基于現場實驗結果對傾倒泥沙擴散數值模型參數率定研究

郭玉臣，石志洲，王慶業，夏永健，高煒，宋微，吳毓儒（1.國家海洋局寧德海洋環境監測中心站，福建　寧德　352100；2.海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室，上海　200080）

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基于現場實驗結果對傾倒泥沙擴散數值模型參數率定研究

郭玉臣1，2，石志洲1，2，王慶業1，2，夏永健1，2，高煒1，2，宋微1，2，吳毓儒1，2
（1.國家海洋局寧德海洋環境監測中心站，福建寧德352100；2.海洋赤潮災害立體監測技術與應用國家海洋局重點實驗室，上海200080）

摘要：傾倒區傾倒過程泥沙輸運擴散數值模型理論較為成熟，但模型的一些相關參數給定范圍較大，且一般由實驗室靜水或河口淡水實驗獲取，用于海洋傾倒區的泥沙模型有一定的局限性，使得模型預測結果波動范圍也很大，具有較強的不確定性，模型參數亟需物理實驗數據的率定和驗證。2011-2014年在沙埕港臨時性海洋傾倒區開展了3次傾倒物海洋傾倒實驗，對現場實驗結果數據分析論證后，建立傾倒過程二維泥沙輸運擴散數值模型，用實驗數據對模型中一些主要參數進行計算和率定。計算率定結果表明：沙埕港傾倒區傾倒過程初期疏浚泥絮團沉降速度可達3.0 cm/s，細沙顆粒充分混合后沉降速度減小，一般小于0.5 mm/s；懸沙紊動擴散系數Dx、Dy取45 m2/s時計算懸浮物濃度增量曲線與實測結果吻合效果最佳，建議調試值域為30～50 m2/s。模型參數率定后計算結果的客觀性和準確性進一步提高，可為海洋傾倒區選劃泥沙擴散模型參數的選取提供一定參考。

關鍵詞：海洋傾倒區；傾倒實驗；數值模型

Keywords：marine dumping site；dumping experiment；numerical model

海洋傾倒處理疏浚物過程中，疏浚物的運動通常概化為沉降、擴散和輸運3個主要過程，許多學者針對疏浚泥沙運動過程的不同階段開展了大量的研究。Koh等（1973）、王錫侯等（1989）、韓康等（1990）、程偉平等（2006）分別采用實驗室水槽實驗和數值模型方法，重點對疏浚物沉降過程進行分析和模擬研究；Cole等（1983）、徐宏明（2000）、陳祖華等（2003）、吳修廣等（2008）、孫毛明等（2009）、李佳等（2011）、張世民等（2014）主要采用數值模型計算的方法，研究了傾倒后疏浚物水平運動和濃度分布情況，并將模型應用于河口、近岸海域及外海等不同水域的傾倒區進行模擬預測，其研究則側重于傾倒后的擴散和輸移過程。

疏浚物傾倒后運動情況的研究除水槽實驗和數值模擬兩種手段以外，海上現場傾倒實驗方法應該更為客觀和準確。目前，疏浚物傾倒試驗觀測方法主要有3類：船舶直接采樣分析法、聲學或光電拖曳儀器測量法和放射性示蹤法。受儀器設備和海上作業難度大等條件影響，關于海洋疏浚物傾倒實驗的研究仍然較少。Proni等（1975）利用聲學測控系統進行了海洋傾廢懸浮物的研究。張玉芬等（1992）在黃白咀預選疏浚物傾倒區進行了3次疏浚物傾倒聲學追蹤試驗。張效龍等（2011）采用示蹤沙方法研究長江口拋泥區泥沙運移趨勢。何東海等（2013）在蒼南海域開展了疏浚物傾倒試驗，直接采取水樣來觀測懸浮泥沙擴散濃度。

本研究采用船舶直接采樣分析法，在福建北部沙埕港臨時性海洋傾倒區于2011-2014年共開展3次傾倒實驗，對現場實驗觀測數據進行分析后，建立海洋傾倒泥沙擴散數學模型進行數值模擬試驗，對模型中主要參數進行計算和率定，提高了海洋傾倒泥沙擴散數學模型對懸浮物擴散規律和包絡范圍預測的準確性和客觀性。

