汉班托塔港人工岛水域水体交换能力研究

李雨

摘 要：本文对拟建工程项目完工后的人工岛内侧水域的水体流速、水体交换率进行分析研究，研究重点表明人工岛实施后内侧水体交换率较低，可通过开挖明渠连接港池加强水体交换率，并对不同宽度、深度的明渠加强水体交换率做了对比。

关键词：汉班托塔港;潮流运动;水体交换;优化

中图分类号：U651+.3           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）04-0157-04

汉班托塔港位于南亚次大陆斯里兰卡岛东南方，该地区为热带季风气候，北半球夏季时盛行西南季风，而冬季时则盛行东北季风，此外，受印度洋洋流作用港区附件波流异常复杂[1，2，3]，需要对工程海域波浪、水流特征进行分析。本文对工程实施后人工岛后方水域流场和各代表点流速、水体交换作研究，提出人工岛建成后后方水域形成半封闭水域使水体交换能力较差，研究得出通过在人工岛后方水域末端与一期港池间开设明渠可有效提升人工岛北侧水域的水体交换能力。研究成果可为汉班托塔港未来生态港口、绿色港口建设提供一定参考。

1工程概况

汉班托塔港二期工程中的人工岛位于西防波堤西侧，呈靴子形，东西长度约1000m，南北宽度约400m，考虑未来滨水开发而预留了水湾，即在原岸线南侧和人工岛北侧形成了狭长的水域。为防止沿岸输沙淤塞该水域，在人工岛西侧还设置了一条拦沙堤，拦沙堤大致呈南北向布置，拦沙堤与人工岛之间的开放通道宽度约为130m。

人工岛完工后将在北侧形成半封闭水域。根据对水文条件的分析，并结合前期二维潮流数学模型计算，获得当地潮流运动主要为东西流特征，与口门夹角接近90°，在口门内可形成流速较低的回流。因此，特别注意围堤及防波堤形成后，人工岛内侧水域水体交换能力的变化是非常有意义的。为更好、更全面地给出人工岛工程后水体交换特征，本文采用三维水动力、守恒物质扩散数学模型手段进行了计算分析。

2模型理论

2.1潮流动力三维数模

本三维潮流动力数模在平面上使用无结构三角形网格，垂向上则采用地形贴体的σ坐标。其三维潮流动力控制方程为：

其中地形相对坐标，代表床面，代表自由表面;u，v为水平方向流速;ω为σ坐标系下的垂向流速，w为垂直坐标系下的垂向流速;ρ为海水密度;为由密度梯度引起的斜压项;f为科氏力系数;υt为垂向紊动粘性系数，可由紊流模型确定;ρ0为水体参考密度;S，us，vs分别为点源流量和点源在水平方向的速度分量。Fu，Fv为水平剪力项，表示为：

模型中开边界采用潮位控制，各网格节点的潮位值由大尺度模型提供。紊动边界条件可表示为：

采用有限体积法显式求解控制方程，存在的露滩现象则采用干湿网格判断法进行模拟。离散方程时将水位、水深布置在网格节点，而将流速布置在网格中心。时间离散采用水平方向显式离散，垂直方向采用隐式离散。

2.2守恒物质扩散的三维数模

对水体交换数模常用的手段是基于欧拉法的示踪剂浓度统计，即在研究水域中加入溶解性守恒物质，该守恒物质将分布在水体中，并且无法降解。当守恒物质发生对流和扩散时则能够直接反映水体的运动形态。三维对流扩散方程形式为：

其中C为守恒性物质浓度;z为垂向坐标系;为垂向扩散系数;为水平扩散系数。由于为守恒性物质，从而无源汇项及物质降解项。

3三维潮流验证

合理的潮流运动规律是物质扩散模拟精度的前提条件。因此，模拟中应首先对三维潮流运动数学模型进行验证。大潮潮位的表层流速、流向验证过程线可见图2，小潮潮位的表层流速、流向验证过程线在此略过。经对比，绝大多数模拟值与实测值规律一致，潮位、各分层流速、流向的变化过程吻合度高，能够满足潮流泥沙模拟技术规程的要求。因此，該水动力数学模型较合理地反映了该海域潮流运动情况，已满足物质扩散数学模型的条件。

4人工岛水域流速情况

根据经验可知港区口门处及人工岛内侧水域流速均不高，且平面分布是呈显著的不均匀性，流态亦相对较为复杂，有回流生成。因此，可预计以上水域水体交换能力亦具有不均匀性。在水体交换模拟前，首先对研究区域进行了划分，图3中给出了分区位置。值得指出的是，尽管在验证中，根据实测资料，考虑了西南季风影响，但由于水体交换为长时间过程，因此在潮流计算时未考虑季风影响。

