绿华岛海底电缆敷设对海域内悬浮泥沙的影响

曾 濠，陈 维，王 彬 谕，倪 云 林

(1.浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022； 2.广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

舟山作为海岛城市，海岛供电是舟山市基础建设的重要部分[1]，对舟山市的发展起着重要作用。绿华岛及花鸟岛均位于舟山群岛北部、马鞍列岛西北隅，隶属于浙江省嵊泗县，距县城所在地嵊泗礁岛分别为14 km和24 km。绿华岛由东、西绿华两岛组成，中间通过跨海大桥连接。岛上居民主要从事渔业生产。

海底电缆管道敷设引起的高浓度悬浮泥沙对海洋环境造成的影响不可忽视[2-4]。海域悬浮泥沙浓度突然升高，会造成海水水质的下降，同时悬浮泥沙会对周围水生生物幼体造成严重伤害，主要表现为影响胚胎发育、堵塞生物的腮部造成窒息死亡等[3]。

由于海底电缆的敷设会对周围水域造成影响，短时间内造成周围海域悬沙含量的增加。因此，需要根据当地环境与地形来评估管道敷设对周围环境的影响，以及对海洋生物资源造成的损失[5-6]。在环境评估过程中也需要结合当地的潮流特点[7-8]、风况[9-10]等因素。黄兰芳等[5]曾利用二维泥沙输运模型研究管道敷设对周围海域的影响，黄海龙等[2]也利用数值模拟确定了工程施工过程中对周围环境的影响。现阶段对于泥沙输运的商业软件有MIKE 21模型[11-12]、FVCOM模型[4，13]、ROMS模型[14]等。为了能更好地拟合复杂的岸线情况，可以采用三角网格建模[15]。由于绿华岛附近岛屿数量众多，潮流结构复杂[9]，因此拟通过建立绿华岛区域的水动力模型来确定电缆敷设对周围水域的影响。

1 数学模型

采用丹麦水力学研究所(DHI)研发的MIKE 21模型，其主要模拟二维平面上水域潮流、泥沙、波浪以及环境的变化，在工程环境评估、岸线管理、水域水动力变化等方面提供可靠的参考依据。

1.1 模型区域

工程区附近海区岛屿众多，地形和潮流结构复杂，潮动力环境较强。在工程附近采用加密网格，保证模拟结果与实际情况相符。模型计算范围西起仓前，北到芦潮港，南到象山，东到东经124°，包含了杭州湾、舟山群岛海域，计算域的横向宽约为378 km，纵向长度为216 km，计算面积约为81 648 km2。对工程所在岛屿附近的网格进行加密处理，加密后网格尺度最小为10 m，能够较好地模拟项目附近的水域条件。简化其余区域，网格设置相对稀疏，网格尺度根据位置进行调整，确保模型内网格之间的平滑过渡，精确刻画模拟区域内的水文情况。绿华岛附近岛屿众多且分布零散，因此区域岛屿岸线特别曲折，为了较好地反映当地复杂的岸线情况，采用更贴合岸线的三角形网格，因此模型采用SMS构造三角形网格，模型共有22 147个节点，42 088个单元(见图1)。

图1 模型范围及网格Fig.1 Computational domain and grids

1.2 参数设置

模型糙率采用曼宁系数，为使模拟结果更符合实际情况，对曼宁系数进行率定，其数值范围为0.012～0.014，模拟的时间步长由模型自动调节，步长在0.000 1～30.000 0 s之间，柯朗数限值为0.8。模型采用动边界处理技术，模型中干点临界水深取0.005 m，湿点临界水深取0.05 m。模拟区域水动力受河流径流和外海潮流的共同影响，为了确保模拟结果的准确，河流径流条件采用流量控制，外海潮流条件根据东中国海大模型模拟计算所得。东中国海模型的开边界仅考虑外海的开边界，开边界采用全球潮汐模型中提取的潮位数据，模型考虑的分潮包含M2，S2，K2，N2，S1，K1，O1，P1，Q1和M4，共计10个分潮。

1.3 模型验证

对于绿华岛海底电缆项目，于2018年3月2日进入现场开展水文测验工作，3月14日结束外业工作。本次潮位观测布设1个临时验潮站(L1临时站，位置见图2)，潮位观测为期12 d；6个潮流站，观测期为3月2～3日大潮及3月10～11日小潮。

图2 验潮站位置及抛沙点源分布Fig.2 Tide stations and sand source distribution

图3～4为潮位和潮流验证结果，可以看出：建立的水动力模型能反映工程区附近海域的实际情况，流场模拟较为合理可靠。

图3 绿华岛临时验潮站潮位验证Fig.3 Tide level verification of temporary tidal station at Lvhua Island

由于绿华岛附近海域内悬沙浓度约为0.02～0.20 mg/L，浓度较低,因此本文仅考虑施工造成的海域内短期的泥沙浓度变化情况，对海底管道敷设所造成的悬浮泥沙浓度变化进行定性比较。

