人工島群對弱潮區(qū)海岸動力影響的疊加效應分析

匡翠萍，趙 釩，宋竑霖，顧 杰

（1.同濟大學土木工程學院，上海200092；2.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院，上海201306）

自20世紀90年代，隨著我國沿海城市建設、港口運輸業(yè)的迅速發(fā)展和人口的增加，人工島（群）建設工程日益增多［1］。雖然人工島群建設活動帶來了很大的社會效益和經(jīng)濟效益，但近岸海域過于密集的人工島群建設導致附近海域的水動力發(fā)生顯著變化［2-4］，即使單一的人工島建設也會對周圍海岸動力產(chǎn)生一定的影響［5-7］。王李吉等［8］分析了海口如意島工程周圍水域工程前后的潮流場變化，指出如意島的建設主要影響島南近岸區(qū)域，流速變化約45%；陳新等［9］研究人工島周圍波高分布的規(guī)律并總結了人工島直徑變化對波高影響的規(guī)律。人工島群使得近岸海域海岸動力變化特征更加復雜，需要考慮人工島群平面布局［10］、人工島群的分期建設方案［11］、人工島群間的相互影響［12-13］等因素。目前不少學者對人工島群開發(fā)和包含人工島在內的多個工程開發(fā)的整體影響展開過研究［14-16］，但對人工島群中島嶼間水動力的相互影響及其對海岸動力影響的疊加效應的研究尚不明確。

金夢海灣靠近秦皇島外海的無潮點，潮差較小，潮流動力弱，故潮流場對近岸人工島建設的敏感度較高。本文基于金夢海灣單一人工島和人工島群作用下的潮流場和波浪場計算結果，定量分析了單一人工島建設對近岸海域水動力的影響，并重點探討人工島間的相互作用及人工島群建設對金夢海灣海岸動力影響的疊加效應，且模擬和分析改造方案對海岸動力的影響。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域涵蓋金夢海灣及其周邊海域（圖1），北起湯河，南至海濱國家森林公園，是連接秦皇島北戴河區(qū)和海港區(qū)的樞紐過渡地帶。湯河入?？谏嫌渭s1.4km處設有橡膠壩。近年來，金夢海灣的人工構筑物建設密度很大，主要有潛堤和人工島群（蓮花島和海螺島）2種形式。其中每個潛堤長360m，共計3座，離岸約380m，已于2012年完成施工。海螺島平面近似海螺，島陸由1條進島路連接，進島路是管涵結構，離岸約600m，于2013年底開始建設。蓮花島呈橢圓形布置，長軸（SW-NE方向）長1 670m，短軸（SE-NW方向）長1 130 m，島嶼向海側建設防波堤，離岸約1 000m，建設項目用海面積2.14km2。蓮花島自2011年審批，目前外側防波堤已建設完成且海底已鋪設沉箱結構。

近岸海域潮汐屬規(guī)則全日潮，潮流為規(guī)則半日潮，總體表現(xiàn)為順岸往復流，流速由外海區(qū)域向近岸遞減。研究區(qū)域潮流呈漲急WSW向、落急ENE向的特征，外海流速的大小為0.15～0.24 m·s-1，且漲急時刻流速略大于落急時刻（圖2）。圖中T1～T7為分析點的位置。

圖1 計算區(qū)域、網(wǎng)格、人工島群工程布置及分析點位置Fig.1 Computational domain,grid,layout of artificial island group and locations of measurement points

2 數(shù)學模型的建立與驗證

2.1 模型介紹

MIKE21模型是丹麥水力學研究所（Danish Hydraulic Institute，DHI）研發(fā)的水環(huán)境綜合模擬軟件，主要模擬河流、湖泊、河口、海岸等水動力環(huán)境［17］。MIKE21軟件的Flow模塊為潮流數(shù)學模型，基于Boussinesq假定、靜水壓力假定、淺水假定和初邊界條件，通過有限體積法求解不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes概化的淺水方程。MIKE21軟件的SpectralWave模塊為波浪譜模型，以波的作用密度譜來描述波浪，以保證水流存在條件下波作用密度的守恒［18］。相關研究表明，MIKE21軟件的Flow和Spectral Wave模塊能較好模擬人工島周圍的潮流場和波浪場［9，19］。

