普蘭店灣潮灘養(yǎng)殖圍堰工程拆除前后水動(dòng)力特征的數(shù)值分析

房樹林張明亮

(1.國家海洋局大連海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 大連 116015;2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院 大連 116023;3.遼寧省近海生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害防護(hù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心 大連 116023)

0 引言

大連市普蘭店灣位于遼東半島中部,坐落在瓦房店市炮臺(tái)鎮(zhèn)松木島村的西南側(cè)海域。普蘭店灣四周分布大量的灘涂,地方政府在此區(qū)域大力開發(fā)貝類、海參等生物的底播增殖及圍堰養(yǎng)殖活動(dòng)[1]。圍海造池占用大量潮灘,致使普蘭店灣自然岸線萎縮嚴(yán)重,水面受到較大的破壞。例如,普蘭店灣中部海域的水面寬度縮窄,平均寬度約為500 m,中部水域水面最寬也不足2 km;退潮時(shí)該區(qū)域海水平均深度較淺,局部區(qū)域甚至干涸,出現(xiàn)灣底淤泥露出等現(xiàn)象[2]。2018年,生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)、自然資源部發(fā)布《渤海綜合治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》明確提出:加強(qiáng)河口海灣綜合整治修復(fù),實(shí)現(xiàn)水質(zhì)不下降、生態(tài)不退化、功能不降低,重建綠色海岸,恢復(fù)生態(tài)景觀[3]。

近幾年,國內(nèi)相關(guān)學(xué)者針對普蘭店海灣的水動(dòng)力和水環(huán)境變化問題開展了大量的研究工作,運(yùn)用水動(dòng)力數(shù)值模型對普蘭店灣的潮流場進(jìn)行模擬分析,復(fù)演了普蘭店灣的潮流結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化過程[4]。唐俊逸等[5]結(jié)合普蘭店灣的水文和化學(xué)要素現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù),對普蘭店灣水交換能力和污染物的對流擴(kuò)散進(jìn)行了計(jì)算,并提出普蘭店灣上游COD入海的排放管控建議。姜恒志和邢傳璽等[6-7]運(yùn)用數(shù)值模型對普蘭店灣的水動(dòng)力和污染物輸運(yùn)過程進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明:普蘭店灣內(nèi)不同區(qū)域的地形變化較大,致使其各區(qū)域的水體交換能力分布極不均勻,其研究結(jié)果為普蘭店灣的排污布局提供了科學(xué)的規(guī)劃依據(jù)。盡管相關(guān)學(xué)者在普蘭店灣的數(shù)值模擬和海灣環(huán)境評價(jià)等方面做了較多的研究工作,但是其研究的局限性在于:研究工作主要集中在普蘭店灣的水動(dòng)力及其水體交換能力方面,而針對普蘭店灣海域開展“退養(yǎng)還灘”工程,尤其是關(guān)于退養(yǎng)還灘工程對拓寬島間現(xiàn)有潮汐通道寬度,以及提高區(qū)域納潮能力方面缺少認(rèn)知,因此,利用“退養(yǎng)還灘”實(shí)現(xiàn)岸線修復(fù)和潮灘濕地恢復(fù)功能的相關(guān)研究亟須深入開展。本研究基于MIKE-21水動(dòng)力模塊,數(shù)值分析了普蘭店灣養(yǎng)殖池塘圍堰工程拆除前后的水動(dòng)力時(shí)空變化特征,評價(jià)潮灘養(yǎng)殖圍堰拆除的合理性及其對水動(dòng)力環(huán)境改善的效果。

