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(yè)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(fā)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(yè)生產(chǎn)。

海底電纜管道敷設引起的高濃度懸浮泥沙對海洋環(huán)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(xiàn)為影響胚胎發(fā)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(jù)當?shù)丨h(huán)境與地形來評估管道敷設對周圍環(huán)境的影響，以及對海洋生物資源造成的損失[5-6]。在環(huán)境評估過程中也需要結合當?shù)氐某绷魈攸c[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(shù)值模擬確定了工程施工過程中對周圍環(huán)境的影響。現(xiàn)階段對于泥沙輸運的商業(yè)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(wǎng)格建模[15]。由于綠華島附近島嶼數(shù)量眾多，潮流結構復雜[9]，因此擬通過建立綠華島區(qū)域的水動力模型來確定電纜敷設對周圍水域的影響。

1 數(shù)學模型

采用丹麥水力學研究所(DHI)研發(fā)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(huán)境的變化，在工程環(huán)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(jù)。

1.1 模型區(qū)域

工程區(qū)附近海區(qū)島嶼眾多，地形和潮流結構復雜，潮動力環(huán)境較強。在工程附近采用加密網(wǎng)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(jīng)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(wǎng)格進行加密處理，加密后網(wǎng)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(qū)域，網(wǎng)格設置相對稀疏，網(wǎng)格尺度根據(jù)位置進行調整，確保模型內網(wǎng)格之間的平滑過渡，精確刻畫模擬區(qū)域內的水文情況。綠華島附近島嶼眾多且分布零散，因此區(qū)域島嶼岸線特別曲折，為了較好地反映當?shù)貜碗s的岸線情況，采用更貼合岸線的三角形網(wǎng)格，因此模型采用SMS構造三角形網(wǎng)格，模型共有22 147個節(jié)點，42 088個單元(見圖1)。

圖1 模型范圍及網(wǎng)格Fig.1 Computational domain and grids

1.2 參數(shù)設置

模型糙率采用曼寧系數(shù)，為使模擬結果更符合實際情況，對曼寧系數(shù)進行率定，其數(shù)值范圍為0.012～0.014，模擬的時間步長由模型自動調節(jié)，步長在0.000 1～30.000 0 s之間，柯朗數(shù)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(qū)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(jù)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(shù)據(jù)，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(xiàn)場開展水文測驗工作，3月14日結束外業(yè)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(qū)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(jù)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(xiàn)往復運動，近岸區(qū)域漲落潮流流向大致與岸線走向平行。且根據(jù)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(chǎn)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(jù)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(wǎng)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(shù)進行設置。根據(jù)相關文獻[16-20]，對懸浮泥沙擴散系數(shù)和泥沙沉降速度進行率定。擴散系數(shù)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(chǎn)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(shù)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(jù)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(jù)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(qū)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(qū)域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)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(qū)域進一步減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)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(qū)域包絡。整體上，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)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(qū)域完全消失，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)域面積逐漸減少，在落潮潮流的作用下繼續(xù)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(qū)域，其它管道附近區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域逐漸減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)域受落潮流影響。施工1.5 h后，懸沙濃度為100～150 mg/L的區(qū)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(qū)域逐漸減少，懸浮泥沙在落潮流的作用下繼續(xù)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域進一步減少，懸沙濃度為10～100 mg/L的區(qū)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(qū)域面積有所增加，并繼續(xù)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(jù)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(huán)境影響最小，在落憩時刻施工對周圍環(huán)境影響范圍最大。