灣口建閘海灣水體交換及景觀水位數值模擬

佘小建，崔 崢

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024)

20世紀50—70年代，我國沿海進行了大量的圍填海工程，促進了漁業(yè)和農業(yè)發(fā)展，但也帶來了生態(tài)環(huán)境問題。近年，為了改善生態(tài)環(huán)境以及為滿足城市發(fā)展建設需要，部分沿海城市提出了退圍還海工程。拆除海堤恢復海灣，但海堤拆除后大幅度的潮位變動對近岸景觀和親水性會產生較大影響，為此有的在灣口建閘控制灣內潮位變動，通過設置景觀水位改善以上問題，但這將帶來了灣內的水動力及水體交換條件下降。如何設置合適的景觀水位，同時又要保證灣內一定的水動力及水體交換條件是一個新的研究課題。

余明勇等(2015)提出了城市湖泊景觀水位的概念，認為主要從視覺上對城市景觀起美化作用，定義為將城市湖泊形態(tài)、水面面積維持在一定幅度并與湖泊水景觀功能區(qū)劃相適應所需的湖泊水位[1]。李旭東等(2015)從河岸帶的景觀功能需求出發(fā)，考慮通航及取水等河道管理基本目標，提出了結合戰(zhàn)略點識別及模糊隸屬度評價的河道生態(tài)水位定值方法[2]。阮洲等(2018)從深入探討城市湖泊景觀與防洪的協(xié)調關系，原則提出動態(tài)及靜態(tài)景觀水位方案[3]。廈門東西溪下游為感潮河段，張青(2014)通過水量平衡分析提出廈門市東西溪城區(qū)河道近遠期維持景觀水位調配思路[4]。吳壽榮(2011)分析指出廣州河涌用人工操控涌內景觀水位不僅可以有利防治污水，還可幫助調控城市氣溫和相對濕度，營造較好景觀和水環(huán)境，提高防洪能力改善排水條件，但均沒有做深入的研究[5]。目前對景觀水位的研究主要集中在河流和湖泊，對海灣景觀水位的研究鮮有報道。本研究以廈門馬鑾灣為例，從水動力及水體交換角度對馬鑾灣景觀水位進行了研究，研究方法和成果可供類似海灣景觀水位設置及水體交換研究借鑒。

廈門位于臺灣海峽中部，為島嶼城市。馬鑾灣位于廈門西海域西北部。為適應廈門城市發(fā)展，馬鑾灣片區(qū)將建成馬鑾灣新城，形成城市的副中心，同時馬鑾灣海堤打開，增加水域面積6.1 km2，灣口建有9孔擋潮閘，馬鑾灣規(guī)劃水域布置見圖1。廈門海域潮差大，平均潮差約4 m，大潮潮差超過5.3 m[6]，大幅度的潮位變動對近岸景觀和親水性有較大影響，為此考慮在馬鑾灣內設置景觀水位，通過閘門控制正常條件下馬鑾灣內的最低水位，以改善景觀。景觀水位的設置減小了灣內潮差，會影響到灣內的水動力及水體交換條件，為此需開展潮流數學模型計算，從水動力及水體交換角度給出景觀水位的建議[7]。

1 平面二維潮流數學模型與條件

1.1 基本方程

① 連續(xù)方程：

圖1 馬鑾灣規(guī)劃方案水域布置Fig.1 Layout of the planned water area for Maluan Bay

②運動方程：

③對流、擴散輸移方程：

式(4)中： C為污染物濃度；H為總水深(m)；Dx、Dy分別為沿x、y軸向的水平渦動分散系數。

1.2 模型范圍和網格

數模范圍：根據研究內容要求，模型涵蓋整個廈門灣和圍頭灣等海域，模型涵蓋水域面積約1 500km2。采用有限體積法求解數學模型，模型計算區(qū)域離散采用非結構三角形網格，研究區(qū)域內平均網格尺度約70m，最小網格尺度為10m。模型范圍和網格見圖2。

1.3 邊界控制及主要計算參數

① 模型邊界控制。模型閉邊界采用干濕判別的動邊界，模型開邊界采用潮位控制，開邊界為廈門灣流會—圍頭角連線，開邊界的潮位過程由后石和圍頭實測資料提供，并根據驗證結果進行適當調整。②主要計算參數。模型糙率為0.015～0.030，模型最小計算時間步長0.01s。