1 研究區(qū)域概況

普蘭店灣位于金州鎮(zhèn)西北20 km的渤海水域[6],是一個(gè)呈東西走向的狹長封閉海灣,灣口朝向西南,其東西長度約為35 km,南北最寬處約6 km,最窄處僅為500 m。該海域淺灘面積廣闊,坨子、島嶼和水下殘礁數(shù)量較多,其中海域面積為530 km2,灘涂面積208 km2,島礁面積9.2 km2。普蘭店灣水深變化復(fù)雜,一般小于5 m,南深北淺,水下地形向深水槽傾斜且坡度較大。普蘭店灣潮汐特征為不正規(guī)半日潮,其中太陰半日潮為優(yōu)勢分潮,海流以往復(fù)流為主。普蘭店灣附近風(fēng)力弱,入海河流含沙量小,灣內(nèi)海流呈自然規(guī)律性的周期運(yùn)動(dòng),促使海域周邊形成面積廣闊的天然沙灘。由于該水域?yàn)┩抠Y源豐富,再加上海水水溫適宜,水質(zhì)條件優(yōu)越,初級生產(chǎn)力水平較高,適宜漁業(yè)養(yǎng)殖的發(fā)展。隨著水域?yàn)┩抠Y源不斷開發(fā),大量潮灘被利用開展海水池塘養(yǎng)殖和灘涂底播養(yǎng)殖。本次研究的養(yǎng)殖圍堰拆除區(qū)域主要位于普蘭店內(nèi)灣的南側(cè)、北側(cè)及東側(cè)的海水養(yǎng)殖區(qū)域。該部分養(yǎng)殖池塘致使海灣的潮汐通道寬度過窄,納潮能力降低,也使海灣與外海的交換能力下降。通過規(guī)劃圍海養(yǎng)殖圍堰拆除工程,直接出露后方基巖岸線,進(jìn)而恢復(fù)拆除區(qū)域的原始灘涂屬性,通過普蘭店灣的漲落潮過程,可以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的自我恢復(fù),以及提高灣內(nèi)外的海水交換能力。

2 水動(dòng)力模型構(gòu)建與驗(yàn)證

普蘭店灣水深較淺,其水平尺度遠(yuǎn)大于垂向運(yùn)動(dòng)尺度,故采用沿水深積分的二維模型在精度和計(jì)算效率上都滿足要求。

2.1 控制方程

二維深度平均淺水方程表達(dá)式如下[8-11]。

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

式中:ζ為潮位;h為靜水深;H為總水深,H=h+ζ;x和y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo);u和v分別為沿x、y方向的垂向平均流速分量;f=2ωsin?為柯氏參數(shù),其中ω為地轉(zhuǎn)角速度,?為地理緯度;g為重力加速度;Cz為謝才系數(shù),,n為海床曼寧系數(shù);εx、εy為x、y方向水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)。

2.2 初始條件和邊界條件

在海域潮流計(jì)算中,初始流場一般采用“冷啟動(dòng)”初始條件給定。在本研究采用的數(shù)值模式中,開邊界條件給定潮位變化過程;水陸交界處給定閉邊界條件,水質(zhì)點(diǎn)的法向速度為零,對于潮灘,水陸交界的位置隨著潮位的漲落而變化,在本模型中考慮了動(dòng)邊界內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的干濕變化。

2.3 計(jì)算域網(wǎng)格

本研究計(jì)算范圍主要為金州灣-普蘭店灣海域,計(jì)算域范圍為39°03'N—39°24'N,121°15'E—121°55'E,項(xiàng)目養(yǎng)殖池圍堰拆除工程普蘭店灣的東北側(cè),西鄰松木島雜貨碼頭,模型網(wǎng)格系統(tǒng)采用三角形網(wǎng)格,其計(jì)算域網(wǎng)格如圖1(a)所示。為了能清楚了解本工程附近海域的潮流狀況,工程實(shí)施后是否能有效改善該區(qū)域附近水動(dòng)力和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,將工程區(qū)域附近海域進(jìn)行了加密,在距工程較遠(yuǎn)的區(qū)域采用較大的網(wǎng)格,工程附近采用較小網(wǎng)格。整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi),工程前由17 215個(gè)節(jié)點(diǎn)和32 194個(gè)三角單元組成,工程后由18 657個(gè)節(jié)點(diǎn)和34 967個(gè)三角單元組成,最小空間步長均約為10 m,具體如圖1(b)和(c)所示。

圖1 研究區(qū)域網(wǎng)格圖

2.4 納潮量計(jì)算方法

納潮量是指某一個(gè)海域可以受納潮水的體積,它是評價(jià)水域內(nèi)海水與外海水體交換能力的重要指標(biāo),也是衡量水域水體自凈的一個(gè)關(guān)鍵因子[12-14]。通常情況下,納潮量計(jì)算公式可表達(dá)如下:

