錨地工程建設對海南清瀾灣水動力影響數值模擬研究

彭偉偉,婁 琦,徐艷東,方雪原,魏 瀟

(1.中國海洋大學 環境科學與工程學院,山東 青島 266100;2.滿洲里海關 內蒙古 滿洲里 021400;3. 山東省海洋資源與環境研究院,山東省海洋生態修復重點實驗室,山東 煙臺 264006;4. 青島中海昶洋環境科技有限公司,山東 青島 266100)

引 言

海灣是海洋與陸地的過渡區域,也是重要的海洋生態系統承載空間。因開發環境優越,具有重要的經濟和戰略價值。海灣是一個整體,某一開發活動通常會影響其他開發活動或整個海灣的環境變化[12]。研究表明,近幾十年來,高強度人類活動已導致海灣生態環境惡化、生態系統失衡,并對沿海經濟社會的可持續發展造成了較為嚴重的影響,因此認識和了解人類活動影響下的海灣環境變化具有重要意義[3-5]。

清瀾灣位于海南島東北部的文昌市(圖1),口門寬約5.2 km,海灣面積40 km2[6],是典型的河口型潟湖[7],屬于狹長型半封閉海灣。清瀾灣已有的研究主要集中在水動力[8-12]、海岸線變遷[13]、紅樹林等生物群落特征[14-18]以及沉積物污染特征[18-20]等方面。其中,在水動力方面,胡志遠[8]、宋永港[9]、王道儒等[10]、李超等[11]采用不同的數值模型模擬了水動力場、波浪場、泥沙輸運等過程,分別分析了圍填海工程、航道疏浚、潟湖圍塘工程對清瀾灣潮汐汊道的潮波、潮通量、鹽水入侵和河口環流及羽流的影響,并針對清瀾灣內及口門泥沙輸運機制等進行了研究;何海豐[12]基于清瀾灣2011年現場觀測資料,初步揭示了灣內表層沉積物、潮流場、懸浮泥沙和地形地貌特征,并探討了海灣沉積物的輸運趨勢和底床穩定性。

圖1 研究區域和錨地工程位置圖

開展海灣水動力特征變化研究,對保護海灣生態環境以及進行港口建設、海水養殖等合理開發活動具有重要的參考價值。但目前針對海灣人類活動的研究,主要關注填海造地、圍海、跨海橋梁、碼頭堤壩建設、人工魚礁建設等方面,而針對錨地工程建設對水動力和生態環境產生影響的系統研究還比較少。另外,清瀾港建港歷史悠久,是海南島東海岸的重要商港,也是連接西沙、中沙和南沙群島的重要樞紐,因此研究港口工程對清瀾灣的影響顯得極為重要。本文將清瀾灣選為研究對象,以水文現場調查為基礎,分析掌握了清瀾灣灣內外的水動力特征,并通過數值方法模擬和分析了清瀾灣北端的錨地工程建設對水動力場和水交換能力的影響,為清瀾灣海洋生態環境保護和國土空間規劃提供科學依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 清瀾灣錨地工程概況

清瀾灣錨地工程位于海南省文昌清瀾灣,清瀾大橋北側約1.2 km處,總用海面積87.4267 hm2,錨地現狀水深在0.57～7.96 m,平均水深為2.49 m,錨地設計水深4.5 m,對周邊海域疏浚106.113 1 hm2,疏浚量373.4萬m3。錨地位置和清瀾灣的水深地形見圖1。

1.2 水文現場觀測與分析

原國家海洋局?？诤Ｑ蟓h境監測中心站于2016年6月7日10:00至6月8日11:00(農歷五月初三和初四)大潮期在項目附近開展了水文調查,布設4個海流調查站位(1#～4#)和2個潮位調查站位(1#和5#),站位分布情況見圖1。其中,海流觀測采用亞力克海流計1133,潮位觀測采用RBRduo51697。

1.3 數學模型

本文水動力模型采用丹麥水利研究所(DHI)研發的MIKE 21FM水動力模型。該模型是一種基于非結構化不規則三角形網格的數值模擬系統,廣泛應用于海灣、河口的數值模擬,其模擬精度高、使用便捷,是模擬水動力的良好工具[22-23]。其水動力控制方程為沿水深積分的連續性方程和動量方程,具體見文獻[24]。

建立模型的計算域范圍見圖2。模擬采用非結構三角網格,為了能更清楚了解工程附近海域的潮流狀況,將工程附近海域進行局部加密。整個模擬區域內由7338個節點和12844個三角單元組成,最小空間步長約為30 m。模型的水深提取自2005年出版的1∶25000清瀾灣及附近海圖(圖號16151)和中鐵建港航局集團勘查設計院有限公司提供的清瀾灣錨地工程水深數據,計算域的水深地形見圖2。

