匡翠萍,俞露露,顧 杰,董智超,宋竑霖,朱 磊

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人工島對金夢海灣水體交換的影響

匡翠萍1,俞露露1,顧 杰2*,董智超1,宋竑霖1,朱 磊3

(1.同濟大學土木工程學院水利工程系,上海 200092；2.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院,上海 201306；3.河北省地礦局第八地質大隊,河北 秦皇島 066001)

為研究金夢海灣人工島的不同布局對周圍海域水動力及水體交換的影響,基于MIKE軟件建立三維和二維潮流模型以及保守物質輸運模型,運用歐拉法計算水體滯留時間,從整體和分區(qū)二個方面分析人工島對水體交換的影響機制.結果表明:海螺島工程起到分流?導流的作用,提升了金夢海灣的水體交換能力,水體交換率提升10.17%;海螺島和進島路的聯(lián)合作用,使金夢海灣形成一個水體交換能力較差的半封閉式水域,水體交換率下降7.73%;在建設人工島時保留潮汐通道有助于該區(qū)域的水體交換,進島路的去除為湯河口和金夢海灣近岸增加一條潮汐通道,水體交換能力增加17.90%;在弱潮流地區(qū),需考慮余流的作用.金夢海灣區(qū)域的余流小,潮流弱,因此保守物質滯留時間長,水體交換緩慢,水體的自凈能力低.

水體交換；水動力；人工島；金夢海灣

人工島的建設在增加土地資源的同時改變了近岸動力環(huán)境條件.人工島是人類開發(fā)和利用海洋資源的重要方式,既緩解了人與土地之間的矛盾,又優(yōu)化了海洋生態(tài)資源的配置.隨著秦皇島岸線資源的持續(xù)開發(fā),近岸海域水質污染和水體富營養(yǎng)化加劇,赤潮等海洋污染災害頻發(fā)[1],在2004~2014年期間,該地區(qū)5~8月份都會發(fā)生赤潮現(xiàn)象[2].建設人工島會改變原始海岸的岸線,新產生的人工岸線可能會改變原始海域的水動力環(huán)境,影響水體交換能力,對近岸海域的生態(tài)環(huán)境也會產生一定影響.郭磊[3]和龔文平等[4]的研究表明,人工島建設對研究海域的水動力和水體交換的影響具有區(qū)域性差異,人工島因其大小?離岸的距離及所處位置的不同,對水動力和水體交換的影響也僅局限在人工島周邊水域.

為研究人工島對近岸海域海洋生態(tài)環(huán)境的影響,需綜合分析該海域水動力環(huán)境和水體交換能力.水體交換的能力主要體現(xiàn)在水體交換率[5]和水體的交換時間[6]兩個方面.水體交換率主要是利用現(xiàn)場觀測和數(shù)學模型,研究潮周期海水的平均濃度,對水體交換能力可用水體生命值[7]、更新時間[8]、半交換時間[9]、滯留時間[10-11]等時間尺度進行定義.現(xiàn)有的研究中較為常見研究方法為拉格朗日法[12]和歐拉法[13].拉格朗日法把流體看成質點,設法描述每一個質點的位置隨時間的變化規(guī)律,對粒子軌跡進行跟蹤與計算,得出時間尺度[14];歐拉法基于對流擴散方程,以溶解態(tài)的保守物質為示蹤劑,使用參數(shù)化的方法把重力環(huán)流和潮振蕩的垂向剪切作用的水平混合效應包納在水平二維的示蹤劑對流擴散方程中[15],能更好的模擬水體交換的過程,歐拉法反映局部地區(qū)的余流特征.

