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        綠華島海底電纜敷設(shè)對海域內(nèi)懸浮泥沙的影響

        2021-04-02 09:15:24濠,陳維,王諭,倪
        人民長江 2021年3期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域模型施工

        曾 濠,陳 維,王 彬 諭,倪 云 林

        (1.浙江海洋大學(xué) 港航與交通運輸工程學(xué)院,浙江 舟山 316022; 2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530023)

        舟山作為海島城市,海島供電是舟山市基礎(chǔ)建設(shè)的重要部分[1],對舟山市的發(fā)展起著重要作用。綠華島及花鳥島均位于舟山群島北部、馬鞍列島西北隅,隸屬于浙江省嵊泗縣,距縣城所在地嵊泗礁島分別為14 km和24 km。綠華島由東、西綠華兩島組成,中間通過跨海大橋連接。島上居民主要從事漁業(yè)生產(chǎn)。

        海底電纜管道敷設(shè)引起的高濃度懸浮泥沙對海洋環(huán)境造成的影響不可忽視[2-4]。海域懸浮泥沙濃度突然升高,會造成海水水質(zhì)的下降,同時懸浮泥沙會對周圍水生生物幼體造成嚴重傷害,主要表現(xiàn)為影響胚胎發(fā)育、堵塞生物的腮部造成窒息死亡等[3]。

        由于海底電纜的敷設(shè)會對周圍水域造成影響,短時間內(nèi)造成周圍海域懸沙含量的增加。因此,需要根據(jù)當?shù)丨h(huán)境與地形來評估管道敷設(shè)對周圍環(huán)境的影響,以及對海洋生物資源造成的損失[5-6]。在環(huán)境評估過程中也需要結(jié)合當?shù)氐某绷魈攸c[7-8]、風況[9-10]等因素。黃蘭芳等[5]曾利用二維泥沙輸運模型研究管道敷設(shè)對周圍海域的影響,黃海龍等[2]也利用數(shù)值模擬確定了工程施工過程中對周圍環(huán)境的影響?,F(xiàn)階段對于泥沙輸運的商業(yè)軟件有MIKE 21模型[11-12]、FVCOM模型[4,13]、ROMS模型[14]等。為了能更好地擬合復(fù)雜的岸線情況,可以采用三角網(wǎng)格建模[15]。由于綠華島附近島嶼數(shù)量眾多,潮流結(jié)構(gòu)復(fù)雜[9],因此擬通過建立綠華島區(qū)域的水動力模型來確定電纜敷設(shè)對周圍水域的影響。

        1 數(shù)學(xué)模型

        采用丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE 21模型,其主要模擬二維平面上水域潮流、泥沙、波浪以及環(huán)境的變化,在工程環(huán)境評估、岸線管理、水域水動力變化等方面提供可靠的參考依據(jù)。

        1.1 模型區(qū)域

        工程區(qū)附近海區(qū)島嶼眾多,地形和潮流結(jié)構(gòu)復(fù)雜,潮動力環(huán)境較強。在工程附近采用加密網(wǎng)格,保證模擬結(jié)果與實際情況相符。模型計算范圍西起倉前,北到蘆潮港,南到象山,東到東經(jīng)124°,包含了杭州灣、舟山群島海域,計算域的橫向?qū)捈s為378 km,縱向長度為216 km,計算面積約為81 648 km2。對工程所在島嶼附近的網(wǎng)格進行加密處理,加密后網(wǎng)格尺度最小為10 m,能夠較好地模擬項目附近的水域條件。簡化其余區(qū)域,網(wǎng)格設(shè)置相對稀疏,網(wǎng)格尺度根據(jù)位置進行調(diào)整,確保模型內(nèi)網(wǎng)格之間的平滑過渡,精確刻畫模擬區(qū)域內(nèi)的水文情況。綠華島附近島嶼眾多且分布零散,因此區(qū)域島嶼岸線特別曲折,為了較好地反映當?shù)貜?fù)雜的岸線情況,采用更貼合岸線的三角形網(wǎng)格,因此模型采用SMS構(gòu)造三角形網(wǎng)格,模型共有22 147個節(jié)點,42 088個單元(見圖1)。

