朱宇新，李 欣（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

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離岸人工島內(nèi)水環(huán)境的影響研究

朱宇新，李 欣
（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

摘要：近年來(lái)，沿海各地通過(guò)填海造地的方式向海洋要地，建設(shè)港口及旅游業(yè)，導(dǎo)致填海工程對(duì)所在海域水體交換能力發(fā)生變化，影響水環(huán)境。本研究針對(duì)北戴河新區(qū)擬建人工島，對(duì)不同功能建設(shè)方案進(jìn)行研究，運(yùn)用MIKE21 flow model 模塊探討研究人工島后在不同開(kāi)口條件下所在海域的水體交換、污染物擴(kuò)散及污染物存留率的變化規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)人工島對(duì)水環(huán)境的影響。在考慮人工島景觀與自身凈化能力達(dá)到要求的前提下， 綜合考慮人工島和水環(huán)境的諸多因素，給出了可供規(guī)劃參考的人工島推薦方案。

關(guān)鍵詞：人工島；北戴河新區(qū)；MIKE21 FM；水交換

引 言

在近海開(kāi)敞水域里建設(shè)離岸式人工島，將會(huì)對(duì)周邊水動(dòng)力及水環(huán)境條件產(chǎn)生影響，為了保護(hù)海洋環(huán)境、促進(jìn)旅游人工島健康、可持續(xù)發(fā)展，需要對(duì)人工島布置方案進(jìn)行研究，通過(guò)人工島布置方案及周邊水動(dòng)力條件的研究，分析有利于島內(nèi)水交換的布置情況［1］， 提出人工島建設(shè)的推薦方案。

本文利用MIKE21 FM模塊，對(duì)人工島所在海域潮流場(chǎng)及島內(nèi)水質(zhì)情況進(jìn)行模擬研究，對(duì)人工島內(nèi)部不同開(kāi)口布置方案進(jìn)行分析，既解決了實(shí)際問(wèn)題，也為從事這方面研究的技術(shù)人員提供了參考資料。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 人工島位置及海區(qū)情況介紹

人工島位于撫寧縣洋河口與人造河口之間、森林公園東側(cè)的近海海域，人工島離岸0.5 km，外形為半徑0.5 km的圓，外圍設(shè)防波堤，防波堤外側(cè)周長(zhǎng)3 824 m，頂寬76.5 m，中間為1 141 m的中央干道，島上東西兩側(cè)分別設(shè)置50 m寬的口門，以供島內(nèi)海水交換和通航要求；在島內(nèi)設(shè)置14個(gè)半島，通過(guò)開(kāi)設(shè)過(guò)水通道來(lái)增加內(nèi)部水交換能力。

人工島所在海域多年平均氣溫11.0 ℃，年平均最高氣溫16.8 ℃，年平均最低氣溫6.3 ℃。年平均風(fēng)速2.2 m/s，4月平均風(fēng)速最大， 8月份平均風(fēng)速最小；該海域?yàn)橐?guī)則日潮型，平均高潮位1.24 m，漲潮流向WSW，落潮流向ENE，與等深線平行，常浪向?yàn)镾，次常浪向SSW；場(chǎng)區(qū)屬于海蝕型砂質(zhì)淺灘。

1.2 研究方法、模擬條件

作為旅游人工島，其內(nèi)部水體交換能力一直是研究的重點(diǎn)，本次研究中對(duì)內(nèi)部半島調(diào)整、水道的設(shè)計(jì)來(lái)分析其水體交換能力。根據(jù)前人的研究［2］，水體交換能力通常采用水體半交換周期來(lái)進(jìn)行衡量，即在相同體量條件下，一半水體通過(guò)物理擴(kuò)散遷移出去所需要的時(shí)間，水體半交換周期越短，其水交換能力越強(qiáng)，反之則水交換能力越弱。

在研究水交換過(guò)程中，以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為人工島內(nèi)的示蹤劑，通過(guò)建立對(duì)流-擴(kuò)散型的海水交換數(shù)值模型對(duì)人工島的水交換進(jìn)行模擬研究。

