人工島群分階段建設對附近水沙環境影響的數值研究

劉星池，王永學，陳靜，2

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西南昌330099）

人工島群分階段建設對附近水沙環境影響的數值研究

劉星池1，王永學1，陳靜1，2

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西南昌330099）

以龍口灣正在興建的龍口人工島群和招遠人工島群為例，利用MIKE21軟件建立龍口灣人工島群附近海域水沙數學模型。在模型經過實測資料驗證的基礎上，設計了兩大人工島群整體建設和間隔期不同的分期建設方案，模擬不同方案對龍口灣潮流變化和海底沖淤演變的影響。結果表明，間隔期為9 a的分期建設方案中人工島群水道內流速較大，周圍海域泥沙運動相對穩定，確定為優選方案。

龍口灣；數值模擬；人工島群；分期填海；水沙環境變化

隨著我國沿海地區經濟快速發展，對土地需求日益增大，建設人工島群是開發利用海洋空間資源的重要方式。通常大規模人工島群建設應遵循整體規劃、分期實施的原則。在海洋動力條件作用下，先期建成的人工島群使周邊的海床產生沖淤變化，且這種變化將作為后期建設的人工島群的初始海床，而整體建設不存在這一過程，海床的沖淤變化是島群整體共同影響的結果。也就是說，人工島群整體建設與分階段建設產生的海床沖淤演變過程是不同的。因此應科學制定填海先后次序與分期建設方案，以盡量減少對海洋環境的影響。

目前，山東半島的龍口灣臨港高端產業聚集區正在興建我國最大的離岸人工島群，該人工島群由龍口人工島群和招遠人工島群組成。近年來，國內在人工島（群）附近海域水動力條件及泥沙沖淤演變方面開展了一些研究工作，安永寧等（2010）分析了龍口灣沖淤特性對龍口人工島群建設的響應；周廣鎮等（2014）計算并對比了萊州灣東岸近岸海域人工島群建設前后的最大沖刷深度；英曉明等（2014）研究了海南儋州由五個人工島組成的海花島對潮流變化及海床沖淤的影響；趙強等（2014）模擬計算了圍填海工程對南黃海輻射沙脊群海域潮流和含沙量變化；許婷等（2015）模擬了波流共同作用下韓江河口附近海域汕頭大型離岸人工島群建設前后的海床沖淤變化；陳靜等（2016）提出了大連灣內多個圍填海工程使得灣內納潮量減小。但上述研究大都是基于離岸人工島群整體建成后對周圍海域水動力環境的改變和產生的泥沙沖淤變化，關于動態跟蹤建設過程對水沙環境影響的研究較少。

本文將以龍口灣臨港高端產業聚集區人工島群建設為研究區域，針對該區兩組人工島群建設整體方案和三種不同分期方案，運用MIKE21-FM模型數值模擬了在龍口人工島群建設后不同間隔時間建設招遠人工島群對周圍海域流場以及相應的泥沙沖淤變化，并進行對比分析，為人工島群分階段建設施工方案的優化提供參考依據。

1 龍口灣人工島群概況

龍口灣位于山東半島北部，萊州灣之東北隅，是一個半開敞海灣。灣內水深不足10 m，地形平坦，海底比降為1/1 000，沉積物中值粒徑從岸向海逐漸變細，粒徑值范圍約為4～8Φ。龍口灣的潮汐性質為不正規的混合半日潮，龍口海洋站平均潮差為91 cm；龍口灣為不規則半日潮流區，以旋轉流為主，漲潮流速略小于落潮流速，灣口流速大于灣內流速。海灣內常浪向為SW，強浪向為WSW，全年平均波高為0.4 m，僅為灣外1/3左右（中國海灣志編纂委員會，1991）。

龍口灣臨港高端制造業聚集區位于龍口灣南部海域，總體規劃由龍口人工島群和招遠人工島群組成（圖1）。其中龍口人工島群包括7個離岸人工島，填海面積35.237 km2，形成人工岸線57.8 km。人工島群之間預留SW-NE方向兩條寬550～600 m的主水道,以及NW-SE方向兩條寬200～300 m的輔助水道。招遠人工島群由4座人工島組成，填海面積12.07 km2，形成人工岸線32.8 km。龍口部分人工島已經完成整體圍堰工程，正在進行海上填筑；招遠人工島群也已經獲得了國家有關部門的審批。

圖1 人工島群布置及小模型模擬區域

2 潮流場數值模擬方法簡介

2.1 模擬方法及參數設置

MIKE21是丹麥水動力研究所開發的一種平面二維數值模型，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。

