風(fēng)對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散特性影響數(shù)模研究

李思遠(yuǎn),王義剛,黃惠明,陳大可

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

風(fēng)對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散特性影響數(shù)模研究

李思遠(yuǎn),王義剛,黃惠明,陳大可

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

為探討風(fēng)對(duì)海岸工程產(chǎn)生懸浮泥沙的擴(kuò)散特性影響，通過(guò)蒼南海域海上傾倒試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了河口海岸地區(qū)平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的計(jì)算參數(shù)。然后在模型中考慮風(fēng)的作用，比較不同風(fēng)向和風(fēng)速作用下的懸浮泥沙擴(kuò)散特性。研究結(jié)果表明：風(fēng)會(huì)對(duì)懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍產(chǎn)生較大影響，且風(fēng)向和風(fēng)速是十分重要的影響因素。

風(fēng);懸浮泥沙;擴(kuò)散;潮流泥沙模型

在海岸工程中開(kāi)挖航道、疏浚拋泥，吹填造陸、鋪設(shè)水下管道或電纜等都會(huì)涉及懸浮泥沙在海水環(huán)境中的擴(kuò)散問(wèn)題，在工程建設(shè)前必須按照海洋環(huán)境評(píng)價(jià)中的要求［1］對(duì)工程引起的懸浮物擴(kuò)散對(duì)水環(huán)境影響進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，提供懸浮物濃度大于150 mg/L、50 mg/L和10 mg/L三種標(biāo)準(zhǔn)的影響范圍，特別是一類海水水質(zhì)要求人為懸浮物質(zhì)增加量≤10 mg/L。而當(dāng)工程周圍有環(huán)境敏感目標(biāo)時(shí)，因?yàn)楣こ坍a(chǎn)生的懸浮泥沙擴(kuò)散而引起糾紛的案例并不少見(jiàn)，如煙臺(tái)港芝罘灣港區(qū)北港池公用航道、威海市乳山商港航道疏浚吹填、日照港木片碼頭等海岸工程，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)大多集中在工程引起懸浮泥沙的預(yù)測(cè)擴(kuò)散情況與實(shí)際有較大差異，但目前的情況是懸浮物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型建立后所取的數(shù)值計(jì)算參數(shù)是否合理，在缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料驗(yàn)證的情況下，很難判斷。懸浮泥沙是否會(huì)受到風(fēng)的作用而對(duì)環(huán)境敏感目標(biāo)產(chǎn)生不利影響，也缺少研究。

本文對(duì)何東海［2］等在蒼南海域所做海上傾倒試驗(yàn)進(jìn)行了計(jì)算復(fù)演，根據(jù)海上傾倒試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了在蒼南海域計(jì)算懸浮物擴(kuò)散采用的參數(shù)。然后在計(jì)算模型中考慮風(fēng)切應(yīng)力［3］，比較無(wú)風(fēng)、風(fēng)向與水流基本垂直的橫風(fēng)以及與風(fēng)向與水流流向基本一致的順風(fēng)3種情況，并分別在橫風(fēng)和順風(fēng)風(fēng)況下設(shè)置3種風(fēng)速，分析了風(fēng)對(duì)懸浮泥沙擴(kuò)散特性的影響。研究成果對(duì)在環(huán)境敏感目標(biāo)附近開(kāi)展傾倒、吹填溢流、疏浚、鋪設(shè)水下管道或電纜等會(huì)引起懸浮泥沙的海岸工程有重要意義。

1 海上傾倒試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)方法［2］

拋泥試驗(yàn)在落潮時(shí)進(jìn)行，傾倒500 t疏浚物，傾倒歷時(shí)約為20 s，傾倒方式為瞬時(shí)底開(kāi)門(mén)，同時(shí)投放鐵粉紅輔助觀測(cè)。觀測(cè)船在疏浚物傾倒后跟蹤傾倒物“云團(tuán)”運(yùn)移路徑，航速為3～4節(jié)，為避免船只螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)水體，在到達(dá)云團(tuán)中心之前20～50 m，關(guān)閉引擎，利用慣性駛進(jìn)云團(tuán)中心，定點(diǎn)觀測(cè)船位置。