2.2 計算范圍及參數(shù)設定

采用大小模型雙重嵌套技術研究，大模型區(qū)域范圍為渤海，小模型計算域坐標為 39°39′～39°57′N，119°24′～119°51′E（圖1）。渤海大模型以大連老虎灘和煙臺2個潮位站的連線作為潮位開邊界，其模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為14 183，網(wǎng)格單元數(shù)為23 419。小模型由東北、東南和西南3條海域開邊界以及1條岸線閉邊界構成，研究區(qū)域面積約為587.4 km2。小模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為13 431，網(wǎng)格單元數(shù)為25 585，對工程區(qū)域進行局部加密，網(wǎng)格分辨率為10～2 500 m，圖1坐標為北京54坐標系（中央子午線經(jīng)度120°E）。

大模型的海域開邊界采用潮位過程控制，小模型邊界條件由大模型計算所得的潮位和流速過程控制。其中海岸邊界區(qū)域采用動邊界處理潮間帶和灘肩的干濕交換過程，干水深、淹沒水深和濕水深分別取0.005 m、0.05 m和0.1 m。曼寧數(shù)根據(jù)計算范圍內的粒徑資料取平均值74 m1/3·s-1。由于湯河橡膠壩下無徑流注入，河流邊界采用閉邊界。潮流模擬時間為2013年5月8日至5月16日，時間步長范圍取0.000 1～30 s。波浪模型的陸地邊界采用完全吸收邊界。在海域開邊界，根據(jù)波浪實測資料統(tǒng)計給定波浪參數(shù)（有效波高、譜峰周期和波向）。

2.3 模型驗證

潮流模型采用2013年5月11日和12日秦皇島測站的潮位預報值對其潮位進行驗證以及2013年5月11日和12日2個實測站點（SDL02、SDL03）的實測海流流速和流向資料對潮流進行驗證，相關測站位置如圖1。采用北戴河波浪浮標測站（圖1）的波高、波周期、波向的統(tǒng)計值對波浪模型進行驗證。

2.3.1 潮流模型驗證

圖2為潮位、流速、流向的驗證結果，計算值與實測值吻合良好。為進一步衡量潮流模型的可行性，采用Willmott統(tǒng)計學方法［20］來定量評價模型模擬結果與實測數(shù)據(jù)的匹配程度，其計算式為

式中：S為Willmott統(tǒng)計學方法的評價指標skill值；i=1，2，…，N，N為實測數(shù)據(jù)個數(shù)；M為模型計算結果；D為實測值；為實測平均值。S=1表示模型計算值和實測值完全相符；S大于0.65為極好；S在0.50～0.65之間為非常好；S在0.20～0.50之間為好；S小于0.20為差；S=0表示模型計算值和實測值完全不符。

通過式（1）計算本模型潮位、SDL02流速、SDL03流速、SDL02流向、SDL03流向的S值分別為0.99（極好）、0.70（極好）、0.58（非常好）、0.72（極好）、0.93（極好）。通過對評價結果與誤差進行分析可知，水動力驗證中潮位、流速與實測值吻合均處于非常好以上，但數(shù)值上存在一定偏差，這主要是由于模型局部地形精度不足所致。整體來看，所建潮流模型合理，可以用于不同工況的計算分析。

2.3.2 波浪模型驗證

圖2 2013.5.11-5.12秦皇島海域潮位、流速和流向驗證Fig.2 Validation of tidal level,tidal current velocity magnitude and direction in Qinhuangdao sea from May 11 to 12

波浪模型驗證結果如表1所示，3個波浪參數(shù)（波高、波周期、波向）誤差均不超過4%，模擬結果合理。圖3為模擬所得常浪場，模型能較好模擬出計算海域的波浪場，可以用于不同工況的計算分析。

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

圖3 常浪場（單位：m）Fig.3 Wave field under a normal incident wave（unit：m）

3 人工島群的水動力效應分析

選取工程前（工況1）、單一蓮花島（工況2）、單一海螺島（工況3）、蓮花島和海螺島組成的人工島群（工況4）共4種工況分別模擬其對研究區(qū)域潮流場和波浪場的影響，重點討論金夢海灣近岸海域和工程近區(qū)水動力對不同工況的響應特征以及工程間的相互作用。

