廣西欽州茅尾海綜合整治水動(dòng)力影響研究

夏長(zhǎng)水,陳振華,韋重霄,薛宇歡,張 棟,宋衛(wèi)杰,張 良

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061 3.北部灣大學(xué),廣西 欽州535000 4.欽州市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,廣西 欽州535000 5.中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京102413)

茅尾海為欽州灣的內(nèi)灣,位于廣西欽州灣海域頂部,南臨北部灣,因其形似貓尾,曾稱(chēng)“貓尾?！?后因?yàn)┩渴㈤L(zhǎng)茅尾而更名為“茅尾海”。茅尾海內(nèi)寬口窄,形似布袋狀又如湖泊,是半封閉式的內(nèi)海,面積約135 km2[1]。近年來(lái),茅尾海周邊圍塘養(yǎng)殖面積不斷擴(kuò)大,海域納潮面積逐漸減少;茅尾海內(nèi)大量打排吊養(yǎng)大蠔,嚴(yán)重影響了茅尾海的水動(dòng)力環(huán)境。茅尾海上游河流欽江和茅嶺江帶來(lái)的泥沙從河口不斷向海推進(jìn);欽江、茅嶺江帶來(lái)的工業(yè)、生活污水及沿岸蝦塘養(yǎng)殖排出的污水以及礦山開(kāi)采使茅尾海海水污染日益嚴(yán)重,水質(zhì)變差。由于茅尾海的底質(zhì)多為淤泥,在漲落潮和風(fēng)浪擾動(dòng)的情況下,海水混濁度較高。茅尾海的淤積如果不加以整治,將直接影響航道通航能力,危及欽州港現(xiàn)有的碼頭泊位。

濱海新城的建設(shè),要求茅尾海有“碧海金沙”的海岸景觀;同時(shí),欽州大港的建設(shè)要求茅尾海具有足夠大的納潮量以保障其水深條件和通航能力;沿岸漁業(yè)的發(fā)展要求茅尾海繼續(xù)維持河口濕地的高生物生產(chǎn)力,保護(hù)茅尾海特色海產(chǎn)品養(yǎng)殖基地。因此,有必要對(duì)茅尾海進(jìn)行綜合整治,通過(guò)清淤和回填,增加茅尾海納潮量和建設(shè)用地,維持欽州灣的可持續(xù)發(fā)展。

近30 a來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)欽州灣和茅尾海的水動(dòng)力研究取得了不少成果。邱紹芳等[2]根據(jù)觀測(cè)資料分析認(rèn)為欽州灣漲潮流速小于落潮流速,最大流速(178 cm/s)出現(xiàn)于龍門(mén)附近水域;該研究成果指出了欽州灣進(jìn)水水道主要是東側(cè)水道,出水水道為西側(cè),為水動(dòng)力治理提供了一定的理論依據(jù)。鮑獻(xiàn)文等[3]曾選用ECOM 模式建立了欽州灣三維潮流模型,空間分辨率為0.2',約為400 m,計(jì)算網(wǎng)格為81×81。該模型水平分辨率較低,不能很好地分辨欽州灣和茅尾海復(fù)雜的曲折岸線(xiàn)和眾多島嶼,同時(shí)沒(méi)有考慮漫灘過(guò)程。近年來(lái)欽州灣海域的岸線(xiàn)和水深發(fā)生了較大變化,如欽州保稅港區(qū)和三墩公路建成使得原來(lái)欽州灣水動(dòng)力發(fā)生了一定變化。針對(duì)前人數(shù)值模式中的不足,本文采用普林斯頓海洋模式建立了欽州灣及茅尾海精細(xì)化水動(dòng)力模式,模式的水平分辨率達(dá)到100 m,同時(shí)采用干濕網(wǎng)格技術(shù)考慮漫灘過(guò)程。同時(shí)采用最新的水深和岸線(xiàn)數(shù)據(jù),使得數(shù)值模式能夠反映欽州灣最新的水動(dòng)力狀況。

