深圳灣灘涂開發(fā)利用對水體交換能力影響研究

陳睿智，劉壯添，王 未

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

1 概述

從水動力的角度看，灘涂開發(fā)利用會直接減少水域容積，對水動力環(huán)境產(chǎn)生明顯改變，尤其是對于河口灣這種水動力條件復(fù)雜的半封閉的海岸水體，河口灣物理自凈能力對灘涂資源的開發(fā)利用程度極為敏感，是河口灣灘涂資源的開發(fā)利用合理性的重要評價(jià)指標(biāo)。

目前，用于分析河口灣水體交換和自凈能力的數(shù)值計(jì)算方法主要有箱型模型法[1]、拉各朗日質(zhì)點(diǎn)法[2]和對流-擴(kuò)散型的水體交換法[3-4]。箱型模型法的前提是假設(shè)灣外的海水一旦流入灣內(nèi)即與整個海灣內(nèi)海水充分混合，而實(shí)際海水水質(zhì)具有不均勻性，所以進(jìn)入箱內(nèi)的水體不能與原有水體完全混合，因此用箱式模型可能會高估海域的水體交換能力。拉格朗日質(zhì)點(diǎn)法可以反映各流體質(zhì)點(diǎn)的空間運(yùn)動特征，但忽略了擴(kuò)散過程，因而在近岸弱流區(qū)往往會低估海水的水交換能力。對流-擴(kuò)散型的水體交換法較好地反映了水體交換的物理過程，但無法定量反應(yīng)海灣內(nèi)各點(diǎn)的水體交換能力?？紤]到河口灣同時(shí)受徑流和潮汐影響，水動力條件復(fù)雜、水體交換能力空間差異較大的特點(diǎn)，采用上述方法進(jìn)行河口灣水體交換能力分析具有一定的局限性。

為在充分考慮對流-擴(kuò)散物理過程的同時(shí)，體現(xiàn)拉各朗日質(zhì)點(diǎn)法在空間特性上的優(yōu)勢，本文在二維的水動力學(xué)模型和對流擴(kuò)散模型的基礎(chǔ)上，采用基于組份濃度的方法[5]計(jì)算水體微團(tuán)自進(jìn)入河口灣以來到流經(jīng)灣內(nèi)各點(diǎn)所需的時(shí)間，即水齡[6-9]。以水齡作為反應(yīng)水體交換能力的指標(biāo)，選擇灘涂開發(fā)利用程度較高的深圳灣作為河口灣的典型代表，來分析河口灣灘涂開發(fā)利用對水體交換能力的影響。

2 研究區(qū)概況

2.1 基本情況

深圳灣是珠江河口伶仃洋東部的河口灣[10]，位于深圳市西南，水域面積約為92 km2，東北-西南走向，其西北部水域?qū)偕钲诮?jīng)濟(jì)特區(qū)，東南部水域?qū)傧愀厶貏e行政區(qū)。

深圳灣屬于典型的河口灣，其水流特性受到河流徑流和潮汐的共同影響。匯入深圳灣的主要河流有深圳河、元朗河(香港)和大沙河等，總集水面積約為659 km2。深圳灣灣口與伶仃洋相通，潮汐屬不規(guī)則半日潮，距其最近的赤灣站多年平均高、低潮位分別為0.49 m和-0.87 m。

2.2 灘涂開發(fā)利用情況

根據(jù)歷年地形和遙感影像資料分析，深圳灣的灘涂開發(fā)利用始于解放初期，隨著深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)的成立，深圳灣的灘涂開發(fā)利用速度逐漸加快，1979—1989年開發(fā)利用面積為4.38 km2，其中主要是蛇口港和赤灣港區(qū)的開發(fā)，面積為2.23 km2。隨著深圳市社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在20世紀(jì)90年代10 a間，深圳灣北岸的灘涂開發(fā)利用速度達(dá)到頂峰，1989—1998年深圳側(cè)的灘涂開發(fā)利用面積達(dá)到12.33 km2。1998年以后，灘涂開發(fā)利用速度有所下降，1998—2012年，灘涂開發(fā)利用面積為7.85 km2。深圳灣1960—2012年灘涂開發(fā)利用情況見圖1。

圖1 深圳灣1960—2012年灘涂開發(fā)利用示意

根據(jù)深圳灣灘涂開發(fā)的歷史情況，本文設(shè)置灘涂開發(fā)利用初期(1986年)和灘涂開發(fā)利用現(xiàn)狀(2015年)2個模擬工況，采用同期遙感圖提取的岸線數(shù)據(jù)和實(shí)測水下地形資料進(jìn)行建模分析。2個工況下灘涂開發(fā)利用和地形概化結(jié)果如圖2所示。

a 開發(fā)初期 b 開發(fā)現(xiàn)狀

2.3 水文資料

考慮不同水文組合條件對深圳灣水體交換能力的影響，選擇洪季大中小潮和枯季大中小潮2種典型水文組合進(jìn)行分析計(jì)算，典型洪潮組合見表1所示。

表1 典型洪潮組合

深圳灣內(nèi)考慮徑流量較大的深圳河、大沙河和元朗河的徑流影響，由于這幾條河流無水文測站，在模擬計(jì)算中采用設(shè)計(jì)流量進(jìn)行考慮。洪季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用對應(yīng)P=50%的洪峰流量為897 m3/s、236 m3/s、234 m3/s恒定值。枯季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用對應(yīng)的多年平均流量為9.91 m3/s、2.85 m3/s、2.88 m3/s恒定值。

