陳逸航，高勁松

(南寧師范大學(xué)，北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530001)

大風(fēng)江，又名平銀江，上游(靈山伯勞河段)河面寬約40 m，平常水深0.8 m左右；中游(那彭河段)河面寬約70 m，平常水深1.0 m左右；下游(平銀河段)河面寬約100 m，平常水深1.5 m左右。大風(fēng)江流域有著天然的資源，不僅有國家級(jí)紅樹林保護(hù)區(qū)，還有豐富的漁業(yè)資源、浮游生物等。海洋工程施工期間所造成的懸浮泥沙擴(kuò)散導(dǎo)致局部海域懸浮物增加，從而影響水體的透光性[1]，進(jìn)而影響浮游植物的光合作用乃至海洋生態(tài)環(huán)境[2]。前人采用多種數(shù)值模擬方法分析了工程造成的懸浮泥沙擴(kuò)散規(guī)律和特征[3-7]，為區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了重要的科學(xué)依據(jù)和參考價(jià)值。針對北部灣懸浮泥沙研究，許晟軼[8]通過三維水動(dòng)力數(shù)值模型計(jì)算了廣西沿海重點(diǎn)港灣的懸浮泥沙分布。MIKE21模型為丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，廣泛應(yīng)用于海岸河口的潮流模擬和懸沙擴(kuò)散輸移[9-12]。一些學(xué)者通過MIKE21模型對廣西北部灣典型港灣的懸浮泥沙擴(kuò)散特征進(jìn)行了詳細(xì)分析[9,13-17]；梁文等[18]運(yùn)用遙感技術(shù)分析了廉州灣的懸浮泥沙動(dòng)態(tài)特征。然而，針對大風(fēng)江懸浮泥沙的研究報(bào)道較少見。羅亞飛等[19]通過實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合Landsat TM、ETM衛(wèi)星影像，對大風(fēng)江附近海域懸沙進(jìn)行遙感反演以及輸移特征分析，發(fā)現(xiàn)大風(fēng)江的懸沙濃度水平整體較小，江口以內(nèi)水體懸沙濃度明顯高于外海，且懸沙分布還受西南向沿岸流、季風(fēng)等的影響。目前還未見有文章針對大風(fēng)江的懸浮泥沙進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本研究以大風(fēng)江大橋?yàn)槔?，基于MIKE模型分析流場變化特征以及懸浮泥沙擴(kuò)散特征，為大風(fēng)江的海洋環(huán)境保護(hù)提供科技支撐。

1 模型設(shè)置

1.1 廣西北部灣潮流模型構(gòu)建與驗(yàn)證

為給大風(fēng)江模型提供潮位邊界條件，本研究先構(gòu)建北部灣潮波數(shù)學(xué)模型。外海開邊界由潮位控制，其潮位數(shù)據(jù)由NAO大洋潮汐預(yù)報(bào)模式提供，并結(jié)合沿岸潮位站驗(yàn)證資料予以調(diào)整。整體模式中，NAO99b及NAO99Jb提供了包含M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1、M1、J1、OO1、2N2、Mu2、Nu2、L2、T2等共16個(gè)天文分潮的調(diào)和常數(shù)，適用于中國沿海特定期間的短期逐時(shí)潮位預(yù)報(bào)，控制方程組的數(shù)值求解采用有限體積法，模型計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并在廣西沿岸進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格間距局部岸線處約200 m，外海開邊界最寬處約7 000 m，網(wǎng)格單元共計(jì)34 918個(gè)。

模型岸線采用現(xiàn)狀岸線，越南一側(cè)岸線采用美國海洋大氣局(NOAA)提供的數(shù)據(jù)；水深地形采用中國人民解放軍海軍司令部航海保證部2005年版之后的海圖，廣西沿岸局部港灣水深更新至2016年。水深及潮位資料統(tǒng)一至當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?。模型?jì)算起止時(shí)間根據(jù)實(shí)測水文資料設(shè)定，時(shí)長約90 d。

為驗(yàn)證廣西北部灣潮流模型的準(zhǔn)確性，選取白龍尾、炮臺(tái)角以及企沙潮位站2012年1月的潮位資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖1所示(從上至下分別為白龍尾、炮臺(tái)角以及企沙潮位站)，模擬和監(jiān)測結(jié)果的相位變化和振幅都比較一致，驗(yàn)證結(jié)果較好，可為大風(fēng)江潮流模型提供開邊界。