1.4 水动力情况

根据水动力模型的模拟结果，可知绿华岛海域的流场情况如图5所示。涨潮时，潮流向西北方向运动；落潮时，潮流向东南方向运动。由于东西两侧为开阔海域，受到地形的影响，涨落潮基本呈现往复运动，近岸区域涨落潮流流向大致与岸线走向平行。且根据绿华岛海域流场图可知，海域内，涨潮流速大于落潮流速。

1.5 计算条件

该工程电缆敷埋速度一般拟控制在3～10 m/min，本文将平均值设定为7 m/min，施工计划的埋设宽度为0.4 m，埋设深度为2.5 m。参考同类工程将悬浮泥沙的悬浮比按30%计，则水力埋设机埋设过程中产生的悬浮泥沙源强为：7 m/min×0.4 m×2.5 m×30%=2.1 m3/min。

图4 绿华岛测潮站大潮流速流向验证Fig.4 Verification of velocity and flow direction of spring tidal at Lvhua Island Station

图5 绿华岛海域流场示意Fig.5 Flow field of sea area around Lvhua Island

根据2017年针对此路由工程项目的实地勘测报告可知，施工海域泥沙的容重介于1.67～1.88 kg/L之间，变化幅度很小，此处按1.78 kg/L计(平均值)，则机械冲埋引起的悬浮泥沙源强为：1.78 kg/L×2.1 m3×1000÷60 s=62.3 kg/s。

自路的起点至终点，在计算网格上，每隔约210 m布置1个泥沙源点，共30个泥沙源点，代表挖泥船的位置如图2所示。

本文仅考虑海底电缆敷设过程扬起的悬浮泥沙变化情况，因此对悬浮泥沙参数进行设置。根据相关文献[16-20]，对悬浮泥沙扩散系数和泥沙沉降速度进行率定。扩散系数取2.5 m2/s，沉降速度取0.3 m/s。

2 泥沙模拟结果

由于不同潮时电缆敷设所产生的泥沙运移范围不同，且施工线路较长、施工点是移动的，为了数模的方便，这里在整条管线上选取有代表性的37个计算点(见图2)，根据7 m/min施工进度，模型中泥沙源释放时间为30 min，源强为62.3 kg/s。根据潮汐特性，一个完整的潮流过程为涨急～涨憩～落急～落憩。本文为研究悬浮泥沙最大扩散范围，自各潮流阶段的起始时刻开始，模拟一个完整的潮流过程后，在各个计算点同时施工30 min条件下，以涨憩、涨急、落憩、落急为起始时刻，分析悬沙浓度在施工开始0.5，1.0，3.0 h后的分布情况。

2.1 涨急时刻开始施工

图6(a)为涨急时刻加入源强0.5 h后的悬沙浓度分布图。由图可以知，施工引起的100～150 mg/L悬沙浓度增量主要集中在西绿华岛和东绿华岛之间的海域，距离西绿华岛登陆点约1.5 km范围内，并在涨潮潮流的作用下向北扩散。悬沙浓度增量为10～100 mg/L的区域主要处于施工管线北侧约1.5 km和南侧约0.5 km的范围内。东、西绿华岛南侧海域未受到悬沙影响。图6(b)为施工1 h后悬沙浓度分布图，受西北潮流影响，悬沙向西北方向运动，海域内悬沙浓度开始降低，同时悬沙浓度为100～150 mg/L的区域逐渐减少，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域面积有所增加。悬沙影响范围主要为施工管线北侧约2 km范围内。图6(c)为施工3 h后悬沙浓度分布图，随着涨潮潮流的影响，悬沙浓度为100～150 mg/L的区域进一步减少，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域面积有所增加，并在潮流的作用下向东南方向运移。东绿华岛和花鸟岛之间的悬沙浓度逐渐被稀释。施工1.5 h后，东绿华岛的东侧开始受到悬沙影响，至3 h后，东绿华岛东北侧完全被悬沙浓度为10～100 mg/L的区域包络。整体上，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域主要集中在东绿华岛北侧海域和花鸟岛西南侧局部海域。3 h后，研究海域整体未见150 mg/L及以上的悬沙浓度。

2.2 涨憩时刻开始施工

图6(d)为涨憩时刻加入源强0.5 h后的悬沙浓度分布图。由图可以看出，受落潮潮流的影响，施工引起的悬沙浓度为100～150 mg/L及以上的区域主要集中在西绿华岛登陆点以及花鸟岛登陆点约0.5 km的范围内。悬沙浓度为10～100 mg/L的区域主要分布于施工管线北侧0.2 km及南侧0.5 km的范围内。西绿华岛西侧海域未受到悬沙影响。图6(e)为施工1 h后悬沙浓度分布图，随着潮流方向的变化，悬浮泥沙向东南方向运动，悬沙浓度为100～150 mg/L的区域逐渐减少，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域面积逐渐增加，悬沙影响范围总体仍沿施工路由管道分布。图6(f)为施工3 h后悬沙浓度分布图，施工引起的悬沙浓度为100～150 mg/L及以上的区域完全消失，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域面积逐渐减少，在落潮潮流的作用下继续向东南方向运移。3 h后，仅在东绿华岛东南部和花鸟岛南侧局部海域存有悬沙浓度为10～50 mg/L的区域，其它管道附近区域已无10～50 mg/L浓度的悬沙，此时整体海域内未见150 mg/L及以上浓度的悬沙存在。

