崔成，张义丰，左书华

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

人工岛内湖水体交换数值模拟研究

崔成，张义丰，左书华

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

以海口人工岛工程为例，采用Mike21中的Flow-Model-FM模块建立水动力和保守物质对流-扩散数值模型，模拟节制闸门控制下人工岛内湖水系的流态和水体交换情况。根据设计方案计算结果，结合理论分析，通过调整节制闸门个数、位置以及局部内湖水系边界对设计方案进行优化。优化后方案有效节约了投资成本，减小了闸门附近旋转流，避免了引、排水过程中，水质较差的中湖北侧水系水体流入对水质要求较高的“大圆湖”水系的问题，为内湖景观水系设计和节制水闸设计提供了科学依据。

水体交换；数值模拟；人工岛

随着海南国际旅游岛建设上升为国家战略，海南建设世界一流的海岛休闲度假旅游目的地的基础条件和时机已经成熟。海口市拟利用东海岸以北铺前湾湾口西侧白沙浅滩进行围填，形成人工岛（暂命名为“如意岛”），距海岸线约4.4 km，距美兰机场约17 km，距海口市中心约12 km。该工程地理位置优越，建成后将充分发挥海口市热带滨海旅游优势，增强海口市滨海旅游吸引力，成为国际旅游岛的新地标（图1）。

人工岛工程填海面积约716公顷，护岸防浪墙后方形成陆域面积约612公顷，岛长约8 km，最宽处约2 km，最窄处约0.4 km，全岛岸线总长约23.33 km。人工岛为东西走向，共设计了三个内湾，分别为西湾、中湾、东湾，作为人工岛海洋文化功能布局。运用潟湖岛的理念，在岛内设计内湖水系，以水城的形式构建人工岛建筑形态，既满足功能的需求，同时又强化了岛内区域的建筑景观特色，强调环保理念，打造别具特色的潟湖人工岛中水城。为了满足人工岛使用功能，需要保证内湖水系水质优良。工程位于南渡江出海口，该海域的水质受到南渡江雨季冲淤影响，水质不佳。潟湖方案可避免南渡江口水质不佳问题，在岛内形成了大面积的内湖水系，通过自然沉淀净化水体。另外，在人工岛围堤设置节制水闸，利用潮汐动力作用下的内外水位差，通过开关闸门进行水体的自然交换，使得内湖水体与外海水体掺混充分，既能保持规划区内景观水位在相对稳定的范围，避免内湖水位随外海潮位大起大落，又能将岛内废水带出岛外，增强岛内水体的自净能力。

可以通过分析内湖水系的水动力和水交换情况，优化节制水闸的位置和数量，为内湖水系及节制水闸的设计提供科学依据。

已有学者采用数值模拟的方法研究了封闭或半封闭水域的水体交换状况。何磊［1］通过求解二维连续方程和动量方程建立数值模型研究了渤海湾水交换情况的空间分布，结果显示渤海湾中一些海域水交换能力较差。彭辉等［2］采用delft3D⁃Flow建立对流-扩散型的海湾水交换数值模型，研究了象山港水体交换情况。李希彬等［3］采用FVCOM海洋数值模式建立数值模型，研究了半封闭海湾湛江湾的水交换能力。尤爽和张宁川［4］采用Mike21中Flow Model FM模块建立水动力和污染物对流扩散数学模型，研究了大连海上机场工程及施工通道对工程水域水动力条件及环境的影响。王兴刚等［5］采用FVCOM海洋数值模式建立连云港浅滩海域的三维水动力和对流扩散数值模型，研究了连云港主体港区的水交换情况。

