人工岛与多工程影响下的潮流动力响应特征

2024-03-22纪超姜奇马殿光吕彪周俊伟

科学技术与工程 2024年5期

纪超, 姜奇, 马殿光*, 吕彪, 周俊伟

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程研究中心, 天津 300456;2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司, 天津 300222)

人工岛是人类开发利用海洋空间资源的重要途径之一,可以有效缓解沿海地区土地的供求矛盾,并带来较大的社会和经济效益[1-2]。然而,人工岛工程的建设会导致附近海域水动力特征发生显著变化,进而对周边海区的泥沙运动、海床冲淤和海洋环境等产生重大影响[3-5]。准确掌握人工岛作用下的水流运动规律,对于减小工程的负面环境影响具有重要意义。

近年来,国内外学者针对人工岛作用下的水动力运动特征已开展了一系列研究工作。季荣耀等[6]采用物理模型实验方法,研究了港珠澳大桥人工岛对周边海域水动力的影响,指出潮流在人工岛两端形成绕流,流速显著增加,人工岛背水面形成回流区,且回流具有周期性的变化过程。赵强等[7]采用平面二维水动力模型模拟计算了人工岛建设后南黄海辐射沙脊群海域潮流场的变化。Wang等[8]、Yan等[9]以大连海上机场人工岛为研究对象,利用数值模拟的方法比较了不同人工岛方案对金州湾海域水动力及海洋环境的影响。赵桂侠等[10]研究了人工岛布置方式对周围海域水动力的影响规律,指出人工岛的迎水面投影长度越长,对水流的阻碍作用越大。侯庆志等[11]、黄泽宪[12]以泉州湾为例,采用数学模型研究了强潮海湾水动力运动对人工岛工程的响应。Ajiwibowo等[13]研究了径流和潮流共同作用下,人工岛群对印尼雅加达湾水动力的影响规律。匡翠萍等[14]研究了秦皇岛金梦海湾人工岛群作用下的水动力运动特性,量化分析了人工岛群对弱潮区潮流场影响的非线性叠加效应。费成鹏等[15]同样采用数值模拟的方法研究了人工岛群对龙口湾水动力特征的影响,指出人工岛的建设会导致龙口湾内潮流、波浪等水动力条件普遍减弱。综上分析,已往研究大多集中在人工岛(群)对周围海域水动力场的影响,而人工岛常伴随着连岛桥、海岸防护等配套工程的建设[16-17],附近海域的潮流动力变化在多工程作用下更为复杂,其响应特征的研究目前涉及较少。为此,现以海南三亚新机场工程为研究对象,通过建立平面二维潮流数学模型,模拟分析人工岛、离岸潜堤和连岛桥等工程前后的潮流场特征,探究多工程建设对周边海域潮流动力的影响规律。

1 工程概况

拟建的三亚新机场人工岛工程位于海南岛南端三亚市西部的红塘湾,如图1所示,工程区东侧有西瑁洲、东瑁洲和鹿回头半岛掩护,西北侧受南山角掩护,西侧和南侧则面向广阔的南海,属开敞海域。三亚新机场工程采用离岸式平面布置,人工岛整体形态为带圆角的矩形,陆域形成面积1 574.8万m2,护岸总长15 601.6 m。工程离岸约为4 km,西北距离南海观音约4.3 km,东北距离天涯海角约7.8 km。考虑到陆岛交通连接需求,该工程拟配套建设三亚新机场人工岛对外交通工程,采用跨海桥梁方式,桥梁全长约为6.17 km。此外,为降低人工岛对岸滩冲淤的影响,拟在拆除现有临空产业园的过程中,部分保留已实施的北部围堰,形成0 m高程(相对于当地理论最低潮面)的离岸潜堤。潜堤形态保持现状弧形布置,分东西两段,长度分别为1.1 km和2.4 km,宽度为20～50 m。

T1～T4为潮位测站;V1～V6为流速、流向测站

2 模型建立与验证

2.1 模型介绍

MIKE模型是由丹麦水力学研究所开发的通用数值模拟软件,可应用于计算海岸、河口、湖泊、河流的水动力环境等[18-20]。采用MIKE 21 Flow Model FM(flexible mesh)对三亚新机场工程海域潮流动力进行模拟研究,其控制方程为沿水深积分的二维浅水方程[21],表达式为

(1)

(2)

(3)

连岛桥桥墩的存在会在一定程度上改变周围水动力场的分布规律[22-23]。MIKE 21模型采用拖曳理论在亚网格结构中考虑桥墩的影响,拖曳力的计算公式[24]为

(4)

式(4)中:F为拖曳力;α为流线系数;CD为拖曳力系数,一般与雷诺数、结构形状等因素有关[25];A为迎水面积;V为水流流速。桥墩等效应力[26]可以表示为

(5)

式(5)中:∑F为一个网格内桥墩受到的拖曳力总和;Ae为该网格单元的面积。模型将在切应力τbx和τby中包含等效应力τp的分量,从而以参数化形式考虑桥墩对水流的影响。

