人工岛群对弱潮区海岸动力影响的叠加效应分析

匡翠萍，赵 钒，宋竑霖，顾 杰

（1.同济大学土木工程学院，上海200092；2.上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海201306）

自20世纪90年代，随着我国沿海城市建设、港口运输业的迅速发展和人口的增加，人工岛（群）建设工程日益增多［1］。虽然人工岛群建设活动带来了很大的社会效益和经济效益，但近岸海域过于密集的人工岛群建设导致附近海域的水动力发生显著变化［2-4］，即使单一的人工岛建设也会对周围海岸动力产生一定的影响［5-7］。王李吉等［8］分析了海口如意岛工程周围水域工程前后的潮流场变化，指出如意岛的建设主要影响岛南近岸区域，流速变化约45%；陈新等［9］研究人工岛周围波高分布的规律并总结了人工岛直径变化对波高影响的规律。人工岛群使得近岸海域海岸动力变化特征更加复杂，需要考虑人工岛群平面布局［10］、人工岛群的分期建设方案［11］、人工岛群间的相互影响［12-13］等因素。目前不少学者对人工岛群开发和包含人工岛在内的多个工程开发的整体影响展开过研究［14-16］，但对人工岛群中岛屿间水动力的相互影响及其对海岸动力影响的叠加效应的研究尚不明确。

金梦海湾靠近秦皇岛外海的无潮点，潮差较小，潮流动力弱，故潮流场对近岸人工岛建设的敏感度较高。本文基于金梦海湾单一人工岛和人工岛群作用下的潮流场和波浪场计算结果，定量分析了单一人工岛建设对近岸海域水动力的影响，并重点探讨人工岛间的相互作用及人工岛群建设对金梦海湾海岸动力影响的叠加效应，且模拟和分析改造方案对海岸动力的影响。

1 研究区域概况

研究区域涵盖金梦海湾及其周边海域（图1），北起汤河，南至海滨国家森林公园，是连接秦皇岛北戴河区和海港区的枢纽过渡地带。汤河入海口上游约1.4km处设有橡胶坝。近年来，金梦海湾的人工构筑物建设密度很大，主要有潜堤和人工岛群（莲花岛和海螺岛）2种形式。其中每个潜堤长360m，共计3座，离岸约380m，已于2012年完成施工。海螺岛平面近似海螺，岛陆由1条进岛路连接，进岛路是管涵结构，离岸约600m，于2013年底开始建设。莲花岛呈椭圆形布置，长轴（SW-NE方向）长1 670m，短轴（SE-NW方向）长1 130 m，岛屿向海侧建设防波堤，离岸约1 000m，建设项目用海面积2.14km2。莲花岛自2011年审批，目前外侧防波堤已建设完成且海底已铺设沉箱结构。

近岸海域潮汐属规则全日潮，潮流为规则半日潮，总体表现为顺岸往复流，流速由外海区域向近岸递减。研究区域潮流呈涨急WSW向、落急ENE向的特征，外海流速的大小为0.15～0.24 m·s-1，且涨急时刻流速略大于落急时刻（图2）。图中T1～T7为分析点的位置。

图1 计算区域、网格、人工岛群工程布置及分析点位置Fig.1 Computational domain,grid,layout of artificial island group and locations of measurement points

2 数学模型的建立与验证

2.1 模型介绍

MIKE21模型是丹麦水力学研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）研发的水环境综合模拟软件，主要模拟河流、湖泊、河口、海岸等水动力环境［17］。MIKE21软件的Flow模块为潮流数学模型，基于Boussinesq假定、静水压力假定、浅水假定和初边界条件，通过有限体积法求解不可压缩雷诺平均Navier-Stokes概化的浅水方程。MIKE21软件的SpectralWave模块为波浪谱模型，以波的作用密度谱来描述波浪，以保证水流存在条件下波作用密度的守恒［18］。相关研究表明，MIKE21软件的Flow和Spectral Wave模块能较好模拟人工岛周围的潮流场和波浪场［9，19］。

