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        安海灣疏浚工程潮流響應(yīng)特征研究

        2022-01-11 10:10:34劉文龍毛晨浩蔣茗韜宋春梅
        關(guān)鍵詞:口門海灣水深

        劉文龍,毛晨浩,陳 維,蔣茗韜,宋春梅

        (1.浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院,浙江舟山 316022;2.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444)

        安海灣是位于福建省東南部泉州市轄區(qū)圍頭灣內(nèi)的一個(gè)狹長(zhǎng)半封閉型小海灣,東側(cè)為晉江市、西側(cè)為南安市。水陸交通方便,東南方向與金門島隔海相望。然而安海灣內(nèi)灘涂面積較多,尤其在安海灣北半部,低平潮時(shí)幾乎全是潮灘露出,水深條件不足。受水深條件限制,僅在石井作業(yè)區(qū)有萬噸級(jí)以上深水泊位和建設(shè)條件,其余均為小泊位,東石、安海等現(xiàn)有碼頭均需乘高潮進(jìn)出港。灣內(nèi)有陸源排污口3 個(gè),分別位于水頭、安海及東石。海灣周圍還有數(shù)條排洪溝,積有大量的廢棄物、垃圾、泥沙等,洪水季節(jié)會(huì)隨暴雨沖刷進(jìn)入安海灣。持續(xù)惡化的生態(tài)環(huán)境以及較弱的水體交換能力,已經(jīng)嚴(yán)重影響到安海灣的港口運(yùn)輸業(yè)發(fā)展及海灣納潮量和環(huán)境容量。此次疏浚工程旨在通過對(duì)灣底泥沙的深挖疏浚,清除安海灣已受污染的灣底沉積物,徹底阻止其二次污染及擴(kuò)散,擴(kuò)大安海灣的納潮量與資源環(huán)境容量。

        許多學(xué)者對(duì)地形變化情況下水動(dòng)力條件變化進(jìn)行了研究,孫芹芹等[1]通過對(duì)不同疏浚方案的對(duì)比,從資源環(huán)境效益方面為安海灣疏浚方案的選擇提供了參考依據(jù)。崔崢等[2]通過研究認(rèn)為安海灣清淤后能夠增加納潮量、改善石井作業(yè)區(qū)動(dòng)力及安海灣水質(zhì)。張雪松[3]對(duì)半封閉海灣的水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行了研究,龔旭東等[4]從潮流、納潮量和水交換這幾個(gè)方面探討灣內(nèi)圍填海對(duì)東山灣水動(dòng)力環(huán)境的影響,得到隨著填海面積的增加,影響范圍及程度不斷增大的結(jié)論。錢明霞等[5]對(duì)南港河段地形與水動(dòng)力的相互響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。何昆等[6]通過波浪潮流耦合作用下的數(shù)學(xué)模型,得到清淤工程的實(shí)施對(duì)唐島灣內(nèi)水動(dòng)力及泥沙輸移有一定影響結(jié)論。林國(guó)堯等[7]發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)內(nèi)歐拉余流表現(xiàn)為多個(gè)順時(shí)針與逆時(shí)針的渦流,渦流分布與地形具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,摩擦力在渦流的發(fā)育中起著重要作用。

        由于疏浚工程完成后將要開展安海灣內(nèi)南安一側(cè)的五里橋畔休閑慢道景觀深化項(xiàng)目,該項(xiàng)目北接五里橋文化公園,南接石井鎮(zhèn),全長(zhǎng)約為7.2 km,疏浚工程會(huì)導(dǎo)致安海灣內(nèi)的地形條件被改變,考慮到疏浚工程導(dǎo)致安海灣海域水動(dòng)力環(huán)境改變對(duì)后續(xù)安海灣工程項(xiàng)目實(shí)施對(duì)該項(xiàng)目以及后續(xù)可能開展的其他項(xiàng)目可能產(chǎn)生的影響,在已有的水文觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上,本文采用MIKE21 Flow Model 建立安海灣潮流模型方法對(duì)灣內(nèi)工程前后潮汐、潮流特性展開研究。

