龔 煌，孫大鵬，孫志國

（大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，大連116023）

人口的增長和社會的發(fā)展，有限的陸地資源難以滿足人們的用地需求，而廣闊的海洋面積為我們提供了巨大的發(fā)展空間，為此，人工島的建設成為人們利用海洋資源解決土地需求矛盾的一種有效途徑。早在20 世紀60 年代，國外就出現(xiàn)了卵石和沙壩式人工島。到20 世紀80 年代，美國、日本等先后完成了一批鋼筋混凝土人工島和鋼結(jié)構(gòu)人工島的建設［1］。國內(nèi)外人工島標志性工程的完成，如關西國際機場、澳門國際機場以及被稱為“阿拉伯之星”的迪拜帆船酒店等［2-4］，使得人工島的建設技術日趨成熟。關于人工島水動力方面，國內(nèi)李孟國、時鐘［5］等對如東海域西太陽沙的人工島工程進行了潮流模擬分析；秦崇仁［6］、季榮耀［7］等人分別探討了人工島局部沖刷問題和人工島對水沙動力環(huán)境的影響；郭磊［8］等分析了人工島對周邊海域水動力的影響；方偉［9］等人初步分析了灘海工程中的環(huán)境因子與人工島的相互作用；陸敏［10］利用MIKE21 flow model模塊對嵌入人工島的海灣水體交換進行了研究。應該說，在人工島對海灣水環(huán)境影響及評價方面的研究還不夠成熟，由于人工島的嵌入，海灣內(nèi)環(huán)流的形成會極大程度改變該水域的水動力特征，污染物擴散變得更為復雜，為避免人工島建設引發(fā)惡化的環(huán)境代價，需在前期可行性研究階段對污染物運動進行模擬和預測。

本文基于ECOMSED 三維數(shù)值模型［11］，以大連灣人工島建設為研究背景，建立全灣的三維潮流模型。采用拉格朗日粒子追蹤技術，對建設人工島前后的大連灣污染物運動進行模擬，并以人工島對海灣污染物擴散影響最小甚至改善其擴散狀態(tài)為控制指標，從污染物擴散的角度推薦可供規(guī)劃參考的人工島建設方案和污水排放口的布置方式，為人工島的規(guī)劃設計提供參考意見。

1 ECOMSED 模型簡介

ECOMSED 模式是一個模擬水動力、波浪和沉積物輸運的三維數(shù)值模型，是Blumberg 等人在海洋數(shù)值模型(Princeton Ocean Model,POM)及其后來的河口、陸架和海洋模式(Estuarine Coastal and Ocean Model,ECOM)基礎上發(fā)展而來。該模型從N-S 方程出發(fā)，采用靜力學假定和Boussinesq 近似假定下的封閉海洋方程組。模型水平方向采用正交曲線坐標，垂向上通過采用σ 坐標可以較直角坐標更準確方便地處理淺海的海底變形，并在垂向上通過嵌套2.5 階湍流閉合模型獲得垂向湍流粘滯和擴散系數(shù)。為了提高計算效率，ECOMSED采用內(nèi)外模態(tài)分離技術，外部模式(垂向積分方程)采用小的時間步長，內(nèi)部模式(三維方程)采用大的時間步長。

示蹤粒子擴散方程在σ 坐標下表達如下

式中：η 為海表面到平均水平面距離；D 為自由表面與底床之間的距離；ξ1、ξ2、σ 分別為水平正交曲線坐標和垂向坐標；（U1、U2、ω）為（ξ1、ξ2、σ）層上的速度分量；h1、h2為拉梅系數(shù)。KH、AH為垂向和水平方向上的湍流擴散系數(shù)。KH由Mellor and Yamada［12］2.5 階湍流閉合模式求解，AH可用Smagornisky［13］參數(shù)化方法求解

其中α 取0.1～0.2 之間的常數(shù)。

圖1 大連灣地形及測站位置Fig.1 Landform of Dalian bay and station locations

2 數(shù)值模擬

2.1 人工島方案

大連灣是一個天然的半封閉海灣，位于遼東半島南端，其三面為陸地包圍僅東南面與黃海相通，大連灣地形如圖1 所示，灣內(nèi)自左向右有臭水套、甜水套和紅土堆子灣等3 個副灣為污染物排放口的規(guī)劃預設位置。

