外釣光匯石油基地工程水動力及海床沖淤數值模擬分析

祝 悅，倪云林，李康婷，宣勝男

(1.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022；2.浙江東天虹環保工程有限公司，浙江杭州 310012)

外釣山島位于舟山群島西側，與老塘山港區隔海相望(圖1)。周邊水深條件良好，具備建設大型碼頭深水港之條件[1]。舟山外釣光匯石油基地工程位于外釣山島南側，在基地填海造地的基礎上，布置6個3 000 t級油品碼頭泊位和3個工作船碼頭泊位(圖2)。工程的選址和布置需要參考周邊海域的岸灘演變和歷史沖淤規律，為此，劉毅飛等[2]利用1962年、1995年、2001年海圖或水下地形圖和淺地層探測數據，分析了舟山外釣山島西海岸邊坡的水動力、懸浮泥沙及沖淤特征，得到了外釣山島西海岸邊坡“上淤下沖”的演變結論。宣勝男等[3]基于歷史海圖和水深地形資料，采用GIS技術，研究分析了外釣山島附近海域沖淤演變，結果表明在2004-2011年間，該海域經歷了由緩慢沖刷到較快淤積的調整過程，但總體以淤積為主，淤積速率7.6 cm/a。此外，基地工程和碼頭工程的實施會對周邊海域的水動力和海床沖淤變化產生影響，需要采用數值模擬的方法預測分析。目前，世界上比較成熟的潮流泥沙數值模型有Delft3D、ECOM、MIKE21等，例如，姜尚等[4]基于Delft3D模型數值模擬了液體化工碼頭醋酸泄露風險；鮑獻文等[5]應用ECOM模式開展了膠州灣潮流計算；傅杰能和王瓊琳[6]采用MIKE21分析了舟山老塘山港區2萬t級碼頭工程潮流數模及港池泥沙回淤問題；謝中宇等[7]同樣采用MIKE21模型建立了樂清灣潮流水環境數學模型,對樂清灣區域水動力環境及污染物擴散輸移進行數值模擬。考慮到Delft3D模式的開源優勢，本文將利用該模型分析研究外釣光匯石油基地工程對海域水動力和沖淤變化的影響。

圖1 地理位置示意圖Fig.1 Geographic sketch map

圖2 外釣山島油品基地平面布置Fig.2 Plane layout of oil product base in Waidiaoshan island

1 數學模型的建立

1.1 控制方程和定界條件

為了更好的模擬邊界處的流態，本文采用曲線網格對計算域進行剖分。曲線坐標系ξ-η下的基本控制方程組為[8]：

式中：ζ是潮位；t是時間；u、v是ξ、η方向上的流速分量；H=h+ζ是實際水深，其中h為靜水深；f=2ωsinφ是科氏力，其中ω為地轉角速度，φ為緯度；g是重力加速度；C=H1/6/n為謝才系數，其中n為糙率；Aξ、Aη是渦動粘滯系數；gξ、gη分別對應于曲線網格的 2 個邊長。

初始條件通過開邊界上的潮位預報資料確定，固壁邊界條件取流速的法向分量為零[9]。

1.2 模型建立

本模型先進行大范圍計算，得到基地工程附近的邊界條件，然后利用小范圍的高分辨率網格計算基地工程周邊流場。大范圍計算網格共計640 000個，網格最大邊長約1 000 m；小范圍計算網格共計90 000個，網格邊長約30 m；計算時間步長為60 s。

1.3 模型驗證

利用國家海洋局第二海洋研究所的水文測驗資料，對本文模型計算所得的潮位、流速、流向進行驗證。

1.3.1 潮位驗證

選取舟山本島西側岑港碼頭臨時潮位站的潮位觀測資料進行潮位驗證，結果如圖3所示。從圖3可以看出，模擬結果與實測數據擬合較好，誤差小于8 cm。

圖3 潮位驗證Fig.3 Tide level validation

1.3.2 潮流驗證

選擇基地工程區附近4個錨系潮流站的實測資料進行潮流驗證，結果如圖4(a～d)和圖5(a～d)所示。從大、小潮流速流向的驗證曲線來看，流速總體上擬合較好，相對誤差小于10%；流向除個別轉流時刻誤差較大外，其余誤差一般小于10°。

綜合潮位、流速、流向的驗證結果，本文模型計算精度滿足《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》(JTS/T 231-2-2010)中的精度要求，可應用于模擬分析基地工程對水動力和海床沖淤變化的影響。

圖4 大潮期1～4#站位流速流向驗證Fig.4 Velocity and directions validation with 1-4#stations of spring tide

