左書(shū)華，張征，李蓓

（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）

0 引言

白馬井海域擬規(guī)劃建設(shè)?；◢u國(guó)際旅游度假島項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于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。擬在工程區(qū)域新建護(hù)岸，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。海花島形成陸域面積較大，其物料來(lái)源一部分來(lái)自陸域開(kāi)山石料，一部分來(lái)自對(duì)?；◢u周?chē)蜷_(kāi)挖和兩處挖沙區(qū)得到的泥沙，如圖1所示。

圖1 海花島工程海域概況及水文測(cè)站圖Fig.1 Generalsituation of Haihua Island projectand hydrologicalstations

本文采用波浪潮流泥沙數(shù)值模擬技術(shù)，模擬計(jì)算?；◢u工程建設(shè)后，人工島周?chē)Ｓ蛩畡?dòng)力和海床沖淤變化，給相關(guān)研究提供基本依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

海南儋州地處低緯[1]，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(cè)最大風(fēng)速達(dá)32.3m/s，≥5級(jí)風(fēng)的頻率為0.85%。

該海域的潮汐屬于以全日潮為主的性質(zhì)，多年平均潮差1.91 m，歷史最高潮位4.38 m（理論基面）。潮流性質(zhì)是以不正規(guī)日潮流為主的混合型潮流；潮流具有往復(fù)流性質(zhì)，漲潮流方向與落潮流方向基本相反，?；◢u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在 0.3～0.5m/s。

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，一般由臺(tái)風(fēng)引起，如9618號(hào)臺(tái)風(fēng)所引起最大H1/10為4.1m。

?；◢u所在洋浦灣海域基本沒(méi)有外來(lái)泥沙來(lái)源，其洋浦灣內(nèi)灣—新英灣上游有一定的陸域來(lái)沙，其大多都沉積在新英灣內(nèi)。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和遙感衛(wèi)片反演結(jié)果，海花島工程海域含沙量很低，潮平均含沙量在0.02～0.03 kg/m3之間，多數(shù)站位的最大含沙量低于0.04 kg/m3；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%，在小鏟灘附近最大含沙量達(dá)到0.169 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，平均中值粒徑在0.05～0.9mm。

2 數(shù)學(xué)模型原理

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(cè)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(guò)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[2]。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[3]，利用在工程海域得到的大小潮潮位、流速及流向的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，然后進(jìn)行海區(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。

3 相關(guān)參數(shù)及處理技術(shù)

1） 邊界條件

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(kāi)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0；水-水邊界由已知的流量或水位資料給出。

2） 網(wǎng)格區(qū)域劃分

根據(jù)計(jì)算海區(qū)島嶼和岸線特點(diǎn)，模型采用任意三角形計(jì)算網(wǎng)格，其優(yōu)點(diǎn)在于：在計(jì)算域內(nèi)可以準(zhǔn)確模擬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(wèn)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，并且也考慮到了這二者之間的漸變過(guò)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(zhǎng)

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(zhǎng)；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(guò)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，還包括了其它因素對(duì)水流的綜合影響。

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(méi)，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(lái)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(lái)。在計(jì)算過(guò)程中當(dāng)某一干出點(diǎn)水深H＞H0時(shí)，說(shuō)明該點(diǎn)已被淹沒(méi)，單元重新打開(kāi)參與計(jì)算。

4 模型驗(yàn)證

根據(jù)2011年7月2日—8日?；◢u工程海域大小潮水文含沙量和潮位實(shí)測(cè)資料（站位見(jiàn)圖1），對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖2～圖5（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(cè)值達(dá)到較好的一致性，大范圍流場(chǎng)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(cè)值相比處于同一量級(jí)，兩者最大變率不超過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)程[4]的要求；地形驗(yàn)證采用了不同時(shí)期的水深斷面測(cè)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)數(shù)值模擬的計(jì)算分析。

圖2 2號(hào)站大潮潮位驗(yàn)證曲線Fig.2 Verification of the tide levelduring the spring tide atNo.2 station

圖3 6號(hào)站大潮流速驗(yàn)證曲線Fig.3 Verification of the currentvelocity during the spring tide at No.6 station

圖4 6號(hào)站大潮流向驗(yàn)證曲線Fig.4 Verification of the currentdirection during the spring tide atNo.6 station

圖5 6號(hào)站大潮含沙量驗(yàn)證曲線Fig.5 Verification of the suspended sediment concentration during the spring tideatNo.6 station

5 工程海域流場(chǎng)變化影響分析

如圖6所示，現(xiàn)狀情況下，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)，水流由淺灘匯入洋浦港前深槽內(nèi)，淺灘水流基本呈垂直于現(xiàn)有碼頭岸線，深槽內(nèi)主流向與碼頭岸線一致。落潮時(shí)，水流從新英灣口門(mén)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，經(jīng)工程海域淺灘處往西或西南流動(dòng)。?；◢u工程區(qū)附近流勢(shì)主要為NE向的漲潮流以及SW向的落潮流所控制，由于水深較小，其流速也較弱，絕大多數(shù)流速均在0.4m/s以下。

?；◢u建設(shè)后，洋浦灣深槽內(nèi)的潮流主流向仍為呈NE～SW向的往復(fù)流（圖7）。不過(guò)海花島的建設(shè)無(wú)疑是縮窄了過(guò)水通道面積，擠壓了水流，使得局部水流流速有所增大，增大的范圍主要集中在小鏟礁與?；◢u之間水域，流速增加10%或0.02 m/s的區(qū)域范圍約5.4 km×2.6 km，洋浦港航道最大流速增加了0.05 m/s左右（圖8）；受阻流影響南沙灘流速有所減小。

圖6 現(xiàn)狀下洋浦灣海域漲潮流場(chǎng)圖Fig.6 The flood current field of the Yangpu Bay at presentsituation

