人工島內湖水體交換數值模擬研究

崔成，張義豐，左書華

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456）

人工島內湖水體交換數值模擬研究

崔成，張義豐，左書華

（交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456）

以海口人工島工程為例，采用Mike21中的Flow-Model-FM模塊建立水動力和保守物質對流-擴散數值模型，模擬節制閘門控制下人工島內湖水系的流態和水體交換情況。根據設計方案計算結果，結合理論分析，通過調整節制閘門個數、位置以及局部內湖水系邊界對設計方案進行優化。優化后方案有效節約了投資成本，減小了閘門附近旋轉流，避免了引、排水過程中，水質較差的中湖北側水系水體流入對水質要求較高的“大圓湖”水系的問題，為內湖景觀水系設計和節制水閘設計提供了科學依據。

水體交換；數值模擬；人工島

隨著海南國際旅游島建設上升為國家戰略，海南建設世界一流的海島休閑度假旅游目的地的基礎條件和時機已經成熟。海口市擬利用東海岸以北鋪前灣灣口西側白沙淺灘進行圍填，形成人工島（暫命名為“如意島”），距海岸線約4.4 km，距美蘭機場約17 km，距海口市中心約12 km。該工程地理位置優越，建成后將充分發揮海口市熱帶濱海旅游優勢，增強海口市濱海旅游吸引力，成為國際旅游島的新地標（圖1）。

人工島工程填海面積約716公頃，護岸防浪墻后方形成陸域面積約612公頃，島長約8 km，最寬處約2 km，最窄處約0.4 km，全島岸線總長約23.33 km。人工島為東西走向，共設計了三個內灣，分別為西灣、中灣、東灣，作為人工島海洋文化功能布局。運用潟湖島的理念，在島內設計內湖水系，以水城的形式構建人工島建筑形態，既滿足功能的需求，同時又強化了島內區域的建筑景觀特色，強調環保理念，打造別具特色的潟湖人工島中水城。為了滿足人工島使用功能，需要保證內湖水系水質優良。工程位于南渡江出海口，該海域的水質受到南渡江雨季沖淤影響，水質不佳。潟湖方案可避免南渡江口水質不佳問題，在島內形成了大面積的內湖水系，通過自然沉淀凈化水體。另外，在人工島圍堤設置節制水閘，利用潮汐動力作用下的內外水位差，通過開關閘門進行水體的自然交換，使得內湖水體與外海水體摻混充分，既能保持規劃區內景觀水位在相對穩定的范圍，避免內湖水位隨外海潮位大起大落，又能將島內廢水帶出島外，增強島內水體的自凈能力。

可以通過分析內湖水系的水動力和水交換情況，優化節制水閘的位置和數量，為內湖水系及節制水閘的設計提供科學依據。

已有學者采用數值模擬的方法研究了封閉或半封閉水域的水體交換狀況。何磊［1］通過求解二維連續方程和動量方程建立數值模型研究了渤海灣水交換情況的空間分布，結果顯示渤海灣中一些海域水交換能力較差。彭輝等［2］采用delft3D?Flow建立對流-擴散型的海灣水交換數值模型，研究了象山港水體交換情況。李希彬等［3］采用FVCOM海洋數值模式建立數值模型，研究了半封閉海灣湛江灣的水交換能力。尤爽和張寧川［4］采用Mike21中Flow Model FM模塊建立水動力和污染物對流擴散數學模型，研究了大連海上機場工程及施工通道對工程水域水動力條件及環境的影響。王興剛等［5］采用FVCOM海洋數值模式建立連云港淺灘海域的三維水動力和對流擴散數值模型，研究了連云港主體港區的水交換情況。

圖1工程位置和水文站布置示意圖Fig.1Location of project and measuring?points arrangement

在節制閘門控制作用下全封閉內湖水系水體交換情況的研究較少。本文選用Mike21軟件包中的Flow Model FM模塊建立數值模型，采用該模塊中的亞網格尺度結構物中的“gate”結構模擬閘門，將位置設定在設計閘門位置，通過設定控制參數來控制開關；而且該工程內湖水系錯綜復雜，蜿蜒曲折，相互聯通對網格尺度和質量要求較高，采用三角形非結構網格劃分計算水域，對復雜水系的網格進行局部加密，保證計算精度的同時可以提高計算效率；另外工程所在海域水動力條件復雜，潮流流向在一個潮周期內多次轉向，潮流有漲潮東流和西流、落潮東流和西流4種流態，對引排水閘門的功能和布局影響較大。本文使用所建立數值模型開展節制閘門控制下人工島內湖水系水體交換數值模擬，優化人工島內湖水動力條件、節制閘門的位置和數量，滿足人工島功能需要。

