人工島對(duì)金夢(mèng)海灣水體交換的影響

匡翠萍,俞露露,顧 杰,董智超,宋竑霖,朱 磊

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人工島對(duì)金夢(mèng)海灣水體交換的影響

匡翠萍1,俞露露1,顧 杰2*,董智超1,宋竑霖1,朱 磊3

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系,上海 200092；2.上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 201306；3.河北省地礦局第八地質(zhì)大隊(duì),河北 秦皇島 066001)

為研究金夢(mèng)海灣人工島的不同布局對(duì)周圍海域水動(dòng)力及水體交換的影響,基于MIKE軟件建立三維和二維潮流模型以及保守物質(zhì)輸運(yùn)模型,運(yùn)用歐拉法計(jì)算水體滯留時(shí)間,從整體和分區(qū)二個(gè)方面分析人工島對(duì)水體交換的影響機(jī)制.結(jié)果表明:海螺島工程起到分流?導(dǎo)流的作用,提升了金夢(mèng)海灣的水體交換能力,水體交換率提升10.17%;海螺島和進(jìn)島路的聯(lián)合作用,使金夢(mèng)海灣形成一個(gè)水體交換能力較差的半封閉式水域,水體交換率下降7.73%;在建設(shè)人工島時(shí)保留潮汐通道有助于該區(qū)域的水體交換,進(jìn)島路的去除為湯河口和金夢(mèng)海灣近岸增加一條潮汐通道,水體交換能力增加17.90%;在弱潮流地區(qū),需考慮余流的作用.金夢(mèng)海灣區(qū)域的余流小,潮流弱,因此保守物質(zhì)滯留時(shí)間長,水體交換緩慢,水體的自凈能力低.

水體交換；水動(dòng)力；人工島；金夢(mèng)海灣

人工島的建設(shè)在增加土地資源的同時(shí)改變了近岸動(dòng)力環(huán)境條件.人工島是人類開發(fā)和利用海洋資源的重要方式,既緩解了人與土地之間的矛盾,又優(yōu)化了海洋生態(tài)資源的配置.隨著秦皇島岸線資源的持續(xù)開發(fā),近岸海域水質(zhì)污染和水體富營養(yǎng)化加劇,赤潮等海洋污染災(zāi)害頻發(fā)[1],在2004~2014年期間,該地區(qū)5~8月份都會(huì)發(fā)生赤潮現(xiàn)象[2].建設(shè)人工島會(huì)改變?cè)己０兜陌毒€,新產(chǎn)生的人工岸線可能會(huì)改變?cè)己Ｓ虻乃畡?dòng)力環(huán)境,影響水體交換能力,對(duì)近岸海域的生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定影響.郭磊[3]和龔文平等[4]的研究表明,人工島建設(shè)對(duì)研究海域的水動(dòng)力和水體交換的影響具有區(qū)域性差異,人工島因其大小?離岸的距離及所處位置的不同,對(duì)水動(dòng)力和水體交換的影響也僅局限在人工島周邊水域.

為研究人工島對(duì)近岸海域海洋生態(tài)環(huán)境的影響,需綜合分析該海域水動(dòng)力環(huán)境和水體交換能力.水體交換的能力主要體現(xiàn)在水體交換率[5]和水體的交換時(shí)間[6]兩個(gè)方面.水體交換率主要是利用現(xiàn)場觀測和數(shù)學(xué)模型,研究潮周期海水的平均濃度,對(duì)水體交換能力可用水體生命值[7]、更新時(shí)間[8]、半交換時(shí)間[9]、滯留時(shí)間[10-11]等時(shí)間尺度進(jìn)行定義.現(xiàn)有的研究中較為常見研究方法為拉格朗日法[12]和歐拉法[13].拉格朗日法把流體看成質(zhì)點(diǎn),設(shè)法描述每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)粒子軌跡進(jìn)行跟蹤與計(jì)算,得出時(shí)間尺度[14];歐拉法基于對(duì)流擴(kuò)散方程,以溶解態(tài)的保守物質(zhì)為示蹤劑,使用參數(shù)化的方法把重力環(huán)流和潮振蕩的垂向剪切作用的水平混合效應(yīng)包納在水平二維的示蹤劑對(duì)流擴(kuò)散方程中[15],能更好的模擬水體交換的過程,歐拉法反映局部地區(qū)的余流特征.

