周爭(zhēng)橋，夏 維,邱文博,李冠宇

(1.交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州海事測(cè)繪中心，廣東廣州 510320; 2.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300111)

0 引言

防城灣地處北回歸線以南的低緯度地區(qū)，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬季溫和，夏季多雨，季風(fēng)明顯，受災(zāi)害性天氣影響較明顯。防城灣分為東灣和西灣，兩灣被陸地隔開，通過狹長(zhǎng)水道連通，灣區(qū)被主城環(huán)抱，人口密集，工業(yè)發(fā)達(dá)，每年有大量的污水排入海灣。因防城河的存在，目前污水口多放置在西灣。水交換能力是評(píng)價(jià)海灣環(huán)境容量的重要指標(biāo)，表征了海灣自身的物理自凈能力，海灣的水質(zhì)情況與水交換能力的強(qiáng)弱直接相關(guān)[1]。在徑流和潮動(dòng)力等條件下，開展防城港東、西灣海域水交換能力的研究，形成海灣交換能力的科學(xué)認(rèn)識(shí)，以期制訂合理的對(duì)策，降低對(duì)海灣生態(tài)環(huán)境的影響，對(duì)防城港東、西灣未來的合理開發(fā)利用有著重要的科學(xué)意義。

箱式模型[2-3]是最早的水交換能力的研究方法，隨著數(shù)值計(jì)算模型的發(fā)展，對(duì)流-擴(kuò)散模型[4]和Lagrange質(zhì)點(diǎn)追蹤[5]逐漸成為研究海灣水交換的主要方法。高抒等[2]基于狹長(zhǎng)海灣多箱物理模型研究了象山港的水交換機(jī)制，該模型按垂向充分混合時(shí)間小于1 d和超過1 d兩種情況分別運(yùn)行，結(jié)果均表明象山港是一個(gè)水體交換緩慢的海灣。趙亮等[6]基于ECOM水動(dòng)力模型，采用Lagrange質(zhì)點(diǎn)追蹤法研究了膠州灣的整體和分區(qū)域水交換能力，指出深水區(qū)水交換時(shí)間為7 d，部分海區(qū)水交換時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)2個(gè)月。李希彬等[7]應(yīng)用三維水動(dòng)力和水交換數(shù)值模型，得出渤海灣水體半交換周期為323 d，海灣西北部海域和南部海域的水交換率較低。陳振華等[1]基于 POM 水動(dòng)力模式，考慮漫灘過程，得出欽州灣的整體平均水體半交換時(shí)間約為18 d。朱金龍等[8]利用二維對(duì)流-擴(kuò)散模型，研究了岸線變遷影響下的芝罘灣水交換能力變化過程。曹雪峰等[9]基于無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格的FVCOM海洋模式，在考慮徑流影響環(huán)境下，建立了欽州灣海域水動(dòng)力數(shù)值模型，指出內(nèi)灣茅尾海的水體交換主要受制于潮汐和徑流，而外灣欽州灣的水體交換受制于潮汐和波浪。陶磊等[10]建立了基于歐拉觀點(diǎn)的渤海區(qū)域水齡模型，通過對(duì)比潮汐單獨(dú)作用下與潮汐和季風(fēng)共同作用下渤海灣內(nèi)水齡的時(shí)空分布特征，研究了這兩個(gè)因素在渤海灣水交換中的作用，指出季風(fēng)是促進(jìn)渤海灣水交換的重要因素。目前，對(duì)流-擴(kuò)散模型和Lagrange質(zhì)點(diǎn)追蹤是研究水交換時(shí)被廣泛接受和采用的方法，王聰?shù)萚11]利用Lagrange質(zhì)點(diǎn)追蹤和ECOM模式研究了大亞灣的水交換能力，分析了兩種方法結(jié)果差異產(chǎn)生的原因。

針對(duì)防城灣水交換的研究并不多，陳憲云等[12]采用傳統(tǒng)方法，利用形態(tài)因子面積及潮差因子計(jì)算防城港東灣2008年和2012年的納潮量，對(duì)比2008年，2012年防城港東灣納潮減少量占總納潮量的5.5%，導(dǎo)致該海域海水交換能力減弱。蔣磊明等[13]從納潮量、潮流場(chǎng)、余流和波浪4個(gè)因素分析防城港鋼鐵項(xiàng)目的圍填海工程對(duì)附近海域水動(dòng)力環(huán)境的影響，認(rèn)為圍填海工程所引起的海流、波浪、納潮量等因素的變化均較小，納潮量最大減少8%。上述研究為本研究提供了良好的研究基礎(chǔ)，為了對(duì)防城灣水交換能力有全面的認(rèn)識(shí)，本文基于無結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格建立了高分辨率的 MIKE3三維水動(dòng)力數(shù)值模型，采用Lagrange質(zhì)點(diǎn)追蹤方法，選取水體半交換周期和水體交換律作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展防城灣水交換能力研究，以期為防城灣的科學(xué)管理決策提供支持。