式中:Q為某一個(gè)潮周期內(nèi)的納潮量;T1和T2分別為對應(yīng)一個(gè)潮周期的低潮和高潮時(shí)刻,U為深度平均流速。

3 水動(dòng)力模型驗(yàn)證與分析

3.1 模型驗(yàn)證

國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心站于2020年對養(yǎng)殖圍堰拆除附近海域的水位和潮流進(jìn)行了現(xiàn)場觀測。本次測量共計(jì)設(shè)置6個(gè)測點(diǎn),見圖1(a)。測流時(shí)間段為:小潮期間(2020年11月25—26日)和大潮期間(2020年12月1—2日),在每個(gè)站點(diǎn)布設(shè)海流計(jì)進(jìn)行25小時(shí)的連續(xù)觀測,潮位測點(diǎn)坐標(biāo)同站位5坐標(biāo)。圖2為大潮期間模擬潮位與實(shí)測值的對比,通過對比結(jié)果可知,模擬過程中最大潮差為2.97 m,最小潮差為-1.03 m,大潮期間模擬值與實(shí)測值最大誤差為0.21 m,模擬相位與實(shí)測相位差在0~10分鐘,模擬誤差在允許范圍內(nèi)。圖3為大潮期流速、流向計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值的對比,從圖中可以看出6個(gè)測點(diǎn)模擬的流速、流向變化趨勢與實(shí)測數(shù)據(jù)大致相同。小潮期的模擬結(jié)果精度略高于大潮期的計(jì)算精度,為了節(jié)省文章篇幅,在本研究中將不再提供。

圖2 大潮期間測點(diǎn)5模擬潮位與實(shí)測值的對比

圖3 大潮期各測點(diǎn)模擬結(jié)果和實(shí)測值的對比

圖4給出了工程前金州灣-普蘭店灣海域大潮漲、落急時(shí)刻流場,圖5給出了普蘭店灣中部海域的大潮漲落急流場。漲潮時(shí),外海水體繞過老鐵山水道進(jìn)入金州灣內(nèi),沿東北方向進(jìn)入普蘭店灣,金州灣內(nèi)漲急時(shí)刻流向?yàn)镹E向,普蘭店灣內(nèi)漲潮流向?yàn)镋向,流向基本與海灣走向一致;落潮時(shí)流態(tài)則基本相反,普蘭店灣內(nèi)水體順岸流向金州灣,金州灣內(nèi)的落潮流以SW向流向渤海灣口,模擬的流場結(jié)構(gòu)和實(shí)際潮流運(yùn)動(dòng)相符。普蘭店灣中部較窄處流速較大,達(dá)到1.0 m/s左右,而灣口與灣底則流速稍小,約在0.3~0.6 m/s變化;金州灣內(nèi)流場自灣口向?yàn)车字饾u減弱,漲落急時(shí)刻流速在0.1~0.8 m/s波動(dòng)?？傮w而言,該模型可以準(zhǔn)確地模擬普蘭店灣區(qū)域的潮位、流速、流向的變化過程,計(jì)算結(jié)果合理,可用于研究普蘭店灣養(yǎng)殖圍堰拆除工程前后復(fù)雜的流場變化機(jī)制。

圖4 工程前金州灣-普蘭店灣海域大潮漲、落急時(shí)刻流場

圖5 工程前圍堰拆除附近海域大潮漲、落急時(shí)刻潮流場

3.2 養(yǎng)殖圍堰拆除后流場特征分析

為進(jìn)一步了解養(yǎng)殖圍堰拆除工程對附近海域潮流場的影響,在該圍堰拆除工程附近海域選取了33個(gè)代表站點(diǎn)對工程前后的潮流速度進(jìn)行分析。站點(diǎn)1-17位于工程區(qū)附近海域,站點(diǎn)18-25距離工程區(qū)較遠(yuǎn),站點(diǎn)26~33位于工程區(qū)內(nèi),各測點(diǎn)位置見圖6。在工程區(qū)內(nèi),養(yǎng)殖圍堰拆除前后各站點(diǎn)均在一個(gè)潮周期內(nèi)出現(xiàn)明顯的速度變化,其中,站點(diǎn)33在漲潮時(shí)出現(xiàn)最大的速度變化,值增量約為0.39 m/s,退潮時(shí)該點(diǎn)速度較工程前增大0.26 m/s。對于工程區(qū)附近的代表點(diǎn)來說,站點(diǎn)3在漲潮時(shí)流速的最大變幅約為0.52 m/s,增量約為工程前流速的46.61%,落潮流時(shí)其流速的最大變幅約為0.16 m/s,增量約為工程前流速的31.42%。對于距離工程較遠(yuǎn)的站點(diǎn)18~25,速度基本未受到工程的影響。在工程區(qū)內(nèi),各站點(diǎn)的流向變化較大,在工程區(qū)附近最大流向變化在24°以內(nèi),遠(yuǎn)離工程區(qū)各站點(diǎn)的流向基本不受影響。圖7給出了大潮期工程區(qū)內(nèi)站點(diǎn)28和站點(diǎn)31的水深變化過程,其中站點(diǎn)31位于普蘭店灣內(nèi)的中部養(yǎng)殖區(qū),漲潮時(shí)最大水深可達(dá)4.5 m,退潮時(shí)水深約為1.5 m,該部分區(qū)域由原來的養(yǎng)殖池塘轉(zhuǎn)化為海灣特征,而站點(diǎn)28(北岸養(yǎng)殖區(qū))在漲潮時(shí)最大水深超過1.4 m,落潮時(shí)潮灘逐漸干出,該區(qū)域呈現(xiàn)明顯的潮灘特性。

