王彬諭　毛晨浩　黃賢智

作者簡介：

王彬諭（1990—），講師，碩士研究生，研究方向：水利工程、水文等。

摘要：文章通過建立海域水動力及泥沙輸運(yùn)研究模型，模擬了消浪平臺工程建設(shè)對周邊海洋環(huán)境的影響。研究發(fā)現(xiàn)：大潮時懸浮泥沙擴(kuò)散速度較快且濃度下降迅速，對周圍海洋環(huán)境的影響反而最小;小潮時潮流流速較小，工程懸浮泥沙以施工地為中心向四周擴(kuò)散緩慢，形成濃度較高的包絡(luò)面。因此，在大潮時進(jìn)行施工較為適宜。

關(guān)鍵詞：消浪平臺;工程建設(shè);海洋環(huán)境;數(shù)值模擬

中國分類號：U656.31A521914

0 引言

海岸工程建設(shè)在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時也在不斷對海洋環(huán)境產(chǎn)生巨大影響[1]。工程在建設(shè)時會在短時間內(nèi)劇烈地改變原有海洋環(huán)境，在工程范圍附近形成的高懸浮物水團(tuán)會干擾太陽光線射入水體，削弱甚至是阻擋浮游植物的光合作用。浮游植物數(shù)量的減少或死亡會直接影響區(qū)域海洋生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[2]。此外，工程區(qū)附近海洋生物的體表會被高濃度懸浮泥沙包裹甚至進(jìn)入消化系統(tǒng)，其正常的生理功能不僅會受到影響，還會導(dǎo)致死亡。

本文研究的消浪平臺工程建設(shè)地點使用宗海面積為0.02 hm2，在原碼頭的基礎(chǔ)上增設(shè)非透水構(gòu)筑物以達(dá)到對碼頭的保護(hù)作用。為了合理規(guī)劃施工時間，達(dá)到對周圍海洋環(huán)境影響最小的目的，本文基于MIKE 21軟件的Flow Model FM模塊分別建立水動力和泥沙輸運(yùn)模型，模擬在大潮和小潮期不同時段的施工作業(yè)工況，得到懸浮泥沙擴(kuò)散影響范圍。

1 潮流及泥沙模型介紹

本文采用的MIKE 21 FM子模塊屬二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型[3]。

2 模型區(qū)域和網(wǎng)格

潮流數(shù)學(xué)模型大范圍水深數(shù)據(jù)由海軍測繪的海圖數(shù)字化后得到，并對研究區(qū)域附近海域水深進(jìn)行實測采樣與海圖數(shù)據(jù)對比修正。研究區(qū)域陸地岸線如圖1所示。模型在遠(yuǎn)離研究區(qū)域的部分設(shè)置空間步長較大的網(wǎng)格以提高計算效率，對工程所在區(qū)域采用局部加密的方式以保證研究區(qū)域模擬的精度。模型整體呈現(xiàn)出由研究區(qū)域向海網(wǎng)格空間步長逐漸增大的趨勢，工程區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示。

3 模型參數(shù)設(shè)置

模型開邊界的潮流數(shù)據(jù)由Mike 21軟件自帶的全球潮位板塊計算得到，陸域岸線上共設(shè)置兩條河流邊界，邊界采用流量控制。模型計算時間步長為0.01～30 s。

采用干濕判別法處理潮位變動區(qū)[4]，參數(shù)取默認(rèn)值：濕水深為0.1 m，淹沒水深為0.05 m，干水深為0.005 m;曼寧系數(shù)M由水深控制，取值60～90，Cs取值0.28。

4 模型驗證

本文采用2019[CD*2]05[CD*2]20至2019[CD*2]06[CD*2]05，1個測站潮位資料及2個潮流測站完整的大、小潮周期的流速、流向?qū)嵉赜^測資料對模型進(jìn)行驗證，驗證點位置如圖1所示，潮位驗證如圖3所示。

從模擬結(jié)果來看，模型潮位計算值與實測值基本吻合，在大潮和中潮區(qū)段內(nèi)，最高和最低潮誤差基本保持在8 cm之內(nèi)，個別誤差達(dá)到14 cm;小潮區(qū)段內(nèi)最高和最低潮誤差較大潮和中潮時有明顯的增大，部分誤差達(dá)到30 cm，但總體上模擬值與實測值擬合程度較高，說明本模型所采用的邊界條件、地形數(shù)據(jù)、參數(shù)設(shè)置能真實再現(xiàn)研究區(qū)域的潮位變化趨勢。

如圖4所示為2個典型站點（SW5、SW6）大潮時流速和流向的二維驗證過程。結(jié)果表明，計算流速最大、最小值處與實測流速基本擬合，從漲落急時刻的流向變化來看，各點流向的變化趨勢上擬合較好，相位偏差<0.5 h。工程海域往復(fù)流趨勢明顯，計算模擬的潮波運(yùn)動與天然潮波運(yùn)動相似。

綜上，模型計算值和與實測值擬合較好，能夠較真實地還原工程及附近海域漲、落潮變化、流速峰值等。驗證結(jié)果表明，模型基本反映了工程及周邊真實潮流運(yùn)動特征，模擬精度基本上滿足研究對于模型可靠性的要求，可應(yīng)用于工程后的預(yù)測等各項工作。

