海域环境对悬浮泥沙扩散影响的敏感性分析

陈翔，王义刚，黄惠明，王时悦，关许为（.河海大学　海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏　南京　0098；.交通运输部水运科学研究院，北京　00088；.上海勘测设计研究院，上海　0044）



海域环境对悬浮泥沙扩散影响的敏感性分析

陈翔1，王义刚1，黄惠明1，王时悦2，关许为3
（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098；2.交通运输部水运科学研究院，北京100088；3.上海勘测设计研究院，上海200434）

摘要：通过建立二维潮流和悬浮泥沙扩散输移的数学模型，模拟恒定点源下，悬浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深条件下的扩散状况，探讨悬浮泥沙扩散对影响参数的敏感性。结果表明：在研究悬浮泥沙扩散影响范围时，无本底含沙量的扩散影响范围最大；本底含沙量越大，扩散影响范围越小；本底含沙量对扩散低浓度增长区的影响大于高浓度增长区；水动力相似条件下，水深增大，悬浮泥沙扩散影响范围将减小；相对于本底含沙量，水深对悬浮泥沙扩散的影响更大。

关键词：悬浮泥沙；扩散影响；数学模型；敏感性分析；本底含沙量；水深

随着经济的发展和人口的增长，人类对海洋的开发愈加频繁；同时，对开发所引起的海洋环境问题也愈加重视。在海洋工程的环境影响评价中，悬浮泥沙扩散及扩散范围对海洋水质环境的影响是一项重要的评价指标。

目前，很多学者对工程引起的悬浮泥沙扩散进行了研究（肖千璐，2015；张世民等，2014；郭玉臣等，2014；丁琦等，2013；吴松华等，2011；Hostache et al，2014；Guo et al，2014；Courtney et al，2001），但通常在研究悬浮泥沙扩散时一般假定水是清澈的，不考虑本底含沙量，即只考虑悬浮泥沙在清水中的扩散，但本底含沙量对悬浮泥沙扩散范围究竟有何影响，实际上并不清楚。并且在实际数值计算中发现，相似水动力条件下，水深不同，悬浮泥沙扩散情况也不一样，其计算结果是否可信尚缺乏系统性的研究。针对这些问题，本文依据实测资料通过Mike21数模软件建立平面二维潮流和悬浮泥沙扩散输移的数学模型，模拟研究了在恒定点源，不同源强、不同本底含沙量和不同水深条件下的扩散情况，通过比较分析得出悬浮泥沙在不同条件下的扩散规律，并对扩散规律的机理进行了探讨。

1　数学模型

Mike21是丹麦水力学研究所开发的平面二维数学模型（许婷，2010），广泛应用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境场，可为工程应用、海岸及规划提供完备、有效的设计条件和参数，已在国内外的一些大型工程中得到广泛应用。

1.1基本方程

在笛卡尔直角坐标系下，根据Bousinesq涡粘假定和静水压假设，沿水深平均的二维潮流泥沙基本方程的表述如下。

（1）连续方程

各式中：x、y为直角坐标系下平面两正交方向；H为总水深，H = h +ζ，ζ为潮位；h为静水深；t为时间；u、v分别为x、y方向上的垂线平均流速分量；g为重力加速度；q为流量源汇项；us、vs为源汇项水流流速；f为科氏力参数，f=2ωsinφ，ω为地球自转速度，φ为纬度；εx、εy分别为水流在x、y方向上的涡动扩散系数；S为垂线平均含沙量；Dx、Dy分别为泥沙紊动扩散系数；τsx、τsy分别为风应力在x、y方向分量；τbx、τby分别为底部切应力在x、y方向分量；Fs为源汇项，Fs= Fs′+ Fs″。其中，Fs′= -αωS为沉降项，Fs″为点源项；α为泥沙沉降机率，一般取0.15～0.4；ω为泥沙沉速，考虑到细颗粒泥沙在海水环境的絮凝，一般取0.000 3～0.000 5 m/s。

