深圳灣灘涂開發利用對水體交換能力影響研究

陳睿智，劉壯添，王 未

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611)

1 概述

從水動力的角度看，灘涂開發利用會直接減少水域容積，對水動力環境產生明顯改變，尤其是對于河口灣這種水動力條件復雜的半封閉的海岸水體，河口灣物理自凈能力對灘涂資源的開發利用程度極為敏感，是河口灣灘涂資源的開發利用合理性的重要評價指標。

目前，用于分析河口灣水體交換和自凈能力的數值計算方法主要有箱型模型法[1]、拉各朗日質點法[2]和對流-擴散型的水體交換法[3-4]。箱型模型法的前提是假設灣外的海水一旦流入灣內即與整個海灣內海水充分混合，而實際海水水質具有不均勻性，所以進入箱內的水體不能與原有水體完全混合，因此用箱式模型可能會高估海域的水體交換能力。拉格朗日質點法可以反映各流體質點的空間運動特征，但忽略了擴散過程，因而在近岸弱流區往往會低估海水的水交換能力。對流-擴散型的水體交換法較好地反映了水體交換的物理過程，但無法定量反應海灣內各點的水體交換能力。考慮到河口灣同時受徑流和潮汐影響，水動力條件復雜、水體交換能力空間差異較大的特點，采用上述方法進行河口灣水體交換能力分析具有一定的局限性。

為在充分考慮對流-擴散物理過程的同時，體現拉各朗日質點法在空間特性上的優勢，本文在二維的水動力學模型和對流擴散模型的基礎上，采用基于組份濃度的方法[5]計算水體微團自進入河口灣以來到流經灣內各點所需的時間，即水齡[6-9]。以水齡作為反應水體交換能力的指標，選擇灘涂開發利用程度較高的深圳灣作為河口灣的典型代表，來分析河口灣灘涂開發利用對水體交換能力的影響。

2 研究區概況

2.1 基本情況

深圳灣是珠江河口伶仃洋東部的河口灣[10]，位于深圳市西南，水域面積約為92 km2，東北-西南走向，其西北部水域屬深圳經濟特區，東南部水域屬香港特別行政區。

深圳灣屬于典型的河口灣，其水流特性受到河流徑流和潮汐的共同影響。匯入深圳灣的主要河流有深圳河、元朗河(香港)和大沙河等，總集水面積約為659 km2。深圳灣灣口與伶仃洋相通，潮汐屬不規則半日潮，距其最近的赤灣站多年平均高、低潮位分別為0.49 m和-0.87 m。

2.2 灘涂開發利用情況

根據歷年地形和遙感影像資料分析，深圳灣的灘涂開發利用始于解放初期，隨著深圳經濟特區的成立，深圳灣的灘涂開發利用速度逐漸加快，1979—1989年開發利用面積為4.38 km2，其中主要是蛇口港和赤灣港區的開發，面積為2.23 km2。隨著深圳市社會經濟的高速發展，在20世紀90年代10 a間，深圳灣北岸的灘涂開發利用速度達到頂峰，1989—1998年深圳側的灘涂開發利用面積達到12.33 km2。1998年以后，灘涂開發利用速度有所下降，1998—2012年，灘涂開發利用面積為7.85 km2。深圳灣1960—2012年灘涂開發利用情況見圖1。

圖1 深圳灣1960—2012年灘涂開發利用示意

根據深圳灣灘涂開發的歷史情況，本文設置灘涂開發利用初期(1986年)和灘涂開發利用現狀(2015年)2個模擬工況，采用同期遙感圖提取的岸線數據和實測水下地形資料進行建模分析。2個工況下灘涂開發利用和地形概化結果如圖2所示。

a 開發初期 b 開發現狀

2.3 水文資料

考慮不同水文組合條件對深圳灣水體交換能力的影響，選擇洪季大中小潮和枯季大中小潮2種典型水文組合進行分析計算，典型洪潮組合見表1所示。

表1 典型洪潮組合

深圳灣內考慮徑流量較大的深圳河、大沙河和元朗河的徑流影響，由于這幾條河流無水文測站，在模擬計算中采用設計流量進行考慮。洪季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用對應P=50%的洪峰流量為897 m3/s、236 m3/s、234 m3/s恒定值。枯季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用對應的多年平均流量為9.91 m3/s、2.85 m3/s、2.88 m3/s恒定值。

