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大風江典型工程流場變化特征及懸浮泥沙擴散數值模擬*

2023-01-12 02:25:10陳逸航高勁松
廣西科學院學報 2022年4期
關鍵詞:潮位大風泥沙

陳逸航,高勁松

(南寧師范大學,北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室,廣西南寧 530001)

大風江,又名平銀江,上游(靈山伯勞河段)河面寬約40 m,平常水深0.8 m左右;中游(那彭河段)河面寬約70 m,平常水深1.0 m左右;下游(平銀河段)河面寬約100 m,平常水深1.5 m左右。大風江流域有著天然的資源,不僅有國家級紅樹林保護區(qū),還有豐富的漁業(yè)資源、浮游生物等。海洋工程施工期間所造成的懸浮泥沙擴散導致局部海域懸浮物增加,從而影響水體的透光性[1],進而影響浮游植物的光合作用乃至海洋生態(tài)環(huán)境[2]。前人采用多種數值模擬方法分析了工程造成的懸浮泥沙擴散規(guī)律和特征[3-7],為區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境保護提供了重要的科學依據和參考價值。針對北部灣懸浮泥沙研究,許晟軼[8]通過三維水動力數值模型計算了廣西沿海重點港灣的懸浮泥沙分布。MIKE21模型為丹麥水力學研究所開發(fā)的二維水動力數學模型,廣泛應用于海岸河口的潮流模擬和懸沙擴散輸移[9-12]。一些學者通過MIKE21模型對廣西北部灣典型港灣的懸浮泥沙擴散特征進行了詳細分析[9,13-17];梁文等[18]運用遙感技術分析了廉州灣的懸浮泥沙動態(tài)特征。然而,針對大風江懸浮泥沙的研究報道較少見。羅亞飛等[19]通過實測數據結合Landsat TM、ETM衛(wèi)星影像,對大風江附近海域懸沙進行遙感反演以及輸移特征分析,發(fā)現大風江的懸沙濃度水平整體較小,江口以內水體懸沙濃度明顯高于外海,且懸沙分布還受西南向沿岸流、季風等的影響。目前還未見有文章針對大風江的懸浮泥沙進行數值模擬分析。本研究以大風江大橋為例,基于MIKE模型分析流場變化特征以及懸浮泥沙擴散特征,為大風江的海洋環(huán)境保護提供科技支撐。

1 模型設置

1.1 廣西北部灣潮流模型構建與驗證

為給大風江模型提供潮位邊界條件,本研究先構建北部灣潮波數學模型。外海開邊界由潮位控制,其潮位數據由NAO大洋潮汐預報模式提供,并結合沿岸潮位站驗證資料予以調整。整體模式中,NAO99b及NAO99Jb提供了包含M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1、M1、J1、OO1、2N2、Mu2、Nu2、L2、T2等共16個天文分潮的調和常數,適用于中國沿海特定期間的短期逐時潮位預報,控制方程組的數值求解采用有限體積法,模型計算區(qū)域采用非結構三角形網格,并在廣西沿岸進行局部加密,網格間距局部岸線處約200 m,外海開邊界最寬處約7 000 m,網格單元共計34 918個。

模型岸線采用現狀岸線,越南一側岸線采用美國海洋大氣局(NOAA)提供的數據;水深地形采用中國人民解放軍海軍司令部航海保證部2005年版之后的海圖,廣西沿岸局部港灣水深更新至2016年。水深及潮位資料統(tǒng)一至當地平均海平面。模型計算起止時間根據實測水文資料設定,時長約90 d。

為驗證廣西北部灣潮流模型的準確性,選取白龍尾、炮臺角以及企沙潮位站2012年1月的潮位資料對模型進行驗證,如圖1所示(從上至下分別為白龍尾、炮臺角以及企沙潮位站),模擬和監(jiān)測結果的相位變化和振幅都比較一致,驗證結果較好,可為大風江潮流模型提供開邊界。

圖1 白龍尾、炮臺角、企沙等3個觀測站的監(jiān)測水位和模擬水位驗證Fig.1 Verification of monitoring water level and simulated water level at three observation stations of Bailongwei,Paotaijiao and Qisha

