淡澳河口
——大亞灣三維潮流及海水入侵模擬

謝培，張亞輝，喬飛*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境分析技術(shù)測(cè)試中心

河流是陸源物質(zhì)和污染物質(zhì)進(jìn)入海洋的重要通道，陸地進(jìn)入海洋的物質(zhì)85%由河流搬運(yùn)[1]。河口區(qū)是水動(dòng)力復(fù)雜的活躍水文生態(tài)系統(tǒng)和陸海相互作用的集中地帶，由于大多沿岸河口區(qū)人類(lèi)活動(dòng)頻繁，河口水體儲(chǔ)存了大量污染物質(zhì)，在漲落潮不穩(wěn)定的環(huán)境特性下，水體污染物質(zhì)不斷振蕩難以擴(kuò)散。

大亞灣是位于珠江口東側(cè)的亞熱帶半封閉性海灣，近幾十年隨著沿岸人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大亞灣水體環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出[2]。在大亞灣12條入海河流中，最大的河流輸入是西北部的淡澳河，已有研究表明，大亞灣入海河流中淡澳河入海污染物通量占比最高[3]。淡澳河為感潮河段，水流除受上游徑流影響外，還受海洋潮流的強(qiáng)烈影響，不同潮流特性對(duì)河口區(qū)影響差異大，河口內(nèi)段受邊界約束潮波變形，因此明確該區(qū)域的潮流場(chǎng)及水動(dòng)力特性，對(duì)于控制水環(huán)境污染具有極其重要的意義。

目前數(shù)值模擬是較為普遍且有效的環(huán)境建模方法，由于天然水體是三維的，三維數(shù)值模擬能全面反映水環(huán)境系統(tǒng)流場(chǎng)的基本特征。在三維數(shù)值模擬模型通用性上，國(guó)內(nèi)鮮有模型能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜邊界準(zhǔn)確擬合以及水流分層可視化精細(xì)模擬，當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的三維數(shù)值模擬模型包括美國(guó)的環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)（EFDC）模型和FVCOM模型、丹麥的Mike系列模型以及荷蘭的Delft3D模型等[4]。陳青毅等[5]利用三維數(shù)值模擬河口水庫(kù)的水流流動(dòng)和水體交換，制定了合理的水庫(kù)引排水方案；姜恒志[6]應(yīng)用EFDC模型建立了太湖三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，分析了太湖流場(chǎng)特性；齊珺等[7]建立三維水動(dòng)力模型考察了長(zhǎng)江水系武漢段河床的沖淤變化。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者已在典型河流湖庫(kù)就水動(dòng)力特征開(kāi)展了一些研究[5-8]，但鮮有對(duì)淡澳河下游感潮河段、河口及其毗鄰海區(qū)水體交換的整體探究，有關(guān)淡澳河流域水環(huán)境問(wèn)題探究多集中于海水入侵帶來(lái)的災(zāi)害，如土壤鹽漬化[9]，以及陸地-海洋相互作用對(duì)地下水排泄的影響[10-11]等方面。為系統(tǒng)了解該水域復(fù)雜的水動(dòng)力和咸淡水交互作用，本研究構(gòu)建了淡澳河下游感潮河段、河口及其毗鄰海區(qū)為一體的三維水動(dòng)力水質(zhì)模型，旨在揭示徑流潮流作用下的水動(dòng)力過(guò)程和內(nèi)在影響規(guī)律。此外，考慮到充分認(rèn)識(shí)不同徑流量與潮流交互作用引發(fā)河口水環(huán)境的變化，以系統(tǒng)全面地了解淡澳河口特性，筆者定量估算了不同水期鹽水入侵特征、咸淡水交互與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，以期為淡澳河流域水環(huán)境治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