圖2 計算域網格及水深地形圖

開邊界由全球模型調和求得開邊界的M2、S2、K1、O1、M4和MS4六個分潮調和常數值輸入計算,閉邊界采用以大海域和工程周邊岸線作為邊界。模型的上游邊界,采用文教河和文昌河多年平均流量加以控制,分別為文教河7.5 m3/s、文昌河13.5 m3/s。

模型計算時間步長根據CFL條件進行動態調整[25],確保模型計算穩定進行,最小時間步長0.8 s。底床糙率通過曼寧系數進行控制,曼寧系數n取58～62 m1/3/s。

潮位和潮流驗證分別是以現場調查的2個潮位調查站和4個海流調查站的觀測值作為實測值,與相應位置網格點的潮位和潮流模擬值進行比較,驗證曲線分別見圖3和圖4。對比結果表明,對應觀測點上潮位和潮流模擬結果與實測潮位和潮流資料吻合較好,模型可較好地反映錨地工程周邊海域的潮流狀況。

圖3 潮位驗證曲線

圖4 潮流驗證曲線

1.4 水交換影響分析

(1)納潮量計算

某海域在一個潮周期內所能接納的海水的體積即為該海域的納潮量。納潮量是衡量水交換能力的重要指標之一,影響海灣與外海的交換強度、污染物的輸移擴散以及港口航道的維持,是制約海灣自凈能力和港口航道發展的重要參數[26]。

納潮量的計算公式:

(1)

式中,S1、S2分別為高、低潮時的水域面積;H1、H2為高、低潮潮位。

為精確計算結果,本文將納潮量概念應用到每個網格范圍內,公式引申為:

(2)

式中,Si、H1i、H2i分別為高潮時刻和低潮時刻第i個網格的網格面積和水位;n為所選取海域的網格總數;P為納潮量。

(2)半交換時間

在水交換研究中,水體半交換時間定義為某海域示蹤物質濃度通過對流擴散稀釋為初始濃度一半所需的時間,以溶解態的示蹤物質作為灣內的示蹤劑,利用示蹤物質的稀釋快慢來表征海水的交換能力[27]。模型將清瀾灣內初始濃度設為1 mg/L,清瀾灣AB斷面向外濃度為0 mg/L。為保證示蹤物質濃度趨于穩定,在潮流場模擬達到穩定后,再開啟對流擴散模型,使其繼續運行120 d。

2 結果與討論

2.1 水文調查結果

潮位調查統計結果表明,在2016年6月7日—8日大潮期25 h潮位觀測期間,存在兩次落潮和兩次漲潮,其中一次落潮時間短,潮差小。八門灣海域(1#站)潮位觀測期間,最大高潮位為181 cm(1985年國家高程基準),發生在6月8日11:10;最低低潮位為-48 cm,發生在6月7日20:10,灣內最大潮差為229 cm。而八門灣外海即高隆灣(5#站)最大高潮位為161 cm,發生在7日11:30;最低低潮位為-21 cm,該海域最大潮差為182 cm。

海流觀測期間,該海域風向以南風為主,平均風速為1.4 m/s,最大風速為2.5 m/s。根據實測潮流資料分析,項目海域潮流有如下特征:①潮汐通道內流速較大,實測最大漲潮流速為58.6 cm/s,實測最大落潮流速為123.8 cm/s;潮汐通道內最大落潮的流速明顯高于通道口門及高隆灣,而最大漲潮流速略高于通道口門及高隆灣。②各調查站位漲潮平均流速為10.6～29.2 cm/s,落潮平均流速為12.2～52.0 cm/s。③清瀾灣潮汐通道及口門(1#～4#站)潮流為往復流,流向與通道走向一致;灣外的高隆灣(5#～6#站)潮流表現為旋轉流(圖5a至圖5c)。在不同深度,潮汐通道及口門流速和流向均比較穩定,高隆灣流速雖變化較小,但流向多變。

余流分析結果表明,灣外的高隆灣6#站余流最大,其值介于1.3～22.1 cm/s,其他站位余流流速介于2.4～11.0 cm/s之間。受地形和海岸線影響,大潮期1#站各層余流流向均為西南向,潮汐通道及口門余流流向與潮汐通道走向平行,2#站為西北向,3#站和4#站為東南向,而灣外的高隆灣內5#站為西北向,6#站為西南向,見圖5(d)。

