普蘭店灣潮灘養殖圍堰工程拆除前后水動力特征的數值分析

房樹林張明亮

(1.國家海洋局大連海洋環境監測中心站 大連 116015;2.大連海洋大學海洋科技與環境學院 大連 116023;3.遼寧省近海生態環境與災害防護工程技術創新中心 大連 116023)

0 引言

大連市普蘭店灣位于遼東半島中部,坐落在瓦房店市炮臺鎮松木島村的西南側海域。普蘭店灣四周分布大量的灘涂,地方政府在此區域大力開發貝類、海參等生物的底播增殖及圍堰養殖活動[1]。圍海造池占用大量潮灘,致使普蘭店灣自然岸線萎縮嚴重,水面受到較大的破壞。例如,普蘭店灣中部海域的水面寬度縮窄,平均寬度約為500 m,中部水域水面最寬也不足2 km;退潮時該區域海水平均深度較淺,局部區域甚至干涸,出現灣底淤泥露出等現象[2]。2018年,生態環境部、國家發展和改革委員會、自然資源部發布《渤海綜合治理攻堅戰行動計劃》明確提出:加強河口海灣綜合整治修復,實現水質不下降、生態不退化、功能不降低,重建綠色海岸,恢復生態景觀[3]。

近幾年,國內相關學者針對普蘭店海灣的水動力和水環境變化問題開展了大量的研究工作,運用水動力數值模型對普蘭店灣的潮流場進行模擬分析,復演了普蘭店灣的潮流結構和時空變化過程[4]。唐俊逸等[5]結合普蘭店灣的水文和化學要素現場調查數據,對普蘭店灣水交換能力和污染物的對流擴散進行了計算,并提出普蘭店灣上游COD入海的排放管控建議。姜恒志和邢傳璽等[6-7]運用數值模型對普蘭店灣的水動力和污染物輸運過程進行了模擬研究,結果表明:普蘭店灣內不同區域的地形變化較大,致使其各區域的水體交換能力分布極不均勻,其研究結果為普蘭店灣的排污布局提供了科學的規劃依據。盡管相關學者在普蘭店灣的數值模擬和海灣環境評價等方面做了較多的研究工作,但是其研究的局限性在于:研究工作主要集中在普蘭店灣的水動力及其水體交換能力方面,而針對普蘭店灣海域開展“退養還灘”工程,尤其是關于退養還灘工程對拓寬島間現有潮汐通道寬度,以及提高區域納潮能力方面缺少認知,因此,利用“退養還灘”實現岸線修復和潮灘濕地恢復功能的相關研究亟須深入開展。本研究基于MIKE-21水動力模塊,數值分析了普蘭店灣養殖池塘圍堰工程拆除前后的水動力時空變化特征,評價潮灘養殖圍堰拆除的合理性及其對水動力環境改善的效果。

1 研究區域概況

普蘭店灣位于金州鎮西北20 km的渤海水域[6],是一個呈東西走向的狹長封閉海灣,灣口朝向西南,其東西長度約為35 km,南北最寬處約6 km,最窄處僅為500 m。該海域淺灘面積廣闊,坨子、島嶼和水下殘礁數量較多,其中海域面積為530 km2,灘涂面積208 km2,島礁面積9.2 km2。普蘭店灣水深變化復雜,一般小于5 m,南深北淺,水下地形向深水槽傾斜且坡度較大。普蘭店灣潮汐特征為不正規半日潮,其中太陰半日潮為優勢分潮,海流以往復流為主。普蘭店灣附近風力弱,入海河流含沙量小,灣內海流呈自然規律性的周期運動,促使海域周邊形成面積廣闊的天然沙灘。由于該水域灘涂資源豐富,再加上海水水溫適宜,水質條件優越,初級生產力水平較高,適宜漁業養殖的發展。隨著水域灘涂資源不斷開發,大量潮灘被利用開展海水池塘養殖和灘涂底播養殖。本次研究的養殖圍堰拆除區域主要位于普蘭店內灣的南側、北側及東側的海水養殖區域。該部分養殖池塘致使海灣的潮汐通道寬度過窄,納潮能力降低,也使海灣與外海的交換能力下降。通過規劃圍海養殖圍堰拆除工程,直接出露后方基巖岸線,進而恢復拆除區域的原始灘涂屬性,通過普蘭店灣的漲落潮過程,可以實現該區域的生態環境的自我恢復,以及提高灣內外的海水交換能力。

2 水動力模型構建與驗證

普蘭店灣水深較淺,其水平尺度遠大于垂向運動尺度,故采用沿水深積分的二維模型在精度和計算效率上都滿足要求。

2.1 控制方程

二維深度平均淺水方程表達式如下[8-11]。

連續方程:

動量方程:

式中:ζ為潮位;h為靜水深;H為總水深,H=h+ζ;x和y為直角坐標系坐標;u和v分別為沿x、y方向的垂向平均流速分量;f=2ωsin?為柯氏參數,其中ω為地轉角速度,?為地理緯度;g為重力加速度;Cz為謝才系數,,n為海床曼寧系數;εx、εy為x、y方向水平渦動黏滯系數。

2.2 初始條件和邊界條件

在海域潮流計算中,初始流場一般采用“冷啟動”初始條件給定。在本研究采用的數值模式中,開邊界條件給定潮位變化過程;水陸交界處給定閉邊界條件,水質點的法向速度為零,對于潮灘,水陸交界的位置隨著潮位的漲落而變化,在本模型中考慮了動邊界內網格節點的干濕變化。

2.3 計算域網格

本研究計算范圍主要為金州灣-普蘭店灣海域,計算域范圍為39°03'N—39°24'N,121°15'E—121°55'E,項目養殖池圍堰拆除工程普蘭店灣的東北側,西鄰松木島雜貨碼頭,模型網格系統采用三角形網格,其計算域網格如圖1(a)所示。為了能清楚了解本工程附近海域的潮流狀況,工程實施后是否能有效改善該區域附近水動力和生態環境質量,將工程區域附近海域進行了加密,在距工程較遠的區域采用較大的網格,工程附近采用較小網格。整個模擬區域內,工程前由17 215個節點和32 194個三角單元組成,工程后由18 657個節點和34 967個三角單元組成,最小空間步長均約為10 m,具體如圖1(b)和(c)所示。

圖1 研究區域網格圖

2.4 納潮量計算方法

納潮量是指某一個海域可以受納潮水的體積,它是評價水域內海水與外海水體交換能力的重要指標,也是衡量水域水體自凈的一個關鍵因子[12-14]。通常情況下,納潮量計算公式可表達如下:

式中:Q為某一個潮周期內的納潮量;T1和T2分別為對應一個潮周期的低潮和高潮時刻,U為深度平均流速。

3 水動力模型驗證與分析

3.1 模型驗證

國家海洋環境監測中心站于2020年對養殖圍堰拆除附近海域的水位和潮流進行了現場觀測。本次測量共計設置6個測點,見圖1(a)。測流時間段為:小潮期間(2020年11月25—26日)和大潮期間(2020年12月1—2日),在每個站點布設海流計進行25小時的連續觀測,潮位測點坐標同站位5坐標。圖2為大潮期間模擬潮位與實測值的對比,通過對比結果可知,模擬過程中最大潮差為2.97 m,最小潮差為-1.03 m,大潮期間模擬值與實測值最大誤差為0.21 m,模擬相位與實測相位差在0~10分鐘,模擬誤差在允許范圍內。圖3為大潮期流速、流向計算結果和實測值的對比,從圖中可以看出6個測點模擬的流速、流向變化趨勢與實測數據大致相同。小潮期的模擬結果精度略高于大潮期的計算精度,為了節省文章篇幅,在本研究中將不再提供。

圖2 大潮期間測點5模擬潮位與實測值的對比

圖3 大潮期各測點模擬結果和實測值的對比

圖4給出了工程前金州灣-普蘭店灣海域大潮漲、落急時刻流場,圖5給出了普蘭店灣中部海域的大潮漲落急流場。漲潮時,外海水體繞過老鐵山水道進入金州灣內,沿東北方向進入普蘭店灣,金州灣內漲急時刻流向為NE向,普蘭店灣內漲潮流向為E向,流向基本與海灣走向一致;落潮時流態則基本相反,普蘭店灣內水體順岸流向金州灣,金州灣內的落潮流以SW向流向渤海灣口,模擬的流場結構和實際潮流運動相符。普蘭店灣中部較窄處流速較大,達到1.0 m/s左右,而灣口與灣底則流速稍小,約在0.3~0.6 m/s變化;金州灣內流場自灣口向灣底逐漸減弱,漲落急時刻流速在0.1~0.8 m/s波動。總體而言,該模型可以準確地模擬普蘭店灣區域的潮位、流速、流向的變化過程,計算結果合理,可用于研究普蘭店灣養殖圍堰拆除工程前后復雜的流場變化機制。

