养马岛连陆海堤拆除前后水动力及海底冲淤演变研究.docxVIP

养马岛连陆海堤拆除前后水动力及海底冲淤演变研究 1 研究领域的总结 1.1 养马岛规划设计 阳马岛位于半岛北部，距烟台牟平区9公里。如图1所示，地理位置。东西长7 km, 南北宽1.5 km, 面积10 km2, 是胶东第3大岛。20世纪70年代以来开始在海岛的东部和中部修建两道实体海堤, 将养马岛南侧海域分为3部分, 东大堤以东为东庙江, 中部大堤以西为西庙江。自2003年以来烟台开始修建连接牟平区宁海镇和养马岛风景区的跨海大桥, 已于2004年通车。现有海堤计划逐步拆除。 1.2 潮流性质的特征 养马岛海区的潮汐状况受北黄海潮波系统控制, 潮汐类型属于正规半日潮。根据2005年3月19—20日的调查资料进行准调和分析可知, 本区的潮流性质判据系数K在0.2～0.86之间, 各调查站位M2和S2分潮流的K′值在0.01～0.06之间, 说明该海区的潮流主要以往复流为主, 潮流类型属于不正规日潮流和不正规半日潮流的混合型。根据统计资料全年常浪向为N、NNW和NW向, 出现频率均为7%, 强浪向为N向, 最大波高为4.7 m。 1.3 深水土壤条件 据前人调查资料, 海岛周围底质类型近岸为砾石粗砂和中砂, 深水为砂质粉砂和黏土质粉砂, 其中海岛北部海域沉积物颗粒较南部海域细, 可能由于此海域主要受陆域来沙的影响。岸滩底质类型主要有砾石-粗砂、粉砂、砂质粉土、黏质粉土和粉质黏土等。 2 研究方法和数据 2.1 岩石学模型分析 在围填工程及港口建设工程中, 水流泥沙数学模型在工程项目的可行性论证中发挥重要作用。为了分析养马岛海堤对水动力条件及海底冲淤规律的影响, 首先利用ECOMSED水动力模型, 模拟海堤拆除前后的水动力场, 分析海堤对水动力的影响;在水动力模型基础上, 通过泥沙运动模拟, 分析海堤拆除前后的海底蚀淤变化。 ECOMSED模型包括水动力模型ECOM以及物质输运模块SED两部分。SED模型基于沉积动力学的物质输运数值模拟系统, 包含黏性和非黏性沉积物的输运、沉积及再悬浮过程。其中, 对非黏性泥沙的输运、沉积及再悬浮过程采用的是VanRijn模式, 而对于黏性泥沙的再悬浮、沉降、堆积等过程则是采用Gailani等的研究成果。 2.1.1 海底流速度y参数 ?u?t+u?u?x+v?u?y-fv=-g?ζ?x+?u?t+u?u?x+v?u?y?fv=?g?ζ?x+ ??x(AΗ?u?x)+??y(AΗ?v?y)-τbxΗ??x(AH?u?x)+??y(AH?v?y)?τbxH(1) ?v?t+u?v?x+v?v?y+fu=-g?ζ?y+?v?t+u?v?x+v?v?y+fu=?g?ζ?y+ ??x(AΗ?v?x)+??y(AΗ?v?y)-τbyΗ??x(AH?v?x)+??y(AH?v?y)?τbyH(2) ?ζ?t+?(Ηu)?x+?(Ηv)?y=0?ζ?t+?(Hu)?x+?(Hv)?y=0(3) 式中:t为时间; x、y为Cartesain坐标, 在这里分别取向东和向北为正; ζ为水位; d为未扰动水深; H为总水深,H=d+ζ; u、v为海流速度沿x、y方向分量的从海底到海面的平均值; f为Coriolis参数; ρw是海水密度, 取1.025 g/cm3; g为重力加速度, 取为9.81 m/s2; AH为水平扩散系数; τbx、τby为底摩擦应力沿x、y方向分量; τb=ρwCb|u|u, 其中:Cb是摩擦系数。 2.1.2 k类沉积物悬浮岩 ?Ck?t+u?UCk?x+v?VCk?y+?(W-Ws,k)?z= ??x(AΗ?Ck?x)+??y(AΗ?Ck?y)+??z(ΚΗ?Ck?z)(4) 式中:CK为k类沉积物悬浮浓度, 其中k=1、2, 分别代表黏性和非黏性沉积物; AH为水平扩散系数; KH为垂向涡动黏滞系数; Ek,Dk为k类沉积物的冲刷和沉积函数; η为海表面波动; H为水深; Ws为悬浮泥沙沉降速度。 2.2 资料和历史资料 模型及验证中所用的资料包括潮流、底质、水深地形, 资料来源包括现场调查 (见图1) 和历史资料。潮流资料利用2005年3月19—20日对养马岛海域现场实测的25 h的全潮资料;底质资料来源于前人在2003年8月调查的历史资料;水深和岸界根据11940、11961和11962号海图确定。 3 连通性破坏对趋势场的影响 3.1 潮流验证过程 大海域模型范围为烟台芝罘岛西端至威海褚岛之间封闭海域。在模拟时段内使用烟台港作为潮汐验证点, 2005年3月19—20日在A、B、C站进行了潮流观测 (站位位置见图1) 。图2是潮位验证过程曲线。从图中可知, 计算潮位与实测值符合较好, 最大误差都小于10 cm, 潮位误差在10%以内。图3是潮流验证过程曲线, 选取具有代表性的B、C两