1　海洋傾倒現場實驗

1.1實驗概述

傾倒實驗共開展3次，時間分別為2011年6月、2012年5月和2014年10月。實驗海域在福建沙埕港臨時性海洋傾倒區（見圖1），傾倒區位于東海南部近岸海域，沙埕港東南約20 km處，海底地形變化平緩，水深約為25 m。據海流監測分析結果，附近海域為規則半日潮流，潮流運動形式為旋轉流，垂線平均潮流流速一般在30～40 cm/s。

實驗傾倒點設在臨時性海洋傾倒區中心位置，實驗選在低平潮后漲潮過程拋泥，然后進行跟蹤監測。工程淤泥疏浚中采用的是抓斗式挖泥，疏浚泥傾倒方式為開底式泥駁船拋放，單船傾倒量約為600 m3。

圖1　傾倒區及周邊海域位置示意圖

1.2實驗方法

傾倒實驗中對傾倒形成的懸浮泥沙采用船舶直接采樣分析法。在傾倒區中心點布設兩條調查船，其中一條拋錨固定于傾倒區中心附近位置，在傾倒船投放后進行定點采樣、觀測；另一條調查船則跟蹤海面漂浮標識物進行懸浮物的擴散與沉降的動態觀測。

固定調查船觀測歷時2個小時。監測內容為懸浮物、海流、風向、風速同步觀測，監測頻率先緊后松，在傾倒后第1個半小時內每5 min 1次，第2個半小時內觀測頻率變為10 min 1次，第2個小時及之后為20 min 1次。懸浮物采樣及海流觀測按表、中、底3層采樣，其中，表層距海面0.2H，中層取現場水深0.6H，底層離底0.8H，H為測點水深。

動態調查船主要對疏浚泥擴散團進行跟蹤采樣，在疏浚泥傾倒后，沿現場潮流跟蹤懸浮泥團采集水樣，并同步進行DGPS定位，定位精度為1 m；采樣頻次與定點調查船同步，采樣方法與定點船一致。

1.3水樣采集與處理

水體懸浮物濃度使用顛倒采水器采水樣1000mL，懸浮物濃度自下而上分層采樣，抽濾時用蒸餾水洗三次，水樣用0.45 μm微孔濾膜抽濾后烘干測定。量積誤差不超過千分之五，稱量用萬分之一電子天平。

1.4現場實驗結果分析

沙埕港臨時性海洋傾倒區3次現場傾倒試驗定點調查船和跟蹤調查船監測結果分別見圖2-圖4。

圖2　2011年傾倒區中心HQ07站懸浮物濃度隨時間變化圖

圖3　2012年傾倒區中心HQ07站懸浮物濃度隨時間變化圖

圖4　2014年傾倒區中心HQ07站懸浮物濃度隨時間變化圖

從定點觀測數據來看，實驗開始第1組采樣數據為未傾倒時懸浮物濃度，與實驗前在附近海域取樣調查的懸浮物濃度比較一致，傾倒完成后的10min內測點海水懸浮物濃度逐漸增大，0.8H層濃度增大最為明顯，其中2011年實驗過程中0.8H層濃度最大值為157.7 mg/L，較本底值增量為69.6 mg/L，0.2H層和0.6H層濃度變化相對較小。10 min后各層懸浮物濃度均迅速降低，在20 min后測點懸浮物濃度基本接近本底值狀態。

從跟蹤觀測數據來看，2011年傾倒實驗的跟蹤船舶追蹤路徑為N'向，2012年和2014年兩次實驗中追蹤路徑均為WSW向，3次實驗追蹤路徑見圖5。傾倒后的20 min內，采樣海水懸浮物濃度均未出現明顯的特征性變化，20 min后0.6H層和0.8H層海水懸浮物濃度有一個波動增大過程，0.2H層濃度變化不明顯。

圖5　傾倒試驗跟蹤觀測船路徑圖

對比分析3次實驗過程和結果見表1，可以看出：2011年沙埕港臨時傾倒區傾倒試驗采樣本底懸浮物濃度最大，各站垂線平均濃度均值為57.0 mg/L，2014年實驗過程中本底采樣濃度最小。傾倒點附近定點采樣最大濃度出現在2011年實驗過程的0.8H層，最大濃度增量值為69.6 mg/L，另外兩次實驗最大濃度增量分別為39.8 mg/L和44.8 mg/L。根據傾倒過程潮流分析，傾倒泥沙應隨潮流向W'向輸運擴散，2012年和2014年兩次實驗最總路徑相對合理為WSW向，而2011年跟蹤路徑為N'向，與潮流方向并不吻合，分析原因可能是表層漂浮標識物受到風的影響發生偏移。

