基于现场实验结果对倾倒泥沙扩散数值模型参数率定研究

郭玉臣，石志洲，王庆业，夏永健，高炜，宋微，吴毓儒（1.国家海洋局宁德海洋环境监测中心站，福建　宁德　352100；2.海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室，上海　200080）



基于现场实验结果对倾倒泥沙扩散数值模型参数率定研究

郭玉臣1，2，石志洲1，2，王庆业1，2，夏永健1，2，高炜1，2，宋微1，2，吴毓儒1，2
（1.国家海洋局宁德海洋环境监测中心站，福建宁德352100；2.海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室，上海200080）

摘要：倾倒区倾倒过程泥沙输运扩散数值模型理论较为成熟，但模型的一些相关参数给定范围较大，且一般由实验室静水或河口淡水实验获取，用于海洋倾倒区的泥沙模型有一定的局限性，使得模型预测结果波动范围也很大，具有较强的不确定性，模型参数亟需物理实验数据的率定和验证。2011-2014年在沙埕港临时性海洋倾倒区开展了3次倾倒物海洋倾倒实验，对现场实验结果数据分析论证后，建立倾倒过程二维泥沙输运扩散数值模型，用实验数据对模型中一些主要参数进行计算和率定。计算率定结果表明：沙埕港倾倒区倾倒过程初期疏浚泥絮团沉降速度可达3.0 cm/s，细沙颗粒充分混合后沉降速度减小，一般小于0.5 mm/s；悬沙紊动扩散系数Dx、Dy取45 m2/s时计算悬浮物浓度增量曲线与实测结果吻合效果最佳，建议调试值域为30～50 m2/s。模型参数率定后计算结果的客观性和准确性进一步提高，可为海洋倾倒区选划泥沙扩散模型参数的选取提供一定参考。

关键词：海洋倾倒区；倾倒实验；数值模型

Keywords：marine dumping site；dumping experiment；numerical model

海洋倾倒处理疏浚物过程中，疏浚物的运动通常概化为沉降、扩散和输运3个主要过程，许多学者针对疏浚泥沙运动过程的不同阶段开展了大量的研究。Koh等（1973）、王锡侯等（1989）、韩康等（1990）、程伟平等（2006）分别采用实验室水槽实验和数值模型方法，重点对疏浚物沉降过程进行分析和模拟研究；Cole等（1983）、徐宏明（2000）、陈祖华等（2003）、吴修广等（2008）、孙毛明等（2009）、李佳等（2011）、张世民等（2014）主要采用数值模型计算的方法，研究了倾倒后疏浚物水平运动和浓度分布情况，并将模型应用于河口、近岸海域及外海等不同水域的倾倒区进行模拟预测，其研究则侧重于倾倒后的扩散和输移过程。

疏浚物倾倒后运动情况的研究除水槽实验和数值模拟两种手段以外，海上现场倾倒实验方法应该更为客观和准确。目前，疏浚物倾倒试验观测方法主要有3类：船舶直接采样分析法、声学或光电拖曳仪器测量法和放射性示踪法。受仪器设备和海上作业难度大等条件影响，关于海洋疏浚物倾倒实验的研究仍然较少。Proni等（1975）利用声学测控系统进行了海洋倾废悬浮物的研究。张玉芬等（1992）在黄白咀预选疏浚物倾倒区进行了3次疏浚物倾倒声学追踪试验。张效龙等（2011）采用示踪沙方法研究长江口抛泥区泥沙运移趋势。何东海等（2013）在苍南海域开展了疏浚物倾倒试验，直接采取水样来观测悬浮泥沙扩散浓度。

本研究采用船舶直接采样分析法，在福建北部沙埕港临时性海洋倾倒区于2011-2014年共开展3次倾倒实验，对现场实验观测数据进行分析后，建立海洋倾倒泥沙扩散数学模型进行数值模拟试验，对模型中主要参数进行计算和率定，提高了海洋倾倒泥沙扩散数学模型对悬浮物扩散规律和包络范围预测的准确性和客观性。