王乃瑞[16]和張瑋等[17]分別基于二維水質(zhì)模型和對(duì)流擴(kuò)散模型,研究環(huán)抱式港灣和港池與不同布置方案下海域內(nèi)水體交換率的響應(yīng)關(guān)系,探究了口門寬度與工程近岸海域內(nèi)水體交換能力之間的關(guān)系,得出水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱和工程的位置對(duì)水體交換能力具有很大的影響.劉嘉星[18]基于ROMS模型和對(duì)流擴(kuò)散模型,研究渤海灣圍海造地對(duì)水動(dòng)力和水交換產(chǎn)生的影響,最終得出水體交換能力受圍填海工程影響較大,工程附近區(qū)域的水體交換能力呈減弱趨勢.趙桂俠等[19]利用EFDC建立三維水動(dòng)力模型,研究人工島布置方式對(duì)遼東灣海域水動(dòng)力和水體交換的影響,結(jié)果表明人工島的建設(shè)阻礙了水體的流動(dòng),迎水面投影長度越長,其對(duì)水流的阻礙作用越大,易形成低速流區(qū),導(dǎo)致區(qū)域的水體交換能力差.以上學(xué)者運(yùn)用不同的數(shù)值模擬方法,基于不同圍填海工程的位置和布局方式,計(jì)算和分析所研究海域水動(dòng)力條件和水體交換能力的變化,研究表明圍填海和人工島工程的建設(shè)對(duì)工程周圍水環(huán)境的影響巨大,不同的圍填海形態(tài)和人工島位置都會(huì)對(duì)近岸水動(dòng)力和水環(huán)境產(chǎn)生不同的影響結(jié)果,且工程內(nèi)部的水體交換能力因區(qū)域位置的不同而有較大的差異,研究所得的成果亦為工程的建設(shè)給出合理的規(guī)劃和布局方案.

近年來,由于外海養(yǎng)殖、沿海排污和陸域污染等因素,造成金夢(mèng)海灣近岸海域水質(zhì)嚴(yán)重惡化,水體富營養(yǎng)現(xiàn)象嚴(yán)重,海水水質(zhì)為四級(jí),嚴(yán)重影響了金夢(mèng)海灣的生態(tài)環(huán)境.受近岸人工島的影響,原有的近岸水動(dòng)力條件發(fā)生改變,水體交換能力減弱.而金夢(mèng)海灣區(qū)域人工島對(duì)水體交換影響的研究甚少,研究和分析人工島建設(shè)的合理性,避免人工島建設(shè)后對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的破壞,對(duì)研究海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和開發(fā)具有積極的意義.本文以秦皇島近岸的金夢(mèng)海灣為例,結(jié)合金夢(mèng)海灣海域最新的水動(dòng)力環(huán)境,通過二維潮流和保守物質(zhì)輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型研究分析人工島對(duì)該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境的改變,對(duì)比和分析人工島的不同工況組合對(duì)水體交換能力的影響,以期對(duì)金夢(mèng)海灣人工島建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域概述

圖1 計(jì)算區(qū)域?網(wǎng)格?測站和人工島位置

研究區(qū)域涵蓋金夢(mèng)海灣近岸及其周邊海域(圖1),北起湯河,南至金夢(mèng)海灣森林公園.金夢(mèng)海灣的人工建筑物相對(duì)比較密集,其中主要的建筑物有潛堤、海螺島以及通往海螺島的進(jìn)島路.潛堤共有3座,每座長度為360m,離岸約380m;海螺島2013年底開始建設(shè),離岸約600m,連接海岸和海螺島之間的為進(jìn)島路,其結(jié)構(gòu)是透水性較差的管涵結(jié)構(gòu).金夢(mèng)海灣海域靠近秦皇島外海的無潮點(diǎn),整體潮差較小,潮流動(dòng)力弱;潮汐為規(guī)則全日潮,潮流為規(guī)則半日潮,漲急呈WSW向、落急呈ENE向,研究區(qū)域?yàn)轫槹锻鶑?fù)流,外海流速大小為0.15~ 0.24m/s.

