海域環境對懸浮泥沙擴散影響的敏感性分析

陳翔，王義剛，黃惠明，王時悅，關許為（.河海大學　海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇　南京　0098；.交通運輸部水運科學研究院，北京　00088；.上海勘測設計研究院，上海　0044）

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海域環境對懸浮泥沙擴散影響的敏感性分析

陳翔1，王義剛1，黃惠明1，王時悅2，關許為3
（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南京210098；2.交通運輸部水運科學研究院，北京100088；3.上海勘測設計研究院，上海200434）

摘要：通過建立二維潮流和懸浮泥沙擴散輸移的數學模型，模擬恒定點源下，懸浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深條件下的擴散狀況，探討懸浮泥沙擴散對影響參數的敏感性。結果表明：在研究懸浮泥沙擴散影響范圍時，無本底含沙量的擴散影響范圍最大；本底含沙量越大，擴散影響范圍越小；本底含沙量對擴散低濃度增長區的影響大于高濃度增長區；水動力相似條件下，水深增大，懸浮泥沙擴散影響范圍將減小；相對于本底含沙量，水深對懸浮泥沙擴散的影響更大。

關鍵詞：懸浮泥沙；擴散影響；數學模型；敏感性分析；本底含沙量；水深

隨著經濟的發展和人口的增長，人類對海洋的開發愈加頻繁；同時，對開發所引起的海洋環境問題也愈加重視。在海洋工程的環境影響評價中，懸浮泥沙擴散及擴散范圍對海洋水質環境的影響是一項重要的評價指標。

目前，很多學者對工程引起的懸浮泥沙擴散進行了研究（肖千璐，2015；張世民等，2014；郭玉臣等，2014；丁琦等，2013；吳松華等，2011；Hostache et al，2014；Guo et al，2014；Courtney et al，2001），但通常在研究懸浮泥沙擴散時一般假定水是清澈的，不考慮本底含沙量，即只考慮懸浮泥沙在清水中的擴散，但本底含沙量對懸浮泥沙擴散范圍究竟有何影響，實際上并不清楚。并且在實際數值計算中發現，相似水動力條件下，水深不同，懸浮泥沙擴散情況也不一樣，其計算結果是否可信尚缺乏系統性的研究。針對這些問題，本文依據實測資料通過Mike21數模軟件建立平面二維潮流和懸浮泥沙擴散輸移的數學模型，模擬研究了在恒定點源，不同源強、不同本底含沙量和不同水深條件下的擴散情況，通過比較分析得出懸浮泥沙在不同條件下的擴散規律，并對擴散規律的機理進行了探討。

1　數學模型

Mike21是丹麥水力學研究所開發的平面二維數學模型（許婷，2010），廣泛應用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境場，可為工程應用、海岸及規劃提供完備、有效的設計條件和參數，已在國內外的一些大型工程中得到廣泛應用。

1.1基本方程

在笛卡爾直角坐標系下，根據Bousinesq渦粘假定和靜水壓假設，沿水深平均的二維潮流泥沙基本方程的表述如下。

（1）連續方程

各式中：x、y為直角坐標系下平面兩正交方向；H為總水深，H = h +ζ，ζ為潮位；h為靜水深；t為時間；u、v分別為x、y方向上的垂線平均流速分量；g為重力加速度；q為流量源匯項；us、vs為源匯項水流流速；f為科氏力參數，f=2ωsinφ，ω為地球自轉速度，φ為緯度；εx、εy分別為水流在x、y方向上的渦動擴散系數；S為垂線平均含沙量；Dx、Dy分別為泥沙紊動擴散系數；τsx、τsy分別為風應力在x、y方向分量；τbx、τby分別為底部切應力在x、y方向分量；Fs為源匯項，Fs= Fs′+ Fs″。其中，Fs′= -αωS為沉降項，Fs″為點源項；α為泥沙沉降機率，一般取0.15～0.4；ω為泥沙沉速，考慮到細顆粒泥沙在海水環境的絮凝，一般取0.000 3～0.000 5 m/s。

