劉公島岸灘整治方案數值模擬

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(中海石油環保服務有限公司，天津 300452)

劉公島位于山東半島東端、黃海之濱的威海灣內，面積3.15 km2，與威海市區相距3.9 km(輪渡距離)，島西、島南與威海市區隔海相望，是國家級海洋生態特別保護區和國家級海洋公園。然而隨著日久天長的風化、海蝕、地表徑流切割、主體滑坡、風暴潮等自然災害以及近年來威海灣沿岸的開發，海島島體面積逐年減小，生態環境日益惡化。南部沿岸沙灘嚴重流失，沙灘較5年前整體向海方向后退了1.5 m左右，地表裸露，遍布卵石、小石塊，已經不適宜游人親海游玩。

文中利用MIKE21軟件建立二維潮流模型，針對劉公島南部東村沿岸的沙灘開展了海洋水動力環境和沖淤數模研究，給出沙灘保護工程設計方案，為劉公島南部海域岸灘整治修復工作提供技術支持。

1 MIKE21模型簡介

采用丹麥水力學研究所研制的平面二維數值模型MIKE21FM來進行預測與分析。該模型采用非結構三角網格剖分計算域，三角網格能較好地擬合陸邊界，網格設計靈活且可隨意控制網格疏密，該軟件具有算法可靠、計算穩定、界面友好、前后處理功能強大等優點，已在全球70多個國家得到應用，有上百例成功算例，計算結果可靠，為國際所公認。MIKE21FM采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，在時間上，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程[1]。

1.1 模型控制方程

1)質量守恒方程。

2)動量方程。

式中：ζ——水位；

h——靜水深；

H——總水深，H=h+ζ；

u、v——x、y方向垂向平均流速；

g——重力加速度；

f——科氏力參數(f=2ωsinφ，φ為計算海域所處地理緯度)；

εx、εy——x、y方向水平渦動粘滯系數。

1.2 定解條件

邊界條件：固定邊界取法向流速為零，即V·n=0；在潮灘區采用動邊界處理；水邊界采用預報潮位控制。

式中：A0——平均海面;

F0i、(v0+u)i——天文要素;

Hi、gi——某分潮調和常數，即振幅與遲角[2-5]。

2 潮流數值模擬

2.1 模型計算范圍

2.1.1 計算域設置

建立海域數學模型計算域范圍見圖1，即為圖中A、B、C三點以及岸線圍成的海域。模擬采用非結構三角網格，將劉公島南部東村沿岸附近海域網格進行局部加密(D、E、F三點與岸線圍成的海域)，數值模擬局部域見圖2，整個模擬區域最小空間步長約為25 m。用動邊界的方法對干、濕網格進行處理。

圖1 大海域計算域及網格設置

圖2 局部海域網格設置

2.1.2 模型水邊界輸入

開邊界：本次模擬的開邊界水位由黃渤海潮流模型提供，其開邊界潮位由下式輸入計算。

式中：fi、σi——第i個分潮(這里取4個分潮);

M2、S2、O1和K1——交點因子和角速度；

Hi和Gi——調和常數，分別為分潮的振幅和遲角；

Voi+Vi——分潮的幅角。

閉邊界：以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

2.2 潮流數值模型及驗證

潮流場數值模型采用計算區域的潮位、潮流流速和流向的實測資料對模型進行驗證，其中潮位驗證采用2010年9月的實測資料，潮流驗證分別采用2010～2011年兩次的實測資料，共設置了3個驗潮點。潮位、潮流驗證點的位置圖見圖3。潮位驗證曲線見圖4，潮流驗證曲線見圖5～圖6。

圖3 潮流潮位驗證點位置

圖4 1號點大潮潮位驗證

驗證結果表明，數值模擬得到的潮位和潮流與實測潮位和潮流資料基本吻合，能夠較好地反映關注海域潮流狀況。

圖5 2號點大潮流速、流向驗證

圖6 3號點大潮流速、流向驗證

2.3 現狀潮流計算結果分析

圖7是研究海域大潮期間漲急時潮流場現狀，研究海域內的漲潮流整體由E往W流，外海潮流在劉公島北端分叉，一部分潮流在劉公島西南處轉向東南，另一部分潮水沿劉公島東北部岸線由西北向東南流動，大潮漲潮流速在劉公島北部的東西兩側偏大，在0.3～0.5 m/s之間;而在威海灣內部潮流偏小，流速普遍介于0.10～0.30 m/s之間。

圖7 研究海域大潮期間漲急時流場圖

圖8是研究海域大潮期間落急時潮流場現狀，研究海域內的落潮流整體由W往E流，劉公島西南側海域潮流由SE往NW流，流速普遍介于0.10～0.30 m/s之間。

圖8 研究海域大潮期間落急時流場圖

2.4 設計方案潮流場計算結果

根據數值模擬結果，可以看出漲落潮在研究海域流場主要是東西方向的順岸流動，而且流速較強，這可能導致泥沙運移造成沖刷。根據這一數值計算結果，針對劉公島南部研究海域沙灘沖刷情況，設計如下方案[6]。