1.2試驗(yàn)海域自然環(huán)境

蒼南位于浙江省東南隅，東臨東海，海域面積3.72萬(wàn)km2，海岸線長(zhǎng)155 km，沿海以龍江港為中心港，巴艚、炎亭、石砰、大漁、中墩、漁寮、霞關(guān)等為輔助港。屬于非正規(guī)半日淺海潮流，海流均以往復(fù)流為主并伴有旋轉(zhuǎn)性的混合流態(tài)，拋泥海域漲潮流方向?yàn)槲鞅薄⒙涑绷鞣较驗(yàn)闁|南，潮流是泥沙運(yùn)動(dòng)搬運(yùn)的主要?jiǎng)恿Γ?］。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

本文選用mike 21軟件建立平面二維水流泥沙模型。

2.1控制方程

連續(xù)方程

動(dòng)量方程（考慮風(fēng)作用項(xiàng)）

式中：t為時(shí)間；x，y分別為原點(diǎn)置于計(jì)算基面的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；h為總水深；η為計(jì)算基面以上的起伏；f為科式參量；g為重力加速度；uˉ,vˉ為垂向平均流速x，y方向分量；τbx,τby為底床切應(yīng)力x，y方向分量；τwx,τwy為風(fēng)切應(yīng)力x，y方向分量；ρ0為水密度，取1 025 kg/m3；，ε為水流紊動(dòng)粘性系數(shù)。

底床切應(yīng)力計(jì)算公式

風(fēng)切應(yīng)力計(jì)算公式

懸沙輸運(yùn)方程

式中：S為水體垂線平均含沙量；εx、εy分別為x、y方向的懸沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)；FSC為源函數(shù)；FS為泥沙沖淤函數(shù)。

2.2初始條件與邊界條件

模型實(shí)行冷啟動(dòng)，潮流模塊初始水位取當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫妗ｉ_(kāi)邊界采用全球潮波模型預(yù)報(bào)的潮位控制，固邊界條件為法向流速為0。泥沙模塊初始含沙量和開(kāi)邊界含沙量采用計(jì)算區(qū)域平均含沙量，固邊界條件為法向泥沙通量為0。在飛云江和鰲江2個(gè)河口開(kāi)邊界上采用潮位控制，潮位由中國(guó)海潮波模型預(yù)報(bào)給出。由于河口距離拋泥點(diǎn)較遠(yuǎn)，且兩河流平均徑流量較小，故未考慮上游的徑流影響，且在開(kāi)邊界上采用了流速梯度為0的處理方法。

2.3計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

模型的計(jì)算范圍西起海岸線，東至121°40′N；北起27°51′N，南至26°40′N，模型計(jì)算面積約7 200 km2。結(jié)合海上傾倒試驗(yàn)結(jié)果，為保證傾倒產(chǎn)生懸浮泥沙的擴(kuò)散范圍在模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)，模型開(kāi)邊界據(jù)傾倒點(diǎn)的距離均超過(guò)25 km。計(jì)算區(qū)域采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，為保證計(jì)算精度，將拋泥區(qū)網(wǎng)格加密至30 m（圖1）。

2.4模型主要參數(shù)

圖1模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Calculation field and grid

模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30 s；潮流模塊中底床糙率據(jù)地形取0.012～0.030；水平渦粘系數(shù)ε根據(jù)Smagorinsky公式[5]計(jì)算。泥沙模塊中泥沙沖淤函數(shù)采用底部切應(yīng)力法[6]；根據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]，懸沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)和水流紊動(dòng)粘性系數(shù)取值相同。工程區(qū)域懸沙平均中值粒徑約0.008 mm，傾倒的疏浚物中值粒徑約0.013 mm，根據(jù)目前研究成果［8-12］，需考慮細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降，絮凝沉速大多通過(guò)計(jì)算與試驗(yàn)確定。由于疏浚物傾倒時(shí)水中含沙量較大，模型中絮凝沉速受高含沙量影響，取0.001 m/s時(shí)較合理，且模擬計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較好。