        1 工程概況

        安海灣口門寬度0.8 km,海灣東西寬1.88 km,南北長(zhǎng)9 km,屬狹長(zhǎng)半封閉型小海灣,面積13.13 km2。低平潮時(shí)灘涂面積9.79 km2,占海灣總面積的75%,海灣北側(cè)有大約100 hm2的水草灌木灘涂分布,水深較大處位于口門西側(cè)以及進(jìn)入灣內(nèi)的狹長(zhǎng)航道處。疏浚區(qū)總面積約7.9 km2,清理沙場(chǎng)區(qū)面積約0.24 km2。疏浚區(qū)北至安海灣灣頂,南至安海灣口門白沙頭附近,共分為4 個(gè)區(qū),其中疏浚區(qū)范圍如圖2 所示,疏浚區(qū)1 的面積為7.45 km2,疏浚底高程為-11.956 m(基準(zhǔn)面為85 國(guó)家高程,下同);疏浚區(qū)2 的面積為0.32 km2,疏浚底高程為-4.956 m;疏浚區(qū)3 的面積為0.12 km2,疏浚底高程為-2.956 m;疏浚區(qū)4 的面積為0.03 km2,疏浚底高程為-0.956 m。晉江一側(cè)疏浚區(qū)邊界線(坡頂線)距現(xiàn)有海堤前沿線的距離為50 m,南安一側(cè)疏浚區(qū)邊界線(坡頂線)距現(xiàn)有海堤前沿線的距離為140~270 m,疏浚邊坡坡度取1:10,總疏浚量7.7×107m3。

        圖2 疏浚區(qū)域Fig.2 Dredging area

        2 數(shù)學(xué)模型的建立及驗(yàn)證

        本文采用丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的MIKE21 Flow Model 模型[8]中的水動(dòng)力模塊(HD)建立安海灣潮流數(shù)學(xué)模型。模型通過有限體積法進(jìn)行離散,顯式歐拉法求解,具備計(jì)算速度快、易收斂、計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn)[9]。

        2.1 潮流模型控制方程

        潮流模型建立在Navier-Stokes 方程[10]的基礎(chǔ)上。在笛卡爾坐標(biāo)系下,通過對(duì)三維水平動(dòng)量方程和連續(xù)方程沿水深積分得到二維淺水方程[11]

        式中:t 為時(shí)間,s;x,y 為笛卡爾坐標(biāo);h 為總水深,m,η 為水位高程,m,d 為靜止水深,h=η+d,m;f 為科氏力系數(shù),s-1;ρ 為水的密度,kg·m-3;u,v 分別為x,y 方向的水深平均流速,m·s-1;τsx,τsy分別為x,y 方向的表面風(fēng)應(yīng)力N·m-2;τbx=ρgv,其中M 為曼寧數(shù),m1/3·s-1,τbx,τby分別為x,y 方向的底床切應(yīng)力,N·m-2;側(cè)應(yīng)力Tij包括黏性摩擦和紊動(dòng)摩擦等,通過水深平均流速沿梯度方向的變化計(jì)算如下:

        亞網(wǎng)格尺度渦流黏度由Samagorinsky 公式確定:

        式中:cs為常數(shù),在本文中取值為0.28;l 為特征長(zhǎng)度,m;變形率

        2.2 計(jì)算網(wǎng)格、邊界條件及參數(shù)設(shè)定

        模型計(jì)算范圍如圖3 所示,范圍約4 361 km2。模型對(duì)計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行漸變剖分,網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為10 810 個(gè),網(wǎng)格單元總數(shù)為19 810 個(gè),在安海灣區(qū)域進(jìn)行了局部加密,最小的網(wǎng)格步長(zhǎng)約33 m,至外海網(wǎng)格逐漸擴(kuò)至9 470 m。