考慮到劉公島南側岸線較長，長約1 000 m，2個丁壩形式的設計可能難以阻止泥沙沖刷，故如圖9所示，設計3個丁壩工況，進行數值模擬測試阻沙效果。

圖9 設計方案布置圖

設計方案的大潮漲急流場與落急流場分別見圖10、圖11?？梢钥闯?，相比現狀條件，由于研究海域3條丁壩的建設，使得沙灘海域流態有所變化，流向有所改變，近岸流速有所減小，尤其是在丁壩的頂端，流速加強，而在3條丁壩所圍的內區流速甚小?？梢娫O計方案對沙灘海域潮流運動影響顯著，顯著地減小了壩之間海域的流速。

圖10 設計方案漲急流場圖

圖11 設計方案落急流場圖

3 地形地貌沖淤數值模擬

3.1 泥沙運動控制方程

MIKE21FM采用標準Galerkin 有限元法進行水平空間離散，在時間上，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程[7]。

泥沙控制方程為

u，v——水深平均流速,m/s；

Dx，Dy——分散系數,m2/s；

h——水深,m；

S——沉積/侵蝕源匯項,g/(m3·s)；

QL——單位水平區域內點源排放量,m3/(s·m2)；

CL——點源排放濃度,g/m3。

3.2 地形地貌與沖淤數值模擬結果

3.2.1 現狀地形地貌與沖淤數值模擬結果

現狀情況下研究海域的地形地貌沖淤數值模擬結果見圖12。威海灣和楊家灣整體呈微淤積狀態，淤積厚度小于4 cm/年，劉公島東南側和西南側附近海域由于地形改變導致海域面積變窄，流速較大，處于微沖刷狀態，每年的沖刷厚度小于6 cm。研究海域小范圍處于微沖刷，每年沖刷程度小于4 cm，其余附近海域處于微淤積狀態，淤積厚度小于4 cm/年。

在研究海域，由于地理環境特征和海洋水文動力特征，決定了該海域目前存在微沖刷狀態，年沖淤率為3～6 cm/年之間，沙灘外側沖刷相對更為嚴重。

圖12 現狀年沖淤率數值模擬結果(m/年)

3.2.2 設計方案地形地貌與沖淤數值模擬結果

設計方案研究海域的地形地貌沖淤數值模擬結果見圖13，除了局部區域計算結果相比現狀情況有所差別之外，其他海域并沒有顯著變化。威海灣和楊家灣整體呈微淤積狀態，淤積厚度小于4 cm/年，劉公島東南側和西南側附近海域由于地形改變導致海域面積變窄，流速較大，處于微沖刷狀態，沖刷厚度小于6 cm/年。研究海域小范圍處于微沖刷，沖刷程度小于4 cm/年，其余附近海域處于微淤積狀態，淤積厚度小于4 cm/年。

圖13 設計方案年沖淤率數值模擬結果(m/年)

由于3條丁壩的建設，研究海域近岸沙灘沖刷的現狀有很大改觀，在擋水壩兩側出現了較為顯著的淤積現象，沖刷現狀幾乎消失，僅在西側兩條丁壩之間出現了很小范圍的微沖地帶，且沖刷率約1 cm/年，大部分沙灘的淤積率在2 cm/年以上，建壩促淤效果顯著。

4 結束語

根據數值模擬結果，設計方案減小了近岸潮流，有效減緩了丁壩之間的水動力能量，防沖刷效果也比較明顯，僅有小段岸線略有沖刷，基本形成了促淤態勢，能夠有效防止沙灘沖刷、岸線侵蝕。希望進一步優化詳細工程方案，加強海洋調查和監測，對該段沙灘岸線進行有效的整治修復工作。

[1] DHI.Mike 21&Mike 3 Flow Model FM Scientific Documentation[M].Denmark:2011.

[2] 安永寧，楊 鯤.MIKE21模型在海洋工程研究中的應用[J].海岸工程，2013(3)：1-10.

[3] 包偉斌.MIKE21水動力數學模型在橋梁工程中流場模擬中的應用[J].華東科技,2014(4):238-239.

[4] 鄭志飛.MIKE21模型在碼頭工程流場模擬中的應用研究[J].海峽科學,2010(10):104-106.

[5] 許 婷.丹麥MIKE21模型概述及應用實例[J].水利科技與經濟,2010(8):867-869.

[6] 倪會東.東遼河河道沖淤分析及整治[J].水利科技與經濟,2014(3):113-115.

[7] 吳園園，婁安剛.海陽中心漁港建設對附近海域沖淤的數值模擬預測[J].海岸工程,2014(1):50-52.