王乃瑞[16]和張瑋等[17]分別基于二維水質模型和對流擴散模型,研究環(huán)抱式港灣和港池與不同布置方案下海域內水體交換率的響應關系,探究了口門寬度與工程近岸海域內水體交換能力之間的關系,得出水動力條件的強弱和工程的位置對水體交換能力具有很大的影響.劉嘉星[18]基于ROMS模型和對流擴散模型,研究渤海灣圍海造地對水動力和水交換產生的影響,最終得出水體交換能力受圍填海工程影響較大,工程附近區(qū)域的水體交換能力呈減弱趨勢.趙桂俠等[19]利用EFDC建立三維水動力模型,研究人工島布置方式對遼東灣海域水動力和水體交換的影響,結果表明人工島的建設阻礙了水體的流動,迎水面投影長度越長,其對水流的阻礙作用越大,易形成低速流區(qū),導致區(qū)域的水體交換能力差.以上學者運用不同的數(shù)值模擬方法,基于不同圍填海工程的位置和布局方式,計算和分析所研究海域水動力條件和水體交換能力的變化,研究表明圍填海和人工島工程的建設對工程周圍水環(huán)境的影響巨大,不同的圍填海形態(tài)和人工島位置都會對近岸水動力和水環(huán)境產生不同的影響結果,且工程內部的水體交換能力因區(qū)域位置的不同而有較大的差異,研究所得的成果亦為工程的建設給出合理的規(guī)劃和布局方案.

近年來,由于外海養(yǎng)殖、沿海排污和陸域污染等因素,造成金夢海灣近岸海域水質嚴重惡化,水體富營養(yǎng)現(xiàn)象嚴重,海水水質為四級,嚴重影響了金夢海灣的生態(tài)環(huán)境.受近岸人工島的影響,原有的近岸水動力條件發(fā)生改變,水體交換能力減弱.而金夢海灣區(qū)域人工島對水體交換影響的研究甚少,研究和分析人工島建設的合理性,避免人工島建設后對海洋生態(tài)環(huán)境的破壞,對研究海洋生態(tài)環(huán)境的保護和開發(fā)具有積極的意義.本文以秦皇島近岸的金夢海灣為例,結合金夢海灣海域最新的水動力環(huán)境,通過二維潮流和保守物質輸運數(shù)學模型研究分析人工島對該區(qū)域水動力環(huán)境的改變,對比和分析人工島的不同工況組合對水體交換能力的影響,以期對金夢海灣人工島建設提供一定的科學依據(jù).

1 研究區(qū)域概述

圖1 計算區(qū)域?網格?測站和人工島位置

研究區(qū)域涵蓋金夢海灣近岸及其周邊海域(圖1),北起湯河,南至金夢海灣森林公園.金夢海灣的人工建筑物相對比較密集,其中主要的建筑物有潛堤、海螺島以及通往海螺島的進島路.潛堤共有3座,每座長度為360m,離岸約380m;海螺島2013年底開始建設,離岸約600m,連接海岸和海螺島之間的為進島路,其結構是透水性較差的管涵結構.金夢海灣海域靠近秦皇島外海的無潮點,整體潮差較小,潮流動力弱;潮汐為規(guī)則全日潮,潮流為規(guī)則半日潮,漲急呈WSW向、落急呈ENE向,研究區(qū)域為順岸往復流,外海流速大小為0.15~ 0.24m/s.

2 數(shù)學模型的建立與驗證

2.1 基本控制方程

2.1.1 潮流模型 Mike軟件是丹麥水力學研究所(DHI)[20]研發(fā)的通用數(shù)學模擬系統(tǒng),主要模擬湖泊、河口、河流、海岸和海洋的波浪、泥沙、水流及環(huán)境的變化,其中Mike3模型是在河口海岸水域數(shù)值模擬方面比較有優(yōu)勢的三維水流模型,其基本方程是基于三維不可壓縮的雷諾平均化的N-S方程給出的三維淺水方程[21];Mike 21Flow Model子模塊是從屬于Mike 21 模型的二維潮流模型,根據(jù)靜水壓力假定、淺水假定和布辛涅斯克假定,通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均納維－斯托克斯化的淺水方程[22].模型的連續(xù)方程和動量方程見文獻[23-24].