人工島方案的確定主要依據(jù)長度和寬度2 個指標，在大連灣口門外連一條直線，定義直線方向為人工島寬度方向，垂直于該直線方向為人工島長度方向。沿灣頂陸地突出部分描一條曲線，作為灣頂（圖2）。以L表征灣口到灣頂曲線的距離，以B 表征灣內(nèi)兩岸平行于灣口直線的距離。人工島兩側(cè)岸線作了取直處理，而頂岸線連接側(cè)邊岸線則盡量平滑過渡。本研究以表1所示的3 種人工島方案為比選基礎，對比分析3 個副灣為污染物排放口的前提下，人工島建設對海灣污染物運動的影響。

圖2 人工島預設方案布置Fig.2 Arranged schemes of artificial island

2.2 計算范圍

模型計算范圍為33 km×44 km（圖1），水平方向上采用正交矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格長度為ΔX=250 m，ΔY=270 m；垂向采用σ 分層，等間距分為10 層。模擬時間從2003 年12 月1 日0：00 至2003 年12 月15 日24：00，共計算16 d。該模型采用均一的溫鹽度，分別為10℃和31.0 g/L。

為了在三維條件下準確模擬污染物運動，先建立整個渤海和部分黃海海域的大尺度模型，以威海港和小長山島實測潮位資料線性插值給定邊界，驗證后提取計算區(qū)域的邊界資料，驗證潮位站資料取自潮汐表。

表1 大連灣人工島的比選方案Tab.1 Scheme of artificial island

2.3 模型驗證

模型驗證包括潮位站的潮位驗證和流速站點0.2、0.6、1.0 倍水深處的速度驗證。潮位驗證資料取自老虎灘潮位站，流速資料取自D1～D4 站的實測值，位置見圖1。這里以老虎灘潮位及D4 大潮速度驗證為例（圖3）。

圖3 潮位和流速驗證圖Fig.3 Verification of tidal level and flow velocity

驗證結(jié)果中，潮位站的潮位過程吻合較好；流場驗證中除0.2 h 處流速出現(xiàn)峰值時計算值稍偏大外，其余流速和流向均驗證良好，這可能跟當時天氣有關，而該模型忽略了氣候等因素。

3 示蹤粒子運動模擬

為了研究人工島的嵌入對污染物運動規(guī)律的影響，這里僅以人工島方案Ⅰ、甜水套灣內(nèi)設置污染物粒子點源為例介紹示蹤粒子運動模擬。粒子釋放時間為2003 年12 月2 日零時，共模擬15 d。

3.1 單個粒子運動軌跡

為對比分析嵌入人工島前后單個粒子的三維運動規(guī)律，在甜水套灣內(nèi)粒子源的水體表層、中層和底層各放置1 個粒子進行模擬追蹤，粒子位置記錄間隔為1 h，來分析人工島對海灣污染物運動的影響。

如圖4 所示，從15 d 的模擬過程來看，無人工島時，甜水套表層釋放的粒子在灣內(nèi)呈現(xiàn)出沿甜水套海岸線的緩慢運動，15 d 后仍滯留在副灣內(nèi)；中、底層粒子首先呈現(xiàn)平行岸線的進出灣往復運動，同時伴有向東移動，繞過岸線運動至紅土堆子灣灣口水域經(jīng)過短暫徘徊后停止。

人工島嵌入之后，灣內(nèi)水體形成環(huán)流，甜水套在漲落潮流下都成為頂沖點。各層粒子運動均與無人工島時明顯不同，在漲落潮流的作用下沿人工島頂端岸線做往復運動。經(jīng)過15 d 的模擬，中層粒子經(jīng)過較長時間的往復運動后，從大連灣左側(cè)運動至口門外；而表層和底層粒子最終仍滯留在灣內(nèi)。