1.2定界条件

（1）初始条件

由于潮流运动属摩阻流动，故对初始条件可不作严格要求，一般实行冷启动，即给定零流速和常水位。

悬沙模型中选取大潮平均含沙量作为初始条件，S（x，y）= 0.074 kg/m3。

（2）边界条件

潮流模型中，闭边界满足流体不可入条件，开边界由河海大学东中国海模型提供潮位边界。悬沙模型中闭边界满足闭边界法向悬沙浓度梯度为0，开边界采用大潮平均含沙量。

1.3模型的范围与网格

计算模型范围选用浙江嵊泗海域（图1）。

模型四边为开边界，岛屿岸线为闭边界。模型东西长约36 km，南北长约32 km。计算海域内共划分有52 832个三角形网格，26 980个网格节点，点源投放区域网格加密，网格尺度为40-600 m（图2）。模型验证资料采用2007年5月31日0点至2007年6月2日0点大潮期间的实测资料，包括两个潮位站资料（金鸡山、李柱山）和四个潮流泥沙站（V1、V2、V3、V4）资料，计算高程统一采用1985国家高程基准面，测站分布及点源投放（S1、S2、S3）位置见图3。

1.4模型验证

数学模型分别通过金鸡山和李柱山两个潮位站以及V1、V2、V3、V4四个潮流泥沙测站的实测大潮数据进行验证。潮位过程以及高、低潮位值的计算值与实测值均吻合较好，相位基本一致，对潮位的验证效果较为理想。流速流向方面，潮流速的计算值与实测值相差较小，流向的计算值与实测值亦较为一致，对潮流的验证效果亦较为理想。含沙量过程线验证虽不如潮流验证精度高，但计算值与实测值位于同一量级，总趋势比较一致。故该水动力泥沙模型基本能反映计算区域的水动力变化及含沙量场的变化。（限于篇幅，仅列出两个潮位站验证图（图4）、V1和V4测点的流速流向（图5）及含沙量验证图（图6）。）

图1　研究区域

图2　模型计算范围及网格

图3　测站分布及点源投放位置分布

图4　潮位验证

2　影响参数敏感性分析

2.1源强选择

不同工程引起的悬浮泥沙源强的类型和大小均不同，源强的类型在空间上可分为点源、线源、面源和体积源；在时间上可分为瞬时源（泥沙投放在一瞬间完成）和连续源（泥沙投放持续一段时间）。源强大小主要采用公式计算结合同类工程经验或现场监测数据进行推算。一般工程施工中涉及的泥沙源强大小基本可划分为3个等级（王时悦，2013）：

（1）0.41 kg/s（溢流或小型挖泥船作业）；

（2）2.26.23 kg/s（中型施工强度或挖泥船作业）；

（3）7.512.5 kg/s（较大型工程或挖泥船作业）。

本文研究区域悬浮泥沙平均中值粒径为0.008 2 mm，在源强类型上选择连续恒定点源，大小上选择0.8 kg/s、5 kg/s、10 kg/s3种等级的点源。

2.2方案设置

本文主要研究悬浮泥沙在不同本底含沙量和不同水深条件下的扩散规律。本底含沙量分别设置为0 mg/L和比较常见的60 mg/L、120mg/L、240 mg/L。点源投放位置分别为S1、S2和S3，见图3，3个位置经比较水动力条件相似，S1、S2和S3水深分别为3.5 m、7 m和13.8 m。实验方案设置见表1、表2。

图5　潮流速、流向验证

图6　含沙量验证

表1　同一水深，不同本底含沙量和不同源强组合方案

表2　同一本底含沙量，不同水深和不同源强组合方案

2.3本底含沙量对悬浮泥沙扩散的影响

对于各组方案下的数学模型，均选取计算区域含沙量场变化稳定后两个潮周期内悬沙的扩散输移的模拟结果，并对计算结果进行统计，取各个网格可能产生的最大悬沙浓度增量值，以4个敏感值进行分界，分别为：10 mg/L包络线（超一、二类水质标准）、50 mg/L包络线、100 mg/L包络线（超三类水质标准）、150 mg/L包络线（超四类水质标准），统计各包络面面积。方案1-12的统计结果见图7。

图7　不同本底下悬沙扩散包络面面积

由图7可知：

（1）对比悬浮泥沙在无本底含沙量和有本底含沙量下的扩散面积，可知悬浮泥沙在无本底含沙量下的扩散范围皆大于有本底含沙量下的扩散范围。

（2）由折线斜率可以得知，同一本底含沙量下，悬浮泥沙扩散稳定后，低浓度增长区域的面积大于高浓度增长区域的面积；

（3）本底含沙量增大的过程中，悬浮泥沙扩散范围不断减小，但浓度增量＞50 mg/L的包络面面积减值较小，浓度增量＞10 mg/L的包络面面积减值较大，因而本底含沙量对低浓度增长区域面积的影响大于高浓度增长区域。

