李華慶，張旭日，張麗麗，邢 浩，石洪源,2**

(1.魯東大學(xué)水利工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264025；2.魯東大學(xué)港口海岸防災(zāi)減災(zāi)研究院，山東煙臺(tái) 264025)

鐵山港作為廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)中轉(zhuǎn)運(yùn)輸樞紐港區(qū)，是我國(guó)西南地區(qū)便捷的出海通道，也是我國(guó)與東盟國(guó)家海上貿(mào)易的重要口岸，具有優(yōu)越的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。為滿足鐵山港灣內(nèi)船舶通行和臨港工業(yè)快速發(fā)展的需求，北海市在鐵山港區(qū)3.5萬(wàn)噸級(jí)進(jìn)港航道基礎(chǔ)上拓寬浚深，總長(zhǎng)約23.6 km，分10萬(wàn)噸級(jí)、5萬(wàn)噸級(jí)、1萬(wàn)噸級(jí)和5 000噸級(jí)4段進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于施工情況復(fù)雜等因素，目前僅完成Ⅰ、Ⅱ標(biāo)段。Ⅲ標(biāo)段東側(cè)多生長(zhǎng)有紅樹林，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的生物多樣性和極高的生產(chǎn)力，同時(shí)發(fā)揮著諸多其他生態(tài)系統(tǒng)所不能替代的重要功能，研究Ⅲ標(biāo)段疏浚工程引起的水動(dòng)力改變對(duì)周圍紅樹林的影響具有重要意義。水動(dòng)力環(huán)境變化通常通過(guò)模型來(lái)模擬。辛文杰[1]、陳波等[2]通過(guò)數(shù)值模擬建立鐵山港的潮流模型；施華斌等[3]利用二維淺水模型建立廣西沿海的水動(dòng)力模型，分析河流對(duì)近岸水動(dòng)力的影響；王麗娜等[4]利用三維淺海水動(dòng)力模型建立潮流場(chǎng)模型；李小維等[5]、Yang等[6]通過(guò)歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值模型研究鐵山港的水動(dòng)力特征；謝潔[7]利用數(shù)值模型研究鐵山港的潮流和泥沙輸運(yùn)，計(jì)算得到規(guī)劃港區(qū)和航道的泥沙回淤?gòu)?qiáng)度及回淤總量。隨著鐵山港航道工程的建設(shè)發(fā)展，其Ⅲ標(biāo)段疏浚工程會(huì)對(duì)周邊海域的水動(dòng)力產(chǎn)生一定影響，而水動(dòng)力環(huán)境是泥沙輸運(yùn)、海洋生態(tài)環(huán)境變化的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[8]，確定水動(dòng)力環(huán)境變化對(duì)鐵山港海域環(huán)境保護(hù)、制定發(fā)展規(guī)劃具有一定參考意義。因此，本研究基于MIKE數(shù)值模型，同時(shí)為使模型計(jì)算更加穩(wěn)定、輸出結(jié)果更加精確，在光灘和紅樹林區(qū)域采用不同的曼寧系數(shù)[9，10]，詳細(xì)分析鐵山港航道Ⅲ標(biāo)段疏浚工程引起的航道及紅樹林區(qū)域水動(dòng)力改變情況，為相關(guān)建設(shè)和規(guī)劃制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 鐵山港航道Ⅲ標(biāo)段疏浚工程

北海鐵山港航道三期工程Ⅲ標(biāo)段位于北海鐵山港區(qū)石頭埠作業(yè)區(qū)至雷田作業(yè)區(qū)以東海域，起點(diǎn)為三期航道工程設(shè)計(jì)G點(diǎn)，終點(diǎn)為雷田作業(yè)區(qū)口門處K點(diǎn)，各標(biāo)段詳細(xì)信息見圖1和表1。北海港鐵山港區(qū)航道Ⅲ標(biāo)段疏浚工程施工總工期約12個(gè)月，擬疏浚航道總長(zhǎng)約9.78 km。全航段采用8 m3(北段)和13 m3(南段)抓斗挖泥船配泥駁開挖，由抓斗船和泥駁清礁，總疏浚量約為3.869 3×106m3，炸礁量約為3.657×105m3。

