李思远,王义刚,黄惠明,陈大可

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

风对悬浮泥沙扩散特性影响数模研究

李思远,王义刚,黄惠明,陈大可

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

为探讨风对海岸工程产生悬浮泥沙的扩散特性影响，通过苍南海域海上倾倒试验实测资料验证了河口海岸地区平面二维潮流泥沙数学模型的计算参数。然后在模型中考虑风的作用，比较不同风向和风速作用下的悬浮泥沙扩散特性。研究结果表明：风会对悬浮泥沙的运动轨迹、扩散速度和扩散范围产生较大影响，且风向和风速是十分重要的影响因素。

风;悬浮泥沙;扩散;潮流泥沙模型

在海岸工程中开挖航道、疏浚抛泥，吹填造陆、铺设水下管道或电缆等都会涉及悬浮泥沙在海水环境中的扩散问题，在工程建设前必须按照海洋环境评价中的要求［1］对工程引起的悬浮物扩散对水环境影响进行数值预测，提供悬浮物浓度大于150 mg/L、50 mg/L和10 mg/L三种标准的影响范围，特别是一类海水水质要求人为悬浮物质增加量≤10 mg/L。而当工程周围有环境敏感目标时，因为工程产生的悬浮泥沙扩散而引起纠纷的案例并不少见，如烟台港芝罘湾港区北港池公用航道、威海市乳山商港航道疏浚吹填、日照港木片码头等海岸工程，争论的焦点大多集中在工程引起悬浮泥沙的预测扩散情况与实际有较大差异，但目前的情况是悬浮物扩散数学模型建立后所取的数值计算参数是否合理，在缺乏现场试验资料验证的情况下，很难判断。悬浮泥沙是否会受到风的作用而对环境敏感目标产生不利影响，也缺少研究。

本文对何东海［2］等在苍南海域所做海上倾倒试验进行了计算复演，根据海上倾倒试验实测数据验证了在苍南海域计算悬浮物扩散采用的参数。然后在计算模型中考虑风切应力［3］，比较无风、风向与水流基本垂直的横风以及与风向与水流流向基本一致的顺风3种情况，并分别在横风和顺风风况下设置3种风速，分析了风对悬浮泥沙扩散特性的影响。研究成果对在环境敏感目标附近开展倾倒、吹填溢流、疏浚、铺设水下管道或电缆等会引起悬浮泥沙的海岸工程有重要意义。

1 海上倾倒试验概况

1.1试验方法［2］

抛泥试验在落潮时进行，倾倒500 t疏浚物，倾倒历时约为20 s，倾倒方式为瞬时底开门，同时投放铁粉红辅助观测。观测船在疏浚物倾倒后跟踪倾倒物“云团”运移路径，航速为3～4节，为避免船只螺旋桨转动扰动水体，在到达云团中心之前20～50 m，关闭引擎，利用惯性驶进云团中心，定点观测船位置。

1.2试验海域自然环境

苍南位于浙江省东南隅，东临东海，海域面积3.72万km2，海岸线长155 km，沿海以龙江港为中心港，巴艚、炎亭、石砰、大渔、中墩、渔寮、霞关等为辅助港。属于非正规半日浅海潮流，海流均以往复流为主并伴有旋转性的混合流态，抛泥海域涨潮流方向为西北、落潮流方向为东南，潮流是泥沙运动搬运的主要动力［4］。

2 数学模型的建立

本文选用mike 21软件建立平面二维水流泥沙模型。

2.1控制方程

连续方程

动量方程（考虑风作用项）

式中：t为时间；x，y分别为原点置于计算基面的直角坐标系坐标；h为总水深；η为计算基面以上的起伏；f为科式参量；g为重力加速度；uˉ,vˉ为垂向平均流速x，y方向分量；τbx,τby为底床切应力x，y方向分量；τwx,τwy为风切应力x，y方向分量；ρ0为水密度，取1 025 kg/m3；，ε为水流紊动粘性系数。

底床切应力计算公式

风切应力计算公式

悬沙输运方程

式中：S为水体垂线平均含沙量；εx、εy分别为x、y方向的悬沙紊动扩散系数；FSC为源函数；FS为泥沙冲淤函数。

2.2初始条件与边界条件

模型实行冷启动，潮流模块初始水位取当地平均海平面。开边界采用全球潮波模型预报的潮位控制，固边界条件为法向流速为0。泥沙模块初始含沙量和开边界含沙量采用计算区域平均含沙量，固边界条件为法向泥沙通量为0。在飞云江和鳌江2个河口开边界上采用潮位控制，潮位由中国海潮波模型预报给出。由于河口距离抛泥点较远，且两河流平均径流量较小，故未考虑上游的径流影响，且在开边界上采用了流速梯度为0的处理方法。