3 模擬方法及計(jì)算成果分析

3.1 計(jì)算方法

為減小外海邊界條件誤差對深圳灣潮流動力的影響，本項(xiàng)目在構(gòu)建了整個伶仃洋的二維水動力模型和對流擴(kuò)散模型。在此基礎(chǔ)上在深圳灣灣口持續(xù)釋放C1、C22種組分的物質(zhì)，2種組分的濃度相同，其中C1為保守性物質(zhì)，C2為非保守性物質(zhì)，采用基于組分濃度的方法計(jì)算不同水文條件和不同灘涂開發(fā)利用條件下深圳灣的水齡分布情況。

1) 二維水動力學(xué)模型

在笛卡爾坐標(biāo)系下，根據(jù)靜壓和勢流假定，沿垂向平均的二維水流基本方程表述如下形式[11]：

(1)

(2)

(3)

式中：

H=ζ-Z0，H——水深;

ζ——某一基準(zhǔn)面下的液面水位;

Z0——某一基準(zhǔn)面下的河床高程；

f——科氏力系數(shù)；

c——謝才系數(shù)；

Nx、Ny——渦粘系數(shù)。

2) 對流擴(kuò)散模型

對流—擴(kuò)散模型的基本方程如下：

(4)

式中：

c——保守物質(zhì)濃度；

u、v——分別為x、y方向的水平速度分量；

h——水深；

Dx、Dy——分別為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)；

F——線性衰減系數(shù)；

S——實(shí)際計(jì)算中根據(jù)兩種情況有對應(yīng)的含義，即為Qs或(cs-c)；

Qs——源/匯的流量；

cs——源/匯的保守物質(zhì)濃度。

每個時(shí)間步的u、v、h值由水動力學(xué)模型提供。對流擴(kuò)散模型的初始濃度：

Φ(x,y,0)=Φ0(x,y)

(5)

式中：

Φ——污染物的濃度；

Φ0——初始時(shí)刻污染物的濃度，一般為一個平均數(shù)。

3) 基于組分濃度的水齡計(jì)算方法

本項(xiàng)目采用基于組份濃度的方式，計(jì)算水體微團(tuán)自進(jìn)入深圳灣灣口到流經(jīng)灣內(nèi)各點(diǎn)所需的平均時(shí)間，即該點(diǎn)的平均水齡。具體計(jì)算方法為模擬在深圳灣灣口持續(xù)釋放C1、C22種組分的物質(zhì)，兩種組分的濃度相同，其中C1為保守性物質(zhì)，衰減系數(shù)設(shè)為0，C2為非保守性物質(zhì)，衰減系數(shù)設(shè)為k，采用以下公式估算各點(diǎn)平均水齡[5]：

(6)

式中:

mean age——監(jiān)測點(diǎn)的平均水齡;

k——C2組分的衰減系數(shù);

CDECAY——監(jiān)測點(diǎn)C2組分的濃度;

CCONSERVATIVE——監(jiān)測點(diǎn)C1組分的濃度。

隨模擬時(shí)間的推移，由于灣內(nèi)各點(diǎn)C1、C22種物質(zhì)的濃度比例趨于穩(wěn)定，上述公式計(jì)算結(jié)果會趨于一個定值，該定值為監(jiān)測點(diǎn)的平均水齡。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過模型計(jì)算，灘涂開發(fā)利用初期情景深圳灣洪季水齡變化范圍在0～60 h范圍內(nèi)，最大值出現(xiàn)在海灣西北角處，現(xiàn)深圳灣體育中心處；枯季水齡變化范圍在0～203 h范圍內(nèi)，最大值出現(xiàn)在海灣東北角，深圳河和元朗河匯入處。灘涂開發(fā)利用現(xiàn)狀情景深圳灣洪季水齡變化范圍在0～63 h范圍內(nèi)，最大值出現(xiàn)在海灣最北側(cè)濱海大道沿岸處；枯季水齡變化范圍在0～181 h范圍內(nèi)，最大值位置與開發(fā)初期一致，出現(xiàn)在海灣東北角，深圳河和元朗河匯入處。2種灘涂開發(fā)利用條件下洪季水齡分布對比如圖3所示，枯季水齡分布對比如圖4所示。

a 開發(fā)初期 b 開發(fā)現(xiàn)狀

a 開發(fā)初期 b 開發(fā)現(xiàn)狀

從水齡總體分布看，在4組計(jì)算情景中，深圳灣水齡分布均呈現(xiàn)出由灣口至灣內(nèi)逐漸增加的趨勢。同一位置枯季水齡明顯大于洪季水齡。為便于分析，在從深圳灣至灣內(nèi)布置8個采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)分布見圖5。