2.2 计算范围及参数设定

采用大小模型双重嵌套技术研究，大模型区域范围为渤海，小模型计算域坐标为 39°39′～39°57′N，119°24′～119°51′E（图1）。渤海大模型以大连老虎滩和烟台2个潮位站的连线作为潮位开边界，其模型网格节点数为14 183，网格单元数为23 419。小模型由东北、东南和西南3条海域开边界以及1条岸线闭边界构成，研究区域面积约为587.4 km2。小模型网格节点数为13 431，网格单元数为25 585，对工程区域进行局部加密，网格分辨率为10～2 500 m，图1坐标为北京54坐标系（中央子午线经度120°E）。

大模型的海域开边界采用潮位过程控制，小模型边界条件由大模型计算所得的潮位和流速过程控制。其中海岸边界区域采用动边界处理潮间带和滩肩的干湿交换过程，干水深、淹没水深和湿水深分别取0.005 m、0.05 m和0.1 m。曼宁数根据计算范围内的粒径资料取平均值74 m1/3·s-1。由于汤河橡胶坝下无径流注入，河流边界采用闭边界。潮流模拟时间为2013年5月8日至5月16日，时间步长范围取0.000 1～30 s。波浪模型的陆地边界采用完全吸收边界。在海域开边界，根据波浪实测资料统计给定波浪参数（有效波高、谱峰周期和波向）。

2.3 模型验证

潮流模型采用2013年5月11日和12日秦皇岛测站的潮位预报值对其潮位进行验证以及2013年5月11日和12日2个实测站点（SDL02、SDL03）的实测海流流速和流向资料对潮流进行验证，相关测站位置如图1。采用北戴河波浪浮标测站（图1）的波高、波周期、波向的统计值对波浪模型进行验证。

2.3.1 潮流模型验证

图2为潮位、流速、流向的验证结果，计算值与实测值吻合良好。为进一步衡量潮流模型的可行性，采用Willmott统计学方法［20］来定量评价模型模拟结果与实测数据的匹配程度，其计算式为

式中：S为Willmott统计学方法的评价指标skill值；i=1，2，…，N，N为实测数据个数；M为模型计算结果；D为实测值；为实测平均值。S=1表示模型计算值和实测值完全相符；S大于0.65为极好；S在0.50～0.65之间为非常好；S在0.20～0.50之间为好；S小于0.20为差；S=0表示模型计算值和实测值完全不符。

通过式（1）计算本模型潮位、SDL02流速、SDL03流速、SDL02流向、SDL03流向的S值分别为0.99（极好）、0.70（极好）、0.58（非常好）、0.72（极好）、0.93（极好）。通过对评价结果与误差进行分析可知，水动力验证中潮位、流速与实测值吻合均处于非常好以上，但数值上存在一定偏差，这主要是由于模型局部地形精度不足所致。整体来看，所建潮流模型合理，可以用于不同工况的计算分析。

2.3.2 波浪模型验证

图2 2013.5.11-5.12秦皇岛海域潮位、流速和流向验证Fig.2 Validation of tidal level,tidal current velocity magnitude and direction in Qinhuangdao sea from May 11 to 12

波浪模型验证结果如表1所示，3个波浪参数（波高、波周期、波向）误差均不超过4%，模拟结果合理。图3为模拟所得常浪场，模型能较好模拟出计算海域的波浪场，可以用于不同工况的计算分析。

表1 波浪模型的波高、波周期和波向验证Tab.1 Validation of significant wave height,wave period and wave direction

图3 常浪场（单位：m）Fig.3 Wave field under a normal incident wave（unit：m）

3 人工岛群的水动力效应分析

选取工程前（工况1）、单一莲花岛（工况2）、单一海螺岛（工况3）、莲花岛和海螺岛组成的人工岛群（工况4）共4种工况分别模拟其对研究区域潮流场和波浪场的影响，重点讨论金梦海湾近岸海域和工程近区水动力对不同工况的响应特征以及工程间的相互作用。

