綠華島海底電纜敷設對海域內懸浮泥沙的影響

曾 濠，陳 維，王 彬 諭，倪 云 林

(1.浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022； 2.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023)

舟山作為海島城市，海島供電是舟山市基礎建設的重要部分[1]，對舟山市的發展起著重要作用。綠華島及花鳥島均位于舟山群島北部、馬鞍列島西北隅，隸屬于浙江省嵊泗縣，距縣城所在地嵊泗礁島分別為14 km和24 km。綠華島由東、西綠華兩島組成，中間通過跨海大橋連接。島上居民主要從事漁業生產。

海底電纜管道敷設引起的高濃度懸浮泥沙對海洋環境造成的影響不可忽視[2-4]。海域懸浮泥沙濃度突然升高，會造成海水水質的下降，同時懸浮泥沙會對周圍水生生物幼體造成嚴重傷害，主要表現為影響胚胎發育、堵塞生物的腮部造成窒息死亡等[3]。

由于海底電纜的敷設會對周圍水域造成影響，短時間內造成周圍海域懸沙含量的增加。因此，需要根據當地環境與地形來評估管道敷設對周圍環境的影響，以及對海洋生物資源造成的損失[5-6]。在環境評估過程中也需要結合當地的潮流特點[7-8]、風況[9-10]等因素。黃蘭芳等[5]曾利用二維泥沙輸運模型研究管道敷設對周圍海域的影響，黃海龍等[2]也利用數值模擬確定了工程施工過程中對周圍環境的影響。現階段對于泥沙輸運的商業軟件有MIKE 21模型[11-12]、FVCOM模型[4，13]、ROMS模型[14]等。為了能更好地擬合復雜的岸線情況，可以采用三角網格建模[15]。由于綠華島附近島嶼數量眾多，潮流結構復雜[9]，因此擬通過建立綠華島區域的水動力模型來確定電纜敷設對周圍水域的影響。

1 數學模型

采用丹麥水力學研究所(DHI)研發的MIKE 21模型，其主要模擬二維平面上水域潮流、泥沙、波浪以及環境的變化，在工程環境評估、岸線管理、水域水動力變化等方面提供可靠的參考依據。

1.1 模型區域

工程區附近海區島嶼眾多，地形和潮流結構復雜，潮動力環境較強。在工程附近采用加密網格，保證模擬結果與實際情況相符。模型計算范圍西起倉前，北到蘆潮港，南到象山，東到東經124°，包含了杭州灣、舟山群島海域，計算域的橫向寬約為378 km，縱向長度為216 km，計算面積約為81 648 km2。對工程所在島嶼附近的網格進行加密處理，加密后網格尺度最小為10 m，能夠較好地模擬項目附近的水域條件。簡化其余區域，網格設置相對稀疏，網格尺度根據位置進行調整，確保模型內網格之間的平滑過渡，精確刻畫模擬區域內的水文情況。綠華島附近島嶼眾多且分布零散，因此區域島嶼岸線特別曲折，為了較好地反映當地復雜的岸線情況，采用更貼合岸線的三角形網格，因此模型采用SMS構造三角形網格，模型共有22 147個節點，42 088個單元(見圖1)。

圖1 模型范圍及網格Fig.1 Computational domain and grids

1.2 參數設置

模型糙率采用曼寧系數，為使模擬結果更符合實際情況，對曼寧系數進行率定，其數值范圍為0.012～0.014，模擬的時間步長由模型自動調節，步長在0.000 1～30.000 0 s之間，柯朗數限值為0.8。模型采用動邊界處理技術，模型中干點臨界水深取0.005 m，濕點臨界水深取0.05 m。模擬區域水動力受河流徑流和外海潮流的共同影響，為了確保模擬結果的準確，河流徑流條件采用流量控制，外海潮流條件根據東中國海大模型模擬計算所得。東中國海模型的開邊界僅考慮外海的開邊界，開邊界采用全球潮汐模型中提取的潮位數據，模型考慮的分潮包含M2，S2，K2，N2，S1，K1，O1，P1，Q1和M4，共計10個分潮。

1.3 模型驗證

對于綠華島海底電纜項目，于2018年3月2日進入現場開展水文測驗工作，3月14日結束外業工作。本次潮位觀測布設1個臨時驗潮站(L1臨時站，位置見圖2)，潮位觀測為期12 d；6個潮流站，觀測期為3月2～3日大潮及3月10～11日小潮。

圖2 驗潮站位置及拋沙點源分布Fig.2 Tide stations and sand source distribution

圖3～4為潮位和潮流驗證結果，可以看出：建立的水動力模型能反映工程區附近海域的實際情況，流場模擬較為合理可靠。

圖3 綠華島臨時驗潮站潮位驗證Fig.3 Tide level verification of temporary tidal station at Lvhua Island

