消浪平台工程建设对周边海洋环境的影响分析

王彬谕　毛晨浩　黄贤智

作者简介：

王彬谕（1990—），讲师，硕士研究生，研究方向：水利工程、水文等。

摘要：文章通过建立海域水动力及泥沙输运研究模型，模拟了消浪平台工程建设对周边海洋环境的影响。研究发现：大潮时悬浮泥沙扩散速度较快且浓度下降迅速，对周围海洋环境的影响反而最小;小潮时潮流流速较小，工程悬浮泥沙以施工地为中心向四周扩散缓慢，形成浓度较高的包络面。因此，在大潮时进行施工较为适宜。

关键词：消浪平台;工程建设;海洋环境;数值模拟

中國分类号：U656.31A521914

0 引言

海岸工程建设在促进经济发展的同时也在不断对海洋环境产生巨大影响[1]。工程在建设时会在短时间内剧烈地改变原有海洋环境，在工程范围附近形成的高悬浮物水团会干扰太阳光线射入水体，削弱甚至是阻挡浮游植物的光合作用。浮游植物数量的减少或死亡会直接影响区域海洋生态系统的正常运行[2]。此外，工程区附近海洋生物的体表会被高浓度悬浮泥沙包裹甚至进入消化系统，其正常的生理功能不仅会受到影响，还会导致死亡。

本文研究的消浪平台工程建设地点使用宗海面积为0.02 hm2，在原码头的基础上增设非透水构筑物以达到对码头的保护作用。为了合理规划施工时间，达到对周围海洋环境影响最小的目的，本文基于MIKE 21软件的Flow Model FM模块分别建立水动力和泥沙输运模型，模拟在大潮和小潮期不同时段的施工作业工况，得到悬浮泥沙扩散影响范围。

1 潮流及泥沙模型介绍

本文采用的MIKE 21 FM子模块属二维潮流、泥沙数学模型[3]。

2 模型区域和网格

潮流数学模型大范围水深数据由海军测绘的海图数字化后得到，并对研究区域附近海域水深进行实测采样与海图数据对比修正。研究区域陆地岸线如图1所示。模型在远离研究区域的部分设置空间步长较大的网格以提高计算效率，对工程所在区域采用局部加密的方式以保证研究区域模拟的精度。模型整体呈现出由研究区域向海网格空间步长逐渐增大的趋势，工程区域网格如图2所示。

3 模型参数设置

模型开边界的潮流数据由Mike 21软件自带的全球潮位板块计算得到，陆域岸线上共设置两条河流边界，边界采用流量控制。模型计算时间步长为0.01～30 s。

采用干湿判别法处理潮位变动区[4]，参数取默认值：湿水深为0.1 m，淹没水深为0.05 m，干水深为0.005 m;曼宁系数M由水深控制，取值60～90，Cs取值0.28。

4 模型验证

本文采用2019[CD*2]05[CD*2]20至2019[CD*2]06[CD*2]05，1个测站潮位资料及2个潮流测站完整的大、小潮周期的流速、流向实地观测资料对模型进行验证，验证点位置如图1所示，潮位验证如图3所示。

从模拟结果来看，模型潮位计算值与实测值基本吻合，在大潮和中潮区段内，最高和最低潮误差基本保持在8 cm之内，个别误差达到14 cm;小潮区段内最高和最低潮误差较大潮和中潮时有明显的增大，部分误差达到30 cm，但总体上模拟值与实测值拟合程度较高，说明本模型所采用的边界条件、地形数据、参数设置能真实再现研究区域的潮位变化趋势。

如图4所示为2个典型站点（SW5、SW6）大潮时流速和流向的二维验证过程。结果表明，计算流速最大、最小值处与实测流速基本拟合，从涨落急时刻的流向变化来看，各点流向的变化趋势上拟合较好，相位偏差<0.5 h。工程海域往复流趋势明显，计算模拟的潮波运动与天然潮波运动相似。

综上，模型计算值和与实测值拟合较好，能够较真实地还原工程及附近海域涨、落潮变化、流速峰值等。验证结果表明，模型基本反映了工程及周边真实潮流运动特征，模拟精度基本上满足研究对于模型可靠性的要求，可应用于工程后的预测等各项工作。

