含沙量部分验证曲线

6 内海围堤工程方案

围堤内水域为海花岛工程重点规划功能区，其设计方案有两个：

1) 大范围内海方案：新建堤坝长度2 684 m，形成内海水域面积约5.34 km2，内海设计水深为-3 m。

2) 小范围内海方案：内海水域面积约3.7 km2，内海设计水深为-3 m。

两个方案均在内海的4 条围堤上设置不同的箱涵，在涨落潮期间开关箱涵，利用涨落潮水体与外海水体进行自然交换。

7 工程海域流场变化影响分析

7.1 现状下流场分析

现状下海域边界为海花岛工程建成后的陆域边界，图5为海花岛建成后的涨落潮流场情况。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，水流由海花岛各水道汇入南沙滩在进入洋浦港潮汐深槽内，浅滩水流基本呈垂直于现有码头岸线，深槽内主流向于码头岸线一致。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，流经海花岛各水道往西南流动。

海花岛周围总体流速较小，海花岛各水道内最大流速一般为0.1～0.4 m/s之间，最大为0.6 m/s。一般情况下，海花岛各水道之间水流较顺畅，基本不存在环流区，在局部花瓣内水域受到岬角影响存在局部环流现象。

7.2 围堤工程后流场变化

图6和图7为海花岛内海围堤工程实施后周围海域涨落潮流场情况。由流场图可以看出，从总体来看，大范围流场运动特征与现状相同，基本不会影响到外海和周围海域的潮流形态；海花岛周围总体流速较小，围堤外侧水域的最大涨落潮流速一般在0.1～0.4 m/s之间，局部最大为0.6 m/s；落潮流一般大于涨潮流。海花岛内海水域的流速较小，一般呈弱流形势，流速在0.1 m/s以下；两个方案流速分布差异不大。

图5 洋浦湾海花岛海域流场图

图6 内海围堤方案1实施后海花岛周围涨落潮流场情况

图7 内海围堤方案2实施后海花岛周围涨落潮流场情况

图8为工程方案后大潮平均流速变化等值线分布情况。两个方案实施后海花岛周围及内海水域流速大都呈减小趋势；大范围内海方案，海花岛外围水域平均流速减小0.05～0.2 m/s，内海水域减小0.1～0.4 m/s，内海围堤附近局部减小0.5 m/s左右，局部区域如2#岛与陆地之间的围堤局部流速增大0.1 m/s，见图8(a)；小范围内海方案，流速变化趋势与方案1基本一致，其主要区别在于3#岛与陆域相连的堤坝附近，图8(b)。

总体而言，围堤工程对附近海域流速影响仅局限于海花岛周围局部区域，对洋浦深槽和洋浦港水域基本没有影响。

图8 内海围堤工程实施后周围平均潮流速变化(工程后-现状)

8 工程海域海床冲淤变化及影响

工程海域泥沙运动，主要是“波浪掀沙，潮流输沙”。正常天气下的淤积采用年平均波高与潮流、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，模拟计算工程后正常天气情况下年地形冲淤变化。图9为海花岛内海围堤工程实施后，正常天气下对地形影响的年冲淤变化。从结果看：

1) 从整体来看，海花岛内海围堤建成后，内海水域呈现为弱淤积状态。

2) 方案1：内海水域年淤积厚度在0.05～0.15 m；在内海围堤附近局部区域淤积状态有所减弱，而且在局部流速相对较大的水体交换的出流口附近呈冲刷状态，最大冲刷幅度在0.4 m左右。另外，在1#岛、2#岛和3#岛外侧迎浪区的人工岛岬角区有局部冲刷，冲刷幅度在0.1～0.3 m。

3) 方案2：内海水域年淤积厚度在0.05～0.15 m；在内海3#围堤外侧区域一定范围进行了开挖，该水域呈淤积状态，在0.05～0.2 m之间；在1#岛与3#岛之间围堤附近都一定的冲刷，最大冲刷幅度在0.4 m左右，由于该区域箱涵处流速较大的原因。另外，在1#岛、2#岛和3#岛外侧迎浪区的人工岛岬角区有局部冲刷，冲刷幅度在0.1～0.3 m。

图9 内海围堤工程实施后正常天气下地形年冲淤变化

9 结 语

本文采用潮流泥沙数学模型的方法，对海花岛围堤工程实施后周围海域动力变化、地形变化及其影响进行了研究。数学模型计算结果显示：

1) 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了工程建设后海域流场、含沙量场变化。

2) 现状条件下，海花岛周围总体流速较小，海花岛各水道内最大流速一般在0.1～0.4 m/s之间，最大为0.6 m/s。一般情况下，海花岛各水道之间水流较顺畅，基本不存在环流区，在局部花瓣内水域受到岬角影响存在局部环流现象。

3) 围堤工程实施后，海花岛内海水域呈弱流形势，流速在0.1 m/s以下，各个方案流速分布差异不大；围堤工程对附近海域流速影响仅局限于海花岛周围局部区域，对洋浦深槽和洋浦港水域基本没有影响。

4) 内海水域呈现为弱淤积状态，正常天气下，内海水域年淤积厚度在0.05～0.15 m，局部冲刷在0.3 m左右，两个方案在冲淤量级上没有本质差别。