紀(jì)超, 姜奇, 馬殿光*, 呂彪, 周俊偉

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程研究中心, 天津 300456;2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300222)

人工島是人類開發(fā)利用海洋空間資源的重要途徑之一,可以有效緩解沿海地區(qū)土地的供求矛盾,并帶來較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。然而,人工島工程的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致附近海域水動(dòng)力特征發(fā)生顯著變化,進(jìn)而對(duì)周邊海區(qū)的泥沙運(yùn)動(dòng)、海床沖淤和海洋環(huán)境等產(chǎn)生重大影響[3-5]。準(zhǔn)確掌握人工島作用下的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)于減小工程的負(fù)面環(huán)境影響具有重要意義。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)人工島作用下的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)特征已開展了一系列研究工作。季榮耀等[6]采用物理模型實(shí)驗(yàn)方法,研究了港珠澳大橋人工島對(duì)周邊海域水動(dòng)力的影響,指出潮流在人工島兩端形成繞流,流速顯著增加,人工島背水面形成回流區(qū),且回流具有周期性的變化過程。趙強(qiáng)等[7]采用平面二維水動(dòng)力模型模擬計(jì)算了人工島建設(shè)后南黃海輻射沙脊群海域潮流場(chǎng)的變化。Wang等[8]、Yan等[9]以大連海上機(jī)場(chǎng)人工島為研究對(duì)象,利用數(shù)值模擬的方法比較了不同人工島方案對(duì)金州灣海域水動(dòng)力及海洋環(huán)境的影響。趙桂俠等[10]研究了人工島布置方式對(duì)周圍海域水動(dòng)力的影響規(guī)律,指出人工島的迎水面投影長(zhǎng)度越長(zhǎng),對(duì)水流的阻礙作用越大。侯慶志等[11]、黃澤憲[12]以泉州灣為例,采用數(shù)學(xué)模型研究了強(qiáng)潮海灣水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)對(duì)人工島工程的響應(yīng)。Ajiwibowo等[13]研究了徑流和潮流共同作用下,人工島群對(duì)印尼雅加達(dá)灣水動(dòng)力的影響規(guī)律?？锎淦嫉萚14]研究了秦皇島金夢(mèng)海灣人工島群作用下的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)特性,量化分析了人工島群對(duì)弱潮區(qū)潮流場(chǎng)影響的非線性疊加效應(yīng)。費(fèi)成鵬等[15]同樣采用數(shù)值模擬的方法研究了人工島群對(duì)龍口灣水動(dòng)力特征的影響,指出人工島的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致龍口灣內(nèi)潮流、波浪等水動(dòng)力條件普遍減弱。綜上分析,已往研究大多集中在人工島(群)對(duì)周圍海域水動(dòng)力場(chǎng)的影響,而人工島常伴隨著連島橋、海岸防護(hù)等配套工程的建設(shè)[16-17],附近海域的潮流動(dòng)力變化在多工程作用下更為復(fù)雜,其響應(yīng)特征的研究目前涉及較少。為此,現(xiàn)以海南三亞新機(jī)場(chǎng)工程為研究對(duì)象,通過建立平面二維潮流數(shù)學(xué)模型,模擬分析人工島、離岸潛堤和連島橋等工程前后的潮流場(chǎng)特征,探究多工程建設(shè)對(duì)周邊海域潮流動(dòng)力的影響規(guī)律。

1 工程概況

擬建的三亞新機(jī)場(chǎng)人工島工程位于海南島南端三亞市西部的紅塘灣,如圖1所示,工程區(qū)東側(cè)有西瑁洲、東瑁洲和鹿回頭半島掩護(hù),西北側(cè)受南山角掩護(hù),西側(cè)和南側(cè)則面向廣闊的南海,屬開敞海域。三亞新機(jī)場(chǎng)工程采用離岸式平面布置,人工島整體形態(tài)為帶圓角的矩形,陸域形成面積1 574.8萬m2,護(hù)岸總長(zhǎng)15 601.6 m。工程離岸約為4 km,西北距離南海觀音約4.3 km,東北距離天涯海角約7.8 km?？紤]到陸島交通連接需求,該工程擬配套建設(shè)三亞新機(jī)場(chǎng)人工島對(duì)外交通工程,采用跨海橋梁方式,橋梁全長(zhǎng)約為6.17 km。此外,為降低人工島對(duì)岸灘沖淤的影響,擬在拆除現(xiàn)有臨空產(chǎn)業(yè)園的過程中,部分保留已實(shí)施的北部圍堰,形成0 m高程(相對(duì)于當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?的離岸潛堤。潛堤形態(tài)保持現(xiàn)狀弧形布置,分東西兩段,長(zhǎng)度分別為1.1 km和2.4 km,寬度為20～50 m。