1　海洋倾倒现场实验

1.1实验概述

倾倒实验共开展3次，时间分别为2011年6月、2012年5月和2014年10月。实验海域在福建沙埕港临时性海洋倾倒区（见图1），倾倒区位于东海南部近岸海域，沙埕港东南约20 km处，海底地形变化平缓，水深约为25 m。据海流监测分析结果，附近海域为规则半日潮流，潮流运动形式为旋转流，垂线平均潮流流速一般在30～40 cm/s。

实验倾倒点设在临时性海洋倾倒区中心位置，实验选在低平潮后涨潮过程抛泥，然后进行跟踪监测。工程淤泥疏浚中采用的是抓斗式挖泥，疏浚泥倾倒方式为开底式泥驳船抛放，单船倾倒量约为600 m3。

图1　倾倒区及周边海域位置示意图

1.2实验方法

倾倒实验中对倾倒形成的悬浮泥沙采用船舶直接采样分析法。在倾倒区中心点布设两条调查船，其中一条抛锚固定于倾倒区中心附近位置，在倾倒船投放后进行定点采样、观测；另一条调查船则跟踪海面漂浮标识物进行悬浮物的扩散与沉降的动态观测。

固定调查船观测历时2个小时。监测内容为悬浮物、海流、风向、风速同步观测，监测频率先紧后松，在倾倒后第1个半小时内每5 min 1次，第2个半小时内观测频率变为10 min 1次，第2个小时及之后为20 min 1次。悬浮物采样及海流观测按表、中、底3层采样，其中，表层距海面0.2H，中层取现场水深0.6H，底层离底0.8H，H为测点水深。

动态调查船主要对疏浚泥扩散团进行跟踪采样，在疏浚泥倾倒后，沿现场潮流跟踪悬浮泥团采集水样，并同步进行DGPS定位，定位精度为1 m；采样频次与定点调查船同步，采样方法与定点船一致。

1.3水样采集与处理

水体悬浮物浓度使用颠倒采水器采水样1000mL，悬浮物浓度自下而上分层采样，抽滤时用蒸馏水洗三次，水样用0.45 μm微孔滤膜抽滤后烘干测定。量积误差不超过千分之五，称量用万分之一电子天平。

1.4现场实验结果分析

沙埕港临时性海洋倾倒区3次现场倾倒试验定点调查船和跟踪调查船监测结果分别见图2-图4。

图2　2011年倾倒区中心HQ07站悬浮物浓度随时间变化图

图3　2012年倾倒区中心HQ07站悬浮物浓度随时间变化图

图4　2014年倾倒区中心HQ07站悬浮物浓度随时间变化图

从定点观测数据来看，实验开始第1组采样数据为未倾倒时悬浮物浓度，与实验前在附近海域取样调查的悬浮物浓度比较一致，倾倒完成后的10min内测点海水悬浮物浓度逐渐增大，0.8H层浓度增大最为明显，其中2011年实验过程中0.8H层浓度最大值为157.7 mg/L，较本底值增量为69.6 mg/L，0.2H层和0.6H层浓度变化相对较小。10 min后各层悬浮物浓度均迅速降低，在20 min后测点悬浮物浓度基本接近本底值状态。

从跟踪观测数据来看，2011年倾倒实验的跟踪船舶追踪路径为N'向，2012年和2014年两次实验中追踪路径均为WSW向，3次实验追踪路径见图5。倾倒后的20 min内，采样海水悬浮物浓度均未出现明显的特征性变化，20 min后0.6H层和0.8H层海水悬浮物浓度有一个波动增大过程，0.2H层浓度变化不明显。

图5　倾倒试验跟踪观测船路径图

对比分析3次实验过程和结果见表1，可以看出：2011年沙埕港临时倾倒区倾倒试验采样本底悬浮物浓度最大，各站垂线平均浓度均值为57.0 mg/L，2014年实验过程中本底采样浓度最小。倾倒点附近定点采样最大浓度出现在2011年实验过程的0.8H层，最大浓度增量值为69.6 mg/L，另外两次实验最大浓度增量分别为39.8 mg/L和44.8 mg/L。根据倾倒过程潮流分析，倾倒泥沙应随潮流向W'向输运扩散，2012年和2014年两次实验最总路径相对合理为WSW向，而2011年跟踪路径为N'向，与潮流方向并不吻合，分析原因可能是表层漂浮标识物受到风的影响发生偏移。

