肖立敏,韓信,周桂峰,張冬冬

(1.南京水利科學研究院 南京 210024;2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室 南京 210029;3.唐山市自然資源和規(guī)劃局唐山國際旅游島分局 唐山 063600)

0 引言

唐山國際旅游島位于河北省唐山市東南部渤海之濱,東側緊鄰京唐港區(qū),西側距曹妃甸港區(qū)約30 km。旅游島由菩提島、月島、祥云島及北側陸域組成(圖1)。規(guī)劃面積125.64 km2,坐擁海島、溫泉、沙灘、生態(tài)及文化資源組合,為國家級海島開發(fā)利用示范基地。根據(jù)規(guī)劃,內(nèi)海(島與北側岸線圍成的水域)將開挖至-6 m(85高程,下同),開挖線見圖1。旅游島東側與京唐港區(qū)相接處有一條大唐電廠排水河,是內(nèi)海東側海域水體交換的主要通道。排水河現(xiàn)有寬度較窄,約80 m,制約了內(nèi)海東側水域的水體交換。為保護好唐山國際旅游島海域尤其是內(nèi)海水生態(tài)環(huán)境,需要合理確定電廠排水河寬度。物理模型是解決潮流水動力的有效手段,在港口航道、橋梁工程和電廠取排水[1-3]等涉水工程中均得到了廣泛應用,莫思平等[4]和吳門伍等[5]也分別通過物理模型開展了伶仃洋大鏟灣和科倫坡港口城的水體交換。本研究通過潮流物理模型試驗,研究唐山國際旅游島內(nèi)海水動力特性及水體交換能力,并提出改善其水環(huán)境的工程措施。

圖1 唐山國際旅游島規(guī)劃方案及測量斷面布置圖

1 潮汐潮流特征

本海域的潮汐資料分析表明,潮汐類型屬不規(guī)則半日潮,潮差較小,多年平均潮差為0.88 m。

2007年7月30—31日和8月6—7日在工程海域開展大潮和小潮現(xiàn)場專項水文測驗。實測大、小潮都呈兩漲兩落的半日潮形態(tài),日潮不等現(xiàn)象較為顯著。實測大潮最高、最低潮位分別為0.79 m和-0.68 m,高潮漲、落潮潮差分別為1.47 m和1.41 m,低潮漲、落潮潮差分別為0.32 m和0.36 m;實測小潮最高、最低潮位分別為1.04 m和-0.48 m,高潮漲、落潮潮差分別為1.29 m和1.49 m,低潮漲、落潮潮差分別為1.02 m和0.69 m。

2007年工程海域?qū)崪y資料顯示,唐山國際旅游島附近海域潮流特性具有明顯的往復流特征,漲潮為西南流,落潮為東北流,潮流流向基本與海岸平行。大潮期間,靠近外海側的由西至東的2#、4#和6#測點(位于14 m等深線附近)漲潮最大流速分別為0.74 m/s、0.75 m/s和0.66 m/s,落潮最大流速依次為0.79 m/s、0.69 m/s和0.71 m/s。靠近近岸的1#、3#和5#測點(位于6 m等深線附近)漲潮最大流速分別為0.77 m/s、0.69 m/s和0.73 m/s,落潮最大流速分別為0.53 m/s、0.26 m/s和0.60 m/s?？偟膩砜?近岸流速要略強于外海流速。小潮期間的漲落潮流速要弱于大潮。

圖2 2007年實測大潮流速矢量圖

2 物理模型設計與驗證

2.1 模型比尺及布置[6]

根據(jù)試驗要求和模型研究范圍,結合場地條件,取模型平面比尺780、垂直比尺130,模型變率為6。模型模擬范圍,沿岸方向約34 km,離岸約22 km,外海邊界位于20 m等深線附近。模型平面布置見圖3。模型主要考慮重力相似、阻力相似和水流運動相似,根據(jù)相似準則,水流流速比尺和水流時間比尺分別為11.4和68.4。

