砂壩潟湖海灣水交換能力的數值模擬研究
——以茂名博賀灣為例

2019-11-19 06:00:26陳宏洺張淑華

水道港口 2019年5期

陳宏洺，張淑華，何杰

(1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210098；3.南京水利科學研究院，南京 210029)

隨著經濟發展和漁港漁業、工業碼頭迅速發展，導致博賀灣水體富營養化上升，未來港區規劃改變近海岸線布置。人類活動、圍海造地、工業碼頭用地和海岸漁業都將影響海灣的有效水域面積和港灣水交換情況，對海灣生態系統、港口和航運等有重大影響。水交換能力是評價海灣環境容量和環境質量的重要指標[1]，交換能力的強弱直接關系到海灣的水質狀況。

目前已有多名國內外學者開展了對河口、港灣水域的水交換研究，曾相明[2]等基于POM模型的基礎上,計算了不同時期的納潮量和水交換能力，得到較長時間段內實施的大量圍填海工程納潮量和水交換累積影響明顯；陳振華[3]等在POM模型的基礎上建立了水質模型，模擬欽州灣的水交換過程，結果表明欽州灣水交換能力整體上較強；張學慶[4]等基于EFDC模型,利用水齡概念,研究潮和風對海州灣及毗鄰海域水交換的影響；姚姍姍[5]等通過模擬示蹤劑的濃度變化，模擬了海棠灣規劃在不同工況下的水體交換率，結果表明連續潮作用30 d后海棠灣水系整體水體交換率均在69%左右；Ren[6]等建立三維水齡模型，模擬了不同動力條件下珠江口的水交換過程。何杰[7]等數學模型模擬了珠江口南沙港區挖入式港池的水體交換，模擬結果表明港池尾部水體交換率最低。董禮[8]先以溶解態的保守性物質作為灣內水的示蹤劑，建立對流-擴散性的海灣水交換數學模型。戴志軍[9]等利用Gorden關系式，從茂名海域相衛星影像定量反演了表層懸浮泥沙濃度的時空分布特征，結果表明茂名沿海水體表層懸浮泥沙濃度偏低,一般低于200 mg/L。

對博賀灣海域的潮流流場、水交換能力的科學認識是對其科學合理開發的重要基礎，開展評估博賀灣污染物輸運及水交換能力具有重要的科學意義。博賀灣為單口門海灣，較易存在水交換不暢的問題，國內外針對博賀灣海域水交換能力的研究相對較少。本文建立了覆蓋博賀灣及其附近水域的平面二維潮流數學模型，在對近期實測水文資料驗證的基礎上，模擬了博賀灣水交換過程及其動力機制，分析了海灣的潮流、納潮量，文中采用一個大潮型作為分析博賀灣水體交換。

1 博賀灣自然條件

博賀灣位于廣東省西部茂名市電白區境內，東與陽江市的海岸相接，西與水東港砂壩潟湖海灣毗連，當地深水離岸較近，潮汐動力不強，陸源來沙極少，砂質海床覆蓋大部分海區，水體含沙量很低，是廣東省優質海灣。博賀灣是一個典型的砂壩潟湖海灣，其地貌單元包括西側尖崗嶺—博賀的大砂壩和東側東閣嶺—蓮頭嶺的連島砂壩、面積約36 km2的潟湖、指向西南方向槽長約2 km的潮汐通道以及口門外側由砂咀和攔門沙淺灘組成的的水下落潮三角洲。博賀灣屬弱潮海區，平均潮差為1.05～2.80 m，最大潮差3.24 m，流運動形式總體上為往復流，受海岸地形影響，蓮頭嶺以東海域漲潮流向指向西偏南，落潮流向指向東偏北，繞過蓮頭嶺后漲潮流向指向西偏北，落潮流向指向東偏南。博賀灣內存在大片淺灘，落潮期間會露出水面。

圖1為博賀灣水深及潮位、潮流觀測站位分布圖，T1,T2,T3為潮位測站，主要位于港池內，H1～H6為潮流觀測站，分布為博賀灣外。博賀灣的潮流屬不正規半日潮流，為略帶旋轉的往復流運動，有明顯的駐波特征，漲落潮轉流出現在高、低潮平潮時刻，漲潮流歷時普遍大于落潮流歷時，漲潮平均流速一般均要大于落潮平均流速，2018年4月底水文實測各潮流站潮垂線平均流矢量圖如圖2所示。茂名博賀灣由于沒有大河入海，陸域來沙較少，泥沙主要以岸灘供沙為主。2004年10月實測平均含沙量為0.052～0.106 kg/m3，2018年5月實測平均含沙量為0.00～0.034 kg/m3，海域實測懸浮泥沙含量很小。