图1工程位置和水文站布置示意图Fig.1Location of project and measuring⁃points arrangement

在节制闸门控制作用下全封闭内湖水系水体交换情况的研究较少。本文选用Mike21软件包中的Flow Model FM模块建立数值模型，采用该模块中的亚网格尺度结构物中的“gate”结构模拟闸门，将位置设定在设计闸门位置，通过设定控制参数来控制开关；而且该工程内湖水系错综复杂，蜿蜒曲折，相互联通对网格尺度和质量要求较高，采用三角形非结构网格划分计算水域，对复杂水系的网格进行局部加密，保证计算精度的同时可以提高计算效率；另外工程所在海域水动力条件复杂，潮流流向在一个潮周期内多次转向，潮流有涨潮东流和西流、落潮东流和西流4种流态，对引排水闸门的功能和布局影响较大。本文使用所建立数值模型开展节制闸门控制下人工岛内湖水系水体交换数值模拟，优化人工岛内湖水动力条件、节制闸门的位置和数量，满足人工岛功能需要。

1 数学模型

1.1 水动力模型

考虑Boussinesq和静水压力假定，基于求解沿水深积分的二维不可压缩雷诺时均Navier⁃Stokes方程和连续方程建立数值模型。

连续方程

动量方程

式中：h=η+d，η和d分别表示水面高度和静水深；t表示时间；g表示重力加速度；uˉ和vˉ分别表示沿x和y方向的水深平均流速；f=2Ωsinφ表示柯氏力系数（Ω表示地球绕地轴旋转的角速度，φ表示地理纬度）；sxx，sxy，syx和syy表示辐射应力分量；pa表示大气压力；ρ表示流体密度；ρ0表示参考密度；S表示点源流量；us与vs表示点源流速；Tij表示应力项，包括粘性应力、紊流应力和差动平流等，根据沿水深平均流速的梯度计算。

式中：A为涡粘系数，采用Samagorinsky亚网格尺度模型计算。

式中：cf为拖曳力系数为水深平均的流速。拖曳力系数根据Manning系数M计算。

模型计算中，整个计算域曼宁系数取为45～60 m1/3/s。

式中：ρa为空气密度；cd为空气拖曳力系数为海面上10 m高处的风速。该海域受大陆季风气候影响为主，冬半年盛行东北风，夏半年盛行东南风。全年常风向为NE，平均风速3.4 m/s。

采用亚网格尺度结构“gate”模拟节制闸门，通过将控制参数设置为0和1分别来控制闸门的开关。满足引水条件时段，将引水闸门控制参数设置为1，排水闸门控制参数设置为0；满足排水条件时段，将引水闸门控制参数设置为0，排水闸门控制参数设置为1；此外闸门均关闭，控制参数设置为0。

1.2 水交换模型

采用嵌套在FM模块中的Transport子模块，计算示踪保守物质浓度对流扩散过程，来模拟水交换过程。控制方程

式中：C为保守物质浓度；M为源项；Kx、Ky分别为x、y方向的扩散系数；其他符号同前。假设人工岛内湖水系充满浓度为1的保守示踪物质，无外源载荷，人工岛外海水体浓度为0。固定边界采用无通量条件，开边界采用零梯度条件。

1.3 计算范围及网格

为了保证模型边界条件的准确性和局部流场符合实际潮流场的整体物理特征，本研究计算范围包括部分琼州海峡海域，东西方向约99 km，南北方向约49 km，由于人工岛围堤边界和内湖水系均较为复杂，对网格尺度和质量要求较高，为了保证模拟精度，采用三角形网格划分计算水域，对于人工岛附近海域和内湖水系进行局部网格加密，闸门过水净宽为20 m，为了保证闸室内流态精度，闸室内保证最少2排网格，最小空间步长选为10 m，共计划分155 962个网格，图2给出了计算网格示意图。

1.4 模型验证

为了验证数学模型的有效性，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、中潮和小潮过程的水文观测资料，对模拟潮位、流速、流向进行了验证。

图2模型网格示意图Fig.2Mesh of model

为了节约篇幅，图3～图4分别给出了代表验证点潮位，水深平均流速、流向验证过程。代表特征测站位置如图1所示，其中T4和T5为代表潮位测站，C2和C9为代表流速测站。图5给出了现状情况下工程区水域大潮过程中东流和西流流速最大时刻流场图。