图6 涨潮时刻悬浮泥沙浓度(单位：kg/m3)Fig.6 The SSC of the spring tide

2.3 落急时刻开始施工

图7(a)为落急时刻加入源强0.5 h后的悬沙浓度分布图。由图可以看出，受落潮潮流影响，悬沙浓度为100～150 mg/L及以上的区域主要集中在西绿华岛约2 km以及花鸟岛登陆点约0.5 km的范围内。悬沙浓度为10～100 mg/L的区域主要分布于施工管线南侧约2 km范围内。图7(b)为施工1 h后悬沙浓度分布图，在落潮潮流的作用下，悬浮泥沙向东北方向运动，悬浮泥沙浓度降低，悬浮泥沙影响面积增加，悬沙浓度为100～150 mg/L及以上的区域逐渐减少，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域受落潮流影响。施工1.5 h后，悬沙浓度为100～150 mg/L的区域进一步减少。图7(c)为施工3 h后悬沙浓度分布图，随着落潮潮流的作用，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域逐渐减少，悬浮泥沙在落潮流的作用下继续向东南方向运移，最后集中分布在绿华岛和花鸟岛之间的海域，以及西绿华岛西南侧海域。3 h后，整体海域未见悬沙浓度为150 mg/L及以上的区域存在。

图7 落潮时刻悬浮泥沙浓度(单位：kg/m3)Fig.7 The SSC of the ebb tide

2.4 落憩时刻开始施工

图7(d)为落憩时刻加入源强0.5 h后的悬沙浓度分布图。由图可以看出，悬沙浓度为100～150 mg/L的区域主要集中在东、西绿华岛之间，距西绿华岛登陆点约1 km。悬沙浓度为10～100 mg/L的区域主要沿施工管线两侧分布，影响范围限于路由管线1 km以内。东、西绿华岛及花鸟岛南侧海域均未受到悬沙影响。图7(e)为施工1 h后悬沙浓度分布图，随着潮流方向的变化，悬沙浓度为100～150 mg/L的区域进一步减少，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域逐渐向西北方向运移，并集中分布于西绿华岛北侧以及花鸟岛西北侧局部海域。图7(f)为施工3 h后悬沙浓度分布图。由于悬浮泥沙受西北潮流的影响，悬沙浓度为10～100 mg/L的区域面积有所增加，并继续向西北侧运移，至施工3 h后，悬沙全部分布于西绿华岛和花鸟岛西北侧海域。整体海域未见增量为100～150 mg/L及以上的悬沙浓度。

3 结 论

本文基于MIKE 21软件建立了绿华岛附近海域的水动力及泥沙输运模型，将模拟结果与实测资料进行验证，确保模型的精确性，并将验证后的模型应用于施工方案下，通过对周围泥沙运动情况的计算结果得出以下结论。

(1) 在涨急～涨憩阶段时：施工0.5 h内，悬沙影响主要集中在西绿华岛和东绿华岛之间的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，悬浮泥沙区域随时间推移逐渐向东南方向扩散，东绿华岛东侧开始受到悬沙影响；3 h后东绿华岛东北侧受到悬沙影响，悬沙浓度影响最大范围为25.54 km2，但海域悬沙浓度下降至150 mg/L以下。

(2) 在涨憩～落急阶段时：施工0.5 h内，悬沙影响主要集中在西绿华岛和东绿华岛之间的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下泥沙向东南方向运输，悬浮泥沙区域随时间推移逐渐扩大范围；3 h后东绿华岛东南侧和花鸟岛南侧受到悬沙影响，悬沙浓度影响最大范围为36.783 km2，但海域悬沙浓度下降至150 mg/L以下。

(3) 在落急～落憩阶段时：施工0.5 h内，悬沙影响主要集中在西绿华岛和花鸟岛之间的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，悬浮泥沙区域随时间推移逐渐向东南方向扩散；3 h后东绿华岛东南部和花鸟岛南侧受到悬沙影响，悬沙浓度影响最大范围为24.782 km2，但海域悬沙浓度下降至150 mg/L以下。

(4) 在落憩～涨急阶段时：施工0.5 h内，悬沙影响主要集中在西绿华岛和花鸟岛之间的海域；施工1～3 h后，在潮流作用下，悬浮泥沙区域随时间推移向东南方向推移，西绿华岛北侧以及花鸟岛西北侧开始受到悬沙影响；3 h后西绿华岛和花鸟岛西北侧海域受到悬沙影响，悬沙浓度影响最大范围为59.322 km2，但海域悬沙浓度下降至150 mg/L以下。

(5) 根据模拟结果可知，该海域电缆敷设在施工3 h之后对于周边海域悬沙浓度影响甚微，且在涨急时刻施工对周围环境影响最小，在落憩时刻施工对周围环境影响范围最大。