2.2 计算网格及模型参数

模型的范围东起海南岛最南端,西至角头鼻,南起约-67 m等深线,北至对应岸线,区域范围东西约74 km、南北约53 km。图2以工程建设后为例给出了模型计算网格,节点数为56 405,单元数为111 663。开边界处网格空间步长为400 m,在机场人工岛、离岸潜堤和连岛桥桥线附近进行局部加密,最小网格空间步长为10 m。连岛桥桥墩影响采用式(4)和式(5)进行计算,流线系数取为1.02,整个计算域中共包含270个桥墩。模型中水平涡黏系数采用Smagorinsky公式[27]来计算,公式中常系数cs取为0.28;时间步长设置为0.01～30 s的变化步长,曼宁系数M取为80 m1/3/s。

图2 模型范围及网格

2.3 模型验证

采用2019年7月在工程海域施测的潮流数据对模型进行验证,其中潮位测站有4个(T1～T4),流速、流向测站有6个(V1～V6),各测站的具体位置如图1所示。模型的开边界由潮位控制,潮位过程由TPXO9-atlas-v5全球潮汐模型[28](https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas)提供。选用实测大潮潮型作为代表潮型,模拟时间为2019年7月4日09:00—7月7日00:00,图3给出了部分潮位、流速和流向的验证结果。

图3 潮位和流速、流向验证

为量化评价模型的计算结果,采用均方根误差(root mean squared error,RMSE)和相关系数(correlation coefficient,CC)对模型验证结果进行统计分析,计算公式[29]为

(6)

(7)

表1给出了模型验证结果的统计分析,可以看到,T1～T4站潮位计算的均方根误差均在0.07 m以下,相关系数为0.998～0.999;V1～V6站流速模拟结果的均方根误差同样不大(0.045～0.070 m/s),各站相关系数均在0.94以上;流向计算结果的均方根误差为8.82°～17.36°,相对较大,这是由于在个别潮流转向时刻模拟结果与实测数据存在一定差距,如图3(e)所示,实际上模型计算的各测站涨、落潮平均流向均与实测结果相当吻合,偏差低于±10°。因此,本文模型的模拟结果能够客观反映工程海区的整体潮流运动特征和规律,可用于不同工况的计算分析。

表1 验证结果的统计分析

3 潮流动力对工程的响应模拟

选取工程前(工况1)、单一机场人工岛(工况2)、机场人工岛和离岸潜堤(工况3)、机场人工岛、离岸潜堤和连岛桥(工况4)共4种工况分别模拟潮流场,研究工程海域水动力对不同工况的响应特征。

3.1 工程前后的潮流场特征

图4为不同工况下涨、落急时刻潮流场的模拟结果,分析表明:工程海区涨潮流向大致为WNW向,落潮流向大致为ESE向,周期性往复流特征较为明显,整体上落潮流速略大于涨潮流速。工况1涨、落潮时东瑁洲、西瑁洲两侧形成一定范围环流,其余海域无岛屿遮挡,涨、落潮水流均较为平顺。涨、落急时刻,南山角南侧流速较大,在1.0 m/s以上;东、西瑁洲的东西两侧流速较小,集中在0.3 m/s以下,南北两侧流速较大,0.7 m/s以上占优势。

图4 不同工况涨、落急时刻流场

工况2的模拟结果显示,机场人工岛建设后,红塘湾的流态发生了明显变化,人工岛周围产生明显的绕流。涨、落急时刻,人工岛WNW和ESE两侧形成缓流区,流速基本小于0.2 m/s;人工岛NNE和SSW两侧受到绕流影响流速较大,最大超过1.8 m/s。

机场人工岛和离岸潜堤建设后(工况3),除人工岛外,潜堤周围流态相较于工况1也发生了明显变化,主要表现为离岸潜堤弧内及东西两侧出现缓流区,部分位置流速低于0.2 m/s;南北两侧由于绕流作用流速有所增大,最大超过0.9 m/s。

工况4的计算结果显示,叠加建设连岛桥后的工程海域整体流态变化不大,总体上表现为连岛桥背流侧流速适当减小。

3.2 工程建设对潮流场的影响

图5给出了不同工况间涨、落急时刻的流速差值图。如图5(a)和图5(b)所示,人工岛建设将导致其WNW和ESE两侧流速显著减小,涨潮时人工岛WNW侧流速减小更为明显,落潮时人工岛ESE侧流速减小更为明显,涨、落急时刻流速最大减幅为0.8～0.9 m/s。天涯海角南侧以及人工岛东南侧部分海域落急流速也略有减小,这主要是由于此时人工岛周围绕流间接减弱了这两块区域的潮流动力。此外,机场人工岛建成后,其NNE、SSW两侧流速将显著增大,涨、落急时刻机场东北角和西南角流速增幅为1.0～1.3 m/s。

图5 不同工况间涨、落急时刻流速差值

离岸潜堤对潮流场的影响可通过工况3和工况2的流速差值进行表示[图5(c)和图5(d)]。总体上,离岸潜堤的建设使得其内部和东西两侧掩护区域的流速有所减小,涨急时刻流速最大减幅约0.7 m/s,落急时刻最大减幅在0.8 m/s以上。离岸潜堤南北两侧受绕流影响流速有所增大,最大增幅约0.5 m/s;同时,潜堤顶部由于顶托作用流速在大多数时刻将明显增加,最大增幅在0.7 m/s以上。