1 材料與方法

1.1 模式介紹

采用丹麥水力學(xué)研究所的三維水動(dòng)力模型MIKE3開展本研究。該模型相比MIKE21更適合深水水體的模擬研究，被廣泛用于河口、海岸、海洋的研究中[14-17]。MIKE3 Flow Model采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin 有限元法進(jìn)行水平空間離散，在時(shí)間上，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程。MIKE3模型是基于雷諾平均化的Navier-Stokes方程，滿足Boussinesq假設(shè)和靜水壓力分布。

1.2 數(shù)值模式配置

(1)計(jì)算區(qū)域設(shè)置

根據(jù)北部灣海域的潮波運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在確保計(jì)算區(qū)域邊界效應(yīng)對(duì)防城灣無影響的前提下，進(jìn)行計(jì)算范圍的確定。開邊界為越南云屯縣-中國(guó)北海市大風(fēng)江口，網(wǎng)格在防城灣、防城河口和東興灣進(jìn)行了加密，計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格見圖1。計(jì)算區(qū)東西寬約150 km，南北長(zhǎng)約75 km，總面積約為50 km2，外海的計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)為1—2 km，在防城河流域周圍海域網(wǎng)格最小分辨率約為10 m，整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水平方向上共有節(jié)點(diǎn)數(shù)31 879個(gè)，網(wǎng)格數(shù)59 364個(gè)。垂向上采用sigma坐標(biāo)，垂向共分為4個(gè)σ層。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格及水深示意圖Fig.1 Diagram of grid and water depth in calculation area

(2)水深和岸界

外海水深數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家地學(xué)測(cè)量中心提供的Digital Bathymetric Database Version 5.2(DBDB5)原始數(shù)據(jù)集，近岸水深采用電子海圖以及測(cè)量資料，在海圖水深利用過程中，通過沿海海洋站潮位與最低理論基準(zhǔn)面關(guān)系對(duì)海圖水深進(jìn)行訂正，確保其準(zhǔn)確性。

采用海圖中岸界，并利用海岸線勘測(cè)資料和Google Earth最新岸線信息進(jìn)行訂正。

(3)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，保證計(jì)算的CFL數(shù)小于0.8，最小時(shí)間步長(zhǎng)0.1 s，最大時(shí)間步長(zhǎng)120 s。

(4)模型初始條件

網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的水位與網(wǎng)格單元的流速都取0。潮汐在開邊界的振幅、遲角和潮流流速等要素使用TPXO9數(shù)據(jù)。TPXO9是2018年最新發(fā)布的版本，在中國(guó)近海有較高的準(zhǔn)確度，共包括8個(gè)基本分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)，2個(gè)長(zhǎng)周期分潮(Mf和Mm)，以及M4、Ms4、Mn4、2N2、S1等分潮。本文在開邊界通過潮位輸入了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1共8個(gè)分潮。

(5)外部強(qiáng)迫條件設(shè)置

風(fēng)速和防城河流量設(shè)置根據(jù)多年統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行確定。根據(jù)防城河中游的長(zhǎng)歧水文站 1956—2004 年49 a資料分析，全流域多年平均徑流量為2.105×1010m3，多年平均徑流深2 353.0 mm。豐水期(4—10月)流量可達(dá)99.85 m3/s，枯水期(11月—次年3月)流量約為豐水期的33%，流量可達(dá)33.28 m3/s。根據(jù)防城港市氣象局提供的1994—2014年風(fēng)速資料，豐水期多年平均風(fēng)速為2.7 m/s，枯水期多年平均風(fēng)速為3.7 m/s。

(6)工況設(shè)置

主要研究了兩種條件下防城港東灣和西灣水體交換情況：1)豐水期+ SSW向多年平均風(fēng)(2.7 m/s)；2)枯水期+NNE向多年平均風(fēng)(3.7 m/s)。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