        模型開邊界包括東、南、西外海開邊界以及河口邊界(見圖3),潮流模型的外海開邊界采用潮位過程控制,潮位過程由MIKE21 軟件包中的全球潮汐預(yù)報(bào)模型提供,流量根據(jù)實(shí)測(cè)資料河口1 取10 m3·s-1,河口2 取15 m3·s-1,河口3 取15 m3·s-1。研究區(qū)域隨著潮位漲落,部分區(qū)域在落潮時(shí)岸灘出露,因此邊界區(qū)域采用動(dòng)邊界處理潮間帶干濕交換過程,干水深hdry、淹沒水深hflood和濕水深hwet分別取0.005 m、0.05 m 和0.1 m,曼寧數(shù)根據(jù)底部泥沙粒徑和水深分布取值26~120。在時(shí)間上采用一階顯性歐拉法進(jìn)行離散[12],一階顯式歐拉法有較高的計(jì)算效率,但時(shí)間步長(zhǎng),需受克朗數(shù)的限制。本文在保證計(jì)算精度的前提下,選擇計(jì)算快速的一階顯式歐拉法。模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)在0.1~30 s 的范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié),從而保證模型計(jì)算時(shí)始終保證克朗數(shù)CFL<1。

        2.3 模型驗(yàn)證

        安海灣潮流模型潮位驗(yàn)證資料采用文獻(xiàn)[13]中后石以及大嶝驗(yàn)證點(diǎn),驗(yàn)證時(shí)段為2013 年9 月11 日00:00 至2013 年9 月15 日00:00,潮流驗(yàn)證資料采用文獻(xiàn)[14]中1#和2#驗(yàn)證點(diǎn),驗(yàn)證時(shí)段為2014 年10月24 日8:00 至2014 年10 月25 日10:00,后石、大嶝、1#和2#驗(yàn)證點(diǎn)位置如圖3 所示。

        為了定量的評(píng)價(jià)模型模擬結(jié)果,本文采用WILLMOTT[15]提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià):

        式中:Mi為模擬值;Di為實(shí)測(cè)值;為實(shí)測(cè)平均值。skill 值代表了實(shí)測(cè)值與實(shí)測(cè)平均值的偏差,1~0.65 為極好,0.65~0.5 為非常好,0.5~0.2 為好,0.2~0 為差,計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

        圖5 流速流向驗(yàn)證Fig.5 Verification of flow velocity and direction

        由表1 可以看出,潮流模型評(píng)價(jià)均為極好,說明建立的安海灣潮流模型是合理的,能夠很好的模擬該區(qū)域的潮流特征。

        表1 模型效率系數(shù)Tab.1 The index of agreement

        3 工程影響分析

        為研究安海灣疏浚工程對(duì)工程前后潮流的影響,數(shù)學(xué)模型修改了工程區(qū)域的高程以反映設(shè)計(jì)工況以及因水深變化而改變的曼寧數(shù),其余計(jì)算參數(shù)與驗(yàn)證模型相同。

        3.1 潮流響應(yīng)分析

        圖6 為疏浚工程前后典型時(shí)刻流速變化(工程后減工程前),潮流為半日潮。潮流的運(yùn)動(dòng)形式通常可以分為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流兩種,旋轉(zhuǎn)流是潮流運(yùn)動(dòng)的基本形式,一般在外海和開闊的海域?yàn)樾D(zhuǎn)流,在近岸區(qū)、海峽、水道、河口等以往復(fù)流為主[16]。潮流運(yùn)動(dòng)形式可依主要分潮M2 的橢圓率K 予以判定,對(duì)D1、D3 以及D4 分析點(diǎn)(圖1)的潮流橢圓率K 如表2 所示,其中D1、D3 橢圓率較小,說明這2 個(gè)點(diǎn)位處潮流為往復(fù)流,D4 橢圓率較大,是由于該點(diǎn)位距岸線較近,受岸線影響較大,研究區(qū)域總體表現(xiàn)為順岸往復(fù)流,漲潮流基本指向?yàn)檎狈较颍涑绷骰局赶驗(yàn)檎戏较?。由于疏浚工程使得工程區(qū)域整體得到浚深,使得流速的變化主要發(fā)生在原航道處以及口門處,航道處流速有了明顯的下降,流速減幅最高達(dá)0.44 m·s-1,灣內(nèi)整體流態(tài)變得更加平穩(wěn)??陂T處由于口門寬度不變而灣內(nèi)地形浚深,使得流速增幅最高達(dá)0.41 m·s-1。

