欽州灣岸線開(kāi)發(fā)對(duì)其上游河口區(qū)洪潮動(dòng)力特性影響

，，，，

( 1．水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510611；2．珠江水利委員會(huì) 珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611；3．河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098 )

欽州灣位于中國(guó)南海北部灣之北端、廣西壯族自治區(qū)南部。受第四紀(jì)冰期后期海侵，欽州灣內(nèi)岸線曲折，島嶼棋布，港汊眾多。欽州灣北部為茅尾海(又稱為內(nèi)海)，有欽江、茅嶺江淡水匯入，中部左岸有金鼓江匯入，洪潮動(dòng)力交匯使欽州灣既有內(nèi)陸河流特征又有潮流特征，在徑流、潮流、風(fēng)、波浪等多種動(dòng)力因素的綜合作用下，水沙動(dòng)力環(huán)境較為復(fù)雜[1-3]。

欽州灣潮汐以日潮為主，根據(jù)欽州灣龍門(mén)港潮汐資料，龍門(mén)站潮汐性質(zhì)屬非正規(guī)全日潮，每月約有2/3時(shí)間為全日潮，約有1/3時(shí)間呈半日潮性質(zhì)。灣內(nèi)潮汐日不等現(xiàn)象明顯，即相鄰的2個(gè)高潮或2個(gè)低潮的潮高不等，漲、落潮歷時(shí)也不相等。龍門(mén)港區(qū)平均潮差2.55 m，最大潮差達(dá)5.49 m，漲潮流向西北，落潮流向東南，年均水溫21.3℃。

欽州灣不但氣候條件良好，植物、水產(chǎn)、礦產(chǎn)、灘涂等資源豐富，而且地理位置優(yōu)越，是廣西乃至中國(guó)西南地區(qū)通向東南亞和非洲、歐洲，進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的最便捷出海通道，同時(shí)水深沙少，具有建造深水良港的條件。近年來(lái)，欽江河口灣外大型港區(qū)及產(chǎn)業(yè)園區(qū)相繼建設(shè)，岸線開(kāi)發(fā)活動(dòng)密集，僅2005—2015年間的開(kāi)發(fā)圍墾就接近3 000 hm2。

河口灣的開(kāi)發(fā)建設(shè)往往引起潮流動(dòng)力的調(diào)整，進(jìn)而影響到周邊水域的洪潮特性[4-7]，該問(wèn)題已引起了眾多學(xué)者的關(guān)注：道付海[8]研究了長(zhǎng)江河口南北槽分流口工程及瑞豐沙地形變化對(duì)落潮分流比的影響；馬騰飛[9]通過(guò)數(shù)值模型探討了長(zhǎng)河環(huán)航道整治對(duì)分流比的影響；張蔚等[10]研究了人工采沙及航道整治對(duì)珠江三角洲水流動(dòng)力條件的影響。更有部分學(xué)者已經(jīng)聚焦于欽州灣開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的系列影響問(wèn)題：董德信、李逸聰?shù)萚11-12]均對(duì)欽州灣近岸工程建設(shè)所導(dǎo)致的水動(dòng)力環(huán)境影響展開(kāi)了研究；張坤、王玉海等[13-14]則關(guān)注到欽江河口灣開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的淤積及整體演變的影響；孫永根等[15]探討了欽州灣圍填對(duì)海洋環(huán)境的影響。

但這些研究大多重點(diǎn)關(guān)注于欽州灣的水動(dòng)力或水環(huán)境影響，欽州灣開(kāi)發(fā)對(duì)上游河口區(qū)洪潮特性影響的相關(guān)研究較為少見(jiàn)。本文以2005年海圖地形(圖1茅尾海填充區(qū)例外，為2009年測(cè)圖)為基礎(chǔ)，建立欽州灣二維潮流數(shù)學(xué)模型，采用實(shí)測(cè)資料對(duì)模型率定驗(yàn)證后，以2016年6月實(shí)測(cè)水文為例，研究2005—2015年間欽州灣岸線開(kāi)發(fā)對(duì)上游河口區(qū)洪潮特性的影響。

1 欽州灣二維潮流數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介

1.1 模型方程

采用守恒性較好的有限體積法進(jìn)行控制方程離散，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行二維模型區(qū)域單元剖分，變量定義于單元中心。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性較好的HLLC近似Riemann算子計(jì)算界面通量，數(shù)值求解的詳細(xì)過(guò)程可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]。

1.2 研究范圍及參數(shù)

本研究范圍覆蓋整個(gè)欽州灣水域，上游邊界至欽江青年水閘站、茅嶺江黃屋屯站，采用實(shí)測(cè)流量過(guò)程控制；下邊界至灣外-20 m等高線附近，東、西邊界至白龍尾、北海處，三者均為開(kāi)邊界，以潮位控制，見(jiàn)圖2。模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格(島群局部網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖2)，分辨率取30～4 000 m，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30 s，模型中設(shè)置動(dòng)邊界，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)淺水區(qū)進(jìn)行干濕露灘判別。

1.3 模型驗(yàn)證

2016年6月，本項(xiàng)目在茅尾海及欽州灣頂水域共布設(shè)6條測(cè)流垂線進(jìn)行了同步水文觀測(cè)，位置見(jiàn)圖1，以此資料進(jìn)行數(shù)學(xué)模型率定和驗(yàn)證。簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，本文僅列出中部龍門(mén)潮位站及1、3、6號(hào)測(cè)流站的驗(yàn)證曲線見(jiàn)圖3、4。可見(jiàn)，模擬值與實(shí)測(cè)值符合較好，該模型用于本研究是合適可信的。