3.2 粒子群運動軌跡

鑒于單個粒子運動具有較強的隨機性，故通過模擬污染物粒子群運動，以更準確地研究污染物的運動規(guī)律。在甜水套粒子源表層放置1 000 個相同粒子，每隔1 h 記錄一次粒子坐標位置，每隔5 d 對粒子群位置輸出一次（圖5）。

由圖5-a 可以看出，在污染物運動5 d 后，粒子群的分布狀況明顯不同。在原始地形條件下，粒子群主要在甜水套副灣內(nèi)運動，很少有粒子運動至副灣外；嵌入人工島之后，除少部分粒子滯留在灣內(nèi)，其余粒子則沿人工島頂端岸線呈對稱狀分布在人工島兩側(cè)。可見在人工島的挑流作用下，該副灣處漲落潮流速度增大，使得該處污染物擴散明顯加快。

在模擬10 d 后，污染物均整體呈現(xiàn)繼續(xù)向外擴散的趨勢。無人工島時，粒子群在沿岸流的作用下整體呈現(xiàn)紅腿堆子灣方向的緩慢移動，其中小部分粒子已運動至紅土堆子灣；建造人工島之后，一部分粒子繼續(xù)運動至紅土堆子灣附近，一部分則沿大連灣左側(cè)岸線向灣外運動，且少量粒子已運動至大連灣口門外，如圖5-b。

粒子群經(jīng)過15 d 的模擬后，位置布置如圖5-c。無人工島時，經(jīng)過15 d 的模擬基本沒有粒子運動至口門外，粒子群整體表現(xiàn)出向紅土堆子灣方向緩慢移動的態(tài)勢，可期出灣路徑為大連灣右側(cè)；有人工島時，除一部分粒子從大連灣左側(cè)運動出灣外，較多粒子運動至大連灣右側(cè)口門靠灣內(nèi)不遠處，可以預見其將從右側(cè)出灣。

人工島的嵌入明顯改變污染物運動軌跡以及污染物的出灣路徑，甜水套的污染物從原來的沿大連灣右側(cè)運動出灣，變?yōu)閺拇筮B灣右側(cè)和左側(cè)2 條出灣路徑。其次，大連灣在人工島的挑流下形成的環(huán)流，使得灣內(nèi)流速增大，副灣處的污染物擴散速度也明顯增加。總之，建造人工島后，灣內(nèi)的潮流環(huán)境產(chǎn)生很大差異，污染物的運動也隨著發(fā)生明顯變化。

圖5 甜水套粒子群位置圖Fig. 5 Location of particles in Tianshuitao

4 人工島方案及排污方式推薦

4.1 人工島方案推薦

海灣的水體交換評價方法很多，包括時間尺度［14］、物質(zhì)交換率［15］、關聯(lián)矩陣法［16］等。人工島的建造使得海灣內(nèi)的水域面積減少，為使量化評估的指標更加準確，本研究以前面所介紹的示蹤粒子運動追蹤為基礎，通過各灣的粒子平均濃度來評估人工島對海灣水環(huán)境的影響。在大連灣口門及3 個副灣灣口處沿水深各取定一個邊界，設各邊界與各灣所圍水域的水體體積為V，該區(qū)域水體內(nèi)存留的粒子數(shù)為N，定義平均粒子濃度為C=N/V。

針對3 種不同人工島方案，通過在3 個副灣表層、中層、底層污染物粒子排放口各同時釋放1 000 粒子，對15 d 的粒子群運動進行追蹤模擬，統(tǒng)計15 d 后各副灣及大連灣內(nèi)的存留粒子數(shù)并計算各灣水域的平均粒子濃度。這里以3 個副灣處的表層粒子群為例，分析各方案下各灣平均粒子濃度的變化。對于3 個副灣，副灣粒子群在各副灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖6～圖8；對于全灣水域，15 d 后各粒子群在大連灣水域的平均粒子濃度如圖9。

