呂 江 華

(河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

海洋水利工程的建設(shè)在一定程度上會對周圍海域的水文生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[1]，并給生態(tài)環(huán)境和原有港口航道造成不同程度的影響[2-5]，因此分析工程建設(shè)對工程海域的水文環(huán)境影響分析具有重要意義。海堤工程是海岸的一個重要防護(hù)工程，避免海浪等一些自然現(xiàn)象對沿海人民的工作和生活產(chǎn)生危害[6]，而海堤工程的建設(shè)會改變原本岸線形狀，改變原有海洋環(huán)境，因此分析海堤工程建設(shè)對海域的環(huán)境影響的數(shù)值模擬具有重要意義[7]。影響分析主要涉及潮流和泥沙，潮流與泥沙的數(shù)值模擬起步于20世紀(jì)60年代，大體經(jīng)過從一維到三維的發(fā)展[8]。由于科技的進(jìn)步，90年代三維模型得到廣泛應(yīng)用，三維模型具有應(yīng)用范圍廣、模擬精度高等優(yōu)點，能更好地模擬研究區(qū)域的實際情況。在以往影響評估的相關(guān)研究中，采用的模型有MIKE、ROMS、FVCOM等[9]，其中FVCOM相比較其他幾種模型而言，采用水平三角形網(wǎng)格，在近岸復(fù)雜地形模擬中更加準(zhǔn)確。

霞浦縣小皓村位于三沙鎮(zhèn)與霞浦縣之間，本項目位于東海海域西南方向福寧灣海域(圖1)，海堤全長431 m，頂高程為6.00 m，后方回填形成陸域2.452 2 萬m2，形成的陸域布置為新農(nóng)村建設(shè)，灘涂綠地和陸域道路。本研究運用FVCOM海洋數(shù)值模式建立了福寧灣三維潮流數(shù)學(xué)模型，通過實測水位、流速、流向和含沙量對模型進(jìn)行驗證，模擬計算結(jié)果與實測資料吻合較好，驗證后的模型可用于預(yù)測霞浦海堤工程對工程海域水文環(huán)境的影響。

圖1 項目位置Fig.1 The project location

1 模型的建立

1.1 FVCOM模式簡介

本文所應(yīng)用的FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)數(shù)值模式是由美國馬薩諸大學(xué)與伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)的三維海洋模式[10]，該模型垂向采用σ坐標(biāo)，能夠精確模擬不規(guī)則的海底地形水深變化，水平方向采用非結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格，采用有限體積的方法，通過積分的方式計算重疊水平三角形控制體的通量來解控制方程。這種有限體積方法很好地將有限元方法處理海灣岸邊界復(fù)雜曲折的優(yōu)點和有限差分方法簡單的離散結(jié)構(gòu)、高效的計算效率結(jié)合起來，對于近岸河口等具有復(fù)雜地形的區(qū)域可以更好地保證質(zhì)量、動量、鹽度和熱量的守恒性。FVCOM分別與POM以及ECOM-si在理想化實驗和近岸河口區(qū)域模擬中的對比結(jié)果[11]說明，岸線擬合的程度以及數(shù)值方法的選擇在邊界較為復(fù)雜的近岸河口海域的潮流數(shù)值模擬中具有重要的作用,這也正是FVCOM的優(yōu)勢所在[12]。

1.2 模型建立

本模型計算范圍為整個福寧灣海域，圖2為模型計算區(qū)域和水深布置圖。計算區(qū)域劃分為高質(zhì)量、非結(jié)構(gòu)的三角形網(wǎng)格，工程海域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。計算時間步長為10 s，垂向 坐標(biāo)分均勻6層，計算區(qū)域三角網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為73 593 個，網(wǎng)格單元數(shù)為143 948 個，最小網(wǎng)格間距為5 m。圖3為工程前后工程海域網(wǎng)格和水深分布圖。溫鹽初始場采用常值，模型初始水位是NOAA發(fā)布的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)所提供，模式從靜止?fàn)顟B(tài)啟動[13]。開邊界自西南起七尺門到東北三沙角連線，采用水位強迫作為開邊界，本模型的開邊界(水邊界)水位是通過TMD(Tide Model Driver)同化衛(wèi)星高度計資料得到各主要分潮調(diào)和常數(shù)后再預(yù)報得到的，考慮了M2、S2、K2、N2、O1、K1、P1和Q1這8個主要分潮。