圖3 唐山國際旅游島潮流物理模型布置圖

模型潮流動力系統(tǒng)由變頻潛水泵、變頻雙向泵組成,輔以回水廊道、緩沖前池和尾門。模型中的潮位過程采用自計式水位儀測量并由計算機采集,流速測量采用傳統(tǒng)的旋槳式流速儀,水體交換試驗采用光電式濁度儀測量水體濃度來表征換水率。

2.2 模型驗證

本研究利用2007年7月30日—8月7日實測大、小潮潮位以及流速流向進行了模型驗證。圖4和圖5分別給出了部分點位物理模型試驗與實測的對比。由圖可見,潮位和流速、流向的試驗模擬結果與實測值吻合良好,表明模型能較好反映唐山國際旅游島海域潮汐潮流動力特性。

圖4 2007年實測潮位過程驗證曲線圖

圖5 2007年實測大潮流速流向過程驗證曲線圖

3 試驗結果分析

在規(guī)劃條件下,即唐山國際旅游島規(guī)劃岸線、內(nèi)海開挖至-6 m,分別考慮電廠排水河寬度為80 m(即現(xiàn)狀寬度)、200 m和380 m 3個寬度,分別開展潮流場和水體交換試驗。各方案維持京唐港區(qū)岸線不變,調(diào)整祥云島東側岸線,具體方案見圖6。

圖6 電廠排水河寬度80 m、200 m和380 m方案

3.1 潮流流速變化分析

圖7和圖8分別給出了漲急時刻工程海域大范圍以及電廠排水河附近的流態(tài)試驗照片。漲潮時,主口門(祥云島與月島形成的口門)通道內(nèi)流速較大,水流通過主口門進入內(nèi)海,內(nèi)海水域相對較為開闊,形成逆時針方向的回流。部分水流右轉流向祥云島一側內(nèi)海,另一部分左轉由月島與菩提島之間的通道匯入外海。落潮期間,內(nèi)海水域沒有明顯回流。上述3種電廠排水河方案,大范圍水流流態(tài)基本相同。隨著寬度的增加,排水河通道動力增強,主口門水流流速有所減弱,回流強度及范圍均有一定程度減小。

圖7 漲急時刻大范圍流態(tài)試驗照片

圖8 漲急時刻排水河附近流態(tài)試驗照片

試驗中,布設4個流速測量斷面進行流速分析,1#、2#、3#和4#斷面分別位于主口門、電廠排水河、菩提島與月島間通道及菩提島與岸線通道(圖1)。圖9給出了電廠排水河不同寬度,上述4個斷面漲潮平均流速分布,表1則統(tǒng)計了漲落潮期間斷面平均流速的特征值。由圖表可見,漲潮期間,當電廠排水河為80 m時,主口門斷面平均流速分別為0.29 m/s;排水河斷面平均流速為0.33 m/s,但由于通道較窄,水流阻力較大,通過該斷面進入內(nèi)海的流量也相對較小,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水動力較弱;3#和4#斷面流速均較小,斷面平均流速均在0.12 m/s左右。隨著排水河寬度的增加,主口門流速呈現(xiàn)減小趨勢,排水河斷面平均流速變化不大但流量明顯增加,3#和4#斷面流速變化甚微。當排水河寬度為200 m時,上述4個斷面漲潮平均流速依次為0.25 m/s、0.32 m/s、0.13 m/s和0.11 m/s;排水河寬度為380 m時,對應的斷面平均流速為0.22 m/s、0.27 m/s、0.12 m/s和0.10 m/s。落潮期間,各斷面流速隨排水河寬度變化的趨勢與漲潮基本一致。

綜合上述分析,在規(guī)劃岸線條件下,維持主口門以及3#、4#通道不變,改變電廠排水河寬度,漲落潮期間,3#、4#通道流量較小、變換甚微,通過主口門和電廠排水河通道進出內(nèi)海的流量會發(fā)生調(diào)整,進而影響到上述兩個通道以及內(nèi)海一定范圍水域內(nèi)的流速發(fā)生變化。電廠排水河寬度由現(xiàn)有的80 m擴大到200 m時,通過電廠排水河的水流流量逐步增加,祥云島中部對應的內(nèi)海水域的水流動力也明顯增強,而通過主口門進入內(nèi)海的流量有所減小,水流流速有一定程度減小。當電廠排水河寬度由200 m進一步拓寬到380 m時,排水河通道與主口門之間的流量與流速變化依然符合上述趨勢,但變化程度會減弱。適當增加電廠排水河寬度,對改善內(nèi)海東側水域的水動力是有利的。