根據(jù)茅尾海綜合整治計(jì)劃,我們?cè)O(shè)計(jì)了5個(gè)工況,包括現(xiàn)狀、濱海新城圍填和三期清淤工程(具體位置和范圍見(jiàn)表1和圖1),通過(guò)數(shù)值模擬,研究不同工況對(duì)欽州灣水動(dòng)力的影響范圍及影響程度。

圖1 欽州灣水深分布Fig.1 Contour map of water depth in the Qinzhou Bay(m)

表1 各工況方案說(shuō)明Table 1 Descriptions of individual operating mode

1 模式與方法

1.1 模式設(shè)置

本文基于普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model,POM)[2]建立欽州灣水動(dòng)力模式,模擬欽州灣潮汐潮流動(dòng)力過(guò)程。POM 是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)比較成熟的三維海洋模式,它基于原始方程,包含了海洋運(yùn)動(dòng)的主要物理過(guò)程。經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用和發(fā)展,該模式已被廣泛應(yīng)用于世界各海區(qū),并被很多的實(shí)測(cè)資料所驗(yàn)證。此模式也曾在我國(guó)近海多個(gè)海區(qū)使用過(guò),均取得良好模擬效果[5-7]。

模式計(jì)算區(qū)域?yàn)?108°26'42″～108°44'42″E,21°33'36″～21°55'58.8″N,圖1),水平分辨率約為100 m,可以很好地分辨欽州灣和茅尾海復(fù)雜的曲折岸線(xiàn)和眾多島嶼,垂直方面采用跟隨地形的σ坐標(biāo),分為6層。閉邊界采用光滑固壁假設(shè),即垂向速度為零,側(cè)向無(wú)摩擦。開(kāi)邊界由水位控制,考慮了4個(gè)主要分潮和2個(gè)淺水分潮,即M2、S2、K1、O1、M4和MS4,根據(jù)方國(guó)洪[8]提出的準(zhǔn)調(diào)和分析方法生成開(kāi)邊界水位:

式中,A為潮位;i為某分潮;ω'為經(jīng)過(guò)訂正的潮汐角頻率;D和d分別為振幅和遲角訂正;H和g分別為振幅和遲角。開(kāi)邊界各分潮的調(diào)和常數(shù)由北部灣潮模式插值取得[9]。摩擦系數(shù)最大值取0.002 8,最小值取0.001。垂直混合系數(shù)由Mellor-Yamada 2.5階湍閉合模型[10]計(jì)算,水平黏性、擴(kuò)散系數(shù)由Smagorinsky公式[11]給出。

水深主要取自自然資源部第一海洋研究所2009年測(cè)量得到的實(shí)際測(cè)深數(shù)據(jù),同時(shí)利用海圖資料加以補(bǔ)充。岸界的確定參考了最新的大比例尺岸線(xiàn)水深地形圖,并考慮了三墩、觀音堂等海區(qū)最新的岸線(xiàn)變化。欽州灣存在著非常廣闊的灘涂區(qū)域,許多區(qū)域在漲潮時(shí)被淹沒(méi)而在退潮時(shí)又會(huì)干出,為了準(zhǔn)確刻畫(huà)這一潮動(dòng)力過(guò)程,本文采用了干濕網(wǎng)格判別法描述漫灘現(xiàn)象,此時(shí)水陸邊界是不斷動(dòng)態(tài)變化的,參與計(jì)算的水體隨著灘地的淹沒(méi)和露出而不斷的發(fā)生變化。該方法是目前國(guó)內(nèi)外使用最多的一種方法,采用一定的規(guī)則判斷模式計(jì)算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格干濕變化,使得模式在每個(gè)步長(zhǎng)計(jì)算區(qū)域都在發(fā)生變化。具體方案參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