1.2 大風江二維潮流數值模型構建

大風江潮流數值模型的計算區(qū)域、工程區(qū)位置以及驗證點布置如圖2所示。計算范圍為108.41°-109.17° E、21.39°-21.91° N,包括欽州灣、三娘灣和廉州灣,由于項目所在海域島嶼眾多,岸線曲折,采用非結構三角形網格可以較好地貼合自然岸線,提高計算精度和計算效率,便于各種工程的準確布置。計算區(qū)域的工程前網格剖分如圖2所示,在工程區(qū)附近進行網格加密。計算空間步長20-2 500 m,網格單元18 302個,網格節(jié)點10 004個。水深地形數據采用2012版流沙灣至東興港海圖、2012版欽州灣海圖、2012版大風江口海圖、廣西908專項以及2019年8月局部海域調查數據,計算區(qū)域地形分布如圖3所示。岸線采用最新的資料。外海潮位開邊界由廣西北部灣潮流模型提供,大風江上游開邊界距工程區(qū)約16 km,本研究考慮徑流量的作用。由于4月中旬為洪枯過渡季節(jié),故大風江干流流量估取稍大于年平均徑流量,即20 m3/s,丹竹江支流估取10 m3/s。水深及潮位均統(tǒng)一至當地平均海平面,坐標系統(tǒng)采用北京54坐標系。潮位驗證資料時間為2020年4月14日11:00至2020年4月15日14:00,潮流實測資料為2020年4月14日12:00至2020年4月15日13:00在大風江海域大潮期調查的6個潮流站資料,時間與潮位站觀測時間一致。模型計算時間從2020年4月1日至30日共30 d。

圖2 大風江潮流模型計算區(qū)域及觀測站分布圖Fig.2 Dafengjiang River tidal current model calculation area and observation station distribution map

圖3 計算區(qū)域網格劃分圖(a)和水深地形分布圖(b)Fig.3 Grid partition map of calculation area (a) and distribution map of bathymetric topography (b)

計算擬建大橋樁基對流場的影響時,由于樁基的尺寸小于計算網格的尺度,網格無法反映樁基的存在,模擬計算參閱文獻[20]對橋墩進行概化處理。

對橋墩所在網格的原水深進行水深修正:

式中,ΔH為樁基所在區(qū)的折減水深;B1為樁墩迎水面寬度,B0為網格過水斷寬度;H為原網格水深。橋墩所在網格單元的糙率按下式計算局部阻力系數:

式中,n為橋墩所在單元的綜合糙率;nc為床面糙率;nd為橋墩糙率;ζ為橋墩阻力系數;β為橋墩形狀系數,取0.85。

1.3 大風江二維潮流數值模型驗證

對三娘灣潮位站實測水位過程與計算值進行比較(圖4),起始時間為2020年4月14日11:00,圖4中紅線為計算的潮位值,黑點“◆”為實測值。從圖4可以看出,計算的潮位過程與實測資料吻合較好。驗證結果表明采用的二維潮流數值模型能較好地模擬大風江所在海域水位變化過程,也為準確模擬當地的潮流變化過程奠定基礎。

圖4 三娘灣潮位站的監(jiān)測水位與模擬水位驗證Fig.4 Verification of monitoring water level and simulation water level at the Sanniang Bay tide station

圖5給出了4個潮流測站(1#、2#、3#、4#)的流速計算結果與實測結果比較,流向以北方向為起始,順時針旋轉為正。由圖5可知,各驗證點計算流速和實測資料基本吻合,流向驗證較好,最大誤差小于10%,總體來看,流速過程線的形態(tài)基本一致,表明建立的二維潮流數學模型能較好地模擬工程所在海區(qū)水流傳播過程和水流運動規(guī)律。

圖5 4個站點的流速和流向驗證Fig.5 Flow velocity and direction verification at 4 stations

1.4 懸浮泥沙擴散模型

1.4.1 基本方程

采用二維懸沙輸運方程預測施工期間產生的懸浮物對水質的影響,平面二維懸沙運動方程如下:

式中,C為垂向平均含沙量,ε為垂向平均的擴散系數,

FC=SC+

式中,SC為輸入源強,a為沉積系數,M為沖刷系數,τb為底部切應力,τe為臨界沖刷切應力,τd為臨界淤積切應力。通過聯立水動力方程數值求解懸浮物擴散方程。

1.4.2 源強計算

廢水泥沙的產生量與管樁下壓的深度、管樁體積和施工抽水工況等因素有關,其進入海洋環(huán)境的泄漏量可按產生量的5%估算。鋼護筒內廢水泥沙的產生量采取以下公式進行測算:

G=1/4πd2·h·ρ,

其中,G為樁基施工時產生的護筒內泥沙量,分為不同橋段相應泥沙產生量,此處取大橋區(qū)段平均值;d為護筒直徑,比樁基本身略大10-20 cm,本研究取15 cm,本工程橋墩樁基直徑為2.20 m,引橋墩1.80 m,則d橋墩樁為2.35 m,d引橋墩樁為1.95 m;h為各區(qū)段海底覆蓋層厚度,平均約10 m;ρ為覆蓋層泥沙濃度,約為1.47×103kg/m3。

根據上述公式,單日(施工10 h計)懸浮物泄漏量按照泥沙產生量的5%估算,則本工程單個主橋墩樁基施工產生懸浮物泄漏源單點強為0.088 6 kg/s;每組主橋墩同一時間只能施工2個樁基,則懸浮物源強為0.177 2 kg/s;每組引橋墩同一時間只能施工1個樁基,則單個引橋墩樁基施工產生懸浮物泄漏源單點強為0.061 0 kg/s。本研究選擇低潮時作為泥沙的釋放時間。