由圖6 可以看出，臭水套釋放的粒子群經(jīng)15 d 的擴散后，無人工島只有在紅土堆子灣內(nèi)的平均粒子濃度比3 種方案條件下小，其余較后者要大。這是由于臭水套污染物經(jīng)過15 d 的擴散尚未運動至紅土堆子灣，在之前的粒子群運動分析中也討論過。由圖可知方案Ⅲ條件下，臭水套污染物擴散最快，方案Ⅱ次之，方案Ⅰ最慢。如圖7 可知，方案Ⅲ可以明顯改善各個副灣內(nèi)的污染物擴散，起到利好的作用；方案Ⅱ在臭水套內(nèi)的平均粒子濃度比無人工島時稍大，但對其他2 個副灣也能起到改善作用；方案Ⅲ則只有在甜水套內(nèi)平均粒子濃度比無人工島小，其余均較其要大。無人工島時，紅土堆子灣釋放的粒子群只有在紅土堆子灣內(nèi)的平均粒子濃度比方案Ⅲ要大，其余情況下均為最小（圖8）。

而對于整個大連灣水域，各個副灣粒子群經(jīng)過15 d 的模擬后，在全灣水域的平均粒子濃度如圖9。由圖可知，在3 種方案條件下的全灣水域平均粒子濃度均比無人工島時大，且從方案Ⅲ到方案Ⅰ，其污染物擴散速度依次減少?？梢?，人工島的嵌入導致大連灣水域面積減少，對全灣水域的污染物擴散產(chǎn)生不利影響。

表2 不同人工島方案下各粒子源15 d 后在各灣內(nèi)的污染物平均濃度Tab.2 Concentration of the bay with particles in different gulfs after 15 d 個/萬m3

3 個副灣處污染物粒子源表層、中層、底層粒子群經(jīng)15 d 運動擴散后，在各副灣及全灣水域的平均粒子濃度如表2 所示。以人工島對海灣污染物擴散影響最小甚至改善其擴散狀態(tài)為目標，以粒子平均濃度為評估參數(shù)，經(jīng)綜合分析、比選3 種人工島建設方案，方案Ⅲ相對較優(yōu)，宜為人工島建設的推薦方案。

圖10 臭水套釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.10 Concentration of the bay with particles in Choushuitao

4.2 污染物排放方式推薦

以上推薦的人工島方案Ⅲ為基礎，在3 個副灣粒子源表層、中層、底層分別預設3 個污染物排放口，每個排放口放置1 000 個粒子，通過模擬污染物粒子的運動，統(tǒng)計粒子群經(jīng)過15 d 擴散后在各副灣及大連灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖10～圖12。

圖11 甜水套釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.11 Concentration of the bay with particles in Tianshuitao

圖12 紅土堆子灣釋放粒子群在各灣內(nèi)的平均粒子濃度Fig.12 Concentration of the bay with particles in Hongtuduizi bay

對于臭水套各層粒子群，在各灣內(nèi)的平均粒子濃度如圖10，可見中層粒子擴散速度最快、表層次之、底層最慢，故宜將該副灣處污水排放口布置在水體中層；對于甜水套（圖11），中層粒子群甜水套灣內(nèi)平均粒子濃度最少，且較快向紅土堆子灣運動，污染排放口適宜布置在水體中層；而在紅土堆子灣水域，通過其各層粒子群在各灣內(nèi)的粒子濃度（圖12），可知其底層粒子群在該副灣平均粒子濃度最低，宜將污染排放口優(yōu)先布置在水體底層。

5 結(jié) 語

本文借助ECOMSED 建立大連灣三維潮流數(shù)值模型，采用拉格朗日粒子追蹤技術，對嵌入人工島前后的海灣污染物運動進行了模擬。針對3 種人工島比選方案、3 個污染物預設排放口，對比分析了污染物運動的變化，以污染物平均濃度為評估參數(shù)，推薦了可供規(guī)劃參考的人工島建設方案并對污染物的排放布置給出建議。本研究從污染物擴散的角度，為人工島的規(guī)劃設計提供技術支持，進一步完善了人工島對海灣水環(huán)境影響的評價內(nèi)容，可以預估海灣因建設人工島對水環(huán)境的影響，具有一定的工程應用價值。

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