圖9 不同電廠排水河寬度下各斷面漲潮平均流速分布

表1 電廠排水河不同寬度,各斷面特征流速統(tǒng)計表

續(xù)表

3.2 水體交換結果分析

試驗前,用橡皮泥將唐山國際旅游島內(nèi)海水體與外海隔離,并采用素墨水進行染色處理,使每組試驗內(nèi)海染色水體初始濃度基本一致。待模型中外海潮位過程穩(wěn)定后,在外海水位與內(nèi)海水位持平時,拿走橡皮泥,內(nèi)海染色水體與外海的清水發(fā)生交換,內(nèi)海染色水體的濃度變化反映了其水體交換的過程。通過觀察和測量內(nèi)海不同測點染色水體的濃度變化(代表水體的交換率),可以分析內(nèi)海水體與外部水體交換變化的過程。

圖10和圖11分別給出了電廠排水河寬度200 m,大潮連續(xù)作用4天和8天水體交換的試驗照片。

圖10 電廠排水河寬度200 m作用4天后試驗照片

漲潮期間,外海水體通過主口門以及電廠排水河等通道進入內(nèi)海,上述水域的水體首先與外海發(fā)生交換;落潮期間,內(nèi)海水體隨著落潮流進入外海。隨著外海的潮漲潮落,內(nèi)海水體逐步完成水體交換過程。當電廠排水河寬度為80 m時,內(nèi)海在靠近主口門附近的水域水體交換能力較強,大潮連續(xù)作用5天左右,換水率可達到80%左右;排水河通道附近、菩提島與北岸通道以及菩提島與月島通道附近的水體交換能力次之,需要8天基本完成水體交換;位于祥云島中部對應的內(nèi)海水域的水體交換能力較弱,通過大潮連續(xù)作用15天才能基本完成交換。

圖11 電廠排水河寬度200 m作用8天后試驗照片

圖12給出了不同電廠排水河寬度時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域采樣點的水體交換率對比圖,采樣點見圖1。與電廠排水河寬度80 m相比,當寬度拓寬到200 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力明顯增強,內(nèi)海水域完成水體交換時間約為11天左右。當排水河寬度進一步拓寬到380 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力進一步提高,但提高幅度并不顯著,需要9天左右時間完成交換。

圖12 內(nèi)海東側中部水體交換率對比

綜上所述,電廠排水河維持現(xiàn)有寬度80 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力相對較弱。電廠排水河拓寬到200 m后,內(nèi)海水體交換能力明顯增強;當排水河寬度進一步拓寬到380 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力進一步提高,但提高幅度并不顯著。因而,從內(nèi)海水體交換能力考慮,電廠排水河寬度選擇在200 m左右是較為適宜的。

4 結語

(1)唐山國際旅游島規(guī)劃條件下,電廠排水河現(xiàn)有寬度相對較窄,通過該通道進出的流量較小,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水動力較弱。維持主口門及其他通道不變,增加電廠排水河寬度,通過主口門與電廠排水河通道進出內(nèi)海的流量會發(fā)生調(diào)整。隨著電廠排水河寬度增加,通過電廠排水河的水流流量逐步增加,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水流動力也明顯增強,而通過主口門進入內(nèi)海的流量有所減小,水流流速略有減小。

(2)電廠排水河為現(xiàn)有寬度80 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力相對較弱。電廠排水河拓寬到200 m后,內(nèi)海水體交換能力明顯增強;當排水河寬度進一步拓寬到380 m時,祥云島中部對應的內(nèi)海水域水體交換能力進一步提高,但提高幅度并不顯著。

(3)唐山國際旅游島規(guī)劃條件下,通過調(diào)整電廠排水河寬度,可有效改善內(nèi)海水域水動力條件及水體交換能力。綜合考慮,適當增加現(xiàn)有電廠排水河寬度對改善內(nèi)海東側水動力及水體交換能力是有利的。