大連太平灣港區人工湖工程水體交換數值模擬研究

解鳴曉, 李孟國，麥 苗, 姚姍姍, 李文丹

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

擬建大連太平灣人工湖工程位于遼東灣仙人島至將軍石岸段的大連太平灣海區，地理位置約東經121°52′、北緯40°0′，具體位置見圖1中所示。目前，太平灣港區總體規劃工程正在起步實施中。為更好的將港區產業與城市景觀和諧統一，達到最佳綜合效果，目前正在籌劃建設人工湖工程。依托太平灣港區總體規劃方案，人工湖景觀工程共分為兩個區段，其一為太平角處的太平湖工程，其二為將軍石處的將軍湖工程。兩個人工湖均為人工疏浚所得的內湖，圖2中示意了人工湖工程的平面布置情況。人工湖建設后，湖內水體與外海潮體的交換能力將對湖內水質有所影響。因此，全面了解與評價人工湖實施后湖內的潮流運動規律及湖內水體交換能力，是規劃中應重點考慮的因素。

圖1 工程區位示意 圖2 人工湖方案布置示意 Fig.1 Location of the study site Fig.2 Planar layout of the artificial lake

此外，景觀湖的建設不僅受制于水體交換能力，同時也需在外海潮汐漲落時保持一定的最小湖深，以保證游船在湖內通航。基于以上考慮，擬在太平湖口門附近設置攔水潛堤，以保證潮汐落至最低時，湖內仍有一定水深。然而，攔水潛堤的設置又將阻隔內湖與外海的潮體交換，隨潛堤高程的增加，湖深條件更佳，但同時亦將降低湖內水體交換能力。總體來說，最大湖深與湖內水體交換能力是一對矛盾體，需平衡取舍。

對半封閉海灣內工程建設對水動力及水體交換能力的研究多采用基于過程的數學模型試驗手段，技術手段較為成熟，并在大量工程案例中得到廣泛應用，例如羅鋒[1]、劉浩[2]等人分別對樂清灣、深滬灣內的納潮量及水體交換情況進行了研究；許雪峰[3]、沈林杰[4]等人探討了圍墾工程建設對三門灣及河口地區水體交換的影響；王靖鑫[5]利用二維潮流、泥沙數學模型，從水體交換能力和泥沙輸運角度，探尋了旅順琥珀灣工程治理的合理方案等。

本文在對工程海域水動力環境全面分析的基礎上，采用潮流數學模型試驗、守恒性物質擴散數學模型試驗相結合的研究手段，以北側太平湖為例，對太平灣人工湖方案的整體流態、湖區內的水體交換能力進行研究，并論證了湖區口門潛堤高程對水體交換的影響規律，結論可為大連太平灣人工湖工程設計提供科學依據和技術支撐。

表1 太平湖各工況條件示意Tab.1 Scenarios of the Taiping artificial lake

1 研究區域概況

1.1 工程方案概況

太平灣港區總體規劃方案由陸域圍墾、進港航道及內港池三部分組成，其中進港航道底高程為-16.0 m，內港池根據不同功能區劃，分為-16.0 m和-11.0 m兩種底高程。太平湖工程位于太平灣港區的東北角處，向東浚深形成內湖，口門寬度約370 m，設計湖底高程-4.7 m，湖中建設人工島嶼。為保證湖內在潮流漲、落時可保有一定水體，在口門附近設置攔水潛堤。潛堤頂高程需論證，表1中給出了工況條件。

1.2 工程海域水動力環境

太平灣港區位于遼東灣東岸，屬岬灣沙質海岸類型，基巖岬角眾多，岬角間發育海灣，遼東灣內潮波由太平洋潮波經渤海海峽老鐵山水道傳入，潮汐屬不規則半日潮，且日潮不等現象明顯。據2010年5月29日～6月27日實測水文資料[6]，太平角平均潮差1.88 m，最大潮差3.08 m，最小潮差0.89 m；潮流類型為規則半日潮流，運動形式屬往復流，圖4～圖5中分別給出了實測大、小潮期間的工程海域潮流運動矢量。