2 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

2.1 基本控制方程

2.1.1 潮流模型 Mike軟件是丹麥水力學(xué)研究所(DHI)[20]研發(fā)的通用數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng),主要模擬湖泊、河口、河流、海岸和海洋的波浪、泥沙、水流及環(huán)境的變化,其中Mike3模型是在河口海岸水域數(shù)值模擬方面比較有優(yōu)勢的三維水流模型,其基本方程是基于三維不可壓縮的雷諾平均化的N-S方程給出的三維淺水方程[21];Mike 21Flow Model子模塊是從屬于Mike 21 模型的二維潮流模型,根據(jù)靜水壓力假定、淺水假定和布辛涅斯克假定,通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均納維－斯托克斯化的淺水方程[22].模型的連續(xù)方程和動(dòng)量方程見文獻(xiàn)[23-24].

在研究區(qū)域取兩個(gè)典型點(diǎn)T1和T2(位置見圖1),其三維與二維模型計(jì)算得出的垂向平均流速過程的比較以及三維的流速的垂向分布見圖2,可見在垂向上的流速變化甚微,流速由表層至底層逐漸減小,因研究區(qū)域內(nèi)的水深較淺,利用三維水動(dòng)力模型計(jì)算得到沿水深方向的流速變化較小,底層速度較表層速度減小幅度在5%以內(nèi);且在研究區(qū)域內(nèi)的湯河口建有橡膠壩,有效攔截了自河口涌入的淡水,研究區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)淡鹽水混合的情況,因此利用三維模型計(jì)算得出的各層流速與二維的計(jì)算結(jié)果差異不大,而三維水動(dòng)力模型較二維模型計(jì)算時(shí)間長,計(jì)算量大,故本文在保證計(jì)算精度的情況下為提高計(jì)算效率,采用二維水動(dòng)力模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行模擬和計(jì)算.

圖2 二維與三維垂向平均流速對(duì)比及三維流速垂向分布

2.1.2 保守物質(zhì)輸運(yùn)模型 MIKE 21Transport 模型考慮了保守物質(zhì)的擴(kuò)散和衰減[25],其物質(zhì)的守恒方程如下:

式中:、表示、方向上的速度分量;為水深;D、D為、方向上擴(kuò)散系數(shù);為保守物質(zhì)濃度.

2.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

為了驗(yàn)證水動(dòng)力模型的合理性,以及滿足計(jì)算精度的要求,本文采用大(渤海模型)?小(秦皇島海域模型)模型雙重嵌套的方式進(jìn)行計(jì)算.渤海大模型以大連和煙臺(tái)兩個(gè)潮位站的連線作為潮位開邊界,其模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為14183,網(wǎng)格單元數(shù)為23419.秦皇島海域小模型北起樂島公園,南至洋河口,計(jì)算范圍在NW-SE方向上長16.5km(離岸距離),在NE-SW方向上長35.6km(沿岸距離),研究區(qū)域面積約為587.4km2.小模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為13431,網(wǎng)格單元數(shù)為25585,對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行局部加密處理,網(wǎng)格分辨率為10~2500m.大?小模型的具體位置如圖1所示.

2.3 保守物質(zhì)輸運(yùn)模型計(jì)算范圍

假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)的保守物質(zhì)濃度為=1,其他海域的初始濃度則為=0,在潮流作用下,研究區(qū)域的水體與區(qū)域外水體進(jìn)行混合,使區(qū)域內(nèi)保守物質(zhì)的濃度逐漸降低.研究區(qū)域如圖3(a)所示.為研究工程前后水體交換特性的變化,將研究區(qū)域分為如圖3(b)中5個(gè)子區(qū)域.A為進(jìn)島路附近海域,B為金夢(mèng)海灣近岸海域,C為海螺島西側(cè)外海海域,D為海螺島西側(cè)碼頭海域,E為湯河口.

