婁海峰,朱曉映,胡金春,

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.瑞安市水利局,浙江 瑞安 325200)

1 問(wèn)題的提出

小島綜合開(kāi)發(fā)的前提在于土地資源的供給與大陸經(jīng)濟(jì)腹地的聯(lián)系,其中前者往往是制約性的因素。舟山市金塘島自金塘大橋建成后,區(qū)域優(yōu)勢(shì)十分明顯,金塘島北部小島眾多,島群間的連島造地是解決該區(qū)域土地資源緊缺的主要途徑,圍海造地不僅已為舟山市發(fā)展農(nóng)業(yè)、鹽業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)提供了大量用地,而且也為港口建設(shè)、城市工業(yè)及生活設(shè)施等提供了用地,是解決舟山市人多地少,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展與土地不足之間矛盾的重要途徑。連島工程將改變周?chē)乃畡?dòng)力條件,勢(shì)必引起海域泥沙輸移的變化,重新調(diào)整海床高程,使之與水流相適應(yīng),海床沖淤變化是否會(huì)影響已有的碼頭和深水航道,應(yīng)予以研究。本文采用二維潮流數(shù)值模型結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)工程實(shí)施后潮流場(chǎng)和海床的變化,為工程決策提供技術(shù)依據(jù)。

2 自然條件概況

連島造陸工程位于舟山市定海區(qū)金塘鎮(zhèn),處于金塘島岸線西北部。工程涉及大鵬山、金塘島、甘池山、大髫果山、小髫果山、魚(yú)龍山、大菜花山、小菜花山、橫檔山7個(gè)島嶼。瀝港水道為大鵬山與金塘島之間的水域通道,水道平均寬度約500m,最窄處約300 m,北出口寬900 m,南接島杵山和金塘島間的漲潮沖刷槽,最大水深可達(dá)10 m以上,出大鵬山向北,水流擴(kuò)散,形成一個(gè)較為廣闊的水下淺灘,沖刷槽止于山體北端。淺灘以北島嶼眾多,島嶼受漲落潮流的作用,形成大小不等的局部沖刷坑,有些島嶼間沖刷坑相連為較深的峽道,大菜花山與魚(yú)龍山之間的通道水深大于50m,大多數(shù)島嶼的通道水深在20 m以?xún)?nèi)。

圖1為2008年3月水文測(cè)量資料的6條水文垂線大潮垂線平均流矢圖,測(cè)次測(cè)區(qū)各垂線中的平均流況以P5垂線為最強(qiáng),大潮汛漲、落潮流的垂線平均最大流速分別為1.81 m/s和1.60 m/s,P1、P6垂線次之,P3垂線最弱。工程區(qū)域內(nèi)島嶼眾多,流場(chǎng)極為復(fù)雜,狹道中顯現(xiàn)出往復(fù)流特征,如P1、P2垂線,其他垂線受周邊地形及水道影響,流矢發(fā)散,呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流特點(diǎn),開(kāi)闊處旋轉(zhuǎn)性較強(qiáng)。

圖1 實(shí)測(cè)流矢圖

工程海域含沙量呈西高東低趨勢(shì),季節(jié)性變化明顯,自冬季經(jīng)春季到夏季逐漸減少,從冬、春、夏含沙量測(cè)量數(shù)值來(lái)看,該海區(qū)含沙量為0.18～2.13 kg/m3,而春季測(cè)量值能較好地代表全年平均的含沙量值,其值為1.0 kg/m3。

3 二維潮流數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 模型的選擇

研究工程引起的海床沖淤變化,其中關(guān)鍵之一就是水動(dòng)力場(chǎng)的模擬,潮流的分布和變化是海域泥沙運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)因素,所以需首先建立金塘島海域的潮流數(shù)學(xué)模型。金塘島海域潮強(qiáng)流急,垂向摻混較充分,可采用垂線平均的平面二維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算流速場(chǎng)的變化,在此基礎(chǔ)上開(kāi)展海床沖淤的分析。工程實(shí)施后的海床地形變化預(yù)測(cè)選用半經(jīng)驗(yàn)半理論的回淤?gòu)?qiáng)度公式估算。

3.2 控制方程

沿垂線平均的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型:

式中:z為潮位(m),即某一基準(zhǔn)面上的水面高度;u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);H為水深(m);g為重力加速度(9.81 m/s2);f為柯氏力參數(shù)(f=2ωesinφ,φ為緯度,ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度);Cz為謝才系數(shù);εx,εy分別為水流在x,y方向的渦動(dòng)擴(kuò)散系數(shù);Wx,Wy分別為x,y方向的風(fēng)應(yīng)力分量;x,y為直角坐標(biāo);t為時(shí)間。

方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)、(3)分別為x、y方向的動(dòng)量守恒方程。上述方程中未知數(shù) z、u、v,在一定的初始條件和邊界條件下可得數(shù)值解。

有了以上條件,就可用一定的離散格式求出方程的解。目前求解上述方程的數(shù)值計(jì)算方法很多,較為流行的有ADI法、破開(kāi)算子法、直接差分法、特征線法和有限單元法等。鑒于三角形網(wǎng)格的有限元法具有比較容易地?cái)M合復(fù)雜的邊界地形條件,網(wǎng)格布置靈活,局部加密方便,適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),本次計(jì)算選用顯式迎流有限元模式。

工程實(shí)施后的海床地形預(yù)測(cè)選用半經(jīng)驗(yàn)半理論的回淤?gòu)?qiáng)度公式(4)估算:

式中:P為拋壩后的淤積厚度;v1、v2分別為工程前、后的流速;H1、H2分別為工程前、后的水深;s為工程區(qū)域沿垂線平均含沙量;ω為泥沙沉降速度(在河口海岸地區(qū)應(yīng)考慮絮凝的影響)。

3.3 計(jì)算條件

流場(chǎng)的計(jì)算范圍自乍浦往東至外海深水區(qū),其橫向?qū)捈s200 km,北起南匯嘴,南至石浦,其縱向長(zhǎng)度約190 km,計(jì)算域水域總面積約為22 584 km2。網(wǎng)格布置(見(jiàn)圖2)充分利用了三角形網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn),按照重點(diǎn)關(guān)鍵水域網(wǎng)格密、其他水域疏的原則剖分,共布置2.4萬(wàn)個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和4.5萬(wàn)個(gè)三角形單元,域內(nèi)最大水深達(dá)100 m以上,最小空間步長(zhǎng)約為30m,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 s。

圖2 網(wǎng)格布置圖

對(duì)于流場(chǎng)的計(jì)算,岸邊界采用可滑不可入條件。對(duì)于近岸水邊界乍浦采用實(shí)測(cè)潮位過(guò)程,南匯嘴、石浦則采用潮汐表預(yù)報(bào)值,外海水邊界利用全球潮汐模型(TPXO6)求得,該模型通過(guò)10個(gè)分潮推算天文潮位,包含8個(gè)主要分潮 M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1,以及2個(gè)長(zhǎng)周期分潮 Mf和Mn,基本能夠構(gòu)造出外海深水處真實(shí)的天文潮過(guò)程。

3.4 潮位和潮流的驗(yàn)證

圖3 潮位、潮流驗(yàn)證圖

工程區(qū)域內(nèi)島嶼眾多、地形和流場(chǎng)都極為復(fù)雜,狹道中顯現(xiàn)出往復(fù)流特征,開(kāi)闊處旋轉(zhuǎn)性較強(qiáng)。驗(yàn)證采用2008年3月的水文測(cè)量資料,圖3為部分點(diǎn)位潮位、流速驗(yàn)證過(guò)程圖。模型的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明,模型采用的計(jì)算參數(shù)基本合理,計(jì)算方法可靠,能夠模擬工程海域的潮波運(yùn)動(dòng)特性。

3.5 拋壩促淤效果驗(yàn)證

仇家門(mén)海區(qū)與本工程區(qū)域相近,文獻(xiàn)[1]曾用二維潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)仇家門(mén)堵壩工程前后的流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,并用堵壩前后的實(shí)測(cè)地形對(duì)公式 (5)進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證時(shí)間段分為2個(gè),分別為1978—1984年和 1978—1991年。在圍區(qū)內(nèi)取3個(gè)點(diǎn),有2個(gè)位于1984年測(cè)圖-1.8 m等深線處(P1和P2),還有1個(gè)點(diǎn)位于壩近旁(P3)。從拋壩產(chǎn)生影響開(kāi)始,處于1984年測(cè)圖-1.8m線處的2個(gè)測(cè)點(diǎn)原高程分別-18.3 m和-16.6 m,至1984年,分別淤厚16.5 m和14.8 m,到1991年2處分別淤積17.3 m和15.6 m。壩址近旁測(cè)點(diǎn)原來(lái)的高程為-19.53 m,至1991年已在0 m高程以上。