3.1 人工島群對潮流場的影響

工程實施后，外海流場基本不變，仍呈現(xiàn)往復流特征，近岸海域和工程近區(qū)受工程影響較為顯著。

3.1.1 流態(tài)變化

圖4為4種工況下的漲落急流場圖。單一海螺島作用下，由于海螺島的阻流作用，附近水域局部流態(tài)變化明顯，見圖4b、4f，漲急時刻潮流在海螺島南側形成沿堤流，落急時刻流場方向則相反。由于海螺島及其進島路形成了1.4km長的垂岸擋水建筑物，島與岸線之間形成較大范圍弱環(huán)流區(qū)，環(huán)流區(qū)長度約為900m，寬度約為800m。在單一蓮花島作用下，由于蓮花島的阻流和分流作用，見圖4c、4g，漲急時刻潮流經(jīng)蓮花島分成2股支流，一支沿蓮花島近岸側向金夢海灣運動，另一支沿蓮花島外海側保持WSW方向運動，落急時刻流場方向則相反。潮流在蓮花島內部形成弱環(huán)流區(qū)。在蓮花島和海螺島共同作用下，由于蓮花島和海螺島的阻流、導流和分流作用，見圖4d、4h，漲急時刻潮流經(jīng)海螺島后在蓮花島處分成2股支流，一支通過蓮花島與海螺島形成的口門沿蓮花島近岸側向金夢灣運動，另一支沿蓮花島外海側保持WSW方向運動，落急時刻流場方向則相反。海螺島使得蓮花島的近岸側支流流向在人工島群口門處順時針偏轉約30°，而蓮花島使得海螺島背水面的弱環(huán)流區(qū)范圍縮減約20%。

3.1.2 流速變化

圖5為工程后與工程前的漲落急流速差值圖，即工況2、3、4流速分別減工況1流速所得的差值。

在單一海螺島作用下（圖5a、5d），漲急時刻潮流海螺島岬頭挑流作用在島南側形成流速增加區(qū)域，長度為1 700m、寬度為1 300m，區(qū)域內平均流速變化范圍為0.02～0.08 m·s-1，比工況1增加約20%。而海螺島迎水面一側由于雍水形成流速減小區(qū)，潮流在海螺島與岸線之間形成的較大范圍弱環(huán)流區(qū)的流速幾乎為零，涵蓋金夢海灣沿岸約3km海域。落急時刻島南側形成的流速增加區(qū)域與漲急時刻特征一致，而海螺島與岸線之間的環(huán)流區(qū)受落潮主流向影響，流速較漲急時刻大，使得流速幾乎為零的區(qū)域由涵蓋金夢海灣沿岸的3 km海域減少為0.8 km。

在單一蓮花島作用下（圖5b、5e），蓮花島兩側分流區(qū)的流速增加，流速變化值最大可達0.05m·s-1，與工況1相比流速增加約40%；人工島迎流側和背流側由于島嶼阻擋形成2個流速減小區(qū)，流速變化值最大可達0.08m·s-1，與工況1相比流速減小約40%。另外，蓮花島內流速幾乎為零。與海螺島相比，蓮花島的布置角度與流向幾乎平行，且島嶼形態(tài)具有鮮明的對稱性，但受海岸線變化的影響，蓮花島兩側流速變化不完全對稱。工程對潮流主要影響區(qū)域集中在順岸方向上距蓮花島500～1 700 m范圍內、岸線垂直方向上距蓮花島900 m范圍內。

圖4 漲急和落急時刻流場圖Fig.4 Current fields at the maximum flood and ebb

在蓮花島和海螺島共同作用下，見圖5c、5f，蓮花島與海螺島的外海側為漲落潮流速增加區(qū)，長度為2 800 m、寬度為1 400 m，區(qū)內流速變化范圍為0.02～0.05m·s-1，比工況1增加約30%，另外在人工島群形成的口門處由于束水作用流速增加約為0.13m·s-1；金夢海灣近岸區(qū)域和蓮花島內部均形成弱流區(qū)，流速幾乎為零；蓮花島和海螺島的阻流作用也使西南側的淺水灣形成流速減小區(qū)（0.10m·s-1左右）。海螺島使得蓮花島的近岸側平均流速減小0.05 m·s-1，外海側平均流速增加0.01m·s-1，而蓮花島使得海螺島背水面的弱環(huán)流區(qū)內流速增大約0.02m·s-1。

基于人工島群對其近岸海域潮流場影響的初步分析，在其影響區(qū)域內選取7個分析點分析其影響的疊加效應，分析點T1～T7的位置見圖1。建立原假設H0：蓮花島與海螺島共同作用下的流場可以看作是單一蓮花島作用下的流場與單一海螺島作用下的流場的線性疊加。表2給出了7個分析點的基于原假設H0線性疊加值和數(shù)值模擬值。

將流速變化的線性疊加值和數(shù)值模擬值考慮為一元回歸問題，假定數(shù)值模擬值y和線性疊加值x之間的回歸函數(shù)為y=β1x，對β1進行t檢驗，其檢驗統(tǒng)計量計算公式為

