消浪平臺工程建設對周邊海洋環境的影響分析

王彬諭　毛晨浩　黃賢智

作者簡介：

王彬諭（1990—），講師，碩士研究生，研究方向：水利工程、水文等。

摘要：文章通過建立海域水動力及泥沙輸運研究模型，模擬了消浪平臺工程建設對周邊海洋環境的影響。研究發現：大潮時懸浮泥沙擴散速度較快且濃度下降迅速，對周圍海洋環境的影響反而最小;小潮時潮流流速較小，工程懸浮泥沙以施工地為中心向四周擴散緩慢，形成濃度較高的包絡面。因此，在大潮時進行施工較為適宜。

關鍵詞：消浪平臺;工程建設;海洋環境;數值模擬

中國分類號：U656.31A521914

0 引言

海岸工程建設在促進經濟發展的同時也在不斷對海洋環境產生巨大影響[1]。工程在建設時會在短時間內劇烈地改變原有海洋環境，在工程范圍附近形成的高懸浮物水團會干擾太陽光線射入水體，削弱甚至是阻擋浮游植物的光合作用。浮游植物數量的減少或死亡會直接影響區域海洋生態系統的正常運行[2]。此外，工程區附近海洋生物的體表會被高濃度懸浮泥沙包裹甚至進入消化系統，其正常的生理功能不僅會受到影響，還會導致死亡。

本文研究的消浪平臺工程建設地點使用宗海面積為0.02 hm2，在原碼頭的基礎上增設非透水構筑物以達到對碼頭的保護作用。為了合理規劃施工時間，達到對周圍海洋環境影響最小的目的，本文基于MIKE 21軟件的Flow Model FM模塊分別建立水動力和泥沙輸運模型，模擬在大潮和小潮期不同時段的施工作業工況，得到懸浮泥沙擴散影響范圍。

1 潮流及泥沙模型介紹

本文采用的MIKE 21 FM子模塊屬二維潮流、泥沙數學模型[3]。

2 模型區域和網格

潮流數學模型大范圍水深數據由海軍測繪的海圖數字化后得到，并對研究區域附近海域水深進行實測采樣與海圖數據對比修正。研究區域陸地岸線如圖1所示。模型在遠離研究區域的部分設置空間步長較大的網格以提高計算效率，對工程所在區域采用局部加密的方式以保證研究區域模擬的精度。模型整體呈現出由研究區域向海網格空間步長逐漸增大的趨勢，工程區域網格如圖2所示。

3 模型參數設置

模型開邊界的潮流數據由Mike 21軟件自帶的全球潮位板塊計算得到，陸域岸線上共設置兩條河流邊界，邊界采用流量控制。模型計算時間步長為0.01～30 s。

采用干濕判別法處理潮位變動區[4]，參數取默認值：濕水深為0.1 m，淹沒水深為0.05 m，干水深為0.005 m;曼寧系數M由水深控制，取值60～90，Cs取值0.28。

4 模型驗證

本文采用2019[CD*2]05[CD*2]20至2019[CD*2]06[CD*2]05，1個測站潮位資料及2個潮流測站完整的大、小潮周期的流速、流向實地觀測資料對模型進行驗證，驗證點位置如圖1所示，潮位驗證如圖3所示。

從模擬結果來看，模型潮位計算值與實測值基本吻合，在大潮和中潮區段內，最高和最低潮誤差基本保持在8 cm之內，個別誤差達到14 cm;小潮區段內最高和最低潮誤差較大潮和中潮時有明顯的增大，部分誤差達到30 cm，但總體上模擬值與實測值擬合程度較高，說明本模型所采用的邊界條件、地形數據、參數設置能真實再現研究區域的潮位變化趨勢。

如圖4所示為2個典型站點（SW5、SW6）大潮時流速和流向的二維驗證過程。結果表明，計算流速最大、最小值處與實測流速基本擬合，從漲落急時刻的流向變化來看，各點流向的變化趨勢上擬合較好，相位偏差<0.5 h。工程海域往復流趨勢明顯，計算模擬的潮波運動與天然潮波運動相似。

綜上，模型計算值和與實測值擬合較好，能夠較真實地還原工程及附近海域漲、落潮變化、流速峰值等。驗證結果表明，模型基本反映了工程及周邊真實潮流運動特征，模擬精度基本上滿足研究對于模型可靠性的要求，可應用于工程后的預測等各項工作。