        圖1 模型范圍及網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and grids

        1.2 參數(shù)設(shè)置

        模型糙率采用曼寧系數(shù),為使模擬結(jié)果更符合實際情況,對曼寧系數(shù)進行率定,其數(shù)值范圍為0.012~0.014,模擬的時間步長由模型自動調(diào)節(jié),步長在0.000 1~30.000 0 s之間,柯朗數(shù)限值為0.8。模型采用動邊界處理技術(shù),模型中干點臨界水深取0.005 m,濕點臨界水深取0.05 m。模擬區(qū)域水動力受河流徑流和外海潮流的共同影響,為了確保模擬結(jié)果的準確,河流徑流條件采用流量控制,外海潮流條件根據(jù)東中國海大模型模擬計算所得。東中國海模型的開邊界僅考慮外海的開邊界,開邊界采用全球潮汐模型中提取的潮位數(shù)據(jù),模型考慮的分潮包含M2,S2,K2,N2,S1,K1,O1,P1,Q1和M4,共計10個分潮。

        1.3 模型驗證

        對于綠華島海底電纜項目,于2018年3月2日進入現(xiàn)場開展水文測驗工作,3月14日結(jié)束外業(yè)工作。本次潮位觀測布設(shè)1個臨時驗潮站(L1臨時站,位置見圖2),潮位觀測為期12 d;6個潮流站,觀測期為3月2~3日大潮及3月10~11日小潮。

        圖2 驗潮站位置及拋沙點源分布Fig.2 Tide stations and sand source distribution

        圖3~4為潮位和潮流驗證結(jié)果,可以看出:建立的水動力模型能反映工程區(qū)附近海域的實際情況,流場模擬較為合理可靠。

        圖3 綠華島臨時驗潮站潮位驗證Fig.3 Tide level verification of temporary tidal station at Lvhua Island

        由于綠華島附近海域內(nèi)懸沙濃度約為0.02~0.20 mg/L,濃度較低,因此本文僅考慮施工造成的海域內(nèi)短期的泥沙濃度變化情況,對海底管道敷設(shè)所造成的懸浮泥沙濃度變化進行定性比較。

        1.4 水動力情況

        根據(jù)水動力模型的模擬結(jié)果,可知綠華島海域的流場情況如圖5所示。漲潮時,潮流向西北方向運動;落潮時,潮流向東南方向運動。由于東西兩側(cè)為開闊海域,受到地形的影響,漲落潮基本呈現(xiàn)往復(fù)運動,近岸區(qū)域漲落潮流流向大致與岸線走向平行。且根據(jù)綠華島海域流場圖可知,海域內(nèi),漲潮流速大于落潮流速。

        1.5 計算條件

        該工程電纜敷埋速度一般擬控制在3~10 m/min,本文將平均值設(shè)定為7 m/min,施工計劃的埋設(shè)寬度為0.4 m,埋設(shè)深度為2.5 m。參考同類工程將懸浮泥沙的懸浮比按30%計,則水力埋設(shè)機埋設(shè)過程中產(chǎn)生的懸浮泥沙源強為:7 m/min×0.4 m×2.5 m×30%=2.1 m3/min。

        圖4 綠華島測潮站大潮流速流向驗證Fig.4 Verification of velocity and flow direction of spring tidal at Lvhua Island Station

        圖5 綠華島海域流場示意Fig.5 Flow field of sea area around Lvhua Island

        根據(jù)2017年針對此路由工程項目的實地勘測報告可知,施工海域泥沙的容重介于1.67~1.88 kg/L之間,變化幅度很小,此處按1.78 kg/L計(平均值),則機械沖埋引起的懸浮泥沙源強為:1.78 kg/L×2.1 m3×1000÷60 s=62.3 kg/s。

        自路的起點至終點,在計算網(wǎng)格上,每隔約210 m布置1個泥沙源點,共30個泥沙源點,代表挖泥船的位置如圖2所示。

        本文僅考慮海底電纜敷設(shè)過程揚起的懸浮泥沙變化情況,因此對懸浮泥沙參數(shù)進行設(shè)置。根據(jù)相關(guān)文獻[16-20],對懸浮泥沙擴散系數(shù)和泥沙沉降速度進行率定。擴散系數(shù)取2.5 m2/s,沉降速度取0.3 m/s。

