張 征，左書華，崔 成

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300456)

1 概 述

?；◢u項(xiàng)目位于海南省儋州市排浦港與洋浦灣之間的海灣區(qū)域，南起排浦鎮(zhèn)，北至馬井鎮(zhèn)，總跨度6.8 km。通過吹填造陸，共建3個(gè)人工島，人工島之間以聯(lián)系橋連接，總?cè)纬申懙孛娣e7.53 km2，形成海岸線39.44 km，工程建設(shè)區(qū)海域概況見圖1。

?；◢u由3個(gè)人工島串聯(lián)而成，其中1#島將打造為綜合服務(wù)區(qū)，主要含風(fēng)情酒店、商務(wù)會(huì)議、健康養(yǎng)生、運(yùn)動(dòng)、溫泉、飲食、酒吧等旅游配套服務(wù)；2#島、3#島為配套旅游地產(chǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在3個(gè)島嶼與內(nèi)陸之間設(shè)置堤壩形式的橋梁，使3個(gè)島嶼與東南側(cè)內(nèi)陸之間形成內(nèi)海。由于上下游堤壩及島與島之間的設(shè)置堤壩結(jié)構(gòu)，改變了原有水動(dòng)力條件。為分析內(nèi)海圍堤工程建成后，工程周圍流場、泥沙運(yùn)動(dòng)趨勢及其影響，本文采用波浪潮流泥沙數(shù)值模擬技術(shù)，模擬計(jì)算?；◢u人工島內(nèi)海圍堤工程建設(shè)后，周圍海域水動(dòng)力和海床沖淤變化，為相關(guān)研究提供基本依據(jù)。

圖1 ?；◢u工程海域概況及水文測站圖

2 研究區(qū)域概況

1) 海南洋浦地區(qū)地處低緯，氣溫較高，年際變化不大，多年平均氣溫24.7℃，年平均降水量1 113.8 mm。該區(qū)受季風(fēng)影響，冬半年多ENE和NE風(fēng)，夏半年多SW及SSW風(fēng)，常風(fēng)向ENE，次常風(fēng)向NE，頻率分別為22.3%、18.1%。強(qiáng)風(fēng)向SW，實(shí)測最大風(fēng)速達(dá)32.3 m/s，≥5級(jí)風(fēng)的頻率為0.85%。

2) 工程所在的洋浦灣海域潮波由南海潮波經(jīng)北部灣南部傳入而至，經(jīng)地形和底摩擦作用而形成，潮波系統(tǒng)與北部灣屬同一系統(tǒng)。根據(jù)洋浦港潮位站多年資料顯示，其潮汐形態(tài)數(shù)F為7.94，屬于以全日潮為主的潮汐性質(zhì)，平均潮差為1.9 m左右，歷史最高潮位4.38 m(理論基面)。潮流以不正規(guī)日潮流為主，具有往復(fù)流性質(zhì)，流向與等深線方向基本一致，工程區(qū)附近水域漲、落流向?yàn)镹E～SW向，漲落潮最大平均流速一般為0.4 m/s左右。

3) 根據(jù)東方站波浪資料，全年以風(fēng)浪為主的混合浪以SSW方向最多，NNE方向次之；年平均H1/10為0.8 m，平均周期6.0 s；月最大H1/10的最大值均出現(xiàn)在9月份，一般由臺(tái)風(fēng)引起的，如9618號(hào)臺(tái)風(fēng)所引起最大H1/10為4.1 m。

4) 海花島工程所在洋浦灣海域含沙量低，在一般天氣下，全潮平均含沙量僅在0.02 kg/m3左右；在大風(fēng)天氣下，動(dòng)力作用強(qiáng)，海水?dāng)_動(dòng)劇烈，含沙量也會(huì)相應(yīng)的增大，約比平常增加50%，最大含沙量約為0.16 kg/m3。?；◢u工程附近底質(zhì)主要以相對(duì)較粗的粗砂和粗中砂為主，平均中值粒徑為0.05～0.9 mm。

5) ?；◢u工程位于洋浦南沙灘南側(cè)，在理論基面下，岸灘附近為裸露的礁盤，0 m等深線以下2 m、5 m等深線距離較近，坡度較陡，再向下至10 m等深線坡度變緩。從等深線變化和斷面水深來看[2]，工程區(qū)附近水深都是保持相對(duì)穩(wěn)定的。