考慮到人工島位于洋河口與人造河口之間森林公園東側(cè)的近海海域，人工島的建設(shè)將會(huì)對(duì)局部水動(dòng)力條件產(chǎn)生影響，故為了保證所采用模型在研究海域的準(zhǔn)確性，計(jì)算開(kāi)邊界遠(yuǎn)離人工島，所選取的計(jì)算區(qū)域（如圖1所示），西起岸線，南至撫寧，北至北戴河海港區(qū)，東至外海-25 m等深線處，南北跨度51.7 km，東側(cè)開(kāi)邊界距人工島約38.8 km，模型范圍內(nèi)水域面積約2 127 km2。

圖1 計(jì)算區(qū)域及驗(yàn)證點(diǎn)位置

對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行剖分，在人工島附近加密剖分，其中最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)13 m，最小網(wǎng)格面積107.2 m2，外海網(wǎng)格寬度相對(duì)較大，全部計(jì)算區(qū)域共生成 28 134個(gè)三角元，結(jié)點(diǎn)14 746個(gè)（如圖2所示）。

圖2 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格部分

為了研究人工島內(nèi)不同布置方案條件下的水交換情況，對(duì)主要四種通道方案進(jìn)行研究，各方案局部網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 各方案網(wǎng)格剖分

1.3 模型驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證采用2010年8月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文資料［3］，共對(duì)9個(gè)潮流站和1個(gè)潮位站進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：計(jì)算的水位過(guò)程與實(shí)測(cè)資料吻合較好；計(jì)算流速值與實(shí)測(cè)流速吻合較好，且流態(tài)也較合理，能夠反映出工程區(qū)附近海域的潮流狀況，可用于進(jìn)一步工程問(wèn)題的研究。

圖4 潮位驗(yàn)證

圖5 流速驗(yàn)證

圖6 流向驗(yàn)證

2 方案計(jì)算

2.1 納潮量計(jì)算結(jié)果

人工島內(nèi)各方案的布置將會(huì)改變島內(nèi)水體的納潮量及潮流場(chǎng)，為了分析各因子對(duì)水交換的敏感程度［4～5］，本文對(duì)不同布置方案下的平均納潮量進(jìn)行了分析。

表1給出了在不同方案布置情況下，人工島內(nèi)納潮量與水體總量的關(guān)系，從表可以看出人工島島內(nèi)水域面積較小，約53 hm2，島內(nèi)增設(shè)過(guò)水通道及改變局部半島的透水屬性，基本不會(huì)改變平均納潮量。但由于過(guò)水通道的改變，將改變島內(nèi)水動(dòng)力條件，從而對(duì)島內(nèi)水交換能力產(chǎn)生直接影響，由此可見(jiàn)，在近岸區(qū)域布置人工島，在人工島外部輪廓確定的前提下，島內(nèi)布置結(jié)構(gòu)的改變基本不會(huì)對(duì)島內(nèi)納潮量產(chǎn)生明顯影響，從而說(shuō)明改善島內(nèi)水交換能力主要因素來(lái)源于島內(nèi)水動(dòng)力條件的優(yōu)化。

表1 不同計(jì)算工況、人工島內(nèi)納潮量與水體總量的關(guān)系

2.2 水交換情況

在水交換計(jì)算過(guò)程中，假定水體濃度為均勻分布，并給定初始人工島內(nèi)污染物濃度為G0=1，島外外水體濃度為G0=1，在潮流作用下，島內(nèi)外水體產(chǎn)生交換，在交換過(guò)程中島內(nèi)水質(zhì)不斷更新，濃度逐漸減小，島內(nèi)平均濃度變?yōu)?0＜G＜1，當(dāng)島內(nèi)的平均濃度降低到 0.5時(shí)所用時(shí)間即為水體的半交換周期。半交換周期越短，則水體交換能力越強(qiáng)［6～7］。

通過(guò)對(duì)人工島內(nèi)不同布置及口門方案的研究，計(jì)算各方案下水體交換能力，可以發(fā)現(xiàn)，人工島內(nèi)部水流流態(tài)及動(dòng)力條件是影響島內(nèi)部水體交換能力的主要因素，而島內(nèi)過(guò)水通道是改變水流流態(tài)最主要因素。具體表現(xiàn)為：