3.1 人工岛群对潮流场的影响

工程实施后，外海流场基本不变，仍呈现往复流特征，近岸海域和工程近区受工程影响较为显著。

3.1.1 流态变化

图4为4种工况下的涨落急流场图。单一海螺岛作用下，由于海螺岛的阻流作用，附近水域局部流态变化明显，见图4b、4f，涨急时刻潮流在海螺岛南侧形成沿堤流，落急时刻流场方向则相反。由于海螺岛及其进岛路形成了1.4km长的垂岸挡水建筑物，岛与岸线之间形成较大范围弱环流区，环流区长度约为900m，宽度约为800m。在单一莲花岛作用下，由于莲花岛的阻流和分流作用，见图4c、4g，涨急时刻潮流经莲花岛分成2股支流，一支沿莲花岛近岸侧向金梦海湾运动，另一支沿莲花岛外海侧保持WSW方向运动，落急时刻流场方向则相反。潮流在莲花岛内部形成弱环流区。在莲花岛和海螺岛共同作用下，由于莲花岛和海螺岛的阻流、导流和分流作用，见图4d、4h，涨急时刻潮流经海螺岛后在莲花岛处分成2股支流，一支通过莲花岛与海螺岛形成的口门沿莲花岛近岸侧向金梦湾运动，另一支沿莲花岛外海侧保持WSW方向运动，落急时刻流场方向则相反。海螺岛使得莲花岛的近岸侧支流流向在人工岛群口门处顺时针偏转约30°，而莲花岛使得海螺岛背水面的弱环流区范围缩减约20%。

3.1.2 流速变化

图5为工程后与工程前的涨落急流速差值图，即工况2、3、4流速分别减工况1流速所得的差值。

在单一海螺岛作用下（图5a、5d），涨急时刻潮流海螺岛岬头挑流作用在岛南侧形成流速增加区域，长度为1 700m、宽度为1 300m，区域内平均流速变化范围为0.02～0.08 m·s-1，比工况1增加约20%。而海螺岛迎水面一侧由于雍水形成流速减小区，潮流在海螺岛与岸线之间形成的较大范围弱环流区的流速几乎为零，涵盖金梦海湾沿岸约3km海域。落急时刻岛南侧形成的流速增加区域与涨急时刻特征一致，而海螺岛与岸线之间的环流区受落潮主流向影响，流速较涨急时刻大，使得流速几乎为零的区域由涵盖金梦海湾沿岸的3 km海域减少为0.8 km。

在单一莲花岛作用下（图5b、5e），莲花岛两侧分流区的流速增加，流速变化值最大可达0.05m·s-1，与工况1相比流速增加约40%；人工岛迎流侧和背流侧由于岛屿阻挡形成2个流速减小区，流速变化值最大可达0.08m·s-1，与工况1相比流速减小约40%。另外，莲花岛内流速几乎为零。与海螺岛相比，莲花岛的布置角度与流向几乎平行，且岛屿形态具有鲜明的对称性，但受海岸线变化的影响，莲花岛两侧流速变化不完全对称。工程对潮流主要影响区域集中在顺岸方向上距莲花岛500～1 700 m范围内、岸线垂直方向上距莲花岛900 m范围内。

图4 涨急和落急时刻流场图Fig.4 Current fields at the maximum flood and ebb

在莲花岛和海螺岛共同作用下，见图5c、5f，莲花岛与海螺岛的外海侧为涨落潮流速增加区，长度为2 800 m、宽度为1 400 m，区内流速变化范围为0.02～0.05m·s-1，比工况1增加约30%，另外在人工岛群形成的口门处由于束水作用流速增加约为0.13m·s-1；金梦海湾近岸区域和莲花岛内部均形成弱流区，流速几乎为零；莲花岛和海螺岛的阻流作用也使西南侧的浅水湾形成流速减小区（0.10m·s-1左右）。海螺岛使得莲花岛的近岸侧平均流速减小0.05 m·s-1，外海侧平均流速增加0.01m·s-1，而莲花岛使得海螺岛背水面的弱环流区内流速增大约0.02m·s-1。

基于人工岛群对其近岸海域潮流场影响的初步分析，在其影响区域内选取7个分析点分析其影响的叠加效应，分析点T1～T7的位置见图1。建立原假设H0：莲花岛与海螺岛共同作用下的流场可以看作是单一莲花岛作用下的流场与单一海螺岛作用下的流场的线性叠加。表2给出了7个分析点的基于原假设H0线性叠加值和数值模拟值。

将流速变化的线性叠加值和数值模拟值考虑为一元回归问题，假定数值模拟值y和线性叠加值x之间的回归函数为y=β1x，对β1进行t检验，其检验统计量计算公式为

式中：β1为一元回归函数的系数；是β1的最小二乘估计值，为第i个线性叠加值；

由回归系数显著性检验的统计学知识可知T～t1-α(n-2)，因此在显著性水平α=0.05下，拒绝域为T＜t0.95(n-2)。

经计算T=—2.387 9，其小于临界值t0.95(12)，t0.95(12)=—1.782 3。故拒绝原假设H0。

图5 涨急和落急时刻流速差值（单位：m·s-1）Fig.5 Velocity differences between engineering case 2,3,4 and case 1 at the maximum flood and ebb respectively（unit：m·s-1）