1 數學模型

1.1 水動力模型

考慮Boussinesq和靜水壓力假定，基于求解沿水深積分的二維不可壓縮雷諾時均Navier?Stokes方程和連續方程建立數值模型。

連續方程

動量方程

式中：h=η+d，η和d分別表示水面高度和靜水深；t表示時間；g表示重力加速度；uˉ和vˉ分別表示沿x和y方向的水深平均流速；f=2Ωsinφ表示柯氏力系數（Ω表示地球繞地軸旋轉的角速度，φ表示地理緯度）；sxx，sxy，syx和syy表示輻射應力分量；pa表示大氣壓力；ρ表示流體密度；ρ0表示參考密度；S表示點源流量；us與vs表示點源流速；Tij表示應力項，包括粘性應力、紊流應力和差動平流等，根據沿水深平均流速的梯度計算。

式中：A為渦粘系數，采用Samagorinsky亞網格尺度模型計算。

式中：cf為拖曳力系數為水深平均的流速。拖曳力系數根據Manning系數M計算。

模型計算中，整個計算域曼寧系數取為45～60 m1/3/s。

式中：ρa為空氣密度；cd為空氣拖曳力系數為海面上10 m高處的風速。該海域受大陸季風氣候影響為主，冬半年盛行東北風，夏半年盛行東南風。全年常風向為NE，平均風速3.4 m/s。

采用亞網格尺度結構“gate”模擬節制閘門，通過將控制參數設置為0和1分別來控制閘門的開關。滿足引水條件時段，將引水閘門控制參數設置為1，排水閘門控制參數設置為0；滿足排水條件時段，將引水閘門控制參數設置為0，排水閘門控制參數設置為1；此外閘門均關閉，控制參數設置為0。

1.2 水交換模型

采用嵌套在FM模塊中的Transport子模塊，計算示蹤保守物質濃度對流擴散過程，來模擬水交換過程。控制方程

式中：C為保守物質濃度；M為源項；Kx、Ky分別為x、y方向的擴散系數；其他符號同前。假設人工島內湖水系充滿濃度為1的保守示蹤物質，無外源載荷，人工島外海水體濃度為0。固定邊界采用無通量條件，開邊界采用零梯度條件。

1.3 計算范圍及網格

為了保證模型邊界條件的準確性和局部流場符合實際潮流場的整體物理特征，本研究計算范圍包括部分瓊州海峽海域，東西方向約99 km，南北方向約49 km，由于人工島圍堤邊界和內湖水系均較為復雜，對網格尺度和質量要求較高，為了保證模擬精度，采用三角形網格劃分計算水域，對于人工島附近海域和內湖水系進行局部網格加密，閘門過水凈寬為20 m，為了保證閘室內流態精度，閘室內保證最少2排網格，最小空間步長選為10 m，共計劃分155 962個網格，圖2給出了計算網格示意圖。

1.4 模型驗證

為了驗證數學模型的有效性，采用2012年7月19日10：00～7月20日12：00、7月26日10：00～7月27日12：00和7月29日10：00～7月30日12：00洪季大潮、中潮和小潮過程的水文觀測資料，對模擬潮位、流速、流向進行了驗證。

圖2模型網格示意圖Fig.2Mesh of model

為了節約篇幅，圖3～圖4分別給出了代表驗證點潮位，水深平均流速、流向驗證過程。代表特征測站位置如圖1所示，其中T4和T5為代表潮位測站，C2和C9為代表流速測站。圖5給出了現狀情況下工程區水域大潮過程中東流和西流流速最大時刻流場圖。