驗(yàn)證結(jié)果表明,利用公式(5)計(jì)算得到拋壩工程實(shí)施后圍區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的淤積過(guò)程與實(shí)測(cè)值比較吻合(見(jiàn)圖4)。淤積計(jì)算公式中的系數(shù)采用:泥沙沉降幾率α=0.35,沉降速度ω=0.000 4 m/s,平均含沙量s=0.50 kg/m3,泥沙干密度γ=650 kg/m3,測(cè)點(diǎn)處水深約為16～20 m。

圖4 拋壩促淤效果驗(yàn)證圖

4 漁港及圍涂方案工程對(duì)周邊水域影響

4.1 方案布置

對(duì)以下4個(gè)方案進(jìn)行研究,各方案布置見(jiàn)圖5。其中方案1為漁港擴(kuò)建工程防波堤工程,布置東、西2條堤,東堤將小髫果山與金塘山相連,西堤將大髫果山與大鵬山相連接。方案2、3、4則在實(shí)施防波堤工程的同時(shí),在西堤西側(cè)、東堤?hào)|側(cè)區(qū)域進(jìn)行不同規(guī)模的連島造地圍涂。

圖5 各方案布置圖

4.2 流速變化

4.2.1 現(xiàn)狀流場(chǎng)特征

工程區(qū)域內(nèi)島嶼眾多,而且區(qū)域東西兩側(cè)漲、落潮時(shí)刻不一致,流場(chǎng)極為復(fù)雜。圖5顯示了工程區(qū)域落急、落憩、漲急、漲憩等時(shí)刻的小范圍流場(chǎng)。

落急時(shí),進(jìn)入大、小髫果山之間的落潮流分為3部分,東股潮流進(jìn)入魚(yú)龍山與金塘島間的水域,中股潮流進(jìn)入瀝港水道,西股潮流穿過(guò)甘池山與大鵬山間的水道,很明顯,進(jìn)入瀝港的落潮流全部來(lái)自大、小髫果山間的水道,并且都從島杵山與金塘島間的水道穿出。由于金塘東側(cè)的西堠門(mén)水域轉(zhuǎn)流時(shí)刻要比大鵬山以西水域提前約50 min,所以在西堠門(mén)水域落憩(轉(zhuǎn)流)前30 min,進(jìn)入瀝港的落潮流絕大部分已來(lái)自魚(yú)龍山與金塘島之間的水域;至大鵬山以西水域落憩時(shí),圍區(qū)內(nèi)漲潮流由來(lái)自瀝港水道部分(較弱)和來(lái)自橫擋山與金塘島之間水道部分 (較強(qiáng))組成,并且主要出大髫果山與大鵬山間的水道。

漲急時(shí),出大、小髫果山之間的漲潮流由3部分組成,自西向東分別為大髫果山與大鵬山間部分潮流、瀝港部分潮流、魚(yú)龍山與金塘島間部分潮流,大、小髫果山之間成為圍區(qū)漲潮流的主要通道,很明顯,進(jìn)入瀝港的漲潮流全部來(lái)自島杵山與金塘島間的水道,并且都從大、小髫果山間的水道穿出。至西堠門(mén)水域轉(zhuǎn)為落潮后30min時(shí),因?yàn)榇簌i山以西水域還在漲潮,潮流又變?yōu)閺拇?、小髫果山與大鵬山間的水域自西向東穿過(guò)圍區(qū);而到大鵬山以西水域也開(kāi)始轉(zhuǎn)流時(shí),大、小髫果山與大鵬山間水域的落潮流除部分穿過(guò)魚(yú)龍山與金塘間的水域外,另有部分進(jìn)入瀝港水道。

圖5 工程區(qū)域特征時(shí)刻流矢圖

由上述可知,大、小髫果山之間的水道是圍區(qū)的主要潮流通道,對(duì)瀝港水道的漲落潮有著最主要的影響,大髫果山和大鵬山間的水道、魚(yú)龍山和金塘間的水道也對(duì)瀝港水道的漲落潮有著一定的影響。

4.2.2 各方案對(duì)流場(chǎng)的改變

為了更好地了解各方案實(shí)施前、后工程附近水域流場(chǎng)的變化,在工程附近設(shè)了5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖6。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)漲、落潮平均流速變化值見(jiàn)表1。方案1、3實(shí)施后工程區(qū)漲、落急流矢見(jiàn)圖7,漲、落潮平均流速變化分布見(jiàn)圖8、9。