在研究區(qū)域取兩個典型點T1和T2(位置見圖1),其三維與二維模型計算得出的垂向平均流速過程的比較以及三維的流速的垂向分布見圖2,可見在垂向上的流速變化甚微,流速由表層至底層逐漸減小,因研究區(qū)域內的水深較淺,利用三維水動力模型計算得到沿水深方向的流速變化較小,底層速度較表層速度減小幅度在5%以內;且在研究區(qū)域內的湯河口建有橡膠壩,有效攔截了自河口涌入的淡水,研究區(qū)域內沒有出現(xiàn)淡鹽水混合的情況,因此利用三維模型計算得出的各層流速與二維的計算結果差異不大,而三維水動力模型較二維模型計算時間長,計算量大,故本文在保證計算精度的情況下為提高計算效率,采用二維水動力模型對研究區(qū)域進行模擬和計算.

圖2 二維與三維垂向平均流速對比及三維流速垂向分布

2.1.2 保守物質輸運模型 MIKE 21Transport 模型考慮了保守物質的擴散和衰減[25],其物質的守恒方程如下:

式中:、表示、方向上的速度分量;為水深;D、D為、方向上擴散系數(shù);為保守物質濃度.

2.2 計算網格及邊界條件

為了驗證水動力模型的合理性,以及滿足計算精度的要求,本文采用大(渤海模型)?小(秦皇島海域模型)模型雙重嵌套的方式進行計算.渤海大模型以大連和煙臺兩個潮位站的連線作為潮位開邊界,其模型網格節(jié)點數(shù)為14183,網格單元數(shù)為23419.秦皇島海域小模型北起樂島公園,南至洋河口,計算范圍在NW-SE方向上長16.5km(離岸距離),在NE-SW方向上長35.6km(沿岸距離),研究區(qū)域面積約為587.4km2.小模型網格節(jié)點數(shù)為13431,網格單元數(shù)為25585,對工程區(qū)域進行局部加密處理,網格分辨率為10~2500m.大?小模型的具體位置如圖1所示.

2.3 保守物質輸運模型計算范圍

假設研究區(qū)域內的保守物質濃度為=1,其他海域的初始濃度則為=0,在潮流作用下,研究區(qū)域的水體與區(qū)域外水體進行混合,使區(qū)域內保守物質的濃度逐漸降低.研究區(qū)域如圖3(a)所示.為研究工程前后水體交換特性的變化,將研究區(qū)域分為如圖3(b)中5個子區(qū)域.A為進島路附近海域,B為金夢海灣近岸海域,C為海螺島西側外海海域,D為海螺島西側碼頭海域,E為湯河口.

2.4 模型驗證

本文使用的潮流數(shù)據(jù)來源于海洋公益性行業(yè)科研專項項目中的實測資料,文中采用的嵌套渤海模型以及秦皇島模型已在我們以往的研究中進行過多次驗證[27-28],因此本文驗證僅顯示工程鄰近區(qū)域2點的潮流驗證.在研究區(qū)域內布置有秦皇島潮位站、JM01和JM02潮流測站(圖1),分別對秦皇島海域進行了大、小潮期間的水文測驗.根據(jù)研究范圍內已有的實測資料,確定模型驗證時間段;首先,采用潮汐表中秦皇島測站(圖1)的潮位預報值對相應時間段內的潮位計算值進行驗證,結果顯示(圖4)計算值與預報值擬合效果較好.其次,采用典型測站JM01和JM02站點的大、小潮期間的流速、流向數(shù)據(jù)(2013年5月11~12日大潮、2013年5月16~17日小潮)對潮流模型做進一步驗證,結果圖5、圖6所示.

本文選擇比較常用的Wilmott[29]提出的統(tǒng)計學方法來評價數(shù)學模型,其計算公式如下:

圖4 秦皇島2013年5月潮位驗證

從驗證結果可以看出,金夢海灣海域水動力模型模擬所得的潮流計算結果在流速大小和時間相位上與實測值基本一致,模型在大、小潮期間均有良好表現(xiàn),模擬精度基本滿足海岸工程數(shù)值模擬要求,可將其應用于不同工程組合對海域水動力影響的研究分析中.

3 水體交換能力分析

水體交換的能力強弱是評價一個海域水體自凈能力的重要指標,近岸水動力對污染物、懸浮沙和營養(yǎng)物質進行輸運,通過對流輸運和擴散稀釋等物理和化學過程,達到該海域水體的混合交換,從而實現(xiàn)水體的自我改善.人工島的修建在很大程度上會影響當?shù)厮w的動力環(huán)境[30-31],使海灣內部的潮流場發(fā)生變化,繼而影響到海灣內部水體環(huán)境,改變水體內物質的輸運量和輸運路徑.

