國外一種基于水動力環境及鹽度影響相結合的跨海連接工程方案優化方法

(中國水利水電科學研究院，北京 100038)

隨著我國沿海經濟的快速發展以及“一帶一路”倡議和“海洋強國”戰略的推進，跨海連接工程對于交通運輸能力的提高發揮了重要作用。近年來，越來越多的跨海連接工程建成投入使用[1]。正確評估連接工程對工程區海域水動力和生態環境等方面的影響是非常重要的前期工作之一,其評價結果將直接影響連接工程的總體設計方案[2]。

國內學者針對不同的跨海大橋對工程區海域水沙環境及港口航道等的影響開展了大量的研究工作，如舟山連島工程的金塘大橋[3]、橫跨杭州灣的杭州灣大橋[4]、橫跨膠州灣海域的青島膠州灣大橋[5-6]、橫跨伶仃洋的由“橋-島-隧”構成的港珠澳大橋[7-14]。在跨海連接工程建設方案論證和比選階段，國內多是從連接工程對工程區海域水沙環境、地貌形態和港口航道影響相對較小的角度出發[3-4,14]，通過建橋前后流速、流向、納潮量、阻水比(橋墩阻水面積/斷面過流面積)、局部沖淤等的變化，對跨海大橋方案進行優化確定。在缺乏方案優化的具體方法及控制性指標情況下，工程建設方案比選通常會周期比較長，導致工程前期工作進度受到影響，經濟投入增大。但國內對跨海連接工程方案優化具體方法研究相對較少，何用等[13]以港珠澳大橋工程為例，提出基于單寬流量概念的涉水工程阻水效應評估方法，以最大程度減少工程沿線單寬流量損失為目標，從而實現工程線位和關鍵部位的優化。李勇等[15]在文獻中以深港西部通道跨海大橋項目為背景，指出對于填海和橋墩引起的阻水效應，可選擇斷面流量和水體交換能力作為實施方案的控制性指標，規定阻水影響的百分數，通過調整設計方案盡量減小其影響，但文獻中并未給出明確的控制標準。另外，跨海連接工程對海洋生態環境的影響越來越受到人們的重視，對此在確定方案優化方法時應予以適當考慮，而國內文獻在這方面未見報道。鑒于鹽度是海域生態系統的健康評價指標體系中水質指標的標志性特征參數之一[16]，與阻水效應類似的阻鹽效應可作為跨海連接工程對周邊海域生態環境影響指標[17-18]。本文作者依據在丹麥多年跨海連接工程相關的工作經驗，介紹一種以數學模型為工具的基于水動力環境及鹽度影響相結合的跨海連接工程方案優化方法，以期為國內的連接工程建設方案論證和優化提供參考和借鑒。

1 水動力及鹽度數學模型

建立二維水動力及鹽度數學模型，對跨海連接工程所在海域進行潮流及鹽度數值模擬，分析工程建設對所在海域潮流及鹽度分布的影響。

在平面直角坐標系下，二維水動力數學模型控制方程可描述如下：

連續方程：

(1)

X方向運動方程：

(2)

Y方向運動方程：

(3)

鹽度輸運方程：

(4)

式中：s為海水的鹽度，PSU；Dx和Dy為X和Y方向的擴散系數；ss為源排放的鹽度,PSU。

2 阻水、阻鹽效應控制方法及標準

跨海連接工程中填海和橋墩可能會造成通過工程軸線斷面的水流和鹽度的減少，從而影響工程海域的水動力和生態環境。為盡量減少其影響，優化的工程設計方案應使水流和鹽度輸移變化為零(或接近于零)。工程造成的水流和鹽度的阻擋效應可以通過疏浚現有航道，開挖新航道或局部挖掘措施進行補償，其目的是為了達到“零解決方案”，即工程建設前后通過工程斷面的水流和鹽度基本保持一致。“零解決方案”的概念最早是在丹麥建設大貝爾特海峽大橋(18 km)時提出。之后在多個大型跨海連接工程方案設計過程中得到應用，包括連接丹麥與瑞典的厄勒海峽大橋(16 km)，連接丹麥與德國的費馬恩海峽大橋(17 km)，科威特堤道連接工程(28 km)，卡塔爾-巴林堤道連接工程(40 km)等。