1.3 模型驗證

模型驗證數(shù)據(jù)采用2013年6月霞浦縣三沙小皓臨時站工程水文泥沙測驗分析報告[14]。該觀測進(jìn)行3個大潮海流連續(xù)站(C1、C2、C3)各28 h的海流觀測，以及一個15 d的水位連續(xù)觀測站(T1)。觀測站位的詳細(xì)信息見圖4和表1。

圖2 模型計算區(qū)域及水深布置Fig.2 Calculation area and depth

圖3 工程前后工程海域網(wǎng)格和水深分布圖Fig.3 The grids and depth of the calculation area before and after the project

圖4 模型驗證觀測站位圖Fig.4 The observation stations

項目站號北緯東經(jīng)潮位T126°55′32．91″120°8′40．71″C126°55′24．98″120°8′26．28″海流C226°54′4．51″120°8′22．72″C326°54′58．58″120°9′43．00″

T1站水位以及C1、C2、C3站海流流速和流向觀測值與計算值時間過程對比如圖5～圖7所示(以表層為例)。從水位過程對比曲線看出，水位計算值與觀測值吻合良好，潮漲歷時與落潮歷時基本一致，潮位最大誤差0.49 m，平均絕對誤差0.023 m，相對誤差為0.47%。從流速對比圖可以看出3個觀測站中最大平均絕對誤差為0.021 m/s，最大相對誤差為9.88%，均小于10%，漲落潮時最大流速值以及出現(xiàn)時間點計算值與觀測值吻合良好。從流向模型對比圖看出平均流向偏差為1°～8°，流向相對流速大小而言模擬結(jié)果符合校核，高低潮及轉(zhuǎn)流時間也基本一致(表2為各站流速、流向偏差表)。

圖5 潮位計算值和實測值驗證圖Fig.5 Verification of the calculated values and the observed of the tide

圖6 流速計算值和實測值驗證圖Fig.6 Verification of the calculated values and the observed of the flow velocity

圖7 流向計算值和實測值比較圖Fig.7 Verification of the calculated values and the observed of the flow direction

站點T1潮位/mC1流速/(m·s-1)流向/(°)C2流速/(m·s-1)流向/(°)C3流速/(m·s-1)流向/(°)平均絕對誤差0．0230．0141．2100．0196．0900．0217．070相對誤差/%0．479．880．608．603．127．443．43

通過潮位和潮流的對比驗證可以看出，模擬結(jié)果與實測過程吻合較好，滿足規(guī)范要求[15]，所建模型采用的物理參數(shù)和計算參數(shù)基本合理，計算方法可靠，能夠較為準(zhǔn)確地刻畫霞浦海堤附近海域水動力情況，可以繼續(xù)利用此模型模擬工程區(qū)附近海域潮流場變化。

2 工程對海域潮流場的影響分析

2.1 工程前后流場變化分析

為分析霞浦海堤工程建設(shè)對周邊海域潮流場的影響，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別給出福寧灣大范圍和網(wǎng)格加密區(qū)域中工程前后大、小潮漲落潮流場圖(以大潮為例見圖8～圖10)。

由圖8可見，工程實施前，該海域流速普遍較低，漲急時刻形成了比較明顯的沿岸流，最大流速在笊籬山南部海域達(dá)到0.84 m/s，灣內(nèi)流速基本在0.28 m/s以下。同時由于該海域淺海灘涂面積較大，在漲落潮階段有大片潮灘露出。總體而言工程建設(shè)前漲急流速大于落急流速，沿岸流的流場特征明顯。

通過工程實施前后流場對比結(jié)果圖可見，工程實施后對工程海域灣內(nèi)小海域流場有較大的影響，對外圍區(qū)域影響較小。海堤附近潮流流向發(fā)生調(diào)整，新流向與新岸線走向基本一致，對大區(qū)域流場的流向也無顯著影響。

2.2 工程前后流速對比點流速變化

為了定量分析工程實施對工程海域水動力的影響，在海堤外側(cè)布設(shè)了5個流速比較點。圖11為工程海域工程前后流速對比點分布圖。

圖8 計算區(qū)域漲潮流場圖和落潮流場圖Fig. 8 The flow field of the calculation area during high tide and ebb

圖9 工程前后工程附近海域漲潮流場對比Fig. 9 Comparison of the flow field in the project seas during high tide before and after the project

圖10 工程前后工程附近海域落潮流場對比Fig.10 Comparison of the flow field in the project seas during ebb before and after the project