5 模拟及分析

消浪平台工程施工作业抛石过程造成了底沙扬起，在流场的作用下导致了不同程度的悬浮泥沙扩散。由于潮流条件的不同，扩散情况在大、小潮时展现出不同的情况。

5.1 大潮时悬浮泥沙扩散情况

大潮时研究区域涨落潮流场图如下页图5所示。在大潮情况下，由于工程所在地的一个大海湾中有两个小海湾的特殊地理条件，涨潮时海湾中较大的顺时针环流在流经工程所在地时形成了一个较小的逆时针环流。这两股水流将悬浮泥沙分为两部分，向相反的方向扩散。落潮时，大的顺时针环流方向发生逆转，带着悬浮泥沙向湾内扩散。因此造成了从东偏南方向而来的涨潮流对于泥沙向海扩散有促进作用，落潮流反而将泥沙向湾内推进的现象。

大潮情况下，消浪平台附近海域悬浮泥沙浓度为0.01～0.02 kg/m3的扩散面积为34 056.41 m2，悬浮泥沙浓度为0.02～0.05 kg/m3的扩散面积达到1 633.54 m2。如图6所示为大潮时不同浓度悬浮泥沙扩散包络图。

5.2 小潮时悬浮泥沙扩散情况

小潮时研究区域涨落潮流场图如图7所示。在小潮情况下，潮流速度较大潮明显减小，扩散情况也略有不同。涨潮时，由于流速的减小，潮流没有形成明显的大环流，而是直接向湾内挺进，较大潮时涨潮流向湾内突入更深。工程区域两个方向相反的环流仍然存在，但是较大潮而言，小潮时泥沙被消浪平台南部环流向外输送之后仍受到向内突入的涨潮流的影响，大量悬浮泥沙向湾内输移。落潮时由于流速的减小，湾内原本的环流消失，向海运动的落潮流在湾口使一部分悬浮泥沙向海输移，但是落潮流向湾内突入不深，对于施工区域的影响不大。施工区域悬浮泥沙因为潮流流速较小扩散程度较小，大量的悬浮泥沙集中在湾内。

小潮情况下，悬浮泥沙浓度为0.01～0.02 kg/m3的扩散面积为16 288.58 m2，悬浮泥沙浓度为0.02～0.05 kg/m3的扩散面积达到3 494.72 m2，浓度为0.05～0.1 kg/m3的悬浮泥沙扩散面积为15.73 m2。小潮时不同浓度悬浮泥沙扩散包络图如图8所示。

综合考虑施工的最不利影响，消浪平台建设工程大、小潮过程的悬浮泥[JP+1]沙扩散最大值，绘制了工程可能造成的不同悬浮泥沙浓度的扩散范围图。从各工况悬浮泥沙扩散预测计算结果可以看出：悬浮泥沙在不同潮型条件下扩散范围明显不同。由于大潮潮流动力较强，对悬沙输运能力较强，因此大潮的影响范围要大于小潮。

总的来看，悬浮物影响的最大包络范围集中在工程区所在的海湾内部以及湾外侧沿海岸线呈东南-西北走向的细窄海域内。由于悬浮物扩散范围不大，因此对工程海域周边生态保护目标造成的影响也很有限，仅对舟山本岛东保留区造成了一定的影响，对其他农渔业区没有造成影响。

6 结语

本文模拟了大潮和小潮不同情况下某地消浪平台建设工程引起的悬浮泥沙扩散过程。研究发现，在大潮情况下，悬浮泥沙扩散速度最快，悬浮泥沙浓度下降迅速，这种情况对周围海洋环境的影响反而最小。相反的是，小潮情况下潮流流速较小，工程悬浮泥沙以施工地为中心向四周扩散缓慢，形成浓度较高的包络面。根据以上研究，工程应当选择在大潮时进行施工较为适宜。

参考文献：

[1]王留洋.瓯江口大规模围海工程对周边水动力环境的影响[D].大连：大连理工大学，2013.

[2]尚雪梅.渤海水层营养盐生态动力学数值模拟研究[D].青岛：中国海洋大学，2015.

[3]匡翠萍，钱从锐，姚凯华，等.潮流与泥沙输运对黄骅港工程的响应分析[J].同济大学学报（自然科学版），2014（10）：1 516-1 522.

[4]谭忠华，刘海源，陈汉宝，等.印尼某滨海电厂工程取排水口布置[J].中国港湾建设，2018（10）：29-34.

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