圖1 白龍尾、炮臺(tái)角、企沙等3個(gè)觀測站的監(jiān)測水位和模擬水位驗(yàn)證Fig.1 Verification of monitoring water level and simulated water level at three observation stations of Bailongwei,Paotaijiao and Qisha

1.2 大風(fēng)江二維潮流數(shù)值模型構(gòu)建

大風(fēng)江潮流數(shù)值模型的計(jì)算區(qū)域、工程區(qū)位置以及驗(yàn)證點(diǎn)布置如圖2所示。計(jì)算范圍為108.41°-109.17° E、21.39°-21.91° N，包括欽州灣、三娘灣和廉州灣，由于項(xiàng)目所在海域島嶼眾多，岸線曲折，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格可以較好地貼合自然岸線，提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，便于各種工程的準(zhǔn)確布置。計(jì)算區(qū)域的工程前網(wǎng)格剖分如圖2所示，在工程區(qū)附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。計(jì)算空間步長20-2 500 m，網(wǎng)格單元18 302個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)10 004個(gè)。水深地形數(shù)據(jù)采用2012版流沙灣至東興港海圖、2012版欽州灣海圖、2012版大風(fēng)江口海圖、廣西908專項(xiàng)以及2019年8月局部海域調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算區(qū)域地形分布如圖3所示。岸線采用最新的資料。外海潮位開邊界由廣西北部灣潮流模型提供，大風(fēng)江上游開邊界距工程區(qū)約16 km，本研究考慮徑流量的作用。由于4月中旬為洪枯過渡季節(jié)，故大風(fēng)江干流流量估取稍大于年平均徑流量，即20 m3/s，丹竹江支流估取10 m3/s。水深及潮位均統(tǒng)一至當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?，坐?biāo)系統(tǒng)采用北京54坐標(biāo)系。潮位驗(yàn)證資料時(shí)間為2020年4月14日11:00至2020年4月15日14:00，潮流實(shí)測資料為2020年4月14日12:00至2020年4月15日13:00在大風(fēng)江海域大潮期調(diào)查的6個(gè)潮流站資料，時(shí)間與潮位站觀測時(shí)間一致。模型計(jì)算時(shí)間從2020年4月1日至30日共30 d。

圖2 大風(fēng)江潮流模型計(jì)算區(qū)域及觀測站分布圖Fig.2 Dafengjiang River tidal current model calculation area and observation station distribution map

圖3 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分圖(a)和水深地形分布圖(b)Fig.3 Grid partition map of calculation area (a) and distribution map of bathymetric topography (b)

計(jì)算擬建大橋樁基對流場的影響時(shí)，由于樁基的尺寸小于計(jì)算網(wǎng)格的尺度，網(wǎng)格無法反映樁基的存在，模擬計(jì)算參閱文獻(xiàn)[20]對橋墩進(jìn)行概化處理。

對橋墩所在網(wǎng)格的原水深進(jìn)行水深修正：

式中，ΔH為樁基所在區(qū)的折減水深；B1為樁墩迎水面寬度，B0為網(wǎng)格過水?dāng)鄬挾龋籋為原網(wǎng)格水深。橋墩所在網(wǎng)格單元的糙率按下式計(jì)算局部阻力系數(shù)：

式中，n為橋墩所在單元的綜合糙率；nc為床面糙率；nd為橋墩糙率；ζ為橋墩阻力系數(shù)；β為橋墩形狀系數(shù)，取0.85。

1.3 大風(fēng)江二維潮流數(shù)值模型驗(yàn)證

對三娘灣潮位站實(shí)測水位過程與計(jì)算值進(jìn)行比較(圖4)，起始時(shí)間為2020年4月14日11：00，圖4中紅線為計(jì)算的潮位值，黑點(diǎn)“◆”為實(shí)測值。從圖4可以看出，計(jì)算的潮位過程與實(shí)測資料吻合較好。驗(yàn)證結(jié)果表明采用的二維潮流數(shù)值模型能較好地模擬大風(fēng)江所在海域水位變化過程，也為準(zhǔn)確模擬當(dāng)?shù)氐某绷髯兓^程奠定基礎(chǔ)。

圖4 三娘灣潮位站的監(jiān)測水位與模擬水位驗(yàn)證Fig.4 Verification of monitoring water level and simulation water level at the Sanniang Bay tide station