表1　三次實驗監測結果數據表

1.5實驗結果合理性分析

葉慧明等（2008）對洋山臨時海洋傾倒區疏浚物傾倒懸浮物動態跟蹤監測結果顯示，傾倒引起的懸浮物增量范圍為37.5～126.5 mg/L，傾倒1 h后各觀測站點的懸浮物增量效應已明顯減弱。本研究3次實驗定點觀測懸浮物濃度增量變化規律具有較好的重現性，測值較其他研究成果來看基本合理。

2　泥沙擴散數值模型建立

2.1二維泥沙輸移擴散模型

2.1.1基本方程

述二維懸沙輸移擴散采用以下方程：

式中：s為懸浮物濃度（kg/ m3）；u、v分別為x、y向的水流速度（m/ s）；Dx、Dy分別為x、y向的泥沙紊動擴散系數（m2/s）；H為總水深（m）；Fs為源匯函數（kg/m2·s），采用挾沙力法其表達式為：

當模擬拋泥時，源匯函數可表示為如下形式：

式（2）、（3）中：α為泥沙沉降機率，ω為泥沙沉降速度（m/s），s*為挾沙力（kg/m3），Fs′為拋泥源函數（kg/m2·s）。

2.1.2邊界條件和初始條件

泥沙固邊界法向泥沙通量為0：

泥沙水邊界懸沙按入流和出流情況分別控制，入流時：

出流時：

式中：Γ為水邊界，s*為已知懸浮物濃度（kg/m3），un為法向流速（m/s）。

初始條件由下式確定：

模型泥沙初始條件采用零初始條件，即懸浮物濃度初始為0，計算懸浮物濃度增量。

2.1.3方程離散求解

泥沙輸運擴散模型采用均勻正交網格上的有限差分ADI法進行離散，并用追趕法對離散方程求解，網格步長為50 m，網格點u，v及ζ由潮流動力模擬結果插值獲取。

2.2模型參數選取和率定

模型計算過程中，根據不同參數特點其確定方法也不相同，泥沙干容重、沉降速度等參數依據實驗數據進行相關計算確定；疏浚泥懸移質比例、沉降幾率等參數相關文獻結論較為明確，取值相對容易確定，故參考相關文獻經驗取值；泥沙紊動擴散系數相關規范給定值域較大，相關研究也很少給出明確結論，故采用數值試驗進行率定，模型主要參數及其確定方法見表2。

圖2　傾倒過程二維泥沙擴散數值模型主要參數

2.2.1模型源強

拋泥進入水體后，大部分將以比單顆粒泥沙沉速大得多的速率沉入海底，形成懸移質參與輸運擴散的比例一般只有5%～10%。單次拋泥源強計算按如下公式：

式中：sc為拋泥源強（kg/s）；Q為單次拋泥量（m3）；T為傾倒時間（s）；P為疏浚泥產生的懸移質比例（%）；γ0為泥沙干容重（kg/m3）；s0為單位源強（kg/ m3·s）；Ai為網格點代表的面積（m2）；Hi為網格點水深（m）。

本研究中參考已有研究成果和實驗監測數據確定，懸疑質比例P取8%，傾倒時間T取5 min，泥沙干容重γ0取1 300 kg/m3。

2.2.2懸沙紊動擴散系數

海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程（2010）提出懸沙紊動擴散系數可取與相應的水流紊動粘性系數相同數值，水流紊動粘性系數宜由試驗確定或通過驗證計算確定，可取0～100 m2/s；海洋傾倒區選劃技術導則（2009）提出泥沙紊動擴散系數Dx、Dy由試驗確定，或采用Elder公式：

式中：C為謝才系數，C = n-1H1/6，n為曼寧系數。利用公式計算的該海域泥沙紊動擴散系數Dx、Dy為35～78 m2/s，數值試驗中利用實驗數據對Dx、Dy進行調試率定，試驗過程不同取值擬合曲線見圖6，最終模型調試率定Dx、Dy取45 m2/s時擬合效果最佳，建議調試值域30～50 m2/s。