圖3潮位驗證曲線Fig.3Verification of tidal level during spring tide

圖4流速流向驗證曲線Fig.4Verification of flow velocity and direction during spring tide

模擬的代表潮型過程中各測站的潮位、流速和流向隨時間的連續變化過程與實測數據基本吻合，符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》的要求，建立的數學模型是可靠的。瓊州海峽是北部灣與南海北部水體交換的潮汐通道，該海峽受兩端潮波的影響，潮波傳播情況相當復雜。從圖4～圖5中可以看出，大潮過程中21：00～7：00的落潮時段存在東流和西流兩種流態。16：00～21：00和7：00～12：00的漲潮時段分別為東流和西流兩種流態。潮流流向在一個潮周期內多次轉向，潮流有漲潮東流和西流、落潮東流和西流4種流態。

從圖5中可以看出，灣外靠近瓊州海峽中部水域的潮流速明顯大于灣內的近岸水域，海灣東南角靠近鋪前港水域的潮流速最小；并且東向流明顯大于西向流。

2 模擬結果

2.1 計算條件

設計人工島南、北側各設置4座水閘，每個閘室閘孔總凈寬均為20 m，閘底高程-1.5 m。島內水系相互貫通，內湖初始蓄水位為1.8 m，控制內湖最低水位1.2 m。閘門布置見圖6。外海落潮時段排水，漲潮時段引水。為了避免落潮時段排出的舊水在漲潮時重新被帶回內湖反復污染，設計北側閘門只引水，南側閘門只排水，在引排水過程中形成單向流態，這種引排水閘門布局的優點在海花島工程中也比較明顯。落潮時段，當外海水位降至1.8 m時，同時開啟南側4座閘門，外海水位隨落潮逐漸下降，人工島內、外水體會形成水位差，在水位差作用下，內湖水體流向外海，島內水位會隨外海潮位的降低而降低，水位降低過程中，會形成一個隨時間變化的水位差，當內海水位降低至1.2 m時，同時關閉南側4座閘門。漲潮時段，當外海水位漲至1.2 m時，同時開啟北側4座閘門，外海水位隨漲潮逐漸上升，人工島內、外水體會形成水位差，在水位差作用下，外海水體流向內湖，島內水位會隨外海潮位的升高而升高，水位升高過程中，內外會形成一個隨時間變化的水位差，當內海水位升高至1.8 m時，同時關閉北側4座閘門。計算中通過判斷內湖水位，來確定引排水條件，根據內湖水位所滿足的條件，通過給定亞網格尺度結構物控制參數控制閘門的開啟和關閉。

2.2 計算結果

圖5工程區水域流場圖Fig.5Tidal current field in project area at flood and ebb strength

圖7閘門流場圖Fig.7Current field of sluice

圖7給出了引排水過程中閘門位置的流場圖。可以看出，采用亞網格尺度結構物“gate”可以有效的模擬節制閘門的開關。漲潮過程中，開啟1#～4#閘門引水，由于閘門位置主要分布在人工島圍堤南北側，與工程區海域潮流走向近乎垂直因此閘門位置流速變化主要受內外水位差變化影響，當內外水位差增大時，流速會相應增加，流速增加后內湖水位上升速度加快，從而會減小內外水位差，流速也會相應減小，由此可見閘室內流速變化是一個動態平衡過程，本算例該過程中4個閘門最大水深平均流速分別為1.12 m/s，1.19 m/s，1.01 m/s和1.24 m/s。需要說明，該流速值為閘室內多個特征點同步流速的平均值，由于本算例閘門流速最大的漲潮時段，外海潮流流向西，因此1#閘門位于背流區，外海流動力較弱，另外由于島頭的挑流作用，4#閘門附近外海流動力也較弱，因此1#和4#閘室內的流速分布較為均勻，2#和3#閘門附近外海流動力較強，并且流向與閘室內流向近乎垂直，導致2#和3#閘室內的流速分布較不均勻。

落潮過程中，開啟5#～8#閘門排水，與漲潮過程相似，閘室內流速變化是一個動態平衡過程。本算例該過程中4個閘門最大水深平均流速分別為0.74 m/s，1.00 m/s，0.69 m/s和0.45 m/s。