表1　三次实验监测结果数据表

1.5实验结果合理性分析

叶慧明等（2008）对洋山临时海洋倾倒区疏浚物倾倒悬浮物动态跟踪监测结果显示，倾倒引起的悬浮物增量范围为37.5～126.5 mg/L，倾倒1 h后各观测站点的悬浮物增量效应已明显减弱。本研究3次实验定点观测悬浮物浓度增量变化规律具有较好的重现性，测值较其他研究成果来看基本合理。

2　泥沙扩散数值模型建立

2.1二维泥沙输移扩散模型

2.1.1基本方程

述二维悬沙输移扩散采用以下方程：

式中：s为悬浮物浓度（kg/ m3）；u、v分别为x、y向的水流速度（m/ s）；Dx、Dy分别为x、y向的泥沙紊动扩散系数（m2/s）；H为总水深（m）；Fs为源汇函数（kg/m2·s），采用挟沙力法其表达式为：

当模拟抛泥时，源汇函数可表示为如下形式：

式（2）、（3）中：α为泥沙沉降机率，ω为泥沙沉降速度（m/s），s*为挟沙力（kg/m3），Fs′为抛泥源函数（kg/m2·s）。

2.1.2边界条件和初始条件

泥沙固边界法向泥沙通量为0：

泥沙水边界悬沙按入流和出流情况分别控制，入流时：

出流时：

式中：Γ为水边界，s*为已知悬浮物浓度（kg/m3），un为法向流速（m/s）。

初始条件由下式确定：

模型泥沙初始条件采用零初始条件，即悬浮物浓度初始为0，计算悬浮物浓度增量。

2.1.3方程离散求解

泥沙输运扩散模型采用均匀正交网格上的有限差分ADI法进行离散，并用追赶法对离散方程求解，网格步长为50 m，网格点u，v及ζ由潮流动力模拟结果插值获取。

2.2模型参数选取和率定

模型计算过程中，根据不同参数特点其确定方法也不相同，泥沙干容重、沉降速度等参数依据实验数据进行相关计算确定；疏浚泥悬移质比例、沉降几率等参数相关文献结论较为明确，取值相对容易确定，故参考相关文献经验取值；泥沙紊动扩散系数相关规范给定值域较大，相关研究也很少给出明确结论，故采用数值试验进行率定，模型主要参数及其确定方法见表2。

图2　倾倒过程二维泥沙扩散数值模型主要参数

2.2.1模型源强

抛泥进入水体后，大部分将以比单颗粒泥沙沉速大得多的速率沉入海底，形成悬移质参与输运扩散的比例一般只有5%～10%。单次抛泥源强计算按如下公式：

式中：sc为抛泥源强（kg/s）；Q为单次抛泥量（m3）；T为倾倒时间（s）；P为疏浚泥产生的悬移质比例（%）；γ0为泥沙干容重（kg/m3）；s0为单位源强（kg/ m3·s）；Ai为网格点代表的面积（m2）；Hi为网格点水深（m）。

本研究中参考已有研究成果和实验监测数据确定，悬疑质比例P取8%，倾倒时间T取5 min，泥沙干容重γ0取1 300 kg/m3。

2.2.2悬沙紊动扩散系数

海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程（2010）提出悬沙紊动扩散系数可取与相应的水流紊动粘性系数相同数值，水流紊动粘性系数宜由试验确定或通过验证计算确定，可取0～100 m2/s；海洋倾倒区选划技术导则（2009）提出泥沙紊动扩散系数Dx、Dy由试验确定，或采用Elder公式：

式中：C为谢才系数，C = n-1H1/6，n为曼宁系数。利用公式计算的该海域泥沙紊动扩散系数Dx、Dy为35～78 m2/s，数值试验中利用实验数据对Dx、Dy进行调试率定，试验过程不同取值拟合曲线见图6，最终模型调试率定Dx、Dy取45 m2/s时拟合效果最佳，建议调试值域30～50 m2/s。