圖4 工程前金州灣-普蘭店灣海域大潮漲、落急時刻流場

圖5 工程前圍堰拆除附近海域大潮漲、落急時刻潮流場

3.2 養殖圍堰拆除后流場特征分析

為進一步了解養殖圍堰拆除工程對附近海域潮流場的影響,在該圍堰拆除工程附近海域選取了33個代表站點對工程前后的潮流速度進行分析。站點1-17位于工程區附近海域,站點18-25距離工程區較遠,站點26~33位于工程區內,各測點位置見圖6。在工程區內,養殖圍堰拆除前后各站點均在一個潮周期內出現明顯的速度變化,其中,站點33在漲潮時出現最大的速度變化,值增量約為0.39 m/s,退潮時該點速度較工程前增大0.26 m/s。對于工程區附近的代表點來說,站點3在漲潮時流速的最大變幅約為0.52 m/s,增量約為工程前流速的46.61%,落潮流時其流速的最大變幅約為0.16 m/s,增量約為工程前流速的31.42%。對于距離工程較遠的站點18~25,速度基本未受到工程的影響。在工程區內,各站點的流向變化較大,在工程區附近最大流向變化在24°以內,遠離工程區各站點的流向基本不受影響。圖7給出了大潮期工程區內站點28和站點31的水深變化過程,其中站點31位于普蘭店灣內的中部養殖區,漲潮時最大水深可達4.5 m,退潮時水深約為1.5 m,該部分區域由原來的養殖池塘轉化為海灣特征,而站點28(北岸養殖區)在漲潮時最大水深超過1.4 m,落潮時潮灘逐漸干出,該區域呈現明顯的潮灘特性。

圖6 工程區附近流速比對點布置

圖7 工程后大潮期模擬水深的變化

圖8給出了普蘭店灣中部海域養殖圍堰拆除后大潮期漲、落急時刻潮流場矢量圖,對于普蘭店灣來說,南岸和中部區域圍堰的拆除增加了主潮流通道的寬度,工程后灣中深水區域仍為漲落潮的主通道,而北岸養殖區的拆除則主要拓寬海灣面積,隨著漲潮水位的上升,水體逐漸漫灘至圍堰拆除區域的北側灘涂,而落潮時水體則流向主潮流通道。工程實施后普蘭店灣中部和南部區域的流速也有所增大,尤其在圍堰拆除區域,漲、落急時流速增大較為明顯,而工程對外側的金州灣及渤海整體的漲落潮過程基本無影響。

圖8 圍堰拆除附近海域大潮期漲、落急時刻潮流場

3.3 養殖圍堰拆除后的納潮量分析

本研究以普蘭店灣中部海域的岬角作為普蘭店灣內灣的灣口斷面,針對工程前后的納潮量變化進行數值分析,具體結果見圖9。在養殖圍堰拆除前,該海域在大潮期的納潮量最大為1.001 7億m3,最小為0.409 9億m3,平均納潮量為0.713 9億m3;在養殖圍堰拆除工程后,納潮量最大為1.087 2億m3,最小為0.400 2億m3,平均納潮量為0.737 8億m3。由圖可以看出,普蘭店灣灘涂圍堰養殖拆除在一定程度上增加海區水域的過水面積,使灣內的納潮量增大了8.535%。總體而言,普蘭店灣本次拆除工程面積相對較小,對普蘭店灣納潮量影響還十分有限,為進一步提高普蘭店灣的水交換能力和綠色生態海岸的恢復,需進一步擴大灘涂養殖池塘的拆除范圍,進而全面實現普蘭店灣生態海岸的恢復和可持續發展。

圖9 普蘭店灣中部海域養殖圍堰拆除前后納潮量的對比

4 結論

(1)本研究構建了普蘭店灣養殖圍堰拆除工程海域的潮流數值模型,模型模擬計算結果與實際觀測資料吻合較好,普蘭店灣海域受狹長形態影響,灣內漲落潮流向基本為EW向,流向與兩側岸線及深水航道走向基本一致,普蘭店灣的中部收窄處流速較大。

(2)潮流數值模擬表明,近岸養殖池圍堰拆除區域的局部灘涂流速增大在0.3~0.4 m/s變化。由于拆除工程為順岸工程,對工程拆除區域距離在1.5 km以內的海域的水動力環境有一定影響,隨著與拆除工程距離的增大,影響越來越小,而對金州灣及外海的整體流場基本無影響。

(3)根據圍堰拆除后的流場分析可知:拆除區域北岸潮灘漲、落潮時有明顯的流體運動,并且在大潮期可實現潮水的周期性全面淹沒,小潮期可實現潮水的局部淹沒,該區域由原來的封閉養殖池塘轉化為具備潮灘功能的灘涂區域,而南岸和中部拆除區域在漲落潮過程中一直處于淹沒狀態,養殖池特征轉化為海灣屬性。此外,通過養殖池圍堰拆除工程拓寬了普蘭店灣中部水域面積,提高了灣內的漲落潮流速,增加了灣內的納潮量。