倾倒区二维水沙数值模拟研究

翟 月，冯嘉琦

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

海上倾倒是港口与航道等工程建设所产生的疏浚物的主要3种处置方式之一，其余2种分别是吹填和资源化利用。倾倒区的使用，会导致使用海域的水体参数发生改变，水中的悬浮物、沉积物增加，会影响海域的生态环境，以及改变海底的形态，从而影响倾倒区的倾倒容量。《疏浚物专项评价指南》指出，倾倒区容量评估时应该考虑以下几点：①预期的年、月、周、日倾倒量；②倾倒区域是否为扩散型海区；③由海底可能发生的堆积而使倾倒区水深减少的容许量。

倾倒区的类型会影响到倾倒区的容量，同时，倾倒区的倾倒强度和海底地形的改变也是倾倒区容量评估的重要组成部分。

现如今，倾倒区选划的方法、倾倒区海洋活动影响的研究方法较多，本文选用传统的倾倒区容量评估方法对倾倒区的悬沙扩散与泥沙淤积进行数值模拟，并对倾倒区附近海域的水动力特征进行分析。倾倒区使用一段时间后，其水深、冲淤环境和生态环境可能发生一定的变化。

1 研究区域概况

所选倾倒区位于黄海，黄海是太平洋西部最大的边缘海，位于我国与朝鲜半岛之间。黄海平均水深44m，海底比较平坦，最大深度140m。自南部进入黄海的半日潮波与山东半岛南岸和黄海北部大陆反射回来的潮波互相干涉，在地转偏向力的影响下，形成了2个沿逆时针方向旋转的潮波系统。无潮点分别位于成山角以东和海州湾外。黄海大部分区域为规则半日潮，只有成山角以东至朝鲜大青岛一带和海州湾以东一片海区，为不规则半日潮。潮差东部大于西部。东部(朝鲜半岛西岸)潮差一般为4～8m，仁川港附近最大可能潮差达10m。西部(中国大陆沿岸)潮差一般为2～4m，成山角附近，潮差尚不到2m，为黄海潮差最小的区域。但江苏沿海，弶港至小洋口一带海域，潮差较大，平均潮差超过3.9m；最大可能潮差，在小洋口近海达6.7m，长沙港北为8.4m。海域潮流，除烟台近海和渤海海峡等处为不规则半日潮流外，其他区域为规则半日潮流。流速东部大于西部。强潮流区位于朝鲜半岛西端的一些水道，曾观测到最大流速为4.8m/s；其次为西北部的老铁山水道，最大流速超过2.5m/s。吕泗、小洋口及斗龙港以南水域，潮流亦较强，最大可能潮流流速2.6m/s。

2 水动力模型

根据黄海某倾倒区位置，选取合适的计算范围利用MIKE 21建立二维水动力模型，为了能够清楚了解倾倒区附近海域的潮流状况，对倾倒区附近的海域进行了加密。模型整体计算域由10051个节点和19623个三角形网格单元组成。模型计算域与网格划分如图1—2所示。

图1 模型计算域网格划分

图2 倾倒区附近网格划分

为保证所建立模型的准确性，对水动力计算结果与实测数据进行比对。本模型在对计算区域的潮位、流速、流向验证良好的基础上，对倾倒区附近区域的流场进行模拟计算。

通过计算结果与实测数据的比较结果可知，各测站的潮位、流速、流向变化与实测值拟合很好，建立的二维水动力模型能够很好地反映出真实的海域水动力特征。图3—5为水动力特征对比结果。

图3 2020年7月测站潮位计算和实测值对比图

图6—9为黄海某倾倒区附近海域大小潮涨急和落急时刻流场图。从图中可以看出，计算中虽然采用了不同尺度的网格，但整个计算域内，流场变化合理，无突变。数值模拟结果表明：倾倒区所在位置涨落潮流最大流速约为1.02m/s，倾倒区附近主流向明显，黄海某倾倒区涨急、落急流向沿南-北方向。

3 泥沙模型

3.1 泥沙淤积结果

基于二维水动力模型，建立二维泥沙模型。倾倒区是面积2km2的矩形区域，全年均可倾倒。本文模拟疏浚物倾倒100万、200万、400万、800万m3/a倾倒区的海底床面淤积情况，模型倾倒模拟时长为1a。疏浚物倾倒后[5]，颗粒较大的非黏性泥沙大部分淤积在倾倒区内。迁移能力强的黏性泥沙部分随潮流迁移到倾倒区外部，倾倒区疏浚物倾倒后，易于输运的黏性泥沙主要随潮流方向迁移。

图4 3个测站大潮期流速和流向的计算和实测值对比图

图5 3个测站小潮期流速和流向的计算和实测值对比图

图6 倾倒区附近海域大潮涨急时刻流场分布

图7 倾倒区附近海域大潮落急时刻流场分布

图8 倾倒区附近海域小潮涨急时刻流场分布

图9 倾倒区附近海域小潮落急时刻流场分布

倾倒区附近海域平均水深为29.03m，在4种工况下，倾倒区水深分别变浅0.49、0.98、2.01和3.66m。图10—13给出倾倒区在100万、200万、400万和800万m3/a倾倒量情景的水深变化情况。

图10 倾倒区倾倒100万m3/a淤积情况示意图

图11 倾倒区倾倒200万m3/a淤积情况示意图

图12 倾倒区年倾倒400万m3/a淤积情况示意图

图13 倾倒区年倾倒800万m3/a淤积情况示意图

3.2 悬沙扩散结果

悬浮泥沙[8]的运动轨迹不仅受海流和风的影响，还受倾倒时间和倾倒地点等因素的影响，为了解疏浚物倾倒对周边环境的影响，需要模拟悬浮泥沙各浓度的扩散[6]情况。表1为倾倒2.19万m3/d工况下一个完整潮流周期某倾倒区悬浮物各浓度最大扩散面积。图14为一个潮流周期悬浮泥沙最大扩散面积对生态环境敏感区的影响，结果显示在倾倒量为2.19万m3/d时，倾倒区悬浮物扩散[7]范围距离敏感区较远。

图14 黄海某倾倒区倾倒2.19万m3/d情景下悬浮物扩散对环境敏感区的影响

表1 某黄海倾倒区倾倒区倾倒2.19万m3/d情景下悬浮物扩散情况

4 结语

(1)从水动力模型结果可以看出，建立的水动力模型可以很好地反映水动力特征；对泥沙[12]模拟结果进行分析可知，4种工况下倾倒区水深分别变浅0.49、0.98、2.01和3.66m；10mg/L悬浮泥沙[9]的最大扩散面积为30.14km2，对周围环境敏感区[10]没有影响。

(2)倾倒区海底地形变化和悬沙扩散[11]预测，对倾倒区的管理和使用有重要意义，类似倾倒区工程对海洋环境的影响可参照本研究进行预测分析，并结合其环境特点进行调整。本文只考虑了潮流作用下海上倾倒活动对海域环境的影响，未考虑风场等条件对倾倒活动的影响，在今后的模型构建中需要进行深入研究。