国外一种基于水动力环境及盐度影响相结合的跨海连接工程方案优化方法

(中国水利水电科学研究院，北京 100038)

随着我国沿海经济的快速发展以及“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的推进，跨海连接工程对于交通运输能力的提高发挥了重要作用。近年来，越来越多的跨海连接工程建成投入使用[1]。正确评估连接工程对工程区海域水动力和生态环境等方面的影响是非常重要的前期工作之一,其评价结果将直接影响连接工程的总体设计方案[2]。

国内学者针对不同的跨海大桥对工程区海域水沙环境及港口航道等的影响开展了大量的研究工作，如舟山连岛工程的金塘大桥[3]、横跨杭州湾的杭州湾大桥[4]、横跨胶州湾海域的青岛胶州湾大桥[5-6]、横跨伶仃洋的由“桥-岛-隧”构成的港珠澳大桥[7-14]。在跨海连接工程建设方案论证和比选阶段，国内多是从连接工程对工程区海域水沙环境、地貌形态和港口航道影响相对较小的角度出发[3-4,14]，通过建桥前后流速、流向、纳潮量、阻水比(桥墩阻水面积/断面过流面积)、局部冲淤等的变化，对跨海大桥方案进行优化确定。在缺乏方案优化的具体方法及控制性指标情况下，工程建设方案比选通常会周期比较长，导致工程前期工作进度受到影响，经济投入增大。但国内对跨海连接工程方案优化具体方法研究相对较少，何用等[13]以港珠澳大桥工程为例，提出基于单宽流量概念的涉水工程阻水效应评估方法，以最大程度减少工程沿线单宽流量损失为目标，从而实现工程线位和关键部位的优化。李勇等[15]在文献中以深港西部通道跨海大桥项目为背景，指出对于填海和桥墩引起的阻水效应，可选择断面流量和水体交换能力作为实施方案的控制性指标，规定阻水影响的百分数，通过调整设计方案尽量减小其影响，但文献中并未给出明确的控制标准。另外，跨海连接工程对海洋生态环境的影响越来越受到人们的重视，对此在确定方案优化方法时应予以适当考虑，而国内文献在这方面未见报道。鉴于盐度是海域生态系统的健康评价指标体系中水质指标的标志性特征参数之一[16]，与阻水效应类似的阻盐效应可作为跨海连接工程对周边海域生态环境影响指标[17-18]。本文作者依据在丹麦多年跨海连接工程相关的工作经验，介绍一种以数学模型为工具的基于水动力环境及盐度影响相结合的跨海连接工程方案优化方法，以期为国内的连接工程建设方案论证和优化提供参考和借鉴。

1 水动力及盐度数学模型

建立二维水动力及盐度数学模型，对跨海连接工程所在海域进行潮流及盐度数值模拟，分析工程建设对所在海域潮流及盐度分布的影响。

在平面直角坐标系下，二维水动力数学模型控制方程可描述如下：

连续方程：

(1)

X方向运动方程：

(2)

Y方向运动方程：

(3)

盐度输运方程：

(4)

式中：s为海水的盐度，PSU；Dx和Dy为X和Y方向的扩散系数；ss为源排放的盐度,PSU。

2 阻水、阻盐效应控制方法及标准

跨海连接工程中填海和桥墩可能会造成通过工程轴线断面的水流和盐度的减少，从而影响工程海域的水动力和生态环境。为尽量减少其影响，优化的工程设计方案应使水流和盐度输移变化为零(或接近于零)。工程造成的水流和盐度的阻挡效应可以通过疏浚现有航道，开挖新航道或局部挖掘措施进行补偿，其目的是为了达到“零解决方案”，即工程建设前后通过工程断面的水流和盐度基本保持一致。“零解决方案”的概念最早是在丹麦建设大贝尔特海峡大桥(18 km)时提出。之后在多个大型跨海连接工程方案设计过程中得到应用，包括连接丹麦与瑞典的厄勒海峡大桥(16 km)，连接丹麦与德国的费马恩海峡大桥(17 km)，科威特堤道连接工程(28 km)，卡塔尔-巴林堤道连接工程(40 km)等。