本文采用MIKE21的水動力模塊，利用大小模型嵌套的方法，大模型研究區域為萊州灣（37.08°-38.04°N，118.87°-120.89°E），圖2為大模型模擬區域及實測資料的測點位置圖。小模型研究區域（圖1）為龍口灣附近海域（37.48°-37.68°N，120.00°-120.62°E）。數值離散采用非結構化網格，并對人工島群建設區域進行加密處理。由M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1 8個分潮提供大模型開邊界處邊界條件，分潮調和常數由渤海、黃海、東海海洋圖集（海洋圖集編委會，1993）中各分潮同潮圖插值得到，并參考MIKE21自帶全球潮汐模型提供的參數。小模型邊界從大模型模擬結果中提取。泥沙運動數值模擬以水動力模型為基礎，主要模擬人工島群建設前后，研究區在正常天氣下年沖淤狀況。

圖2 大模型模擬區域（萊州灣）及實測資料點位置

2.2 大模型潮位潮流驗證

數學模型潮位驗證依據2010年5月份的潮位資料（國家海洋信息中心，2010）；數學模型潮流驗證依據國家海洋局第一海洋研究所在萊州灣2007年10月26日10時-27日11時測得的2個測站（L1，L2）的大潮實測海流數據及2007年11月10日12時-11日13時測得的4個測站（H1～H4）大潮實測海流數據（劉建強，2012）。驗證結果表明，潮位過程線和流速流向過程線形態基本一致，計算值與實測值吻合較好；潮位驗證點最高最低潮位值偏差均不超過±10 cm，潮流驗證點平均流向均不超過允許偏差，平均流速除H4和L2略超出允許偏差±10%之外，其他各點均滿足精度要求；其中超出允許偏差的測站（H4，L2）未超出總測站數量的20%，滿足相關規程（交通運輸部天津水運工程科學研究所，2010）要求，說明模型建立較為合理因篇幅有限，圖3，圖4，圖5，圖6僅列出萊州港和龍口港大潮期的潮位驗證曲線和L1、H3站位的流速流向驗證曲線。

圖3 萊州港潮位驗證曲線

圖4 龍口港潮位驗證曲線

圖5 L1站流速流向驗證曲線

圖6 H3站流速流向驗證曲線

3 龍口人工島群數值模擬及分析

3.1 小模型合理性驗證

在小模型研究區內的龍口部分人工島群周圍選取15個流速點（圖7），將模擬計算后的漲潮時最大流速及對應流向與參考文獻（安永寧，2010）進行對比，結果吻合較好（圖8），進一步說明潮流場數學模型的參數設置較為合理，可進行應用計算。

圖7 小模型流速對比驗證點分布圖

圖8 龍口人工島群周圍各點流速及流向驗證

3.2 潮流場數值模擬結果

圖9和圖10分別是龍口部分人工島群建設前后附近海域大潮漲急和落急時刻的潮流場模擬結果。可以看出，大潮漲急時刻潮流繞過屺姆島后向西南流，受到人工島群影響，一部分經西側防波堤繼續向南流，一部分進入人工島群經水道向西南流；大潮落急時刻與漲潮過程大致相反，一部分潮流繞過防波堤后向北流，一部分經人工水道后沿西北方向流出。

圖9 工程建設前附近海域大潮漲急、落急時刻流場

圖10 龍口人工島群建設后附近海域大潮漲急、落急時刻流場

圖11是大潮漲急、落急時刻龍口部分人工島群建設后與建設前流速值之差的等值線圖。由圖11的比較可見，龍口部分人工島群建設后附近海域的流速將有不同程度的改變。在人工島群建設后，人工島群西北側海域流速整體增加，漲急時刻比落急時刻增加幅度大；西南側海域和北側海域流速均有不同程度的減小，且落急時刻比漲急時刻減小幅度大。人工島群附近最大流速增減值為0.12m/s，西南側減小范圍為0.02～0.08 m/s，北側減小范圍為0.02～0.12 m/s，龍口部分人工島群水道內流速增加幅度在0.02～0.06 m/s。

圖11 大潮漲急、落急時刻龍口人工島群建設前后流速差等值線圖

3.3 泥沙沖淤特性模擬結果

本文在MIKE21-FM中運用MT泥沙輸運模塊，考慮潮流作用下小模型研究區在正常天氣下泥沙年沖淤狀況（圖12）。參考中國海灣志第三冊（中國海灣志編纂委員會，1991）給出的沉積物中值粒徑分布（圖12），采用竇國仁（1999）的經驗公式，計算出研究區附近海域的沉積物臨界的啟動應力。