2.5模型潮位、流速、流向、含沙量驗(yàn)證

模型驗(yàn)證資料采用2013年7月～8月的同步潮位、潮流、含沙量等實(shí)測(cè)資料，包括3個(gè)驗(yàn)潮站和9個(gè)潮流水文測(cè)站。模型計(jì)算時(shí)段為一個(gè)完整的大潮過(guò)程——7月24日（陰歷初一）16時(shí)～7月25日20時(shí)。計(jì)算模型的潮位、流速、流向及含沙量驗(yàn)證均符合相關(guān)規(guī)范[6]中的精度要求。

2.6疏浚物拋泥擴(kuò)散模擬計(jì)算與驗(yàn)證

2.6.1拋泥方案及源強(qiáng)

拋泥過(guò)程停止后，傾倒船底部?jī)A卸入海的疏浚泥，一部分立即沉入海底形成浮泥，另一部分則揚(yáng)起成為懸沙。浮泥在重力和海洋動(dòng)力作用下，沿海底流動(dòng)，懸沙在水中隨海流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)移，同時(shí)發(fā)生絮凝沉降。當(dāng)風(fēng)浪足以掀起浮泥時(shí)，浮泥被攪起形成懸沙，風(fēng)平浪靜，懸沙落淤再形成浮泥[13]。對(duì)一般工程而言，拋泥源強(qiáng)往往只考慮成為懸沙的部分，通過(guò)類比已有工程的實(shí)測(cè)值或試驗(yàn)值，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況進(jìn)行分析估算。根據(jù)傾倒試驗(yàn)，每條船的拋泥源強(qiáng)

式中：G為每船傾倒的疏浚土量，取500 t；P為拋泥產(chǎn)生的懸沙比例，取8%；T為傾倒時(shí)間，取20 s。經(jīng)計(jì)算FSC=2 t/s。

2.6.2運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證及風(fēng)場(chǎng)模擬

模型中考慮無(wú)風(fēng)、橫風(fēng)、順風(fēng)3種情況，每種風(fēng)向下分別考慮3 m/s、7 m/s、10 m/s3種風(fēng)速，在A、B兩個(gè)傾倒點(diǎn)的拋泥過(guò)程中各設(shè)置7種工況（表1）。根據(jù)Wu Jin[14]的研究，風(fēng)拖曳系數(shù)取0.002。

2.6.3疏浚物傾倒產(chǎn)生懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證與分析

疏浚物傾倒產(chǎn)生懸浮泥沙的計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)測(cè)運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖2。根據(jù)海上傾倒試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，在大潮落潮時(shí)傾倒后120 min，各層次懸浮物的平均粒徑和中值粒徑基本恢復(fù)到傾倒前水平，疏浚物傾倒引起的懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)距離在順流方向3 km左右。模型計(jì)算顯示：A、B兩點(diǎn)拋泥后形成的懸浮泥沙順著落潮流運(yùn)動(dòng)，120 min內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡與海上傾倒試驗(yàn)實(shí)測(cè)軌跡較為接近。

A點(diǎn)：無(wú)風(fēng)情況下（工況1），海上傾倒形成的懸浮泥沙順著落潮流運(yùn)動(dòng)；橫風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速的增加，懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡與無(wú)風(fēng)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移距離也顯著加大：工況2偏離0.6 km，工況3偏離1 km，而工況4的偏移距離接近1.6 km；順風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速的增加，軌跡偏移距離也逐步增加，工況5的偏移距離0.2 km，工況6偏離0.5 km，而工況7的偏移距離為0.9 km。B點(diǎn)：無(wú)風(fēng)情況下（工況8），海上傾倒形成的懸浮泥沙順著落潮流運(yùn)動(dòng)；橫風(fēng)作用下，工況9的運(yùn)動(dòng)軌跡與無(wú)風(fēng)時(shí)偏離距離為0.3 km，工況10偏離0.7 km，而工況11的偏移距離接近1.3 km；順風(fēng)作用下，工況12偏移距離為0.1 km，工況13為0.3 km，工況14的偏移距離為0.6 km，風(fēng)作用下懸浮泥沙運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移規(guī)律與A點(diǎn)相同。