以大潮为例，表1中统计了不同区域特征流速变化，此外亦估算了半潮时水质点的运移距离。经分析得到以下主要结论：工程海域潮差较小，流速亦不高。平面分布分析可知内侧水域明显较小，至末端平均流速仅为0.003m/s～0.004m/s。从水质点平均运移距离来看，人工岛内侧水域即使在大潮条件下，水质点平均移动距离不足100m。内侧水域由于落潮水体向外流出的距离很短，并受下一时段涨潮水体向回顶托，水体的对流效应极低，水体交换主要依靠扩散作用。

5水体交换率随时间的变化

5.1计算条件

本研究中，在研究某一区域水体交换能力时，该水域的示踪剂浓度可设置为1.0，其余部分的水域物质浓度应设置为0.0，各分区初始浓度分布如图4。为保证水体的充分交换，本计算模拟了15天的潮流作用。

5.2交换率统计方式

待水体交换充分后，自人工岛的内侧扩散至其他水域的物质总量占原始物质总量的百分比就是水体交换率。

5.3交换率随时间的变化

不同分区处水体交换率随时间的变化过程可见图5，经分析，得到以下主要结论：

（1）各分区水体交换随时间的变化，初始较快，随时间增长逐渐趋缓，这一规律与以往类似研究成果相近。

（2）从平面分布来看，如按整体考虑，人工岛后方水域15天水体交换率约为41%左右。

6人工島水体交换初步优化

根据以上数值模拟研究，人工岛北侧水域水体的交换率有如下特点：首先表现为开放通道处的交换率较高，由开放通道向内逐渐降低，至该水域最东侧时已极低的分布特征。工程后水体交换率平面分布的不均匀性值得引起投资方注意。

鉴于该水域未来的滨海开发前景巨大，较高的水体交换率是保证水质必然要求。为了整体提高该水域的水体交换率，可开通一条明渠连接人工岛北侧水域与一期港池，考虑明渠宽度差异，提出两个优化方案，布置形式详见图6。其中优化方案一中明渠宽度为70m，优化方案二中明渠宽度为90m。两个方案中均将明渠底高程疏浚至0m高程。

图7和图8中分别给出了不同优化方案条件下的各分区（位置见图3）处水体交换率历时过程。经分析，得到以下主要结论：

（1）从整体交换率角度，优化方案增设了明渠联通，直接使原人工岛北侧的半封闭水域变为东西双通畅的水域。如此该水域与外海潮流的交换能力有所提升，其中优化方案一的半月交换率提升17%，优化方案二的半月交换率提升20%。

（2）从平面分布来看，较初始的单一通道而言，通过在水域最东侧设置明渠，原本水体交换率最差的区域D交换能力得到极大增强，其中优化方案一半月交换率约提升53%，优化方案二提升甚至达到60%。随着与明渠的距离增大，其它分区的交换率提升逐渐减弱，至原口门处（区域A）水体交换率提升已仅2%左右。

（3）对比两个优化方案，明渠宽度由70m增为90m后，整体水体交换率提升约3%，其中区域D提升7%。实际上，在明渠东侧的一期港池内流速亦不高，明渠宽度的增加与水体交换的提升未表现出线性关系。

综上，通过在人工岛北侧水域最东侧与一期港池间设置明渠的办法可有效提高该水域的整体水体交换能力，不失为一种可以尝试的办法。

7结论

项目人工岛建设后形成的半封闭水域，受制于回流的影响，除口门附近流速稍大外，人工岛内侧水域流速都很小，致使口门以内水体只能随涨、落潮来回荡动，很难实现水体的交换：整个人工岛内侧水域，15天水体交换率约为41%。通过研究表明在人工岛内侧与一期港池之间开挖一条明渠，可为人工岛内侧水体充分交换提供条件，明渠底高程和宽度将直接影响水体交换率。

参考文献：

[1] 卢永昌， 李苏.斯里兰卡 Hambantota 港口项目港址选择及一期工程设计介绍[J].水运工程， 2009 （7）： 44-48.

[2] Ms. Kaushalya Subasinghe，Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 01 Hambantota Port Development Project （Phase -II）[R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013

[3] Ms. Kaushalya Subasinghe， Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 02 Hambantota Port Development Project （Phase -II） [R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013.