1.4 模型驗證

選擇2014年10月在廈門東西海域開展的一次大、小潮水文觀測資料為潮流數學模型驗證資料，水文測驗設置了5個潮位站和9個垂線測站(圖3)。

圖4、5為大潮驗證結果。受高集海堤開口施工影響，除6、7站流速驗證結果稍有偏差外，潮位及其他測站流速、流向驗證結果良好。

1.5 研究思路

從景觀及親水性看，灣內潮差應盡量小，即景觀水位應適當高些，但水位太高會影響到灣內水動力和水體交換，因此需要設法尋找合適的平衡點，在滿足水動力和水體交換條件下盡量抬高景觀水位。馬鑾灣的規(guī)劃布置已基本確定，因此主要通過馬鑾灣口門的9孔閘門調度來平衡灣內水動力、水體交換與景觀水位的關系。在前期研究中未考慮在馬鑾灣內設置景觀水位，水閘的設置主要從防洪擋潮及滿足水體交換等角度考慮，正常條件下閘門是全部打開的，灣內外潮位基本一致。因此景觀水位的設置需基本保證灣內水體交換條件與原閘門全開條件相當。本研究思路主要是通過閘門調度來提高水體交換效率，保證灣內的水體交換條件，具體研究過程如下：①計算不同開閘孔數對水體交換的影響，探尋開閘孔數與水體交換條件間的關系；②研究不同位置閘孔開閘對水體交換的影響，確定最佳開閘位置；③研究水閘調度對水體交換影響，確定水閘運行方式；④在確定的較優(yōu)水閘運行方式基礎上計算灣內不同控制水位對水體交換和納潮量的影響；⑤根據以上計算成果分析建議合適的景觀水位，同時建議開閘位置及開閘孔數等閘門調度運行方式。

圖2 廈門海域數學模型范圍及計算網格Fig.2 Mathematical model scope and calculation grid of Xiamen Bay

圖3 2014年10月廈門灣海域水文測站布置Fig.3 Layout of hydrological stations in Xiamen Bay in October 2014

圖4 廈門灣海域大潮潮位驗證結果Fig.4 Test results of tide levels during the spring tide of Xiamen Bay

圖5 廈門灣海域大潮測點流速、流向驗證結果Fig.5 Test results of velocity and flow directions during the spring tide of Xiamen Bay

1.6 計算條件

馬鑾海堤開口改造工程于2014年基本完成，在海堤中部向北偏約95m建成一座9孔擋潮閘，閘底坎高度為-5.24m。每閘孔凈寬24m，總凈寬216m。馬鑾灣水域清淤疏浚至-4.24m。

水交換的研究有拉格朗日方法和歐拉方法，本研究采用歐拉方法研究保守物質的稀釋和擴散規(guī)律，可以合理的反映海水中污染物擴散過程。在計算污染物擴散時，馬鑾灣內保守污染物的濃度設置為1，灣外濃度全部設置為0。數模計算采用2014年10月大潮作為計算潮型，部分工況進行了中潮潮型的計算。

2 結果與討論

2.1 開閘孔數對水體交換的影響

在計算中發(fā)現，開不同閘孔數對水體交換有一定影響，初期有關部門考慮馬鑾灣內景觀水位為0.5m(85高程，下同)，為此這里以0.5m控制水位為例進行計算分析。為便于分析比較，開閘位置位于水閘的中間段，中9為9孔水閘全打開，中7孔就是最南側和最北側各關1孔，開中間7孔，其他以此類推。

由表1和圖6可以看出，開閘孔數由9孔減少到2孔，全灣平均相對濃度為由大變小再增大的變化過程，開3孔時濃度最低，也就是水體交換條件最好。分析認為，主要是開閘孔數減少后口門流速增大，灣外水體進入灣內運動距離更遠，有利于與灣內水體摻混；但開孔數太少會影響過水量，水體交換量減小，從而影響水體交換條件。由圖6也可以看出，開閘孔減少低濃度區(qū)變得狹長，即灣外水流向灣內輸送更遠，可以明顯改善灣頂水域水體交換條件。圖7為馬鑾灣內分區(qū)示意圖。

表1 不同開閘孔數條件下馬鑾灣內各統(tǒng)計區(qū)域內第5天污染物相對濃度平均值Tab.1 Average relative concentrations of pollutants on the 5th day in each evaluated area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

注：中5-0.5即開中間5孔閘，景觀水位0.5 m；不特別說明即為大潮計算結果。

圖6 不同開閘孔數條件下馬鑾灣內第5天相對污染物平均濃度分布Fig.6 Average relative concentrations of pollutant distribution on the 5th day in Maluan Bay with different numbers of gate openings

圖7 馬鑾灣內分區(qū)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the area partition in Maluan Bay

由表2、圖8、9可以看出，灣內流速由口門向灣頂逐漸小，口門區(qū)流速隨開閘孔數減少而增大，灣頂區(qū)域流速隨孔數減少先增大又減小，此外，除不控制水位的P8E外，中3工況平均流速最大。由此也可以看出灣內水體交換條件與灣內流速分布關系密切。

開閘孔數越少口門流速越大，從安全角度分析開閘孔數不宜少于4孔，因此以下在大潮計算時主要考慮開5孔閘，中潮計算時主要考慮開4孔閘。

圖8 不同開閘孔數條件下各區(qū)域平均流速分布Fig.8 Average velocity distribution in each area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

圖9 中5-0.5工況馬鑾灣海域全潮平均流速分布Fig.9 Average velocity distribution during the whole tide cycle in Maluan Bay under working condition of Middle 5-0.5