图5(e)和图5(f)给出了工况4与工况3的流速差值,用以表示在机场人工岛和离岸潜堤存在的情况下,连岛桥建设对潮流动力的影响。总体上,连岛桥对潮流场的影响不大,主要表现为连岛桥背流侧流速减小,最大减幅约0.4 m/s。但是,连岛桥建成后涨急时刻人工岛西北角及其西侧位置、离岸潜堤弧内部分位置处流速略微增大,落急时刻人工岛东侧部分位置以及离岸潜堤内部偏南区域的流速也略有增加,这与连岛桥周围海域流速减小的整体趋势有所不同。图6以落急时刻为例,给出了连岛桥建设前后人工岛及离岸潜堤附近环流的模拟结果。由图6可见,连岛桥桥墩的阻流作用会减弱人工岛和潜堤周围的绕流,并一定程度上改变工程附近的环流结构,进而引起部分工程掩护区域(如图6中的椭圆区域)的流速有所增加。

机场人工岛、离岸潜堤和连岛桥对流场的共同影响如图5(g)和图5(h)所示。总体而言,工程建设将导致涨、落急时刻人工岛WNW和ESE两侧流速明显减小,最大减幅为0.8～0.9 m/s;离岸潜堤弧内及东西两侧流速有所减小,最大减幅超过0.7 m/s;人工岛SSW侧、离岸潜堤北侧以及两工程之间海域流速有所增大,涨、落急时刻流速最大增幅在1.0 m/s以上,出现在人工岛东北角和西南角位置。

为进一步研究不同位置处潮流动力对工程的响应,在附近海域布置了17个分析点,如图7所示。其中,A1～A8为人工岛周围整体海域分析点,B1～B4为人工岛4个角点位置的局部分析点,C1～C5为离岸潜堤附近的局部分析点。

图8给出了A1～A8点不同工况的流速变化情况,结果表明:工况1为本海域无工程状态,各分析测点的流速随时间变化均较为规律;人工岛建成后(工况2),A1～A8点流速均呈现出不同程度的变化,表现为A2、A3、A6和A7点处流速增大,A1、A4、A5和A8点处潮流流速总体减小,其中A4和A5点受到机场人工岛绕流影响,流速变化较不规律;工况3(人工岛与离岸潜堤建设后)各点位整体流速值与工况2均较为接近,最大变化出现在离岸潜堤南侧的A3点处,其落潮流速相比于工况2略有增大。工况4的模拟结果显示,连岛桥会对部分点位的流速产生一定影响,主要体现为工况4连岛桥西侧的A1和A2点,落潮流速与工况3较为一致,而涨潮流速小于工况3;连岛桥东侧的A3点,涨潮流速与工况3较为接近,而落潮流速略小于工况3;A4、A5位于人工岛东侧环流附近,连岛桥作用下的流速变化较不规律;A6～A8点受连岛桥影响较小,整体流速量值与工况3差异不大。

图8 不同工况A1～A8点处流速变化

图9给出了人工岛4个角点位置的B1～B4点在不同工况下的流速变化情况,结果表明:相比于工况1,工况2在不同点处流速均出现较大变化,主要表现为B1和B3点流速总体减小,B2和B4点流速明显增加。由于工况2的B3点受到人工岛周围绕流影响,其流速随时间的变化规律与工况1有较大差别,二者存在明显相位差。工况3相比于工况2而言,B1～B4位置的流速变化不大,说明这4个点均不在离岸潜堤的主要影响范围内。工况4与工况3的对比结果显示,连岛桥对不同点位的影响存在较大差异。具体来说,B1点在涨急时刻位于人工岛的掩护区域,其在连岛桥建成后涨急流速略有增加,这与图5(e)中所示一致;B2点在涨潮时段受到桥墩阻流影响,涨潮流速整体减小;B3点由于人工岛东侧环流结构改变,在部分落潮时刻流速略有减小;而B4点位于人工岛的西南角,流速基本不受连岛桥建设的影响。

图9 不同工况B1～B4点处流速变化

图10给出了离岸潜堤附近C1～C5点在不同工况下的流速变化情况,分析表明:与工况1相比,工况2各点流速整体增大,这是由于C1～C5点位于人工岛的NNE侧,属于人工岛作用下的流速增大区域[图5(a)和图5(b)]。当进一步建设离岸潜堤后(工况3),C1、C3和C5点受到潜堤结构的阻水作用,流速整体减小;C2点由于潜堤北侧绕流,流速有所增大;C4点在涨潮时段流速变化不大,在落潮时段则位于潜堤的掩护区域内,流速明显减小。工况4结果显示,连岛桥对C1～C5点流速整体量值的影响较为有限,但其阻流效应会在一定程度上改变潜堤内部的环流结构,从而影响C4和C5点处流速随时间的变化特征。