由于綠華島附近海域內懸沙濃度約為0.02～0.20 mg/L，濃度較低,因此本文僅考慮施工造成的海域內短期的泥沙濃度變化情況，對海底管道敷設所造成的懸浮泥沙濃度變化進行定性比較。

1.4 水動力情況

根據水動力模型的模擬結果，可知綠華島海域的流場情況如圖5所示。漲潮時，潮流向西北方向運動；落潮時，潮流向東南方向運動。由于東西兩側為開闊海域，受到地形的影響，漲落潮基本呈現往復運動，近岸區域漲落潮流流向大致與岸線走向平行。且根據綠華島海域流場圖可知，海域內，漲潮流速大于落潮流速。

1.5 計算條件

該工程電纜敷埋速度一般擬控制在3～10 m/min，本文將平均值設定為7 m/min，施工計劃的埋設寬度為0.4 m，埋設深度為2.5 m。參考同類工程將懸浮泥沙的懸浮比按30%計，則水力埋設機埋設過程中產生的懸浮泥沙源強為：7 m/min×0.4 m×2.5 m×30%=2.1 m3/min。

圖4 綠華島測潮站大潮流速流向驗證Fig.4 Verification of velocity and flow direction of spring tidal at Lvhua Island Station

圖5 綠華島海域流場示意Fig.5 Flow field of sea area around Lvhua Island

根據2017年針對此路由工程項目的實地勘測報告可知，施工海域泥沙的容重介于1.67～1.88 kg/L之間，變化幅度很小，此處按1.78 kg/L計(平均值)，則機械沖埋引起的懸浮泥沙源強為：1.78 kg/L×2.1 m3×1000÷60 s=62.3 kg/s。

自路的起點至終點，在計算網格上，每隔約210 m布置1個泥沙源點，共30個泥沙源點，代表挖泥船的位置如圖2所示。

本文僅考慮海底電纜敷設過程揚起的懸浮泥沙變化情況，因此對懸浮泥沙參數進行設置。根據相關文獻[16-20]，對懸浮泥沙擴散系數和泥沙沉降速度進行率定。擴散系數取2.5 m2/s，沉降速度取0.3 m/s。

2 泥沙模擬結果

由于不同潮時電纜敷設所產生的泥沙運移范圍不同，且施工線路較長、施工點是移動的，為了數模的方便，這里在整條管線上選取有代表性的37個計算點(見圖2)，根據7 m/min施工進度，模型中泥沙源釋放時間為30 min，源強為62.3 kg/s。根據潮汐特性，一個完整的潮流過程為漲急～漲憩～落急～落憩。本文為研究懸浮泥沙最大擴散范圍，自各潮流階段的起始時刻開始，模擬一個完整的潮流過程后，在各個計算點同時施工30 min條件下，以漲憩、漲急、落憩、落急為起始時刻，分析懸沙濃度在施工開始0.5，1.0，3.0 h后的分布情況。

2.1 漲急時刻開始施工

圖6(a)為漲急時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以知，施工引起的100～150 mg/L懸沙濃度增量主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域，距離西綠華島登陸點約1.5 km范圍內，并在漲潮潮流的作用下向北擴散。懸沙濃度增量為10～100 mg/L的區域主要處于施工管線北側約1.5 km和南側約0.5 km的范圍內。東、西綠華島南側海域未受到懸沙影響。圖6(b)為施工1 h后懸沙濃度分布圖，受西北潮流影響，懸沙向西北方向運動，海域內懸沙濃度開始降低，同時懸沙濃度為100～150 mg/L的區域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域面積有所增加。懸沙影響范圍主要為施工管線北側約2 km范圍內。圖6(c)為施工3 h后懸沙濃度分布圖，隨著漲潮潮流的影響，懸沙濃度為100～150 mg/L的區域進一步減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域面積有所增加，并在潮流的作用下向東南方向運移。東綠華島和花鳥島之間的懸沙濃度逐漸被稀釋。施工1.5 h后，東綠華島的東側開始受到懸沙影響，至3 h后，東綠華島東北側完全被懸沙濃度為10～100 mg/L的區域包絡。整體上，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域主要集中在東綠華島北側海域和花鳥島西南側局部海域。3 h后，研究海域整體未見150 mg/L及以上的懸沙濃度。

2.2 漲憩時刻開始施工

圖6(d)為漲憩時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出，受落潮潮流的影響，施工引起的懸沙濃度為100～150 mg/L及以上的區域主要集中在西綠華島登陸點以及花鳥島登陸點約0.5 km的范圍內。懸沙濃度為10～100 mg/L的區域主要分布于施工管線北側0.2 km及南側0.5 km的范圍內。西綠華島西側海域未受到懸沙影響。圖6(e)為施工1 h后懸沙濃度分布圖，隨著潮流方向的變化，懸浮泥沙向東南方向運動，懸沙濃度為100～150 mg/L的區域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域面積逐漸增加，懸沙影響范圍總體仍沿施工路由管道分布。圖6(f)為施工3 h后懸沙濃度分布圖，施工引起的懸沙濃度為100～150 mg/L及以上的區域完全消失，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域面積逐漸減少，在落潮潮流的作用下繼續向東南方向運移。3 h后，僅在東綠華島東南部和花鳥島南側局部海域存有懸沙濃度為10～50 mg/L的區域，其它管道附近區域已無10～50 mg/L濃度的懸沙，此時整體海域內未見150 mg/L及以上濃度的懸沙存在。