5 模擬及分析

消浪平臺工程施工作業(yè)拋石過程造成了底沙揚(yáng)起，在流場的作用下導(dǎo)致了不同程度的懸浮泥沙擴(kuò)散。由于潮流條件的不同，擴(kuò)散情況在大、小潮時展現(xiàn)出不同的情況。

5.1 大潮時懸浮泥沙擴(kuò)散情況

大潮時研究區(qū)域漲落潮流場圖如下頁圖5所示。在大潮情況下，由于工程所在地的一個大海灣中有兩個小海灣的特殊地理條件，漲潮時海灣中較大的順時針環(huán)流在流經(jīng)工程所在地時形成了一個較小的逆時針環(huán)流。這兩股水流將懸浮泥沙分為兩部分，向相反的方向擴(kuò)散。落潮時，大的順時針環(huán)流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，帶著懸浮泥沙向灣內(nèi)擴(kuò)散。因此造成了從東偏南方向而來的漲潮流對于泥沙向海擴(kuò)散有促進(jìn)作用，落潮流反而將泥沙向灣內(nèi)推進(jìn)的現(xiàn)象。

大潮情況下，消浪平臺附近海域懸浮泥沙濃度為0.01～0.02 kg/m3的擴(kuò)散面積為34 056.41 m2，懸浮泥沙濃度為0.02～0.05 kg/m3的擴(kuò)散面積達(dá)到1 633.54 m2。如圖6所示為大潮時不同濃度懸浮泥沙擴(kuò)散包絡(luò)圖。

5.2 小潮時懸浮泥沙擴(kuò)散情況

小潮時研究區(qū)域漲落潮流場圖如圖7所示。在小潮情況下，潮流速度較大潮明顯減小，擴(kuò)散情況也略有不同。漲潮時，由于流速的減小，潮流沒有形成明顯的大環(huán)流，而是直接向灣內(nèi)挺進(jìn)，較大潮時漲潮流向灣內(nèi)突入更深。工程區(qū)域兩個方向相反的環(huán)流仍然存在，但是較大潮而言，小潮時泥沙被消浪平臺南部環(huán)流向外輸送之后仍受到向內(nèi)突入的漲潮流的影響，大量懸浮泥沙向灣內(nèi)輸移。落潮時由于流速的減小，灣內(nèi)原本的環(huán)流消失，向海運(yùn)動的落潮流在灣口使一部分懸浮泥沙向海輸移，但是落潮流向灣內(nèi)突入不深，對于施工區(qū)域的影響不大。施工區(qū)域懸浮泥沙因為潮流流速較小擴(kuò)散程度較小，大量的懸浮泥沙集中在灣內(nèi)。

小潮情況下，懸浮泥沙濃度為0.01～0.02 kg/m3的擴(kuò)散面積為16 288.58 m2，懸浮泥沙濃度為0.02～0.05 kg/m3的擴(kuò)散面積達(dá)到3 494.72 m2，濃度為0.05～0.1 kg/m3的懸浮泥沙擴(kuò)散面積為15.73 m2。小潮時不同濃度懸浮泥沙擴(kuò)散包絡(luò)圖如圖8所示。

綜合考慮施工的最不利影響，消浪平臺建設(shè)工程大、小潮過程的懸浮泥[JP+1]沙擴(kuò)散最大值，繪制了工程可能造成的不同懸浮泥沙濃度的擴(kuò)散范圍圖。從各工況懸浮泥沙擴(kuò)散預(yù)測計算結(jié)果可以看出：懸浮泥沙在不同潮型條件下擴(kuò)散范圍明顯不同。由于大潮潮流動力較強(qiáng)，對懸沙輸運(yùn)能力較強(qiáng)，因此大潮的影響范圍要大于小潮。

總的來看，懸浮物影響的最大包絡(luò)范圍集中在工程區(qū)所在的海灣內(nèi)部以及灣外側(cè)沿海岸線呈東南-西北走向的細(xì)窄海域內(nèi)。由于懸浮物擴(kuò)散范圍不大，因此對工程海域周邊生態(tài)保護(hù)目標(biāo)造成的影響也很有限，僅對舟山本島東保留區(qū)造成了一定的影響，對其他農(nóng)漁業(yè)區(qū)沒有造成影響。

6 結(jié)語

本文模擬了大潮和小潮不同情況下某地消浪平臺建設(shè)工程引起的懸浮泥沙擴(kuò)散過程。研究發(fā)現(xiàn)，在大潮情況下，懸浮泥沙擴(kuò)散速度最快，懸浮泥沙濃度下降迅速，這種情況對周圍海洋環(huán)境的影響反而最小。相反的是，小潮情況下潮流流速較小，工程懸浮泥沙以施工地為中心向四周擴(kuò)散緩慢，形成濃度較高的包絡(luò)面。根據(jù)以上研究，工程應(yīng)當(dāng)選擇在大潮時進(jìn)行施工較為適宜。

參考文獻(xiàn)：

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