T1～T4為潮位測(cè)站;V1～V6為流速、流向測(cè)站

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型介紹

MIKE模型是由丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的通用數(shù)值模擬軟件,可應(yīng)用于計(jì)算海岸、河口、湖泊、河流的水動(dòng)力環(huán)境等[18-20]。采用MIKE 21 Flow Model FM(flexible mesh)對(duì)三亞新機(jī)場(chǎng)工程海域潮流動(dòng)力進(jìn)行模擬研究,其控制方程為沿水深積分的二維淺水方程[21],表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

連島橋橋墩的存在會(huì)在一定程度上改變周圍水動(dòng)力場(chǎng)的分布規(guī)律[22-23]。MIKE 21模型采用拖曳理論在亞網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中考慮橋墩的影響,拖曳力的計(jì)算公式[24]為

(4)

式(4)中:F為拖曳力;α為流線系數(shù);CD為拖曳力系數(shù),一般與雷諾數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀等因素有關(guān)[25];A為迎水面積;V為水流流速。橋墩等效應(yīng)力[26]可以表示為

(5)

式(5)中:∑F為一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)橋墩受到的拖曳力總和;Ae為該網(wǎng)格單元的面積。模型將在切應(yīng)力τbx和τby中包含等效應(yīng)力τp的分量,從而以參數(shù)化形式考慮橋墩對(duì)水流的影響。

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及模型參數(shù)

模型的范圍東起海南島最南端,西至角頭鼻,南起約-67 m等深線,北至對(duì)應(yīng)岸線,區(qū)域范圍東西約74 km、南北約53 km。圖2以工程建設(shè)后為例給出了模型計(jì)算網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)為56 405,單元數(shù)為111 663。開邊界處網(wǎng)格空間步長(zhǎng)為400 m,在機(jī)場(chǎng)人工島、離岸潛堤和連島橋橋線附近進(jìn)行局部加密,最小網(wǎng)格空間步長(zhǎng)為10 m。連島橋橋墩影響采用式(4)和式(5)進(jìn)行計(jì)算,流線系數(shù)取為1.02,整個(gè)計(jì)算域中共包含270個(gè)橋墩。模型中水平渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式[27]來計(jì)算,公式中常系數(shù)cs取為0.28;時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01～30 s的變化步長(zhǎng),曼寧系數(shù)M取為80 m1/3/s。

圖2 模型范圍及網(wǎng)格

2.3 模型驗(yàn)證

采用2019年7月在工程海域施測(cè)的潮流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證,其中潮位測(cè)站有4個(gè)(T1～T4),流速、流向測(cè)站有6個(gè)(V1～V6),各測(cè)站的具體位置如圖1所示。模型的開邊界由潮位控制,潮位過程由TPXO9-atlas-v5全球潮汐模型[28](https://www.tpxo.net/global/tpxo9-atlas)提供。選用實(shí)測(cè)大潮潮型作為代表潮型,模擬時(shí)間為2019年7月4日09:00—7月7日00:00,圖3給出了部分潮位、流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果。

圖3 潮位和流速、流向驗(yàn)證

為量化評(píng)價(jià)模型的計(jì)算結(jié)果,采用均方根誤差(root mean squared error,RMSE)和相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient,CC)對(duì)模型驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算公式[29]為

(6)

(7)

表1給出了模型驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,可以看到,T1～T4站潮位計(jì)算的均方根誤差均在0.07 m以下,相關(guān)系數(shù)為0.998～0.999;V1～V6站流速模擬結(jié)果的均方根誤差同樣不大(0.045～0.070 m/s),各站相關(guān)系數(shù)均在0.94以上;流向計(jì)算結(jié)果的均方根誤差為8.82°～17.36°,相對(duì)較大,這是由于在個(gè)別潮流轉(zhuǎn)向時(shí)刻模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差距,如圖3(e)所示,實(shí)際上模型計(jì)算的各測(cè)站漲、落潮平均流向均與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)吻合,偏差低于±10°。因此,本文模型的模擬結(jié)果能夠客觀反映工程海區(qū)的整體潮流運(yùn)動(dòng)特征和規(guī)律,可用于不同工況的計(jì)算分析。

