安海湾疏浚工程潮流响应特征研究

刘文龙，毛晨浩，陈 维，蒋茗韬，宋春梅

（1.浙江海洋大学海洋工程装备学院，浙江舟山 316022；2.上海大学力学与工程科学学院，上海 200444）

安海湾是位于福建省东南部泉州市辖区围头湾内的一个狭长半封闭型小海湾，东侧为晋江市、西侧为南安市。水陆交通方便，东南方向与金门岛隔海相望。然而安海湾内滩涂面积较多，尤其在安海湾北半部，低平潮时几乎全是潮滩露出，水深条件不足。受水深条件限制，仅在石井作业区有万吨级以上深水泊位和建设条件，其余均为小泊位，东石、安海等现有码头均需乘高潮进出港。湾内有陆源排污口3 个，分别位于水头、安海及东石。海湾周围还有数条排洪沟，积有大量的废弃物、垃圾、泥沙等，洪水季节会随暴雨冲刷进入安海湾。持续恶化的生态环境以及较弱的水体交换能力，已经严重影响到安海湾的港口运输业发展及海湾纳潮量和环境容量。此次疏浚工程旨在通过对湾底泥沙的深挖疏浚，清除安海湾已受污染的湾底沉积物，彻底阻止其二次污染及扩散，扩大安海湾的纳潮量与资源环境容量。

许多学者对地形变化情况下水动力条件变化进行了研究，孙芹芹等[1]通过对不同疏浚方案的对比，从资源环境效益方面为安海湾疏浚方案的选择提供了参考依据。崔峥等[2]通过研究认为安海湾清淤后能够增加纳潮量、改善石井作业区动力及安海湾水质。张雪松[3]对半封闭海湾的水动力环境进行了研究，龚旭东等[4]从潮流、纳潮量和水交换这几个方面探讨湾内围填海对东山湾水动力环境的影响，得到随着填海面积的增加，影响范围及程度不断增大的结论。钱明霞等[5]对南港河段地形与水动力的相互响应特征进行了研究。何昆等[6]通过波浪潮流耦合作用下的数学模型，得到清淤工程的实施对唐岛湾内水动力及泥沙输移有一定影响结论。林国尧等[7]发现在研究区内欧拉余流表现为多个顺时针与逆时针的涡流，涡流分布与地形具有较好的对应关系，摩擦力在涡流的发育中起着重要作用。

由于疏浚工程完成后将要开展安海湾内南安一侧的五里桥畔休闲慢道景观深化项目，该项目北接五里桥文化公园，南接石井镇，全长约为7.2 km，疏浚工程会导致安海湾内的地形条件被改变，考虑到疏浚工程导致安海湾海域水动力环境改变对后续安海湾工程项目实施对该项目以及后续可能开展的其他项目可能产生的影响，在已有的水文观测资料的基础上，本文采用MIKE21 Flow Model 建立安海湾潮流模型方法对湾内工程前后潮汐、潮流特性展开研究。

1 工程概况

安海湾口门宽度0.8 km，海湾东西宽1.88 km，南北长9 km，属狭长半封闭型小海湾，面积13.13 km2。低平潮时滩涂面积9.79 km2，占海湾总面积的75%，海湾北侧有大约100 hm2的水草灌木滩涂分布，水深较大处位于口门西侧以及进入湾内的狭长航道处。疏浚区总面积约7.9 km2，清理沙场区面积约0.24 km2。疏浚区北至安海湾湾顶，南至安海湾口门白沙头附近，共分为4 个区，其中疏浚区范围如图2 所示，疏浚区1 的面积为7.45 km2，疏浚底高程为-11.956 m（基准面为85 国家高程，下同）；疏浚区2 的面积为0.32 km2，疏浚底高程为-4.956 m；疏浚区3 的面积为0.12 km2，疏浚底高程为-2.956 m；疏浚区4 的面积为0.03 km2，疏浚底高程为-0.956 m。晋江一侧疏浚区边界线（坡顶线）距现有海堤前沿线的距离为50 m，南安一侧疏浚区边界线（坡顶线）距现有海堤前沿线的距离为140～270 m，疏浚边坡坡度取1:10，总疏浚量7.7×107m3。