圖5給出了4個(gè)潮流測站(1#、2#、3#、4#)的流速計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較，流向以北方向?yàn)槠鹗?，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。由圖5可知，各驗(yàn)證點(diǎn)計(jì)算流速和實(shí)測資料基本吻合，流向驗(yàn)證較好，最大誤差小于10%，總體來看，流速過程線的形態(tài)基本一致，表明建立的二維潮流數(shù)學(xué)模型能較好地模擬工程所在海區(qū)水流傳播過程和水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖5 4個(gè)站點(diǎn)的流速和流向驗(yàn)證Fig.5 Flow velocity and direction verification at 4 stations

1.4 懸浮泥沙擴(kuò)散模型

1.4.1 基本方程

采用二維懸沙輸運(yùn)方程預(yù)測施工期間產(chǎn)生的懸浮物對水質(zhì)的影響，平面二維懸沙運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中，C為垂向平均含沙量，ε為垂向平均的擴(kuò)散系數(shù)，

FC=SC+

式中，SC為輸入源強(qiáng)，a為沉積系數(shù)，M為沖刷系數(shù)，τb為底部切應(yīng)力，τe為臨界沖刷切應(yīng)力，τd為臨界淤積切應(yīng)力。通過聯(lián)立水動(dòng)力方程數(shù)值求解懸浮物擴(kuò)散方程。

1.4.2 源強(qiáng)計(jì)算

廢水泥沙的產(chǎn)生量與管樁下壓的深度、管樁體積和施工抽水工況等因素有關(guān)，其進(jìn)入海洋環(huán)境的泄漏量可按產(chǎn)生量的5%估算。鋼護(hù)筒內(nèi)廢水泥沙的產(chǎn)生量采取以下公式進(jìn)行測算：

G=1/4πd2·h·ρ，

其中,G為樁基施工時(shí)產(chǎn)生的護(hù)筒內(nèi)泥沙量，分為不同橋段相應(yīng)泥沙產(chǎn)生量，此處取大橋區(qū)段平均值;d為護(hù)筒直徑，比樁基本身略大10-20 cm，本研究取15 cm，本工程橋墩樁基直徑為2.20 m，引橋墩1.80 m，則d橋墩樁為2.35 m，d引橋墩樁為1.95 m；h為各區(qū)段海底覆蓋層厚度，平均約10 m；ρ為覆蓋層泥沙濃度，約為1.47×103kg/m3。

根據(jù)上述公式，單日(施工10 h計(jì))懸浮物泄漏量按照泥沙產(chǎn)生量的5%估算，則本工程單個(gè)主橋墩樁基施工產(chǎn)生懸浮物泄漏源單點(diǎn)強(qiáng)為0.088 6 kg/s；每組主橋墩同一時(shí)間只能施工2個(gè)樁基，則懸浮物源強(qiáng)為0.177 2 kg/s；每組引橋墩同一時(shí)間只能施工1個(gè)樁基，則單個(gè)引橋墩樁基施工產(chǎn)生懸浮物泄漏源單點(diǎn)強(qiáng)為0.061 0 kg/s。本研究選擇低潮時(shí)作為泥沙的釋放時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 大風(fēng)江潮流場特征

由圖6和圖7可知，淺灘、島嶼周圍以及岸邊流速相對較小，流向多變；航道和深槽處流速較大，流向與航道、深槽走向基本一致。漲急時(shí)外海水沿著西北向進(jìn)入大風(fēng)江，并順著河道上溯至上游地區(qū)，最大流速為0.80 m/s；落急時(shí)，上游各支汊水流匯入主流后沿東南偏南向到達(dá)河口地區(qū)，再轉(zhuǎn)為西南向流向外海，最大流速為0.89 m/s。大風(fēng)江海域落急流速(平均流速為0.42 m/s)大于漲急流速(平均流速為0.28 m/s)。擬建的大橋區(qū)域潮流流向受地形限制，漲急和落急方向?yàn)槲鞅?東南向。

圖6 工程前大風(fēng)江海域漲急和落急時(shí)刻流場Fig.6 Flow field of flood and ebb peak in the Dafengjiang River sea area before construction

圖7 工程前工程區(qū)附近局部海域漲急和落急流場Fig.7 Flow field of flood and ebb peak in local sea area near project area before construction before construction

