王道儒,溫 晶,龔文平,趙軍鵬

(1.海南省海洋開發(fā)規(guī)劃設計研究院,海南 海口 570125;2.廣東省氣象臺,廣東 廣州 510080;3.中山大學海洋學院近岸海洋研究中心,廣東 廣州 510275)

非結構網格三維斜壓模型研究人類活動對海南島清瀾潮汐汊道水動力影響

王道儒1,溫 晶2,龔文平3,趙軍鵬3

(1.海南省海洋開發(fā)規(guī)劃設計研究院,海南 ?？?570125;2.廣東省氣象臺,廣東 廣州 510080;3.中山大學海洋學院近岸海洋研究中心,廣東 廣州 510275)

清瀾潮汐汊道為海南島東部一個典型的瀉湖-潮汐汊道-沙壩系統,由于其優(yōu)越的自然條件而成為開發(fā)的重點區(qū)域。近幾年的人類活動主要包括:口門西側的圍填工程,航道的疏浚和八門灣瀉湖內的圍塘工程。采用SELFE模型,結合觀測資料,研究了不同人類活動對潮汐汊道的潮波、潮通量與漲落潮歷時、河口重力環(huán)流、鹽水入侵和河口羽流的影響。結果表明不同的人類活動其對動力的影響不同,口門西側圍填工程減小了潮汐汊道的潮差,對潮通量和鹽水入侵影響很小;航道疏浚則加大了潮差和潮通量,加強了河口環(huán)流和鹽水入侵;瀉湖內圍塘工程使潮差有所增大,但減小了潮通量,對鹽水入侵的影響不顯著?？陂T西側圍填工程改變了河口羽流的路徑,而航道疏浚則使河口羽流更加向海擴散。

潮汐汊道;水動力;SELFE模型;海南

Abstract:Asa typical lagoon-inlet-sand barrier system in the eastof Hainan Island,Qinglan Inlet has been a development focus due to itsadvantageous natural environment.Human activities in recent years include:land reclamation at the west of inlet gorge,channel dredging and reclamation at the lagoon.Through applying SELFEmodel,based on observation data,this study examines the effectsof various human interventionson tidalwave propagation,tidal flux and asymmetry of flood and ebb tidal duration,estuarine circulation,salt intrusion and river plume.The results show different effectsof various anthropogenic activities.

Key words:tidal inlet;hydrodynamics;SELFEmodel;hainan

清瀾潮汐汊道位于海南島東岸北部、文昌市境內,為典型的瀉湖-沙壩-潮汐汊道體系的海岸類型[1](圖1)。其內的八門灣瀉湖,東西向長度為11 km,南北向寬度為2.5～3.0 km,面積約為30 km2。文教河和文昌河分別從瀉湖的東、西兩側流入。這兩條河流的流域面積為903 km2,平均流量為25.4 m3/s,平均含沙量為0.125 kg/m3。受河流來沙的影響,八門灣瀉湖處于逐漸淤淺的過程中,又加上近幾十年來的人工圍墾,瀉湖的水域面積日趨減小。連接瀉湖與外海的狹長通道為清瀾潮汐汊道,長約9.0 km,寬度在250～1 100m之間變化,沿程交替出現多個淺灘與深槽段。關于潮汐汊道的地形特征、泥沙輸運、汊道的成因與發(fā)育過程,王寶燦等[1]、陳沈良等[2]已做過系統的研究。

清瀾潮汐汊道屬弱潮海區(qū),多年平均潮差為0.75 m,最大潮差為2.06 m。其潮性系數其中,HK1,HO1,HM2分別為 K1,O1,M2分潮的振幅)為2.184,為不正規(guī)日潮型。潮流性質類似,汊道內基本為往復流,大潮期流速在1m/s以上。總體而言,落潮流速大于漲潮流速,表現為落潮優(yōu)勢型的潮汐汊道。外海的波浪以風浪為主,全年H1/10小于1.0 m浪的出現頻率占到50%以上,其中0.5～1.5 m之間的頻率占到85%。夏半年的波浪較小,冬半年的風浪較強。