2.4 模型驗(yàn)證

本文使用的潮流數(shù)據(jù)來源于海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目中的實(shí)測資料,文中采用的嵌套渤海模型以及秦皇島模型已在我們以往的研究中進(jìn)行過多次驗(yàn)證[27-28],因此本文驗(yàn)證僅顯示工程鄰近區(qū)域2點(diǎn)的潮流驗(yàn)證.在研究區(qū)域內(nèi)布置有秦皇島潮位站、JM01和JM02潮流測站(圖1),分別對(duì)秦皇島海域進(jìn)行了大、小潮期間的水文測驗(yàn).根據(jù)研究范圍內(nèi)已有的實(shí)測資料,確定模型驗(yàn)證時(shí)間段;首先,采用潮汐表中秦皇島測站(圖1)的潮位預(yù)報(bào)值對(duì)相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的潮位計(jì)算值進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示(圖4)計(jì)算值與預(yù)報(bào)值擬合效果較好.其次,采用典型測站JM01和JM02站點(diǎn)的大、小潮期間的流速、流向數(shù)據(jù)(2013年5月11~12日大潮、2013年5月16~17日小潮)對(duì)潮流模型做進(jìn)一步驗(yàn)證,結(jié)果圖5、圖6所示.

本文選擇比較常用的Wilmott[29]提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型,其計(jì)算公式如下:

圖4 秦皇島2013年5月潮位驗(yàn)證

從驗(yàn)證結(jié)果可以看出,金夢(mèng)海灣海域水動(dòng)力模型模擬所得的潮流計(jì)算結(jié)果在流速大小和時(shí)間相位上與實(shí)測值基本一致,模型在大、小潮期間均有良好表現(xiàn),模擬精度基本滿足海岸工程數(shù)值模擬要求,可將其應(yīng)用于不同工程組合對(duì)海域水動(dòng)力影響的研究分析中.

3 水體交換能力分析

水體交換的能力強(qiáng)弱是評(píng)價(jià)一個(gè)海域水體自凈能力的重要指標(biāo),近岸水動(dòng)力對(duì)污染物、懸浮沙和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行輸運(yùn),通過對(duì)流輸運(yùn)和擴(kuò)散稀釋等物理和化學(xué)過程,達(dá)到該海域水體的混合交換,從而實(shí)現(xiàn)水體的自我改善.人工島的修建在很大程度上會(huì)影響當(dāng)?shù)厮w的動(dòng)力環(huán)境[30-31],使海灣內(nèi)部的潮流場發(fā)生變化,繼而影響到海灣內(nèi)部水體環(huán)境,改變水體內(nèi)物質(zhì)的輸運(yùn)量和輸運(yùn)路徑.

本文基于歐拉法研究水體交換,用研究區(qū)域的滯留時(shí)間[32]來分析區(qū)域內(nèi)的水體交換能力,其中滯留時(shí)間為初始的單位濃度/質(zhì)量保守物質(zhì)衰減到某一濃度/質(zhì)量(如0.5或e-1)所需時(shí)間[33],本文采用保守物質(zhì)衰減到初始質(zhì)量的e-1所需時(shí)間作為滯留時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算.利用最小二乘法對(duì)模型計(jì)算得出的保守物質(zhì)衰減質(zhì)量曲線進(jìn)行擬合,確定衰減函數(shù)的各系數(shù)值,計(jì)算滯留時(shí)間.保守物質(zhì)質(zhì)量的衰減函數(shù)可表示為:

M/0=e-kt+(3)

式中:t和0分別為保守物質(zhì)在時(shí)刻和初始時(shí)刻0的質(zhì)量,參數(shù)、和利用最小二乘法擬合求得.

表1 工況組合

注:√表示有該工程,í表示沒有該工程.

根據(jù)海螺島和進(jìn)島路工程的現(xiàn)狀,設(shè)置3個(gè)不同的工況組合(表1),計(jì)算區(qū)域內(nèi)水體交換時(shí)間,分析研究區(qū)域的水體交換能力.工況01(表1)為原始海域,即沒有海螺島和進(jìn)島路工程,主要研究該區(qū)域在沒有人工島的自然情形下,水體交換能力的強(qiáng)弱;工況02是在工況01的基礎(chǔ)上增加了海螺島工程,為研究海螺島單獨(dú)作用下該區(qū)域的水體交換能力;工況03在工況02的基礎(chǔ)上增加了進(jìn)島路工程,為海螺島和進(jìn)島路工程的組合工況,主要研究海螺島和進(jìn)島路的聯(lián)合作用對(duì)區(qū)域內(nèi)水體交換的影響.

