马尔代夫位于印度洋中北部, 其东、北和西面分别以爪哇岛至阿德曼群岛、南亚大陆和非洲大陆为边界, 海域向南较为开敞, 整体水深3 000～4 000m。马尔代夫维拉纳机场原名马累机场, 是马尔代夫唯一的国际机场, 机场现有基础设施已趋于饱和, 无法满足航空业务量快速增长的需要, 严重影响马尔代夫经济社会发展, 机场规模急需扩建。机场改扩建工程建成后将大幅提高旅客接纳能力, 并为当地创造大量就业机会, 对当地社会经济和旅游业的发展产生极大的促进作用。

由于机场扩建, 将占用机场岛内侧的湖水体 (见图1) , 势必对湖的水动力环境产生影响。针对围填海活动造成海岸动力环境的影响国内外学者已经开展了不同层次、不同角度的研究, 陆荣华^[1]对厦门湾不同时期围填海工程的研究表明, 随着围填海工程建设, 厦门湾流速大幅变小, 海域纳潮面积大幅减小, 致使厦门湾的纳潮量明显减小, 海水交换能力下降, 自净能力变差。罗章仁^[2]的研究显示, 香港维多利亚港围填海已通过改变港湾纳潮面积、纳潮量、潮流速度等潮汐特征影响了港湾回淤。T.Kanazawa等^[3]对日本Isahaya湾填海造陆工程进行的研究指出, 工程实施后湿地动物群的种类和平均密度明显下降。在湿地表层, 过量的氮磷营养盐促使某些藻类迅速繁衍, 使得水体中叶绿素a含量大幅升高, 最终形成“赤潮”。本文将通过二维数学模型, 结合现场水文测量, 评估机场扩建填海对内侧湖的水动力影响。

采用非结构有限体积波流耦合数学模型^[4,5], 模型垂向采用Sigma坐标系, 水平涡黏性系数采用Smagorinsky公式^[6]进行计算, 模分离技术求解动量方程, 本文采用沿深度平均的二维模式进行计算。

为正确模拟码头附近海域的潮汐动力, 模型边界选取离工程区较远的位置, 模型边界由全球潮波模型TPXO7.2提取, 该数据经过众多系统验证, 为本项研究提供边界上的实时潮位。模型选取范围的水深分布网格如图2所示, 测量基准为海图基准面, 从地形分布上可以看出, 马尔代夫拥有众多岛屿, 分布着大小不一的环礁, 其中1 000m等深线离岸较近, 外海水深大。为了更好地描绘工程区附近水流流态, 对工程区进一步进行网格加密, 其中最小网格为10～20m。

数学模型验证主要是对潮汐、潮流进行验证。工程区周围的潮汐、潮流实测资料观测时间为2015年4月5—6日, 测量期间为大潮潮型, 水流及水位测点布置如图3所示, 共布置4个水流测点、3个水位测点。潮位及潮流的验证结果如图4, 5所示。可以看出, 工程海域潮差较小, 潮汐表现为正规半日潮现象, 总体来讲潮位站的潮位模拟值与实测值吻合较好, 平均误差<0.1m, 潮波位相与实测结果吻合良好。从水流测点模拟及实测结果可见流速、流向与实测结果吻合较好。验证结果表明数学模型边界条件以及模型计算参数的取值是合理正确的, 可以进一步利用该模型评估工程建设对湖水动力的影响。

工程前局部范围大潮涨、落急流态如图6所示, 涨急时, 潮位发生于中潮位附近, 北马累环礁内的涨潮流向Male岛及Hulhumale岛之间的海峡内汇集, 在通道北侧入口处受Funadhoo岛的影响, 水流一分为二, 并在Funadhoo岛后形成弱流区, 西支涨潮流受Male岛东北角挑流的影响, 使得Male岛东南角附近涨潮流较弱, 最终汇合后的涨潮流从峡道中部流出海峡通道, 受通道缩窄的影响, 流出海峡通道时最大流速约1.0m/s, 流出海峡的涨潮流与Vaadhoo Kandu通道内的东向涨潮流汇合, 并在Hulhumale岛南侧形成逆时针的回流区。

落急时, 水流总体流向与涨潮时相反, 外海落潮流经Male岛及Hulhumale岛之间的海峡南侧进入峡道, 受水深变浅以及通道缩窄的影响, 进入峡道后的落潮流速有所增加, 由于峡道处落潮流为西北方向, 受Hulhumale岛的掩护在靠近Hulhumale岛一侧存在一个较大的顺时针回流区, 在此回流的影响下落潮流主流偏向Male岛一侧, 最大落急流速约1.50m/s, 在峡道北端受Funadhoo岛的影响, 落潮流一分为二, 在Funadhoo岛掩蔽区内落潮流较弱。

图7所示为工程实施后的涨落急流态图, 与工程前比较发现, 工程建设不会引起海域潮流特征改变, 工程前后湖内侧水流变化不大。工程前湖口门处涨落潮最大流速0.36m/s, 工程后口门平均流速增加了0.05m/s, 湖内侧最大流速正常天气下<0.05m/s, 工程后流速变化<0.02m/s。

为分析工程施工对周围高低潮位的影响, 选取湖内外1～5号点, 如图8所示, 对工程前后的高低潮位变化进行分析。

由计算结果可知, 工程建设后湖内高潮位有1～4cm, 低潮位基本无改变。

图9所示为通过湖口门处的流量变化过程, 机场扩建后, 湖内的纳潮量有所减小, 实测大潮期间纳潮量由2.83×10⁶m³减小至2.43×10⁶m³, 减小幅度约14%。

由于纳潮量减小相对较大, 导致湖内的水体交换能力减弱, 水环境相对脆弱, 因此必须加强环境风险防控, 严格控制湖内污染排放, 在突发性污染发生时应尽快消除污染物、限制污染范围。

本工程建立工程区二维数学模型, 通过与实测潮位、水流流速流向资料比较, 对数学模型进行验证, 模拟结果与大潮期间的实测值吻合良好, 在此基础上分析机场扩建工程对湖的水动力影响。

研究结果表明, 工程区域潮汐为不正规半日潮, 潮差相对较小, 湖内水动力较弱, 湖口门处涨落潮最大流速≤0.40m/s, 湖内最大流速正常天气下<0.05m/s, 工程建设对湖内水体流速改变不大。工程建设对湖内潮位影响表现为, 高潮位增加1～4cm, 低潮位基本无改变;湖内侧围填后纳潮量减小约14%。工程后湖内的水体交换能力进一步减弱, 水环境相对脆弱, 因此必须加强环境风险防控, 严格控制湖内污染排放, 做好突发环境污染事故应急预案。