淡澳河為分洪渠與響水河匯合后至白壽灣出?？诙?，于 114°33'57"E、22°43'29"N 河口處匯入大亞灣，是大亞灣入海河流中流量最大且水質(zhì)最差的河流。淡澳河河長(zhǎng)約14 km，下游河口處寬度為500 m，上游河寬約為200 m，為較典型的上窄下寬喇叭狀河口。淡澳河河段由于海水的頂托作用，污染物不易向外擴(kuò)散，河段水質(zhì)較差。淡澳河上游的淡澳分洪渠為人工分洪渠，早期主要為緩解淡水河及其下游的洪水壓力，近年來(lái)隨著惠陽(yáng)區(qū)的發(fā)展，大量工業(yè)廢水和生活污水通過(guò)淡澳分洪渠和淡澳河進(jìn)入大亞灣。

1.2 研究方法

1.2.1 模型選擇

模擬區(qū)域包含淡澳河感潮河段及整個(gè)河口區(qū)，河道與河口在橫向尺度上存在很大的差異，并且區(qū)域水動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜，對(duì)模型適用性的要求較高。EFDC模型垂向上采用σ坐標(biāo)變換，能較好擬合近岸復(fù)雜的岸線(xiàn)和地形，在河流、水庫(kù)、湖泊、河口等多類(lèi)水體都得到廣泛應(yīng)用，并體現(xiàn)了很好的適用性。由于淡澳河口水動(dòng)力條件復(fù)雜，采用長(zhǎng)期應(yīng)用和改進(jìn)的河口海岸三維數(shù)值模型，該模型已長(zhǎng)期應(yīng)用于河口水動(dòng)力過(guò)程和鹽水入侵等方向的研究，并取得了眾多成果[6-8,12-17]。

1.2.2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

1.2.2.1 網(wǎng)格設(shè)置

模型采用水平曲線(xiàn)非正交網(wǎng)格，范圍包括整個(gè)淡澳河河口、大亞灣和臨近海區(qū)，上游流量邊界設(shè)定為響水河與淡澳河交匯處上游約600 m處，下游為外海開(kāi)邊界。由于模擬范圍較廣，河道、河口和海區(qū)各區(qū)域水體空間尺度變化較大，為盡可能滿(mǎn)足不同區(qū)域計(jì)算精度同時(shí)保證較高的計(jì)算效率，模型采用變尺度網(wǎng)格系統(tǒng)，河口內(nèi)網(wǎng)格分辨率為15 m×15 m～40 m×80 m不等，河口外網(wǎng)格較稀疏，分辨率為80 m×80 m～125 m×200 m不等。垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為5層。考慮到淡澳河河口區(qū)域淺灘較多，模型選用動(dòng)邊界處理，運(yùn)用干濕判別法處理潮灘移動(dòng)邊界，臨界水深取0.2 m。

1.2.2.2 條件設(shè)置

模型上游設(shè)置為流量型邊界，下游設(shè)置為水位邊界，模型上下游邊界、姚田橋和虎爪斷面（國(guó)控點(diǎn)位）位置分布如圖1所示。本研究模擬2019年1月1日——12月31日淡澳河口——大亞灣區(qū)水動(dòng)力水質(zhì)過(guò)程，上邊界采用日流量過(guò)程，下邊界由潮位驅(qū)動(dòng)，其潮流特性主要受來(lái)自太平洋的潮波制約，潮位數(shù)據(jù)資料（由各分潮調(diào)和常數(shù)合成得到）取自全球潮汐數(shù)值模式NAOTIDE計(jì)算結(jié)果（http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html）。模式岸線(xiàn)采用2019年海圖數(shù)字化資料及2019年水深實(shí)測(cè)資料。水質(zhì)指標(biāo)主要選擇COD、氨氮、TP等，水質(zhì)濃度采用實(shí)測(cè)值。

圖1 網(wǎng)格邊界條件分布Fig.1 Grid division and boundary conditions of research region

此外，為提高模型計(jì)算效率，本次模擬采用動(dòng)步長(zhǎng)，基準(zhǔn)步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s，實(shí)際步長(zhǎng)由模型根據(jù)實(shí)時(shí)克朗數(shù)自動(dòng)調(diào)整，經(jīng)統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間步長(zhǎng)約為1 s，平水期和枯水期稍長(zhǎng)，豐水期稍短。