3.1 流速分析

從圖7中(a)可知,工況02增加海螺島工程后,海水在海螺島的分流作用下,更易通過湯河口與海螺島之間的潮汐通道,使進(jìn)島路東側(cè)的湯河口附近水體流速增加約10%~90%,同樣,潮流經(jīng)海螺島南側(cè)繞流,使海螺島南側(cè)附近水體的流速增幅約20%~80%.海螺島工程的增加同時(shí)降低了海螺島西側(cè)區(qū)域D內(nèi)的水體流速,降幅達(dá)到50%~95%,海螺島東側(cè)因雍水形成流速減小區(qū),流速減幅約為20%~ 50%.

從圖7中(b)可知,工況03相比工況01增加了海螺島和進(jìn)島路工程,使金夢(mèng)海灣內(nèi)區(qū)域B內(nèi)的水體流速大幅降低,湯河口區(qū)域E附近的水體因進(jìn)島路的阻塞,流速減幅約40%~80%,金夢(mèng)海灣近岸在進(jìn)島路和海螺島的聯(lián)合作用下,形成一個(gè)半封閉的港池,流速減幅約為50%~95%.海水因海螺島和進(jìn)島路的阻流作用,經(jīng)海螺島南側(cè)繞流,使海螺島南側(cè)水域流速顯著增加,增幅約為30%~90%.

圖7 流速差值

3.2 余流分析

余流主要有歐拉余流和拉格朗日余流兩種形式,歐拉余流是對(duì)流場空間一定點(diǎn)瞬時(shí)觀測的流速進(jìn)行潮周期平均而得到的一種定常流,若以歐拉余流對(duì)余流場進(jìn)行分析,則會(huì)在海面處出現(xiàn)虛假的“潮源”項(xiàng)[34];而拉格朗日余流是水微團(tuán)經(jīng)若干潮周期運(yùn)動(dòng)后的凈位移與其運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長度之比[35],其更能反映水微團(tuán)在流場作用下運(yùn)移特征.歐拉余流和拉格朗日余流在物理意義上有所不同,但在量值上卻有一定關(guān)系,Feng等[36]在研究中指出,最低階的拉格朗日余流是歐拉余流和斯托克斯漂流的疊加[37],從而為兩種不同的余流方式建立了數(shù)值上的聯(lián)系.

因余流場的結(jié)構(gòu)是影響渤海灣水體交換能力的重要?jiǎng)恿W(xué)分量[38],余流的大小和方向在一定程度上影響著研究區(qū)內(nèi)的水體交換能力,故對(duì)研究區(qū)域的拉格朗日余流場[39]進(jìn)行分析,以期對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同工況組合下的水體交換能力的差異性進(jìn)行解釋和說明.從圖8(a)可知,若無人工島的阻流、導(dǎo)流和分流的作用,湯河口外側(cè)形成一個(gè)順時(shí)針方向的渦旋結(jié)構(gòu)[40],而金夢(mèng)海灣潮流總體表現(xiàn)為順岸往復(fù)流,漲急呈WSW向,落急呈ENE向,工況01只有湯河口外側(cè)附近海域余流流速較大,約0.01~0.1m/s,區(qū)域C附近海域余流流速較小,約為0.001~0.01m/s,潮動(dòng)力較弱,保守物質(zhì)隨潮流做往復(fù)運(yùn)動(dòng),并長期滯留在區(qū)域C附近海域,使滯留時(shí)間較有人工島時(shí)顯著增長.

從圖8(b)可知,海螺島工程的存在,使區(qū)域C產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針的渦旋,余流流速顯著增大,約0.02~0.05m/s,并從東到西遞減,海螺島西側(cè)區(qū)域C內(nèi)的余流大小較工況01顯著增大;進(jìn)島路附近區(qū)域A海域產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的渦旋,流速約0.02~ 0.07m/s,余流流速較工況01明顯增加.

從圖8(c)可知,增加海螺島和進(jìn)島路工程,使進(jìn)島路兩側(cè)區(qū)域A和區(qū)域E內(nèi)余流流速大幅減小,其中進(jìn)島路西側(cè)余流大小接近0,進(jìn)島路東側(cè)湯河口附近余流流速約0.001~0.007m/s,較工況01顯著降低.