圖1 博賀灣水深及潮位、潮流觀測站位分布Fig.1 Water depth and location of tide and tidal current observation in the Bohe bay圖2 附近海域各潮流站實測流速矢量Fig.2 Observed velocity vectors at observation stations nearby sea area

2 平面二維潮流數學模型

2.1 控制方程

在笛卡爾直角坐標系下，根據靜壓和勢流假定，在水域面積較大的開闊水域，平面尺度遠大于垂直尺度。將平面二維水流運動和物質輸運方程寫成如下的向量表示形式

(1)

式中：U=(d,du,dv,ds)Td為全水深d=h+ζ(h為水平面以下水深；ζ為潮位)；

2.2 數值求解

數值求解采用有限體積法對水沙方程進行離散求解，實質就是以單元為對象進行水量、動量和沙量的平衡，計算結果精度高，能處理含間斷或陡梯度的流動。為了計算上的方便，統一采用三角形單元對計算區域進行離散，并將單一的網格單元作為控制元，物理變量配置在每個單元的中心。

將第i號控制元記為Ωi，在Ωi上對向量式的基本方程組(1)進行積分，并利用Green公式將面積分化為線積分，得

(2)

沿單元邊界線積分可以表示為三角形各邊積分之和

(3)

式(3)的求解主要分為三個部分，一是對流項的數值通量求解，二是紊動項的求解，三是源項中底坡項的處理。對流項基面數值通量的求解格式有多種，這里采用Roe格式的近似Riemann解[10]。淺水方程的紊動粘性項采用單元交界面的平均值進行估算[11]，底坡源項采用特征分解法處理[12]。

2.3 水交換數值模擬

利用面源示蹤劑為保守性物質，建立博賀灣水交換的數值模式，在計算過程中不考慮總投放物質量衰減，隨水流運動、地形水深進行擴散和輸移。設海灣初始濃度場為C(x,y,d,t0)，瞬時濃度場為C(x,y,d,t)。則不同時刻，不同位置的灣內水被外海水(示蹤物濃度為0)置換的比率R(x,y,d,t)為

(4)

若設C(x,y,d,t0)=1.0 mg/L，則(4)簡化為

R(x,y,d,t)=1-C(x,y,d,t)

(5)

3 網格剖分及模型驗證

3.1 網格剖分及模型參數

圖3 網格剖分效果示意Fig.3 Splitted grids of model

茂名博賀新港西區處在博賀灣內，東區處在蓮頭嶺以東。數學模型東邊界設在水東灣以西，西邊界位于沙扒港以東，南邊界設在蓮頭嶺以南20 km的外海一線。數學模型東西長度49 km，南北向30 km，控制范圍面積接近1 300 km2。計算區域共劃9萬余個三角形網格，對博賀灣外海域水面寬闊，采用較為稀疏的大尺度網格剖分，最大尺度為1 000 m(剖分效果見圖3)。對港區內主要水域進行網格加密，網格最小尺度為20 m。這種非結構網格劃分法可以克服矩形網格鋸齒形邊界所造成的流動失真，也可以避免生成有結構貼體曲線網格的復雜計算和其他困難。模型計算參數如表1所列。

圖4 博賀灣水域示蹤劑布置范圍示意Fig.4 Schematic diagram of tracer layout range in Bohe bay

表1 模型計算參數Tab.1 Model calculation parameters

3.2 示蹤劑布置

模擬在博賀灣和博賀漁港布置面源示蹤劑，水域面積34.2 km2，初始濃度為1.0，在潮流作用下，與外海示蹤劑為0的干凈水交換，布置示意圖如圖4。模型計算結果的濃度值為示蹤劑指標，即原始物質經過擴散輸移過程后的殘留度。博賀灣內水深較淺，落潮期間灣內有大片淺灘露出水面，面源示蹤劑將隨水體流出博賀灣，落潮期間會露出水面，由于數模中設置了最小閾值水深來控制干濕，這種方式將導致物質濃度的不守恒，誤差對于結果影響較小。即假定示蹤劑完全隨水流運動，在示蹤劑流出博賀灣時在淺灘海床上不會有殘余粘附。