1.2 納潮量計(jì)算方法

納潮量是海灣環(huán)境評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),納潮量的大小可反映海灣的自?xún)裟芰?決定海灣與外海的交換強(qiáng)度,在海灣環(huán)境、生態(tài)及沖淤等方面意義重大。海灣納潮量定義為海灣高潮水量與低潮水量之差,納潮量的數(shù)值主要取決于海灣高、低潮時(shí)潮位的變化和海域面積的變化[12]。

傳統(tǒng)方法海灣納潮量的計(jì)算一般采用以下的計(jì)算公式[13]:

式中,W為納潮量;S1,S2分別為高低潮時(shí)的水域面積;h1,h2分別為S1,S2時(shí)對(duì)應(yīng)的潮高。

隨著海流觀測(cè)特別是斷面走航觀測(cè)的增多,產(chǎn)生了利用灣口海流數(shù)據(jù)計(jì)算海灣納潮量的新方法[12,14]。陳紅霞等[12]采用傳統(tǒng)方法以及走航ADCP直接測(cè)流資料這兩種方式對(duì)膠州灣2006年秋季小潮期間進(jìn)行了納潮量計(jì)算。結(jié)果表明,傳統(tǒng)方法計(jì)算得到的結(jié)果范圍大于根據(jù)測(cè)量結(jié)果的計(jì)算范圍。2種方法計(jì)算得到的納潮量平均值相差不大,這既驗(yàn)證了通過(guò)海流計(jì)算納潮量的精確性,也體現(xiàn)了通過(guò)納潮量算法計(jì)算納潮量在平均意義上的有效性。本文參考通過(guò)海流計(jì)算納潮量的方法,采用模擬得到的斷面流場(chǎng)計(jì)算茅尾海的納潮量:

式中,W為納潮量,T為一個(gè)潮周期的時(shí)長(zhǎng),n為灣口斷面的網(wǎng)格數(shù),V it為t時(shí)刻灣口斷面上第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的流速,S it為t時(shí)刻第i個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

2 模式結(jié)果與驗(yàn)證

本文利用自然資源部第三海洋研究所觀測(cè)的不同時(shí)期3個(gè)潮位、4個(gè)潮流觀測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),校驗(yàn)數(shù)值模式的模擬效果,具體測(cè)量時(shí)間位置見(jiàn)表2。

表2 潮位潮流觀測(cè)概況表Table 2 Summary of tidal level and current observations

2.1 模式驗(yàn)證

2.1.1 調(diào)和常數(shù)模擬與觀測(cè)的對(duì)比

將E2,E3兩個(gè)潮位觀測(cè)站的模擬水位結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析,得到4個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù),與觀測(cè)水位調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了對(duì)比(表3),振幅的誤差在2 cm 以?xún)?nèi),遲角的誤差小于4°。結(jié)果表明模式計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

表3 潮位站主要分潮調(diào)和常數(shù)模擬與觀測(cè)值的偏差Table 3 Deviations between simulated and observed harmonic constants of tidal components

2.1.2 潮水位模擬與觀測(cè)對(duì)比

圖2是E1,E2,E3三個(gè)潮位站的模擬水位時(shí)間序列與觀測(cè)的水位時(shí)間序列及潮汐表資料比較,結(jié)果表明這3個(gè)站模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果吻合較好。E2中的藍(lán)色點(diǎn)線(xiàn)為潮汐表給出的水位,模擬水位與潮汐表水位也符合較好。E2,E3點(diǎn)在2010-02-12實(shí)測(cè)水位比模擬偏低。我們也試著在數(shù)值模式中再增加4 個(gè)分潮(Q1,P1,N2和K2),結(jié)果并沒(méi)有明顯改善,經(jīng)查詢(xún)當(dāng)天氣象資料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)天存在大風(fēng)天氣,這一模擬誤差可能是由風(fēng)強(qiáng)迫等非潮因素所致。

圖2 模擬與觀測(cè)的水位時(shí)間序列對(duì)比Fig.2 Comparison of the time series between the simulated and the observed water levels