人工岛群对近岸潮流场影响的非线性叠加效应主要体现在以下2个区域：在莲花岛与海螺岛形成的口门处，虽然该区分别属于海螺岛工程单一作用和莲花岛工程单一作用下的流速略微增加区和流速减小区，但由于海螺岛与莲花岛口门处的区域束窄，流向变化使得该区在莲花岛与海螺岛共同作用下形成流速显著增加区；在距离工程较远的浅水湾海域，虽然该区均不属于海螺岛工程单一作用和莲花岛工程单一作用下的潮流场影响范围，但随着海螺岛与莲花岛工程相继建立，阻流作用增加使得涨急时刻下的浅水湾海域形成流速减小区。

图5f中的海螺岛与岸线之间（A区）、莲花岛与海螺岛形成的口门处（B区）和人工岛群外侧海域（C区）流场受人工岛（群）影响较大。进一步提取4个工况下典型时刻的流速变化量，见表3，表中Vj为工况j某时刻区域流速。通过对比表3中各种工况影响百分比的大小和正负，量化海岸潮流流速变化对不同工程建设的敏感性。由表3可知，3个区域的潮流流速在一个潮周期中都呈现单调增加或减少的趋势。除了B区莲花岛与海螺岛形成的口门处以外，海螺岛单独作用对流速的影响较莲花岛单独作用大，且作用百分数为正值，说明海螺岛基本决定了海岸流速的变化趋势。尽管单独海螺岛对B区流速影响的百分数小于单独莲花岛作用，且作用方向相反（数值符号一正一负），但由于海螺岛和莲花岛结合时该区域主流向较单独莲花岛作用下偏转较大，使得B区流速受海螺岛影响较大。海螺岛在3个区域的潮流变化中起到控制性作用，然而受莲花岛的影响，海螺岛对海岸流速的影响程度发生改变。在A区，莲花岛削弱海螺岛影响的4.1%～15.6%，即莲花岛可缓和海螺岛与岸线之间水域的潮流动力弱的问题。在B区，莲花岛对水流的影响占海螺岛的45.2%～48.9%，且作用方向一致。在C区，涨急时刻莲花岛削弱海螺岛影响的52.0%，落急时刻作用 方向与海螺岛相同，占海螺岛作用的59.8%。

表2 分析点流速变化的线性叠加值和数值模拟值Tab.2 Linear superposition value and numerical simulation value of current velocity change at measurement points in Jingmeng Bay（m·s-1）

表3 不同工况对海岸流速变化的作用Tab.3 Impacts of different scenarios on coastal current velocity changes

3.2 人工岛群对波浪场的影响

工程实施后，有效波高仅在近岸海域发生变化。图6为工程后与工程前的有效波高差值图，即分别为工况2、3、4的有效波高与工况1的有效波高的差值。

在单一海螺岛作用下，由于海螺岛及其进岛路的掩护（图6a），海螺岛波影区内的有效波高减幅为0.38～0.56 m，其削减效果达80%以上。波浪在海螺岛处的绕射作用使得波影区以西的近岸侧区域有效波高增加约0.1 m。

在单一莲花岛作用下，由于莲花岛外海防波堤的掩护（图6b），金梦海湾沿岸约3km海域的波浪场发生变化。莲花岛波影区内的有效波高减幅为0.18～0.42m，其削减效果约40%～60%。由于莲花岛允许波浪穿过其中部向金梦海湾近岸传播，故消浪效果由波影区中部向两端先增大后减小。

在莲花岛和海螺岛共同作用下，由于人工岛群的掩护，见图6c，金梦海湾沿岸约3.5km海域的波浪场发生变化，其有效波高的削减效果达到41.8%～55.2%，人工岛群对金梦海湾具有较好的掩护作用。

图6 有效波高差值（工况2、3、4波高分别减工况1波高）（单位：m）Fig.6 Significant wave height differences between engineering case 2,3,4 and case 1（unit：m）