1.3 參數(shù)率定驗(yàn)證

1.3.1 主要參數(shù)設(shè)置

模型設(shè)置水平渦黏系數(shù)為Ax=Ay=100 m2/s，擴(kuò)散系數(shù)為1×10-5m2/s，粗糙高度是表征河流底板對(duì)水體阻力的變量，相當(dāng)于曼寧公式中的糙率，采用單元?jiǎng)澐址╗18]求解糙率，最終取值為0.001～0.01 m。

1.3.2 模型驗(yàn)證

為保證模型的可靠性和適用性，水動(dòng)力水質(zhì)模型驗(yàn)證采用3組不同水期資料：1月（枯水期）、6月（豐水期）和10月（平水期）。主要水動(dòng)力水質(zhì)參數(shù)驗(yàn)證站位為虎爪斷面，計(jì)算結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)值均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性（表1）。水位和鹽度模擬與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)為強(qiáng)相關(guān)，相對(duì)誤差小于5%，主要水質(zhì)指標(biāo)中氨氮相對(duì)誤差小于10%，COD和TP相對(duì)誤差略高（在可接受范圍之內(nèi)），主要原因可能在于COD和TP輸入量統(tǒng)計(jì)不夠，導(dǎo)致局部斷面模擬濃度出現(xiàn)一定的誤差。

表1 水動(dòng)力水質(zhì)參數(shù)模擬誤差統(tǒng)計(jì)Table 1 Error analysis of simulated hydrodynamic water quality parameters

淡澳河水體模擬縱向分為5層，分別提取底層（k=1）、中部（k=3）和表層（k=5）鹽度數(shù)據(jù)，通過(guò)不同水層含鹽量計(jì)算淡水與鹽水比例。淡澳河上游含鹽量約為0‰，中游含鹽量約為15‰，下游含鹽量約為35‰，河流入海區(qū)鹽度高于河流上中游鹽度，符合入海河流鹽度分布規(guī)律。以淡澳河虎爪斷面月內(nèi)不同水層鹽度分布為例（圖2），計(jì)算得到該斷面表層、中部和底層的淡鹽水比例。水體底層含鹽量約為10.8‰，淡鹽水比例約為2∶1；水體中部含鹽量約為6‰，淡鹽水比例約為7∶1；水體表層含鹽量約為1.7‰，淡鹽水比例約為 16∶1。

圖2 水體垂向鹽度分配Fig.2 Distribution of vertical salinity of water body

2 水動(dòng)力水質(zhì)特征

2.1 潮流場(chǎng)

大亞灣潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日混合潮型為主，由于受地形影響，外海潮波傳至大亞灣內(nèi)變形較大，以致潮汐日現(xiàn)象顯著，潮波主導(dǎo)著水流運(yùn)動(dòng)，潮流動(dòng)力作用較弱。灣內(nèi)潮流基本是順?biāo)溃ㄖ骱降溃┑耐鶑?fù)流[19]，漲潮平均流速為 0.065 m/s，落潮為0.073 m/s，落潮流速比漲潮流速大，與吳仁豪等[20]的研究結(jié)果一致。水動(dòng)力模擬結(jié)果顯示，淡澳河虎爪斷面的表層平均流速為0.153 m/s，底層平均流速為0.094 m/s，表層流速約為底層流速的1.6倍。漲潮流向以NW（320°）為主，落潮流向以 SE（100°）為主，海浪以涌浪為主，風(fēng)浪為輔，平均波高為0.2 m，常浪向?yàn)镾E。港灣內(nèi)缺少長(zhǎng)期波浪觀測(cè)資料，短期觀測(cè)資料顯示，6級(jí)風(fēng)時(shí)，港內(nèi)水域波高僅0.6 m，12級(jí)臺(tái)風(fēng)時(shí)，波高僅1.3 m。