水交換是指水體通過對(duì)流和擴(kuò)散等物理過程與周圍水體相互混合，在海灣、近岸海域的水交換研究中，一般是通過定義各種時(shí)間尺度來描述水體交換能力的強(qiáng)弱或交換速度快慢，并使用半交換時(shí)間、交換率和存留時(shí)間等描述其時(shí)間尺度。水體交換率是指灣外水體通過潮汐作用進(jìn)出河口或海灣，每次進(jìn)入或流出灣內(nèi)的外海水占整個(gè)進(jìn)潮量或退潮量的比率。而水交換半周期是指在潮汐和徑流的共同作用下，灣內(nèi)水體交換出50% 到灣外時(shí)的周期數(shù)，在一定程度上表征了海灣的水交換能力，在欽州灣[1]、膠州灣[6]、丁字灣[18]等海灣均有所應(yīng)用。

水體交換半周期在不同的潮周期下出現(xiàn)不同的變化與當(dāng)時(shí)的潮汐現(xiàn)象、徑流作用、風(fēng)的作用、溫度鹽度變化等因素有關(guān)，因此要確定防城港海域水體交換的周期不能僅根據(jù)某一兩次潮周期下的計(jì)算來確定，而應(yīng)該是建立在多個(gè)潮周期的計(jì)算上，統(tǒng)計(jì)出各海域的平均水體交換率和平均水體交換半周期。

本文以海灣口門處作為分界線，選取大潮落潮中間時(shí)刻釋放保守物質(zhì)，保守物質(zhì)濃度海灣內(nèi)設(shè)置為1，灣外和徑流設(shè)置為0。由于潮流的動(dòng)力作用，防城灣內(nèi)保守物質(zhì)的平均濃度必然會(huì)隨漲、落潮過程出現(xiàn)潮周期性的變化，也會(huì)出現(xiàn)大小潮的半月周期性變化，本文利用PL64TAP低通濾波器[19]濾掉潮流部分，分別計(jì)算豐枯水期防城灣東、西灣保守物質(zhì)濃度變化。本文對(duì)多個(gè)潮周期的水體交換率和水體交換半周期計(jì)算取平均值。

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用水動(dòng)力模型模擬了該海域的潮位和潮流狀況，潮位和海流的實(shí)測(cè)站位布設(shè)見圖2，經(jīng)緯度坐標(biāo)和觀測(cè)時(shí)間如表1。

圖2 潮位和潮流驗(yàn)證點(diǎn)位置圖Fig.2 Location map of verification points of tide level and tidal current

表1 潮位和潮流驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Location of verification points of tide level and tidal current

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證結(jié)果

(1)潮位驗(yàn)證

模型輸出了仙人洞臨時(shí)潮位站位置2019年9月29日—2019年9月30日潮位，將潮位數(shù)據(jù)和模型輸出的潮位數(shù)據(jù)訂正至同一基面，繪制潮位過程曲線(圖3)。結(jié)果顯示，模型可以較好地模擬潮位過程。

圖3 仙人洞驗(yàn)潮站潮位實(shí)測(cè)模擬過程曲線Fig.3 Simulation process curve of tidal level measurement at Xianrendong tidal station

(2)潮流驗(yàn)證

采用4個(gè)潮流實(shí)測(cè)站位表層流速資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，觀測(cè)時(shí)間為2019年9月29日—2019年9月30日。潮流驗(yàn)證曲線見圖4。 驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)潮流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合，能夠較好地反映項(xiàng)目周邊海域潮流狀況。

圖4 各站位表層潮流驗(yàn)證曲線Fig.4 Surface current verification curves in each stations

潮位和潮流模擬結(jié)果顯示，本文建立的水動(dòng)力模型可以真實(shí)反映防城灣實(shí)際的水體流動(dòng)特點(diǎn)，可作為該海域水交換研究的模型。

2.2 流場(chǎng)特征分析

模擬結(jié)果(圖5)表明海域潮流性質(zhì)為不正規(guī)日潮，漲潮時(shí)，海水從外海進(jìn)入近海各個(gè)海灣，落潮時(shí)，海水向南退入外海，落潮流流速大于漲潮流流速，漲潮流流向?yàn)槠毕?，落潮流流向則為偏南向，在岸邊的速度方向與岸線較為一致。在漲潮過程中，外海潮波傳入防城港灣，流向都指向口門，在潮波傳播過程中，受地形約束強(qiáng)度較大，到達(dá)漁萬島南端分為兩支，一支沿牛頭嶺向西北方向流去，另一支沿暗埠口江向東北方向流去。流速在牛頭嶺深槽附近流到最大，過了牛頭嶺和企沙半島后，潮流進(jìn)入東、西灣內(nèi)灣，由于水深變淺，水流阻力增大，流速逐漸減小。無論在外灣還是內(nèi)灣，潮流都受岸線和深槽的影響，流向有順著深槽的趨勢(shì)。落潮是漲潮的逆過程，流場(chǎng)情況類似。在低潮時(shí)，漁萬島東北和西北面海域流速較小，較大面積的灘涂露出。西灣狹窄水道處漲落潮流速可達(dá)1 m/s以上，東灣張羅潮最大流速為0.8—0.9 m/s。