图3潮位验证曲线Fig.3Verification of tidal level during spring tide

图4流速流向验证曲线Fig.4Verification of flow velocity and direction during spring tide

模拟的代表潮型过程中各测站的潮位、流速和流向随时间的连续变化过程与实测数据基本吻合，符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的要求，建立的数学模型是可靠的。琼州海峡是北部湾与南海北部水体交换的潮汐通道，该海峡受两端潮波的影响，潮波传播情况相当复杂。从图4～图5中可以看出，大潮过程中21：00～7：00的落潮时段存在东流和西流两种流态。16：00～21：00和7：00～12：00的涨潮时段分别为东流和西流两种流态。潮流流向在一个潮周期内多次转向，潮流有涨潮东流和西流、落潮东流和西流4种流态。

从图5中可以看出，湾外靠近琼州海峡中部水域的潮流速明显大于湾内的近岸水域，海湾东南角靠近铺前港水域的潮流速最小；并且东向流明显大于西向流。

2 模拟结果

2.1 计算条件

设计人工岛南、北侧各设置4座水闸，每个闸室闸孔总净宽均为20 m，闸底高程-1.5 m。岛内水系相互贯通，内湖初始蓄水位为1.8 m，控制内湖最低水位1.2 m。闸门布置见图6。外海落潮时段排水，涨潮时段引水。为了避免落潮时段排出的旧水在涨潮时重新被带回内湖反复污染，设计北侧闸门只引水，南侧闸门只排水，在引排水过程中形成单向流态，这种引排水闸门布局的优点在海花岛工程中也比较明显。落潮时段，当外海水位降至1.8 m时，同时开启南侧4座闸门，外海水位随落潮逐渐下降，人工岛内、外水体会形成水位差，在水位差作用下，内湖水体流向外海，岛内水位会随外海潮位的降低而降低，水位降低过程中，会形成一个随时间变化的水位差，当内海水位降低至1.2 m时，同时关闭南侧4座闸门。涨潮时段，当外海水位涨至1.2 m时，同时开启北侧4座闸门，外海水位随涨潮逐渐上升，人工岛内、外水体会形成水位差，在水位差作用下，外海水体流向内湖，岛内水位会随外海潮位的升高而升高，水位升高过程中，内外会形成一个随时间变化的水位差，当内海水位升高至1.8 m时，同时关闭北侧4座闸门。计算中通过判断内湖水位，来确定引排水条件，根据内湖水位所满足的条件，通过给定亚网格尺度结构物控制参数控制闸门的开启和关闭。

2.2 计算结果

图5工程区水域流场图Fig.5Tidal current field in project area at flood and ebb strength

图7闸门流场图Fig.7Current field of sluice

图7给出了引排水过程中闸门位置的流场图。可以看出，采用亚网格尺度结构物“gate”可以有效的模拟节制闸门的开关。涨潮过程中，开启1#～4#闸门引水，由于闸门位置主要分布在人工岛围堤南北侧，与工程区海域潮流走向近乎垂直因此闸门位置流速变化主要受内外水位差变化影响，当内外水位差增大时，流速会相应增加，流速增加后内湖水位上升速度加快，从而会减小内外水位差，流速也会相应减小，由此可见闸室内流速变化是一个动态平衡过程，本算例该过程中4个闸门最大水深平均流速分别为1.12 m/s，1.19 m/s，1.01 m/s和1.24 m/s。需要说明，该流速值为闸室内多个特征点同步流速的平均值，由于本算例闸门流速最大的涨潮时段，外海潮流流向西，因此1#闸门位于背流区，外海流动力较弱，另外由于岛头的挑流作用，4#闸门附近外海流动力也较弱，因此1#和4#闸室内的流速分布较为均匀，2#和3#闸门附近外海流动力较强，并且流向与闸室内流向近乎垂直，导致2#和3#闸室内的流速分布较不均匀。