圖6 工程區(qū)附近流速比對點(diǎn)布置

圖7 工程后大潮期模擬水深的變化

圖8給出了普蘭店灣中部海域養(yǎng)殖圍堰拆除后大潮期漲、落急時(shí)刻潮流場矢量圖,對于普蘭店灣來說,南岸和中部區(qū)域圍堰的拆除增加了主潮流通道的寬度,工程后灣中深水區(qū)域仍為漲落潮的主通道,而北岸養(yǎng)殖區(qū)的拆除則主要拓寬海灣面積,隨著漲潮水位的上升,水體逐漸漫灘至圍堰拆除區(qū)域的北側(cè)灘涂,而落潮時(shí)水體則流向主潮流通道。工程實(shí)施后普蘭店灣中部和南部區(qū)域的流速也有所增大,尤其在圍堰拆除區(qū)域,漲、落急時(shí)流速增大較為明顯,而工程對外側(cè)的金州灣及渤海整體的漲落潮過程基本無影響。

圖8 圍堰拆除附近海域大潮期漲、落急時(shí)刻潮流場

3.3 養(yǎng)殖圍堰拆除后的納潮量分析

本研究以普蘭店灣中部海域的岬角作為普蘭店灣內(nèi)灣的灣口斷面,針對工程前后的納潮量變化進(jìn)行數(shù)值分析,具體結(jié)果見圖9。在養(yǎng)殖圍堰拆除前,該海域在大潮期的納潮量最大為1.001 7億m3,最小為0.409 9億m3,平均納潮量為0.713 9億m3;在養(yǎng)殖圍堰拆除工程后,納潮量最大為1.087 2億m3,最小為0.400 2億m3,平均納潮量為0.737 8億m3。由圖可以看出,普蘭店灣灘涂圍堰養(yǎng)殖拆除在一定程度上增加海區(qū)水域的過水面積,使灣內(nèi)的納潮量增大了8.535%。總體而言,普蘭店灣本次拆除工程面積相對較小,對普蘭店灣納潮量影響還十分有限,為進(jìn)一步提高普蘭店灣的水交換能力和綠色生態(tài)海岸的恢復(fù),需進(jìn)一步擴(kuò)大灘涂養(yǎng)殖池塘的拆除范圍,進(jìn)而全面實(shí)現(xiàn)普蘭店灣生態(tài)海岸的恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展。

圖9 普蘭店灣中部海域養(yǎng)殖圍堰拆除前后納潮量的對比

4 結(jié)論

(1)本研究構(gòu)建了普蘭店灣養(yǎng)殖圍堰拆除工程海域的潮流數(shù)值模型,模型模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測資料吻合較好,普蘭店灣海域受狹長形態(tài)影響,灣內(nèi)漲落潮流向基本為EW向,流向與兩側(cè)岸線及深水航道走向基本一致,普蘭店灣的中部收窄處流速較大。

(2)潮流數(shù)值模擬表明,近岸養(yǎng)殖池圍堰拆除區(qū)域的局部灘涂流速增大在0.3~0.4 m/s變化。由于拆除工程為順岸工程,對工程拆除區(qū)域距離在1.5 km以內(nèi)的海域的水動(dòng)力環(huán)境有一定影響,隨著與拆除工程距離的增大,影響越來越小,而對金州灣及外海的整體流場基本無影響。

(3)根據(jù)圍堰拆除后的流場分析可知:拆除區(qū)域北岸潮灘漲、落潮時(shí)有明顯的流體運(yùn)動(dòng),并且在大潮期可實(shí)現(xiàn)潮水的周期性全面淹沒,小潮期可實(shí)現(xiàn)潮水的局部淹沒,該區(qū)域由原來的封閉養(yǎng)殖池塘轉(zhuǎn)化為具備潮灘功能的灘涂區(qū)域,而南岸和中部拆除區(qū)域在漲落潮過程中一直處于淹沒狀態(tài),養(yǎng)殖池特征轉(zhuǎn)化為海灣屬性。此外,通過養(yǎng)殖池圍堰拆除工程拓寬了普蘭店灣中部水域面積,提高了灣內(nèi)的漲落潮流速,增加了灣內(nèi)的納潮量。