圖8 拉格朗日余流場

3.3 滯留時(shí)間分析

基于金夢(mèng)海灣3種不同人工島組合工況,計(jì)算得出了該區(qū)域保守物質(zhì)相對(duì)質(zhì)量的變化,選取保守物質(zhì)質(zhì)量衰減到e-1的時(shí)間(滯留時(shí)間)作為該區(qū)域的水體交換時(shí)間.由圖9可知,工況02增加海螺島工程后,保守物質(zhì)平均濃度較工況01顯著降低,工況03增加進(jìn)島路和海螺島工程后,保守物質(zhì)平均濃度介于工況01與工況02間.

從表2中可知,工況01區(qū)域內(nèi)的水體滯留時(shí)間為212h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為68.17%、78.27%和86.27%,工況02在工況01的基礎(chǔ)上增加了海螺島,滯留時(shí)間降為171h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為72.93%、88.44%和90.67%,相比工況01,10d、20d和30d的水體交換率分別增加4.76%、10.17%和4.40%;對(duì)比工況02和工況01可知,增加海螺島工程,在一定程度上促進(jìn)了研究區(qū)域的水體交換.

圖9 保守物質(zhì)質(zhì)量歷時(shí)曲線

工況03在工況02的基礎(chǔ)上增加了進(jìn)島路工程,相比工況01,工況03的水體滯留時(shí)間增長為302h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為55.46%、70.54%和78.99%,相比工況01分別降低12.71%、7.73%和7.28%.

表2 不同工況水體滯留時(shí)間及交換率

對(duì)比工況02和工況03可知,進(jìn)島路的增加使整個(gè)區(qū)域的滯留時(shí)間上升131h,增幅約76.61%.進(jìn)島路的增加相當(dāng)于去除金夢(mèng)海灣和湯河口海域的潮汐通道,阻隔了湯河口和金夢(mèng)海灣內(nèi)的水體交換,使金夢(mèng)海灣近岸和湯河口附近水體長期滯留,水體交換率下降.工況03第10d、20d和30d的水體交換率較工況02分別下降17.47%、17.90%和11.68%.

為了更好地分析不同工況組合條件對(duì)整個(gè)區(qū)域水體交換率的影響,計(jì)算整個(gè)區(qū)域的水體滯留時(shí)間的場圖[41].如圖10為各工況條件下金夢(mèng)海灣水體滯留時(shí)間場圖,并結(jié)合不同工況滯留時(shí)間的差值的場圖(圖11),對(duì)整個(gè)區(qū)域水體的滯留時(shí)間進(jìn)行分析.

圖10 滯留時(shí)間分布

圖11 滯留時(shí)間差值分布

如圖10中(a)可知,沒有海螺島和進(jìn)島路工程,區(qū)域A和區(qū)域E附近水體的滯留時(shí)間相對(duì)較小,約60~300h,但是區(qū)域C附近海域的滯留時(shí)間卻比較大,約360~640h,其主要是因?yàn)楣r01中區(qū)域C的余流流速較小(圖8),且研究區(qū)域靠近秦皇島外海無潮點(diǎn),潮差小、潮動(dòng)力弱,致使工況01的區(qū)域C水體滯留時(shí)間顯著大于其他兩個(gè)工況.

如圖10中(b)所示,對(duì)比工況02和工況01,增加海螺島工程,區(qū)域C的水體滯留時(shí)間顯著縮短,圖11中(a)可知,海螺島工程使區(qū)域C水體滯留時(shí)間降低約240~450h,主要是潮流通過海螺島南側(cè)發(fā)生繞流,流速增大且形成順時(shí)針方向的渦旋;區(qū)域E內(nèi)的水體滯留時(shí)間較工況01增加約60~100h,而近岸的水體因海螺島的分流作用,湯河口和外海水體更易進(jìn)入近岸海域,使區(qū)域B內(nèi)的水體滯留時(shí)間降低約10~240h,說明離岸的海螺島工程與岸線之間形成潮汐通道,有助于金夢(mèng)海灣區(qū)域的水體交換.