落潮过程中，开启5#～8#闸门排水，与涨潮过程相似，闸室内流速变化是一个动态平衡过程。本算例该过程中4个闸门最大水深平均流速分别为0.74 m/s，1.00 m/s，0.69 m/s和0.45 m/s。

图8给出了水交换期间，岛内水系的流态图。从图8中可以看出：涨潮过程，在内、外水位差作用下，外海水体通过1#闸门流进西湖，西湖水系形成至西向东为主的流态；从西湖流出的水体在中湖北侧分成三股，南侧两股沿水系继续向东流动，最后汇入链接中湖南侧“大圆湖”的主水道，北侧一股与2#闸门汇入中湖北侧水系的水流相遇，流动受阻，减弱了中湖北侧水系水道1的过流能力；另外，由于水系边界作用，在2#闸门附近形成强旋转流，使得从2#闸门流进的水体主要流向西侧分支，流向东侧分支水道的水流较弱；从1#和2#闸门流入的水体最后均通过连接“大圆湖”主水道流入“大圆湖”；3#闸门流进的水体沿水系向西流动，最后汇入连接“大圆湖”主水道；通过4#闸门流进的水体进入东湖后沿水系向西流动进入中湖；对于部分景观水系末端，流态较弱，水体交换运动较差。落潮过程，西湖流态较弱，水体通过5#闸门流向外海；中湖内整体呈自东向西的流动，水体从6#和7#闸门流向外海；东湖流态较弱水体通过8#闸门流向外海。

除去部分航道和景观水系末端交换率较低外，内湖水域交换率基本达到90%以上的时间是27 d。

考虑到“大圆湖”水系为主要景观水系，该水系对水质的要求最高。在引水和排水过程中，不希望其他水系水体流入“大圆湖”水系，尤其中湖北侧水系，该水域水质较差。因此需要优化内湖水系的水动力条件。

图8内湖流态示意图Fig.8Current field of inner lake

图9优化后的闸门布置图Fig.9Sketch of optimal regulating gates arrangement

图10内湖流态示意图Fig.10Current field of inner lake

根据设计方案计算结果可知，2#闸门附近会形成较强旋转流，首先考虑将2#闸门附近水系边界做局部调整，以期减小或者消除旋转流态。其次开1#闸门引水势必造成部分内湖水域至西向东为主流态，会使得水质较差的中湖北侧水系水体流入“大圆湖”水系。然而能否考虑1#闸门排水呢？由于受琼州海峡潮动力控制作用，铺前湾内潮流动力情况较为复杂潮流基本为往复流，海湾水域的涨潮流向呈偏东流和偏西流两种流态，落潮流向也呈偏东流和偏西流两种流态，因此如果开1#闸门排水，当外海东流时，受岛体西端的阻挡，岛体西侧局部水域水体发生壅高会使得1#闸门附近外海局部水域水位高于内湖，同时在外海东流作用下，水体可能通过1#闸门从外海流向内湖，1#闸门将失去排水作用。如果去掉1#闸门能否解决问题呢？西侧水系如果只靠5#闸门排水会使得5#闸门以西部分的西湖水系水体交换较差，因此可以考虑去掉1#闸门后，将5#闸门向西侧移动。优化后闸门布置见图9。

图10给出了人工岛引水或排水闸门开启时，岛内水系的流态分布图。从图10中可以看出，2#闸门附近的旋转流明显减小；无论是引水还是排水时段，中湖北侧水系水体流向均主要为自东向西，有助于保证圆形内湖水域的水质。