2.2 潮流場變化

計算海域落急和漲急時刻流場見圖6。漲潮時大海域潮流從西南向東北方向流動,工程區域由于地形限制潮流由南向北流入清瀾灣內;落急時流向與漲潮時相反,為往復流,工程區域潮流由北向南流出清瀾灣。工程建設前周邊海域落急時刻(圖6a),潮流受地形限制向南流動,錨地附近潮流流速在15～40 cm/s,清瀾灣白頭尾附近流速較快,最高可達100 cm/s;漲急時刻(圖6c),潮流受地形限制向北流動,錨地附近潮流流速在0～30 cm/s,清瀾灣白頭尾附近流速較快,最高可達90 cm/s。

圖6 錨地工程建設前后大潮期不同時刻潮流場

工程建成后,錨地區域水深發生了變化,周邊海域落急和漲急時刻流場見圖6b和圖6d。工程建設前后最大流速對比結果表明工程范圍內流速有所減小,減小范圍在0～15 cm/s,東側錨地的西北角附近流速改變最為顯著,最高減小約15 cm/s。東側的錨地西北角附近和兩處錨地的北側部分海域流速有增大趨勢,增加范圍在0～10 cm/s。工程周邊流速的變化值在±15 cm/s的范圍不超過500 m,工程周邊海域潮流流速雖發生了一定的變化,但流向與工程建設前基本一致。

2.3 對納潮量的影響

為了進一步分析錨地施工前后清瀾灣的納潮量變化情況,本文選取A、B連線作為清瀾灣的納潮量計算斷面(圖1),并選取錨地內一點作為潮位變化代表點,得到工程前后清瀾灣自2016年6月4日起一個月內的納潮量變化曲線(圖7)。由圖可以看出,在這一個月內,由于大小潮的交替出現,導致計算海域潮差不斷變化,其納潮量也呈現出了與潮差變化一致的變化趨勢。由模擬結果可知,工程建設前清瀾灣納潮量最大為1.14×107m3,最小為3.48×106m3,平均7.92×106m3;工程建設后清瀾灣納潮量最大為1.14×107m3,最小為3.90×106m3,平均8.14×106m3。

圖7 錨地工程建設前后納潮量對比圖和差異圖

根據工程建設前后納潮量差異(圖7)分析可知,工程建設后較工程建設前納潮量有所增加,最大增幅達5.85×105m3,平均增幅為2.15×105m3。

2.4 對半交換時間的影響

圖8為工程建設前后半交換時間到達時刻清瀾灣內示蹤物質濃度場分布,圖9a和圖9b分別為工程建設前后半交換時刻示蹤物質濃度場差值和清瀾灣示蹤物質平均濃度變化曲線。結果表明,清瀾灣內的物質濃度在隨時間逐漸減小的同時,又呈現出明顯的隨潮汐震蕩的趨勢,半交換時間由北向南呈逐漸減小的趨勢,工程對計算區域南、北部的示蹤物質濃度的影響呈逐漸減小的趨勢。模擬結果表明,工程前清瀾灣水體半交換時間約為85 d,工程后清瀾灣水體半交換時間約為71 d,錨地建設對清瀾灣潮汐通道水交換時間產生了明顯影響。

圖8 工程建設前后清瀾灣半交換時刻示蹤物質濃度場

3 結論

(1)大潮期調查結果表明,25 h內清瀾灣存在兩次落潮和兩次漲潮;在觀測期內以南風為主,平均風速1.4 m/s;4個潮流觀測點漲潮期平均流速為10.6～29.2 cm/s,落潮期為12.2～52.0 cm/s,潮汐通道內海流流速較大,最大落潮流速明顯高于通道口門和高隆灣;清瀾灣及口門潮流為往復流(流向與通道走向一致),高隆灣內潮流表現為旋轉流。4個潮流觀測點以灣外開闊海域的余流最大,灣內余流受地形和岸線影響較大,潮汐通道及口門余流流向與潮汐通道走向平行。

(2)清瀾灣水動力模擬結果表明,漲潮時清瀾灣和灣口海域的潮流從西南向東北方向流動,工程區域由于受地形限制,潮流由南向北流入清瀾灣內;落急時,流向與漲潮時相反,為往復流,工程區潮流由北向南流出清瀾灣;大潮期最大流場對比結果表明,工程建設引起的流速變化主要發生在錨地工程附近,工程所在區域流速有所減小,減小范圍為0～15 cm/s,東側錨地的西北角附近流速改變最為顯著,最高減小約15 cm/s。東側錨地的西北角附近和兩處錨地的北側部分海域流速有增大趨勢,增加范圍在0～10 cm/s,總體上工程周邊流速變化值在±15 cm/s的范圍不超過500 m。

(3)清瀾灣潮汐通道的納潮量在工程建設后較建設前有所增加,平均增幅為2.15×105m3;工程前清瀾灣水體半交換時間約為85 d,工程后清瀾灣水體半交換時間減少了14 d,錨地建設對水交換時間產生了明顯影響。