圖5 小潮期1～4#站位流速流向驗證Fig.5 Velocity and directions validation with 1-4#stations of neap tide

2 水文泥沙沖淤變化數模預測

2.1 潮流變化預測分析

將填海工程區由水域改為陸域，將油品碼頭和工作船碼頭工程區用等效底摩擦力來模擬碼頭樁基的阻水效果，計算基地工程實施后的流場狀況，將計算結果與工程前進行比較，求得工程前后的潮流場變化情況。

從圖6(a)基地工程實施前后漲潮平均流速變化情況來看，工程區東側圍堤前沿漲潮流速減小明顯，流速減小幅度約20%～40%，而南側圍堤前沿漲潮流速變化不大；碼頭工程附近海域流速減小幅度在10%以內；碼頭對岸流速有所增大，流速增大幅度為10%～20%。

從圖6(b)基地工程實施前后落潮平均流速變化情況來看，工程區東側圍堤前沿落潮流速減小幅度20%～30%，而南側圍堤前沿落潮流速變化不大；碼頭工程附近海域流速減小幅度在5%以內；碼頭對岸流速有所增大，流速增大幅度為5%左右。

圖6 基地工程實施前后潮流速變化百分比Fig.6 The percentage variation of current velocity before and after the construction

2.2 工程后沖淤變化預測分析

2.2.1 床面沖淤計算方法

根據泥沙運動理論中的輸沙平衡原理[10-11]，若只考慮潮流的挾沙能力S*，則

式中，H=h+ζ是實際水深，g是重力加速度，k是挾沙系數，取0.5～0.6。假設工程區附近的海床在工程前處于不沖不淤的平衡狀態，但由于填海工程和碼頭工程的實施，使得漲、落潮流的流速和挾沙能力發生變化，由此可以選用半經驗半理論公式計算工程后海床的沖淤變化：

式中：α為懸沙沉降機率，根據工程經驗取值0.3左右；ω為沉降速度，取0.000 4 m/s[12]；γ＇s為淤積物干容重 1 750 d500.183，中值粒徑 d50取 0.003 mm；s為平均含沙量；v1、v2為工程前、后的垂線平均流速；h1、h2為工程前、后的水深[13]。

2.2.2 第1年沖淤變化預測

工程后第1年的沖淤變化如圖7所示。結果表明：東側圍堤前沿、碼頭所在區域及鄰近海域普遍淤積，第1年淤積厚度一般0.05～0.35 m；工作船碼頭和油品碼頭后方淤積相對較大，達到0.30～0.40 m；南側圍堤前沿局部發生輕微淤積，幅度約0.05～0.15 m；碼頭前沿航道基本處于沖淤平衡狀態；基地工程造成對岸老塘山港區的泥沙略有沖刷，沖刷厚度為0.10～0.15 m。

2.2.3 最終沖淤變化預測

根據舟山海域的工程經驗，在現有的邊界條件和水文泥沙條件下，一般工程實施后5 a，海床初步達到沖淤平衡狀態，因此本文將基地工程實施后5 a的累計沖淤量作為最終沖淤預測結果。

從圖8可以看出，最終沖淤分布趨勢和第1年基本相似。東側圍堤前沿、碼頭所在區域及鄰近海域淤積明顯，最終淤積厚度一般約0.1～1.0 m，最大淤積可達1.2 m，位于碼頭后方，淤積范圍擴大至碼頭上下游0.5～1.2 km；南側圍堤前沿0.1～0.5 m；碼頭前沿航道依舊保持沖淤平衡狀態；基地工程造成對岸老塘山港區海床沖刷0.4～0.5 m。

總的來說，外釣光匯石油基地工程對附近海域的沖淤變化影響不大。

圖7 工程實施后第1年沖淤變化Fig.7 Erosion-deposition of the 1st year after the construction

圖8 工程實施后最終沖淤變化Fig.8 Final erosion-deposition after the construction

3 結論

外釣光匯石油基地碼頭工程位于外釣島南側，在基地填海工程基礎上，布置6個3 000 t級油品碼頭泊位和3個工作船碼頭泊位。一方面，受基地填海工程的影響，潮流通道的過流面積有所減小，使得漲落潮流速增大；另一方面，由于碼頭樁基工程的阻水作用，又使周邊的漲落潮流速減小，綜合上述兩個因素，漲落潮流速在工程區東側圍堤前沿和碼頭后方表現為明顯減小，而在碼頭對岸則有所增加。相應地，工程區東側圍堤前沿和碼頭后趨于淤積，而碼頭對岸則趨于沖刷。