5 模擬及分析

消浪平臺工程施工作業拋石過程造成了底沙揚起，在流場的作用下導致了不同程度的懸浮泥沙擴散。由于潮流條件的不同，擴散情況在大、小潮時展現出不同的情況。

5.1 大潮時懸浮泥沙擴散情況

大潮時研究區域漲落潮流場圖如下頁圖5所示。在大潮情況下，由于工程所在地的一個大海灣中有兩個小海灣的特殊地理條件，漲潮時海灣中較大的順時針環流在流經工程所在地時形成了一個較小的逆時針環流。這兩股水流將懸浮泥沙分為兩部分，向相反的方向擴散。落潮時，大的順時針環流方向發生逆轉，帶著懸浮泥沙向灣內擴散。因此造成了從東偏南方向而來的漲潮流對于泥沙向海擴散有促進作用，落潮流反而將泥沙向灣內推進的現象。

大潮情況下，消浪平臺附近海域懸浮泥沙濃度為0.01～0.02 kg/m3的擴散面積為34 056.41 m2，懸浮泥沙濃度為0.02～0.05 kg/m3的擴散面積達到1 633.54 m2。如圖6所示為大潮時不同濃度懸浮泥沙擴散包絡圖。

5.2 小潮時懸浮泥沙擴散情況

小潮時研究區域漲落潮流場圖如圖7所示。在小潮情況下，潮流速度較大潮明顯減小，擴散情況也略有不同。漲潮時，由于流速的減小，潮流沒有形成明顯的大環流，而是直接向灣內挺進，較大潮時漲潮流向灣內突入更深。工程區域兩個方向相反的環流仍然存在，但是較大潮而言，小潮時泥沙被消浪平臺南部環流向外輸送之后仍受到向內突入的漲潮流的影響，大量懸浮泥沙向灣內輸移。落潮時由于流速的減小，灣內原本的環流消失，向海運動的落潮流在灣口使一部分懸浮泥沙向海輸移，但是落潮流向灣內突入不深，對于施工區域的影響不大。施工區域懸浮泥沙因為潮流流速較小擴散程度較小，大量的懸浮泥沙集中在灣內。

小潮情況下，懸浮泥沙濃度為0.01～0.02 kg/m3的擴散面積為16 288.58 m2，懸浮泥沙濃度為0.02～0.05 kg/m3的擴散面積達到3 494.72 m2，濃度為0.05～0.1 kg/m3的懸浮泥沙擴散面積為15.73 m2。小潮時不同濃度懸浮泥沙擴散包絡圖如圖8所示。

綜合考慮施工的最不利影響，消浪平臺建設工程大、小潮過程的懸浮泥[JP+1]沙擴散最大值，繪制了工程可能造成的不同懸浮泥沙濃度的擴散范圍圖。從各工況懸浮泥沙擴散預測計算結果可以看出：懸浮泥沙在不同潮型條件下擴散范圍明顯不同。由于大潮潮流動力較強，對懸沙輸運能力較強，因此大潮的影響范圍要大于小潮。

總的來看，懸浮物影響的最大包絡范圍集中在工程區所在的海灣內部以及灣外側沿海岸線呈東南-西北走向的細窄海域內。由于懸浮物擴散范圍不大，因此對工程海域周邊生態保護目標造成的影響也很有限，僅對舟山本島東保留區造成了一定的影響，對其他農漁業區沒有造成影響。

6 結語

本文模擬了大潮和小潮不同情況下某地消浪平臺建設工程引起的懸浮泥沙擴散過程。研究發現，在大潮情況下，懸浮泥沙擴散速度最快，懸浮泥沙濃度下降迅速，這種情況對周圍海洋環境的影響反而最小。相反的是，小潮情況下潮流流速較小，工程懸浮泥沙以施工地為中心向四周擴散緩慢，形成濃度較高的包絡面。根據以上研究，工程應當選擇在大潮時進行施工較為適宜。

參考文獻：

[1]王留洋.甌江口大規模圍海工程對周邊水動力環境的影響[D].大連：大連理工大學，2013.

[2]尚雪梅.渤海水層營養鹽生態動力學數值模擬研究[D].青島：中國海洋大學，2015.

[3]匡翠萍，錢從銳，姚凱華，等.潮流與泥沙輸運對黃驊港工程的響應分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2014（10）：1 516-1 522.

[4]譚忠華，劉海源，陳漢寶，等.印尼某濱海電廠工程取排水口布置[J].中國港灣建設，2018（10）：29-34.

1601501186311