圖5 大潮漲急(左)和落急(右)時(shí)刻流場(chǎng)Fig.5 Flow field of high (left) and low (right) tide during spring period

2.3 水體交換率

豐枯水期防城灣東灣、西灣保守物質(zhì)濃度變化見圖6。對(duì)保守物質(zhì)隨時(shí)間變化分析可知，在潮汐徑流和季風(fēng)的共同作用下，兩個(gè)海灣區(qū)域的保守物質(zhì)濃度均以較快的速度減小，西灣河口區(qū)域的保守物質(zhì)濃度迅速減小，保守物質(zhì)濃度減小速度明顯大于防城灣東灣。由于天文潮的動(dòng)力作用，兩個(gè)海灣灣內(nèi)平均濃度必然會(huì)隨漲、落潮過程出現(xiàn)潮周期性的變化，也會(huì)出現(xiàn)大小潮的半月周期性變化。

圖6 東、西灣豐水期和枯水期保守物質(zhì)濃度變化曲線Fig.6 The variation curve of the concentration of the conservative substance in the East Bay and the West Bay during the wet and dry period

本文對(duì)豐枯水期不同時(shí)間段的保守粒子濃度進(jìn)行了分析(圖7-8)，可知：東灣的保守物質(zhì)濃度的空間分布呈現(xiàn)由灣口向?yàn)硟?nèi)增加，主水道保守物質(zhì)濃度明顯大于兩側(cè)淺水，說明主水道的水體交換能力較強(qiáng)，隨著時(shí)間的增加，保守物質(zhì)濃度減小速率降低。西灣保守物質(zhì)濃度的空間分布呈現(xiàn)由河口向?yàn)惩庠黾?，沖淡水主水道保守物質(zhì)濃度明顯大于兩側(cè)淺水，說明主水道的水體交換能力較強(qiáng)，隨著時(shí)間的增加，保守物質(zhì)濃度減小速率降低。

圖7 防城灣豐水期保守物質(zhì)濃度分布Fig.7 Distribution of conservative substance concentration in Fangcheng Bay during the wet period

2.4 水體交換時(shí)間

經(jīng)計(jì)算，防城灣西灣、東灣水體半交換時(shí)間如表2所示，防城灣西灣豐水期水體半交換周期約為1.7 d，枯水期水體半交換周期約為3.6 d，東灣豐水期水體半交換周期約為15.2 d，枯水期水體半交換周期約為27.8 d。從半交換周期來看，豐水期半交換周期明顯短于枯水期，徑流對(duì)污染物擴(kuò)散起到加速作用，作用較季風(fēng)明顯。

表2 防城灣海域水體交換情況Table 2 Water exchange situation of Fangcheng Bay

3 結(jié)論

防城灣海域水交換時(shí)間主要受防城河徑流和潮流的影響，防城河豐水期徑流量99.85 m3/s，枯水期徑流量為33.28 m3/s，數(shù)值模擬顯示西灣最大流速可達(dá)1 m/s,東灣最大流速為0.9 m/s。

因防城河的存在，西灣保守物質(zhì)濃度的空間分布呈現(xiàn)由河口向?yàn)惩庠黾?，沖淡水主水道保守物質(zhì)濃度明顯大于兩側(cè)淺水，說明主水道的水體交換能力較強(qiáng)。東灣的保守物質(zhì)濃度的空間分布呈現(xiàn)由灣口向?yàn)硟?nèi)增加，主水道保守物質(zhì)濃度明顯大于兩側(cè)淺水。兩灣隨著時(shí)間的增加，保守物質(zhì)濃度減小速率降低。

西灣因潮流流速較大，加上防城河徑流的影響，其水交換時(shí)間明顯較東灣短，半交換期在豐水期為1.7 d，枯水期為3.6 d；東灣因與西灣通過狹長(zhǎng)水道相連，在豐水期可明顯看到徑流的影響，半交換時(shí)間為15.2 d，枯水期其影響效果不明顯，半交換時(shí)間為27.8 d。

綜上，防城灣西灣水交換能力較好。在未來的防城灣使用規(guī)劃中，選擇水交換能力較強(qiáng)的西灣中部的東側(cè)沿岸，東灣應(yīng)該選擇在中部海域。