品清湖避風(fēng)塘水體交換能力數(shù)值模擬研究

韓春陽，黃素綠

（廣東海蘭圖環(huán)境技術(shù)研究有限公司，廣州 510000）

品清湖位于廣東省汕尾市區(qū)東面，是我國最大的沿岸瀉湖[1]。品清湖的面積為23.16 km2，岸線長度為39.62 km。品清湖口門朝西，潮汐通道沿西北向延伸，與紅海灣相通。該海域漲潮歷時和落潮歷時基本相等，漲憩和落憩歷時較短，最高潮位為3.37 m，最低潮位為0.09 m，最大潮差為2.58 m，最小潮差為0.10 m，平均潮差為0.89 m[2]，平均海面為1.31 m。品清湖海域的潮汐系數(shù)為1.1，介于0.5～2.0，屬于混合潮中的不正規(guī)半日潮型[3]。

為了合理利用品清湖水域資源，掌握該區(qū)域水環(huán)境狀況，近年已有多名學(xué)者對該區(qū)域開展了研究。而在品清湖水體交換能力方面缺少相關(guān)研究，這與瀉湖、海灣水體之間的物質(zhì)輸運(yùn)和污染物凈化能力密切相關(guān)。近年來，國內(nèi)較多采用物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散法，基于數(shù)值模擬的港灣水體交換能力分析預(yù)測已有不少研究成果。李希彬等[4]基于三維物質(zhì)輸運(yùn)方程，分析了湛江灣的水體交換能力。陳振華等[5]基于高分辨率的漫灘三維水動力模型，分析了欽州灣水體交換能力。崔雷等[6]基于二維淺水水動力數(shù)值模型和水質(zhì)模型，采用不規(guī)則三角網(wǎng)格系統(tǒng)和有限體積法，分析了普蘭店灣內(nèi)水體交換能力。張振偉等[7]基于污染擴(kuò)散方程，分析了平潭縣竹嶼灣的水體交換能力。

品清湖避風(fēng)塘海域水深較淺，在相對于變量的水平變化、垂直變化可以忽略的情況下，水平二維水質(zhì)變量是較為合理的選擇[8]。因此，本文以二維淺水水動力數(shù)值模型和水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，研究品清湖避風(fēng)塘海域的水體交換能力。

1 數(shù)值模型

1.1 二維數(shù)值模型

品清湖為一個封閉程度較高的瀉湖，其與外海紅海灣的水體交換能力十分有限，僅僅通過最窄處僅為600 m 左右的口門進(jìn)行水體交換。為了定量分析品清湖的水體交換能力，本文采用垂向平均二維模型進(jìn)行模擬，運(yùn)用保守物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散方法對品清湖的水體交換進(jìn)行研究。二維水動力控制方程分別為

式中：x為平面橫坐標(biāo)；y為平面縱坐標(biāo)；t為計算時間；Ah為水平方向擴(kuò)散系數(shù)；η為平均海面起算的海面高度；u、v為垂向平均流的東、北分量；h為平均海面起算的水深；H為總水深，H=η+h；f為體現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)的科氏參數(shù)；Rb為海底摩擦系數(shù)；g為重力加速度；τsx、τsy為風(fēng)對自由水面的剪切力在x、y方向的分量。

二維保守物質(zhì)輸運(yùn)控制方程為

式中：x為平面橫坐標(biāo)；y為平面縱坐標(biāo)；t為計算時間；u、v為垂向平均流的東、北分量；S表示保守物質(zhì)濃度；Dx、Dy分別為x和y方向的擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 模型計算域設(shè)置

從滿足工程研究需要出發(fā)，選定計算域包括大鵬半島至汕頭市海門灣的海域范圍。具體范圍為21 ° 31 ′ N～23 ° 12 ′ N、114°28′E～116°57′E，東西寬約為221 km，南北長約為193 km。

本模型采用三角形網(wǎng)格剖分計算區(qū)域，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為31 590 個，網(wǎng)格數(shù)為59 980 個，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)最大間距為5 661 m，位于外海邊界處；最小間距為25 m，位于品清湖內(nèi)水域。工程前網(wǎng)格剖分如圖1所示。品清湖避風(fēng)塘局部網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 數(shù)學(xué)模型計算網(wǎng)格

圖2 品清湖避風(fēng)塘局部網(wǎng)格

2 數(shù)值模型的驗(yàn)證與結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型的驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型的計算時間為2008年10月1日至30日，共計30 d，時間步長為60 s，每隔半個小時輸出網(wǎng)格點(diǎn)的水位和流速、流向用于模型的驗(yàn)證。經(jīng)過潮位、潮流驗(yàn)證，其滿足模型精度要求，因此采用的模型是合理可靠的，能反映品清湖海域的水動力特征，可以在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行水交換特征模擬分析。

2.2 模型結(jié)果分析

根據(jù)紅海灣和品清湖避風(fēng)塘的條件，進(jìn)行水體交換頻率模擬時，在模擬的初始時刻，將紅海灣內(nèi)濃度設(shè)為0，品清湖避風(fēng)塘水域?yàn)?00 單位相對含量的分布。水質(zhì)方程與水動力模型離散網(wǎng)格相同，時間步長為30 s，在水動力條件完全相同的情況下模擬運(yùn)行100 d，同時進(jìn)行分析。

由于品清湖避風(fēng)塘周邊無大的徑流注入，因此只考慮純潮流作用下品清湖避風(fēng)塘水體交換能力，即不考慮徑流和降水。設(shè)定初始條件的濃度場，如圖3所示。由圖4至圖6可知，計算10 d 以后，只有避風(fēng)塘東北角小部分區(qū)域的相對濃度還保持90；計算20 d 以后，避風(fēng)塘大部分區(qū)域的相對濃度都小于50，有一半以上的區(qū)域相對濃度已下降為10（空白區(qū)域）；計算60 d 以后，只有避風(fēng)塘東北角小塊區(qū)域的相對濃度還大于10，其余區(qū)域的相對濃度都小于10。

圖3 初始相對濃度場

圖4 計算10 d 后相對濃度場

圖5 計算20 d 后相對濃度場

圖6 計算60 d 后相對濃度場

3 結(jié)論

本文采用不規(guī)則三角網(wǎng)格系統(tǒng)和有限體積法，建立了潮流、水質(zhì)數(shù)值模型，對品清湖避風(fēng)塘的水體交換能力進(jìn)行了定量分析。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，避風(fēng)塘水域半交換期為20 d左右，水體交換需要60 d左右，該區(qū)域水體交換能力較好。