漢班托塔港人工島水域水體交換能力研究

李雨

摘 要：本文對(duì)擬建工程項(xiàng)目完工后的人工島內(nèi)側(cè)水域的水體流速、水體交換率進(jìn)行分析研究，研究重點(diǎn)表明人工島實(shí)施后內(nèi)側(cè)水體交換率較低，可通過(guò)開(kāi)挖明渠連接港池加強(qiáng)水體交換率，并對(duì)不同寬度、深度的明渠加強(qiáng)水體交換率做了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：漢班托塔港;潮流運(yùn)動(dòng);水體交換;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U651+.3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0157-04

漢班托塔港位于南亞次大陸斯里蘭卡島東南方，該地區(qū)為熱帶季風(fēng)氣候，北半球夏季時(shí)盛行西南季風(fēng)，而冬季時(shí)則盛行東北季風(fēng)，此外，受印度洋洋流作用港區(qū)附件波流異常復(fù)雜[1，2，3]，需要對(duì)工程海域波浪、水流特征進(jìn)行分析。本文對(duì)工程實(shí)施后人工島后方水域流場(chǎng)和各代表點(diǎn)流速、水體交換作研究，提出人工島建成后后方水域形成半封閉水域使水體交換能力較差，研究得出通過(guò)在人工島后方水域末端與一期港池間開(kāi)設(shè)明渠可有效提升人工島北側(cè)水域的水體交換能力。研究成果可為漢班托塔港未來(lái)生態(tài)港口、綠色港口建設(shè)提供一定參考。

1工程概況

漢班托塔港二期工程中的人工島位于西防波堤西側(cè)，呈靴子形，東西長(zhǎng)度約1000m，南北寬度約400m，考慮未來(lái)濱水開(kāi)發(fā)而預(yù)留了水灣，即在原岸線南側(cè)和人工島北側(cè)形成了狹長(zhǎng)的水域。為防止沿岸輸沙淤塞該水域，在人工島西側(cè)還設(shè)置了一條攔沙堤，攔沙堤大致呈南北向布置，攔沙堤與人工島之間的開(kāi)放通道寬度約為130m。

人工島完工后將在北側(cè)形成半封閉水域。根據(jù)對(duì)水文條件的分析，并結(jié)合前期二維潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，獲得當(dāng)?shù)爻绷鬟\(yùn)動(dòng)主要為東西流特征，與口門(mén)夾角接近90°，在口門(mén)內(nèi)可形成流速較低的回流。因此，特別注意圍堤及防波堤形成后，人工島內(nèi)側(cè)水域水體交換能力的變化是非常有意義的。為更好、更全面地給出人工島工程后水體交換特征，本文采用三維水動(dòng)力、守恒物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型手段進(jìn)行了計(jì)算分析。

2模型理論

2.1潮流動(dòng)力三維數(shù)模

本三維潮流動(dòng)力數(shù)模在平面上使用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，垂向上則采用地形貼體的σ坐標(biāo)。其三維潮流動(dòng)力控制方程為：

其中地形相對(duì)坐標(biāo)，代表床面，代表自由表面;u，v為水平方向流速;ω為σ坐標(biāo)系下的垂向流速，w為垂直坐標(biāo)系下的垂向流速;ρ為海水密度;為由密度梯度引起的斜壓項(xiàng);f為科氏力系數(shù);υt為垂向紊動(dòng)粘性系數(shù)，可由紊流模型確定;ρ0為水體參考密度;S，us，vs分別為點(diǎn)源流量和點(diǎn)源在水平方向的速度分量。Fu，F(xiàn)v為水平剪力項(xiàng)，表示為：

模型中開(kāi)邊界采用潮位控制，各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的潮位值由大尺度模型提供。紊動(dòng)邊界條件可表示為：