由于其得天獨厚的自然地理優(yōu)勢,清瀾潮汐汊道一直是海南島東岸的重點發(fā)展區(qū)域。近二十年來,港口建設、旅游、房地產、養(yǎng)殖等開發(fā)活動不斷增多,人類活動對自然過程的影響也不斷加強。近年來,主要的人類開發(fā)活動有:1)在潮汐汊道口門的西側圍灘造地。為抑制汊道口西側沙咀的活動,防止風暴期間沙咀被沖決形成分汊水道而對原有的主航道造成不利影響,將其圍填成陸,成陸面積為1.45 km2。2)航道浚深。2006年進行的航道整治工程,使航道由原來的3 000 t級提升至5 000 t級,水深被浚深至7～8 m。3)八門灣瀉湖內的圍塘工程。近幾十年來大規(guī)模地在八門灣瀉湖內的淺灘進行圍塘,用于修建蝦池。初步估算圍塘的面積在4 km2左右,占到瀉湖面積的13%左右。

近幾十年來,隨著對海洋開發(fā)活動的管理不斷規(guī)范與加強,所有的海洋開發(fā)項目都需進行海域使用可行性論證與環(huán)境影響評價工作,但論證與評價工作基本上針對于某一單個的海洋開發(fā)項目而進行,一是關于開發(fā)項目對宏觀大尺度范圍的影響研究較少;二是由于多個項目對環(huán)境的影響并不是單個項目對環(huán)境影響的線性疊加,而更多地表現為非線性的累積效應[3],因而對多個項目的綜合性整體評價顯得尤為必要。

已有對清瀾港水動力的研究,多側重于結合實測資料(如大、中、小潮期的水位與流速的定點觀測),采用垂向平均的二維數值模擬的方法[4],分析清瀾港的潮汐、垂向平均的潮流特征與納潮量的變化。Ye[5]采用一維和二維數學模型研究了清瀾的潮動力,表明其潮波特征為典型的駐波。由于清瀾港受到文教河與文昌河淡水注入的影響,斜壓效應明顯,為典型的河口,受潮汐、密度梯度與風的影響,其水動力更多地呈現出三維的河口動力特征,如發(fā)育良好的河口環(huán)流,水體的垂向分層隨潮內的漲落潮、大小潮的變化而變化,最大渾濁帶的出現等[1]。由于三維水動力過程對河口鹽度與溫度的變化、營養(yǎng)鹽和污染物的輸運、細顆粒泥沙的捕集或逃逸等都有重要意義,從而對清瀾潮汐汊道的生態(tài)環(huán)境具有重要影響,因此需進行清瀾潮汐汊道三維斜壓的水動力學研究,為這一重要的瀉湖生態(tài)的環(huán)境保護提供科學依據。

1 研究方法

1.1 現場觀測

對清瀾海域海洋自然條件的現場觀測資料較多。本次研究采用海南省海洋開發(fā)規(guī)劃設計研究院于2008年8月1日至8月2日的實測資料。觀測時布設4個測流站,1個潮位站,同時在口門站(3號站)進行連續(xù)的鹽度觀測。

潮流觀測采用的儀器為日本ALEC公司EM自容式海流計,用垂向六點法每小時觀測一次,連續(xù)觀測26小時。鹽度觀測采用AAQ1183多參數水質儀,進行垂向剖面的觀測,采樣間隔為每小時一次。觀測期間風速很小,基本為靜風條件,風對水動力的影響很小。