可見(jiàn)，風(fēng)場(chǎng)會(huì)對(duì)海上傾倒產(chǎn)生懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生較大影響。與無(wú)風(fēng)時(shí)相比，一定風(fēng)速下，橫風(fēng)作用下偏離距離相對(duì)較大；順風(fēng)作用下的偏離距離相對(duì)較小。橫風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，偏移距離顯著增大；順風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，偏移距離增加值相對(duì)較小。

表1模型計(jì)算工況Tab.1Various condition on calculation

3 風(fēng)對(duì)拋泥產(chǎn)生懸浮泥沙的擴(kuò)散范圍與持續(xù)時(shí)間影響

根據(jù)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一類海水水質(zhì)要求人為造成懸浮物質(zhì)的增加量不超過(guò)10 mg/L，所以對(duì)拋泥后含沙量增量超過(guò)10 mg/L的區(qū)域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

海上傾倒形成的懸浮泥沙會(huì)迅速擴(kuò)散，不同工況下拋泥后懸沙增量濃度影響范圍變化過(guò)程見(jiàn)圖3，懸沙增量濃度包絡(luò)面積見(jiàn)表2。從圖3中可以看出：在A、B兩個(gè)傾倒點(diǎn)拋泥后，拋泥海域懸沙增量濃度≥10 mg/L的水域面積在90～120 min內(nèi)減至0，即海上傾倒產(chǎn)生的懸浮泥沙對(duì)水質(zhì)的影響會(huì)在短時(shí)間消失，這與海上傾倒試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果一致。

A點(diǎn)：7種工況下，懸沙增量濃度≥10 mg/L的水域面積在拋泥后45～60 min時(shí)達(dá)到峰值，峰值在0.05～0.07 km2，隨后快速減少，在120 min左右減小為0；橫風(fēng)作用下的最大擴(kuò)散面積和持續(xù)時(shí)間明顯大于無(wú)風(fēng)時(shí)，隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加，最大擴(kuò)散面積和持續(xù)時(shí)間顯著增加；順風(fēng)作用下擴(kuò)散特性和無(wú)風(fēng)時(shí)相差不大，而最大擴(kuò)散面積和持續(xù)時(shí)間幾乎不隨風(fēng)速的增加而變化。無(wú)風(fēng)時(shí)，懸沙濃度≥10 mg/L的包絡(luò)面積為0.34 km2；與無(wú)風(fēng)時(shí)相比，橫風(fēng)作用下，包絡(luò)面積較無(wú)風(fēng)時(shí)明顯增大，且隨著橫風(fēng)風(fēng)速增加顯著擴(kuò)大，工況2、3、4分別增大2%、27%、59%；順風(fēng)作用下，包絡(luò)面積也較無(wú)風(fēng)時(shí)有所擴(kuò)大，隨著順風(fēng)風(fēng)速增大而略有增加，工況5、6、7分別增大1%、7%、20%，增加量明顯小于橫風(fēng)作用時(shí)。B點(diǎn)：7種工況下，懸沙增量濃度≥10 mg/L的區(qū)域面積在拋泥后30～45 min時(shí)達(dá)到峰值，峰值在0.04～0.06 km2，隨后快速減少，在90 min左右減小為0，因?yàn)锽點(diǎn)更靠近外海，流速較大，擴(kuò)散速度也快于A點(diǎn)。無(wú)風(fēng)時(shí)，懸沙濃度≥10 mg/L的包絡(luò)面積為0.31 km2；與無(wú)風(fēng)相比，橫風(fēng)作用下，工況9、10、11分別增大3%、19%、43%；順風(fēng)作用下，工況12、13、14相比無(wú)風(fēng)時(shí)增大1%、4%、16%。風(fēng)場(chǎng)對(duì)懸浮泥沙包絡(luò)面積的影響規(guī)律與A點(diǎn)一致。

