連島造地工程對潮流和海床影響的數值分析

婁海峰,朱曉映,胡金春,

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.瑞安市水利局,浙江 瑞安 325200)

1 問題的提出

小島綜合開發的前提在于土地資源的供給與大陸經濟腹地的聯系,其中前者往往是制約性的因素。舟山市金塘島自金塘大橋建成后,區域優勢十分明顯,金塘島北部小島眾多,島群間的連島造地是解決該區域土地資源緊缺的主要途徑,圍海造地不僅已為舟山市發展農業、鹽業、養殖業提供了大量用地,而且也為港口建設、城市工業及生活設施等提供了用地,是解決舟山市人多地少,經濟、社會發展與土地不足之間矛盾的重要途徑。連島工程將改變周圍的水動力條件,勢必引起海域泥沙輸移的變化,重新調整海床高程,使之與水流相適應,海床沖淤變化是否會影響已有的碼頭和深水航道,應予以研究。本文采用二維潮流數值模型結合經驗公式預測工程實施后潮流場和海床的變化,為工程決策提供技術依據。

2 自然條件概況

連島造陸工程位于舟山市定海區金塘鎮,處于金塘島岸線西北部。工程涉及大鵬山、金塘島、甘池山、大髫果山、小髫果山、魚龍山、大菜花山、小菜花山、橫檔山7個島嶼。瀝港水道為大鵬山與金塘島之間的水域通道,水道平均寬度約500m,最窄處約300 m,北出口寬900 m,南接島杵山和金塘島間的漲潮沖刷槽,最大水深可達10 m以上,出大鵬山向北,水流擴散,形成一個較為廣闊的水下淺灘,沖刷槽止于山體北端。淺灘以北島嶼眾多,島嶼受漲落潮流的作用,形成大小不等的局部沖刷坑,有些島嶼間沖刷坑相連為較深的峽道,大菜花山與魚龍山之間的通道水深大于50m,大多數島嶼的通道水深在20 m以內。

圖1為2008年3月水文測量資料的6條水文垂線大潮垂線平均流矢圖,測次測區各垂線中的平均流況以P5垂線為最強,大潮汛漲、落潮流的垂線平均最大流速分別為1.81 m/s和1.60 m/s,P1、P6垂線次之,P3垂線最弱。工程區域內島嶼眾多,流場極為復雜,狹道中顯現出往復流特征,如P1、P2垂線,其他垂線受周邊地形及水道影響,流矢發散,呈現旋轉流特點,開闊處旋轉性較強。

圖1 實測流矢圖

工程海域含沙量呈西高東低趨勢,季節性變化明顯,自冬季經春季到夏季逐漸減少,從冬、春、夏含沙量測量數值來看,該海區含沙量為0.18～2.13 kg/m3,而春季測量值能較好地代表全年平均的含沙量值,其值為1.0 kg/m3。

3 二維潮流數學模型的建立

3.1 模型的選擇

研究工程引起的海床沖淤變化,其中關鍵之一就是水動力場的模擬,潮流的分布和變化是海域泥沙運動的主導因素,所以需首先建立金塘島海域的潮流數學模型。金塘島海域潮強流急,垂向摻混較充分,可采用垂線平均的平面二維潮流數學模型計算流速場的變化,在此基礎上開展海床沖淤的分析。工程實施后的海床地形變化預測選用半經驗半理論的回淤強度公式估算。

3.2 控制方程

沿垂線平均的二維非恒定流數學模型:

式中:z為潮位(m),即某一基準面上的水面高度;u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);H為水深(m);g為重力加速度(9.81 m/s2);f為柯氏力參數(f=2ωesinφ,φ為緯度,ωe為地球自轉角速度);Cz為謝才系數;εx,εy分別為水流在x,y方向的渦動擴散系數;Wx,Wy分別為x,y方向的風應力分量;x,y為直角坐標;t為時間。

方程(1)為水流連續方程,方程(2)、(3)分別為x、y方向的動量守恒方程。上述方程中未知數 z、u、v,在一定的初始條件和邊界條件下可得數值解。

有了以上條件,就可用一定的離散格式求出方程的解。目前求解上述方程的數值計算方法很多,較為流行的有ADI法、破開算子法、直接差分法、特征線法和有限單元法等。鑒于三角形網格的有限元法具有比較容易地擬合復雜的邊界地形條件,網格布置靈活,局部加密方便,適應性強的特點,本次計算選用顯式迎流有限元模式。

工程實施后的海床地形預測選用半經驗半理論的回淤強度公式(4)估算:

式中:P為拋壩后的淤積厚度;v1、v2分別為工程前、后的流速;H1、H2分別為工程前、后的水深;s為工程區域沿垂線平均含沙量;ω為泥沙沉降速度(在河口海岸地區應考慮絮凝的影響)。

3.3 計算條件

流場的計算范圍自乍浦往東至外海深水區,其橫向寬約200 km,北起南匯嘴,南至石浦,其縱向長度約190 km,計算域水域總面積約為22 584 km2。網格布置(見圖2)充分利用了三角形網格的優點,按照重點關鍵水域網格密、其他水域疏的原則剖分,共布置2.4萬個計算節點和4.5萬個三角形單元,域內最大水深達100 m以上,最小空間步長約為30m,計算時間步長為1 s。

圖2 網格布置圖

對于流場的計算,岸邊界采用可滑不可入條件。對于近岸水邊界乍浦采用實測潮位過程,南匯嘴、石浦則采用潮汐表預報值,外海水邊界利用全球潮汐模型(TPXO6)求得,該模型通過10個分潮推算天文潮位,包含8個主要分潮 M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1,以及2個長周期分潮 Mf和Mn,基本能夠構造出外海深水處真實的天文潮過程。

3.4 潮位和潮流的驗證

圖3 潮位、潮流驗證圖

工程區域內島嶼眾多、地形和流場都極為復雜,狹道中顯現出往復流特征,開闊處旋轉性較強。驗證采用2008年3月的水文測量資料,圖3為部分點位潮位、流速驗證過程圖。模型的驗證計算結果表明,模型采用的計算參數基本合理,計算方法可靠,能夠模擬工程海域的潮波運動特性。

3.5 拋壩促淤效果驗證

仇家門海區與本工程區域相近,文獻[1]曾用二維潮流數學模型對仇家門堵壩工程前后的流場進行了計算,并用堵壩前后的實測地形對公式 (5)進行了驗證,驗證時間段分為2個,分別為1978—1984年和 1978—1991年。在圍區內取3個點,有2個位于1984年測圖-1.8 m等深線處(P1和P2),還有1個點位于壩近旁(P3)。從拋壩產生影響開始,處于1984年測圖-1.8m線處的2個測點原高程分別-18.3 m和-16.6 m,至1984年,分別淤厚16.5 m和14.8 m,到1991年2處分別淤積17.3 m和15.6 m。壩址近旁測點原來的高程為-19.53 m,至1991年已在0 m高程以上。

驗證結果表明,利用公式(5)計算得到拋壩工程實施后圍區3個測點的淤積過程與實測值比較吻合(見圖4)。淤積計算公式中的系數采用:泥沙沉降幾率α=0.35,沉降速度ω=0.000 4 m/s,平均含沙量s=0.50 kg/m3,泥沙干密度γ=650 kg/m3,測點處水深約為16～20 m。

圖4 拋壩促淤效果驗證圖

4 漁港及圍涂方案工程對周邊水域影響

4.1 方案布置

對以下4個方案進行研究,各方案布置見圖5。其中方案1為漁港擴建工程防波堤工程,布置東、西2條堤,東堤將小髫果山與金塘山相連,西堤將大髫果山與大鵬山相連接。方案2、3、4則在實施防波堤工程的同時,在西堤西側、東堤東側區域進行不同規模的連島造地圍涂。

圖5 各方案布置圖

4.2 流速變化

4.2.1 現狀流場特征

工程區域內島嶼眾多,而且區域東西兩側漲、落潮時刻不一致,流場極為復雜。圖5顯示了工程區域落急、落憩、漲急、漲憩等時刻的小范圍流場。

落急時,進入大、小髫果山之間的落潮流分為3部分,東股潮流進入魚龍山與金塘島間的水域,中股潮流進入瀝港水道,西股潮流穿過甘池山與大鵬山間的水道,很明顯,進入瀝港的落潮流全部來自大、小髫果山間的水道,并且都從島杵山與金塘島間的水道穿出。由于金塘東側的西堠門水域轉流時刻要比大鵬山以西水域提前約50 min,所以在西堠門水域落憩(轉流)前30 min,進入瀝港的落潮流絕大部分已來自魚龍山與金塘島之間的水域;至大鵬山以西水域落憩時,圍區內漲潮流由來自瀝港水道部分(較弱)和來自橫擋山與金塘島之間水道部分 (較強)組成,并且主要出大髫果山與大鵬山間的水道。