大亞灣月內(nèi)潮汐變化如圖3所示。從圖3可以看出，每月8～10 d為日潮，20～22 d為半日潮。不同潮型日潮（17日）和半日潮（11日）的潮流場(chǎng)分布如圖4所示。日潮漲急流速為0～0.963 m/s，其中表層漲急最大流速為1.019 m/s，底層漲急最大流速為0.878 m/s；半日潮漲急流速約為0～0.918 m/s，其中表層漲急最大流速為1.003 m/s，底層漲急最大流速為0.767 m/s，不同水層均表現(xiàn)為日潮漲急流速大于半日潮漲急流速。

圖3 大亞灣潮汐變化趨勢(shì)Fig.3 Trend of tide change in Daya Bay

圖4 日潮和半日潮漲急流域潮流場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of tidal current at diurnal and semidiurnal tides during typical moment

考慮到不同潮汐類(lèi)型對(duì)河流水質(zhì)的影響，本研究分析了不同潮汐類(lèi)型下的潮流場(chǎng)分布，由圖5可知，日潮高潮時(shí)，表層海水入侵到虎爪斷面下游約400 m處，底層海水入侵到虎爪斷面上游約1 100 m處；半日潮高潮時(shí)，表層海水基本停留灣內(nèi)，底層海水入侵到虎爪斷面上游約700 m處。總體上表現(xiàn)為日潮和半日潮的高潮時(shí)刻底層海水可入侵到虎爪斷面上游700～1 100 m處，但表層海水并不能到達(dá)虎爪斷面上游。

圖5 日潮和半日潮流域表、底層潮流場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of tidal current at diurnal and semidiurnal tides on the surface and bottom

2.2 鹽水入侵

通常河流淡水的鹽度在0.5‰以下，河水與陸架海水的混合水體鹽度為0.5‰～30‰，陸架海水的鹽度為30‰以上，因?yàn)榈讓欲}度梯度更大，界面混合影響小，可采用底層鹽度等值線(xiàn)作為河海水團(tuán)分界線(xiàn)。模擬得到淡澳河上游姚田橋至虎爪斷面水體的底層鹽度分布如圖6所示。由圖6可知，0.5‰鹽度線(xiàn)分布在虎爪斷面上游，距離姚田橋約1 490～1 520 m處，在河口海岸水環(huán)境整治時(shí)可依據(jù)分界線(xiàn)對(duì)淡水和海水進(jìn)行分區(qū)域治理。此外，由于鹽度分布受徑潮流等影響，季節(jié)差異大，分界線(xiàn)較為復(fù)雜，但水文要素往往有周期性規(guī)律，研究基于2019年水文資料初步劃分了河海水團(tuán)分界線(xiàn)，考慮到分界線(xiàn)的穩(wěn)定性和合理性可考慮取多年平均值來(lái)劃分。

圖6 淡澳河上游姚田橋至虎爪斷面底層水體鹽度分布Fig.6 Salinity distribution of bottom water from Yaotianqiao to Huzhao section in the upstream of Dan'ao River

淡澳河上、下游邊界處不同水層的含鹽量基本一致，其中上游邊界處含鹽量約為0‰，下游邊界處含鹽量約為35‰。中游地區(qū)由于海水入侵呈現(xiàn)明顯的鹽度分層流，研究以虎爪斷面為代表斷面，通過(guò)分析不同水期下水體表層和底層鹽度分布（圖7），確定水體淡鹽水分配比例。

圖7 中游河段不同水期水體鹽度分布Fig.7 Distribution of water salinity in the midstream in different water periods

