【CAE案例】疏浚工程抛沙的数值模拟
01 研究背景
Pandop港口位于新喀里多尼亚西北部的一处潟湖（被沙嘴、沙坝或珊瑚分割而与外海相分离的局部海水水域），该地长时间受到泥沙沉积的影响，为保持港口正常运维活动，需要进行疏浚作业。为了让近海海床达到-4.50m的设计基准，疏浚过程中挖掘的泥沙体积通常为114 000m³，挖沙之后还需进行抛沙工作。在疏浚过程中，为了倾倒泥沙，驳船必须穿越潟湖到达离海岸约11.5km的Koumac进口，中途可能会对潟湖边缘的珊瑚群造成影响。通过水动力仿真软件可以模拟相关泥沙扩散过程，从而评估抛沙对外部珊瑚礁的生态环境造成的影响。
图 1 位于新喀里多尼亚西北部的Pandop港口及潟湖区域
02 案例展示
通过开发三维水沙动力模型，可以评估释放的疏浚泥沙扩散情况和长期疏浚处理造成的影响，从而根据珊瑚礁受影响强弱确定处置方案的合理性。
然后评估新喀里多尼亚相关气候、潮汐和波浪条件。气候上主要分为两个季节：炎热季节与凉爽季节。炎热季节的特点是自东南向东的热带气旋和伴随的低气压（东南信风），平均风速约为5.73m/s；而凉爽季节的特点是来自东南区域的风和大量降雨，并且有部分西面海风。海岸潮汐为半日潮，最大潮差约为1.67m，通过IFREMER的WW3数字模型研究了从1990到2018年的28年间近海波浪条件，风力模型使用ECMWF（欧洲中期天气预报中心），得出平均波浪条件如下：波浪优先起源于东南并传播至西南，有效波高在92%的时间内低于3m。
新喀里多尼亚周围海域还受到复杂的全球环流影响，从墨卡托模型中提取2007年至2016年期间的海洋流场数据，并将这些流场数据分别设定在不同深度层内（地面、100m、400m和1000m），利用这些数据，构建如图 2所示玫瑰图
图 2 从墨卡托模型中获取的潟湖不同季节的流速玫瑰图
根据以上数据及模型，采用水动力仿真软件并使用有限元法对三维水动力过程和疏浚泥沙的扩散过程建模。其中，2D网格采用的地形水深数据来源为GEBCO和ZONECO等测深数据，覆盖范围为新喀里多尼亚西北部（从北到南约100km），在潟湖、珊瑚礁屏障和抛沙区周围采取局部细化网格的处理方法。在潟湖附近，网格尺寸约为1000m，在潟湖内部为500m，在礁石处为100m，抛沙区周围网格尺寸最小，为50m左右。网格和地形水深数据如下图所示。
图 3 网格和地形水深测量数据
受到计算时间的限制，垂直方向上的网格仅由10个平面（固定平面和σ平面）组成，并在水层上部区域细化网格。由全球海洋潮汐模型（TPXO）在其模型的海洋边界上施加压力，再现潮汐现象。
图 4 模型网格及其受力示意图
如图 4所示，为了在边界处施加于墨卡托模型相关的环流速度分布图，开发了一个特定模块使速度能被施加到不同网格层的不同边界上。海域内设置风场随时间变化但在空间上是恒定的。研究采用k-ε湍流模型，根据曼宁定律计算摩擦系数，并且根据底部类型（砂、泥、礁）指定相关摩擦系数。
图 5 仿真结果与观测结果的水位对比
如图 5所示，模型很好地再现了港口附近海域的水位，与实际观测结果的偏差约在1-2cm内。图 6则展示了在Duroc进口处3D模型计算结果和实际观测结果的流速对比，整体吻合情况较好，模型结果具备正确的统计指数（偏差约为7cm/s）。
图 6 在Duroc进口处仿真结果和观测结果的流速对比
接下来使用一种简单但现实的方案对泥沙进行建模：为了表示沉降期间泥沙的再悬浮，在模型中设置泥沙位于不同深度的水层中。总的来说，即根据海域流速异同，在平静海况时注入5%的泥沙到海面及密度变化层，在动荡条件（流速较大）时注入10%的泥沙至表面和密度变化层。模型根据实际测量数据，设置倾倒的泥沙为粒径小于63μm的泥浆，其沉降速度约为0.1mm/s（忽略絮凝效应）。由于本次模拟只关注抛沙的影响，因此海床底部设置不考虑泥沙。倾倒大约每3h发生一次，单次持续5分钟，因此设置每个时间步注入0.16m³的泥沙。当泥沙浓度高于10mg/L时（海洋深度小于100m），珊瑚礁视为受到影响。
研究将主要探究三种情形，即平静条件时（弱风，波高0.5 m，海流0.2 m/s）；寒冷季节动荡条件（波高1.8 m，微弱的西信风，无环流）和炎热季节动荡条件（波高1.8 m，强东南信风，海流0.4 m/s）。
03 研究结论
在对不同情形仿真计算后，模拟的结果表明，抛沙区域周围的流速相对较低（＜0.3m/s）。在涨潮和退潮期间，潟湖入口处能观察到最强的洋流（流速约0.8m/s），倾倒区域周围也可以观察到有漩涡的存在（漩涡的流速和全球环流有关），如图 7中对平静条件情形的展示。
图 7 平静条件下的流场分布（图中红框为抛沙区域）
而如图 8所示，由于流速较低，泥沙的流动和输运受到一定限制，倾倒泥沙后抛沙区的泥沙浓度迅速降低，整体泥沙呈现出下降并停留在抛沙区附近的现象。模拟的抛沙区中最大泥沙浓度约为15-20mg/L，在其外部的泥沙浓度为5mg/L。总的来说，三种情形对应的模拟结果都表明抛沙对珊瑚礁没有影响，即使是三种情形中表现最糟糕的结果（炎热季节，如图 8中右图所示），此时珊瑚礁处的浓度约为0.13mg/L也远低于其受影响的浓度（10 mg/L）。
此外，还对研究区域进行了为期一月的长期模拟，以观察连续抛沙的累积影响。但结果依然表明泥沙倾倒对珊瑚的影响可以忽略不计。
图 8 平静条件（上）和炎热季节（下）的泥沙浓度分布图。
04 小结
通过三维水动力仿真建模并计算了Pandop港口在疏浚作业时倾倒的泥沙对周围环境的改变，评估了泥沙扩散对珊瑚礁状态的影响。在这项工作中，针对不同的海洋气候条件对释放的疏浚泥沙建模并研究了抛沙区周围的环境变化，证明了现有作业基础不会对珊瑚礁环境造成较大影响，且疏浚作业带来的不利因素和累积影响是有限的，可以忽略不计的。验证了水动力仿真软件在模拟大尺度海域水动力和泥沙动力耦合上的可靠性。
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