漢班托塔港人工島水域水體交換能力研究

李雨

摘 要：本文對擬建工程項目完工后的人工島內側水域的水體流速、水體交換率進行分析研究，研究重點表明人工島實施后內側水體交換率較低，可通過開挖明渠連接港池加強水體交換率，并對不同寬度、深度的明渠加強水體交換率做了對比。

關鍵詞：漢班托塔港;潮流運動;水體交換;優(yōu)化

中圖分類號：U651+.3? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：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)為熱帶季風氣候，北半球夏季時盛行西南季風，而冬季時則盛行東北季風，此外，受印度洋洋流作用港區(qū)附件波流異常復雜[1，2，3]，需要對工程海域波浪、水流特征進行分析。本文對工程實施后人工島后方水域流場和各代表點流速、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，研究得出通過在人工島后方水域末端與一期港池間開設明渠可有效提升人工島北側水域的水體交換能力。研究成果可為漢班托塔港未來生態(tài)港口、綠色港口建設提供一定參考。

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，呈靴子形，東西長度約1000m，南北寬度約400m，考慮未來濱水開發(fā)而預留了水灣，即在原岸線南側和人工島北側形成了狹長的水域。為防止沿岸輸沙淤塞該水域，在人工島西側還設置了一條攔沙堤，攔沙堤大致呈南北向布置，攔沙堤與人工島之間的開放通道寬度約為130m。

人工島完工后將在北側形成半封閉水域。根據對水文條件的分析，并結合前期二維潮流數學模型計算，獲得當地潮流運動主要為東西流特征，與口門夾角接近90°，在口門內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，人工島內側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，本文采用三維水動力、守恒物質擴散數學模型手段進行了計算分析。

2模型理論

2.1潮流動力三維數模

本三維潮流動力數模在平面上使用無結構三角形網格，垂向上則采用地形貼體的σ坐標。其三維潮流動力控制方程為：

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

模型中開邊界采用潮位控制，各網格節(jié)點的潮位值由大尺度模型提供。紊動邊界條件可表示為：

采用有限體積法顯式求解控制方程，存在的露灘現象則采用干濕網格判斷法進行模擬。離散方程時將水位、水深布置在網格節(jié)點，而將流速布置在網格中心。時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守恒物質擴散的三維數模

對水體交換數模常用的手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統(tǒng)計，即在研究水域中加入溶解性守恒物質，該守恒物質將分布在水體中，并且無法降解。當守恒物質發(fā)生對流和擴散時則能夠直接反映水體的運動形態(tài)。三維對流擴散方程形式為：

其中C為守恒性物質濃度;z為垂向坐標系;為垂向擴散系數;為水平擴散系數。由于為守恒性物質，從而無源匯項及物質降解項。

3三維潮流驗證

合理的潮流運動規(guī)律是物質擴散模擬精度的前提條件。因此，模擬中應首先對三維潮流運動數學模型進行驗證。大潮潮位的表層流速、流向驗證過程線可見圖2，小潮潮位的表層流速、流向驗證過程線在此略過。經對比，絕大多數模擬值與實測值規(guī)律一致，潮位、各分層流速、流向的變化過程吻合度高，能夠滿足潮流泥沙模擬技術規(guī)程的要求。因此，該水動力數學模型較合理地反映了該海域潮流運動情況，已滿足物質擴散數學模型的條件。

4人工島水域流速情況

根據經驗可知港區(qū)口門處及人工島內側水域流速均不高，且平面分布是呈顯著的不均勻性，流態(tài)亦相對較為復雜，有回流生成。因此，可預計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，首先對研究區(qū)域進行了劃分，圖3中給出了分區(qū)位置。值得指出的是，盡管在驗證中，根據實測資料，考慮了西南季風影響，但由于水體交換為長時間過程，因此在潮流計算時未考慮季風影響。

以大潮為例，表1中統(tǒng)計了不同區(qū)域特征流速變化，此外亦估算了半潮時水質點的運移距離。經分析得到以下主要結論：工程海域潮差較小，流速亦不高。平面分布分析可知內側水域明顯較小，至末端平均流速僅為0.003m/s～0.004m/s。從水質點平均運移距離來看，人工島內側水域即使在大潮條件下，水質點平均移動距離不足100m。內側水域由于落潮水體向外流出的距離很短，并受下一時段漲潮水體向回頂托，水體的對流效應極低，水體交換主要依靠擴散作用。

5水體交換率隨時間的變化

5.1計算條件

本研究中，在研究某一區(qū)域水體交換能力時，該水域的示蹤劑濃度可設置為1.0，其余部分的水域物質濃度應設置為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，本計算模擬了15天的潮流作用。

5.2交換率統(tǒng)計方式

待水體交換充分后，自人工島的內側擴散至其他水域的物質總量占原始物質總量的百分比就是水體交換率。

5.3交換率隨時間的變化

不同分區(qū)處水體交換率隨時間的變化過程可見圖5，經分析，得到以下主要結論：

（1）各分區(qū)水體交換隨時間的變化，初始較快，隨時間增長逐漸趨緩，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

根據以上數值模擬研究，人工島北側水域水體的交換率有如下特點：首先表現為開放通道處的交換率較高，由開放通道向內逐漸降低，至該水域最東側時已極低的分布特征。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。

鑒于該水域未來的濱海開發(fā)前景巨大，較高的水體交換率是保證水質必然要求。為了整體提高該水域的水體交換率，可開通一條明渠連接人工島北側水域與一期港池，考慮明渠寬度差異，提出兩個優(yōu)化方案，布置形式詳見圖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)（位置見圖3）處水體交換率歷時過程。經分析，得到以下主要結論：

（1）從整體交換率角度，優(yōu)化方案增設了明渠聯通，直接使原人工島北側的半封閉水域變?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）從平面分布來看，較初始的單一通道而言，通過在水域最東側設置明渠，原本水體交換率最差的區(qū)域D交換能力得到極大增強，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，至原口門處（區(qū)域A）水體交換率提升已僅2%左右。

（3）對比兩個優(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%。實際上，在明渠東側的一期港池內流速亦不高，明渠寬度的增加與水體交換的提升未表現出線性關系。

綜上，通過在人工島北側水域最東側與一期港池間設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結論

項目人工島建設后形成的半封閉水域，受制于回流的影響，除口門附近流速稍大外，人工島內側水域流速都很小，致使口門以內水體只能隨漲、落潮來回蕩動，很難實現水體的交換：整個人工島內側水域，15天水體交換率約為41%。通過研究表明在人工島內側與一期港池之間開挖一條明渠，可為人工島內側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：

[1] 盧永昌， 李蘇.斯里蘭卡 Hambantota 港口項目港址選擇及一期工程設計介紹[J].水運工程， 2009 （7）： 44-48.

[2] Ms. Kaushalya Subasinghe，Mr. Akalanka Silva， Mr. K. Maiyourathaan. Field Measurement 01 Hambantota Port Development Project （Phase -II）[R].Lanka Hydraulic Institute Ltd， 2013

[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.