式中：β1為一元回歸函數(shù)的系數(shù)；是β1的最小二乘估計值，為第i個線性疊加值；

由回歸系數(shù)顯著性檢驗的統(tǒng)計學知識可知T～t1-α(n-2)，因此在顯著性水平α=0.05下，拒絕域為T＜t0.95(n-2)。

經(jīng)計算T=—2.387 9，其小于臨界值t0.95(12)，t0.95(12)=—1.782 3。故拒絕原假設H0。

圖5 漲急和落急時刻流速差值（單位：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）

人工島群對近岸潮流場影響的非線性疊加效應主要體現(xiàn)在以下2個區(qū)域：在蓮花島與海螺島形成的口門處，雖然該區(qū)分別屬于海螺島工程單一作用和蓮花島工程單一作用下的流速略微增加區(qū)和流速減小區(qū)，但由于海螺島與蓮花島口門處的區(qū)域束窄，流向變化使得該區(qū)在蓮花島與海螺島共同作用下形成流速顯著增加區(qū)；在距離工程較遠的淺水灣海域，雖然該區(qū)均不屬于海螺島工程單一作用和蓮花島工程單一作用下的潮流場影響范圍，但隨著海螺島與蓮花島工程相繼建立，阻流作用增加使得漲急時刻下的淺水灣海域形成流速減小區(qū)。

圖5f中的海螺島與岸線之間（A區(qū)）、蓮花島與海螺島形成的口門處（B區(qū)）和人工島群外側海域（C區(qū)）流場受人工島（群）影響較大。進一步提取4個工況下典型時刻的流速變化量，見表3，表中Vj為工況j某時刻區(qū)域流速。通過對比表3中各種工況影響百分比的大小和正負，量化海岸潮流流速變化對不同工程建設的敏感性。由表3可知，3個區(qū)域的潮流流速在一個潮周期中都呈現(xiàn)單調增加或減少的趨勢。除了B區(qū)蓮花島與海螺島形成的口門處以外，海螺島單獨作用對流速的影響較蓮花島單獨作用大，且作用百分數(shù)為正值，說明海螺島基本決定了海岸流速的變化趨勢。盡管單獨海螺島對B區(qū)流速影響的百分數(shù)小于單獨蓮花島作用，且作用方向相反（數(shù)值符號一正一負），但由于海螺島和蓮花島結合時該區(qū)域主流向較單獨蓮花島作用下偏轉較大，使得B區(qū)流速受海螺島影響較大。海螺島在3個區(qū)域的潮流變化中起到控制性作用，然而受蓮花島的影響，海螺島對海岸流速的影響程度發(fā)生改變。在A區(qū)，蓮花島削弱海螺島影響的4.1%～15.6%，即蓮花島可緩和海螺島與岸線之間水域的潮流動力弱的問題。在B區(qū)，蓮花島對水流的影響占海螺島的45.2%～48.9%，且作用方向一致。在C區(qū)，漲急時刻蓮花島削弱海螺島影響的52.0%，落急時刻作用 方向與海螺島相同，占海螺島作用的59.8%。

表2 分析點流速變化的線性疊加值和數(shù)值模擬值Tab.2 Linear superposition value and numerical simulation value of current velocity change at measurement points in Jingmeng Bay（m·s-1）

表3 不同工況對海岸流速變化的作用Tab.3 Impacts of different scenarios on coastal current velocity changes

3.2 人工島群對波浪場的影響

工程實施后，有效波高僅在近岸海域發(fā)生變化。圖6為工程后與工程前的有效波高差值圖，即分別為工況2、3、4的有效波高與工況1的有效波高的差值。

在單一海螺島作用下，由于海螺島及其進島路的掩護（圖6a），海螺島波影區(qū)內的有效波高減幅為0.38～0.56 m，其削減效果達80%以上。波浪在海螺島處的繞射作用使得波影區(qū)以西的近岸側區(qū)域有效波高增加約0.1 m。

在單一蓮花島作用下，由于蓮花島外海防波堤的掩護（圖6b），金夢海灣沿岸約3km海域的波浪場發(fā)生變化。蓮花島波影區(qū)內的有效波高減幅為0.18～0.42m，其削減效果約40%～60%。由于蓮花島允許波浪穿過其中部向金夢海灣近岸傳播，故消浪效果由波影區(qū)中部向兩端先增大后減小。

在蓮花島和海螺島共同作用下，由于人工島群的掩護，見圖6c，金夢海灣沿岸約3.5km海域的波浪場發(fā)生變化，其有效波高的削減效果達到41.8%～55.2%，人工島群對金夢海灣具有較好的掩護作用。

圖6 有效波高差值（工況2、3、4波高分別減工況1波高）（單位：m）Fig.6 Significant wave height differences between engineering case 2,3,4 and case 1（unit：m）