表1 驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

3 潮流動(dòng)力對(duì)工程的響應(yīng)模擬

選取工程前(工況1)、單一機(jī)場(chǎng)人工島(工況2)、機(jī)場(chǎng)人工島和離岸潛堤(工況3)、機(jī)場(chǎng)人工島、離岸潛堤和連島橋(工況4)共4種工況分別模擬潮流場(chǎng),研究工程海域水動(dòng)力對(duì)不同工況的響應(yīng)特征。

3.1 工程前后的潮流場(chǎng)特征

圖4為不同工況下漲、落急時(shí)刻潮流場(chǎng)的模擬結(jié)果,分析表明:工程海區(qū)漲潮流向大致為WNW向,落潮流向大致為ESE向,周期性往復(fù)流特征較為明顯,整體上落潮流速略大于漲潮流速。工況1漲、落潮時(shí)東瑁洲、西瑁洲兩側(cè)形成一定范圍環(huán)流,其余海域無島嶼遮擋,漲、落潮水流均較為平順。漲、落急時(shí)刻,南山角南側(cè)流速較大,在1.0 m/s以上;東、西瑁洲的東西兩側(cè)流速較小,集中在0.3 m/s以下,南北兩側(cè)流速較大,0.7 m/s以上占優(yōu)勢(shì)。

圖4 不同工況漲、落急時(shí)刻流場(chǎng)

工況2的模擬結(jié)果顯示,機(jī)場(chǎng)人工島建設(shè)后,紅塘灣的流態(tài)發(fā)生了明顯變化,人工島周圍產(chǎn)生明顯的繞流。漲、落急時(shí)刻,人工島WNW和ESE兩側(cè)形成緩流區(qū),流速基本小于0.2 m/s;人工島NNE和SSW兩側(cè)受到繞流影響流速較大,最大超過1.8 m/s。

機(jī)場(chǎng)人工島和離岸潛堤建設(shè)后(工況3),除人工島外,潛堤周圍流態(tài)相較于工況1也發(fā)生了明顯變化,主要表現(xiàn)為離岸潛堤弧內(nèi)及東西兩側(cè)出現(xiàn)緩流區(qū),部分位置流速低于0.2 m/s;南北兩側(cè)由于繞流作用流速有所增大,最大超過0.9 m/s。

工況4的計(jì)算結(jié)果顯示,疊加建設(shè)連島橋后的工程海域整體流態(tài)變化不大,總體上表現(xiàn)為連島橋背流側(cè)流速適當(dāng)減小。

3.2 工程建設(shè)對(duì)潮流場(chǎng)的影響

圖5給出了不同工況間漲、落急時(shí)刻的流速差值圖。如圖5(a)和圖5(b)所示,人工島建設(shè)將導(dǎo)致其WNW和ESE兩側(cè)流速顯著減小,漲潮時(shí)人工島WNW側(cè)流速減小更為明顯,落潮時(shí)人工島ESE側(cè)流速減小更為明顯,漲、落急時(shí)刻流速最大減幅為0.8～0.9 m/s。天涯海角南側(cè)以及人工島東南側(cè)部分海域落急流速也略有減小,這主要是由于此時(shí)人工島周圍繞流間接減弱了這兩塊區(qū)域的潮流動(dòng)力。此外,機(jī)場(chǎng)人工島建成后,其NNE、SSW兩側(cè)流速將顯著增大,漲、落急時(shí)刻機(jī)場(chǎng)東北角和西南角流速增幅為1.0～1.3 m/s。

圖5 不同工況間漲、落急時(shí)刻流速差值

離岸潛堤對(duì)潮流場(chǎng)的影響可通過工況3和工況2的流速差值進(jìn)行表示[圖5(c)和圖5(d)]。總體上,離岸潛堤的建設(shè)使得其內(nèi)部和東西兩側(cè)掩護(hù)區(qū)域的流速有所減小,漲急時(shí)刻流速最大減幅約0.7 m/s,落急時(shí)刻最大減幅在0.8 m/s以上。離岸潛堤南北兩側(cè)受繞流影響流速有所增大,最大增幅約0.5 m/s;同時(shí),潛堤頂部由于頂托作用流速在大多數(shù)時(shí)刻將明顯增加,最大增幅在0.7 m/s以上。