2.1.3 潮流模擬與觀測(cè)的對(duì)比

圖3是4個(gè)潮流觀測(cè)點(diǎn)模擬與觀測(cè)的垂直平均流速流向的對(duì)比。以上實(shí)測(cè)海流資料與模擬結(jié)果的對(duì)比表明,本文建立的潮汐潮流動(dòng)力模式能夠較好地刻畫(huà)欽州灣海區(qū)的潮動(dòng)力特征,除了小潮期間的潮流流速模擬結(jié)果略有偏小以外,流速振幅、位相、潮流方向等模擬結(jié)果與觀測(cè)資料基本符合。

2.2 欽州灣的潮汐潮流特征

從圖2中可以看出欽州灣海區(qū)的潮汐特征:除了小潮期間表現(xiàn)出一定的半日潮特征外,多數(shù)時(shí)間為典型的全日潮。

圖4是現(xiàn)狀下(工況0)的潮流場(chǎng)?？梢钥闯?潮流最大值區(qū)域位于龍門(mén)水道,最大值高達(dá)1.80 m/s,這與觀測(cè)值是一致的[15]。外灣3 條主要水道流速也較大,水道以外海區(qū)的流速較小。

欽州灣海區(qū)潮流主要呈往復(fù)流特征(圖4),流向基本與水道走向一致。一個(gè)重要特征是:落潮流速遠(yuǎn)大于漲潮流速。這種漲落潮流速度的不同在整個(gè)欽州灣都有體現(xiàn),在外灣表現(xiàn)更加明顯;在某些海區(qū),落潮流可達(dá)漲潮流的1.8倍以上。

本文模擬的欽州灣的潮汐潮流特征與觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,總體上也與前人的研究成果比較一致[16-18]。但本文使用了欽州灣圍填開(kāi)發(fā)后的最新水深岸線(xiàn)數(shù)據(jù),在圍填區(qū)附近潮流發(fā)生了較大的變化,例如由于三墩公路的修建,使得原來(lái)落潮時(shí)可以直接向東南方向的潮流受到了限制,改道繞過(guò)三墩島而向東南方向,漲潮時(shí)同樣受到了束流作用,但欽州灣的潮波主要是受北部灣潮波系統(tǒng)的控制,局部的圍填對(duì)整個(gè)欽州灣的潮波沒(méi)有造成顯著變化。

3 不同工況下水動(dòng)力場(chǎng)的變化

3.1 流場(chǎng)的變化

圖5為工況1完成后流場(chǎng)的變化情況,可以看出,工況1填海完成后對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)的影響僅限于岸線(xiàn)附近的局部海域,新岸線(xiàn)的凹陷處的沿海區(qū)域流速減小,岸界向海突出部分的沿海流速由于填海的束流作用流速有所增大,灣頸部的龍門(mén)航道流速略有減小,但影響甚微。

圖6～8分別為工況2～4完成以后流場(chǎng)分布和流速的變化,從圖中可以看出工況2、工況3、工況4完成后對(duì)水動(dòng)力的作用是一致的,只是由于清淤面積的不同,影響程度也有所不同,工況4的作用最顯著,工況3次之,工況2影響最小。在清淤的范圍內(nèi),由于水深變深,大部分海域流速減小;從龍門(mén)港(灣頸部)到外灣的大部分區(qū)域,清淤后流速有所增強(qiáng),這有利于航道的維護(hù)。

圖6 工況2實(shí)施后流場(chǎng)及流速變化Fig.6 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 2

圖7 工況3實(shí)施后流場(chǎng)及流速變化Fig.7 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 3

圖8 工況4實(shí)施后流場(chǎng)及流速變化Fig.8 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 4