        2 泥沙模擬結(jié)果

        由于不同潮時電纜敷設(shè)所產(chǎn)生的泥沙運移范圍不同,且施工線路較長、施工點是移動的,為了數(shù)模的方便,這里在整條管線上選取有代表性的37個計算點(見圖2),根據(jù)7 m/min施工進度,模型中泥沙源釋放時間為30 min,源強為62.3 kg/s。根據(jù)潮汐特性,一個完整的潮流過程為漲急~漲憩~落急~落憩。本文為研究懸浮泥沙最大擴散范圍,自各潮流階段的起始時刻開始,模擬一個完整的潮流過程后,在各個計算點同時施工30 min條件下,以漲憩、漲急、落憩、落急為起始時刻,分析懸沙濃度在施工開始0.5,1.0,3.0 h后的分布情況。

        2.1 漲急時刻開始施工

        圖6(a)為漲急時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以知,施工引起的100~150 mg/L懸沙濃度增量主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域,距離西綠華島登陸點約1.5 km范圍內(nèi),并在漲潮潮流的作用下向北擴散。懸沙濃度增量為10~100 mg/L的區(qū)域主要處于施工管線北側(cè)約1.5 km和南側(cè)約0.5 km的范圍內(nèi)。東、西綠華島南側(cè)海域未受到懸沙影響。圖6(b)為施工1 h后懸沙濃度分布圖,受西北潮流影響,懸沙向西北方向運動,海域內(nèi)懸沙濃度開始降低,同時懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域逐漸減少,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域面積有所增加。懸沙影響范圍主要為施工管線北側(cè)約2 km范圍內(nèi)。圖6(c)為施工3 h后懸沙濃度分布圖,隨著漲潮潮流的影響,懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域進一步減少,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域面積有所增加,并在潮流的作用下向東南方向運移。東綠華島和花鳥島之間的懸沙濃度逐漸被稀釋。施工1.5 h后,東綠華島的東側(cè)開始受到懸沙影響,至3 h后,東綠華島東北側(cè)完全被懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域包絡(luò)。整體上,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域主要集中在東綠華島北側(cè)海域和花鳥島西南側(cè)局部海域。3 h后,研究海域整體未見150 mg/L及以上的懸沙濃度。

        2.2 漲憩時刻開始施工

        圖6(d)為漲憩時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出,受落潮潮流的影響,施工引起的懸沙濃度為100~150 mg/L及以上的區(qū)域主要集中在西綠華島登陸點以及花鳥島登陸點約0.5 km的范圍內(nèi)。懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域主要分布于施工管線北側(cè)0.2 km及南側(cè)0.5 km的范圍內(nèi)。西綠華島西側(cè)海域未受到懸沙影響。圖6(e)為施工1 h后懸沙濃度分布圖,隨著潮流方向的變化,懸浮泥沙向東南方向運動,懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域逐漸減少,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域面積逐漸增加,懸沙影響范圍總體仍沿施工路由管道分布。圖6(f)為施工3 h后懸沙濃度分布圖,施工引起的懸沙濃度為100~150 mg/L及以上的區(qū)域完全消失,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域面積逐漸減少,在落潮潮流的作用下繼續(xù)向東南方向運移。3 h后,僅在東綠華島東南部和花鳥島南側(cè)局部海域存有懸沙濃度為10~50 mg/L的區(qū)域,其它管道附近區(qū)域已無10~50 mg/L濃度的懸沙,此時整體海域內(nèi)未見150 mg/L及以上濃度的懸沙存在。