1.2定界條件

（1）初始條件

由于潮流運動屬摩阻流動，故對初始條件可不作嚴格要求，一般實行冷啟動，即給定零流速和常水位。

懸沙模型中選取大潮平均含沙量作為初始條件，S（x，y）= 0.074 kg/m3。

（2）邊界條件

潮流模型中，閉邊界滿足流體不可入條件，開邊界由河海大學東中國海模型提供潮位邊界。懸沙模型中閉邊界滿足閉邊界法向懸沙濃度梯度為0，開邊界采用大潮平均含沙量。

1.3模型的范圍與網格

計算模型范圍選用浙江嵊泗海域（圖1）。

模型四邊為開邊界，島嶼岸線為閉邊界。模型東西長約36 km，南北長約32 km。計算海域內共劃分有52 832個三角形網格，26 980個網格節點，點源投放區域網格加密，網格尺度為40-600 m（圖2）。模型驗證資料采用2007年5月31日0點至2007年6月2日0點大潮期間的實測資料，包括兩個潮位站資料（金雞山、李柱山）和四個潮流泥沙站（V1、V2、V3、V4）資料，計算高程統一采用1985國家高程基準面，測站分布及點源投放（S1、S2、S3）位置見圖3。

1.4模型驗證

數學模型分別通過金雞山和李柱山兩個潮位站以及V1、V2、V3、V4四個潮流泥沙測站的實測大潮數據進行驗證。潮位過程以及高、低潮位值的計算值與實測值均吻合較好，相位基本一致，對潮位的驗證效果較為理想。流速流向方面，潮流速的計算值與實測值相差較小，流向的計算值與實測值亦較為一致，對潮流的驗證效果亦較為理想。含沙量過程線驗證雖不如潮流驗證精度高，但計算值與實測值位于同一量級，總趨勢比較一致。故該水動力泥沙模型基本能反映計算區域的水動力變化及含沙量場的變化。（限于篇幅，僅列出兩個潮位站驗證圖（圖4）、V1和V4測點的流速流向（圖5）及含沙量驗證圖（圖6）。）

圖1　研究區域

圖2　模型計算范圍及網格

圖3　測站分布及點源投放位置分布

圖4　潮位驗證

2　影響參數敏感性分析

2.1源強選擇

不同工程引起的懸浮泥沙源強的類型和大小均不同，源強的類型在空間上可分為點源、線源、面源和體積源；在時間上可分為瞬時源（泥沙投放在一瞬間完成）和連續源（泥沙投放持續一段時間）。源強大小主要采用公式計算結合同類工程經驗或現場監測數據進行推算。一般工程施工中涉及的泥沙源強大小基本可劃分為3個等級（王時悅，2013）：

（1）0.41 kg/s（溢流或小型挖泥船作業）；

（2）2.26.23 kg/s（中型施工強度或挖泥船作業）；

（3）7.512.5 kg/s（較大型工程或挖泥船作業）。

本文研究區域懸浮泥沙平均中值粒徑為0.008 2 mm，在源強類型上選擇連續恒定點源，大小上選擇0.8 kg/s、5 kg/s、10 kg/s3種等級的點源。

2.2方案設置

本文主要研究懸浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深條件下的擴散規律。本底含沙量分別設置為0 mg/L和比較常見的60 mg/L、120mg/L、240 mg/L。點源投放位置分別為S1、S2和S3，見圖3，3個位置經比較水動力條件相似，S1、S2和S3水深分別為3.5 m、7 m和13.8 m。實驗方案設置見表1、表2。

圖5　潮流速、流向驗證

圖6　含沙量驗證

表1　同一水深，不同本底含沙量和不同源強組合方案

表2　同一本底含沙量，不同水深和不同源強組合方案

2.3本底含沙量對懸浮泥沙擴散的影響

對于各組方案下的數學模型，均選取計算區域含沙量場變化穩定后兩個潮周期內懸沙的擴散輸移的模擬結果，并對計算結果進行統計，取各個網格可能產生的最大懸沙濃度增量值，以4個敏感值進行分界，分別為：10 mg/L包絡線（超一、二類水質標準）、50 mg/L包絡線、100 mg/L包絡線（超三類水質標準）、150 mg/L包絡線（超四類水質標準），統計各包絡面面積。方案1-12的統計結果見圖7。