圖6　懸沙紊動擴散系數不同取值擬合曲線

2.2.3泥沙沉降速度

泥沙沉降速度通常根據武水公式計算，本研究疏浚物樣品分析結果為粘土質粉沙，粒徑0.004～0.032 mm占比最大，按公式計算沉降速度變化范圍很大8×10-3～0.5 mm/s。而根據現場試驗監測結果顯示，拋泥后海水中絮團在10 min前后即沉降到0.8H層或更深的海底，據此推算，傾倒后絮凝疏浚泥沙沉速應≥3.0 cm/s。分析原因主要是傾倒開始的一段時間內細顆粒泥沙在海水環境會發生絮凝，絮凝泥沙塊沉速增大。據相關研究：受潮流動力影響絮凝泥沙沉速可達絮凝前分散泥沙沉速的10余倍，乃至100余倍（嚴鏡海，1988）。通常未發生絮凝的懸浮泥沙沉降速度ω取值在0.3～0.5mm/s，本研究泥沙模型主要考慮懸沙輸運和擴散過程，故計算調試后取泥沙沉速0.35 mm/s。

2.2.4沉降幾率

沉降系數是反映懸沙運動的一個綜合系數，表示懸沙沉降的幾率。關于的取值目前沒有定論，丁興平（2003）在長江河口波流共同作用下的全沙數值模擬中取α=0.75，張華慶等（2002）在海河口潮流泥沙運動數值模擬及清淤積方案研究中取α= 0.5。本研究考慮疏浚泥沙在傾倒時顆粒間相互碰撞比較劇烈，并易受上層泥沙的重力影響，增大了泥沙沉降幾率，故取α=0.9。

3　數值模型率定驗證結果分析

3.1潮位、潮流驗證

準確、合理的潮流動力數值模擬結果是泥沙輸運擴散模擬的基本條件，采用2014年8月大、小潮期附近海域2個長期潮位站和4個周日連續海流測站的實測資料對模型進行了驗證，結果表明：各潮位驗證點潮位計算值與實測值的誤差很小，相對誤差均小于10%；計算潮流流速、流向曲線與實測值吻合較好，能夠很好的反映各站潮流變化規律。三沙站（ss）潮位驗證結果見圖7，HQ07、HQ11測站潮流驗證結果見圖8。

圖7　三沙站大潮潮位驗證結果

圖8　大潮HQ07、HQ11潮流驗證

3.2懸浮物濃度過程曲線率定驗證

基于對沙埕港臨時性海洋傾倒區3次傾倒實驗結果的分析，對泥沙輸運擴散模型的率定和驗證主要采用定點船的觀測數據。

二維泥沙擴散模型計算結果給出的泥沙變化是經過垂向積分的垂線平均懸浮物濃度，實驗過程監測的0.2H、0.6H、0.8H層懸浮物濃度經加權平均法計算得垂線平均懸浮物濃度后，繪制計算值與實測值比較結果見圖9。其中，2014年實驗數據用于泥沙模型主要參數的率定，率定對比見圖9（a）；模型調試后對2011年和2012年兩次實驗過程進行后報驗證，驗證結果見圖9（b、c）分析率定后數學模擬驗證曲線對比結果可知，模型結果能較好的反映傾倒區拋泥后懸浮物濃度變化過程，除個別時刻量值差異較大外，曲線吻合較好，尤其在泥沙濃度時間相位擬合較為準確。

圖9　3次實驗定點船測點實測懸浮物濃度與計算懸浮物濃度過程對比

3.32014年傾倒試驗懸沙擴散過程模擬結果分析

對模型模擬的2014年沙埕港臨時海洋傾倒區傾倒實驗過程進行分析：拋泥后形成的懸浮物高濃度區僅出現在拋泥點附近50 m半徑范圍內，且在5 min后消失，懸浮物云團隨潮流向偏西方向移動，濃度降低較快；30 min后大于20 mg/L的濃度增量區已經消失，10mg/L濃度增量區域半徑約為200m，區域中心位于傾倒點偏西向500 m附近；60 min后5 mg/L懸浮物增量區域也逐漸消失，后期較低濃度的云團消散速度變慢。傾倒后30 min和60 min時刻垂線平均懸浮物濃度增量等值線見圖10。