漲急時,出大、小髫果山之間的漲潮流由3部分組成,自西向東分別為大髫果山與大鵬山間部分潮流、瀝港部分潮流、魚龍山與金塘島間部分潮流,大、小髫果山之間成為圍區漲潮流的主要通道,很明顯,進入瀝港的漲潮流全部來自島杵山與金塘島間的水道,并且都從大、小髫果山間的水道穿出。至西堠門水域轉為落潮后30min時,因為大鵬山以西水域還在漲潮,潮流又變為從大、小髫果山與大鵬山間的水域自西向東穿過圍區;而到大鵬山以西水域也開始轉流時,大、小髫果山與大鵬山間水域的落潮流除部分穿過魚龍山與金塘間的水域外,另有部分進入瀝港水道。

圖5 工程區域特征時刻流矢圖

由上述可知,大、小髫果山之間的水道是圍區的主要潮流通道,對瀝港水道的漲落潮有著最主要的影響,大髫果山和大鵬山間的水道、魚龍山和金塘間的水道也對瀝港水道的漲落潮有著一定的影響。

4.2.2 各方案對流場的改變

為了更好地了解各方案實施前、后工程附近水域流場的變化,在工程附近設了5個監測點,監測點分布見圖6。各監測點漲、落潮平均流速變化值見表1。方案1、3實施后工程區漲、落急流矢見圖7,漲、落潮平均流速變化分布見圖8、9。

數值模擬結果表明:各方案對周邊水域流場的影響基本隨工程規模的擴大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3實施后流場變化主要發生在工程近區,但方案4影響范圍較大,該方案工程東側遠區監測點P4處漲、落潮平均流速分別增大7.5%、5.2%。

表1 各方案實施后漲、落潮平均流速變化表%

圖6 監測點分布圖

圖7 方案1、3實施后工程區流矢圖

圖8 方案1實施后工程區平均流速變化分布圖(%)

圖9 方案3實施后工程區平均流速變化分布圖(%)

4.3 海床沖淤變化

數學模型應用半經驗半理論公式對工程實施后附近海床的沖淤變化進行預測,考慮到海床淤積后潮流速將發生一定的變化,因此在過程中采用了“反饋”計算。方案實施后,各監測點沖淤幅度見表2。方案1、3達到最終平衡狀態時工程區沖淤變化見圖10。

表2 各方案實施后沖淤量表

數學模型預測結果表明,各方案對周邊水域海床沖淤的影響基本隨工程規模的擴大而增大,即方案1最小,方案2、3次之,方案4最大。其中方案1、2、3實施后海床沖淤變化主要發生在工程近區,對周邊水域各深水航道基本無影響。方案4影響較大,該方案實施后大、小髫果山～大菜花山西北側水域產生淤積,地形高程由原來的-8 m左右抬高至-1～-5 m,嚴重影響了瀝港漁港北出口的船舶航行,工程東側遠區監測點P4處沖刷超過0.5 m,因此,目前暫不宜考慮。

對于瀝港水道,雖然工程實施后最初使瀝港水道過潮量有所增加,但隨著小髫果山附近海域的淤積,瀝港水道的過潮能力反而下降,平均潮流速減小,最終有一小部分泥沙落淤。對方案1進行逐年反饋計算,可以得到:瀝港水道中部、南部在工程實施初期基本呈略沖狀態,大約5 a后才開始淤積,而大、小髫果山附近水域則在前5 a內接近沖淤平衡。各方案由于瀝港水道堤線布置格局相同,因而各方案實施后瀝港水道沖淤變化相似,呈微淤狀態。

文獻 [2]曾采用數學模型、物理模型2種研究手段對工程實施后瀝港水道沖淤變化進行了研究,瀝港水道各代表斷面布置見圖11,方案1實施后數學模型、物理模型部分代表斷面沖淤成果見表3,研究表明,2種研究手段成果總體上較為一致。

圖10 方案1、3實施后工程區域淤積變化圖(單位:m)

圖11 瀝港水道代表斷面圖

表3 方案1沖淤平衡后瀝港水道部分代表斷面沖淤幅度表

5 結 論

金塘北部島群間流態復雜,連島造陸工程截斷了北部島嶼間的橫向流動,對周邊海域的流場和海床有一定的影響,總的來說,各方案對工程附近影響幅度基本隨工程規模的擴大而增大,方案1影響最小,方案2、3其次,方案4影響最大。方案1、2、3影響主要發生在工程近區,從工程對周邊水域的影響來看,這3個方案均可選,從圍涂面積來看,可選面積較大的方案3。

[1]黃世昌.舟山長白和螺門促淤圍墾工程可行性初步分析 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2003.

[2]韓海騫,婁海峰,趙鑫,等.瀝港漁港建設工程對周邊水域和海床沖淤影響研究總報告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2008.