圖3 海域2010年實測大潮流速矢量 圖4 海域2010年實測小潮流速矢量 Fig.3 Current vector of 2010 spring tideFig.4 Current vector of 2010 neap tide

據文獻[6]中統計，各站漲、落潮平均流向隨位置不同略有變化，大潮漲潮時1#、2#、6#、7#站靠岸側潮流向為60°左右，靠海側潮流呈50°～60°變化，3#～5#站由于受太平角挑流的影響，流向呈30°～50°變化；落潮時，1#、3#由于太平角挑流和過岬角后潮流向太平灣內擴撒，其落潮流向太平灣內擴散，其流向分別為248°、208°，其他各站呈225°～237°間。大潮漲潮時，除1#處于向太平角北側灣內擴散而流速為0.36 ms外，其他各站均在0.41～0.51 ms間，其變化為岸側稍小，深水區稍大。3#～5#間由于局部地形作用，相對4#站流速略低。大潮落潮時各站流速介于0.35～0.40 ms，其中以3#～4#由于處于淺水區域而流速稍小，僅在0.35～0.36 ms。大潮垂線漲潮最大平均流速在0.65～0.95 ms，落潮時均處于0.64～0.74 ms間。

2 數值模擬計算方法

潮流數學模型理論采用平面二維淺水方程組，其基本形式見式(1)～式(3)。其中h為總水深；g為重力加速度；u和v分別為垂線平均流速在x,y方向上的分量；f為科氏力系數；ρ為水體密度；Ex和Ey分別為x,y方向的水平紊動粘性系數，可由Smagorinsky方程求解；τbx、τby分別為床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy分別為波浪輻射應力的各向分量。

模擬中計算域剖分采用無結構三角形網格，并采用多尺度模型嵌套手段。圖5中示意了模型計算范圍與網格配置情況，其中最小網格尺度為30 m。大尺度模型潮位邊界條件由東中國海潮波運動模型提供，并考慮8個主要分潮(S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M2)。

(1)

(2)

(3)

對水體交換程度的模擬采用示蹤劑法，即在水城內部設置溶解態無降解守恒物質，并考察其在潮流動力作用下的濃度擴散情況。示蹤劑輸運采用基于歐拉物質輸運的對流擴散方程形式，見式(4)

(4)

式中：C為守恒性物質濃度；Dwx和Dwy分別為x、y方向的物質擴散系數，可取為和紊動粘性系數相等；F為物質衰減系數，守恒性物質取為零。

2.1 模型建立與驗證

5-a 計算域范圍 5-b 局部模型網格剖分圖5 模型計算域及網格配置Fig.5 Model domain and mesh resolution

為擬合復雜岸線和航道、堤線等細致建筑物邊界，潮流數學模型中采用無結構三角形網格對計算域進行剖分，并采用大范圍與局部模型嵌套方式進行計算，以消除模型范圍過小帶來的邊界傳入誤差。圖5-a中示意了模型嵌套范圍，其中大范圍包含整個渤海海域；局部模型北至營口港鲅魚圈港區以北，南至長興島，西至約-30 m等深線。局部模型所需的潮位邊界數值可由大范圍模型提供。圖5-b中示意了局部模型的網格剖分情況，最小空間步長為5 m，能夠保證充足的網格分辨率。

模型驗證依據2010年實測大、中、小潮水文測驗數據(測點位置見圖3～圖4)。為節約篇幅，僅以大潮為例給出了部分測站潮位、流速流向驗證結果，如圖6中所示。其它驗證成果可見文獻[7]。據統計，計算值與實測值吻合良好，符合現行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》要求。

圖6 大潮潮位、流速流向驗證(2010年5月29日 8:00～5月30日12:00)Fig.6 Model validation of the tidal level and current speeddirection

2.2 水體交換統計方法

目前對水體交換常用的數值模擬手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統計，其原理為在所研究水域內設置溶解性守恒物質，該物質將隨水體攜帶，且無降解。因此，守恒物質的對流與擴散直接反映了水體的運動形式。基于以上考慮，本研究中于太平湖內布置初始濃度為1.0的守恒性物質，湖外及外海水域物質濃度設置為0.0。為充分了解現狀條件下各湖區內水體交換的時間過程，本次模擬時段采用連續潮作用一個月。由于采用守恒物質，衰減系數取F=0，點源濃度設置S=0。物質擴散系數取為與水流紊動粘性系數相等。經一定的時間過程后，自湖內擴散至湖外的物質總量占湖內初始物質總量的百分比即為水體交換率，統計計算表達式見式(6)