分析上述现象的产生的机理，从紊动扩散理论出发：当某一物理量在某一方向上具有浓度梯度，该物理量将通过紊动作用由高浓度区向低浓度区扩散。当泥沙源强引起的悬浮泥沙与周围海域泥沙浓度梯度越大时，紊动扩散作用越强。故同一源强下，不考虑本底含沙量，浓度梯度最大，紊动扩散作用最强，扩散面积最大；本底含沙量越大，浓度梯度越小，扩散面积越小。另一方面从絮凝沉降出发：粘性细颗粒悬浮泥沙在海水中易发生絮凝，而絮凝的直接原因在于颗粒间的相互吸引碰撞。研究区域悬浮泥沙中值粒径为0.008 2 mm，受海水影响易发生絮凝，更易沉降。考虑本底含沙量时，泥沙源强引起的悬浮泥沙在扩散过程中受本底泥沙的影响，水体中的悬浮泥沙浓度大于不考虑本底含沙量，颗粒间碰撞概率增大，絮凝作用增强，更易沉降，从而导致悬浮泥沙扩散浓度增量减小。本底含沙量越大，扩散浓度增量越小。对于高浓度增长核心区域，虽然含沙量更大，絮凝作用更强，但恒定源强的存在，一定程度上补充了沉降的泥沙，故高浓度增长区域所受影响相对外围低浓度增长区域较小。

2.4水深对悬浮泥沙扩散的影响

对不同水深条件下的数模结果按上述4个敏感值进行划分统计，方案13-18的统计结果见图8。

图8　不同水深下悬浮泥沙扩散包络面面积

由图8可知，随着水深的加大，悬浮泥沙扩散范围逐渐减小，具体过程可分为两个阶段：

第一阶段：水深加大，高浓度增长（浓度增量＞50 mg/L）区域面积迅速减小，当水深从3.5 m增加到7 m时，基本只剩下低浓度增长区；

第二阶段：水深继续加大，低浓度增长（浓度增量＞10 mg/L）区域面积大幅减小，当水深从7 m增加到13.8 m时，悬浮泥沙扩散对海域环境的影响已非常小。

产生上述现象的原因可解释为：由于计算采用水深平均的二维潮流泥沙数值模型，点源投入模型网格单元后，平均扩散到该网格单元的受纳水体，水深越大，相同尺寸下网格单元受纳水体的体积越大，从而悬浮泥沙的浓度降低，扩散浓度增量也随之减小。点源在浅水区，悬沙扩散造成的水体污染既有超三、四类水质标准的重度污染区，也有超一、二类水质标准的轻度污染区。水深从3.5 m增大到7 m，悬沙浓度增量普遍减小，点源中心区高浓度削减为低浓度，超三类、四类水质标准的区域面积变得很小，外围的低浓度扩散范围也大幅减小，整个扩散范围内浓度增量基本变为小幅度增加，悬沙扩散对周围水体已经不会造成重度污染，以轻度污染为主；水深进一步增大，悬沙浓度增量被进一步削弱，扩散范围进一步减小，悬沙扩散对海域环境的影响会越来越小。

2.5悬浮泥沙扩散对本底含沙量和水深的敏感性

本底含沙量和水深对悬浮泥沙的扩散有很大的影响，本底含沙量越大，扩散影响越小，水深越大，扩散影响越小；同时，本底含沙量与水深关系密切，浅水区本底含沙量大于深水区本底含沙量，为选择合适的源强位置，尽可能降低扩散影响，需进一步比较悬浮泥沙扩散对本底含沙量和水深的敏感性。表3和表4分别反映了本底含沙量和水深增大时，悬浮泥沙扩散范围的变化幅度。

由表3可知：源强为0.8 kg/s时，本底含沙量增大一倍，悬浮泥沙扩散使海域环境受污染的面积（指浓度增量＞10 mg/L，下同）平均减小18.98%；源强为5 kg/s时，本底含沙量增大一倍，海域环境受污染面积平均减小22.22%；源强为10 kg/s时，本底含沙量增大一倍，平均减小18.62%。

由表4可知：源强为5 kg/s时，水深增大一倍，悬浮泥沙扩散使海域环境受污染的面积平均减小74.49%；源强为10 kg/s时，水深增大一倍，海域环境受污染的面积平均减小56.26%。可以看出，源强越大，水深对悬浮泥沙扩散的抑制作用也会相对减弱。