圖1 工程區(qū)域位置及精細(xì)化計(jì)算網(wǎng)格

表1 航道平面尺度

工程區(qū)附近植物主要為紅樹植物。在低潮潮位附近分布的紅樹植物有白骨壤Avicenniamarina，高潮潮位附近分布有桐花樹Aegicerascorniculatum、鹵蕨Acrostichumaureum、老鼠簕Acanthusilicifolius和半紅樹植物如黃槿Hibiscustiliaceus、苦郎樹Clerodendruminerme，岸邊一帶生長(zhǎng)有厚藤Ipomoeapes-caprae、海馬齒Sesuviumportulacastrum、南方堿蓬Suaedaaustralis等。根據(jù)周邊其他近岸工程調(diào)查可知，鐵山港附近海域外源性高嶺土在紅樹林區(qū)域的堆積和黏附會(huì)妨害白骨壤的呼吸及光合作用，導(dǎo)致白骨壤死亡[11，12]。高嶺土的懸沙濃度除了與泥沙源強(qiáng)相關(guān)外，海洋水動(dòng)力環(huán)境也對(duì)泥沙濃度有著重要影響，因此研究疏浚工程造成的水動(dòng)力環(huán)境改變，對(duì)紅樹林保護(hù)具有間接參考價(jià)值[13]。

1.2 模型的建立

1.2.1 模型介紹

采用平面二維數(shù)值模型MIKE21研究目標(biāo)海域的潮流場(chǎng)。MIKE21采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程[14]研究工程造成的泥沙沖淤狀況。

連續(xù)方程：

(1)

向動(dòng)量方程：

(2)

向動(dòng)量方程：

(3)

式中：t為時(shí)間(s)；x,y為原點(diǎn)0置于某一水平基面的直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；u、v分別為流速矢量V沿x、y方向的分量(m/s)；ζ為相對(duì)于xy坐標(biāo)平面的水位(m)；h=d+ζ，為總水深(m)；d為相對(duì)于xy坐標(biāo)平面的水深(m)；Nx、Ny分別為x、y向水流紊動(dòng)黏性系數(shù)(m2/s)；f為科氏參量(deg)；g為重力加速度(m/s2)；c=Mh1/6，為謝才系數(shù)；M為曼寧糙率系數(shù)。

1.2.2 初始條件

ζ(x,y,t)|t=0=ζ0(x,y),

u(x,y,t)|t=0=u0(x,y),

v(x,y,t)|t=0=v0(x,y)，

(4)

式中：ζ0、u0、v0分別為ζ、u、v的初始值。

1.2.3 邊界條件

流速法向量為0：

V·n=0，

(5)

式中:n為固邊界法向單位矢量。

開邊界水位ζ和流速V可采用已知水位ζ*(x,y,t)或流速V*(x,y,t)控制：

ζ(x,y,t)|Γ=ζ*(x,y,t)(水位)，

(6)

V(x,y,t)|Γ=V*(x,y,t)(流速)。

(7)

1.2.4 模型設(shè)置

本研究計(jì)算區(qū)域如圖2所示。鐵山港附近海域島嶼眾多，岸線曲折，兩岸有較多紅樹林分布。因此采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格可以較好地貼合自然岸線，提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，并便于各種工程情況的準(zhǔn)確布置。用動(dòng)邊界的方法對(duì)干、濕網(wǎng)格進(jìn)行處理，在疏浚工程區(qū)附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。計(jì)算空間步長(zhǎng)在工程海域精確到10 m，網(wǎng)格單元74 004 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)39 307個(gè)。

A、B和C分別代表計(jì)算區(qū)域的起點(diǎn)、拐點(diǎn)和終點(diǎn)

