澳門機(jī)場(chǎng)填海對(duì)九澳灣潮流動(dòng)力及水體交換的影響*

孫 龍，丁 偉，路川藤，羅小峰，張功瑾

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

圍填海工程是沿海地區(qū)向外拓展土地、解決用地緊張問題的主要辦法，但各種圍填海工程也會(huì)帶來諸如污染、影響通航、改變水動(dòng)力環(huán)境等問題[1-4]。長期以來的圍填工程直接改變沿海岸線形態(tài)，從而導(dǎo)致水下地形地貌的變化，影響潮流動(dòng)力條件。另一方面，地形變化與潮流動(dòng)力的相互作用又將給地區(qū)帶來水環(huán)境問題[5-7]，國內(nèi)外關(guān)于圍墾工程對(duì)周邊水域水動(dòng)力及水環(huán)境的影響由來已久，大多數(shù)學(xué)者通過實(shí)測(cè)、物理模型及數(shù)值模擬，就工程附近區(qū)域潮汐形式、輸沙環(huán)境及海床演變過程進(jìn)行分析和探討[8-12]。

澳門的海洋水文條件復(fù)雜、地理位置特殊，由于多年的圍填海工程，其岸線一直變化，區(qū)域的水動(dòng)力條件因此受到影響。許翔向等[13]、張廣艷[14]根據(jù)歷年遙感影像、水下地形等基礎(chǔ)資料，利用遙感影像特征分析等手段，研究澳門附近水域匯流區(qū)的水流動(dòng)力環(huán)境、泥沙輸移特征、灘槽格局平面變化等，并分析沖淤原因、預(yù)測(cè)沖淤趨勢(shì)，為該地區(qū)綜合治理規(guī)劃或其他工程措施提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。黎志均等[15]、陳祖華等[16]和韓保新[17]采用潮流數(shù)學(xué)模型對(duì)澳門海域各階段的潮流、潮汐等水動(dòng)力條件進(jìn)行了模擬分析。黃希敏等[18]分析澳門水域十字門水道周邊水域流態(tài)和沖淤形式，確定了十字門水道北口治導(dǎo)線的平面布置；方神光[19]通過實(shí)測(cè)水文資料對(duì)澳門水域圍墾最為顯著的澳門機(jī)場(chǎng)附近潮流動(dòng)力環(huán)境特性進(jìn)行了詳細(xì)分析和探討。

受惠于澳門旅游業(yè)的發(fā)展，澳門機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪將接近飽和，澳門機(jī)場(chǎng)在保持一條跑道的情況下，跑道可以滿足未來航班需求，但停機(jī)坪則會(huì)嚴(yán)重不足，鑒于機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)及周邊現(xiàn)時(shí)沒有適合的土地可供利用，考慮圍填澳門機(jī)場(chǎng)跑道西側(cè)三角區(qū)。為維護(hù)九澳灣與外界水域的水體交換能力，圍填區(qū)域內(nèi)將預(yù)留一條南北連通的水道，保證九澳灣內(nèi)水環(huán)境、水生態(tài)現(xiàn)狀以及水質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

本文以九澳灣為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段，基于經(jīng)過驗(yàn)證的CJK3D模型，對(duì)澳門機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建前后九澳灣內(nèi)潮動(dòng)力變化進(jìn)行模擬分析，并對(duì)工程前后的水體交換能力進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)域

澳門特別行政區(qū)位于廣東省珠海市的東南面，東隔伶仃洋與香港相望，距香港約60 km，南臨南海，西由灣仔水道、十字門水道與珠海市灣仔、橫琴相隔，北連珠海市香洲區(qū)，地理位置處于北緯22°06′39″～22°13′06″、東經(jīng)113°31′33″～113°35′43″。澳門由澳門半島、氹仔島、路環(huán)島和路氹城組成。澳門國際機(jī)場(chǎng)位于澳門氹仔島和路環(huán)島東部的淺海區(qū)，于1989年12月動(dòng)工興建，建成于1995年8月。澳門國際機(jī)場(chǎng)由跑道區(qū)、機(jī)坪和航站樓組成，其中機(jī)坪和航站樓位于氹仔島，由開山填海形成陸域，跑道區(qū)位于氹仔—路環(huán)以東海域，為填海形成的人工島，跑道區(qū)和機(jī)坪之間通過兩座高樁梁板結(jié)構(gòu)的聯(lián)絡(luò)橋相連接。澳門機(jī)場(chǎng)具體填海范圍見圖1，為機(jī)場(chǎng)跑道西側(cè)的菱形水域。九澳灣位于澳門路環(huán)島東北部，屬伶仃洋西岸淺灘區(qū)。九澳灣目前以南口和北側(cè)機(jī)場(chǎng)三角區(qū)與外界水域連通，灣內(nèi)水體受徑流、潮汐及波浪等多種動(dòng)力影響。

圖1 研究區(qū)域位置及周邊水域水深

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：z為潮位；h為水深；H=h+z為總水深；u和v分別為x和y方向上的流體速度；f=2Ωsinφ為Coriolis系數(shù)(其中Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；t為時(shí)間；Nx和Ny分別為x和y方向上的水流紊動(dòng)黏性系數(shù)；ψ為水質(zhì)濃度；px和py分別為x和y方向上的水質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)；k為水質(zhì)降解系數(shù)。