可以看出，風(fēng)向和風(fēng)速均會(huì)對(duì)拋泥產(chǎn)生懸浮泥沙的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍產(chǎn)生影響。一定風(fēng)速下，橫風(fēng)作用下懸浮泥沙擴(kuò)散范圍和持續(xù)時(shí)間顯著大于無(wú)風(fēng)時(shí)和順風(fēng)作用時(shí)。與無(wú)風(fēng)時(shí)相比，橫風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，影響程度明顯加大；順風(fēng)作用下，風(fēng)速增加時(shí)，擴(kuò)散速度和影響范圍變化相對(duì)較小。

圖2海上傾倒產(chǎn)生懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證Fig.2Verification results of suspended sediment track caused by dredged materials注：工況12與工況8較為接近，故不標(biāo)注。

圖3傾倒后懸沙增量濃度擴(kuò)散范圍變化（≥10 mg/L）Fig.3Area distribution variation of increased suspended sediment after dumping

表2傾倒后懸沙增量濃度的包絡(luò)面積（≥10 mg/L）Tab.2Envelope area of increased suspended sediment after dumping

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型的動(dòng)量方程中引入風(fēng)切應(yīng)力，較好地模擬了風(fēng)作用下懸浮泥沙的擴(kuò)散情況，計(jì)算分析了風(fēng)對(duì)懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散速度、擴(kuò)散范圍三方面的影響，研究表明風(fēng)會(huì)對(duì)拋泥產(chǎn)生懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡、擴(kuò)散速度、擴(kuò)散范圍產(chǎn)生較大影響。

（1）風(fēng)對(duì)懸浮泥沙的運(yùn)動(dòng)軌跡影響：與無(wú)風(fēng)時(shí)相比，一定風(fēng)速時(shí)，橫風(fēng)作用下偏離距離相對(duì)較大；順風(fēng)作用下的偏離距離相對(duì)較小。橫風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，偏移距離顯著增大；順風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，偏移距離增加值相對(duì)較小。（2）風(fēng)對(duì)懸浮泥沙的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散面積影響：與無(wú)風(fēng)時(shí)相比，一定風(fēng)速時(shí)，橫風(fēng)作用下懸浮泥沙擴(kuò)散面積和持續(xù)時(shí)間顯著增大；順風(fēng)作用下的變化量相對(duì)較小。橫風(fēng)作用下，隨著風(fēng)速增加，影響程度明顯加大；順風(fēng)作用下，風(fēng)速增加時(shí)，擴(kuò)散面積和持續(xù)時(shí)間變化量也相對(duì)較小。（3）綜上所述，懸浮泥沙在風(fēng)作用下的可能影響區(qū)域范圍遠(yuǎn)大于無(wú)風(fēng)時(shí)，所以在重要的環(huán)境敏感目標(biāo)附近開(kāi)展傾倒、吹填、溢流、疏浚、鋪設(shè)水下管道或電纜等會(huì)引起懸浮泥沙的海岸工程時(shí)，在海洋環(huán)境影響評(píng)價(jià)中進(jìn)行懸浮泥沙擴(kuò)散預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮施工期不利風(fēng)向和不利風(fēng)速的影響。

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Influence of wind on dispersion of suspended sediment

LI Si?yuan,WANG Yi?gang,HUANG Hui?ming,CHEN Da?ke
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

A planar 2D tide?suspend sediment numerical model was established after a dumping test in the sea area around Cangnan and the discussions about the influence of wind on the dispersion of suspended sediment were made.Results show that wind has a great influence on track and diffusion of suspended sediment caused by dredged materials．Then，wind direction and wind speed are regarded as the main factors．

wind;suspended sediment;suspend sediment dispersion;tide?sediment numerical model

TV148；O242.1

A

1005-8443（2015）04-0297-05

2015-02-05；

2015-02-28

李思遠(yuǎn)(1988-)，男，浙江省桐鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事河口海岸動(dòng)力及泥沙研究。

Biography：LI Si?yuan(1988-),male,master student.