枯水期時(shí)，表層和底層含鹽量約為10.4‰和20.7‰，經(jīng)計(jì)算得到表層和底層咸淡水占比分別約為1∶2.5和10∶7；平水期時(shí)，表層和底層含鹽量約為1.7‰和10.8‰，計(jì)算得到表層和底層咸淡水占比分別約為1∶16和1∶2；豐水期時(shí)，表層和底層含鹽量約為0.3‰和5.0‰，計(jì)算得到表層和底層咸淡水占比分別約為1∶100和1∶6。由咸淡水占比可見(jiàn)，豐水期虎爪斷面水環(huán)境質(zhì)量主要由淡澳河上游來(lái)水主導(dǎo)，枯水期時(shí)，虎爪斷面水質(zhì)情況由淡澳河上游來(lái)水和海水共同作用，其中表層受上游來(lái)水影響大，底層受海水入侵影響大。

2.3 咸淡水交互對(duì)水質(zhì)的影響

最新研究表明[21]，大亞灣海域營(yíng)養(yǎng)鹽絕大部分通過(guò)河流輸入，其中氮通量輸入9.4×105kg/a，磷通量輸入1.7×105kg/a，淡澳河是大亞灣入海污染物輸入的主要途徑，淡澳河輸入氮通量占76.7%，磷占82.4%。為進(jìn)一步證明上游輸入對(duì)淡澳河口產(chǎn)生了明顯影響[22]，摸清上游來(lái)水流量與河流水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系，以2019年8月實(shí)測(cè)水文水質(zhì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，即上游來(lái)水流量為6.0 m3/s，同時(shí)依據(jù)實(shí)際水文情況設(shè)定枯水期小流量為1.0 m3/s和豐水期大流量為10.0 m3/s。

由模擬結(jié)果可知（圖8），枯水期潮期間污染物濃度變化不明顯，虎爪斷面COD降幅為39%～42%，氨氮濃度降幅為27%～30%，TP濃度降幅為13%～15%；豐水期小潮期間污染物濃度增加幅度最為明顯，虎爪斷面COD增幅為1%～12%，氨氮濃度增幅為11%～14%，TP濃度增幅為6%～7%。由以上數(shù)據(jù)可知，上游來(lái)水流量變化直接影響虎爪斷面水質(zhì)，流量越大對(duì)虎爪斷面的水質(zhì)影響越大，以小潮期間最為顯著，建議進(jìn)行相關(guān)工程優(yōu)化調(diào)度，以減小小潮期間的下泄流量。

圖8 上游來(lái)水變化對(duì)虎爪斷面水質(zhì)影響分析Fig.8 Analysis of the influence of upstream water on the water quality of Huzhao section

3 結(jié)論

(1)大亞灣潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日混合潮型為主，每月約8～10 d為日潮，20～22 d為半日潮，落潮流速高于漲潮流速，日潮漲急流速略高于半日潮漲急流速。由不同潮汐類(lèi)型對(duì)淡澳河潮流場(chǎng)的影響可知，日潮、半日潮的高潮時(shí)表層海水并不能到達(dá)虎爪斷面，但底層海水可入侵到虎爪斷面上游700～1 100 m處。

(2)基于2019年水文資料初步劃分河海水團(tuán)交界線(xiàn)，位于虎爪斷面上游距姚田橋約1 490～1 520 m處，可為河口海岸帶淡水和海水分類(lèi)整治提供依據(jù)。鹽水入侵表明，淡澳河水體含鹽量枯水期＞平水期＞豐水期；以虎爪斷面為例，枯水期含鹽量高達(dá)16‰，底層海水含量高于淡水，枯水期表層海水含鹽量較平水期增加明顯，相當(dāng)于平水期的6倍。

(3)上游來(lái)水流量與水質(zhì)響應(yīng)模擬研究表明，來(lái)水流量直接影響虎爪斷面水質(zhì)，其中，枯水期污染物濃度降低15%～40%，而豐水期污染物濃度增加10%左右，以小潮期間增加幅度最為顯著?；诖?，可建議進(jìn)行相關(guān)工程優(yōu)化調(diào)度，以減小小潮期間的下泄流量。