3 數(shù)學(xué)模型原理

在該模型中，應(yīng)用全球潮汐模型和三維河口海岸海洋模式(ECOMSED)，進(jìn)行深海潮汐及海流的模擬，并與實(shí)測的潮汐和潮流資料作比較，確定模型中參數(shù)，給模型提供準(zhǔn)確的邊界條件。通過波浪模型模擬計(jì)算出本工程實(shí)施前后海區(qū)的有關(guān)波浪參數(shù)，為波浪潮流數(shù)學(xué)模型提供輻射應(yīng)力值[3]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件TK-2D[4-5]，利用2011年7月實(shí)測潮位、流速及流向的數(shù)據(jù)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。然后在驗(yàn)證誤差允許的范圍內(nèi)，模擬海區(qū)建設(shè)前后的水動(dòng)力變化狀態(tài)及海床沖淤等模擬計(jì)算。模型原理在此就不再贅述，詳見文獻(xiàn)[4-5]。

4 相關(guān)參數(shù)及處理技術(shù)

1) 對(duì)于水動(dòng)力學(xué)模型，初始條件為u|t=0=0，v|t=0=0，z|t=0=0，計(jì)算區(qū)域邊界分為水～陸邊界(閉邊界)和水～水邊界(開邊界)兩種。關(guān)于水～陸邊界，假設(shè)其滿足?u/?n=0和?v/?n=0，即沿閉邊界的外法向流量為零；水～水邊界由已知的流量或水位資料給出。

2) 根據(jù)計(jì)算海區(qū)島嶼和岸線特點(diǎn)，本模型采用任意三角形計(jì)算網(wǎng)格。此網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)在于：在計(jì)算域內(nèi)可以準(zhǔn)確模擬出島嶼岸線的任意曲折走向變化，可以解決其它計(jì)算網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜邊界處理時(shí)難以達(dá)到的精度問題。也可以在重點(diǎn)研究段內(nèi)隨意進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)加密，次要區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)點(diǎn)安排稀疏，并且也考慮到這二者之間的漸變過程，既要保證計(jì)算成果的精度又要考慮到計(jì)算機(jī)的處理速度。

3) 時(shí)間步長。公式如下：

式中：Hmax為計(jì)算域內(nèi)的最大水深；ΔLmin為三角形單元的最小邊長；r為系數(shù)(r=1.0～1.5)。

計(jì)算中，取Δt=2 s。

4) 阻力系數(shù)。方程中阻力項(xiàng)的計(jì)算，可近似采用曼寧公式：C=1/n×H1/6，即謝才公式。式中n是曼寧阻力系數(shù)，經(jīng)過多組調(diào)試計(jì)算，確定n=0.010～0.025。在數(shù)學(xué)模型中，n除反映底床粗糙度外，還包括其它因素對(duì)水流的綜合影響。所以它已不是原有意義的糙率系數(shù)，應(yīng)當(dāng)把它看成是一個(gè)綜合的影響因素。

5) 動(dòng)水邊界的處理。隨著潮汐周期性的漲落，岸邊界發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。對(duì)于具有淺灘的計(jì)算區(qū)域，漲潮時(shí)潮灘淹沒，落潮時(shí)潮灘出露，這種“干”“濕”交替的變化給模型的邊界處理帶來一定的困難。從計(jì)算穩(wěn)定性和淺灘流態(tài)考慮，需要作動(dòng)邊界處理。本文采用凍結(jié)法。選定一判別水深H0(通常H0=0.1～0.2 m)，每個(gè)計(jì)算時(shí)刻對(duì)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，得到每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算信息。某一網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)實(shí)際水深H≤H0時(shí)，認(rèn)為該結(jié)點(diǎn)干出，關(guān)閉該點(diǎn)所在計(jì)算單元，并將其水位貯存起來。在計(jì)算過程中，當(dāng)某一干出點(diǎn)水深H>H0時(shí)，說明該點(diǎn)已被淹沒，單元重新打開參與計(jì)算。