1）通過(guò)統(tǒng)計(jì)人工島內(nèi)各結(jié)占交換率所占水域面積的占標(biāo)率情況（即島內(nèi)某個(gè)時(shí)刻、相同交換率所占水域面積與島內(nèi)總的水域面積的比值），以方案一為例分析得知，從起始時(shí)刻起，島內(nèi)交換率在20 %以下面積的占整個(gè)水域面積的比率從89.3 %逐漸下降，在100 h后降至32.1 %；交換率在20 %～60 %間的占標(biāo)率在整個(gè)模擬期間基本穩(wěn)定，維持在20 %以下；而交換率在80 %以上的水域面積隨著時(shí)間的推移逐漸增大，在100 h的模擬周期內(nèi)，占島內(nèi)水域面積可達(dá)到30 %以上。根據(jù)分析可以說(shuō)明在水體交換過(guò)程中，島外水體通過(guò)口門向島內(nèi)侵入，逐漸將高濃度（G0=1）的水體混合、攜帶出島外，在此過(guò)程中，交換率在20 %～60 %之間的水域面積為過(guò)渡的臨界水域，所占整個(gè)島內(nèi)水域面積較小，僅占人工島30 %的水域面積，而其他水域面積或?yàn)槿斯u底部、高濃度、難以擴(kuò)散的區(qū)域，或?yàn)榻咏陂T附近、低濃度、易交換的區(qū)域，但隨著時(shí)間的推移，人工島底部、高濃度、難以擴(kuò)散的區(qū)域也將逐漸被稀釋。

2）從方案一與方案二中交換率為 0～10 %和80 %～90 %在各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的占標(biāo)率可以看出（如圖8所示），在人工島內(nèi)過(guò)水通道不變的情況下，方案二通過(guò)減少人工島內(nèi)填海用地的面積，從而增大水域面積，增大島內(nèi)納潮量，有利于島外水體涌入、混合，對(duì)起始時(shí)刻島內(nèi)水體濃度下降具有重要作用，但在長(zhǎng)時(shí)間交換過(guò)程中，高濃度和低濃度水體所占島內(nèi)水域面積基本一致，不利于島內(nèi)底部水體的交換。由此可見(jiàn)，通過(guò)減少人工島內(nèi)填海區(qū)、增加納潮量不能有效提高島內(nèi)水交換率。

圖7 方案一中各交換率所占水域面積的占標(biāo)率對(duì)比曲線

圖8 方案一二對(duì)比曲線

3）方案三與方案四是在人工島中軸線上開(kāi)設(shè)過(guò)水通道，來(lái)改變島內(nèi)水動(dòng)力條件，從而達(dá)到改善內(nèi)部水體交換的目的。統(tǒng)計(jì)各方案下島內(nèi)總水體交換率變化（如圖9和表2所示）可以發(fā)現(xiàn)，水體半交換周期差異較大，這主要與島內(nèi)水動(dòng)力強(qiáng)弱有關(guān)，其中方案一與方案二的水體半交換周期分別為79 h和44 h，方案三開(kāi)設(shè)了三個(gè)過(guò)水通道，但在漲落潮過(guò)程中潮流均從中間的過(guò)水通道穿過(guò)，而對(duì)兩側(cè)的水動(dòng)力條件影響較小，在西北側(cè)的水交換速度仍較弱，在此方案下水體半交換周期為 29.5 h；而僅在島內(nèi)西北與東南設(shè)置兩過(guò)水通道后（方案四），潮差的影響將加強(qiáng)島內(nèi)水動(dòng)力條件，尤其加強(qiáng)了島底部的水流條件，更有利于底部水體的交換，水體半交換周期為27.3 h，在100 h后水交換率可達(dá)到75 %，如圖10所示。