數(shù)值模擬結(jié)果表明:各方案對(duì)周邊水域流場(chǎng)的影響基本隨工程規(guī)模的擴(kuò)大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3實(shí)施后流場(chǎng)變化主要發(fā)生在工程近區(qū),但方案4影響范圍較大,該方案工程?hào)|側(cè)遠(yuǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4處漲、落潮平均流速分別增大7.5%、5.2%。

表1 各方案實(shí)施后漲、落潮平均流速變化表%

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖7 方案1、3實(shí)施后工程區(qū)流矢圖

圖8 方案1實(shí)施后工程區(qū)平均流速變化分布圖(%)

圖9 方案3實(shí)施后工程區(qū)平均流速變化分布圖(%)

4.3 海床沖淤變化

數(shù)學(xué)模型應(yīng)用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式對(duì)工程實(shí)施后附近海床的沖淤變化進(jìn)行預(yù)測(cè),考慮到海床淤積后潮流速將發(fā)生一定的變化,因此在過(guò)程中采用了“反饋”計(jì)算。方案實(shí)施后,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖淤幅度見(jiàn)表2。方案1、3達(dá)到最終平衡狀態(tài)時(shí)工程區(qū)沖淤變化見(jiàn)圖10。

表2 各方案實(shí)施后沖淤量表

數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)結(jié)果表明,各方案對(duì)周邊水域海床沖淤的影響基本隨工程規(guī)模的擴(kuò)大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3實(shí)施后海床沖淤變化主要發(fā)生在工程近區(qū),對(duì)周邊水域各深水航道基本無(wú)影響。方案4影響較大,該方案實(shí)施后大、小髫果山～大菜花山西北側(cè)水域產(chǎn)生淤積,地形高程由原來(lái)的-8 m左右抬高至-1～-5 m,嚴(yán)重影響了瀝港漁港北出口的船舶航行,工程?hào)|側(cè)遠(yuǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4處沖刷超過(guò)0.5 m,因此,目前暫不宜考慮。

對(duì)于瀝港水道,雖然工程實(shí)施后最初使瀝港水道過(guò)潮量有所增加,但隨著小髫果山附近海域的淤積,瀝港水道的過(guò)潮能力反而下降,平均潮流速減小,最終有一小部分泥沙落淤。對(duì)方案1進(jìn)行逐年反饋計(jì)算,可以得到:瀝港水道中部、南部在工程實(shí)施初期基本呈略沖狀態(tài),大約5 a后才開(kāi)始淤積,而大、小髫果山附近水域則在前5 a內(nèi)接近沖淤平衡。各方案由于瀝港水道堤線布置格局相同,因而各方案實(shí)施后瀝港水道沖淤變化相似,呈微淤狀態(tài)。

文獻(xiàn) [2]曾采用數(shù)學(xué)模型、物理模型2種研究手段對(duì)工程實(shí)施后瀝港水道沖淤變化進(jìn)行了研究,瀝港水道各代表斷面布置見(jiàn)圖11,方案1實(shí)施后數(shù)學(xué)模型、物理模型部分代表斷面沖淤成果見(jiàn)表3,研究表明,2種研究手段成果總體上較為一致。

圖10 方案1、3實(shí)施后工程區(qū)域淤積變化圖(單位:m)

圖11 瀝港水道代表斷面圖

表3 方案1沖淤平衡后瀝港水道部分代表斷面沖淤幅度表

5 結(jié) 論

金塘北部島群間流態(tài)復(fù)雜,連島造陸工程截?cái)嗔吮辈繊u嶼間的橫向流動(dòng),對(duì)周邊海域的流場(chǎng)和海床有一定的影響,總的來(lái)說(shuō),各方案對(duì)工程附近影響幅度基本隨工程規(guī)模的擴(kuò)大而增大,方案1影響最小,方案2、3其次,方案4影響最大。方案1、2、3影響主要發(fā)生在工程近區(qū),從工程對(duì)周邊水域的影響來(lái)看,這3個(gè)方案均可選,從圍涂面積來(lái)看,可選面積較大的方案3。

[1]黃世昌.舟山長(zhǎng)白和螺門(mén)促淤?lài)鷫üこ炭尚行猿醪椒治?[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2003.

[2]韓海騫,婁海峰,趙鑫,等.瀝港漁港建設(shè)工程對(duì)周邊水域和海床沖淤影響研究總報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.