向量形式可表示為：

(5)

式中：U=(H，Hu，Hv)T；E為對(duì)流擴(kuò)散項(xiàng)；Ed為紊動(dòng)擴(kuò)散項(xiàng)；M為源項(xiàng)。

采用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，并將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元，水深布置在網(wǎng)格頂點(diǎn)，其他物理變量配置在每個(gè)單元的中心。將第i號(hào)控制元記為Ωi，在Ωi上對(duì)向量式的基本方程組(4)進(jìn)行積分，并利用Green公式將面積分轉(zhuǎn)化為線積分，得

(6)

式(6)求解主要分4個(gè)部分，一為時(shí)變項(xiàng)，二為水平對(duì)流項(xiàng)，三為底坡項(xiàng)，四為水平擴(kuò)散項(xiàng)。對(duì)流項(xiàng)數(shù)值通量可采用Roe格式的近似Riemann解；水平擴(kuò)散項(xiàng)含有二次項(xiàng)，采用單元交界的平均值來計(jì)算通過該界面擴(kuò)散項(xiàng)的數(shù)值通量；有限體積法底坡項(xiàng)若不加任何處理，則會(huì)造成靜水的偽流動(dòng)現(xiàn)象，本文采用“斜底模型”處理底坡項(xiàng)。

2.2 模型范圍

數(shù)學(xué)模型包括珠江口主要水系網(wǎng)，北側(cè)邊界包含珠江各大入?？陂T區(qū)，西側(cè)邊界在黃茅海西側(cè)附近，東側(cè)邊界至香港附近，南側(cè)邊界至-40 m等深線附近，見圖2，模型網(wǎng)格總數(shù)為32 516個(gè)，最大邊長38 565 m，工程水域網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格約5 m。模型外邊界通過全球潮汐預(yù)報(bào)模型Tide-Process提供。

圖2 數(shù)學(xué)模型范圍及局部加密

2.3 模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證采用2017年10月6—7日枯季大潮水情，包括3個(gè)潮位站、6條潮流垂線，驗(yàn)證內(nèi)容包括潮位、潮流，驗(yàn)證點(diǎn)位置見圖3。

圖3 數(shù)學(xué)模型潮流潮位驗(yàn)證點(diǎn)布置

圖4為潮位驗(yàn)證，圖5為潮流驗(yàn)證。潮位計(jì)算偏差基本在0.1 m之內(nèi)，吻合良好；潮流相位一致，漲落潮過程基本符合水體運(yùn)動(dòng)情況，偏差大都在10%之內(nèi)?？傮w而言，模型能夠準(zhǔn)確反映澳門水域水動(dòng)力特性。

圖4 潮位驗(yàn)證

圖5 潮流驗(yàn)證

3 結(jié)果分析

3.1 工程對(duì)流場(chǎng)的影響分析

根據(jù)2016—2018年澳門水道內(nèi)潮位站(圖3中潮位站B)3 a洪季潮位資料統(tǒng)計(jì)，將3 a累積頻率為10%的潮型作為潮流動(dòng)力及水體交換的控制潮型，即珠江口洪季典型大潮，見圖6。圖7為澳門機(jī)場(chǎng)圍填前后漲落急流態(tài)及流場(chǎng)的對(duì)比，很明顯，澳門水域整體漲潮流流向?yàn)槲髂舷驏|北，潮流自外海進(jìn)入澳門水域后，在氹仔島的分流作用下，一股向十字門水道運(yùn)動(dòng)、另一股向機(jī)場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，由于海域中沒有島嶼或工程的阻擋，因此潮流十分平順；落潮時(shí)，水流流向與漲潮相反，由東北向西南，十字門水道的落潮流和機(jī)場(chǎng)方向的落潮流匯合后向西南方向運(yùn)動(dòng)。工程海域的潮流以往復(fù)流為主，外海旋轉(zhuǎn)流特性相對(duì)較強(qiáng)。

圖6 模型控制潮型(珠江口典型大潮)

圖7 工程實(shí)施前后漲落急時(shí)刻流場(chǎng)流態(tài)變化

機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程實(shí)施后，機(jī)場(chǎng)圍填工程對(duì)整體流場(chǎng)及九澳灣內(nèi)的流態(tài)影響不大，總體來看，漲落急流速變化范圍與趨勢(shì)總體一致。漲急時(shí)，機(jī)場(chǎng)跑道北側(cè)延伸段在樁基的阻水作用下，漲急流速呈減小趨勢(shì)，機(jī)場(chǎng)南側(cè)延伸段由于水流的繞流作用，東南側(cè)水域流速呈增大趨勢(shì)，范圍約為機(jī)場(chǎng)東北側(cè)0.8 km，大部分水域流速增加幅度在0.05～0.10 m/s，局部最大流速增幅在0.15 m/s左右，現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)跑道南側(cè)東西側(cè)水域漲急流速呈減小趨勢(shì)，機(jī)場(chǎng)東側(cè)流速減小范圍長度約為1.6 km，機(jī)場(chǎng)西側(cè)流速減小范圍至九澳航道轉(zhuǎn)彎處，最大流速減小幅度約為0.20 m/s。預(yù)留連接水道處的北端漲急流速總體呈增大趨勢(shì)，主要因?yàn)樵撏ǖ垒^現(xiàn)狀水深增大，但流速增加幅度相對(duì)較小，基本小于0.10 m/s。