圖6 漲潮時刻懸浮泥沙濃度(單位：kg/m3)Fig.6 The SSC of the spring tide

2.3 落急時刻開始施工

圖7(a)為落急時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出，受落潮潮流影響，懸沙濃度為100～150 mg/L及以上的區域主要集中在西綠華島約2 km以及花鳥島登陸點約0.5 km的范圍內。懸沙濃度為10～100 mg/L的區域主要分布于施工管線南側約2 km范圍內。圖7(b)為施工1 h后懸沙濃度分布圖，在落潮潮流的作用下，懸浮泥沙向東北方向運動，懸浮泥沙濃度降低，懸浮泥沙影響面積增加，懸沙濃度為100～150 mg/L及以上的區域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域受落潮流影響。施工1.5 h后，懸沙濃度為100～150 mg/L的區域進一步減少。圖7(c)為施工3 h后懸沙濃度分布圖，隨著落潮潮流的作用，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域逐漸減少，懸浮泥沙在落潮流的作用下繼續向東南方向運移，最后集中分布在綠華島和花鳥島之間的海域，以及西綠華島西南側海域。3 h后，整體海域未見懸沙濃度為150 mg/L及以上的區域存在。

圖7 落潮時刻懸浮泥沙濃度(單位：kg/m3)Fig.7 The SSC of the ebb tide

2.4 落憩時刻開始施工

圖7(d)為落憩時刻加入源強0.5 h后的懸沙濃度分布圖。由圖可以看出，懸沙濃度為100～150 mg/L的區域主要集中在東、西綠華島之間，距西綠華島登陸點約1 km。懸沙濃度為10～100 mg/L的區域主要沿施工管線兩側分布，影響范圍限于路由管線1 km以內。東、西綠華島及花鳥島南側海域均未受到懸沙影響。圖7(e)為施工1 h后懸沙濃度分布圖，隨著潮流方向的變化，懸沙濃度為100～150 mg/L的區域進一步減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域逐漸向西北方向運移，并集中分布于西綠華島北側以及花鳥島西北側局部海域。圖7(f)為施工3 h后懸沙濃度分布圖。由于懸浮泥沙受西北潮流的影響，懸沙濃度為10～100 mg/L的區域面積有所增加，并繼續向西北側運移，至施工3 h后，懸沙全部分布于西綠華島和花鳥島西北側海域。整體海域未見增量為100～150 mg/L及以上的懸沙濃度。

3 結 論

本文基于MIKE 21軟件建立了綠華島附近海域的水動力及泥沙輸運模型，將模擬結果與實測資料進行驗證，確保模型的精確性，并將驗證后的模型應用于施工方案下，通過對周圍泥沙運動情況的計算結果得出以下結論。

(1) 在漲急～漲憩階段時：施工0.5 h內，懸沙影響主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，懸浮泥沙區域隨時間推移逐漸向東南方向擴散，東綠華島東側開始受到懸沙影響；3 h后東綠華島東北側受到懸沙影響，懸沙濃度影響最大范圍為25.54 km2，但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

(2) 在漲憩～落急階段時：施工0.5 h內，懸沙影響主要集中在西綠華島和東綠華島之間的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下泥沙向東南方向運輸，懸浮泥沙區域隨時間推移逐漸擴大范圍；3 h后東綠華島東南側和花鳥島南側受到懸沙影響，懸沙濃度影響最大范圍為36.783 km2，但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

(3) 在落急～落憩階段時：施工0.5 h內，懸沙影響主要集中在西綠華島和花鳥島之間的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，懸浮泥沙區域隨時間推移逐漸向東南方向擴散；3 h后東綠華島東南部和花鳥島南側受到懸沙影響，懸沙濃度影響最大范圍為24.782 km2，但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

(4) 在落憩～漲急階段時：施工0.5 h內，懸沙影響主要集中在西綠華島和花鳥島之間的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，懸浮泥沙區域隨時間推移向東南方向推移，西綠華島北側以及花鳥島西北側開始受到懸沙影響；3 h后西綠華島和花鳥島西北側海域受到懸沙影響，懸沙濃度影響最大范圍為59.322 km2，但海域懸沙濃度下降至150 mg/L以下。

(5) 根據模擬結果可知，該海域電纜敷設在施工3 h之后對于周邊海域懸沙濃度影響甚微，且在漲急時刻施工對周圍環境影響最小，在落憩時刻施工對周圍環境影響范圍最大。