        圖1 工程區(qū)域Fig.1 Project area

        表2 調(diào)和分析結(jié)果Tab.2 Results of tidal current harmonic analysis

        圖6 典型時(shí)刻流速變化Fig.6 Distribution contours of velocity magnitude change at representative time

        工程實(shí)施前后,大潮期灣口斷面H-H(圖1)潮量的變化情況見表3。從表中可以看出,疏浚后,通過灣口斷面的漲、落潮量均有所增加。疏浚后,灣口斷面漲潮時(shí)潮量增加8.58×106m3,落潮時(shí)潮量增加8.61×106m3。疏浚后,安海灣內(nèi)漲、落潮量增加,這主要是由于疏浚后,水深增加較多而使得納潮量增加。

        D1、D2、D3 以及D4 分析點(diǎn)(圖1)潮位過程線對(duì)比見圖7 和圖8,潮波從口門向?yàn)硟?nèi)傳播,由于受到底摩擦和地形的反射作用,口門處與灣內(nèi)相位差逐漸變大(圖7a)。在疏浚工程完成后,由于底摩擦變小,潮波由口門向安海灣內(nèi)傳播過程中所形成的相位差減少(圖7b)。由圖8a、圖8b、圖8c 可知,潮流從外海向安海灣傳播的過程中,漲落潮歷時(shí)不對(duì)稱性在疏浚之后得到明顯增強(qiáng),疏浚過后的落潮歷時(shí)從圖中可以明顯看出較疏浚前有所增加,相應(yīng)的漲潮歷時(shí)有所減小,振幅較疏浚前有所減小。圖8d 所示D4 點(diǎn)位由原來的低潮時(shí)潮灘外露,經(jīng)過疏浚,此處水深增大,改善了這一區(qū)域的通航條件。

        圖7 疏浚工程前后D1 與D4 潮位對(duì)比Fig.7 Comparison of D1 and D4 tidal levels before and after dredging project

        圖8 疏浚工程前后潮位對(duì)比Fig.8 Tide level comparison before and after dredging project

        3.2 余流特征分析

        將1 個(gè)固定測(cè)站的25 h 等間距流矢量相加,再除以25 h,剩余的那部分就叫歐拉余流[17]。從圖9 安海灣歐拉余流場(chǎng)對(duì)比圖可以看出,水的凈輸移大部分是朝向?yàn)惩獾?。在灣?nèi),余流整體強(qiáng)度較弱,疏浚前主要在航道處有朝向外的余流,其余位置預(yù)留較小,在疏浚后航道處余流減小,而在口門處,由于口門較窄,且疏浚工程使得灣內(nèi)地形改變較大,口門處漲落潮時(shí)斷面通量較疏浚前有了很大的提升,余流在口門處變化較大。從圖中可以明顯看出,疏浚后余流在口門右側(cè)形成了1 個(gè)渦旋,口門處的地形以及灣內(nèi)疏浚使得口門斷面通量增大是渦旋較疏浚前增強(qiáng)明顯的主要驅(qū)動(dòng)力。

        圖9 工程實(shí)施前后歐拉余流場(chǎng)Fig.9 Eulerian residual current field without and with works

        4 結(jié)論

        本文采用MIKE21 Flow Model 建立了安海灣潮流數(shù)學(xué)模型,計(jì)算和分析了疏浚工程前后地形變化對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響,得出以下主要結(jié)論:

        (1)由于疏浚工程使得工程區(qū)域潮灘減少,潮波從口門向?yàn)硟?nèi)傳播過程中受到的底摩擦作用減小,使得口門測(cè)量點(diǎn)至灣內(nèi)測(cè)量點(diǎn)之間的相位差較疏浚前減少明顯。

        (2)由于疏浚工程對(duì)工程區(qū)域整體的挖深,安海灣內(nèi)整體的流速較之疏浚前有所下降,尤其在航道處流速下降明顯,口門處則由于狹窄口門地形的影響,加之安海灣整體納潮量的增加,使得口門處流速較疏浚工程前增加明顯。

        (3)灣內(nèi)余流場(chǎng)整體變化不大,由于疏浚工程對(duì)工程區(qū)域地形的改變,疏浚區(qū)域底摩擦減少,口門處渦旋有所增強(qiáng)。

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