2.3计算范围及网格划分

模型的计算范围西起海岸线，东至121°40′N；北起27°51′N，南至26°40′N，模型计算面积约7 200 km2。结合海上倾倒试验结果，为保证倾倒产生悬浮泥沙的扩散范围在模型计算区域内，模型开边界据倾倒点的距离均超过25 km。计算区域采用无结构三角形网格，为保证计算精度，将抛泥区网格加密至30 m（图1）。

2.4模型主要参数

图1模型计算网格Fig.1 Calculation field and grid

模型计算时间步长为30 s；潮流模块中底床糙率据地形取0.012～0.030；水平涡粘系数ε根据Smagorinsky公式[5]计算。泥沙模块中泥沙冲淤函数采用底部切应力法[6]；根据相关规范[7]，悬沙紊动扩散系数和水流紊动粘性系数取值相同。工程区域悬沙平均中值粒径约0.008 mm，倾倒的疏浚物中值粒径约0.013 mm，根据目前研究成果［8-12］，需考虑细颗粒泥沙絮凝沉降，絮凝沉速大多通过计算与试验确定。由于疏浚物倾倒时水中含沙量较大，模型中絮凝沉速受高含沙量影响，取0.001 m/s时较合理，且模拟计算现场实际情况较好。

2.5模型潮位、流速、流向、含沙量验证

模型验证资料采用2013年7月～8月的同步潮位、潮流、含沙量等实测资料，包括3个验潮站和9个潮流水文测站。模型计算时段为一个完整的大潮过程——7月24日（阴历初一）16时～7月25日20时。计算模型的潮位、流速、流向及含沙量验证均符合相关规范[6]中的精度要求。

2.6疏浚物抛泥扩散模拟计算与验证

2.6.1抛泥方案及源强

抛泥过程停止后，倾倒船底部倾卸入海的疏浚泥，一部分立即沉入海底形成浮泥，另一部分则扬起成为悬沙。浮泥在重力和海洋动力作用下，沿海底流动，悬沙在水中随海流运动扩散运移，同时发生絮凝沉降。当风浪足以掀起浮泥时，浮泥被搅起形成悬沙，风平浪静，悬沙落淤再形成浮泥[13]。对一般工程而言，抛泥源强往往只考虑成为悬沙的部分，通过类比已有工程的实测值或试验值，结合具体工程的实际情况进行分析估算。根据倾倒试验，每条船的抛泥源强

式中：G为每船倾倒的疏浚土量，取500 t；P为抛泥产生的悬沙比例，取8%；T为倾倒时间，取20 s。经计算FSC=2 t/s。

2.6.2运动轨迹验证及风场模拟

模型中考虑无风、横风、顺风3种情况，每种风向下分别考虑3 m/s、7 m/s、10 m/s3种风速，在A、B两个倾倒点的抛泥过程中各设置7种工况（表1）。根据Wu Jin[14]的研究，风拖曳系数取0.002。

2.6.3疏浚物倾倒产生悬浮泥沙运动轨迹验证与分析

疏浚物倾倒产生悬浮泥沙的计算运动轨迹与实测运动轨迹见图2。根据海上倾倒试验实测结果，在大潮落潮时倾倒后120 min，各层次悬浮物的平均粒径和中值粒径基本恢复到倾倒前水平，疏浚物倾倒引起的悬浮泥沙运动距离在顺流方向3 km左右。模型计算显示：A、B两点抛泥后形成的悬浮泥沙顺着落潮流运动，120 min内运动轨迹与海上倾倒试验实测轨迹较为接近。

A点：无风情况下（工况1），海上倾倒形成的悬浮泥沙顺着落潮流运动；横风作用下，随着风速的增加，悬浮泥沙运动轨迹与无风时运动轨迹的偏移距离也显著加大：工况2偏离0.6 km，工况3偏离1 km，而工况4的偏移距离接近1.6 km；顺风作用下，随着风速的增加，轨迹偏移距离也逐步增加，工况5的偏移距离0.2 km，工况6偏离0.5 km，而工况7的偏移距离为0.9 km。B点：无风情况下（工况8），海上倾倒形成的悬浮泥沙顺着落潮流运动；横风作用下，工况9的运动轨迹与无风时偏离距离为0.3 km，工况10偏离0.7 km，而工况11的偏移距离接近1.3 km；顺风作用下，工况12偏移距离为0.1 km，工况13为0.3 km，工况14的偏移距离为0.6 km，风作用下悬浮泥沙运动轨迹的偏移规律与A点相同。

可见，风场会对海上倾倒产生悬浮泥沙的运动轨迹产生较大影响。与无风时相比，一定风速下，横风作用下偏离距离相对较大；顺风作用下的偏离距离相对较小。横风作用下，随着风速增加，偏移距离显著增大；顺风作用下，随着风速增加，偏移距离增加值相对较小。