3 模擬方法及計算成果分析

3.1 計算方法

為減小外海邊界條件誤差對深圳灣潮流動力的影響，本項目在構建了整個伶仃洋的二維水動力模型和對流擴散模型。在此基礎上在深圳灣灣口持續釋放C1、C22種組分的物質，2種組分的濃度相同，其中C1為保守性物質，C2為非保守性物質，采用基于組分濃度的方法計算不同水文條件和不同灘涂開發利用條件下深圳灣的水齡分布情況。

1) 二維水動力學模型

在笛卡爾坐標系下，根據靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維水流基本方程表述如下形式[11]：

(1)

(2)

(3)

式中：

H=ζ-Z0，H——水深;

ζ——某一基準面下的液面水位;

Z0——某一基準面下的河床高程；

f——科氏力系數；

c——謝才系數；

Nx、Ny——渦粘系數。

2) 對流擴散模型

對流—擴散模型的基本方程如下：

(4)

式中：

c——保守物質濃度；

u、v——分別為x、y方向的水平速度分量；

h——水深；

Dx、Dy——分別為x、y方向的擴散系數；

F——線性衰減系數；

S——實際計算中根據兩種情況有對應的含義，即為Qs或(cs-c)；

Qs——源/匯的流量；

cs——源/匯的保守物質濃度。

每個時間步的u、v、h值由水動力學模型提供。對流擴散模型的初始濃度：

Φ(x,y,0)=Φ0(x,y)

(5)

式中：

Φ——污染物的濃度；

Φ0——初始時刻污染物的濃度，一般為一個平均數。

3) 基于組分濃度的水齡計算方法

本項目采用基于組份濃度的方式，計算水體微團自進入深圳灣灣口到流經灣內各點所需的平均時間，即該點的平均水齡。具體計算方法為模擬在深圳灣灣口持續釋放C1、C22種組分的物質，兩種組分的濃度相同，其中C1為保守性物質，衰減系數設為0，C2為非保守性物質，衰減系數設為k，采用以下公式估算各點平均水齡[5]：

(6)

式中:

mean age——監測點的平均水齡;

k——C2組分的衰減系數;

CDECAY——監測點C2組分的濃度;

CCONSERVATIVE——監測點C1組分的濃度。

隨模擬時間的推移，由于灣內各點C1、C22種物質的濃度比例趨于穩定，上述公式計算結果會趨于一個定值，該定值為監測點的平均水齡。

3.2 計算結果與分析

通過模型計算，灘涂開發利用初期情景深圳灣洪季水齡變化范圍在0～60 h范圍內，最大值出現在海灣西北角處，現深圳灣體育中心處；枯季水齡變化范圍在0～203 h范圍內，最大值出現在海灣東北角，深圳河和元朗河匯入處。灘涂開發利用現狀情景深圳灣洪季水齡變化范圍在0～63 h范圍內，最大值出現在海灣最北側濱海大道沿岸處；枯季水齡變化范圍在0～181 h范圍內，最大值位置與開發初期一致，出現在海灣東北角，深圳河和元朗河匯入處。2種灘涂開發利用條件下洪季水齡分布對比如圖3所示，枯季水齡分布對比如圖4所示。

a 開發初期 b 開發現狀

a 開發初期 b 開發現狀

從水齡總體分布看，在4組計算情景中，深圳灣水齡分布均呈現出由灣口至灣內逐漸增加的趨勢。同一位置枯季水齡明顯大于洪季水齡。為便于分析，在從深圳灣至灣內布置8個采樣點，各采樣點分布見圖5。