采用有限體積法顯式求解控制方程，存在的露灘現(xiàn)象則采用干濕網(wǎng)格判斷法進(jìn)行模擬。離散方程時(shí)將水位、水深布置在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，而將流速布置在網(wǎng)格中心。時(shí)間離散采用水平方向顯式離散，垂直方向采用隱式離散。

2.2守恒物質(zhì)擴(kuò)散的三維數(shù)模

對(duì)水體交換數(shù)模常用的手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統(tǒng)計(jì)，即在研究水域中加入溶解性守恒物質(zhì)，該守恒物質(zhì)將分布在水體中，并且無(wú)法降解。當(dāng)守恒物質(zhì)發(fā)生對(duì)流和擴(kuò)散時(shí)則能夠直接反映水體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。三維對(duì)流擴(kuò)散方程形式為：

其中C為守恒性物質(zhì)濃度;z為垂向坐標(biāo)系;為垂向擴(kuò)散系數(shù);為水平擴(kuò)散系數(shù)。由于為守恒性物質(zhì)，從而無(wú)源匯項(xiàng)及物質(zhì)降解項(xiàng)。

3三維潮流驗(yàn)證

合理的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律是物質(zhì)擴(kuò)散模擬精度的前提條件。因此，模擬中應(yīng)首先對(duì)三維潮流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。大潮潮位的表層流速、流向驗(yàn)證過(guò)程線可見(jiàn)圖2，小潮潮位的表層流速、流向驗(yàn)證過(guò)程線在此略過(guò)。經(jīng)對(duì)比，絕大多數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值規(guī)律一致，潮位、各分層流速、流向的變化過(guò)程吻合度高，能夠滿足潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程的要求。因此，該水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型較合理地反映了該海域潮流運(yùn)動(dòng)情況，已滿足物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型的條件。

4人工島水域流速情況

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知港區(qū)口門(mén)處及人工島內(nèi)側(cè)水域流速均不高，且平面分布是呈顯著的不均勻性，流態(tài)亦相對(duì)較為復(fù)雜，有回流生成。因此，可預(yù)計(jì)以上水域水體交換能力亦具有不均勻性。在水體交換模擬前，首先對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行了劃分，圖3中給出了分區(qū)位置。值得指出的是，盡管在驗(yàn)證中，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，考慮了西南季風(fēng)影響，但由于水體交換為長(zhǎng)時(shí)間過(guò)程，因此在潮流計(jì)算時(shí)未考慮季風(fēng)影響。

以大潮為例，表1中統(tǒng)計(jì)了不同區(qū)域特征流速變化，此外亦估算了半潮時(shí)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移距離。經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論：工程海域潮差較小，流速亦不高。平面分布分析可知內(nèi)側(cè)水域明顯較小，至末端平均流速僅為0.003m/s～0.004m/s。從水質(zhì)點(diǎn)平均運(yùn)移距離來(lái)看，人工島內(nèi)側(cè)水域即使在大潮條件下，水質(zhì)點(diǎn)平均移動(dòng)距離不足100m。內(nèi)側(cè)水域由于落潮水體向外流出的距離很短，并受下一時(shí)段漲潮水體向回頂托，水體的對(duì)流效應(yīng)極低，水體交換主要依靠擴(kuò)散作用。

5水體交換率隨時(shí)間的變化

5.1計(jì)算條件

本研究中，在研究某一區(qū)域水體交換能力時(shí)，該水域的示蹤劑濃度可設(shè)置為1.0，其余部分的水域物質(zhì)濃度應(yīng)設(shè)置為0.0，各分區(qū)初始濃度分布如圖4。為保證水體的充分交換，本計(jì)算模擬了15天的潮流作用。

5.2交換率統(tǒng)計(jì)方式

待水體交換充分后，自人工島的內(nèi)側(cè)擴(kuò)散至其他水域的物質(zhì)總量占原始物質(zhì)總量的百分比就是水體交換率。

5.3交換率隨時(shí)間的變化

不同分區(qū)處水體交換率隨時(shí)間的變化過(guò)程可見(jiàn)圖5，經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）各分區(qū)水體交換隨時(shí)間的變化，初始較快，隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨緩，這一規(guī)律與以往類似研究成果相近。