(6)

式中：EX為水體交換率；C為物質濃度；D為總水深；i為統計域內的節點編號；N為統計域內的節點總數；j為時刻編號。

3 人工湖內水體交換模擬及分析

3.1 潛堤高程對湖內流態分布影響

以大潮為例，圖7～圖9中分別給出了各工況湖內流態歷時過程。經分析：

(1)工況S1#。漲潮時，外海潮體受太平灣港區北防波堤歸束，口門外側水體呈自西向東運移，部分進入口門內，部分跨過口門繼續向東北側流動；隨進一步漲潮，外海潮體進一步進入湖區內部，口門流速逐漸增大。由于流速量值較低，潮體未達湖區末端時已開始落潮。漲憩時，口門內可有較弱回流生成。落潮基本為漲潮的反過程，湖內水體隨落潮流并入外海主流，并呈自東向西流動。

(2)工況S2#。由于太平湖湖區外觀未變，從而流場整體形態與方案S1#基本相同。然而，值得注意的是，由于口門內設置攔水潛堤，其高程為-1.7 m。在潛堤上方，由于水深陡然變淺，從而在過水斷面束窄的條件下，潛堤上方流速局部有所增大。

(3)工況S3#。由于潛堤高程修筑至85高程基面以上+1.0 m，僅能在大潮部分潮時可有部分潮體進入湖內，從而湖內水體在大多數潮時與外海隔絕，成為封閉池湖，且在湖內形成極為微弱、較為散亂的回流流態。此外，由于相當于縮小了有效納潮面積，外海漲潮時水體更加難以進入口內，導致湖內流速全面降低。

綜上分析，由于各湖區口門朝向與外海潮流運動主軸夾角較大，從而湖內水體流動僅靠納潮驅動。總體而言湖內流速均維持在較低水平，較為平靜，適合游艇通航。然而，對太平湖而言，攔水潛堤建設將進一步降低流速，甚至在較高潛堤的條件下可將一定的外海潮體與湖內隔絕，可能造成與外海水體交換不通暢，是值得注意的問題。

圖7 工況S1#太平湖內流態過程(左為漲急，右為落急)Fig.7 Current field in the Taiping Lake of S1#

圖8 工況S2#太平湖內流態過程(左為漲急，右為落急)Fig.8 Current field in the Taiping Lake of S2#

圖9 工況S3#太平湖內流態過程(左圖為漲急，右圖為落急)Fig.9 Current field in the Taiping Lake of S3#

3.2 潛堤高程對湖內濃度分布影響

根據上節中對湖內流態的研究結論，太平湖內流速很低，且平面呈現口門相對較高，末端流速幾乎為零的趨勢，這種流態格局將對水體交換率產生影響。因此，為全面了解各工況建設后，特別是太平湖內攔水潛堤建設后的水體交換能力情況，圖10～圖12中分別給出了不同代表工況條件下各湖區內在某個漲、落潮循環作用下的濃度時空分布過程，經分析：

(1)對不設置攔水潛堤的工況S1#而言，漲潮時，在指向湖內的潮體作用下，清澈海水進入湖內，并摻混稀釋湖內相對濃度較高的水體，隨逐漸漲潮，可稀釋的水體越來越多；至落潮時，湖內原有相對濃度較高的水體，以及稀釋后的水體一并隨落潮流出外海。經過一個漲落潮循環，部分湖內水體可對流擴散出口門，并由外海潮體帶至相鄰的其他近海水域。

(2)對攔水潛堤高程為-1.7 m的工況S2#而言，由于地形局部抬高，納潮容積變小，盡管在低潮位時潛堤不出露，但其湖區內交換能力與S1#相比略低。

(3)對攔水潛堤高程為+1.0 m的工況S3#而言，由于潛堤高程已顯著影響湖內水位，絕大多數潮時外海水體無法進入湖內，從而湖區濃度最高，且在潮位低于+1.0 m時整個太平湖區成為封閉池湖，水體與外海無交換，僅在大、中潮落潮初期時可有極少水體流出外海，水體交換能力很低。