圖5 水齡采樣點分布示意

各采樣點水齡及變化情況見表2。從統計結果可以看出，“2005.6”洪季條件下采樣點平均水齡由開發初期的27.3 h增加到開發現狀的37.0 h，變化率為31.6%，“2001.2”枯季條件下采樣點平均水齡由開發初期的91.1 h增加到開發現狀的96.6 h，變化率為8.9%。從水齡變化趨勢可以看出，無論是洪季還是枯季水文條件下，灘涂開發利用降低了深圳灣灣內與灣外的水體交換能力，洪季變化幅度更加明顯。將該結果與納潮量變化進行對比，在同一個典型漲落潮周期中，4種計算情景下深圳灣灣口斷面的累計漲落潮流量變化范圍在-25.50%～-30.24%。說明深圳灣水齡變化趨勢與灘涂開發利用導致的海灣納潮能力變化有一定關系，納潮能力下降，灣內水齡值則升高，水體交換能力降低。

表2 采樣結果統計

在不同水文條件下，深圳灣的水動力條件有明顯區別。洪季深圳灣的水體交換能力受到灣口潮汐動力和灣內河流徑流的共同控制，動力條件復雜。枯季徑流作用較弱,其水體交換能力主要受潮汐動力控制。不同的水動力條件影響下，灘涂的開發利用對深圳灣水體交換能力的影響也有所不同見圖6～圖7。

a b

圖7 不同水文條件下采樣點水齡變化值示意(2015—1986年)

從灣口到灣內的水齡變化情況看，相對于開發初期，開發現狀條件下洪季深圳灣灣口處水齡無明顯變化，水齡變化值自灣口至灣內呈逐漸增大趨勢，水齡增加幅度最大區域位于深圳灣最內側海濱生態公園—福田紅樹林自然保護區一帶，最大水齡增加值約為28 h；枯季深圳灣水齡變化情況與洪季有所不同，水齡變化值由灣口的0 h迅速增加到海灣中部窄口處(現深圳灣大橋附近)達到最大值，約25 h，之后變化值開始均勻下降，至海灣最內部水齡變化值出現負值，最大減小值約為22 h，水齡減小的區域集中在海灣最內側福田紅樹林自然保護區—香港尖鼻嘴之間水域。

從對近岸水齡的影響情況看，從圖6a可知，在洪季水文條件下深圳灣灘涂開發利用程度較高的深圳側的水齡增大值明顯大于開發利用程度較低的香港側；而在枯季水文條件下圖6b，除深圳側蛇口集裝箱碼頭-東角頭一線的部分岸線凹凸變化較大處水齡變化值較大，其余近岸處水齡變化值相對于香港側無明顯區別，水齡變化最大區域出現在海灣的中部。

4 結語

本文在伶仃洋二維水動力學模型和對流擴散模型基礎上，采用基于組份濃度的方法計算深圳灣灘涂開發利用對水齡分布的影響。主要結論如下：

1) 灘涂的開發利用導致深圳灣總體的水體交換能力降低，在洪季表現更明顯。相比于開發初期，開發現狀深圳灣平均水齡在洪季水文條件下增加9.8 h，增加幅度為31.6%，枯季水文條件下增加5.5 h，增加幅度為8.9%。

2) 不同水文條件下，灘涂的開發利用對水體交換能力變化空間分布的影響不同。相比于開發初期，開發現狀深圳灣洪季水齡變化值自灣口到灣內逐漸增大，對灣內影響最大，最大增加值約28 h。灘涂開發利用程度較高的深圳側近岸水域水齡增加幅度明顯較大；枯季水齡變化值自灣口到海灣中部逐漸增大，到海灣中部達到最大值，約25 h，之后逐步減小，到海灣最內部呈現負值。近岸水域影響小于海灣中部水域。