对比表3和表4可知：同一源强下，水深对悬浮泥沙扩散的影响大于本底含沙量，即悬浮泥沙扩散对水深更加敏感，高浓度增长区尤为明显。分析其原因，在连续恒定泥沙点源的输入下，点源附近将在短时间内形成高浓度含沙量区，远大于本底含沙量，即使本底含沙量成倍增长，悬沙浓度梯度仍减小缓慢，对扩散的抑制作用相对较小。而当水深增大一倍时，相同的输入条件下，源强附近水体的悬沙浓度将直接减小一半，悬沙浓度梯度也随之大幅减小，悬沙扩散作用大幅减弱。

表3　悬浮泥沙扩散对本底含沙量的敏感性

表4　悬浮泥沙扩散对水深的敏感性

3　结论

本研究采用潮流泥沙数学模型模拟恒定泥沙点源在不同源强、不同本底含沙量和不同水深条件下的扩散输移情况，得到以下结论：

（1）在研究悬浮泥沙扩散时，不考虑本底含沙量的计算结果较实际情况偏安全；

（2）本底含沙量越大，同一源强下，悬浮泥沙扩散的范围越小；本底含沙量对低浓度增长区的影响大于高浓度增长区；

（3）水动力相似条件下，水深增大，悬浮泥沙扩散影响范围减小；

（4）相对于本底含沙量，水深对悬浮泥沙扩散的影响更大。

参考文献

Courtney K H，Patricia L W，2001. A two-dimensional，time-dependent model of suspended sediment transport and bed reworking for continental shelves，Computers & Geosciences，Volume 27，Issue 6，Pages 675-690.

Guo X F，Chen C H，Tang J J，2014. Research on transport and diffusion of suspended sediment in reclamation project，Advanced Engineering and Technology-Proceedings of the 2014 Annual Congress on Advanced Engineering and Technology，CAET，465-472.

Hostache R H，Matgen C P，et al，2014. Modelling suspended-sediment propagation and related heavy metal contamination in floodplains: A parameter sensitivity analysis. Hydrology and Earth System Sciences，18，9: 3539-3551.

丁琦，谢军，2013.连云港30万吨级航道工程疏浚土抛泥扩散的数值模拟研究.水运工程，04：25-31.

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吴松华，姚炎明，周大成，等，2011.开挖过程中悬浮泥沙扩散输移的数值模拟.港工技术，02：1-4.

肖千璐，2015.防波堤抛石过程中悬浮泥沙扩散输移的数值模拟.武汉大学学报（工学版），01：1-6.

许婷，2010.MIKE21 HD计算原理及应用实例.港工技术，05：1-5.

张世民，陈德文，邓兆青，2014.东碇倾倒区疏浚泥悬沙输移和海床冲淤数值模拟.海洋通报，05：541-551.

（本文编辑：袁泽轶）

Sensitivity analysis of the influence of oceanic environment on the suspended sediment diffusion

CHEN Xiang1，WANG Yi-gang1，HUANG Hui-ming1，WANG Shi-yue2，GUAN Xu-wei3
（1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.China Waterborne Transport Research Institute，Beijing 100888，China；3. Shanghsi Investigation，Design &Research Institute，Shanghai 200434，China）

Abstract：A two -dimensional current -sediment numerical model is built to modify the transportation of suspended sediments supplied by a constant point source under the condition of different background concentration values and different water depths. The sensibility of suspended sediment diffusion to influence parameters is discussed. The results show that considering the influential scope of the suspended sediment diffusion，that of no background concentration has the greatest scope；the bigger the background concentration value is，the smaller the scope of diffusion is；the influence of background concentration on the high concentration increment is greater than that on the low concentration increment；with similar hydrodynamic condition，the deeper the water depth is，the smaller the scope of suspended sediment diffusion is；comparing to the background concentration，the water depth has more influence than the suspended sediment diffusion.

Keywords：suspended sediments；diffusion impact；numerical model；sensitive analysis；background concentration；water depth

中图分类号：P753

文献标识码：A

文章编号：1001-6932（2016）02-0194-07

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.010

收稿日期：2015-05-26；

修订日期：2015-07-20

基金项目：国家科技支撑计划（2012BAB03B01）。

作者简介：陈翔（1991-），男，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力研究，电子邮箱：541152812@qq.com。