圖5(e)和圖5(f)給出了工況4與工況3的流速差值,用以表示在機(jī)場(chǎng)人工島和離岸潛堤存在的情況下,連島橋建設(shè)對(duì)潮流動(dòng)力的影響?？傮w上,連島橋?qū)Τ绷鲌?chǎng)的影響不大,主要表現(xiàn)為連島橋背流側(cè)流速減小,最大減幅約0.4 m/s。但是,連島橋建成后漲急時(shí)刻人工島西北角及其西側(cè)位置、離岸潛堤弧內(nèi)部分位置處流速略微增大,落急時(shí)刻人工島東側(cè)部分位置以及離岸潛堤內(nèi)部偏南區(qū)域的流速也略有增加,這與連島橋周圍海域流速減小的整體趨勢(shì)有所不同。圖6以落急時(shí)刻為例,給出了連島橋建設(shè)前后人工島及離岸潛堤附近環(huán)流的模擬結(jié)果。由圖6可見,連島橋橋墩的阻流作用會(huì)減弱人工島和潛堤周圍的繞流,并一定程度上改變工程附近的環(huán)流結(jié)構(gòu),進(jìn)而引起部分工程掩護(hù)區(qū)域(如圖6中的橢圓區(qū)域)的流速有所增加。

機(jī)場(chǎng)人工島、離岸潛堤和連島橋?qū)α鲌?chǎng)的共同影響如圖5(g)和圖5(h)所示?？傮w而言,工程建設(shè)將導(dǎo)致漲、落急時(shí)刻人工島WNW和ESE兩側(cè)流速明顯減小,最大減幅為0.8～0.9 m/s;離岸潛堤弧內(nèi)及東西兩側(cè)流速有所減小,最大減幅超過0.7 m/s;人工島SSW側(cè)、離岸潛堤北側(cè)以及兩工程之間海域流速有所增大,漲、落急時(shí)刻流速最大增幅在1.0 m/s以上,出現(xiàn)在人工島東北角和西南角位置。

為進(jìn)一步研究不同位置處潮流動(dòng)力對(duì)工程的響應(yīng),在附近海域布置了17個(gè)分析點(diǎn),如圖7所示。其中,A1～A8為人工島周圍整體海域分析點(diǎn),B1～B4為人工島4個(gè)角點(diǎn)位置的局部分析點(diǎn),C1～C5為離岸潛堤附近的局部分析點(diǎn)。

圖8給出了A1～A8點(diǎn)不同工況的流速變化情況,結(jié)果表明:工況1為本海域無工程狀態(tài),各分析測(cè)點(diǎn)的流速隨時(shí)間變化均較為規(guī)律;人工島建成后(工況2),A1～A8點(diǎn)流速均呈現(xiàn)出不同程度的變化,表現(xiàn)為A2、A3、A6和A7點(diǎn)處流速增大,A1、A4、A5和A8點(diǎn)處潮流流速總體減小,其中A4和A5點(diǎn)受到機(jī)場(chǎng)人工島繞流影響,流速變化較不規(guī)律;工況3(人工島與離岸潛堤建設(shè)后)各點(diǎn)位整體流速值與工況2均較為接近,最大變化出現(xiàn)在離岸潛堤南側(cè)的A3點(diǎn)處,其落潮流速相比于工況2略有增大。工況4的模擬結(jié)果顯示,連島橋會(huì)對(duì)部分點(diǎn)位的流速產(chǎn)生一定影響,主要體現(xiàn)為工況4連島橋西側(cè)的A1和A2點(diǎn),落潮流速與工況3較為一致,而漲潮流速小于工況3;連島橋東側(cè)的A3點(diǎn),漲潮流速與工況3較為接近,而落潮流速略小于工況3;A4、A5位于人工島東側(cè)環(huán)流附近,連島橋作用下的流速變化較不規(guī)律;A6～A8點(diǎn)受連島橋影響較小,整體流速量值與工況3差異不大。

