1 宝钢湛江钢铁有限公司 广东 524000；2上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434
摘要：建立沿水深平均的平面二维非恒定流和悬浮物扩散数学模型，模拟湛江湾某填海造地工程抛石作业悬浮物的运动形态，对施工悬浮物影响范围进行预测，分析了该工程对海域环境的影响。
关键词：湛江湾；填海工程；悬浮泥沙；数学模型；海域环境
Marine Environmental Effects of Suspended Sediment during Riprapping Construction in the Reclamation Project in Zhanjiang Bay
Chen Xiaofeng1 , Yu Keping2 , Wei Jingyao1
( 1.Baosteel zhanjiang iron and steel co., Ltd, Guangdong 524000，, P.R.China
2.Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd, Shanghai 200434, P.R.China )
Abstract：Building a two-dimensional non-constant flow and suspension diffusion mathematical model along the average depth of water,Simulating the Movement Form of Suspended Sediment during Riprapping Construction in the Reclamation Projects in Zhanjiang Bay,Predicting the impact range of Suspended Sediment in the construction process,and analyzing the effects of the project on the marine environment.
Key words：Zhanjiang Bay;reclamation project; suspended sediment; mathematical model;marine environment.
某工程计划在湛江湾内实施填海造地，填海工程能一定程度增加城市建设和工业生产用地，有效拓展城市或工程的发展空间，填海造地也带来了海洋环境污染和渔业资源衰退等一系列问题。填海造地过程中主要环境影响来自抛石施工作业产生的悬浮泥沙，悬浮泥沙在重力、波浪、潮流、风力等因素作用下扩散、运动，对海水水质和海洋生物产生不良影响[1]，其影响程度与工程区域底质、该海域水动力状况密切相关[2]。国内有多名学者通过数学模型分析研究悬泥沙扩散对海洋环境的影响，崔雷[3]等通过研究耦合二维浅水水动力数值模型及物质输运数值模型，对填海工程周边海域的潮流场及工程建设过程中两种施工方式产生的悬浮物的输移、扩散趋势进行了数值模拟研究；丁玲等[4]建立了二维悬浮物输运数学模型，并通过2 次大规模同步实测数据对模型进行了验证；王彪[5]等将波浪辐射应力以及波流底部剪切应力耦合到潮流运动方程和悬沙输运方程中，建立了非结构网格下近岸波浪和潮流共同作用下的二维悬沙输运数值模型。
本文在上述成果基础上，以湛江市东海岛某企业拟开展的填海造地项目为例，采用数学模型预测悬浮物的运动形态，分析填海造地过程中抛石作业产生的悬浮泥沙对海洋环境的影响，为项目建设对海域水环境的影响提供一定的数据支撑，同时作为一种方法探讨对于后续类似项目的研究也具有一定的参考价值。
1、模型建立
湛江湾位于粤西雷州半岛的东北侧，是华南沿海的优良港湾，径流小，水体含沙量低，海床地形稳定；湛江湾的潮型属非正规半日潮，潮差较大，平均潮差为2.18 m，最大潮差为5.13 m。涨、落潮流流速的平均值多在0.12~0.65 m/s之间，潮流运动形式以往复流为主[6]。
填海区位于湛江湾东海岛北部海域，面积约42 hm2。填海过程中抛石施工作业时将会使一部分泥沙泄入海水中从而导致周边海域悬浮物浓度的升高，对周边海域水质将产生一定影响。工程海域水深较浅，悬浮物扬起进入水体后，水体中悬浮物浓度将产生一个梯度，在风、浪及海水涡动的垂向搅拌作用下，迅速与周围水体充分掺混稀疏，使垂向污染物浓度梯度迅速减小，乃至可以忽略其垂向浓度梯度的存在。因此本次悬浮泥沙数值模拟在潮流模型的基础上，采用沿水深平均的平面二维非恒定流和悬浮物扩散数学模型来描述悬浮物的运动形态。
1.1基本方程
式中：S——悬浮物浓度；
Dx、Dy——x、y向紊动扩散系数；
κ=αω——α为沉降系数，ω为悬浮物沉速；
M——悬浮物释放源强。
1.2计算范围和网格
考虑到工程所在海域受岛屿、浅海地形等的影响，因此，需要采用模型嵌套的方式来模拟该海域的潮流场，采用大、小二层计算域嵌套：大模型计算域涵盖湛江市、茂名市、阳江市、江门市海域，西至雷州半岛，东至黄茅海河口湾，海域东边界为东经113°24΄，南边界至北纬20°30΄。从外海至近岸海域区网格尺寸逐渐减小，其中近岸海域网格尺寸为1000m，外海网格尺度为1km~5km，整个大模型网格节点数为52466，单元数为101959。大模型网格图见图1。
小模型计算域包括湛江湾和工程区域附近海域，通过模型嵌套以模拟工程海域的精细流场。为满足影响预测计算的精度，采用网格局部加密的方法，近岸网格尺寸为600m，外海开边界网格尺寸为600-5000m，工程海域附近网格布置较密，网格尺寸为20m，工程区周边网格尺寸为20m～100m，非工程海域相对较疏。模型网格节点数为23930，单元数为46193。小模型网格图见图2。
1.3计算参数
（1）扩散系数
本次悬浮物扩散系数取为水流涡粘系数的倍数值，根据研究范围水动力特性及已有经验，该倍数值取为1。
（2）模型计算时间步长
模型采用的时间步长t＝30s。
（3）涡动分散系数
沿水流方向Dx和垂直水流方向Dy的水流涡动分散系数分别采用以下公式拟定：
如上述图表所示，受涨落潮流影响，悬浮物向施工区域两侧扩散，呈东西向往复运动。施工区域附近悬浮物在逐渐沉降过程中，其颗粒将逐级细化，细颗粒泥沙可随海流输移至更远的海域。施工悬浮物增量的高浓度
论文作者:陈晓峰,余科平,韦景耀
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/24
标签：悬浮物论文; 海域论文; 网格论文; 模型论文; 工程论文; 泥沙论文; 系数论文; 《防护工程》2018年第17期论文;