该工况涨潮过程中2#～4#闸门最大水深平均流速分别为1.59 m/s，1.29 m/s和1.37 m/s。北侧减少一个引水闸门，相对原设计方案进水净宽有所减少（原设计方案引水净宽为优化后方案的1.33倍），增大内外水位差，使得闸室内流速有所提高。优化后方案2#～4#引水闸门流速分别为原设计方案的1.34，1.28和1.1倍，优化后方案3个引水闸门的平均流速为1.42 m/s为原设计方案4个引水闸门平均流速的1.24倍。去掉1#闸门使得东侧引水净宽减少，因此越靠近东侧，闸门流速增加越明显。

该工况落潮过程中5#～8#闸门最大水深平均流速分别为0.86 m/s，0.94 m/s，0.64 m/s和0.44 m/s。优化后方案5#～8#排水闸门流速分别为原设计方案的1.16，0.94，0.93和0.98倍。5#闸门优化后靠近西侧，水位变化较慢使得流速有所增加，其余3个排水闸门位置不变，流速变化相对较小。

除去部分航道和景观水域末端交换率较低外，内湖水域交换率基本达到90%以上的时间是30 d。减少一个闸门，节约投资成本的同时避免了水质较差的中湖北侧水系水体流入“大圆湖”水系的问题，水交换周期仅增加3 d。由此可见该次方案优化比较成功。另外，流速增大对闸门的设计要求有所提高。

3 结论

本文采用Mike21软件包中的水动力和保守物质对流-扩散模块建立数值模型，该模型中采用亚网格尺度结构物模拟节制闸门，对于较复杂水系采用三角形网格局部加密。使用所建立数值模型开展了带节制水闸作用下的人工岛内湖水动力和水体交换模拟，主要得到以下结论：

（1）所建立的数值模型有效模拟了涨、落潮过程中节制闸门开启和关闭状态下人工岛内湖的水动力和水交换特征。

（2）外海水动力条件较为复杂，原设计方案不能较好满足人工岛使用功能，如2#闸门附近形成强旋转流影响引水效率；水质较差的中湖北侧水系水体流入“大圆湖”水系等。

（3）根据设计方案的计算结果，结合理论分析，通过调整闸门个数、位置以及局部内湖水系边界，有效减小了2#闸门附近旋转流，节约了成本，避免了水质较差的中湖北侧水系水体流入“大圆湖”水系的问题，为内湖景观水系设计和节制水闸设计提供了科学依据。

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山东新万福河航道复航工程开工建设

本刊从山东省交通运输厅获悉，2015年12月23日，山东省新万福河航道复航工程正式进入建设阶段。该项目起点为新万福河关桥闸下400 m，终点为新万福河河口，工程全长61.3 km。航道建设等级为三级航道，工程总投资21.238 4亿元，工期为三年。（殷缶，梅深）

京杭运河浙江段三级航道整治工程（湖州段）获交通运输部初步设计批复

本刊从浙江省交通运输厅获悉，2015年12月28日，京杭运河浙江段三级航道整治工程（湖州段）顺利获得交通运输部初步设计批复。该工程起自湖州与嘉兴交界处东瑶西村，终于德清与余杭交界的武林头，总长度约52.1 km，概算总投资17.86亿元，预计于2019年6月建设完成。（殷缶，梅深）

交通运输部印发《关于推进长江航运科学发展的若干意见》

本刊从交通运输部获悉，交通运输部不久前印发了《关于推进长江航运科学发展的若干意见》，从提升航道通过能力、推进港口转型升级、加快调整航运结构、加强航运安全管理、形成绿色发展方式、完善管理体制机制、以及形成航运发展合理等七个方面，部署了“十三五”乃至更长一个时期推进长江航运科学发展的主要工作，提出建成平安、畅通、高效、绿色的现代长江航运体系，有力支撑长江经济带发展。（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

国家自然科学基金项目（51509120）；国家自然科学基金项目（41306034）

崔成（1984-），男，辽宁省海城市人，助理研究员，主要从事波浪、潮流及其与结构物相互作用研究工作。Biography：CUI Cheng（1984-），male，assistant professor.