圖8 不同工況A1～A8點(diǎn)處流速變化

圖9給出了人工島4個(gè)角點(diǎn)位置的B1～B4點(diǎn)在不同工況下的流速變化情況,結(jié)果表明:相比于工況1,工況2在不同點(diǎn)處流速均出現(xiàn)較大變化,主要表現(xiàn)為B1和B3點(diǎn)流速總體減小,B2和B4點(diǎn)流速明顯增加。由于工況2的B3點(diǎn)受到人工島周圍繞流影響,其流速隨時(shí)間的變化規(guī)律與工況1有較大差別,二者存在明顯相位差。工況3相比于工況2而言,B1～B4位置的流速變化不大,說明這4個(gè)點(diǎn)均不在離岸潛堤的主要影響范圍內(nèi)。工況4與工況3的對(duì)比結(jié)果顯示,連島橋?qū)Σ煌c(diǎn)位的影響存在較大差異。具體來說,B1點(diǎn)在漲急時(shí)刻位于人工島的掩護(hù)區(qū)域,其在連島橋建成后漲急流速略有增加,這與圖5(e)中所示一致;B2點(diǎn)在漲潮時(shí)段受到橋墩阻流影響,漲潮流速整體減小;B3點(diǎn)由于人工島東側(cè)環(huán)流結(jié)構(gòu)改變,在部分落潮時(shí)刻流速略有減小;而B4點(diǎn)位于人工島的西南角,流速基本不受連島橋建設(shè)的影響。

圖9 不同工況B1～B4點(diǎn)處流速變化

圖10給出了離岸潛堤附近C1～C5點(diǎn)在不同工況下的流速變化情況,分析表明:與工況1相比,工況2各點(diǎn)流速整體增大,這是由于C1～C5點(diǎn)位于人工島的NNE側(cè),屬于人工島作用下的流速增大區(qū)域[圖5(a)和圖5(b)]。當(dāng)進(jìn)一步建設(shè)離岸潛堤后(工況3),C1、C3和C5點(diǎn)受到潛堤結(jié)構(gòu)的阻水作用,流速整體減小;C2點(diǎn)由于潛堤北側(cè)繞流,流速有所增大;C4點(diǎn)在漲潮時(shí)段流速變化不大,在落潮時(shí)段則位于潛堤的掩護(hù)區(qū)域內(nèi),流速明顯減小。工況4結(jié)果顯示,連島橋?qū)1～C5點(diǎn)流速整體量值的影響較為有限,但其阻流效應(yīng)會(huì)在一定程度上改變潛堤內(nèi)部的環(huán)流結(jié)構(gòu),從而影響C4和C5點(diǎn)處流速隨時(shí)間的變化特征。

圖10 不同工況C1～C5點(diǎn)處流速變化

4 結(jié)論

以海南三亞新機(jī)場(chǎng)工程為研究對(duì)象,通過建立驗(yàn)證合理的潮流數(shù)學(xué)模型,模擬分析了人工島、離岸潛堤和連島橋等多工程建設(shè)對(duì)周圍海域潮流場(chǎng)的影響,主要結(jié)論如下。

(1)工程建設(shè)前,紅塘灣漲潮流大致為WNW向,落潮流大致為ESE向,呈現(xiàn)往復(fù)流特點(diǎn)。人工島建設(shè)將導(dǎo)致工程海域流態(tài)發(fā)生明顯變化,漲、落急時(shí)刻人工島WNW側(cè)和ESE側(cè)形成緩流區(qū),流速有所減小,人工島NNE和SSW兩側(cè)受到繞流影響流速增大。

(2)弧形離岸潛堤建設(shè)后,弧內(nèi)及東西兩側(cè)出現(xiàn)緩流區(qū),潛堤南北側(cè)受繞流影響流速增大,潛堤頂部由于頂托作用使流速顯著增加。

(3)連島橋建設(shè)對(duì)工程海域潮流場(chǎng)的影響相對(duì)較弱,主要表現(xiàn)為連島橋背流側(cè)流速總體減小。此外,連島橋的阻流作用也會(huì)在一定程度上改變?nèi)斯u和離岸潛堤周圍的環(huán)流結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致部分工程掩護(hù)區(qū)域的流速有所增加。

(4)人工島、離岸潛堤和連島橋共同作用下的繞流、阻流效應(yīng)會(huì)使得工程海域潮流動(dòng)力的時(shí)空變化更為復(fù)雜,工程建設(shè)對(duì)不同位置處水流運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律也存在較大差異。