圖11 流速比較點分布Fig.11 Comparison points of the flow velocity

根據(jù)模型計算的工程前后大小潮期間(以大潮為例)漲落潮過程中的各流速比較點上的平均流速、流向和最大流速、流向比較數(shù)據(jù)可知，工程的實施對工程海域的流速帶來局部影響。所選的5個點中，漲潮時3號和5號點工程后流速變化較大，最大增幅可達(dá)0.024 m/s，其他3個點的流速變化較小，變化的幅度不超過0.01 m/s；在落潮時只有2號點的流速變化較大，流速增幅為0.025 m/s，其他4個點的流速變化均比較小，流速變幅不超過0.01 m/s。此外，各點流向均與工程前發(fā)生改變，由于岸線改變，在海堤附近海域流向發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，新流向大致保持與岸線平行。

總體來看，霞浦海堤工程建設(shè)只對以灣內(nèi)500 m海域的水流產(chǎn)生影響。主要變化區(qū)域集中在海堤工程沿岸及拐角處，漲潮時刻在海堤拐角處南側(cè)海域和工程西端流速變化相對較大，落潮時只在西側(cè)拐角處流速變化較大，工程海域流向與工程前發(fā)生改變，由于岸線改變，在海堤附近海域流向發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，新流向大致保持與岸線平行，而距離工程較遠(yuǎn)的外圍海域流速流向變化均不明顯。

3 工程附近海域沖淤變化分析

福寧灣海域懸浮泥沙觀測包括大、小潮兩次測驗，布設(shè)3個水文泥沙觀測站，站位布設(shè)位置與海流觀測站位一致(圖4)，該海域海水含沙濃度較低，實測最高含沙量為0.139 6 kg/m3，大潮總平均含沙量為0.041 1 kg/m3水域表現(xiàn)為自表層向底層明顯遞增的變化特性。霞浦海堤工程建設(shè)后，在一定程度上改變了工程海域的水動力環(huán)境，使海域潮流場的動態(tài)平衡格局發(fā)生改變，使該海域出現(xiàn)沖淤變化。

工程區(qū)海域年回淤淤強公式采用半經(jīng)驗半理論公式：

(1)

含沙量計算按劉家駒提出的風(fēng)浪和潮流綜合作用的挾沙能力公式：

(2)

圖12 含沙量計算值和實測值驗證圖Fig.12 Verification of the calculated values and the observed of the Sediment concentration

選取C1、C2和C3三個測站的含沙量進(jìn)行模式驗證分析(以大潮垂向平均為例)。通過將計算值與實測值相比較，整體趨勢基本一致，誤差較小(圖12)?？傮w看來，所用模型中物理參數(shù)以及計算相關(guān)參數(shù)的選取較合理，計算方法有效，能夠很好地模擬工程海域的泥沙運動。

霞浦海堤的建設(shè)改變了岸界，進(jìn)而改變了工程海域的水動力環(huán)境，從而使得工程海域沖淤環(huán)境發(fā)生了變化，根據(jù)工程前后的水動力數(shù)值模擬結(jié)果，計算出工程附近海域年沖淤強度分布(圖13)，由圖13可知，工程的建設(shè)對工程附近海域泥沙沖淤環(huán)境的影響比較微弱，影響主要集中在新岸線拐角處海域，結(jié)合該海域流場變化分布可知，泥沙濃度與流場之間存在較好的對應(yīng)關(guān)系，流速增大的位置呈沖刷狀態(tài)，主要發(fā)生在海堤南側(cè)海域，最大沖刷厚度為0.012 m/a，流速減小的位置呈淤積狀態(tài)，主要發(fā)生在海堤新岸線拐角處，但其年淤積厚度均小于0.004 m/a。海堤工程對周邊海域有一定影響作用，部分區(qū)域存在輕微沖刷以及輕微淤積，總體影響范圍較小。

圖13 工程建設(shè)后年淤積厚度(正值為淤積，負(fù)值為沖刷)Fig.13 Siltation intensity after the project (The positive value is siltation, the negative value is scour)

4 結(jié) 語

基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、干-濕判別技術(shù)和有限體積法的FVCOM海洋數(shù)值模式，建立了福寧灣海域的三維潮流場數(shù)學(xué)模型，通過實測潮位、流速、流向和含沙量對模型進(jìn)行了驗證，模擬值與實測資料吻合較好，用驗證后的模型預(yù)測霞浦海堤工程對該海域潮流場和沖淤環(huán)境的影響，得到下列主要結(jié)論。