圖8給出了水交換期間，島內水系的流態圖。從圖8中可以看出：漲潮過程，在內、外水位差作用下，外海水體通過1#閘門流進西湖，西湖水系形成至西向東為主的流態；從西湖流出的水體在中湖北側分成三股，南側兩股沿水系繼續向東流動，最后匯入鏈接中湖南側“大圓湖”的主水道，北側一股與2#閘門匯入中湖北側水系的水流相遇，流動受阻，減弱了中湖北側水系水道1的過流能力；另外，由于水系邊界作用，在2#閘門附近形成強旋轉流，使得從2#閘門流進的水體主要流向西側分支，流向東側分支水道的水流較弱；從1#和2#閘門流入的水體最后均通過連接“大圓湖”主水道流入“大圓湖”；3#閘門流進的水體沿水系向西流動，最后匯入連接“大圓湖”主水道；通過4#閘門流進的水體進入東湖后沿水系向西流動進入中湖；對于部分景觀水系末端，流態較弱，水體交換運動較差。落潮過程，西湖流態較弱，水體通過5#閘門流向外海；中湖內整體呈自東向西的流動，水體從6#和7#閘門流向外海；東湖流態較弱水體通過8#閘門流向外海。

除去部分航道和景觀水系末端交換率較低外，內湖水域交換率基本達到90%以上的時間是27 d。

考慮到“大圓湖”水系為主要景觀水系，該水系對水質的要求最高。在引水和排水過程中，不希望其他水系水體流入“大圓湖”水系，尤其中湖北側水系，該水域水質較差。因此需要優化內湖水系的水動力條件。

圖8內湖流態示意圖Fig.8Current field of inner lake

圖9優化后的閘門布置圖Fig.9Sketch of optimal regulating gates arrangement

圖10內湖流態示意圖Fig.10Current field of inner lake

根據設計方案計算結果可知，2#閘門附近會形成較強旋轉流，首先考慮將2#閘門附近水系邊界做局部調整，以期減小或者消除旋轉流態。其次開1#閘門引水勢必造成部分內湖水域至西向東為主流態，會使得水質較差的中湖北側水系水體流入“大圓湖”水系。然而能否考慮1#閘門排水呢？由于受瓊州海峽潮動力控制作用，鋪前灣內潮流動力情況較為復雜潮流基本為往復流，海灣水域的漲潮流向呈偏東流和偏西流兩種流態，落潮流向也呈偏東流和偏西流兩種流態，因此如果開1#閘門排水，當外海東流時，受島體西端的阻擋，島體西側局部水域水體發生壅高會使得1#閘門附近外海局部水域水位高于內湖，同時在外海東流作用下，水體可能通過1#閘門從外海流向內湖，1#閘門將失去排水作用。如果去掉1#閘門能否解決問題呢？西側水系如果只靠5#閘門排水會使得5#閘門以西部分的西湖水系水體交換較差，因此可以考慮去掉1#閘門后，將5#閘門向西側移動。優化后閘門布置見圖9。

圖10給出了人工島引水或排水閘門開啟時，島內水系的流態分布圖。從圖10中可以看出，2#閘門附近的旋轉流明顯減小；無論是引水還是排水時段，中湖北側水系水體流向均主要為自東向西，有助于保證圓形內湖水域的水質。

該工況漲潮過程中2#～4#閘門最大水深平均流速分別為1.59 m/s，1.29 m/s和1.37 m/s。北側減少一個引水閘門，相對原設計方案進水凈寬有所減少（原設計方案引水凈寬為優化后方案的1.33倍），增大內外水位差，使得閘室內流速有所提高。優化后方案2#～4#引水閘門流速分別為原設計方案的1.34，1.28和1.1倍，優化后方案3個引水閘門的平均流速為1.42 m/s為原設計方案4個引水閘門平均流速的1.24倍。去掉1#閘門使得東側引水凈寬減少，因此越靠近東側，閘門流速增加越明顯。

該工況落潮過程中5#～8#閘門最大水深平均流速分別為0.86 m/s，0.94 m/s，0.64 m/s和0.44 m/s。優化后方案5#～8#排水閘門流速分別為原設計方案的1.16，0.94，0.93和0.98倍。5#閘門優化后靠近西側，水位變化較慢使得流速有所增加，其余3個排水閘門位置不變，流速變化相對較小。

