外钓光汇石油基地工程水动力及海床冲淤数值模拟分析

祝 悦，倪云林，李康婷，宣胜男

(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022；2.浙江东天虹环保工程有限公司，浙江杭州 310012)

外钓山岛位于舟山群岛西侧，与老塘山港区隔海相望(图1)。周边水深条件良好，具备建设大型码头深水港之条件[1]。舟山外钓光汇石油基地工程位于外钓山岛南侧，在基地填海造地的基础上，布置6个3 000 t级油品码头泊位和3个工作船码头泊位(图2)。工程的选址和布置需要参考周边海域的岸滩演变和历史冲淤规律，为此，刘毅飞等[2]利用1962年、1995年、2001年海图或水下地形图和浅地层探测数据，分析了舟山外钓山岛西海岸边坡的水动力、悬浮泥沙及冲淤特征，得到了外钓山岛西海岸边坡“上淤下冲”的演变结论。宣胜男等[3]基于历史海图和水深地形资料，采用GIS技术，研究分析了外钓山岛附近海域冲淤演变，结果表明在2004-2011年间，该海域经历了由缓慢冲刷到较快淤积的调整过程，但总体以淤积为主，淤积速率7.6 cm/a。此外，基地工程和码头工程的实施会对周边海域的水动力和海床冲淤变化产生影响，需要采用数值模拟的方法预测分析。目前，世界上比较成熟的潮流泥沙数值模型有Delft3D、ECOM、MIKE21等，例如，姜尚等[4]基于Delft3D模型数值模拟了液体化工码头醋酸泄露风险；鲍献文等[5]应用ECOM模式开展了胶州湾潮流计算；傅杰能和王琼琳[6]采用MIKE21分析了舟山老塘山港区2万t级码头工程潮流数模及港池泥沙回淤问题；谢中宇等[7]同样采用MIKE21模型建立了乐清湾潮流水环境数学模型,对乐清湾区域水动力环境及污染物扩散输移进行数值模拟。考虑到Delft3D模式的开源优势，本文将利用该模型分析研究外钓光汇石油基地工程对海域水动力和冲淤变化的影响。

图1 地理位置示意图Fig.1 Geographic sketch map

图2 外钓山岛油品基地平面布置Fig.2 Plane layout of oil product base in Waidiaoshan island

1 数学模型的建立

1.1 控制方程和定界条件

为了更好的模拟边界处的流态，本文采用曲线网格对计算域进行剖分。曲线坐标系ξ-η下的基本控制方程组为[8]：

式中：ζ是潮位；t是时间；u、v是ξ、η方向上的流速分量；H=h+ζ是实际水深，其中h为静水深；f=2ωsinφ是科氏力，其中ω为地转角速度，φ为纬度；g是重力加速度；C=H1/6/n为谢才系数，其中n为糙率；Aξ、Aη是涡动粘滞系数；gξ、gη分别对应于曲线网格的 2 个边长。

初始条件通过开边界上的潮位预报资料确定，固壁边界条件取流速的法向分量为零[9]。

1.2 模型建立

本模型先进行大范围计算，得到基地工程附近的边界条件，然后利用小范围的高分辨率网格计算基地工程周边流场。大范围计算网格共计640 000个，网格最大边长约1 000 m；小范围计算网格共计90 000个，网格边长约30 m；计算时间步长为60 s。

1.3 模型验证

利用国家海洋局第二海洋研究所的水文测验资料，对本文模型计算所得的潮位、流速、流向进行验证。

1.3.1 潮位验证

选取舟山本岛西侧岑港码头临时潮位站的潮位观测资料进行潮位验证，结果如图3所示。从图3可以看出，模拟结果与实测数据拟合较好，误差小于8 cm。

图3 潮位验证Fig.3 Tide level validation

1.3.2 潮流验证

选择基地工程区附近4个锚系潮流站的实测资料进行潮流验证，结果如图4(a～d)和图5(a～d)所示。从大、小潮流速流向的验证曲线来看，流速总体上拟合较好，相对误差小于10%；流向除个别转流时刻误差较大外，其余误差一般小于10°。

综合潮位、流速、流向的验证结果，本文模型计算精度满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2-2010)中的精度要求，可应用于模拟分析基地工程对水动力和海床冲淤变化的影响。

图4 大潮期1～4#站位流速流向验证Fig.4 Velocity and directions validation with 1-4#stations of spring tide