圖12 萊州灣沉積物中值粒徑等值線圖

圖13龍口人工島群建設前后附近海域年沖淤量分布圖表明：工程建設前，附近海域近岸地區大部分處于微淤積狀態，年淤積量小于0.024 m，離岸較遠處部分區域呈微沖刷態，年沖刷量也小于0.024 m，整個小模型研究區基本上沖淤平衡，沖淤趨勢與陳明波（2012）利用海圖進行的20 a水深變化分析以及安永寧（2010）的泥沙模擬計算結果基本一致，沖淤厚度量級一致，說明模型參數基本合理，可用于泥沙沖淤計算。龍口部分人工島群建成后，島群西北側海域處于較強的沖刷狀態，島群西南側及北側海域的淤積范圍和深度較未建設前明顯增大，但屺姆島西南側的侵蝕狀態有所減少。

圖13 龍口人工島群建設前后附近海域年沖淤量分布圖

4 不同實施方案數值模擬及分析

鑒于當前龍口人工島群已經完成整體圍堰施工、招遠人工島群處于待建狀態，本文設計了龍口人工島群與招遠人工島群整體建設，在龍口人工島群建成后以1 a、5 a和9 a為間隔期再建設招遠人工島群，共4種實施方案（簡稱方案）列于表1。數值計算中忽略了招遠人工島群建設對小模型區域邊界條件的影響，分別在這4種實施方案下，模擬了龍口灣海域的水動力環境和年沖淤變化，并計算10年后海底地形變化量，探討人工島群分階段建設對海洋水動力及海床沖淤演變的影響。

表1 招遠人工島群不同間隔期實施方案

4.1 不同實施方案對人工島群附近流場變化的影響

在整體人工島群水道內取16個點（A-P），在整體人工島群周邊地形變化較大處取5個點（QU），點位分布圖見圖14。根據所處位置，分別提取4種實施方案漲潮時各點最大流速繪制成曲線（圖15：其中A、B、C、I、K用于對比分析龍口人工島群水道內的流速值（圖15（a））；M、N、O、P用于對比分析招遠人工島群水道內的流速值（圖15（b））；Q、R、S、T、U用于對比分析整體人工島群臨海方向外圍的流速值（圖15（c））；J、F、G、H、L用于對比分析整體人工島群臨岸水道內的流速值（圖15（d））。

圖14 人工島群周圍計算點分布

圖15中4個曲線圖比較顯示不同實施方案對招遠人工島群水道和整體人工島群臨岸水道內點最大流速值影響最大；對龍口人工島群水道內點最大流速值影響次之；除S點外，對整體人工島群臨海外圍各點最大流速值影響最小。整體人工島群建成后，值得關注的是島間水道中水體的交換能力，水體的交換能力與水體流速成正相關，且這種交換能力直接影響島周圍的水環境。從水動力環境角度選擇實施方案時，需將人工島群內水道流速最大化作為目標。由圖15（a）龍口人工島群水道內各點漲潮最大流速值顯示方案2最佳，其次是方案3；由圖15（b）招遠人工島群水道內各點漲潮最大流速值顯示方案4最佳，其次是方案3；由圖15（c）整體人工島群臨海外圍各點漲潮最大流速值顯示方案2最佳，其次是方案3；由圖15（d）整體人工島群臨岸水道內各點漲潮最大流速值顯示方案4最佳，其次為方案3。

若從全局綜合考慮人工島群可選擇次優方案3作為實施方案；若將易淤積區的招遠人工島群水道和整體島群近岸水道作為考慮的重點，則應選擇方案4。

4.2 不同實施方案對整體島群周圍海底沖淤變化的影響

圖15 不同實施方案龍口灣內人工島群附近各點大潮漲潮時最大流速值

根據不同實施方案累計10 a的龍口灣海底地形變化分布見圖16。其中，陸域河流界河來沙量較少在此忽略不計，計算過程中未考慮研究區邊界來沙情況，故龍口灣內泥沙沖刷量與淤積量保持不變。圖16中4個圖均反映整體島群西北側海域海底沖刷嚴重，海底標高降低大于0.6 m；臨近北側海域淤積嚴重，最大量超過0.6 m；在整體島群西南側海域海底淤積面積較大，但淤積高度較小，約為0.2 m。由于招遠人工島群所在位置未建設龍口人工島群之前是泥沙淤積區，年淤積量在0.024 m/a左右（見圖13（a）），故整體人工島群的建設對該區西南側未被占用海域海底泥沙淤積影響不大，但對西北側兩個防波堤頭和北側海域海底沖淤影響相對嚴重。