        圖6 漲潮時刻懸浮泥沙濃度(單位:kg/m3)Fig.6 The SSC of the spring tide

        2.3 落急時刻開始施工

        圖7(a)為落急時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出,受落潮潮流影響,懸沙濃度為100~150 mg/L及以上的區(qū)域主要集中在西綠華島約2 km以及花鳥島登陸點約0.5 km的范圍內(nèi)。懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域主要分布于施工管線南側(cè)約2 km范圍內(nèi)。圖7(b)為施工1 h后懸沙濃度分布圖,在落潮潮流的作用下,懸浮泥沙向東北方向運動,懸浮泥沙濃度降低,懸浮泥沙影響面積增加,懸沙濃度為100~150 mg/L及以上的區(qū)域逐漸減少,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域受落潮流影響。施工1.5 h后,懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域進一步減少。圖7(c)為施工3 h后懸沙濃度分布圖,隨著落潮潮流的作用,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域逐漸減少,懸浮泥沙在落潮流的作用下繼續(xù)向東南方向運移,最后集中分布在綠華島和花鳥島之間的海域,以及西綠華島西南側(cè)海域。3 h后,整體海域未見懸沙濃度為150 mg/L及以上的區(qū)域存在。

        圖7 落潮時刻懸浮泥沙濃度(單位:kg/m3)Fig.7 The SSC of the ebb tide

        2.4 落憩時刻開始施工

        圖7(d)為落憩時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出,懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域主要集中在東、西綠華島之間,距西綠華島登陸點約1 km。懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域主要沿施工管線兩側(cè)分布,影響范圍限于路由管線1 km以內(nèi)。東、西綠華島及花鳥島南側(cè)海域均未受到懸沙影響。圖7(e)為施工1 h后懸沙濃度分布圖,隨著潮流方向的變化,懸沙濃度為100~150 mg/L的區(qū)域進一步減少,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域逐漸向西北方向運移,并集中分布于西綠華島北側(cè)以及花鳥島西北側(cè)局部海域。圖7(f)為施工3 h后懸沙濃度分布圖。由于懸浮泥沙受西北潮流的影響,懸沙濃度為10~100 mg/L的區(qū)域面積有所增加,并繼續(xù)向西北側(cè)運移,至施工3 h后,懸沙全部分布于西綠華島和花鳥島西北側(cè)海域。整體海域未見增量為100~150 mg/L及以上的懸沙濃度。

        3 結(jié) 論

        本文基于MIKE 21軟件建立了綠華島附近海域的水動力及泥沙輸運模型,將模擬結(jié)果與實測資料進行驗證,確保模型的精確性,并將驗證后的模型應(yīng)用于施工方案下,通過對周圍泥沙運動情況的計算結(jié)果得出以下結(jié)論。

        (1) 在漲急~漲憩階段時:施工0.5 h內(nèi),懸沙影響主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域;施工1~3 h后,在潮流作用下,懸浮泥沙區(qū)域隨時間推移逐漸向東南方向擴散,東綠華島東側(cè)開始受到懸沙影響;3 h后東綠華島東北側(cè)受到懸沙影響,懸沙濃度影響最大范圍為25.54 km2,但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

        (2) 在漲憩~落急階段時:施工0.5 h內(nèi),懸沙影響主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域;施工1~3 h后,在潮流作用下泥沙向東南方向運輸,懸浮泥沙區(qū)域隨時間推移逐漸擴大范圍;3 h后東綠華島東南側(cè)和花鳥島南側(cè)受到懸沙影響,懸沙濃度影響最大范圍為36.783 km2,但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

        (3) 在落急~落憩階段時:施工0.5 h內(nèi),懸沙影響主要集中在西綠華島和花鳥島之間的海域;施工1~3 h后,在潮流作用下,懸浮泥沙區(qū)域隨時間推移逐漸向東南方向擴散;3 h后東綠華島東南部和花鳥島南側(cè)受到懸沙影響,懸沙濃度影響最大范圍為24.782 km2,但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

        (4) 在落憩~漲急階段時:施工0.5 h內(nèi),懸沙影響主要集中在西綠華島和花鳥島之間的海域;施工1~3 h后,在潮流作用下,懸浮泥沙區(qū)域隨時間推移向東南方向推移,西綠華島北側(cè)以及花鳥島西北側(cè)開始受到懸沙影響;3 h后西綠華島和花鳥島西北側(cè)海域受到懸沙影響,懸沙濃度影響最大范圍為59.322 km2,但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

        (5) 根據(jù)模擬結(jié)果可知,該海域電纜敷設(shè)在施工3 h之后對于周邊海域懸沙濃度影響甚微,且在漲急時刻施工對周圍環(huán)境影響最小,在落憩時刻施工對周圍環(huán)境影響范圍最大。

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