根據水動力及鹽度數學模型，可以計算得到工程前(參考工況)及工程后(設計工況)通過大橋工程軸線斷面的水流和鹽度的輸移量。水流體積通量(Q)和鹽度通量(QS)的定義如下：

(5)

(6)

式中：Q為水流體積通量,m3/s；QS為鹽度通量,PSU·m3/s；t為時間，s；A為斷面的面積，m2；vN為垂直于斷面的流速，m/s；dn為垂直于斷面的單位矢量；S為鹽度，PSU。

跨海連接工程導致的阻擋效應可定義為工程前后通過工程軸線斷面的通量之差占工程前參考工況通量的百分比，阻水、阻鹽效應可分別由下列數學表達式表示：

(7)

(8)

式中：ΔQ定義為阻水效應值；ΔQS定義為阻鹽效應值；T為數值模擬的時間長度，s；下標“ref”表示為工程前的參考工況；下標“scenario”表示為工程后的設計工況。

阻水、阻鹽效應可作為跨海連接工程方案優化以及所需補償性疏浚的評估工具。阻水、阻鹽效應的正值表示補償性疏浚不足，負值則表示設計方案存在過渡補償。阻擋效應的“零解決方案”控制標準可定義為±0.5%范圍以內，該標準最早于丹麥大貝爾特海峽大橋的研究過程中提出，并應用于多個國際大型跨海連接工程的研究。

3 應用實例

卡塔爾-巴林堤道連接工程是連接卡塔爾和巴林兩國之間一條40 km長的包括公路及鐵路的跨海通道，設計方案包括17 km的堤壩和23 km的高架橋和橋梁。在堤道連接工程方案優化過程中，對上百個方案進行了阻水、阻鹽效應的對比[17]，在此針對兩個設計方案的結果進行比較。連接工程的某一設計方案(方案1)的平面布置見圖1。方案1的海工工程主要包括堤壩(EM1、EM2、EM3-1、EM3-2、EM3-3、EM4-1、EM4-2、EM4-3、EM6)、橋梁(BR1、BR2、BR3、BR4)、3個航道(S1、S2、S3)、航道附近的3個填充區(FD1、FD2、FD3)、小型人工島(RQ、RB)，以及3個開挖區域(QBA1、QBA2、BBA1)。方案2是在方案1的基礎上去除掉填充區FD3。

圖1 卡塔爾-巴林堤道連接工程方案1平面布置圖

對參考工況以及工程設計方案1和方案2的工況分別進行水動力及鹽度數值模擬。根據模擬結果，由式(7)和式(8)計算得到方案1的阻水、阻鹽效應值分別為0.16%和0.71%。與±0.5%范圍內的“零解決方案”控制標準比較可見，阻水效應滿足要求；而阻鹽效應值偏大，需要進一步補償疏浚或采取相應減小阻擋的措施。方案2是在方案1的基礎上去除掉起一定阻擋作用的填充區FD3，其阻水、阻鹽效應值分別為-0.24%和0.34%，均滿足±0.5%范圍內的“零解決方案”控制標準，表明方案2對周邊海域水動力和生態環境基本沒有影響。

4 結 語

跨海連接工程建設方案的論證涉及面廣、周期長、投資造價高，工程對周邊海域水動力環境和生態環境的影響評價直接影響連接工程的總體設計方案。方案優化方法對方案的論證起著至關重要的作用，合理有效的優化方法能縮短工程建設周期，提高經濟效益。本文介紹了國外一種基于水動力環境及鹽度影響相結合的跨海連接工程方案優化方法，給出阻水效應、阻鹽效應的計算方法以及用于國際大型跨海連接工程的“零解決方案”控制標準。結合海外工程實例說明通過采取疏浚現有航道，開挖新航道或局部挖掘的措施對橋梁、堤道及人工島引起的阻擋效應進行補償，可達到阻水、阻鹽效應的“零解決方案”目的。