除去部分航道和景觀水域末端交換率較低外，內湖水域交換率基本達到90%以上的時間是30 d。減少一個閘門，節約投資成本的同時避免了水質較差的中湖北側水系水體流入“大圓湖”水系的問題，水交換周期僅增加3 d。由此可見該次方案優化比較成功。另外，流速增大對閘門的設計要求有所提高。

3 結論

本文采用Mike21軟件包中的水動力和保守物質對流-擴散模塊建立數值模型，該模型中采用亞網格尺度結構物模擬節制閘門，對于較復雜水系采用三角形網格局部加密。使用所建立數值模型開展了帶節制水閘作用下的人工島內湖水動力和水體交換模擬，主要得到以下結論：

（1）所建立的數值模型有效模擬了漲、落潮過程中節制閘門開啟和關閉狀態下人工島內湖的水動力和水交換特征。

（2）外海水動力條件較為復雜，原設計方案不能較好滿足人工島使用功能，如2#閘門附近形成強旋轉流影響引水效率；水質較差的中湖北側水系水體流入“大圓湖”水系等。

（3）根據設計方案的計算結果，結合理論分析，通過調整閘門個數、位置以及局部內湖水系邊界，有效減小了2#閘門附近旋轉流，節約了成本，避免了水質較差的中湖北側水系水體流入“大圓湖”水系的問題，為內湖景觀水系設計和節制水閘設計提供了科學依據。

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山東新萬福河航道復航工程開工建設

本刊從山東省交通運輸廳獲悉，2015年12月23日，山東省新萬福河航道復航工程正式進入建設階段。該項目起點為新萬福河關橋閘下400 m，終點為新萬福河河口，工程全長61.3 km。航道建設等級為三級航道，工程總投資21.238 4億元，工期為三年。（殷缶，梅深）

京杭運河浙江段三級航道整治工程（湖州段）獲交通運輸部初步設計批復

本刊從浙江省交通運輸廳獲悉，2015年12月28日，京杭運河浙江段三級航道整治工程（湖州段）順利獲得交通運輸部初步設計批復。該工程起自湖州與嘉興交界處東瑤西村，終于德清與余杭交界的武林頭，總長度約52.1 km，概算總投資17.86億元，預計于2019年6月建設完成。（殷缶，梅深）

交通運輸部印發《關于推進長江航運科學發展的若干意見》

本刊從交通運輸部獲悉，交通運輸部不久前印發了《關于推進長江航運科學發展的若干意見》，從提升航道通過能力、推進港口轉型升級、加快調整航運結構、加強航運安全管理、形成綠色發展方式、完善管理體制機制、以及形成航運發展合理等七個方面，部署了“十三五”乃至更長一個時期推進長江航運科學發展的主要工作，提出建成平安、暢通、高效、綠色的現代長江航運體系，有力支撐長江經濟帶發展。（殷缶，梅深）

Numerical simulation study on water exchange between inner lake of artificial island and sea

CUI Cheng,ZHANG Yi?feng,ZUO Shu?hua
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin 300456,China）

Taking the Haikou artificial?island project as an example,the hydrodynamics characteristics and water exchange of inner?lake were numerically simulated by hydrodynamics and transport?diffusion models.The nu?merical models were built by using Mike21?Flow?Model?FM module.The regulating gates were used to regulate the inner?lake water level.Based on the simulated results of designed scheme and theoretical analysis,the number and position of regulating gate,the local boundary of inner?lake were optimized.The optimization results in decrease in costs and eddy currents near the 2#regulating gate.For the optimization scheme,less water from northern inner?lake goes into the"circular"lake located in artificial?island′s south side,during water exchange.The water quality in the northern inner?lake is not good enough for"circular"lake.It provides scientific advice to the landscape and regulating gates design.

water exchange;numerical simulation;artificial island

TV 131；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0515-08

2015-07-21；

2015-11-03

國家自然科學基金項目（51509120）；國家自然科學基金項目（41306034）

崔成（1984-），男，遼寧省海城市人，助理研究員，主要從事波浪、潮流及其與結構物相互作用研究工作。Biography：CUI Cheng（1984-），male，assistant professor.