表2 不同計(jì)算工況條件下人工島各時(shí)刻水體交換率情況

圖9 各方案布置下島內(nèi)總水體交換率變化曲線

圖10 各方案布置下100 h后島內(nèi)水交換率分布情況

4）通過(guò)對(duì)人工島內(nèi)部多方案布置的研究，可以發(fā)現(xiàn)，在人工島內(nèi)部西北側(cè)區(qū)域的水體交換較緩，所以在優(yōu)化設(shè)計(jì)中盡可能加大方案四中西北側(cè)的通道，以便于西北側(cè)水體的交換。通過(guò)預(yù)測(cè)在西北側(cè)通道由20 m增大為60 m后，整個(gè)人工島內(nèi)水交換能力有較大地增強(qiáng)。

圖11 方案四優(yōu)化后的布置及100 h后水交換率情況

3 結(jié) 語(yǔ)

人工島作為一種實(shí)現(xiàn)填海造陸的手段，越來(lái)越多地應(yīng)用于港口建設(shè)及旅游項(xiàng)目的建設(shè)中，人工島對(duì)海域的影響不僅僅是對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響，更多的是由于人工島建設(shè)改變了水動(dòng)力環(huán)境而帶來(lái)的水質(zhì)環(huán)境的影響，為了保護(hù)環(huán)境，使工程建設(shè)不造成難以預(yù)料的環(huán)境影響，開(kāi)展人工島對(duì)海域水環(huán)境影響的數(shù)值研究是必要的［8］。本文通過(guò)對(duì)北戴河新區(qū)人工島內(nèi)部水質(zhì)的研究，分析在不同方案布置條件下水交換率的情況，結(jié)果表明：

1）在近岸區(qū)域布置人工島，由于人工島內(nèi)水域面積相對(duì)較小，島內(nèi)布置結(jié)構(gòu)的改變不會(huì)明顯改變島內(nèi)納潮量；納潮量的增大，對(duì)內(nèi)部高濃度水體交換有一定作用，但并不是影響水交換能力的主要因素；島內(nèi)水交換能力的大小主要取決于島內(nèi)水動(dòng)力攜帶作用的強(qiáng)弱；

2）當(dāng)在人工島中間開(kāi)設(shè)過(guò)水通道時(shí)，潮流直接從通道內(nèi)穿過(guò)，而島嶼兩翼的水動(dòng)力改善不明顯，因此兩翼位置水交換率沒(méi)有明顯提高；

3）在島內(nèi)西北與東南設(shè)置兩過(guò)水通道后，潮差的影響將加強(qiáng)島內(nèi)水動(dòng)力條件，明顯地改善了島內(nèi)水流條件，極大提高了水交換率；考慮到人工島西北側(cè)水交換相對(duì)較弱的情況，應(yīng)加大在西北側(cè)過(guò)水通道的布設(shè)，對(duì)整個(gè)島內(nèi)的水交換能力有增強(qiáng)作用。

本文對(duì)人工島內(nèi)水環(huán)境的研究，通過(guò)多方案過(guò)水通道的布置，使得島內(nèi)水流流暢，有利于水體交換，為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了可參考的方案。

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Effect of Water Environment of Offshore Artificial Island

Zhu Yuxin， Li Xin
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering.， M.O.T.， Tianjin 300456， China）

Abstract：Recently， many sea reclamation projects have been carried out along China coastal line in order to construct port and develop tourism， which results in the change of water exchange capacity and impacts local water environment.Based on the proposed artificial island in Beidaihe new district， the schemes that consider different functions are compared and analyzed， MIKE21 flow module is used to study the variation of water exchange， pollutants diffusion and retention rate under the condition of different entrances of artificial island.In addition， an evaluation is made for the effect of artificial island on local water environment.At last， a suitable layout plan of artificial island is put forward by considering relevant factors， and the artificial island layout must meet the landscaping and self-purifying requirements.

Key words：artificial island； Beidaihe new district； MIKE21 FM； water exchange

中圖分類號(hào)：U651+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）02-0001-05

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160201

收稿日期：2015-04-13

作者簡(jiǎn)介：朱宇新（1982-），男，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境與評(píng)價(jià)工作。