2.2 大橋建設(shè)對大風(fēng)江潮流場影響

本研究模擬了大橋建設(shè)后的漲急和落急流場分布(圖8)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)大風(fēng)江的潮流場變化不大，流場的變化主要集中在大橋附近。為定量分析大橋建設(shè)對大風(fēng)江的潮流場影響情況，在擬建大橋周邊海域選取20個(gè)特征點(diǎn)(T1-T20，圖9)。由表1可知，無論是漲急還是落急時(shí)刻，大橋建設(shè)對流場的影響主要集中在橋兩端2 km距離范圍內(nèi)。漲急時(shí)刻，特征點(diǎn)T5和T12的流速變化在6%以上；落急時(shí)刻，特征點(diǎn)T12和T13的流速變化在8%以上，集中在橋的東北端。橋的西南端(T1、T8、T9、T16和T17)流速變化較小。因此，橋墩對流場的影響主要在橋的東北端海域。

圖8 大橋建設(shè)后附近海域漲急和落急流場Fig.8 Flow field of flood and ebb peak near sea area after bridge construction

圖9 大橋附近特征點(diǎn)分布Fig.9 Distribution of feature points around the bridge

表1 大橋建設(shè)前后特征點(diǎn)流速比較Table 1 Comparison of flow velocity of feature points before and after bridge construction

續(xù)表Continued table

2.3 懸浮泥沙擴(kuò)散特征

基于潮流模型，本研究對擬建大橋橋墩施工引起的懸浮泥沙擴(kuò)散特征進(jìn)行模擬(圖10)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，泥沙釋放時(shí)間為低潮時(shí)。由于落潮流大于漲潮流，因此落潮期間濃度10 mg/L的懸浮泥沙的包絡(luò)面積(10.11 km2)遠(yuǎn)大于漲潮期間的包絡(luò)面積(1.10 km2)。落潮時(shí)最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為7.15 km，漲潮時(shí)最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為2.69 km。懸浮泥沙的擴(kuò)散方向與漲潮流和落潮流方向一致，均沿著西北向和東南向擴(kuò)散。由于懸浮泥沙的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致局部海域懸浮物增加，從而影響水體的透光性[1]，進(jìn)而影響浮游植物的光合作用乃至海洋生態(tài)環(huán)境[2]，因此建議控制施工規(guī)模，并采取防污簾等措施來減少懸浮泥沙的擴(kuò)散。

圖10 漲潮和落潮期間懸浮泥沙濃度>10 mg/L的包絡(luò)面積Fig.10 Envelope area of suspended sediment with the concemtration >10 mg/L during flood and ebb tide

表2 漲潮和落潮期間懸浮泥沙增量包絡(luò)面積及最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離Table 2 Incremental envelope area and the largest diffusion distance of suspended sediment during flood tide and ebb tide

3 結(jié)論

海洋工程施工期間所造成的懸浮泥沙擴(kuò)散導(dǎo)致局部海域懸浮物增加，從而影響水體的透光性及海洋生態(tài)環(huán)境。本研究通過構(gòu)建廣西北部灣潮流模型從而提供開邊界數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建大風(fēng)江潮流模型和懸浮泥沙擴(kuò)散模型，發(fā)現(xiàn)模擬的潮位和潮流結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好。大風(fēng)江呈現(xiàn)往復(fù)流特征，漲急時(shí)最大流速為0.80 m/s，落急時(shí)最大流速為0.89 m/s，落急流速(平均流速為0.42 m/s)大于漲急流速(平均流速為0.28 m/s)。擬建大橋建設(shè)對大風(fēng)江的潮流場影響有限，影響主要集中在橋的東北端海域。當(dāng)懸浮泥沙在低潮釋放時(shí)，落潮期間濃度>10 mg/L的懸浮泥沙包絡(luò)面積(10.11 km2)遠(yuǎn)大于漲潮期間的包絡(luò)面積(1.10 km2)。同時(shí)落潮時(shí)最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為7.15 km，漲潮時(shí)最遠(yuǎn)擴(kuò)散距離為2.69 km。懸浮泥沙的擴(kuò)散方向與漲潮流和落潮流方向一致，分別沿著西北向和東南向擴(kuò)散。懸浮泥沙的擴(kuò)散會(huì)對周邊海域的水質(zhì)造成一定影響，因此建議控制施工規(guī)模并采取防污簾等措施來減少懸浮泥沙擴(kuò)散。