工程附近的海域水深數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部制作的海圖數(shù)據(jù)(C1416710鐵山港及附近)以及航道附近測(cè)量的水深數(shù)據(jù)。對(duì)于外海水深，本項(xiàng)目采用美國(guó)國(guó)家地學(xué)測(cè)量中心提供的DBDB5 (Digital Bathymetric Database Version 5.2)(https://shoreline.noaa.gov/data/datasheets/wvs.html)原始數(shù)據(jù)集，通過(guò)雙線性插值方法插值到網(wǎng)格點(diǎn)上，工程前后水深見圖3。

圖3 航道及附近海域疏浚工程前(上)后(下)水深分布

潮汐在開邊界的振幅、遲角和潮流流速等要素利用MATLAB中的T_tide工具包[15]獲得，采用M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18個(gè)主要分潮。模型計(jì)算時(shí)間為2021年4月1-23日，合計(jì)23 d，計(jì)算步長(zhǎng)根據(jù)Courant-Friedrich Levy (CFL) number笛卡爾坐標(biāo)下的淺水方程式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定。最大時(shí)間步長(zhǎng)為120 s，最小時(shí)間步長(zhǎng)0.1 s。底床糙率通過(guò)曼寧系數(shù)進(jìn)行控制。因?yàn)榧t樹林的高度和分布密度等因素顯著改變底床糙率，為準(zhǔn)確刻畫紅樹林區(qū)域的流場(chǎng)時(shí)空分布，底床糙率通過(guò)空間變化的曼寧系數(shù)所形成的曼寧系數(shù)場(chǎng)進(jìn)行控制。根據(jù)倪海祥等[16]的研究及MIKE21中曼寧數(shù)定義，光灘曼寧系數(shù)設(shè)置為林地的10倍，因此本次計(jì)算曼寧系數(shù)n取4-40。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，利用水動(dòng)力模型模擬工程海域的潮位和潮流狀況。將模擬結(jié)果與1個(gè)臨時(shí)潮位站(WL)、6個(gè)潮流觀測(cè)站(1#-6#)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。觀測(cè)站位置見圖4，水位模擬對(duì)比曲線見圖5，潮流模擬對(duì)比曲線見圖6。

圖4 實(shí)測(cè)站位分布圖

圖5 潮位模擬實(shí)測(cè)對(duì)比曲線(2021年4月5日0時(shí)—2021年4月20日23時(shí))

圖6 流速流向驗(yàn)證圖(2021年4月12日、13日)

對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明：潮位、潮流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)潮位、潮流資料基本吻合，能夠較好地反映項(xiàng)目周邊海域水位和潮流狀況。

1.4 研究?jī)?nèi)容

前述驗(yàn)證結(jié)果表明文章敘述的模型可以用于工程前后水動(dòng)力改變情況的研究，為其提供數(shù)值模擬技術(shù)。為更直觀地比較疏浚工程前后的變化情況，選取航道9個(gè)斷面27個(gè)特征點(diǎn)的大潮期流速(圖7)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)，為研究紅樹林區(qū)域水動(dòng)力改變情況，選取鐵山港東岸和西岸紅樹林內(nèi)共16個(gè)特征點(diǎn)的流速進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)。

圖7 航道和紅樹林特征點(diǎn)分布

2 結(jié)果與分析

2.1 疏浚工程前后潮流場(chǎng)分析

根據(jù)大潮期漲落急時(shí)刻流場(chǎng)圖(圖8,9)分析可知，由北部灣而來(lái)的潮流沿著西南向上溯。漲潮流以偏北向流為主，落潮流以偏南向流為主，漲潮流在英羅港西側(cè)分成兩股，一股向東進(jìn)入英羅港，另一股折向西北上溯進(jìn)入鐵山港內(nèi)灣；落潮時(shí)潮流則相反。鐵山港深槽區(qū)域流速較大，岸邊流速較小，岸邊有淺灘出露。

圖8 大潮期漲急(上)和落急(下)時(shí)刻疏浚工程前航道附近海域流場(chǎng)圖

工程前，工程附近海域漲急時(shí)刻流速為9.2-50.4 cm/s，大致呈南高北低分布，最大流速出現(xiàn)在Ⅲ段南端附近；落急時(shí)刻，工程海域整體流速相比漲急時(shí)刻增大，同漲急類似，流速呈現(xiàn)南高北低分布，最大流速出現(xiàn)在工程南部海域，為68.2 cm/s(圖10)。