表1模型计算工况Tab.1Various condition on calculation

3 风对抛泥产生悬浮泥沙的扩散范围与持续时间影响

根据环境评价标准，一类海水水质要求人为造成悬浮物质的增加量不超过10 mg/L，所以对抛泥后含沙量增量超过10 mg/L的区域面积进行统计和分析。

海上倾倒形成的悬浮泥沙会迅速扩散，不同工况下抛泥后悬沙增量浓度影响范围变化过程见图3，悬沙增量浓度包络面积见表2。从图3中可以看出：在A、B两个倾倒点抛泥后，抛泥海域悬沙增量浓度≥10 mg/L的水域面积在90～120 min内减至0，即海上倾倒产生的悬浮泥沙对水质的影响会在短时间消失，这与海上倾倒试验的试验结果一致。

A点：7种工况下，悬沙增量浓度≥10 mg/L的水域面积在抛泥后45～60 min时达到峰值，峰值在0.05～0.07 km2，随后快速减少，在120 min左右减小为0；横风作用下的最大扩散面积和持续时间明显大于无风时，随着横风风速的增加，最大扩散面积和持续时间显著增加；顺风作用下扩散特性和无风时相差不大，而最大扩散面积和持续时间几乎不随风速的增加而变化。无风时，悬沙浓度≥10 mg/L的包络面积为0.34 km2；与无风时相比，横风作用下，包络面积较无风时明显增大，且随着横风风速增加显著扩大，工况2、3、4分别增大2%、27%、59%；顺风作用下，包络面积也较无风时有所扩大，随着顺风风速增大而略有增加，工况5、6、7分别增大1%、7%、20%，增加量明显小于横风作用时。B点：7种工况下，悬沙增量浓度≥10 mg/L的区域面积在抛泥后30～45 min时达到峰值，峰值在0.04～0.06 km2，随后快速减少，在90 min左右减小为0，因为B点更靠近外海，流速较大，扩散速度也快于A点。无风时，悬沙浓度≥10 mg/L的包络面积为0.31 km2；与无风相比，横风作用下，工况9、10、11分别增大3%、19%、43%；顺风作用下，工况12、13、14相比无风时增大1%、4%、16%。风场对悬浮泥沙包络面积的影响规律与A点一致。

可以看出，风向和风速均会对抛泥产生悬浮泥沙的扩散速度和扩散范围产生影响。一定风速下，横风作用下悬浮泥沙扩散范围和持续时间显著大于无风时和顺风作用时。与无风时相比，横风作用下，随着风速增加，影响程度明显加大；顺风作用下，风速增加时，扩散速度和影响范围变化相对较小。

图2海上倾倒产生悬浮泥沙的运动轨迹验证Fig.2Verification results of suspended sediment track caused by dredged materials注：工况12与工况8较为接近，故不标注。

图3倾倒后悬沙增量浓度扩散范围变化（≥10 mg/L）Fig.3Area distribution variation of increased suspended sediment after dumping

表2倾倒后悬沙增量浓度的包络面积（≥10 mg/L）Tab.2Envelope area of increased suspended sediment after dumping

4 结语

通过在二维潮流泥沙数学模型的动量方程中引入风切应力，较好地模拟了风作用下悬浮泥沙的扩散情况，计算分析了风对悬浮泥沙的运动轨迹、扩散速度、扩散范围三方面的影响，研究表明风会对抛泥产生悬浮泥沙的运动轨迹、扩散速度、扩散范围产生较大影响。

（1）风对悬浮泥沙的运动轨迹影响：与无风时相比，一定风速时，横风作用下偏离距离相对较大；顺风作用下的偏离距离相对较小。横风作用下，随着风速增加，偏移距离显著增大；顺风作用下，随着风速增加，偏移距离增加值相对较小。（2）风对悬浮泥沙的扩散速度和扩散面积影响：与无风时相比，一定风速时，横风作用下悬浮泥沙扩散面积和持续时间显著增大；顺风作用下的变化量相对较小。横风作用下，随着风速增加，影响程度明显加大；顺风作用下，风速增加时，扩散面积和持续时间变化量也相对较小。（3）综上所述，悬浮泥沙在风作用下的可能影响区域范围远大于无风时，所以在重要的环境敏感目标附近开展倾倒、吹填、溢流、疏浚、铺设水下管道或电缆等会引起悬浮泥沙的海岸工程时，在海洋环境影响评价中进行悬浮泥沙扩散预测时必须考虑施工期不利风向和不利风速的影响。

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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

李思远(1988-)，男，浙江省桐乡人，硕士研究生，主要从事河口海岸动力及泥沙研究。

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