图2 疏浚区域Fig.2 Dredging area

2 数学模型的建立及验证

本文采用丹麦水力学研究所（DHI）研发的MIKE21 Flow Model 模型[8]中的水动力模块（HD）建立安海湾潮流数学模型。模型通过有限体积法进行离散，显式欧拉法求解，具备计算速度快、易收敛、计算精度高等优点[9]。

2.1 潮流模型控制方程

潮流模型建立在Navier-Stokes 方程[10]的基础上。在笛卡尔坐标系下，通过对三维水平动量方程和连续方程沿水深积分得到二维浅水方程[11]

式中：t 为时间，s；x，y 为笛卡尔坐标；h 为总水深，m，η 为水位高程，m，d 为静止水深，h=η+d，m；f 为科氏力系数，s-1；ρ 为水的密度，kg·m-3；u，v 分别为x，y 方向的水深平均流速，m·s-1；τsx，τsy分别为x，y 方向的表面风应力N·m-2；τbx=ρgv，其中M 为曼宁数，m1/3·s-1，τbx，τby分别为x，y 方向的底床切应力，N·m-2；侧应力Tij包括黏性摩擦和紊动摩擦等，通过水深平均流速沿梯度方向的变化计算如下：

亚网格尺度涡流黏度由Samagorinsky 公式确定：

式中：cs为常数，在本文中取值为0.28；l 为特征长度，m；变形率

2.2 计算网格、边界条件及参数设定

模型计算范围如图3 所示，范围约4 361 km2。模型对计算区域采用非结构网格进行渐变剖分，网格的节点总数为10 810 个，网格单元总数为19 810 个，在安海湾区域进行了局部加密，最小的网格步长约33 m，至外海网格逐渐扩至9 470 m。

模型开边界包括东、南、西外海开边界以及河口边界（见图3），潮流模型的外海开边界采用潮位过程控制，潮位过程由MIKE21 软件包中的全球潮汐预报模型提供,流量根据实测资料河口1 取10 m3·s-1，河口2 取15 m3·s-1，河口3 取15 m3·s-1。研究区域随着潮位涨落，部分区域在落潮时岸滩出露，因此边界区域采用动边界处理潮间带干湿交换过程，干水深hdry、淹没水深hflood和湿水深hwet分别取0.005 m、0.05 m 和0.1 m，曼宁数根据底部泥沙粒径和水深分布取值26～120。在时间上采用一阶显性欧拉法进行离散[12]，一阶显式欧拉法有较高的计算效率，但时间步长，需受克朗数的限制。本文在保证计算精度的前提下，选择计算快速的一阶显式欧拉法。模型的计算时间步长在0.1～30 s 的范围内自行调节，从而保证模型计算时始终保证克朗数CFL＜1。

2.3 模型验证

安海湾潮流模型潮位验证资料采用文献[13]中后石以及大嶝验证点，验证时段为2013 年9 月11 日00:00 至2013 年9 月15 日00:00，潮流验证资料采用文献[14]中1#和2#验证点，验证时段为2014 年10月24 日8:00 至2014 年10 月25 日10:00，后石、大嶝、1#和2#验证点位置如图3 所示。

为了定量的评价模型模拟结果，本文采用WILLMOTT[15]提出的统计学方法对模型的模拟结果进行评价：

式中：Mi为模拟值；Di为实测值；为实测平均值。skill 值代表了实测值与实测平均值的偏差，1～0.65 为极好，0.65～0.5 为非常好，0.5～0.2 为好，0.2～0 为差，计算结果如表1 所示。