此外，還利用本項(xiàng)目遙感影像研究成果對(duì)模型計(jì)算漲、落急流場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖5，二者所反映出的漲、落潮流態(tài)基本一致：漲潮時(shí)，進(jìn)入欽州灣的以其灣外西南漲潮流為主，然后在岸線約束下向西北上漲進(jìn)入茅尾海，最后沿茅尾海內(nèi)各主要槽道上行進(jìn)入河道；落潮流基本與漲潮流逆向而行，茅尾海內(nèi)3股落潮主流匯入中部卡口水域后，向東南泄入外灣水域，外灣落潮主流向亦為西南向。此外，本潮流流態(tài)模擬成果與其他學(xué)者[15]也是一致的。

2 結(jié)果與討論

欽州灣開(kāi)發(fā)中大片水域的圍填以及岸線的調(diào)整(圖1)，影響周邊水域的動(dòng)力環(huán)境，最終將對(duì)上游河口區(qū)域的防洪納潮產(chǎn)生一定的影響，主要從特征潮位變化、潮流流速變化及斷面潮量變化3個(gè)方面進(jìn)行分析這些影響，采樣點(diǎn)及斷面布置見(jiàn)圖6。

2.1 特征潮位變化

基于數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，統(tǒng)計(jì)岸線開(kāi)發(fā)前、后各采樣點(diǎn)潮位對(duì)比見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，欽州灣外岸線圍填后，茅尾?？傮w表現(xiàn)為高高潮位降低，低低潮位抬高的變化趨勢(shì)，潮差減小，即潮流動(dòng)力減弱。具體而言，位于欽江河口下游t1—t13采樣點(diǎn)高高潮位降低0.02～0.04 m，低低潮位抬高0.0～0.07 m，平均潮位抬高0～0.04 m；茅嶺江河口下游采樣點(diǎn)t14—t18高高潮位降低0.02～0.03 m，低低潮位抬高0～0.01 m，平均潮位基本不變。

表1 欽州灣開(kāi)發(fā)后特征潮位變化 m

欽州灣開(kāi)發(fā)建設(shè)后，受其阻水作用，上漲進(jìn)入茅尾海及河口的潮流減少，同時(shí)，洪水下泄阻力增大，洪水位有所抬高。此外，灣外開(kāi)發(fā)對(duì)河口特征潮位的影響在各口門(mén)非完全對(duì)等，進(jìn)而導(dǎo)致欽江河口各口門(mén)分流比改變。

2.2 潮流流速影響

茅尾海水域，尤其是欽江、茅嶺江河口區(qū)，漲、落潮流速的大小也反映出其納潮、泄洪能力的強(qiáng)弱，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)開(kāi)發(fā)前后的漲、落急流速對(duì)比見(jiàn)表2。從表2來(lái)看，河口灣岸線開(kāi)發(fā)后，上游河口區(qū)漲、落急流速均呈減小變化，且變幅上漲急略大于落急，潮流動(dòng)力有所減弱。具體而言，欽江東側(cè)河口采樣點(diǎn)t1—t5的漲、落急流速分別減小0.02～0.05、0.01～0.05 m/s；中部口門(mén)(t6—t9)漲、落急流速分別減小0.01～0.02、0～0.01 m/s；西側(cè)口門(mén)水域(t10—t13)漲、落急流速分別減小0.02～0.03、0～0.02 m/s；茅嶺江河口(t14—t18)漲、落急流速分別減小0.01～0.02、0～0.01 m/s。

表2 欽州灣開(kāi)發(fā)后流速變化 m/s

2.3 斷面潮量影響

漲、落潮量大小對(duì)于衡量一個(gè)水域洪、潮動(dòng)力的強(qiáng)弱具有重要意義。統(tǒng)計(jì)岸線開(kāi)發(fā)前后3個(gè)斷面的漲、落潮量對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 欽州灣開(kāi)發(fā)后斷面潮量變化

從潮量變化來(lái)看，岸線開(kāi)發(fā)后，茅尾海漲、落潮動(dòng)力亦呈減弱變化。茅尾海上段dm1落潮量和漲潮量分別減小2 569.15 m3(2.59%)、9 541.12 m3(7.73%)，此斷面潮量較小，從而變化率較大；中部dm2落潮量和漲潮量分別減小12 184 m3(3.97%)、14 429.43 m3(2.61%)；下段dm3落潮量和漲潮量分別減小15 347.3 m3(2.31%)、16 275.56 m3(0.56%左右)。由于岸線圍填位于茅尾海的下游，其對(duì)茅尾海漲潮流的阻滯作用大于落潮流，從各斷面漲潮量變化大于落潮量。

3 結(jié)論

基于二維潮流數(shù)學(xué)模型，從特征潮位變化、潮流流速、潮量等方面分析了欽州灣岸線開(kāi)發(fā)建設(shè)對(duì)上游河口洪潮動(dòng)力特征的影響，主要影響情況如下。

a) 河口區(qū)總體表現(xiàn)為高高潮位降低，低低潮位抬高的變化趨勢(shì)，最大變幅為0.04、0.07 m，潮差減小，潮流動(dòng)力減弱。

b) 河口區(qū)漲、落潮流速均有所減弱；各斷面潮量也呈減小趨勢(shì)，最大減幅在7.73%左右。

c) 總體上，欽州灣岸線開(kāi)發(fā)建設(shè)后，河口區(qū)動(dòng)力有所減弱，受開(kāi)發(fā)中圍填陸域阻水作用，上漲進(jìn)入茅尾海及河口的潮流減少，同時(shí)，河口洪水下泄阻力增大，洪水位有所抬高。