5 模型驗(yàn)證

根據(jù)2011年7月2～8日海花島工程海域大小潮水文含沙量和潮位實(shí)測資料(站位見圖1)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，見圖2～圖4(部分驗(yàn)證圖)。驗(yàn)證結(jié)果表明，計(jì)算潮位、流速與流向均與實(shí)測值達(dá)到較好的一致性，大范圍流場可以如實(shí)反映洋浦灣海域的潮流特性；計(jì)算含沙量與實(shí)測值相比處于同一量級(jí)，兩者最大變率不超過30%，可以很好地反映洋浦灣海域在一般天氣下的含沙量分布特征；數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好，滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)程[7]的要求；地形驗(yàn)證采用不同時(shí)期的水深斷面測圖對(duì)比與洋浦港港池淤積資料綜合驗(yàn)證，計(jì)算得出的地形情況與實(shí)際水深地形情況基本一致。表明本文建立的模型是合理的，可以用于儋州?；◢u工程海區(qū)建設(shè)前后的潮流和泥沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算分析。

圖2 大潮潮位驗(yàn)證曲線

圖3 大潮流速流向部分驗(yàn)證曲線

圖4 大潮含沙量部分驗(yàn)證曲線

6 內(nèi)海圍堤工程方案

圍堤內(nèi)水域?yàn)楹；◢u工程重點(diǎn)規(guī)劃功能區(qū)，其設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)：

1) 大范圍內(nèi)海方案：新建堤壩長度2 684 m，形成內(nèi)海水域面積約5.34 km2，內(nèi)海設(shè)計(jì)水深為-3 m。

2) 小范圍內(nèi)海方案：內(nèi)海水域面積約3.7 km2，內(nèi)海設(shè)計(jì)水深為-3 m。

兩個(gè)方案均在內(nèi)海的4 條圍堤上設(shè)置不同的箱涵，在漲落潮期間開關(guān)箱涵，利用漲落潮水體與外海水體進(jìn)行自然交換。

7 工程海域流場變化影響分析

7.1 現(xiàn)狀下流場分析

現(xiàn)狀下海域邊界為?；◢u工程建成后的陸域邊界，圖5為?；◢u建成后的漲落潮流場情況。漲潮時(shí)，主要是西側(cè)進(jìn)入的潮波經(jīng)大鏟礁和工程海域淺灘水域匯入新英灣方向，在小鏟礁處受地形邊界作用流向有所偏轉(zhuǎn)；南淺灘水流屬于上灘狀態(tài)，水流由?；◢u各水道匯入南沙灘在進(jìn)入洋浦港潮汐深槽內(nèi)，淺灘水流基本呈垂直于現(xiàn)有碼頭岸線，深槽內(nèi)主流向于碼頭岸線一致。落潮時(shí)，水流從新英灣口門呈射流狀流出。出新英灣后，一部分沿深槽向西運(yùn)動(dòng)，深槽內(nèi)水流流速仍然較大，經(jīng)小鏟礁處往西北流動(dòng)；一部分向南淺灘擴(kuò)散，流經(jīng)?；◢u各水道往西南流動(dòng)。

?；◢u周圍總體流速較小，?；◢u各水道內(nèi)最大流速一般為0.1～0.4 m/s之間，最大為0.6 m/s。一般情況下，?；◢u各水道之間水流較順暢，基本不存在環(huán)流區(qū)，在局部花瓣內(nèi)水域受到岬角影響存在局部環(huán)流現(xiàn)象。

7.2 圍堤工程后流場變化

圖6和圖7為?；◢u內(nèi)海圍堤工程實(shí)施后周圍海域漲落潮流場情況。由流場圖可以看出，從總體來看，大范圍流場運(yùn)動(dòng)特征與現(xiàn)狀相同，基本不會(huì)影響到外海和周圍海域的潮流形態(tài)；?；◢u周圍總體流速較小，圍堤外側(cè)水域的最大漲落潮流速一般在0.1～0.4 m/s之間，局部最大為0.6 m/s；落潮流一般大于漲潮流。海花島內(nèi)海水域的流速較小，一般呈弱流形勢，流速在0.1 m/s以下；兩個(gè)方案流速分布差異不大。