圖7 ?；◢u實(shí)施后洋浦灣海域漲潮流場(chǎng)圖Fig.7 The flood current field of the Yangpu Bay after the Haihua Island project

圖8 現(xiàn)狀條件下海花島實(shí)施后平均流速變化Fig.8 Themean velocity change of the Yangpu Bay after the Haihua Island projectatpresentsituation

另外，新英灣口門(mén)東側(cè)區(qū)域受到取料開(kāi)挖的影響，水流流速有所減小，最大流速減小0.1m/s左右。

海花島附近受到水深開(kāi)挖和島體阻流的影響，局部有增加和減小，增大的區(qū)域主要在?；◢u西南側(cè)與陸域之間水道，增加在10%或0.05 m/s，如H0-2和H0-3兩個(gè)特征點(diǎn)平均流速增加在0.03 m/s，局部變化在0.05 m/s以上；而位于?；◢u1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)島之間水道偏西側(cè)的點(diǎn)則都是減弱的，減小都在20%以上，如H0-4、H0-5和H0-6點(diǎn)平均流速減小在0.04～0.08 m/s之間，最大流速減小在 0.09～0.13 m/s（圖 8）。

6 工程海域海床沖淤變化及影響

6.1 正常天氣下的海床沖淤變化

采用2 a一遇波浪與潮流、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)算工程后一般天氣下3 a的海底沖淤情況，見(jiàn)圖9（a）。從圖上可以看出，3 a內(nèi)其沖淤范圍值主要集中在-0.12～0.48 m；3 a期內(nèi)，?；◢u與小鏟礁之間的水域總體較工程前呈現(xiàn)為微沖的趨勢(shì)，幅度在0.03～0.12m；洋浦港區(qū)航道外段有微弱沖刷，對(duì)洋浦港內(nèi)航道淤積的影響基本沒(méi)有變化；南沙灘區(qū)域淤積在0.06～0.18 m；雖然?；◢u之間水道局部流速有增加，流速增加的同時(shí)也帶來(lái)了泥沙來(lái)源，再受其開(kāi)挖影響，仍呈現(xiàn)出淤積趨勢(shì)，幅度在0.06～0.30 m；海花島南側(cè)1號(hào)填料開(kāi)挖區(qū)域和新英灣內(nèi)填料開(kāi)挖區(qū)域淤積幅度相對(duì)較大，最大淤積在0.4m以上。

圖9 ?；◢u實(shí)施后海床沖淤變化Fig.9 The changeof seabed erosion and siltation after the construction of Haihua Island

6.2 非正常天氣下的海床沖淤變化

洋浦灣海域不同位置的強(qiáng)浪向有所不同，以洋浦港波浪資料，強(qiáng)浪向以SW為主；以神尖角波浪資料，強(qiáng)浪向以NW為主。SW向大浪可以直接傳入洋浦港區(qū)海域，考慮到主要研究本工程對(duì)周?chē)Ｓ驔_淤影響，因此，本次計(jì)算取50 a一遇SW向波浪，作用24 h的情況下工程區(qū)的沖淤分布。

圖9（b）給出了?；◢u后周?chē)Ｓ虻匦?4 h沖淤變化情況，結(jié)果顯示：海花島實(shí)施后，在50 a一遇SW大浪作用24 h后周?chē)Ｓ虻匦斡幸欢ㄓ俜e，?；◢u與小鏟礁之間的水域淤積幅度在0.05～0.15m/d；洋浦港區(qū)航道淤積強(qiáng)度在0.01～0.17m/d，最大淤積集中在新口門(mén)附近；南沙灘區(qū)域淤積在0.04～0.05m/d。

7 結(jié)語(yǔ)

本文基于儋州?；◢u工程海域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，建立了任意三角形網(wǎng)格的?；◢u工程海域波浪潮流共同作用下的海床沖淤變化數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型的潮位、流速及懸沙等進(jìn)行充分驗(yàn)證模擬，結(jié)果表明計(jì)算的流速、流向、潮位過(guò)程及含沙量過(guò)程與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合良好，模型能夠較好地復(fù)演工程建設(shè)后海域流場(chǎng)、含沙量場(chǎng)變化。

通過(guò)計(jì)算和模擬得到了?；◢u建設(shè)對(duì)區(qū)域海洋潮流場(chǎng)及海床的影響程度，結(jié)果表明?；◢u人工島的建設(shè)對(duì)區(qū)域潮流和海床沖淤會(huì)產(chǎn)生一定的影響，為工程選址、用海規(guī)劃和相關(guān)研究提供了重要依據(jù)。

[1] 王寶燦，陳沈良，龔文平，等.海南島港灣海岸的形成與演變[M].北京：海洋出版社，2006.WANGBao-can,CHEN Shen-liang,GONGWen-ping,etal.Formation and evolution ofHainan embayed coast[M].Beijing:Ocean Press,2006.

[2] 李孟國(guó).海岸河口泥沙數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展[J].海洋工程，2006，24（1）：139-154.LIMeng-guo.A review on mathematicalmodels of sediment in coastal and estuarinewaters[J].TheOcean Engineering,2006,24(1):139-154.

[3] 李孟國(guó)，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學(xué)模型軟件包TK-2D 的研究與應(yīng)用[J].水道港口，2006，27（1）：51-56.LIMeng-guo,ZHANGHua-qing,CHENHan-bao,etal.Study on multi-function mathematicalmodel software package TK-2D and its application for coast and estuary[J].JournalofWaterway and Harbor,2006,27(1):51-56.

[4]JTS/T 231-2—2010，海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程[S].JTS/T 231-2—2010,Technical regulation of modelling for tidal currentand sedimenton coastand estuary[S].