1.2 數值模型

由于現場觀測的空間與時間覆蓋有限,本研究采用數值模擬的方法加以彌補。研究中采用的模型為SELFE(semi-implicit euler-lagrangian finite-elementmodel)[6]。該模型采用非結構網格(目前采用三角形網格),可靈活地擬合復雜的岸線和地形。清瀾潮汐汊道的地形復雜,岸線彎曲,水深變化大,采用非結構網格是較好的選擇。垂向上采用Z坐標與S坐標相結合的混合坐標,計算時沿著Z坐標進行,既可提高在表面和床底附近的空間分辨率,又可有效地解決在河口地區(qū)垂向上采用S或σ坐標時,由于地形變化大而導致壓力水平梯度模擬失真的問題。模型對于動量方程中的平流項采用Eulerain-Lagrangian方法,與流行的UnTrim[7]數值格式類似,可大大提高計算的時間步長,又保證模型計算的穩(wěn)定性與精度。對于物質輸運方程,平流項的處理可采用Eulerain-Lagrangian方法,也可采用迎風格式,并加上TVD格式以抑制迎風格式中的數值耗散。模型利用普遍的GLS湍混合模型求解摻混系數,并提供了與通用的GOTM湍混合模塊的接口。模型對河口淺灘的干濕過程可自然而良好地加以模擬,因而特別適合于有淺灘濕地存在的河口海岸地區(qū)。關于SELFE模型的詳細情況,可參閱文獻[6]。SELFE模型已被用于跨尺度的Columbia河口的輸運研究[6,8],河口的滯留時間[9-10]的研究中。

2 模型驗證與試驗條件

對模型的驗證采用2008的實測資料加以進行。為減少邊界的影響,模型網格覆蓋了海南島東部的較大區(qū)域(圖2)。網格共有10 296個節(jié)點,19 471個單元。模型外邊界附近的空間分辨率為8 km左右,在潮汐汊道的空間分辨率可達到100m。垂向上共分為13層,其中以30m水深為界,其下為Z坐標,共5層,其上為S坐標,共8層,對潮汐汊道區(qū)域的垂向分辨率在1m以內。

圖1 研究區(qū)地勢圖與觀測站位分布Fig.1 Topography of the study site andmeasurement stations

圖2 模型網格Fig.2 Model grid

模型的外邊界水位采用八個主要潮汐分潮(K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2)加以控制,這些分潮的潮汐調和常數來自于更大范圍的海南島東部潮汐的模擬研究[11]。外邊界的鹽度取鹽度值35 ppt,來源于海南島海島資源綜合調查資料[12]。這一外邊界值的選取對小范圍清瀾潮汐汊道的模擬影響較小。在模型的上游邊界,采用文昌河與文教河的多年平均流量加以控制,分別為13.5和7.5 m3/s。模型的更精細的發(fā)展有賴于進一步實測數據的充實。

模型的初始條件采用在潮動力與徑流條件下循環(huán)運行三個月后的結果。模型的驗證結果見圖3。

如圖3(a),模擬的水位過程與實測值基本吻合,模型與實測值的均方根誤差為8 cm。如圖3(c)至3(f),模擬的流速過程與實測值比較接近。站位1模擬的中底層流速比實測值偏小,站位2模擬的落潮流歷時與實測值相比略有延長,但流速值的幅度與實測值接近。站位3的模擬值與實測值吻合好。流速站4的模擬流速比實測流速值偏小,而且實測流速中,底層流速與表、中層流速呈現出相反的運動,似乎不太合理。因為觀測期間風速不大,風的影響有限,而站位4位處口門外,表底層流速反向的現象不應長時期出現。出現這一反常流速垂向分布現象的原因有待進一步分析。圖3(b)顯示的是口門站實測鹽度過程與模擬值的對比情況。可見,模擬的鹽度變化過程與實測相近。

在對模型進行校驗后,進行如下幾組試驗,以研究人類活動所造成的清瀾水動力條件的變化。模型試驗包括:1)基準情況,采用2000年以前的自然岸線與水深條件;2)潮汐汊道口門西側圍填工程的影響;3)口門西側圍填工程與航道浚深的共同影響,除了考慮口門西側的圍填工程外,還將浚深的航道地形作為水深輸入條件考慮進模型中;4)圍填工程、航道疏浚與八門灣瀉湖圍塘的共同影響,由于圍塘后蝦塘基本為死水區(qū),可作為陸地看待,在模型中將蝦塘直接設為陸地。在所有的模型計算中,外海邊界都采用八個潮汐分潮加以控制,上游河流邊界均采用多年平均的流量。每個模型試驗計算32天,采用后面30天的數據進行分析。