圖16 不同實施方案附近海域10年海底地形變化量

對于4種實施方案，方案2和方案1兩組人工島群的建設時間僅相差一年，先期建設的龍口人工島群對海底地形的影響較小，圖16（a）（b）顯示方案1和方案2十年后海底地形變化量相差不大；方案3和方案4兩個人工島群建設的間隔期較長，圖16（c）（d）顯示龍口人工島群西側防波堤頭附近與招遠人工島群西側防波堤頭附近的地形變化量與方案1和方案2明顯不同。在龍口人工島群圍堰完成后未建招遠人工島群的這段時間間隔期內，龍口島群西側防波堤頭處附近海域處于明顯沖刷狀態。因此隨著間隔期的變長，龍口人工島群西側防波堤頭附近的地形沖刷深度與范圍變大，表現在圖16（d）方案4的沖刷深度與范圍要大于圖16（c）方案3情形。招遠人工島群建設后改變了局部的流場，減弱了龍口人工島群西側防波堤頭附近的地形沖刷深度與范圍，招遠人工島群西側防波堤頭附近進入沖刷狀態。

圖17顯示不同實施方案整體島群建成后龍口島群水道內、招遠島群水道內和整體周圍海域各點的海底年沖淤量。其中正值表示淤積量，負值表示沖刷量，研究點沖淤量值離X軸越近沖淤量越小，海床越穩定。（a）（b）（c）（d）4個圖聯合起來綜合考慮，發現方案4為優選方案，其次為方案3，方案1和方案2基本相當。但是，由于龍口人工島群東北側臨岸水道沒有南北貫通留有拐角并且水道較窄，附近J、F點淤積較嚴重，方案2-4的年淤積量均比方案1大。

圖18顯示不同實施方案整體人工島群內及周圍各點10年后地形變化情況，其中正值表示淤積，負值表示沖刷。圖18（a）中兩組人工島群建設間隔時間越長龍口人工島群水道內沖刷越嚴重，淤積量越少；圖18（b）中招遠人工島群水道內以淤積為主，兩組人工島群建設間隔時間越長招遠人工島群水道內淤積量越少；在圖18（c）中對于整體人工島群臨海外圍各點兩組人工島群建設間隔時間越短S點沖刷量越小，T點特征與S點相反，Q、R、U點變化不大；圖18（d）整體人工島群臨岸水道中J點淤積量最大，其他各點淤積量較小，與圖17（d）結果一致，但整體人工島群臨岸水道內10年淤積量方案4最小。若從減少人工島群水道內泥沙淤積的角度選擇實施方案時，可選擇方案4。

圖17 不同實施方案整體島群建成后附近各點年沖淤量

圖18 不同實施方案整體人工島群附近各點10年海底地形變化量圖

5 結論

本文以龍口灣臨港高端制造業聚集區的龍口與招遠兩大人工島群工程為例，運用MIKE21軟件計算并分析了在龍口人工島群圍堰建成后，招遠部分人工島群相隔不同年份建設對工程水域水動力與泥沙的影響，可得到如下結論：

（1）人工島群分期建設中，先期建設的人工島群會引起附近海域的海底地形和海洋動力環境條件較大的改變，因而后期人工島群建成后的附近海域地形沖淤演變不同于兩部分人工島群整體建設方案。實際工程中可根據建設需求的不同選擇最優分階段建設方案。

（2）在龍口部分人工島群和招遠部分人工島群分階段建設過程中，綜合考慮整體島群水道內和臨海外圍海域的流場及泥沙沖淤變化情況，分期間隔較長的方案為優選方案。

（3）本文僅考慮潮流場變化下的招遠部分人工島群相隔不同年份填海建設對工程區域附近海底地形變化的影響。鑒于人工島群工程離岸較近、水深較淺，波浪與水流共同作用下人工島群分階段建設對海床沖淤演變的影響需進一步的探討。

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（本文編輯：袁澤軼）

Study on the water-sediment environment of artificial islands constructed in stages by numerical simulation

LIU Xing-chi1,WANG Yong-xue1,CHEN Jing1,2

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China）

Hydrodynamic and sediment model for the Longkou bay nearby waters is set up by MIKE21 software in this paper.The overall construction scheme and Installment construction schemes of different intervals are simulated on the basis of the validation by the measured data。The results show that the velocity within the waterways is relatively larger and the sediment movement around the artificial islands is relatively stable in the 9-year interval scheme,so this scheme is preferred.

Longkou Bay;numerical simulation;artificial islands;staging reclamation;water and sediment environment changes

P753

A

1001－6932（2017）03－0302－09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.008

2016-01-24；

2016-03-18

國家自然科學創新研究群體基金（51221961）。

劉星池（1991－），碩士研究生，主要從事海岸工程與海洋環境科學方面研究。電子郵箱：lxc102@mail.dlut.edu.cn。