图5 流速流向验证Fig.5 Verification of flow velocity and direction

由表1 可以看出，潮流模型评价均为极好，说明建立的安海湾潮流模型是合理的，能够很好的模拟该区域的潮流特征。

表1 模型效率系数Tab.1 The index of agreement

3 工程影响分析

为研究安海湾疏浚工程对工程前后潮流的影响，数学模型修改了工程区域的高程以反映设计工况以及因水深变化而改变的曼宁数，其余计算参数与验证模型相同。

3.1 潮流响应分析

图6 为疏浚工程前后典型时刻流速变化（工程后减工程前），潮流为半日潮。潮流的运动形式通常可以分为旋转流和往复流两种，旋转流是潮流运动的基本形式，一般在外海和开阔的海域为旋转流，在近岸区、海峡、水道、河口等以往复流为主[16]。潮流运动形式可依主要分潮M2 的椭圆率K 予以判定，对D1、D3 以及D4 分析点（图1）的潮流椭圆率K 如表2 所示，其中D1、D3 椭圆率较小，说明这2 个点位处潮流为往复流，D4 椭圆率较大，是由于该点位距岸线较近，受岸线影响较大，研究区域总体表现为顺岸往复流，涨潮流基本指向为正北方向，落潮流基本指向为正南方向。由于疏浚工程使得工程区域整体得到浚深，使得流速的变化主要发生在原航道处以及口门处，航道处流速有了明显的下降，流速减幅最高达0.44 m·s-1，湾内整体流态变得更加平稳。口门处由于口门宽度不变而湾内地形浚深，使得流速增幅最高达0.41 m·s-1。

图1 工程区域Fig.1 Project area

表2 调和分析结果Tab.2 Results of tidal current harmonic analysis

图6 典型时刻流速变化Fig.6 Distribution contours of velocity magnitude change at representative time

工程实施前后，大潮期湾口断面H-H（图1）潮量的变化情况见表3。从表中可以看出，疏浚后，通过湾口断面的涨、落潮量均有所增加。疏浚后，湾口断面涨潮时潮量增加8.58×106m3，落潮时潮量增加8.61×106m3。疏浚后，安海湾内涨、落潮量增加，这主要是由于疏浚后，水深增加较多而使得纳潮量增加。

D1、D2、D3 以及D4 分析点（图1）潮位过程线对比见图7 和图8，潮波从口门向湾内传播，由于受到底摩擦和地形的反射作用，口门处与湾内相位差逐渐变大（图7a）。在疏浚工程完成后，由于底摩擦变小，潮波由口门向安海湾内传播过程中所形成的相位差减少（图7b）。由图8a、图8b、图8c 可知，潮流从外海向安海湾传播的过程中，涨落潮历时不对称性在疏浚之后得到明显增强，疏浚过后的落潮历时从图中可以明显看出较疏浚前有所增加，相应的涨潮历时有所减小，振幅较疏浚前有所减小。图8d 所示D4 点位由原来的低潮时潮滩外露，经过疏浚，此处水深增大，改善了这一区域的通航条件。

图7 疏浚工程前后D1 与D4 潮位对比Fig.7 Comparison of D1 and D4 tidal levels before and after dredging project

图8 疏浚工程前后潮位对比Fig.8 Tide level comparison before and after dredging project

3.2 余流特征分析

将1 个固定测站的25 h 等间距流矢量相加，再除以25 h，剩余的那部分就叫欧拉余流[17]。从图9 安海湾欧拉余流场对比图可以看出，水的净输移大部分是朝向湾外的。在湾内，余流整体强度较弱，疏浚前主要在航道处有朝向外的余流，其余位置预留较小，在疏浚后航道处余流减小，而在口门处，由于口门较窄，且疏浚工程使得湾内地形改变较大，口门处涨落潮时断面通量较疏浚前有了很大的提升，余流在口门处变化较大。从图中可以明显看出，疏浚后余流在口门右侧形成了1 个涡旋，口门处的地形以及湾内疏浚使得口门断面通量增大是涡旋较疏浚前增强明显的主要驱动力。

图9 工程实施前后欧拉余流场Fig.9 Eulerian residual current field without and with works

4 结论

本文采用MIKE21 Flow Model 建立了安海湾潮流数学模型，计算和分析了疏浚工程前后地形变化对水动力环境的影响，得出以下主要结论：

（1）由于疏浚工程使得工程区域潮滩减少，潮波从口门向湾内传播过程中受到的底摩擦作用减小，使得口门测量点至湾内测量点之间的相位差较疏浚前减少明显。

（2）由于疏浚工程对工程区域整体的挖深，安海湾内整体的流速较之疏浚前有所下降，尤其在航道处流速下降明显，口门处则由于狭窄口门地形的影响，加之安海湾整体纳潮量的增加，使得口门处流速较疏浚工程前增加明显。

（3）湾内余流场整体变化不大，由于疏浚工程对工程区域地形的改变，疏浚区域底摩擦减少，口门处涡旋有所增强。