圖10　傾倒過程垂線平均懸浮物濃度增量等值線分布圖（單位mg/L）

根據傾倒過程數值模擬計算結果，繪制各類水質標準濃度值包絡范圍見圖11，可以看出，100mg/L（超三類水質標準）及更高濃度增量出現在傾倒點很小范圍內，50 mg/L濃度增量包絡范圍最大直徑約為80 m，10 mg/L（超一、二類水質標準）濃度增量包絡范圍相對較大，沿潮流方向在傾倒點西側延伸分布，最遠離傾倒點約800 m。

圖11　傾倒過程懸浮物濃度增量包絡范圍圖

4　結論與討論

（1）沙埕港臨時性海洋傾倒實驗結果顯示，傾倒完成后的10min內測點海水懸浮物濃度逐漸增大，0.8H層濃度增大最為明顯，其中2011年實驗過程中0.8H層濃度最大值為157.7 mg/L，較本底值增量為69.6 mg/L，2012年和2014年2次實驗最大濃度增量分別為39.8 mg/L和44.8 mg/L。傾倒點附近海水懸浮物濃度10 min后開始迅速降低，在20 min后測點懸浮物濃度基本接近本底值狀態。

（2）利用現場傾倒實驗結果對傾倒泥沙擴散數值模型進行計算和率定，該海域泥沙紊動擴散系數Dx、Dy取值45m2/s時模擬計算效果最佳，建議值域為30～50 m2/s，傾倒后絮凝疏浚泥沙沉速可達3.0 cm/s以上，參與懸浮的泥沙沉降速度依據疏浚物粒徑特征計算并調試后取0.35 mm/s。率定調試后數值模型對拋泥過程模擬結果更具客觀性和準確性，可為傾倒區選劃泥沙擴散數值模型參數選取提供一定參考價值。

（3）現場傾倒實驗過程中懸浮物濃度監測方法為現場采樣法，存在對實驗過程數據的獲取不夠全面完整，無法非常客觀、精確刻畫反映泥沙運動擴散情況的局限性，在今后的相關研究中引進更先進儀器，實現對懸浮泥沙運動擴散場全方位動態監測，可進一步提高數值模型參數率定研究成果的可靠性和科學性。

參考文獻

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（本文編輯：袁澤軼）

Parameter determination of the numerical model for dumping sediment transport based on the field experimental results

GUO Yu-chen1，2，SHI Zhi-zhou1，2，WANG Qing-ye1，2，XIA Yong-jian1，2，GAO Wei1，2，SONG Wei1，2，WU Yu-ru1，2
（1. Ningde Marine Environmental Monitoring Center，SOA，Ningde 352100，China；2. Key Laboratory of Integrated Marine Monitoring and Applied Technologies for Harmful Algal Blooms，SOA，Shanghai 200080，China）

Abstract：Sediment transport numerical model theory for ocean dumping site is relatively mature，but the range of some parameters in the model is given too wide，and some parameter values are obtained by sediment experiments in the laboratory hydrostatic or estuarine fresh water in general. Using them for the marine dumping area has some limitations，which makes the model prediction results not accurate and vary considerably，so some model parameters urgently need the determination and verification by field experiment data. We did three ocean dumping experiments at the temporary ocean dumping site of Shacheng Harbour during 2011-2014，and based on the field experiment data，we established an two-dimensional sediment transport and diffusion numerical model for the ocean dumping，using observation data of experiments to determine and calculate parameters for the model. The results show that: in the temporary ocean dumping site of Shacheng Harbour，the sedimentation rate of floccule dredged mud may be bigger than 3.0 cm/s at the beginning of the process of dumping，and the velocity of mix sand particles decreases，and generally is less than 0.5 mm/s. The calculate sediment concentration increment curve agreeswith the measured results best while the sediment turbulent diffusion coefficient DxDy values 45 m2/s，so we suggest that the Dx Dy's debugging domain should be of 30～50 m2/s. After the parameter determination，the model prediction results are more objective and accurate，which can provide some reference for the parameter determination of sediment diffusion model in selecting marine dumping sites.

中圖分類號：P731.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6932（2016）02-0170-08

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.007

收稿日期：2015-03-12；

修訂日期：2015-07-02

基金項目：國家海洋局東海分局青年科技基金（201206）。

作者簡介：郭玉臣（1981-），男，碩士，工程師，主要從事海洋環境預報和數值模擬研究。電子郵箱：gyc@eastsea.gov.cn。