圖3 模型驗證Fig.3 Calibration ofmodel

水動力的變化,采用如下指標進行分析:1)潮汐汊道內的水位變化,選取模型驗證期間的水位觀測點,通過潮汐調和分析研究潮振幅的變化;2)在口門處選取一控制斷面(如圖1),研究人類活動對漲落潮流量(包括大潮期的納潮量)和漲落潮歷時的影響;3)在口門斷面,分析鹽分通量的變化,并沿著航道深泓線取一縱斷面,研究人類活動對鹽水入侵長度的影響;4)研究人類活動對河口羽流擴散的影響,以河口表層鹽度等值線的變化為代表,研究其擴散路徑與范圍的變化。

3 結果分析

3.1 潮汐變化

選取模型驗證期間的潮位點,對模型輸出的逐時水位結果進行潮汐調和分析,結果見表1。

表1 人類活動影響下清瀾潮汐汊道主要潮汐分潮振幅的變化Tab.1 Variation of amplitudes of four main tidal constituents induced by human activities

從表中可以看出,口門西側的圍填工程使潮汐汊道的潮汐動力有一定減小,但航道疏浚則顯著增強了潮汐動力,而瀉湖圍墾對潮汐動力的加強也有一定貢獻。從一般的理解來看,瀉湖圍墾將減少瀉湖面積,從而減少納潮量,進而使潮汐動力作用減弱,但模型計算的結果則表明,瀉湖圍墾增加了潮差,詳細的原因將在下一節(jié)進行分析。

3.2 潮通量與漲落潮歷時的變化

根據模型輸出結果,計算各時刻通過口門橫斷面的潮流通量,對每個漲、落潮過程積分,得到各漲、落潮期的潮流通量,結果見圖4。圖中橫坐標代表每次漲、落潮過程的結束時刻。圖中上部為通量(或潮棱體),其中正值表示漲潮。下部為漲落潮歷時。

圖4 不同人類活動影響下潮通量與漲落潮歷時的變化Fig.4 Variation of tidal prism and tidal duration induced by human interventions

從圖4中可以看出,基準情況下,大潮期一個潮周期內漲、落潮的潮棱體可達3.56×107m3,其中漲潮歷時為13～14 h,而落潮歷時為11～12 h左右,表現出落潮優(yōu)勢的不對稱類型。小潮期一個漲、落潮過程的潮棱體可減少到2×107m3,約為大潮期的一半。漲落潮歷時變化規(guī)律不明顯。

口門西側圍填工程完成后,清瀾潮汐汊道的潮棱體幾乎沒有發(fā)生變化,漲、落潮歷時也未發(fā)生變化。航道疏浚對潮汐汊道的潮棱體有顯著影響,大潮期最大潮棱體從3.56×107m3增加到5.25×107m3,增大幅度達48%。而大潮期的漲落潮歷時的變化:有時落潮歷時變得更短(如第6～7天,20～21天),有時落潮歷時則有所延長(如第10～11天)。

相對于航道疏浚而言,瀉湖內圍塘建蝦池使瀉湖面積減小,潮棱體有所減少,但減少不大。其中大潮期最大潮棱體由5.25×107m3減小到4.94×107m3,減小幅度僅為5%。這也可以解釋為什么瀉湖圍塘后潮汐汊道的潮振幅反倒有所增大。由于P=A×R,其中P為潮棱體,A為納潮面積,R為潮差,現A減少13%,而P則只減少5%,因而潮差R會增大。潮位觀測點在瀉湖圍塘建蝦池后潮差增大的另一可能的解釋在于,由于清瀾潮汐汊道的潮波為典型的駐波[5],瀉湖圍墾使駐波的頭(為波腹所在處)向岸外推移,位于波腹與波節(jié)之間的潮位觀測站受到反射波的作用更強,因而潮差會有所增大。