圖5 水齡采樣點(diǎn)分布示意

各采樣點(diǎn)水齡及變化情況見表2。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，“2005.6”洪季條件下采樣點(diǎn)平均水齡由開發(fā)初期的27.3 h增加到開發(fā)現(xiàn)狀的37.0 h，變化率為31.6%，“2001.2”枯季條件下采樣點(diǎn)平均水齡由開發(fā)初期的91.1 h增加到開發(fā)現(xiàn)狀的96.6 h，變化率為8.9%。從水齡變化趨勢可以看出，無論是洪季還是枯季水文條件下，灘涂開發(fā)利用降低了深圳灣灣內(nèi)與灣外的水體交換能力，洪季變化幅度更加明顯。將該結(jié)果與納潮量變化進(jìn)行對比，在同一個典型漲落潮周期中，4種計(jì)算情景下深圳灣灣口斷面的累計(jì)漲落潮流量變化范圍在-25.50%～-30.24%。說明深圳灣水齡變化趨勢與灘涂開發(fā)利用導(dǎo)致的海灣納潮能力變化有一定關(guān)系，納潮能力下降，灣內(nèi)水齡值則升高，水體交換能力降低。

表2 采樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在不同水文條件下，深圳灣的水動力條件有明顯區(qū)別。洪季深圳灣的水體交換能力受到灣口潮汐動力和灣內(nèi)河流徑流的共同控制，動力條件復(fù)雜。枯季徑流作用較弱,其水體交換能力主要受潮汐動力控制。不同的水動力條件影響下，灘涂的開發(fā)利用對深圳灣水體交換能力的影響也有所不同見圖6～圖7。

a b

圖7 不同水文條件下采樣點(diǎn)水齡變化值示意(2015—1986年)

從灣口到灣內(nèi)的水齡變化情況看，相對于開發(fā)初期，開發(fā)現(xiàn)狀條件下洪季深圳灣灣口處水齡無明顯變化，水齡變化值自灣口至灣內(nèi)呈逐漸增大趨勢，水齡增加幅度最大區(qū)域位于深圳灣最內(nèi)側(cè)海濱生態(tài)公園—福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)一帶，最大水齡增加值約為28 h；枯季深圳灣水齡變化情況與洪季有所不同，水齡變化值由灣口的0 h迅速增加到海灣中部窄口處(現(xiàn)深圳灣大橋附近)達(dá)到最大值，約25 h，之后變化值開始均勻下降，至海灣最內(nèi)部水齡變化值出現(xiàn)負(fù)值，最大減小值約為22 h，水齡減小的區(qū)域集中在海灣最內(nèi)側(cè)福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)—香港尖鼻嘴之間水域。

從對近岸水齡的影響情況看，從圖6a可知，在洪季水文條件下深圳灣灘涂開發(fā)利用程度較高的深圳側(cè)的水齡增大值明顯大于開發(fā)利用程度較低的香港側(cè)；而在枯季水文條件下圖6b，除深圳側(cè)蛇口集裝箱碼頭-東角頭一線的部分岸線凹凸變化較大處水齡變化值較大，其余近岸處水齡變化值相對于香港側(cè)無明顯區(qū)別，水齡變化最大區(qū)域出現(xiàn)在海灣的中部。

4 結(jié)語

本文在伶仃洋二維水動力學(xué)模型和對流擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上，采用基于組份濃度的方法計(jì)算深圳灣灘涂開發(fā)利用對水齡分布的影響。主要結(jié)論如下：

1) 灘涂的開發(fā)利用導(dǎo)致深圳灣總體的水體交換能力降低，在洪季表現(xiàn)更明顯。相比于開發(fā)初期，開發(fā)現(xiàn)狀深圳灣平均水齡在洪季水文條件下增加9.8 h，增加幅度為31.6%，枯季水文條件下增加5.5 h，增加幅度為8.9%。

2) 不同水文條件下，灘涂的開發(fā)利用對水體交換能力變化空間分布的影響不同。相比于開發(fā)初期，開發(fā)現(xiàn)狀深圳灣洪季水齡變化值自灣口到灣內(nèi)逐漸增大，對灣內(nèi)影響最大，最大增加值約28 h。灘涂開發(fā)利用程度較高的深圳側(cè)近岸水域水齡增加幅度明顯較大；枯季水齡變化值自灣口到海灣中部逐漸增大，到海灣中部達(dá)到最大值，約25 h，之后逐步減小，到海灣最內(nèi)部呈現(xiàn)負(fù)值。近岸水域影響小于海灣中部水域。