3.3 模型驗證

潮流泥沙數學模型與天然相似的條件，主要取決于模型計算出的潮流場和含沙量場與實測結果的吻合程度。通過2018年4月底的夏季大潮水文泥沙實測資料對數學模型進行率定。該次水情組合有3站潮位和6條垂線的流速、流向資料可供模型驗證，潮位站位置分布見圖1。

圖5為模型采用夏季大潮水情對潮位站實測潮位、垂線流速和流向過程的驗證。圖5中列舉了T1,T2,H1,H2潮位驗證過程，模型得到潮位過程與天然情況基本吻合，模擬各條垂線的流速、流向過程模擬與實測趨于相似。計算得到個別站位外其他站的高、低潮位計算值與實測值誤差均在±0.10 m范圍以內；垂線漲潮、落潮平均流速的計算值與實測值相差均在10%以內；驗證結果總體符合數學模型的精度要求。

4 博賀灣水動力分析

4.1 流態變化

圖6中列舉了現狀條件下水域平面漲落潮流場分布，漲落潮的平均流速是垂向平均流速在整個漲潮時間內或落潮時間內的流速平均值。由圖6可知在灣口水域形成漲潮流由西北轉向東北、落潮流由西北轉向西南的主流流態，其因為蓮頭半島類似一條巨大的鉤頭丁壩，使進出博賀灣的潮流繞著壩頭作貼岸運動。博賀灣入口處深槽水域流速較大，漲落潮最大流速可分別達到0.8 m/s左右；博賀灣內淺灘水域流速相對較弱，流速普遍在0.2 m/s左右；落潮過程中，落潮流沿灣內潮溝向灣外出流，博賀灣內有大片淺灘露出水面。

5-a T1潮位過程驗證5-b T2潮位過程驗證5-c H1流速過程驗證

5-d H2流速過程驗證5-e H1流向過程驗證5-f H2流向過程驗證圖5 潮位、流速和流向過程驗證Fig 5 Verification of tide level, flow rate and flow direction

6-a 漲急時刻 6-b 落急時刻圖6 博賀灣水域平面流態Fig.6 Flow pattern of Bohe bay waters

4.2 水交換能力

水交換能力反映了一個半封閉海灣接受外來“新水”的能力，是衡量海灣自凈能力大小的重要指標。2018年5月份夏季大潮水情時為例，圖7顯示的是現狀條件下蹤劑隨時間分布典型情況可知，投放初期在一個潮周期的高潮位；在投放后6 h達到低潮位，落潮期間有大片淺灘露出水面，絕大部分示蹤劑隨深槽集中在灣外，在蓮頭嶺北側灣澳處有殘留；在投放后13 h經歷下一個漲潮，水體大部分隨著漲潮流重新進入博賀灣，部分水體被蓮頭嶺隔開后向南流；在投放后19 h，再次退潮水體絕大部分離開博賀灣，灣外示蹤劑濃度相比6 h減弱，部分水體繞過蓮頭嶺向東南方向拓展。博賀灣水體示蹤劑指標值隨漲、落潮變化，落潮期間指標值下降，漲潮期間指標值上升，博賀灣水體示蹤劑指標值整體上呈減小趨勢。示蹤劑在漲、落潮過程中不斷進入和退出灣口，博賀灣內示蹤劑的指標在不斷下降，部分示蹤劑隨東南向落潮流進入到蓮頭嶺以南水域。表明博賀灣具有良好的水體交換能力。

7-a 投放初期7-b 投放后6 h

7-c 投放后13 h7-d 投放后19 h圖7 博賀灣示蹤劑隨時間分布情況Fig.7 Tracer distribution over time in Bohe bay

8-a 投放初期8-b 投放后6 h

8-c 投放后13 h8-d 投放后19 h圖8 粵西沿岸流作用示蹤劑分布情況Fig.8 Tracer distribution along the coastal flow in the West Coast of Guangdong Province

4.3 沿岸流對水交換影響

粵西近岸地區常年均存在一股向西流動的沿岸海流，稱為“粵西沿岸流”。粵西沿岸流由于受到風及外海海流格局的影響，有顯著的季節變化；楊毅等[13]分析了粵西沿岸海流特征，粵西沿岸海流主要為西南向流，只有在夏季西南季風較大時才會有東北向流；楊士瑛等[14]研究發現粵西沿岸流對徑流、污染物等運移和擴散起著決定性的作用；本次模擬了夏季一個潮周期在沿岸流作用下的博賀灣典型時刻的水交換變化情況。