基于人工岛群对其近岸海域波浪场影响的初步分析，在其影响区域内选取5个分析点进行定量分析，分析点T1～T5的位置见图1。建立原假设H0：金梦海湾有效波高在莲花岛与海螺岛共同作用下的变化可以看作是各单一人工岛作用下的线性叠加。表4给出了5个分析点有效波高的线性叠加值和数值模拟值。

将波高变化的线性叠加值和数值模拟值考虑为一元回归问题，相关计算公式同式（2），但该处n=5。经计算T=—1.057 0，大于临界值t0.95(3)，t0.95(3)=—2.353 4。故不能拒绝原假设H0。

表4 分析点有效波高变化的线性叠加值和数值模拟值Tab.4 Linear superposition value and numerical simulation value of significant wave height change at measurement points in Jingmeng Bay m

比较图5和图6，不难发现波浪场中人工岛群间的相互影响范围小于潮流场。主要是由于常浪传播方向几乎与岸线垂直，而人工岛群又是沿岸线布置，这使得人工岛群只影响了近岸水域的波浪，而人工岛群之间的相互影响较小。

4 改造方案下动力效应分析

考虑进岛路的封堵使游船码头附近产生潮流动力弱、水体近乎不流动的问题，目前海螺岛进岛路已完成拆除改造。由3.1节可知，由于潮流场中各建筑物间的相互作用非线性，金梦海湾潮流在建筑物群共同作用下的变化不能看作各单一建筑物作用下的线性叠加。对拆除进岛路后的改造方案进行数值模拟，在工况4基础上将不透水的进岛路去除。图7为改造方案后与改造前的涨落急流速差值图。与潮流相比，波浪受各建筑物间相互作用的影响是线性的，考虑到单一进岛路对近岸海域波浪场的影响较小，故不对改造方案后的波浪场进行模拟与分析。

拆除进岛路后，原汤河入海通道则起到了潮汐通道的作用，增加了金梦海湾的进出水量，使近岸区域成为流速增加区，平均流速增加了0.03～0.10 m·s-1（图7a、7b）。涨急时刻流速增加区包含海螺岛和莲花岛近岸侧，而落急时刻流速增加区主要为海螺岛近岸侧。可见，进岛路这一新口门的开放加快了金梦海湾的水体流动，增强了近岸水体的交换能力。同时，也由于这一通道的分流作用使莲花岛—海螺岛通道的流速减小，涨落急时刻的通道平均流速减少了0.02～0.05 m·s-1。

图7 改造方案下涨急和落急时刻流速差值（单位：m·s-1）Fig.7 Velocity magnitude difference caused by engineering projects at the maximum flood and ebb respectively（unit：m·s-1）

5 结论

通过建立验证合理的潮流和波浪数学模型，模拟和分析了金梦海湾人工岛群建设对研究区域潮流场和波浪场的影响，得出以下主要结论：

（1）由于海螺岛阻流和岬头挑流作用，潮流在海螺岛南侧形成沿堤流，流速增加约20%；而海螺岛与岸线之间形成较大范围弱环流区，流速几乎降低为零。由于莲花岛的导流和分流作用，潮流在莲花岛处形成2股支流，流速增加约40%；而莲花岛迎流侧和背流侧流速减小约40%，尽管莲花岛布置角度与流向几乎平行，但岸线的变化使得两侧流速变化不完全对称。

（2）由于潮流场中人工岛间的相互作用是非线性的，金梦海湾潮流在人工岛群共同作用下的变化不可以看作各单一人工岛作用下的线性叠加。这一性质在莲花岛与海螺岛形成的口门处和距离工程较远的浅水湾海域这2个区域中尤为明显。与潮流相比，波浪受人工岛间相互作用的影响是线性的。

（3）海螺岛在3个区域的潮流变化中起到控制性作用，然而受莲花岛的影响，海螺岛对不同区域海岸流速的影响程度不同。莲花岛与海螺岛的共同作用下，波浪在其后方波影区的削减效果达到了41.8%～55.2%。

（4）虽然人工岛群对金梦海湾近岸海域起到很好的消浪效果，却削弱了该区域的潮流动力，使其形成了一个水体交换能力较差的半封闭式水域。拆除海螺岛进岛路后，一定程度上增强近岸水体的交换能力，近岸区域平均流速增加了0.03～0.10 m·s-1。