(4)無論何種工況條件下，太平湖區內濃度分布均呈現出顯著的不均勻性，其中靠近口門一側由于直接與外海相通，從而交換能力較強，但湖區末端由于流速很低，且距離口門較遠，在對流作用下難以直接交換，而主要通過摻混擴散的形式與相鄰水體進行稀釋，并隨落潮流逐漸流出該區。

總體而言，對各工況而言，湖區呈現出口門附近交換率較高，末端交換率很低的分布趨勢。太平湖攔水潛堤高程增高后，湖區內濃度逐漸增高，顯示出更低的交換能力。

圖10 工況S1#太平湖內濃度過程(左為漲急，右為落急)Fig.10 Concentration in the Taiping Lake of S1#

圖11 工況S2#太平湖內濃度過程(左為漲急，右為落急)Fig.11 Concentration in the Taiping Lake of S2#

圖12 工況S3#太平湖內濃度過程(左為漲急，右為落急)Fig.12 Concentration in the Taiping Lake of S3#

3.3 潛堤高程對水體交換影響

圖13中給出了各工況條件下的日均水體交換率時間過程，表2中給出了30 d內太平湖水體交換率的計算數值。經統計分析，得到以下主要結論：

(1)太平湖不建潛堤條件下，外海潮體可不受阻攔進入湖內，并隨落潮向外擴散，水體交換能力最佳，月交換率可達86%左右。

(2)隨攔水潛堤頂高程抬升，月水體交換率逐漸降低，這是由于當潛堤高程逐漸抬高時，特別是當頂高程位于85高程下-1.7 m以上時，開始有部分潮體被潛堤阻攔，愈加難以進入湖內。當潛堤高程為+1.0 m時，僅在中、大潮的高潮位附近時刻才有潮水進入湖內(見圖14)，小潮時甚至無潮水進入，導致其水體極難與外海交換，月交換率僅為29%。

圖13 各工況日均水體交換率時間過程Fig.13 Time series of the water exchange rate for different scenarios

圖14 不同潛堤工況太平湖區外海潮位歷時過程對比Fig.14 Time series of the tidal level in the offshore

綜上分析，對太平湖口門攔水潛堤而言，其高程決定了水體交換能力的量級。當潛堤高程不斷抬高，水體交換能力逐漸變差。根據以上結論，從改善太平湖內水體交換能力角度，不建議攔水潛堤修筑過高。

表2 人工湖各方案工況日均水體交換率數值Tab.2 Water exchange rate values for different scenarios

4 結論

本文圍繞大連太平灣人工湖工程水動力及水體交換能力開展研究，建立了潮流、守恒性物質擴散數學模型，并以太平湖為例對人工湖不同潛堤工況實施后的湖內流態、水體交換率時空分布進行了模擬研究，得到以下結論：

(1)各湖區水體流動僅靠納潮，流速整體均較低，大潮平均在0.2 m/s以內。流速分布呈口門附近略高，湖區末端接近靜水的趨勢。太平湖攔水潛堤高程越高，湖內流速越低。總體而言湖內較為平靜，適合游艇通航。

(2)湖區呈現出口門附近交換率較高，末端交換率很低的平面分布趨勢。太平湖不建潛堤條件下,水體交換能力最佳，月交換率可達86%左右。如攔水潛堤頂高程抬升，則月水體交換率降低，當潛堤高程為85高程上+1.0 m時，月交換率僅為29%。總體而言，攔水潛堤的高程決定了水體交換能力的量級。在方案選取中，應結合人工湖的規劃功能等其他條件綜合取舍。

(3)如期改善湖內水質，建議盡可能降低攔水潛堤高程，減少湖區內的無效水深。可考慮定期對湖區內進行換水；可考慮將潛堤設置為橡膠壩形式，定期下降高程泄水。此外，應嚴格控制污染物直接排放至湖區內部。

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