（2）從平面分布來(lái)看，如按整體考慮，人工島后方水域15天水體交換率約為41%左右。

6人工島水體交換初步優(yōu)化

根據(jù)以上數(shù)值模擬研究，人工島北側(cè)水域水體的交換率有如下特點(diǎn)：首先表現(xiàn)為開(kāi)放通道處的交換率較高，由開(kāi)放通道向內(nèi)逐漸降低，至該水域最東側(cè)時(shí)已極低的分布特征。工程后水體交換率平面分布的不均勻性值得引起投資方注意。

鑒于該水域未來(lái)的濱海開(kāi)發(fā)前景巨大，較高的水體交換率是保證水質(zhì)必然要求。為了整體提高該水域的水體交換率，可開(kāi)通一條明渠連接人工島北側(cè)水域與一期港池，考慮明渠寬度差異，提出兩個(gè)優(yōu)化方案，布置形式詳見(jiàn)圖6。其中優(yōu)化方案一中明渠寬度為70m，優(yōu)化方案二中明渠寬度為90m。兩個(gè)方案中均將明渠底高程疏浚至0m高程。

圖7和圖8中分別給出了不同優(yōu)化方案條件下的各分區(qū)（位置見(jiàn)圖3）處水體交換率歷時(shí)過(guò)程。經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）從整體交換率角度，優(yōu)化方案增設(shè)了明渠聯(lián)通，直接使原人工島北側(cè)的半封閉水域變?yōu)闁|西雙通暢的水域。如此該水域與外海潮流的交換能力有所提升，其中優(yōu)化方案一的半月交換率提升17%，優(yōu)化方案二的半月交換率提升20%。

（2）從平面分布來(lái)看，較初始的單一通道而言，通過(guò)在水域最東側(cè)設(shè)置明渠，原本水體交換率最差的區(qū)域D交換能力得到極大增強(qiáng)，其中優(yōu)化方案一半月交換率約提升53%，優(yōu)化方案二提升甚至達(dá)到60%。隨著與明渠的距離增大，其它分區(qū)的交換率提升逐漸減弱，至原口門(mén)處（區(qū)域A）水體交換率提升已僅2%左右。

（3）對(duì)比兩個(gè)優(yōu)化方案，明渠寬度由70m增為90m后，整體水體交換率提升約3%，其中區(qū)域D提升7%。實(shí)際上，在明渠東側(cè)的一期港池內(nèi)流速亦不高，明渠寬度的增加與水體交換的提升未表現(xiàn)出線性關(guān)系。

綜上，通過(guò)在人工島北側(cè)水域最東側(cè)與一期港池間設(shè)置明渠的辦法可有效提高該水域的整體水體交換能力，不失為一種可以嘗試的辦法。

7結(jié)論

項(xiàng)目人工島建設(shè)后形成的半封閉水域，受制于回流的影響，除口門(mén)附近流速稍大外，人工島內(nèi)側(cè)水域流速都很小，致使口門(mén)以內(nèi)水體只能隨漲、落潮來(lái)回蕩動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)水體的交換：整個(gè)人工島內(nèi)側(cè)水域，15天水體交換率約為41%。通過(guò)研究表明在人工島內(nèi)側(cè)與一期港池之間開(kāi)挖一條明渠，可為人工島內(nèi)側(cè)水體充分交換提供條件，明渠底高程和寬度將直接影響水體交換率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 盧永昌， 李蘇.斯里蘭卡 Hambantota 港口項(xiàng)目港址選擇及一期工程設(shè)計(jì)介紹[J].水運(yùn)工程， 2009 （7）： 44-48.

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[3] Ms. Kaushalya Subasinghe， Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 02 Hambantota Port Development Project （Phase -II） [R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013.