圖7　不同本底下懸沙擴散包絡面面積

由圖7可知：

（1）對比懸浮泥沙在無本底含沙量和有本底含沙量下的擴散面積，可知懸浮泥沙在無本底含沙量下的擴散范圍皆大于有本底含沙量下的擴散范圍。

（2）由折線斜率可以得知，同一本底含沙量下，懸浮泥沙擴散穩定后，低濃度增長區域的面積大于高濃度增長區域的面積；

（3）本底含沙量增大的過程中，懸浮泥沙擴散范圍不斷減小，但濃度增量＞50 mg/L的包絡面面積減值較小，濃度增量＞10 mg/L的包絡面面積減值較大，因而本底含沙量對低濃度增長區域面積的影響大于高濃度增長區域。

分析上述現象的產生的機理，從紊動擴散理論出發：當某一物理量在某一方向上具有濃度梯度，該物理量將通過紊動作用由高濃度區向低濃度區擴散。當泥沙源強引起的懸浮泥沙與周圍海域泥沙濃度梯度越大時，紊動擴散作用越強。故同一源強下，不考慮本底含沙量，濃度梯度最大，紊動擴散作用最強，擴散面積最大；本底含沙量越大，濃度梯度越小，擴散面積越小。另一方面從絮凝沉降出發：粘性細顆粒懸浮泥沙在海水中易發生絮凝，而絮凝的直接原因在于顆粒間的相互吸引碰撞。研究區域懸浮泥沙中值粒徑為0.008 2 mm，受海水影響易發生絮凝，更易沉降。考慮本底含沙量時，泥沙源強引起的懸浮泥沙在擴散過程中受本底泥沙的影響，水體中的懸浮泥沙濃度大于不考慮本底含沙量，顆粒間碰撞概率增大，絮凝作用增強，更易沉降，從而導致懸浮泥沙擴散濃度增量減小。本底含沙量越大，擴散濃度增量越小。對于高濃度增長核心區域，雖然含沙量更大，絮凝作用更強，但恒定源強的存在，一定程度上補充了沉降的泥沙，故高濃度增長區域所受影響相對外圍低濃度增長區域較小。

2.4水深對懸浮泥沙擴散的影響

對不同水深條件下的數模結果按上述4個敏感值進行劃分統計，方案13-18的統計結果見圖8。

圖8　不同水深下懸浮泥沙擴散包絡面面積

由圖8可知，隨著水深的加大，懸浮泥沙擴散范圍逐漸減小，具體過程可分為兩個階段：

第一階段：水深加大，高濃度增長（濃度增量＞50 mg/L）區域面積迅速減小，當水深從3.5 m增加到7 m時，基本只剩下低濃度增長區；

第二階段：水深繼續加大，低濃度增長（濃度增量＞10 mg/L）區域面積大幅減小，當水深從7 m增加到13.8 m時，懸浮泥沙擴散對海域環境的影響已非常小。

產生上述現象的原因可解釋為：由于計算采用水深平均的二維潮流泥沙數值模型，點源投入模型網格單元后，平均擴散到該網格單元的受納水體，水深越大，相同尺寸下網格單元受納水體的體積越大，從而懸浮泥沙的濃度降低，擴散濃度增量也隨之減小。點源在淺水區，懸沙擴散造成的水體污染既有超三、四類水質標準的重度污染區，也有超一、二類水質標準的輕度污染區。水深從3.5 m增大到7 m，懸沙濃度增量普遍減小，點源中心區高濃度削減為低濃度，超三類、四類水質標準的區域面積變得很小，外圍的低濃度擴散范圍也大幅減小，整個擴散范圍內濃度增量基本變為小幅度增加，懸沙擴散對周圍水體已經不會造成重度污染，以輕度污染為主；水深進一步增大，懸沙濃度增量被進一步削弱，擴散范圍進一步減小，懸沙擴散對海域環境的影響會越來越小。