本文基于歐拉法研究水體交換,用研究區(qū)域的滯留時間[32]來分析區(qū)域內的水體交換能力,其中滯留時間為初始的單位濃度/質量保守物質衰減到某一濃度/質量(如0.5或e-1)所需時間[33],本文采用保守物質衰減到初始質量的e-1所需時間作為滯留時間進行分析計算.利用最小二乘法對模型計算得出的保守物質衰減質量曲線進行擬合,確定衰減函數(shù)的各系數(shù)值,計算滯留時間.保守物質質量的衰減函數(shù)可表示為:

M/0=e-kt+(3)

式中:t和0分別為保守物質在時刻和初始時刻0的質量,參數(shù)、和利用最小二乘法擬合求得.

表1 工況組合

注:√表示有該工程,í表示沒有該工程.

根據(jù)海螺島和進島路工程的現(xiàn)狀,設置3個不同的工況組合(表1),計算區(qū)域內水體交換時間,分析研究區(qū)域的水體交換能力.工況01(表1)為原始海域,即沒有海螺島和進島路工程,主要研究該區(qū)域在沒有人工島的自然情形下,水體交換能力的強弱;工況02是在工況01的基礎上增加了海螺島工程,為研究海螺島單獨作用下該區(qū)域的水體交換能力;工況03在工況02的基礎上增加了進島路工程,為海螺島和進島路工程的組合工況,主要研究海螺島和進島路的聯(lián)合作用對區(qū)域內水體交換的影響.

3.1 流速分析

從圖7中(a)可知,工況02增加海螺島工程后,海水在海螺島的分流作用下,更易通過湯河口與海螺島之間的潮汐通道,使進島路東側的湯河口附近水體流速增加約10%~90%,同樣,潮流經海螺島南側繞流,使海螺島南側附近水體的流速增幅約20%~80%.海螺島工程的增加同時降低了海螺島西側區(qū)域D內的水體流速,降幅達到50%~95%,海螺島東側因雍水形成流速減小區(qū),流速減幅約為20%~ 50%.

從圖7中(b)可知,工況03相比工況01增加了海螺島和進島路工程,使金夢海灣內區(qū)域B內的水體流速大幅降低,湯河口區(qū)域E附近的水體因進島路的阻塞,流速減幅約40%~80%,金夢海灣近岸在進島路和海螺島的聯(lián)合作用下,形成一個半封閉的港池,流速減幅約為50%~95%.海水因海螺島和進島路的阻流作用,經海螺島南側繞流,使海螺島南側水域流速顯著增加,增幅約為30%~90%.

圖7 流速差值

3.2 余流分析

余流主要有歐拉余流和拉格朗日余流兩種形式,歐拉余流是對流場空間一定點瞬時觀測的流速進行潮周期平均而得到的一種定常流,若以歐拉余流對余流場進行分析,則會在海面處出現(xiàn)虛假的“潮源”項[34];而拉格朗日余流是水微團經若干潮周期運動后的凈位移與其運動的時間長度之比[35],其更能反映水微團在流場作用下運移特征.歐拉余流和拉格朗日余流在物理意義上有所不同,但在量值上卻有一定關系,Feng等[36]在研究中指出,最低階的拉格朗日余流是歐拉余流和斯托克斯漂流的疊加[37],從而為兩種不同的余流方式建立了數(shù)值上的聯(lián)系.

因余流場的結構是影響渤海灣水體交換能力的重要動力學分量[38],余流的大小和方向在一定程度上影響著研究區(qū)內的水體交換能力,故對研究區(qū)域的拉格朗日余流場[39]進行分析,以期對研究區(qū)域內不同工況組合下的水體交換能力的差異性進行解釋和說明.從圖8(a)可知,若無人工島的阻流、導流和分流的作用,湯河口外側形成一個順時針方向的渦旋結構[40],而金夢海灣潮流總體表現(xiàn)為順岸往復流,漲急呈WSW向,落急呈ENE向,工況01只有湯河口外側附近海域余流流速較大,約0.01~0.1m/s,區(qū)域C附近海域余流流速較小,約為0.001~0.01m/s,潮動力較弱,保守物質隨潮流做往復運動,并長期滯留在區(qū)域C附近海域,使滯留時間較有人工島時顯著增長.