如圖8所示，分別選取了4個典型時刻可以看出漲潮流繞過蓮頭嶺東北向進入博賀灣，落潮流則西南向流出博賀灣后，沿岸線方向繼續向西南流動。由于落潮流方向的改變，沿岸流將會一定程度上對博賀灣水交換影響。博賀灣內示蹤劑隨落潮流流出灣口，在沿岸流作用下，示蹤劑偏向西側流動，對比圖7可知在沿岸流作用下水體交換能力有一定的增強；漲潮期間，部分示蹤劑隨張潮流進入博賀灣，仍有一部分殘留在水東灣與博賀灣之間的近岸水域；再次退潮過程中，大部分示蹤劑已完全流出博賀灣，且向西移動范圍超過了水東灣，說明了粵西沿岸海一定程度上加強了博賀灣水體交換的能力。

5 博賀灣規劃對水交換影響

根據茂名博賀新港區總體規劃[15]，未來博賀港東側白沙頭至南側蓮頭嶺沙咀沿岸均規劃有填海項目。博賀灣內，采用順岸布置，主要規劃裝備制造等臨港產業，博賀灣規劃完成后，博賀灣內填海面積為7.8 km2，航道、港池開挖面積為3.9 km2，開挖底標高為-10.0 m，進出港航道的航槽底寬為200 m。小面積填海工程對海灣納潮量和流場的影響不大,但較長時間段內多個圍填海工程累積起來的影響卻比較明顯，本文探討了博賀灣港東、西區的各類碼頭規劃完工后對灣內水動力的影響。

表2 博賀灣各斷面納潮量統計Tab.2 Tidal prism in each section of Bohe bay

5.1 納潮量變化

由于海洋的潮汐現象，一個潮周期內把從低潮到高潮海灣所能容納海水的量稱為納潮量，對海灣內的生態、環境及沖淤變化等方面的意義重大。納潮量的大小可以直接影響海灣與外海的交換程度,從而制約海灣的自凈能力，因此對維持海灣的良好生態環境至關重要。由表2統計了博賀灣和博賀漁港兩個斷面(位置見圖4所示)在現狀、規劃方案實施后的納潮量及其變化幅度。通過對比可以看出：在低潮位博賀灣中水體潮量為14.9億m3，在高潮位潮量為64.1億m3，即一個漲潮過程中，博賀灣有78.78%的新水涌入博賀灣中；在規劃實施后，DM1斷面納潮量減小0.42%，博賀漁港及其內灣納潮量基本不受博賀新港規劃工程的影響；博賀灣斷面DM2潮量將減小16.4%，這是由于博賀新港規劃工程西區陸域圍填面積達到7.8 km2，圍填范圍超出蓮頭嶺的西北角，影響水體進出港灣。

5.2 水交換變化

模擬灣內初始示蹤劑濃度為1.0，通過數學模型模擬半月連續潮的水體交換過程，模型計算過程中的潮流控制邊界條件，如圖9所示采用15 d實測潮位資料進行分析，連續半月潮中包括若干大潮、中潮、小潮，模擬時間為15 d，分別模擬了兩種工況在博賀灣水體交換情況。

由圖10可對比兩種工況在博賀灣水體示蹤劑指標，可以看出：由于博賀灣規劃實施后水域面積有所減小，港池水域示蹤劑在落潮期間仍留在原處，漲潮期間示蹤劑隨漲潮流重新進入博賀灣，落潮期間港池水域的示蹤劑比較難以隨落潮流流出灣口，因此，港池水域的水體交換能力相對要差一些；水交換速率在示蹤劑投放初期會比現狀條件弱一些，但后期水交換情況基本與現狀一致；現狀條件下一個全日潮大潮水情的水體交換率達到69%，中潮水情下水體交換率達到55%，小潮水情下水體交換率達到43%，由于大小潮的不同潮位過程、不同潮汐動力造成水體交換率隨著潮汐變化而變化；博賀灣達到90%水交換的時間為3～4 d，達到50%水交換時間為0.5 d，進一步說明了博賀灣具有良好的水體交換能力。