2 結果與分析

2.1 大風江潮流場特征

由圖6和圖7可知,淺灘、島嶼周圍以及岸邊流速相對較小,流向多變;航道和深槽處流速較大,流向與航道、深槽走向基本一致。漲急時外海水沿著西北向進入大風江,并順著河道上溯至上游地區(qū),最大流速為0.80 m/s;落急時,上游各支汊水流匯入主流后沿東南偏南向到達河口地區(qū),再轉為西南向流向外海,最大流速為0.89 m/s。大風江海域落急流速(平均流速為0.42 m/s)大于漲急流速(平均流速為0.28 m/s)。擬建的大橋區(qū)域潮流流向受地形限制,漲急和落急方向為西北-東南向。

圖6 工程前大風江海域漲急和落急時刻流場Fig.6 Flow field of flood and ebb peak in the Dafengjiang River sea area before construction

圖7 工程前工程區(qū)附近局部海域漲急和落急流場Fig.7 Flow field of flood and ebb peak in local sea area near project area before construction before construction

2.2 大橋建設對大風江潮流場影響

本研究模擬了大橋建設后的漲急和落急流場分布(圖8),發(fā)現整個大風江的潮流場變化不大,流場的變化主要集中在大橋附近。為定量分析大橋建設對大風江的潮流場影響情況,在擬建大橋周邊海域選取20個特征點(T1-T20,圖9)。由表1可知,無論是漲急還是落急時刻,大橋建設對流場的影響主要集中在橋兩端2 km距離范圍內。漲急時刻,特征點T5和T12的流速變化在6%以上;落急時刻,特征點T12和T13的流速變化在8%以上,集中在橋的東北端。橋的西南端(T1、T8、T9、T16和T17)流速變化較小。因此,橋墩對流場的影響主要在橋的東北端海域。

圖8 大橋建設后附近海域漲急和落急流場Fig.8 Flow field of flood and ebb peak near sea area after bridge construction

圖9 大橋附近特征點分布Fig.9 Distribution of feature points around the bridge

表1 大橋建設前后特征點流速比較Table 1 Comparison of flow velocity of feature points before and after bridge construction

續(xù)表Continued table

2.3 懸浮泥沙擴散特征

基于潮流模型,本研究對擬建大橋橋墩施工引起的懸浮泥沙擴散特征進行模擬(圖10),統(tǒng)計結果如表2所示,泥沙釋放時間為低潮時。由于落潮流大于漲潮流,因此落潮期間濃度10 mg/L的懸浮泥沙的包絡面積(10.11 km2)遠大于漲潮期間的包絡面積(1.10 km2)。落潮時最遠擴散距離為7.15 km,漲潮時最遠擴散距離為2.69 km。懸浮泥沙的擴散方向與漲潮流和落潮流方向一致,均沿著西北向和東南向擴散。由于懸浮泥沙的擴散會導致局部海域懸浮物增加,從而影響水體的透光性[1],進而影響浮游植物的光合作用乃至海洋生態(tài)環(huán)境[2],因此建議控制施工規(guī)模,并采取防污簾等措施來減少懸浮泥沙的擴散。

圖10 漲潮和落潮期間懸浮泥沙濃度>10 mg/L的包絡面積Fig.10 Envelope area of suspended sediment with the concemtration >10 mg/L during flood and ebb tide

表2 漲潮和落潮期間懸浮泥沙增量包絡面積及最遠擴散距離Table 2 Incremental envelope area and the largest diffusion distance of suspended sediment during flood tide and ebb tide

3 結論

海洋工程施工期間所造成的懸浮泥沙擴散導致局部海域懸浮物增加,從而影響水體的透光性及海洋生態(tài)環(huán)境。本研究通過構建廣西北部灣潮流模型從而提供開邊界數據,進而構建大風江潮流模型和懸浮泥沙擴散模型,發(fā)現模擬的潮位和潮流結果與實測數據吻合較好。大風江呈現往復流特征,漲急時最大流速為0.80 m/s,落急時最大流速為0.89 m/s,落急流速(平均流速為0.42 m/s)大于漲急流速(平均流速為0.28 m/s)。擬建大橋建設對大風江的潮流場影響有限,影響主要集中在橋的東北端海域。當懸浮泥沙在低潮釋放時,落潮期間濃度>10 mg/L的懸浮泥沙包絡面積(10.11 km2)遠大于漲潮期間的包絡面積(1.10 km2)。同時落潮時最遠擴散距離為7.15 km,漲潮時最遠擴散距離為2.69 km。懸浮泥沙的擴散方向與漲潮流和落潮流方向一致,分別沿著西北向和東南向擴散。懸浮泥沙的擴散會對周邊海域的水質造成一定影響,因此建議控制施工規(guī)模并采取防污簾等措施來減少懸浮泥沙擴散。

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