图5 小潮期1～4#站位流速流向验证Fig.5 Velocity and directions validation with 1-4#stations of neap tide

2 水文泥沙冲淤变化数模预测

2.1 潮流变化预测分析

将填海工程区由水域改为陆域，将油品码头和工作船码头工程区用等效底摩擦力来模拟码头桩基的阻水效果，计算基地工程实施后的流场状况，将计算结果与工程前进行比较，求得工程前后的潮流场变化情况。

从图6(a)基地工程实施前后涨潮平均流速变化情况来看，工程区东侧围堤前沿涨潮流速减小明显，流速减小幅度约20%～40%，而南侧围堤前沿涨潮流速变化不大；码头工程附近海域流速减小幅度在10%以内；码头对岸流速有所增大，流速增大幅度为10%～20%。

从图6(b)基地工程实施前后落潮平均流速变化情况来看，工程区东侧围堤前沿落潮流速减小幅度20%～30%，而南侧围堤前沿落潮流速变化不大；码头工程附近海域流速减小幅度在5%以内；码头对岸流速有所增大，流速增大幅度为5%左右。

图6 基地工程实施前后潮流速变化百分比Fig.6 The percentage variation of current velocity before and after the construction

2.2 工程后冲淤变化预测分析

2.2.1 床面冲淤计算方法

根据泥沙运动理论中的输沙平衡原理[10-11]，若只考虑潮流的挟沙能力S*，则

式中，H=h+ζ是实际水深，g是重力加速度，k是挟沙系数，取0.5～0.6。假设工程区附近的海床在工程前处于不冲不淤的平衡状态，但由于填海工程和码头工程的实施，使得涨、落潮流的流速和挟沙能力发生变化，由此可以选用半经验半理论公式计算工程后海床的冲淤变化：

式中：α为悬沙沉降机率，根据工程经验取值0.3左右；ω为沉降速度，取0.000 4 m/s[12]；γ＇s为淤积物干容重 1 750 d500.183，中值粒径 d50取 0.003 mm；s为平均含沙量；v1、v2为工程前、后的垂线平均流速；h1、h2为工程前、后的水深[13]。

2.2.2 第1年冲淤变化预测

工程后第1年的冲淤变化如图7所示。结果表明：东侧围堤前沿、码头所在区域及邻近海域普遍淤积，第1年淤积厚度一般0.05～0.35 m；工作船码头和油品码头后方淤积相对较大，达到0.30～0.40 m；南侧围堤前沿局部发生轻微淤积，幅度约0.05～0.15 m；码头前沿航道基本处于冲淤平衡状态；基地工程造成对岸老塘山港区的泥沙略有冲刷，冲刷厚度为0.10～0.15 m。

2.2.3 最终冲淤变化预测

根据舟山海域的工程经验，在现有的边界条件和水文泥沙条件下，一般工程实施后5 a，海床初步达到冲淤平衡状态，因此本文将基地工程实施后5 a的累计冲淤量作为最终冲淤预测结果。

从图8可以看出，最终冲淤分布趋势和第1年基本相似。东侧围堤前沿、码头所在区域及邻近海域淤积明显，最终淤积厚度一般约0.1～1.0 m，最大淤积可达1.2 m，位于码头后方，淤积范围扩大至码头上下游0.5～1.2 km；南侧围堤前沿0.1～0.5 m；码头前沿航道依旧保持冲淤平衡状态；基地工程造成对岸老塘山港区海床冲刷0.4～0.5 m。

总的来说，外钓光汇石油基地工程对附近海域的冲淤变化影响不大。

图7 工程实施后第1年冲淤变化Fig.7 Erosion-deposition of the 1st year after the construction

图8 工程实施后最终冲淤变化Fig.8 Final erosion-deposition after the construction

3 结论

外钓光汇石油基地码头工程位于外钓岛南侧，在基地填海工程基础上，布置6个3 000 t级油品码头泊位和3个工作船码头泊位。一方面，受基地填海工程的影响，潮流通道的过流面积有所减小，使得涨落潮流速增大；另一方面，由于码头桩基工程的阻水作用，又使周边的涨落潮流速减小，综合上述两个因素，涨落潮流速在工程区东侧围堤前沿和码头后方表现为明显减小，而在码头对岸则有所增加。相应地，工程区东侧围堤前沿和码头后趋于淤积，而码头对岸则趋于冲刷。