根據(jù)對(duì)九澳灣南進(jìn)口和機(jī)場(chǎng)跑道西水域北進(jìn)口的潮通量統(tǒng)計(jì)可以看出(分析斷面位置見圖8)，由于機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程的阻流作用，連接九澳灣外水域與澳門水道的水道縮窄，九澳灣南北兩側(cè)的進(jìn)口漲落潮通量大幅度減小，均超過40%，見圖9。

圖8 工程附近潮通量統(tǒng)計(jì)斷面位置

圖9 工程實(shí)施前后典型斷面漲落潮通量變化

3.2 水體交換影響分析

九澳灣作為連接機(jī)場(chǎng)南北水道的海灣，其水體交換能力可以由海水的流動(dòng)性充分反映。通常，關(guān)于水體交換能力大多是通過示蹤劑的濃度變化來判斷水體的交換率和交換時(shí)間[20]；本文采用水體半交換周期判斷九澳灣內(nèi)的水體交換能力。半交換周期是指在潮汐和徑流的共同作用下，灣內(nèi)水體交換出50%到灣外時(shí)的時(shí)間，在一定程度上表征了海灣的水交換能力。由九澳灣潮流動(dòng)力特性可見，受潮汐的影響，九澳灣內(nèi)的水體交換過程會(huì)呈現(xiàn)往復(fù)性，灣內(nèi)各處濃度也會(huì)隨之呈現(xiàn)一定的往復(fù)性特征，本文以灣內(nèi)第一次濃度達(dá)到初始濃度一半所用的時(shí)間作為灣內(nèi)水體的半交換時(shí)間進(jìn)行研究。

在潮流動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，通過模擬示蹤劑濃度的變化來計(jì)算水體交換的速率和半交換周期，進(jìn)而分析澳門機(jī)場(chǎng)填海工程建設(shè)對(duì)九澳灣的水動(dòng)力影響。以九澳灣的口門為界，在灣內(nèi)釋放可溶于水的示蹤劑，不可降解，設(shè)置灣內(nèi)示蹤劑的濃度為1，其他水域?yàn)?，模擬在珠江口典型洪季大潮(圖6)潮流作用下濃度場(chǎng)的變化，模擬從高潮漲憩開始，持續(xù)24 h。

從水體半交換時(shí)間的空間分布(圖10、11)可見，澳門機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程實(shí)施后，九澳灣口門附近水體基本不受工程影響，交換能力最強(qiáng)；受平面形態(tài)、地形及距離口門遠(yuǎn)近的影響，路環(huán)電廠北側(cè)內(nèi)灣的水體交換最弱，在工程前后水體交換能力均較弱；受機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程影響最顯著的區(qū)域?yàn)榫虐臑硟?nèi)路環(huán)電廠往南的凹岸水域，由于機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程在一定程度上阻礙了九澳灣與澳門水道間的水體交換，加之落潮流的削弱，九澳灣內(nèi)路環(huán)電廠往南的凹岸水域水體交換能力明顯下降。

圖10 工程前九澳灣內(nèi)濃度分布隨時(shí)間變化等值線

圖11 工程后九澳灣內(nèi)濃度分布隨時(shí)間變化等值線

從圖12可以看出，九澳灣內(nèi)的平均濃度隨時(shí)間遞增呈現(xiàn)周期性震蕩。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，工程前，灣內(nèi)水體的平均半交換周期為2.9 h；珠澳人工島建設(shè)后，其水體交換能力有所下降，半交換周期增加約2.2 h，達(dá)到5.1 h。

圖12 九澳灣內(nèi)示蹤劑濃度隨時(shí)間變化

4 結(jié)論

1)澳門機(jī)場(chǎng)圍填海工程前后，海域潮流性質(zhì)沒有改變，主流仍經(jīng)機(jī)場(chǎng)跑道東側(cè)北上南下，小股經(jīng)九澳灣至澳門水道的潮流受工程束窄作用大幅削弱。

2)澳門機(jī)場(chǎng)圍填海工程縮窄了九澳灣與澳門水道的水體流通水域，九澳灣與澳門機(jī)場(chǎng)跑道間的水域存在大幅流速降低區(qū)域，最大減弱幅度超過0.3 m/s，不利于九澳灣內(nèi)的水體流動(dòng)。

3)澳門機(jī)場(chǎng)圍填海工程前后，九澳灣內(nèi)的平均濃度均隨時(shí)間遞增呈現(xiàn)周期性震蕩降低的態(tài)勢(shì)，工程的阻水效應(yīng)使得九澳灣水體交換能力下降。在珠江口典型大潮水文條件下，灣內(nèi)水體半交換周期由2.9 h增加至5.1 h。