從圖8(b)可知,海螺島工程的存在,使區(qū)域C產生一個順時針的渦旋,余流流速顯著增大,約0.02~0.05m/s,并從東到西遞減,海螺島西側區(qū)域C內的余流大小較工況01顯著增大;進島路附近區(qū)域A海域產生一個逆時針方向的渦旋,流速約0.02~ 0.07m/s,余流流速較工況01明顯增加.

從圖8(c)可知,增加海螺島和進島路工程,使進島路兩側區(qū)域A和區(qū)域E內余流流速大幅減小,其中進島路西側余流大小接近0,進島路東側湯河口附近余流流速約0.001~0.007m/s,較工況01顯著降低.

圖8 拉格朗日余流場

3.3 滯留時間分析

基于金夢海灣3種不同人工島組合工況,計算得出了該區(qū)域保守物質相對質量的變化,選取保守物質質量衰減到e-1的時間(滯留時間)作為該區(qū)域的水體交換時間.由圖9可知,工況02增加海螺島工程后,保守物質平均濃度較工況01顯著降低,工況03增加進島路和海螺島工程后,保守物質平均濃度介于工況01與工況02間.

從表2中可知,工況01區(qū)域內的水體滯留時間為212h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為68.17%、78.27%和86.27%,工況02在工況01的基礎上增加了海螺島,滯留時間降為171h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為72.93%、88.44%和90.67%,相比工況01,10d、20d和30d的水體交換率分別增加4.76%、10.17%和4.40%;對比工況02和工況01可知,增加海螺島工程,在一定程度上促進了研究區(qū)域的水體交換.

圖9 保守物質質量歷時曲線

工況03在工況02的基礎上增加了進島路工程,相比工況01,工況03的水體滯留時間增長為302h,第10d、20d和30d的水體交換率分別為55.46%、70.54%和78.99%,相比工況01分別降低12.71%、7.73%和7.28%.

表2 不同工況水體滯留時間及交換率

對比工況02和工況03可知,進島路的增加使整個區(qū)域的滯留時間上升131h,增幅約76.61%.進島路的增加相當于去除金夢海灣和湯河口海域的潮汐通道,阻隔了湯河口和金夢海灣內的水體交換,使金夢海灣近岸和湯河口附近水體長期滯留,水體交換率下降.工況03第10d、20d和30d的水體交換率較工況02分別下降17.47%、17.90%和11.68%.

為了更好地分析不同工況組合條件對整個區(qū)域水體交換率的影響,計算整個區(qū)域的水體滯留時間的場圖[41].如圖10為各工況條件下金夢海灣水體滯留時間場圖,并結合不同工況滯留時間的差值的場圖(圖11),對整個區(qū)域水體的滯留時間進行分析.

圖10 滯留時間分布

圖11 滯留時間差值分布

如圖10中(a)可知,沒有海螺島和進島路工程,區(qū)域A和區(qū)域E附近水體的滯留時間相對較小,約60~300h,但是區(qū)域C附近海域的滯留時間卻比較大,約360~640h,其主要是因為工況01中區(qū)域C的余流流速較小(圖8),且研究區(qū)域靠近秦皇島外海無潮點,潮差小、潮動力弱,致使工況01的區(qū)域C水體滯留時間顯著大于其他兩個工況.

如圖10中(b)所示,對比工況02和工況01,增加海螺島工程,區(qū)域C的水體滯留時間顯著縮短,圖11中(a)可知,海螺島工程使區(qū)域C水體滯留時間降低約240~450h,主要是潮流通過海螺島南側發(fā)生繞流,流速增大且形成順時針方向的渦旋;區(qū)域E內的水體滯留時間較工況01增加約60~100h,而近岸的水體因海螺島的分流作用,湯河口和外海水體更易進入近岸海域,使區(qū)域B內的水體滯留時間降低約10~240h,說明離岸的海螺島工程與岸線之間形成潮汐通道,有助于金夢海灣區(qū)域的水體交換.