基于人工島群對其近岸海域波浪場影響的初步分析，在其影響區(qū)域內選取5個分析點進行定量分析，分析點T1～T5的位置見圖1。建立原假設H0：金夢海灣有效波高在蓮花島與海螺島共同作用下的變化可以看作是各單一人工島作用下的線性疊加。表4給出了5個分析點有效波高的線性疊加值和數(shù)值模擬值。

將波高變化的線性疊加值和數(shù)值模擬值考慮為一元回歸問題，相關計算公式同式（2），但該處n=5。經(jīng)計算T=—1.057 0，大于臨界值t0.95(3)，t0.95(3)=—2.353 4。故不能拒絕原假設H0。

表4 分析點有效波高變化的線性疊加值和數(shù)值模擬值Tab.4 Linear superposition value and numerical simulation value of significant wave height change at measurement points in Jingmeng Bay m

比較圖5和圖6，不難發(fā)現(xiàn)波浪場中人工島群間的相互影響范圍小于潮流場。主要是由于常浪傳播方向幾乎與岸線垂直，而人工島群又是沿岸線布置，這使得人工島群只影響了近岸水域的波浪，而人工島群之間的相互影響較小。

4 改造方案下動力效應分析

考慮進島路的封堵使游船碼頭附近產(chǎn)生潮流動力弱、水體近乎不流動的問題，目前海螺島進島路已完成拆除改造。由3.1節(jié)可知，由于潮流場中各建筑物間的相互作用非線性，金夢海灣潮流在建筑物群共同作用下的變化不能看作各單一建筑物作用下的線性疊加。對拆除進島路后的改造方案進行數(shù)值模擬，在工況4基礎上將不透水的進島路去除。圖7為改造方案后與改造前的漲落急流速差值圖。與潮流相比，波浪受各建筑物間相互作用的影響是線性的，考慮到單一進島路對近岸海域波浪場的影響較小，故不對改造方案后的波浪場進行模擬與分析。

拆除進島路后，原湯河入海通道則起到了潮汐通道的作用，增加了金夢海灣的進出水量，使近岸區(qū)域成為流速增加區(qū)，平均流速增加了0.03～0.10 m·s-1（圖7a、7b）。漲急時刻流速增加區(qū)包含海螺島和蓮花島近岸側，而落急時刻流速增加區(qū)主要為海螺島近岸側。可見，進島路這一新口門的開放加快了金夢海灣的水體流動，增強了近岸水體的交換能力。同時，也由于這一通道的分流作用使蓮花島—海螺島通道的流速減小，漲落急時刻的通道平均流速減少了0.02～0.05 m·s-1。

圖7 改造方案下漲急和落急時刻流速差值（單位：m·s-1）Fig.7 Velocity magnitude difference caused by engineering projects at the maximum flood and ebb respectively（unit：m·s-1）

5 結論

通過建立驗證合理的潮流和波浪數(shù)學模型，模擬和分析了金夢海灣人工島群建設對研究區(qū)域潮流場和波浪場的影響，得出以下主要結論：

（1）由于海螺島阻流和岬頭挑流作用，潮流在海螺島南側形成沿堤流，流速增加約20%；而海螺島與岸線之間形成較大范圍弱環(huán)流區(qū)，流速幾乎降低為零。由于蓮花島的導流和分流作用，潮流在蓮花島處形成2股支流，流速增加約40%；而蓮花島迎流側和背流側流速減小約40%，盡管蓮花島布置角度與流向幾乎平行，但岸線的變化使得兩側流速變化不完全對稱。

（2）由于潮流場中人工島間的相互作用是非線性的，金夢海灣潮流在人工島群共同作用下的變化不可以看作各單一人工島作用下的線性疊加。這一性質在蓮花島與海螺島形成的口門處和距離工程較遠的淺水灣海域這2個區(qū)域中尤為明顯。與潮流相比，波浪受人工島間相互作用的影響是線性的。

（3）海螺島在3個區(qū)域的潮流變化中起到控制性作用，然而受蓮花島的影響，海螺島對不同區(qū)域海岸流速的影響程度不同。蓮花島與海螺島的共同作用下，波浪在其后方波影區(qū)的削減效果達到了41.8%～55.2%。

（4）雖然人工島群對金夢海灣近岸海域起到很好的消浪效果，卻削弱了該區(qū)域的潮流動力，使其形成了一個水體交換能力較差的半封閉式水域。拆除海螺島進島路后，一定程度上增強近岸水體的交換能力，近岸區(qū)域平均流速增加了0.03～0.10 m·s-1。