图6　悬沙紊动扩散系数不同取值拟合曲线

2.2.3泥沙沉降速度

泥沙沉降速度通常根据武水公式计算，本研究疏浚物样品分析结果为粘土质粉沙，粒径0.004～0.032 mm占比最大，按公式计算沉降速度变化范围很大8×10-3～0.5 mm/s。而根据现场试验监测结果显示，抛泥后海水中絮团在10 min前后即沉降到0.8H层或更深的海底，据此推算，倾倒后絮凝疏浚泥沙沉速应≥3.0 cm/s。分析原因主要是倾倒开始的一段时间内细颗粒泥沙在海水环境会发生絮凝，絮凝泥沙块沉速增大。据相关研究：受潮流动力影响絮凝泥沙沉速可达絮凝前分散泥沙沉速的10余倍，乃至100余倍（严镜海，1988）。通常未发生絮凝的悬浮泥沙沉降速度ω取值在0.3～0.5mm/s，本研究泥沙模型主要考虑悬沙输运和扩散过程，故计算调试后取泥沙沉速0.35 mm/s。

2.2.4沉降几率

沉降系数是反映悬沙运动的一个综合系数，表示悬沙沉降的几率。关于的取值目前没有定论，丁兴平（2003）在长江河口波流共同作用下的全沙数值模拟中取α=0.75，张华庆等（2002）在海河口潮流泥沙运动数值模拟及清淤积方案研究中取α= 0.5。本研究考虑疏浚泥沙在倾倒时颗粒间相互碰撞比较剧烈，并易受上层泥沙的重力影响，增大了泥沙沉降几率，故取α=0.9。

3　数值模型率定验证结果分析

3.1潮位、潮流验证

准确、合理的潮流动力数值模拟结果是泥沙输运扩散模拟的基本条件，采用2014年8月大、小潮期附近海域2个长期潮位站和4个周日连续海流测站的实测资料对模型进行了验证，结果表明：各潮位验证点潮位计算值与实测值的误差很小，相对误差均小于10%；计算潮流流速、流向曲线与实测值吻合较好，能够很好的反映各站潮流变化规律。三沙站（ss）潮位验证结果见图7，HQ07、HQ11测站潮流验证结果见图8。

图7　三沙站大潮潮位验证结果

图8　大潮HQ07、HQ11潮流验证

3.2悬浮物浓度过程曲线率定验证

基于对沙埕港临时性海洋倾倒区3次倾倒实验结果的分析，对泥沙输运扩散模型的率定和验证主要采用定点船的观测数据。

二维泥沙扩散模型计算结果给出的泥沙变化是经过垂向积分的垂线平均悬浮物浓度，实验过程监测的0.2H、0.6H、0.8H层悬浮物浓度经加权平均法计算得垂线平均悬浮物浓度后，绘制计算值与实测值比较结果见图9。其中，2014年实验数据用于泥沙模型主要参数的率定，率定对比见图9（a）；模型调试后对2011年和2012年两次实验过程进行后报验证，验证结果见图9（b、c）分析率定后数学模拟验证曲线对比结果可知，模型结果能较好的反映倾倒区抛泥后悬浮物浓度变化过程，除个别时刻量值差异较大外，曲线吻合较好，尤其在泥沙浓度时间相位拟合较为准确。

图9　3次实验定点船测点实测悬浮物浓度与计算悬浮物浓度过程对比

3.32014年倾倒试验悬沙扩散过程模拟结果分析

对模型模拟的2014年沙埕港临时海洋倾倒区倾倒实验过程进行分析：抛泥后形成的悬浮物高浓度区仅出现在抛泥点附近50 m半径范围内，且在5 min后消失，悬浮物云团随潮流向偏西方向移动，浓度降低较快；30 min后大于20 mg/L的浓度增量区已经消失，10mg/L浓度增量区域半径约为200m，区域中心位于倾倒点偏西向500 m附近；60 min后5 mg/L悬浮物增量区域也逐渐消失，后期较低浓度的云团消散速度变慢。倾倒后30 min和60 min时刻垂线平均悬浮物浓度增量等值线见图10。