工程后，因疏浚造成水深增加，因此航道內(nèi)流速呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。漲急時(shí)刻，航道內(nèi)流速降低幅度為0-12 cm/s，航道南部周邊區(qū)域降低值較大，超過(guò)10 cm/s，最大為11.7 cm/s。落急時(shí)刻，航道內(nèi)流速降低幅度為0-5 cm/s，周邊流速降低相對(duì)漲急時(shí)刻幅度減少，不足5 cm/s (圖10)。

圖9 大潮期漲急(上)和落急(下)時(shí)刻疏浚工程后航道附近海域流場(chǎng)圖

圖10 漲急(左)和落急(右)時(shí)刻疏浚工程前后航道附近海域流速變化

航道大潮期流速變化如表2所示。漲急時(shí)刻，各特征點(diǎn)工程后流速較工程前變化無(wú)規(guī)律，其中以4號(hào)特征點(diǎn)流速增加最多，最多增加6.3 cm/s；23號(hào)特征點(diǎn)流速降低最多，最多降低11.7 cm/s。落急時(shí)刻，4號(hào)特征點(diǎn)流速增加最多，最多增加3.7 cm/s；24號(hào)特征點(diǎn)流速降低最多，最多降低9.8 cm/s。

表2 工程前后航道附近流速特征點(diǎn)流速變化情況

2.2 疏浚工程對(duì)紅樹林區(qū)域的影響

紅樹林區(qū)域大潮期流速變化如表3所示。漲急時(shí)刻，各特征點(diǎn)工程后流速較工程前大部分呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，其中以H號(hào)特征點(diǎn)流速降低最多，最多降低4.3 cm/s；N號(hào)特征點(diǎn)流速增加最多，最多增加值為0.7 cm/s。落急時(shí)刻，L號(hào)特征點(diǎn)流速增加最多，最多增加0.1 cm/s；M號(hào)特征點(diǎn)流速降低最多，最多降低0.7 cm/s。工程完成后，因疏浚造成海域水深增加，進(jìn)而影響紅樹林區(qū)域的流速情況，致使區(qū)域流速較工程前降低，對(duì)紅樹林區(qū)域起到間接保護(hù)作用。

表3 工程前后紅樹林流速特征點(diǎn)流速變化情況

3 結(jié)論

因鐵山港區(qū)Ⅲ航道疏浚工程的開展，該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生改變。數(shù)值模擬結(jié)果顯示,漲急和落急時(shí)刻，各特征點(diǎn)工程后流速較工程前變化無(wú)規(guī)律；北部淺水區(qū)域因水深增加，造成流速增大；而南部深水區(qū)域，出現(xiàn)流速降低的現(xiàn)象，這主要和截面過(guò)流通量有關(guān)。

對(duì)紅樹林區(qū)域而言，漲急和落急時(shí)刻，各特征點(diǎn)工程后流速較工程前大部分呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，其中以H號(hào)特征點(diǎn)流速降低最多，最多不超過(guò)5.0 cm/s；個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，但是增加量不足1 cm/s。由此可知，水動(dòng)力的改變對(duì)紅樹林產(chǎn)生的影響較小。

跟前人研究結(jié)果[17，18]相比，本研究在數(shù)值模型中，考慮光灘和紅樹林曼寧系數(shù)的差別，使模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近，但是因缺乏紅樹林區(qū)域?qū)崪y(cè)流速資料，因此模型的效果無(wú)法定量評(píng)價(jià)。同時(shí)，本研究在航道附近設(shè)置多條斷面，分別在航道左側(cè)、中間和右側(cè)設(shè)置特征點(diǎn)，研究航道疏浚對(duì)航道內(nèi)部及附近流場(chǎng)的改變，對(duì)比結(jié)果更加全面，可以明顯看出因航道疏浚造成的水深增加，進(jìn)而影響流速分布的情況。