3.3 河口環(huán)流的變化

河口環(huán)流是河口水動力的重要組成部分,對河口的泥沙運動、污染物擴散等物質輸運具有重要意義。為研究人類活動對河口重力環(huán)流的影響,選取位于潮汐汊道中部的站位2,對模型計算的表底層流速進行半周期為50小時的低通濾波以去掉潮的成分,這樣獲得的流速可認為是亞潮頻率的流速,從而可代表余流的大小。計算結果如圖5。

徑流和密度梯度作用下的解析河口環(huán)流的垂向剖面結構[13]:

式中:u為流速;z為水深,向下為負為縱向的密度梯度;K為垂向摻混系數;g為重力加速度;h為水深;u0為徑流量除以斷面面積而形成的余流。從上式可見,河口環(huán)流與h的三次方成正比,而與垂向摻混系數成反比。

從圖5可見,工程前的自然狀態(tài)下,河口水體中河口環(huán)流發(fā)育良好,余流表層向海,底層向陸,流速的大小在10 cm/s左右?？陂T西側圍填工程完成后,對河口環(huán)流的影響不大。而航道疏浚則對河口環(huán)流有顯著影響。由于航道疏浚使水深增大,疏浚后表層向海的余流增到大10～18 cm/s,而底層的向陸余流也增大到10 cm/s以上,表明河口環(huán)流得到了加強。瀉湖內的圍塘工程對河口環(huán)流的影響不大。

圖5 人類活動對潮汐汊道中部站位河口環(huán)流的影響Fig.5 The impactof human activitieson the estuarine circulation

3.4 鹽水入侵的變化

為研究人類活動對鹽分輸運和鹽水入侵的影響,計算了口門斷面各漲落潮期的鹽分通量,結果見圖6。

從圖6可見,口門西側圍填工程對鹽分輸運通量基本無影響,而航道疏浚則使鹽分通量大幅度增加。瀉湖內的圍塘工程則略為減少了鹽分的輸運。

沿圖1中的縱斷面摘取模型計算各時刻的鹽度剖面,取垂向平均鹽度為25 ppt(選取25 ppt為任意,選取其它的量值得出的結果類似)的向陸界線作為鹽水入侵的標志線,計算各時刻從口門至鹽度為25 ppt界線的長度。將計算的各時刻長度進行低通濾波、去潮后,計算結果見于圖7。

從圖7中可以看出,在2000年的自然狀況下,鹽水入侵的長度隨大小潮發(fā)生周期性變化,大潮時入侵長度長,小潮時入侵長度短,從而表現出充分混合河口的特征。口門西側圍填工程使鹽水入侵的長度有所增大,可能的原因為圍填工程后,潮汐汊道的口門更趨向外海,從而在漲潮時濃度更高的鹽水進入汊道,使入侵長度增大。而外海鹽水入侵的主要通道為航道深槽,剛好位于我們選取的斷面上。這與口門西側圍填工程后鹽分輸運的通量沒有變化似乎矛盾。但通量變化不大意味著控制斷面以內的整個區(qū)域鹽度變化的速率類似,并不能表征沿深槽的鹽水入侵長度的變化。航道疏浚使鹽水入侵的長度顯著增大,其原因在于隨著水深增大,河口重力環(huán)流增強,鹽水沿深槽上溯也相應增強。瀉湖內圍塘使鹽水入侵有所減弱。

3.5 河口羽流擴散范圍的變化

河口羽流是陸源物質向海輸運的主要途徑,對近岸環(huán)流與水體環(huán)境都產生重要影響。隨著人類活動對地形和岸線邊界的改變,河口羽流向外海擴散的路徑與范圍也相應改變。根據模型計算的結果,選取大潮期落憩時的表層鹽度分布情況,繪于圖8。從圖8可見,2000年自然狀況下,河口羽流出口門后在慣性作用下沿落潮主水道運移一段距離后,在地轉偏向力的作用下向西南偏轉?？陂T西側的圍填工程加強了落潮流速,從而使慣性作用加強,鹽度等值線向南伸突,然后才向西南偏轉。航道疏浚后使落潮流更為強勁,等鹽度線向南伸突更遠,羽流的擴散范圍更遠。瀉湖圍塘工程使河口羽流的擴展范圍略有減少。

