海南儋州人工島建設對海床沖淤影響數值模擬

英曉明，賈后磊，曹玲瓏，謝健

（國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，廣東 廣州 510300）

海南儋州海花島區域建設用海項目位于儋州市洋浦海域內（圖1），靠近白馬井鎮。項目擬采用離岸式人工島填海形式，規劃新建五個人工島，島嶼之間采用橋梁連接，兩側人工島與儋州市白馬井鎮用大型橋梁作為陸島主通道。

儋州海花島所在洋浦海域潮流為不正規日潮流，潮流具有略帶旋轉性的往復流，表層實測最大流速約0.82 m/s，項目附近東方站年平均波高0.8 m；該海域含沙量較低，潮平均含沙量在0.02～0.03 kg/m3之間，底質以粉砂質粘土為主（國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，2012）。海南儋州五個人工島最小面積約14.57 公頃，最大面積約381.14 公頃，人工島之間距離約48～196 m。海花島主要位于洋浦淺灘（圖1），淺灘處水深在2 m 以內。洋浦灣潮汐通道是一條長度約8.2 km、寬度約600 m、水深10～20 m 的弧形深槽，最深處在24 m 以上；攔門沙最淺處水深5 m，水深小于8.5 m 的長度約3.5 km。

人工島填海規模較大，工程實施引起洋浦灣及周邊海域的水動力環境改變，進而影響海床沖淤演變的變化。儋州人工島引起的海床沖淤如何演變，是值得研究清楚的問題。本文利用Delft3D 數值模式模擬工程對海床沖淤演變的影響，并對原因進行了探討。

圖1 海南?；◢u項目位置、附近水域地形及水文測站

1 數學模型

本研究利用Delft3D 數值模式建立海南島大范圍數學模型和嵌套的儋州海域垂向平均的二維水沙數學模型。Delft3D 的泥沙模塊是目前世界上較先進的泥沙模式，在泥沙模擬過程中能夠同時耦合水深和地形變化。Delft3D 綜合了水動力、水質、生態、泥沙輸運和地貌演變等模塊（Lesser et al，2004），功能強大，模式開發早，相對成熟，在國內外許多領域有廣泛的應用（Smit et al，2008，Hu et al，2009，Jeuken，2010）。

Delft3D 通過求解三維淺水運動方程（自由表面不可壓縮流體的三維Navier-Stokes 方程） 來研究河流、河口和近海區域等的流體和物質輸運。模式采用正交曲線網格，能夠很好的模擬彎曲的岸線，提供直角坐標和球坐標，采用交錯網格布置變量，利用ADI 方法，使用干濕動邊界處理技術，同時提供前后處理可視化模塊。正交曲線坐標系中的水流運動和泥沙輸運基本方程見Delft3D 手冊（Deltares，2011）。

2 模型建立和驗證

2.1 模型建立

模型采用二重網格嵌套方式（圖2）。大區網格個數為112 × 122，范圍約為105.6°N-112.3°E，16.6°N-21.8°N，ξ 方向最大格距約為6 254 m，最小格距約為1 690 m；η 方向最大格距約為15 655 m，最小格距約為1 847 m。小區網格個數為210×278，范圍約為19.2°-20.4°N，108°-109.3°E，ξ 方向最大格距約為4 021 m，最小格距約為17 m；η 方向最大格距約為4 082 m，最小格距約為26 m。模擬范圍內的島嶼及陸域填充工程，用網格干點表示。

大區模型開邊界均設置為水位邊界條件。流場的外海開邊界通過水位變化作為模式的驅動，本文選用8 個分潮計算水位，包括M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q18 個分潮。邊界上的8 個分潮初始值取自全球調和常數TPXO7.2（http：//volkov.oce.orst.edu/tides/global.html），后根據調和分析進行調整。外海開邊界泥沙濃度設置為0。模式采用的風速 資 料 來 自 http：//www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html，空間分辨率為2.5°，1 d 1 次。

小區模型邊界為水位邊界條件，由大區模型嵌套提供。底摩擦曼寧系數基本為0.013，每個網格格點糙率值由模型率定確定。大區和小區模擬時間步長分別為1 分和0.5 分。地形設置12 h 更新1次，同時考慮懸沙濃度對水流密度的影響。由于洋浦海域年平均波高不大，這里沒有考慮波浪對海床沖淤的影響。