2.2 不同開閘位置對水體交換的影響

分別考慮了開北側5孔、中間5孔和南側5孔的工況，從計算結果看(表3)，開北側5孔工況的水體交換條件相對較優(yōu)。漲潮時水流偏北岸，在灣內形成大的環(huán)流有利水體交換。

表3 不同開閘位置條件下馬鑾灣內各統(tǒng)計區(qū)域內第5天保守物質相對濃度平均值Tab.3 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area of Maluan Bay with different gate opening positions

2.3 水閘調度對水體交換的影響

前面計算了進出水閘為同一位置的工況，考慮到是否能改善水體交換條件，我們進行了進水與出水閘錯開的工況，即漲潮時北側5孔進水，落潮時南側4孔出水，或漲潮時南側5孔進水，落潮時北側4孔出水，研究錯開開關閘對水體交換的影響。計算表明(表4)，南、北錯開開閘水體交換條件不及北5進北5出工況，錯開開關閘的運行方式沒有優(yōu)勢，因此采用北進北出的運行方式較優(yōu)。

表4 水閘調度條件下馬鑾灣內各統(tǒng)計區(qū)域內第5天保守物質相對濃度平均值Tab.4 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area under sluice dispatch conditions in Maluan Bay

2.4 不同景觀水位的計算

前面計算分析了開閘孔數及開閘位置對水體交換的影響，這里根據前面研究確定的較優(yōu)閘門運行方式，進一步研究不同景觀水位條件下馬鑾灣的水體交換情況及納潮量的變化。

計算結果表明(表5)，開北側5孔，控制水位0.0 m時，馬鑾灣納潮量2 024萬m3，滿足納潮量要求，水體交換條件稍差于原全開工況，初步確定景觀水位為0.0 m，下一步對水閘運行方式作進一步優(yōu)化，以增強水體交換能力。

表5 不同景觀水位條件下馬鑾灣內各統(tǒng)計區(qū)域內第5天保守物質相對濃度平均值Tab.5 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different landscape water levels in Maluan Bay

2.5 晝夜不同控制水位計算

為保證白天的景觀水位要求，同時又要增強馬鑾灣的水體交換能力，為此考慮晝夜不同控制水位的運行方式，即從景觀考慮白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制最低水位，以便盡量排出馬鑾灣內水體，增大水體交換量，增強自凈能力，因此計算模式為：白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位。

圖10為晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內第5天平均相對濃度分布。表6、7為大潮和中潮水體交換計算結果，結果表明，通過閘門調度可以保證馬鑾灣較好的水體交換條件，交換條件稍好于原全開工況。為此建議馬鑾灣景觀水位設置為0.0 m，水閘運行模式為：白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期開北側5孔閘，中小潮期開北側4孔閘。

圖10 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內第5天平均相對濃度分布Fig.10 Average relative concentration distribution on the 5th day with different control water levels at daytime and night in Maluan Bay

表6 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內各區(qū)第5天保守物質相對濃度平均值(大潮)

Tab.6 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different control water levels at daytime and night during the spring tide in Maluan Bay

方案編號相對濃度平均值全灣第1區(qū)第2區(qū)第3區(qū)第4區(qū)第5區(qū)第6區(qū)全開不控制水位0.360.540.390.450.330.320.28北6孔-0.0-晝夜0.38 0.66 0.47 0.43 0.34 0.31 0.27 北5孔-0.0-晝夜0.35 0.56 0.43 0.39 0.31 0.28 0.25 北4孔-0.0-晝夜0.32 0.47 0.39 0.36 0.29 0.27 0.24

表7 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內各區(qū)第5天保守物質相對濃度平均值(中潮)Tab.7 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each statistical area with different control water levels at daytime and night during the middle tide in Maluan Bay

3 結論

廈門海域大潮潮差超過5.3 m，大幅度的潮位變動對近岸景觀和親水性有較大影響，為此擬在馬鑾灣內設置景觀水位。本研究通過潮流數學模型模擬，研究了灣口開閘孔數、開閘位置及不同景觀水位與灣內水動力和水體交換的關系，對馬鑾灣景觀水位和閘門調度方式提出了建議，主要結論如下：

(1)適當減少開閘孔數量可以增大口門流速，水體向灣內輸送更遠，有利灣內水體摻混，加快灣內水體交換速度。

(2)開北側孔閘，進灣水流偏向一側時，在灣內形成環(huán)流，有利水體交換。

(3)從水動力和水體交換角度建議馬鑾灣景觀水位為0.0 m，可采用白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期開北側5孔閘，中小潮期開北4孔閘的水閘運行方式。最終景觀水位的確定還需綜合考慮景觀、投資、水生態(tài)等其他因素。

(4)通過閘門調度可以提高灣內水體交換效率，在水體交換條件下給出了景觀水位的建議，研究方法和成果對類似海灣景觀水位的設置有參考價值。