圖6 鹽分通量的變化Fig.6 Variation of salt

圖7 口門至垂向平均鹽度25 ppt的長度變化Fig.7 Variation of salt intrusion length

圖8 大潮期落憩時表層鹽度分布Fig.8 Distribution of surface salinity at the ebb slack during spring tide

4 討 論

清瀾潮汐汊道為典型的瀉湖-汊道-沙壩型海岸,同時又受到河流淡水輸入的影響,表現出河口動力特征。潮汐汊道的流速/歷時不對稱對其穩(wěn)定性有重要影響,一般認為落潮優(yōu)勢的不對稱有利于汊道的穩(wěn)定性[14]。清瀾在大潮期落潮優(yōu)勢明顯,口門西側的圍填工程對其影響不大。從理論上講,水深增大,落潮優(yōu)勢更易于發(fā)育,因而航道疏浚應使落潮優(yōu)勢的不對稱更加發(fā)育。模型計算的結果顯示,航道疏浚后,大潮期部分時段落潮歷時縮短,漲潮歷時增強,而漲落潮通量近似,說明落潮流速更加大于漲潮流速,落潮優(yōu)勢的現象更為突出;部分時段則落潮歷時延長,漲潮歷時縮短,而與此相對應的則是漲潮通量小于落潮通量,說明落潮不斷歷時延長,流速也增大了,為另一種形式的落潮優(yōu)勢[15]?？梢姾降朗杩Τ毕獾老到y的穩(wěn)定性有利。根據簡單的計算,2000年自然狀態(tài)時,大潮期的滯留時間T=其中P為潮棱體,V為水盆體積)

為3.24天,口門西側圍填工程對滯留時間無影響,航道疏浚使大潮期滯留時間減小為2.90天,而航道疏浚與瀉湖圍塘的共同影響下滯留時間更減小為2.84天?？傮w而言,清瀾潮汐汊道系統為一物質快進快出的系統,這與清瀾潮汐汊道長度較短有關。人類活動的影響加強了這一特征,從而對其內的水質過程與生態(tài)系統具有重要影響。

5 結 語

主要結論:

1)清瀾潮汐汊道不同的人類活動對水動力的影響不同?？陂T西側的圍填工程使潮汐汊道系統的潮差減小,而航道疏浚和瀉湖內圍塘則使潮差增大顯著。瀉湖內圍塘對潮差的影響可能與駐波系統的腹點向海推移有關;口門西側圍填工程對潮通量影響不大,而航道疏浚則大大增加了潮通量,瀉湖內圍塘使潮通量略有減小。口門西側圍填工程對河口環(huán)流影響很小,航道疏浚則加強了河口環(huán)流,瀉湖內圍塘對河口環(huán)流的影響相對較小。

2)口門西側圍填工程加劇了高鹽水向潮汐汊道深槽的上溯,而航道疏浚使鹽水上溯加強效應更為顯著。

3)口門西側圍填工程改變了河口羽流的入海路徑,而航道疏浚則使河口羽流更加向海伸突,從而擴散范圍增大。

4)對清瀾海洋開發(fā)項目的可行性論證與環(huán)境影響評價應從更大的范圍與更綜合的物理、生物過程和更長的時間尺度來加以綜合考慮,才能減小單個工程項目對整體環(huán)境的不利影響。

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Impact of human activitieson hydrodynamicsof Qinglan tidal inlet system using three-dimensional baroclinic model SELFEwith unstructured grid

WANGDao-ru1,WEN Jing2,GONGWen-ping3,ZHAO Jun-peng3
(1.Hainan Marine Development Plan and Design Research Institute,Haikou 570125,China;2.Guangdong Weather Bureau,Guangzhou 510080,China;3.Coastal and Ocean Science&Technology Research Center,School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

TV148

A

1005-9865(2011)01-0053-08

2010-03-26

國家自然科學基金資助項目(40866001)

王道儒(1964-),男,海南屯昌人,高級工程師,從事海岸動力與生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:wangdr6@yahoo.com.cn

龔文平。