(1)福寧灣海域?qū)儆谡?guī)半日潮型的強潮海域，潮差較大。工程建設(shè)前各站位因地形的影響，漲落潮表現(xiàn)不一致，整體體現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速，小潮期間因漲潮影響減落。港灣內(nèi)觀測海域的潮流系潮溝和岸形制約，沿著岸線方向漲落潮。

(2)工程實施前，漲潮總體流向為外海向隴頭小皓村海岸線，落潮反之。工程實施后，海堤附近潮流流向與工程前對比發(fā)生調(diào)整，由于岸線改變，在海堤附近海域流向發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，新流向與新岸線走向基本一致。

(3)工程的實施對工程海域的流速帶來局部影響。所選的5個流速比較點中，漲潮時3號點和5號點即海堤東西兩側(cè)拐角處工程后流速變化較大，最大增速為0.024 m/s，其他3個點的流速變化較小，變化的幅度不超過0.01 m/s；在落潮時只有2號點的流速變化較大，流速變幅達(dá)到0.025 m/s，其他4個點的流速變化均比較小，流速變幅不超過0.01 m/s。工程的實施對外圍海域流場無顯著影響。

(4)工程建設(shè)后，流速增大的位置呈沖刷狀態(tài)，主要發(fā)生在海堤南側(cè)海域，最大沖刷厚度為0.012 m/a，流速減小的位置呈淤積狀態(tài)，主要發(fā)生在海堤新岸線拐角處，但其年淤積厚度均小于0.004 m/a。海堤工程對周邊海域有一定影響作用，部分區(qū)域存在輕微沖刷以及輕微淤積，總體影響范圍較小。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 具杏祥,蘇學(xué)靈. 水利工程建設(shè)對水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)影響分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2008,(7):8-11.

[2] 曹宇峰,林春梅,余麒祥,等. 簡談圍填海工程對海洋生態(tài)環(huán)境的影響[J].海洋開發(fā)與管理,2015,32(6):85-88.

[3] 謝 挺,胡益峰,郭鵬軍. 舟山海域圍填海工程對海洋環(huán)境的影響及防治措施與對策[J]. 海洋環(huán)境科學(xué),2009,28(s1):105-108.

[4] Zhang W, Liu R, Qian W, et al. Influence of large-scale coastal engineering on hydrodynamics and sediment transport[J]. Journal of Waterway & Harbor, 2014.

[5] Gui F U, Jiufa L I, Dai Z, et al. Study of tidal flow numerical simulation on the reclamation project of nanhuizui beach[J]. Transactions of Oceanology & Limnology, 2007.

[6] 劉 寧,孫東亞,黃世昌,等. 風(fēng)暴潮災(zāi)害防治及海堤工程建設(shè)[J]. 中國水利, 2008,(5):9-13.

[7] 蔡 磊, 王燕燕,劉西平,等. 天津某海堤工程對水動力環(huán)境影響數(shù)值模擬[J]. 港工技術(shù), 2017,54(1):17-22.

[8] 遠(yuǎn) 航,于定勇. 潮流與泥沙數(shù)值模擬回顧及進(jìn)展[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2004,22(1):97-106.

[9] 鄭沛楠,宋 軍,張芳苒,等. 常用海洋數(shù)值模式簡介[J]. 海洋預(yù)報,2008,25(4):108-120.

[10] Chen C, Liu H, Beardsley R C. An Unstructured Grid, Finite-Volume, Three-Dimensional, Primitive Equations Ocean Model: Application to Coastal Ocean and Estuaries[J]. Journal of Atmospheric & Oceanic Technology, 2003,20(20):159-186.

[11] Chen C, Huang H, Beardsley R C, et al. A finite volume numerical approach for coastal ocean circulation studies: Comparisons with finite difference models[M]. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978-2012), 2007:83-87.

[12] 宋德海,鮑獻(xiàn)文, 朱學(xué)明.基于FVCOM的欽州灣三維潮流數(shù)值模擬[J]. 熱帶海洋學(xué)報,2009,28(2):7-14.

[13] 吳修廣, 劉光生, 程文龍. 基于FVCOM的杭州灣三維泥沙數(shù)值模擬[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2011(4):86-96.

[14] 福建中海檢測技術(shù)有限公司. 霞浦縣三沙小皓二級漁港工程水文泥沙測驗分析報告[Z]. 2013.

[15] JTS/T 231-2-2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程[S].