【CAE案例】疏浚工程拋沙的數(shù)值模擬
01 研究背景
Pandop港口位于新喀里多尼亞西北部的一處潟湖（被沙嘴、沙壩或珊瑚分割而與外海相分離的局部海水水域），該地長時間受到泥沙沉積的影響，為保持港口正常運維活動，需要進行疏浚作業(yè)。為了讓近海海床達到-4.50m的設計基準，疏浚過程中挖掘的泥沙體積通常為114 000m3，挖沙之后還需進行拋沙工作。在疏浚過程中，為了傾倒泥沙，駁船必須穿越潟湖到達離海岸約11.5km的Koumac進口，中途可能會對潟湖邊緣的珊瑚群造成影響。通過水動力仿真軟件可以模擬相關(guān)泥沙擴散過程，從而評估拋沙對外部珊瑚礁的生態(tài)環(huán)境造成的影響。
02 案例展示
通過開發(fā)三維水沙動力模型，可以評估釋放的疏浚泥沙擴散情況和長期疏浚處理造成的影響，從而根據(jù)珊瑚礁受影響強弱確定處置方案的合理性。
然后評估新喀里多尼亞相關(guān)氣候、潮汐和波浪條件。氣候上主要分為兩個季節(jié)：炎熱季節(jié)與涼爽季節(jié)。炎熱季節(jié)的特點是自東南向東的熱帶氣旋和伴隨的低氣壓（東南信風），平均風速約為5.73m/s；而涼爽季節(jié)的特點是來自東南區(qū)域的風和大量降雨，并且有部分西面海風。海岸潮汐為半日潮，最大潮差約為1.67m，通過IFREMER的WW3數(shù)字模型研究了從1990到2018年的28年間近海波浪條件，風力模型使用ECMWF（歐洲中期天氣預報中心），得出平均波浪條件如下：波浪優(yōu)先起源于東南并傳播至西南，有效波高在92%的時間內(nèi)低于3m。
新喀里多尼亞周圍海域還受到復雜的全球環(huán)流影響，從墨卡托模型中提取2007年至2016年期間的海洋流場數(shù)據(jù)，并將這些流場數(shù)據(jù)分別設定在不同深度層內(nèi)（地面、100m、400m和1000m），利用這些數(shù)據(jù)，構(gòu)建如圖 2所示玫瑰圖
根據(jù)以上數(shù)據(jù)及模型，采用水動力仿真軟件并使用有限元法對三維水動力過程和疏浚泥沙的擴散過程建模。其中，2D網(wǎng)格采用的地形水深數(shù)據(jù)來源為GEBCO和ZONECO等測深數(shù)據(jù)，覆蓋范圍為新喀里多尼亞西北部（從北到南約100km），在潟湖、珊瑚礁屏障和拋沙區(qū)周圍采取局部細化網(wǎng)格的處理方法。在潟湖附近，網(wǎng)格尺寸約為1000m，在潟湖內(nèi)部為500m，在礁石處為100m，拋沙區(qū)周圍網(wǎng)格尺寸最小，為50m左右。網(wǎng)格和地形水深數(shù)據(jù)如下圖所示。
如圖 4所示，為了在邊界處施加于墨卡托模型相關(guān)的環(huán)流速度分布圖，開發(fā)了一個特定模塊使速度能被施加到不同網(wǎng)格層的不同邊界上。海域內(nèi)設置風場隨時間變化但在空間上是恒定的。研究采用k-ε湍流模型，根據(jù)曼寧定律計算摩擦系數(shù)，并且根據(jù)底部類型（砂、泥、礁）指定相關(guān)摩擦系數(shù)。
如圖 5所示，模型很好地再現(xiàn)了港口附近海域的水位，與實際觀測結(jié)果的偏差約在1-2cm內(nèi)。圖 6則展示了在Duroc進口處3D模型計算結(jié)果和實際觀測結(jié)果的流速對比，整體吻合情況較好，模型結(jié)果具備正確的統(tǒng)計指數(shù)（偏差約為7cm/s）。
接下來使用一種簡單但現(xiàn)實的方案對泥沙進行建模：為了表示沉降期間泥沙的再懸浮，在模型中設置泥沙位于不同深度的水層中?？偟膩碚f，即根據(jù)海域流速異同，在平靜海況時注入5%的泥沙到海面及密度變化層，在動蕩條件（流速較大）時注入10%的泥沙至表面和密度變化層。模型根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)，設置傾倒的泥沙為粒徑小于63μm的泥漿，其沉降速度約為0.1mm/s（忽略絮凝效應）。由于本次模擬只關(guān)注拋沙的影響，因此海床底部設置不考慮泥沙。傾倒大約每3h發(fā)生一次，單次持續(xù)5分鐘，因此設置每個時間步注入0.16m3的泥沙。當泥沙濃度高于10mg/L時（海洋深度小于100m），珊瑚礁視為受到影響。
研究將主要探究三種情形，即平靜條件時（弱風，波高0.5 m，海流0.2 m/s）；寒冷季節(jié)動蕩條件（波高1.8 m，微弱的西信風，無環(huán)流）和炎熱季節(jié)動蕩條件（波高1.8 m，強東南信風，海流0.4 m/s）。
03 研究結(jié)論
在對不同情形仿真計算后，模擬的結(jié)果表明，拋沙區(qū)域周圍的流速相對較低（＜0.3m/s）。在漲潮和退潮期間，潟湖入口處能觀察到最強的洋流（流速約0.8m/s），傾倒區(qū)域周圍也可以觀察到有漩渦的存在（漩渦的流速和全球環(huán)流有關(guān)），如圖 7中對平靜條件情形的展示。
而如圖 8所示，由于流速較低，泥沙的流動和輸運受到一定限制，傾倒泥沙后拋沙區(qū)的泥沙濃度迅速降低，整體泥沙呈現(xiàn)出下降并停留在拋沙區(qū)附近的現(xiàn)象。模擬的拋沙區(qū)中最大泥沙濃度約為15-20mg/L，在其外部的泥沙濃度為5mg/L?？偟膩碚f，三種情形對應的模擬結(jié)果都表明拋沙對珊瑚礁沒有影響，即使是三種情形中表現(xiàn)最糟糕的結(jié)果（炎熱季節(jié)，如圖 8中右圖所示），此時珊瑚礁處的濃度約為0.13mg/L也遠低于其受影響的濃度（10 mg/L）。
此外，還對研究區(qū)域進行了為期一月的長期模擬，以觀察連續(xù)拋沙的累積影響。但結(jié)果依然表明泥沙傾倒對珊瑚的影響可以忽略不計。
04 小結(jié)
通過三維水動力仿真建模并計算了Pandop港口在疏浚作業(yè)時傾倒的泥沙對周圍環(huán)境的改變，評估了泥沙擴散對珊瑚礁狀態(tài)的影響。在這項工作中，針對不同的海洋氣候條件對釋放的疏浚泥沙建模并研究了拋沙區(qū)周圍的環(huán)境變化，證明了現(xiàn)有作業(yè)基礎(chǔ)不會對珊瑚礁環(huán)境造成較大影響，且疏浚作業(yè)帶來的不利因素和累積影響是有限的，可以忽略不計的。驗證了水動力仿真軟件在模擬大尺度海域水動力和泥沙動力耦合上的可靠性。
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