如圖10中(c)所示,工況03相比于工況01,因?yàn)檫M(jìn)島路和海螺島綜合作用,進(jìn)島路附近和湯河口內(nèi)的水體交換能力大大降低,結(jié)合圖11中(b)可知,區(qū)域A附近的水體滯留時(shí)間約為420~860h,增加約120~560h,區(qū)域E內(nèi)水體滯留時(shí)間約為180~600h,增加約60~360h.海螺島和進(jìn)島路的聯(lián)合作用,使近岸水體和進(jìn)島路兩側(cè)以及湯河口的水體交換能力大幅降低,滯留時(shí)間顯著增長,海螺島和進(jìn)島路工程阻礙了潮流向湯河口和近岸海域流動(dòng),水體在海螺島南側(cè)發(fā)生繞流,流速顯著增加(圖7),區(qū)域C的余流流速也較工況01明顯增大,致使區(qū)域C水體滯留時(shí)間下降約240h.

4 結(jié)論

4.1 離岸的海螺島工程起到分流、導(dǎo)流的作用,提升了金夢(mèng)海灣的水體交換能力,海螺島工程的增加使研究區(qū)域水體滯留時(shí)間由212h降為171h,降幅約20%,20d的水體交換率由78.27%提升為88.44%,增加10.17%.

4.2 海螺島和進(jìn)島路工程的聯(lián)合作用,使金夢(mèng)海灣近岸海域形成一個(gè)水體交換能力較差的半封閉式水域,水體因進(jìn)島路的阻隔作用,導(dǎo)致外海的海水與湯河口和近岸的水體交換緩慢,水體交換率下降7.73%.

4.3 進(jìn)島路的去除為湯河口和金夢(mèng)海灣近岸增加一條潮汐通道,湯河口和近岸海域水體流速顯著增加,區(qū)域內(nèi)水體滯留時(shí)間下降131h,降幅超過75%, 20d水體交換率增加17.90%.在建設(shè)人工島和進(jìn)島路時(shí)保留潮汐通道有助于該區(qū)域的水體交換.

4.4 金夢(mèng)海灣靠近秦皇島外海的半日潮無潮點(diǎn),潮流動(dòng)力較弱,不利于金夢(mèng)海灣海域的水體交換,在弱潮流地區(qū),保守物質(zhì)擴(kuò)散能力弱,分析時(shí)需考慮余流的作用.金夢(mèng)海灣區(qū)域的余流小,潮流弱,保守物質(zhì)滯留時(shí)間長,水體交換緩慢,水體的自凈能力低.

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Influences of artificial island on water exchange of Jinmeng Bay.

KUANG Cui-ping1, YU Lu-lu1, GU Jie2*, DONG Zhi-chao1, SONG Hong-lin1, ZHU Lei3

(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.The Eighth Geological Brigade, Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao 066001, China)., 2019,39(2)：757~767

To study the influences of the different layouts of artificial island on the hydrodynamic and water exchange in the Jinmeng Bay, based on MIKE software, a three and a two-dimensional hydrodynamic and conservative substance transport model were established, and Euler method was used to calculate the residence time. The influence mechanism of artificial island on water exchange was analysed from the entire region and several sub-regions. It reveals that: Conch Island played the roles of guiding and diversion flow, which improves the water exchange capacity of the Jinmeng Bay,i.e., water exchange rate increased by 10.17%. The combined Conch island and connection road make the Jinmeng Bay form a semi-enclosed water area with a poor water exchange capacity,i.e., water exchange rate decreased by 7.73%. The retention of tidal channel in the construction of artificial island is conducive to the water exchange in the region, and the removal of the connection road adds a tidal channel to the near shore of the Tanghe river and the Jinmeng Bay, the water exchange capacity increased by 17.90%. In weak tidal areas, the effect of residual flow should be considered. The residual current and tidal current in the Jinmeng Bay are very weak, the conservative substance can be kept for a long time. Hence, the water exchange is weak and the self-purification capacity is low.

water exchange；hydrodynamics；artificial island；Jinmeng Bay

X145

A

1000-6923(2019)02-0757-11

匡翠萍(1966-),女,江蘇揚(yáng)州人,教授,博士,主要從事海岸工程研究.發(fā)表論文220余篇.

2018-07-15

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201305003)

* 責(zé)任作者, 教授, jgu@shou.edu.cn