3.2 納潮量的變化

一個(gè)海灣的納潮量與灣口位置的選取存在密切關(guān)系。蔣磊明等[17]2009年采用從企沙到烏雷的斷面計(jì)算欽州灣的納潮量,得到的平均納潮量為7.55×108m3。對(duì)于茅尾海我們分別以21°42'00″N,21°43'12″°N,21°44'24″N,21°45'00″N 和21°45'36″N 斷面作為灣口位置(圖1),計(jì)算了茅尾海納潮量。結(jié)果(圖9)顯示,納潮量的數(shù)值隨著計(jì)算區(qū)域的擴(kuò)大而增加,盡管內(nèi)外灣之間的水道面積較小,但它對(duì)納潮量的計(jì)算結(jié)果影響很大。在大潮期間,以21°42'00″N 作為茅尾海的南邊界,得到的納潮量為6.812×108m3,而以21°45'36″N 斷面作為南邊界的計(jì)算結(jié)果僅為4.864×108m3。一般用龍門(mén)至亞公山作為內(nèi)外海的分界,本文計(jì)算中我們選取21°42'00″N 斷面作為計(jì)算納潮量的斷面。

圖9 茅尾海納潮量與計(jì)算范圍之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the tidal prism and the calculation domain in the Maowei Sea

在一個(gè)月的大潮期間選取若干典型潮周期的納潮量取平均,得到大潮納潮量;對(duì)一個(gè)月內(nèi)所有潮周期的納潮量取平均,得到平均納潮量(表4)。結(jié)果表明:工況1規(guī)劃的濱海新城處于灘涂區(qū),填海面積又比較小,所以對(duì)茅尾海納潮量的影響輕微,工況1完成后茅尾海大潮納潮量和平均納潮量都僅減少了0.8%。而清淤工程對(duì)茅尾海納潮量的影響就比較顯著,清淤一期、二期、三期完成后茅尾海大潮納潮量分別增加了6.1%,13.0%和21.7%,而平均納潮量分別增加了3.1%,9.8%和18.1%。清淤工程特別是工況4完成后,對(duì)茅尾海水動(dòng)力環(huán)境影響很大,其原因主要在于兩方面:一是灘涂減少,影響潮灘動(dòng)力過(guò)程;二是本底水深很淺,挖深2 m 對(duì)原水體改變較大,流速也受到明顯影響。

表4 茅尾海大潮納潮量和平均納潮量的變化Table 4 Changes in tidal prism of spring tide and average tidal prism of tidal cycle

4 結(jié) 論

本文基于POM 模式,模式的水平分辨率達(dá)到100 m,同時(shí)采用干濕網(wǎng)格技術(shù)考慮漫灘過(guò)程,考慮了4個(gè)主要分潮和2個(gè)淺水分潮,以欽州灣最新的水深和岸線(xiàn)數(shù)據(jù),建立了欽州灣水動(dòng)力模式。經(jīng)過(guò)3個(gè)潮位站和4個(gè)潮流站的檢驗(yàn),模擬的潮位和潮流與觀測(cè)符合較好,總體上也與前人的研究成果比較一致。

根據(jù)茅尾海綜合整治方案,設(shè)計(jì)了5個(gè)工況,研究了濱海新城圍填及茅尾海清淤對(duì)欽州灣水動(dòng)力的影響,得到如下結(jié)論:

1)新城填海后茅尾海納潮量?jī)H減少了0.8%,影響輕微;清淤一期、二期和三期工程完成后茅尾海的大潮納潮量分別增加了6.1%,13.0%和21.7%,而平均納潮量分別增加了3.1%,9.8%和18.1%。

2)在水動(dòng)力方面,濱海新城填海完成后,對(duì)水動(dòng)力場(chǎng)的影響僅在岸線(xiàn)附近的局部范圍表現(xiàn)明顯,在新岸線(xiàn)凹陷處的局部區(qū)域流速減小,岸界向海突出部分由于填海的束流作用流速有所增大。灣頸部航道由于內(nèi)灣納潮量降低,流速有輕微減弱。在茅尾海清淤的范圍內(nèi),由于水深加深,大部分海區(qū)的流速均有明顯減小(但納潮量是增加的);而在從龍門(mén)港(灣頸部)到外灣的大部分海區(qū),由于茅尾海清淤后納潮量顯著增大,流速明顯增強(qiáng),有利于航道維護(hù)。

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