2.5懸浮泥沙擴散對本底含沙量和水深的敏感性

本底含沙量和水深對懸浮泥沙的擴散有很大的影響，本底含沙量越大，擴散影響越小，水深越大，擴散影響越小；同時，本底含沙量與水深關系密切，淺水區本底含沙量大于深水區本底含沙量，為選擇合適的源強位置，盡可能降低擴散影響，需進一步比較懸浮泥沙擴散對本底含沙量和水深的敏感性。表3和表4分別反映了本底含沙量和水深增大時，懸浮泥沙擴散范圍的變化幅度。

由表3可知：源強為0.8 kg/s時，本底含沙量增大一倍，懸浮泥沙擴散使海域環境受污染的面積（指濃度增量＞10 mg/L，下同）平均減小18.98%；源強為5 kg/s時，本底含沙量增大一倍，海域環境受污染面積平均減小22.22%；源強為10 kg/s時，本底含沙量增大一倍，平均減小18.62%。

由表4可知：源強為5 kg/s時，水深增大一倍，懸浮泥沙擴散使海域環境受污染的面積平均減小74.49%；源強為10 kg/s時，水深增大一倍，海域環境受污染的面積平均減小56.26%。可以看出，源強越大，水深對懸浮泥沙擴散的抑制作用也會相對減弱。

對比表3和表4可知：同一源強下，水深對懸浮泥沙擴散的影響大于本底含沙量，即懸浮泥沙擴散對水深更加敏感，高濃度增長區尤為明顯。分析其原因，在連續恒定泥沙點源的輸入下，點源附近將在短時間內形成高濃度含沙量區，遠大于本底含沙量，即使本底含沙量成倍增長，懸沙濃度梯度仍減小緩慢，對擴散的抑制作用相對較小。而當水深增大一倍時，相同的輸入條件下，源強附近水體的懸沙濃度將直接減小一半，懸沙濃度梯度也隨之大幅減小，懸沙擴散作用大幅減弱。

表3　懸浮泥沙擴散對本底含沙量的敏感性

表4　懸浮泥沙擴散對水深的敏感性

3　結論

本研究采用潮流泥沙數學模型模擬恒定泥沙點源在不同源強、不同本底含沙量和不同水深條件下的擴散輸移情況，得到以下結論：

（1）在研究懸浮泥沙擴散時，不考慮本底含沙量的計算結果較實際情況偏安全；

（2）本底含沙量越大，同一源強下，懸浮泥沙擴散的范圍越小；本底含沙量對低濃度增長區的影響大于高濃度增長區；

（3）水動力相似條件下，水深增大，懸浮泥沙擴散影響范圍減小；

（4）相對于本底含沙量，水深對懸浮泥沙擴散的影響更大。

參考文獻

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（本文編輯：袁澤軼）

Sensitivity analysis of the influence of oceanic environment on the suspended sediment diffusion

CHEN Xiang1，WANG Yi-gang1，HUANG Hui-ming1，WANG Shi-yue2，GUAN Xu-wei3
（1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.China Waterborne Transport Research Institute，Beijing 100888，China；3. Shanghsi Investigation，Design &Research Institute，Shanghai 200434，China）

Abstract：A two -dimensional current -sediment numerical model is built to modify the transportation of suspended sediments supplied by a constant point source under the condition of different background concentration values and different water depths. The sensibility of suspended sediment diffusion to influence parameters is discussed. The results show that considering the influential scope of the suspended sediment diffusion，that of no background concentration has the greatest scope；the bigger the background concentration value is，the smaller the scope of diffusion is；the influence of background concentration on the high concentration increment is greater than that on the low concentration increment；with similar hydrodynamic condition，the deeper the water depth is，the smaller the scope of suspended sediment diffusion is；comparing to the background concentration，the water depth has more influence than the suspended sediment diffusion.

Keywords：suspended sediments；diffusion impact；numerical model；sensitive analysis；background concentration；water depth

中圖分類號：P753

文獻標識碼：A

文章編號：1001-6932（2016）02-0194-07

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.010

收稿日期：2015-05-26；

修訂日期：2015-07-20

基金項目：國家科技支撐計劃（2012BAB03B01）。

作者簡介：陳翔（1991-），男，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力研究，電子郵箱：541152812@qq.com。