圖5 洋浦灣?；◢u海域流場圖

圖6 內(nèi)海圍堤方案1實(shí)施后海花島周圍漲落潮流場情況

圖7 內(nèi)海圍堤方案2實(shí)施后?；◢u周圍漲落潮流場情況

圖8為工程方案后大潮平均流速變化等值線分布情況。兩個(gè)方案實(shí)施后?；◢u周圍及內(nèi)海水域流速大都呈減小趨勢；大范圍內(nèi)海方案，?；◢u外圍水域平均流速減小0.05～0.2 m/s，內(nèi)海水域減小0.1～0.4 m/s，內(nèi)海圍堤附近局部減小0.5 m/s左右，局部區(qū)域如2#島與陸地之間的圍堤局部流速增大0.1 m/s，見圖8(a)；小范圍內(nèi)海方案，流速變化趨勢與方案1基本一致，其主要區(qū)別在于3#島與陸域相連的堤壩附近，圖8(b)。

總體而言，圍堤工程對(duì)附近海域流速影響僅局限于海花島周圍局部區(qū)域，對(duì)洋浦深槽和洋浦港水域基本沒有影響。

圖8 內(nèi)海圍堤工程實(shí)施后周圍平均潮流速變化(工程后-現(xiàn)狀)

8 工程海域海床沖淤變化及影響

工程海域泥沙運(yùn)動(dòng)，主要是“波浪掀沙，潮流輸沙”。正常天氣下的淤積采用年平均波高與潮流、泥沙組合下的水動(dòng)力作用為條件，同時(shí)考慮懸沙和底沙對(duì)地形的影響，模擬計(jì)算工程后正常天氣情況下年地形沖淤變化。圖9為海花島內(nèi)海圍堤工程實(shí)施后，正常天氣下對(duì)地形影響的年沖淤變化。從結(jié)果看：

1) 從整體來看，?；◢u內(nèi)海圍堤建成后，內(nèi)海水域呈現(xiàn)為弱淤積狀態(tài)。

2) 方案1：內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m；在內(nèi)海圍堤附近局部區(qū)域淤積狀態(tài)有所減弱，而且在局部流速相對(duì)較大的水體交換的出流口附近呈沖刷狀態(tài)，最大沖刷幅度在0.4 m左右。另外，在1#島、2#島和3#島外側(cè)迎浪區(qū)的人工島岬角區(qū)有局部沖刷，沖刷幅度在0.1～0.3 m。

3) 方案2：內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m；在內(nèi)海3#圍堤外側(cè)區(qū)域一定范圍進(jìn)行了開挖，該水域呈淤積狀態(tài)，在0.05～0.2 m之間；在1#島與3#島之間圍堤附近都一定的沖刷，最大沖刷幅度在0.4 m左右，由于該區(qū)域箱涵處流速較大的原因。另外，在1#島、2#島和3#島外側(cè)迎浪區(qū)的人工島岬角區(qū)有局部沖刷，沖刷幅度在0.1～0.3 m。

圖9 內(nèi)海圍堤工程實(shí)施后正常天氣下地形年沖淤變化

9 結(jié) 語

本文采用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的方法，對(duì)海花島圍堤工程實(shí)施后周圍海域動(dòng)力變化、地形變化及其影響進(jìn)行了研究。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果顯示：

1) 流速、流向、潮位過程及含沙量過程與實(shí)測數(shù)據(jù)符合良好，模型能夠較好地復(fù)演了工程建設(shè)后海域流場、含沙量場變化。

2) 現(xiàn)狀條件下，?；◢u周圍總體流速較小，?；◢u各水道內(nèi)最大流速一般在0.1～0.4 m/s之間，最大為0.6 m/s。一般情況下，?；◢u各水道之間水流較順暢，基本不存在環(huán)流區(qū)，在局部花瓣內(nèi)水域受到岬角影響存在局部環(huán)流現(xiàn)象。

3) 圍堤工程實(shí)施后，?；◢u內(nèi)海水域呈弱流形勢，流速在0.1 m/s以下，各個(gè)方案流速分布差異不大；圍堤工程對(duì)附近海域流速影響僅局限于?；◢u周圍局部區(qū)域，對(duì)洋浦深槽和洋浦港水域基本沒有影響。

4) 內(nèi)海水域呈現(xiàn)為弱淤積狀態(tài)，正常天氣下，內(nèi)海水域年淤積厚度在0.05～0.15 m，局部沖刷在0.3 m左右，兩個(gè)方案在沖淤量級(jí)上沒有本質(zhì)差別。