根据水动力及盐度数学模型，可以计算得到工程前(参考工况)及工程后(设计工况)通过大桥工程轴线断面的水流和盐度的输移量。水流体积通量(Q)和盐度通量(QS)的定义如下：

(5)

(6)

式中：Q为水流体积通量,m3/s；QS为盐度通量,PSU·m3/s；t为时间，s；A为断面的面积，m2；vN为垂直于断面的流速，m/s；dn为垂直于断面的单位矢量；S为盐度，PSU。

跨海连接工程导致的阻挡效应可定义为工程前后通过工程轴线断面的通量之差占工程前参考工况通量的百分比，阻水、阻盐效应可分别由下列数学表达式表示：

(7)

(8)

式中：ΔQ定义为阻水效应值；ΔQS定义为阻盐效应值；T为数值模拟的时间长度，s；下标“ref”表示为工程前的参考工况；下标“scenario”表示为工程后的设计工况。

阻水、阻盐效应可作为跨海连接工程方案优化以及所需补偿性疏浚的评估工具。阻水、阻盐效应的正值表示补偿性疏浚不足，负值则表示设计方案存在过渡补偿。阻挡效应的“零解决方案”控制标准可定义为±0.5%范围以内，该标准最早于丹麦大贝尔特海峡大桥的研究过程中提出，并应用于多个国际大型跨海连接工程的研究。

3 应用实例

卡塔尔-巴林堤道连接工程是连接卡塔尔和巴林两国之间一条40 km长的包括公路及铁路的跨海通道，设计方案包括17 km的堤坝和23 km的高架桥和桥梁。在堤道连接工程方案优化过程中，对上百个方案进行了阻水、阻盐效应的对比[17]，在此针对两个设计方案的结果进行比较。连接工程的某一设计方案(方案1)的平面布置见图1。方案1的海工工程主要包括堤坝(EM1、EM2、EM3-1、EM3-2、EM3-3、EM4-1、EM4-2、EM4-3、EM6)、桥梁(BR1、BR2、BR3、BR4)、3个航道(S1、S2、S3)、航道附近的3个填充区(FD1、FD2、FD3)、小型人工岛(RQ、RB)，以及3个开挖区域(QBA1、QBA2、BBA1)。方案2是在方案1的基础上去除掉填充区FD3。

图1 卡塔尔-巴林堤道连接工程方案1平面布置图

对参考工况以及工程设计方案1和方案2的工况分别进行水动力及盐度数值模拟。根据模拟结果，由式(7)和式(8)计算得到方案1的阻水、阻盐效应值分别为0.16%和0.71%。与±0.5%范围内的“零解决方案”控制标准比较可见，阻水效应满足要求；而阻盐效应值偏大，需要进一步补偿疏浚或采取相应减小阻挡的措施。方案2是在方案1的基础上去除掉起一定阻挡作用的填充区FD3，其阻水、阻盐效应值分别为-0.24%和0.34%，均满足±0.5%范围内的“零解决方案”控制标准，表明方案2对周边海域水动力和生态环境基本没有影响。

4 结 语

跨海连接工程建设方案的论证涉及面广、周期长、投资造价高，工程对周边海域水动力环境和生态环境的影响评价直接影响连接工程的总体设计方案。方案优化方法对方案的论证起着至关重要的作用，合理有效的优化方法能缩短工程建设周期，提高经济效益。本文介绍了国外一种基于水动力环境及盐度影响相结合的跨海连接工程方案优化方法，给出阻水效应、阻盐效应的计算方法以及用于国际大型跨海连接工程的“零解决方案”控制标准。结合海外工程实例说明通过采取疏浚现有航道，开挖新航道或局部挖掘的措施对桥梁、堤道及人工岛引起的阻挡效应进行补偿，可达到阻水、阻盐效应的“零解决方案”目的。