懸沙起動應力、淤積應力值相同，范圍為0.13～0.20 N/m2，泥沙起動系數M 約為1×10-6～1×10-5kg/m2/s，泥沙沉降速度為5×10-4mm/s。這些參數根據前人的經驗（Hu et al，2009，Xie et al，2009） 初步設定，再根據模型率定確定。

3.2 模型驗證

大區模型主要為小區模型提供水位邊界條件。限于觀測資料，大區模型進行了項目附近洋浦站潮位驗證（站位見圖1），潮位取自2011年潮汐表的數值。大區模型洋浦站潮位分潮調和常數比較結果見表1。從表1 可見，振幅誤差在1.2 cm 以內，遲角誤差在5°以內，大區模型能夠較好的模擬潮位變化。

小區模型主要進行流速和含沙量的驗證。觀測站位見圖1。由于監測站位距離不大，這里給出項目附近4 個站位的驗證結果，流速驗證結果見圖3，含沙量驗證結果見圖4。流速和流向模擬值與實測值誤差較小，變化趨勢相近，表明模式所選參數較好的反映研究區域流速變化，模型能復演流場過程。懸沙模擬值與實測值誤差較小，表明模式所選參數能較好的反映研究區域泥沙濃度。實測值表明，研究區域含沙量很小。

圖2 模型網格

表1 調和常數比較（振幅：cm；遲角：度）

3 工程前后沖淤影響及原因探討

海花島分為1 號、2 號和3 號3 個人工島（圖5），本文模擬?；◢u施工完畢，1年后海床沖淤變化。模式在運行15 d 穩定后，再繼續模擬1年。圖5 表明，海花島實施后，年沖淤幅度不大，基本在5 cm/a 左右，主要在?；◢u北側小鏟礁和儋州陸域之間，洋浦航道進港部分略有沖刷，人工島之間區域主要為沖刷，1 號和2 號島之間沖刷幅度超過10 cm/a，范圍較小。要做好海花島護岸工程，以防潮流侵蝕堤腳。

從圖5 上看，?；◢u實施后，海床沖淤變化較小。主要原因是研究區域附近海域泥沙來源少，水體含沙量低，泥沙起動落淤較少，岸線和海床長期穩定。流速增加易引起地形沖刷，流速減小易引起地形淤積。圖6 可以看出，小鏟礁南側區域，無論漲急還是落急，流速均增加，增加幅度基本在20 cm/s 以內。因此小鏟礁南側區域為沖刷，洋浦航道進港段也表現為沖刷。2 號和1 號人工島之間，漲急時流速增加，增幅可達30 cm/s，落急時流速稍微增加，因此2 號和1 號人工島之間地形變化為沖刷。海花瓣之間流速變小，可能引起淤積。

圖3 流速、流向驗證結果

圖4 含沙量驗證結果

圖5 ?；◢u建成1年后海床沖淤變化（+淤積，-沖刷）

圖6 人工島建設前后流速變化（+增加，-減少）

4 結語

本文利用Delft3D 數值模式建立了嵌套的儋州洋浦海域二維垂向平均水沙數學模型，并對模型進行了驗證。結果表明，本文所建立的模型能夠反演潮流動力和泥沙的變化過程，模型能夠用來模擬?；◢u建設后引起的海床沖淤變化。

由實測資料表明，研究區域含沙量較低，泥沙起動較少，因此項目實施后，海床年淤積變化不大。通過項目實施前后，潮流變化分析，流速增加是導致小鏟礁南側及洋浦航道沖刷的主要動力原因。

洋浦海域位于海南島西偏北方，與一般臺風來向相背，臺風影響主要來自于登錄海南島、雷州半島或進入北部灣的熱帶氣旋，而登錄臺風或進入北部灣的臺風已經減弱，所以該區域受到臺風影響相對較小。因此，本文沒有模擬臺風對海床沖淤的影響。

項目實施過程中，吹填溢流的懸沙擴散會引起項目附近海床局部淤積。由于施工吹填是短暫的，這里沒有考慮施工吹填溢流的影響。

Deltares, 2011. Delft3D-flow, simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomenon, including sediments, User Manual.

Hu K L, Ding P X, Wang Z B, et al. 2009. A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary,China.Journal of Marine Systems 77,114-136.

Jeuken M C J L,Wang Z B,2010.Impact of dredging and dumping on the stability of ebb-flood channel systems. Coastal Engineering 57,553-566.

Lesser G R,Roelvink J A,Van kester J A T M, et al. 2004. Development and validation of a three-dimensional morphological model.Coastal Engineering,51：883-915.

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