如圖10中(c)所示,工況03相比于工況01,因為進島路和海螺島綜合作用,進島路附近和湯河口內的水體交換能力大大降低,結合圖11中(b)可知,區(qū)域A附近的水體滯留時間約為420~860h,增加約120~560h,區(qū)域E內水體滯留時間約為180~600h,增加約60~360h.海螺島和進島路的聯(lián)合作用,使近岸水體和進島路兩側以及湯河口的水體交換能力大幅降低,滯留時間顯著增長,海螺島和進島路工程阻礙了潮流向湯河口和近岸海域流動,水體在海螺島南側發(fā)生繞流,流速顯著增加(圖7),區(qū)域C的余流流速也較工況01明顯增大,致使區(qū)域C水體滯留時間下降約240h.

4 結論

4.1 離岸的海螺島工程起到分流、導流的作用,提升了金夢海灣的水體交換能力,海螺島工程的增加使研究區(qū)域水體滯留時間由212h降為171h,降幅約20%,20d的水體交換率由78.27%提升為88.44%,增加10.17%.

4.2 海螺島和進島路工程的聯(lián)合作用,使金夢海灣近岸海域形成一個水體交換能力較差的半封閉式水域,水體因進島路的阻隔作用,導致外海的海水與湯河口和近岸的水體交換緩慢,水體交換率下降7.73%.

4.3 進島路的去除為湯河口和金夢海灣近岸增加一條潮汐通道,湯河口和近岸海域水體流速顯著增加,區(qū)域內水體滯留時間下降131h,降幅超過75%, 20d水體交換率增加17.90%.在建設人工島和進島路時保留潮汐通道有助于該區(qū)域的水體交換.

4.4 金夢海灣靠近秦皇島外海的半日潮無潮點,潮流動力較弱,不利于金夢海灣海域的水體交換,在弱潮流地區(qū),保守物質擴散能力弱,分析時需考慮余流的作用.金夢海灣區(qū)域的余流小,潮流弱,保守物質滯留時間長,水體交換緩慢,水體的自凈能力低.

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Influences of artificial island on water exchange of Jinmeng Bay.

KUANG Cui-ping1, YU Lu-lu1, GU Jie2*, DONG Zhi-chao1, SONG Hong-lin1, ZHU Lei3

(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.The Eighth Geological Brigade, Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao 066001, China)., 2019,39(2)：757~767

To study the influences of the different layouts of artificial island on the hydrodynamic and water exchange in the Jinmeng Bay, based on MIKE software, a three and a two-dimensional hydrodynamic and conservative substance transport model were established, and Euler method was used to calculate the residence time. The influence mechanism of artificial island on water exchange was analysed from the entire region and several sub-regions. It reveals that: Conch Island played the roles of guiding and diversion flow, which improves the water exchange capacity of the Jinmeng Bay,i.e., water exchange rate increased by 10.17%. The combined Conch island and connection road make the Jinmeng Bay form a semi-enclosed water area with a poor water exchange capacity,i.e., water exchange rate decreased by 7.73%. The retention of tidal channel in the construction of artificial island is conducive to the water exchange in the region, and the removal of the connection road adds a tidal channel to the near shore of the Tanghe river and the Jinmeng Bay, the water exchange capacity increased by 17.90%. In weak tidal areas, the effect of residual flow should be considered. The residual current and tidal current in the Jinmeng Bay are very weak, the conservative substance can be kept for a long time. Hence, the water exchange is weak and the self-purification capacity is low.

water exchange；hydrodynamics；artificial island；Jinmeng Bay

X145

A

1000-6923(2019)02-0757-11

匡翠萍(1966-),女,江蘇揚州人,教授,博士,主要從事海岸工程研究.發(fā)表論文220余篇.

2018-07-15

海洋公益性行業(yè)科研專項(201305003)

* 責任作者, 教授, jgu@shou.edu.cn