图10　倾倒过程垂线平均悬浮物浓度增量等值线分布图（单位mg/L）

根据倾倒过程数值模拟计算结果，绘制各类水质标准浓度值包络范围见图11，可以看出，100mg/L（超三类水质标准）及更高浓度增量出现在倾倒点很小范围内，50 mg/L浓度增量包络范围最大直径约为80 m，10 mg/L（超一、二类水质标准）浓度增量包络范围相对较大，沿潮流方向在倾倒点西侧延伸分布，最远离倾倒点约800 m。

图11　倾倒过程悬浮物浓度增量包络范围图

4　结论与讨论

（1）沙埕港临时性海洋倾倒实验结果显示，倾倒完成后的10min内测点海水悬浮物浓度逐渐增大，0.8H层浓度增大最为明显，其中2011年实验过程中0.8H层浓度最大值为157.7 mg/L，较本底值增量为69.6 mg/L，2012年和2014年2次实验最大浓度增量分别为39.8 mg/L和44.8 mg/L。倾倒点附近海水悬浮物浓度10 min后开始迅速降低，在20 min后测点悬浮物浓度基本接近本底值状态。

（2）利用现场倾倒实验结果对倾倒泥沙扩散数值模型进行计算和率定，该海域泥沙紊动扩散系数Dx、Dy取值45m2/s时模拟计算效果最佳，建议值域为30～50 m2/s，倾倒后絮凝疏浚泥沙沉速可达3.0 cm/s以上，参与悬浮的泥沙沉降速度依据疏浚物粒径特征计算并调试后取0.35 mm/s。率定调试后数值模型对抛泥过程模拟结果更具客观性和准确性，可为倾倒区选划泥沙扩散数值模型参数选取提供一定参考价值。

（3）现场倾倒实验过程中悬浮物浓度监测方法为现场采样法，存在对实验过程数据的获取不够全面完整，无法非常客观、精确刻画反映泥沙运动扩散情况的局限性，在今后的相关研究中引进更先进仪器，实现对悬浮泥沙运动扩散场全方位动态监测，可进一步提高数值模型参数率定研究成果的可靠性和科学性。

参考文献

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（本文编辑：袁泽轶）

Parameter determination of the numerical model for dumping sediment transport based on the field experimental results

GUO Yu-chen1，2，SHI Zhi-zhou1，2，WANG Qing-ye1，2，XIA Yong-jian1，2，GAO Wei1，2，SONG Wei1，2，WU Yu-ru1，2
（1. Ningde Marine Environmental Monitoring Center，SOA，Ningde 352100，China；2. Key Laboratory of Integrated Marine Monitoring and Applied Technologies for Harmful Algal Blooms，SOA，Shanghai 200080，China）

Abstract：Sediment transport numerical model theory for ocean dumping site is relatively mature，but the range of some parameters in the model is given too wide，and some parameter values are obtained by sediment experiments in the laboratory hydrostatic or estuarine fresh water in general. Using them for the marine dumping area has some limitations，which makes the model prediction results not accurate and vary considerably，so some model parameters urgently need the determination and verification by field experiment data. We did three ocean dumping experiments at the temporary ocean dumping site of Shacheng Harbour during 2011-2014，and based on the field experiment data，we established an two-dimensional sediment transport and diffusion numerical model for the ocean dumping，using observation data of experiments to determine and calculate parameters for the model. The results show that: in the temporary ocean dumping site of Shacheng Harbour，the sedimentation rate of floccule dredged mud may be bigger than 3.0 cm/s at the beginning of the process of dumping，and the velocity of mix sand particles decreases，and generally is less than 0.5 mm/s. The calculate sediment concentration increment curve agreeswith the measured results best while the sediment turbulent diffusion coefficient DxDy values 45 m2/s，so we suggest that the Dx Dy's debugging domain should be of 30～50 m2/s. After the parameter determination，the model prediction results are more objective and accurate，which can provide some reference for the parameter determination of sediment diffusion model in selecting marine dumping sites.

中图分类号：P731.1

文献标识码：A

文章编号：1001-6932（2016）02-0170-08

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.007

收稿日期：2015-03-12；

修订日期：2015-07-02

基金项目：国家海洋局东海分局青年科技基金（201206）。

作者简介：郭玉臣（1981-），男，硕士，工程师，主要从事海洋环境预报和数值模拟研究。电子邮箱：gyc@eastsea.gov.cn。