欒明珠，楊佳歡

（煙臺(tái)仲伯企業(yè)管理咨詢(xún)有限公司，山東 煙臺(tái)，264000）

我國(guó)海岸線(xiàn)長(zhǎng)，海岸線(xiàn)的生態(tài)環(huán)境極易受人類(lèi)活動(dòng)的影響。在沿海工程建設(shè)活動(dòng)中，人類(lèi)對(duì)地表土壤進(jìn)行開(kāi)挖、填埋，對(duì)地表水和地下水進(jìn)行抽排、疏通等，均會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)、地貌和水文等造成擾動(dòng)；由于海洋水環(huán)境與陸地地下水鹽分、礦化度的不同，一些海港疏通完成后，潟湖水系不可避免受漲潮落潮影響，區(qū)域水文生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化。為了分析潟湖水系受潮汐的影響程度，研究潟湖水量的潮流場(chǎng)變化規(guī)律，預(yù)測(cè)海港的納潮量顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)海港納潮量的預(yù)測(cè)展開(kāi)了相關(guān)研究，王璐等[1]基于MIKE21 水動(dòng)力數(shù)值模型，對(duì)芝罘灣圍填海工程引起的4個(gè)特征年潮流場(chǎng)和納潮量進(jìn)行了分析，指出地形對(duì)潮流流速具有明顯影響；李希彬等[2]利用FVCOM 海洋數(shù)值模型預(yù)測(cè)未來(lái)海岸工程建設(shè)后天津近海的水動(dòng)力和水交換的變化，指出工程建設(shè)會(huì)延長(zhǎng)水體半交換周期約10 d；陳志琦等[3]基于MIKE21 水動(dòng)力數(shù)值模型，分析了羅源灣海域的Smagorinsky 系數(shù)、糙率和風(fēng)拖拽系數(shù)，研究了漲落潮時(shí)灣域內(nèi)的納潮量及潮汐流速?，F(xiàn)有研究均集中在漲潮和落潮的海域納潮量、水動(dòng)力和水體流速變化，考慮大潮和小潮工況的納潮量預(yù)測(cè)較少，同時(shí)針對(duì)水系疏通引起納潮量變化和水域水動(dòng)力和水體交換方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

榮成市地處山東半島最東端，三面環(huán)海。榮成市某地潟湖水系疏通工程面積約288.36萬(wàn)m2，總水系疏通土方約219.81 萬(wàn)m3，本文以該工程為背景，搭建生態(tài)修復(fù)工程的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型分別模擬大小潮兩個(gè)時(shí)期不同方案潟湖工程前后所容納的整體水量，分析潟湖進(jìn)行水系疏通工程前后納潮量等參數(shù)的變化情況，對(duì)生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施導(dǎo)致的特征值變化給出量化數(shù)值，為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程提供技術(shù)支撐并提出相關(guān)的合理建議。

1 潮流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型及工程海域有限元模型建立

1.1 潮流水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

采用平面二維數(shù)值模型模擬工程海域的潮流場(chǎng)。該模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，能較好地?cái)M合陸邊界，設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密。潮流水動(dòng)力的控制方程[3～4]

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系空間坐標(biāo)；η為水面高程；d為水深；h為總水深，h=η+d；u、v為流速在x、y方向上的分量；f為科氏力；g為重力加速度；ρ為水體密度；ρ0為參考密度；pa為大氣壓強(qiáng)；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應(yīng)力；（τsx，τsy）和（τbx，τby）為水面和底床的切應(yīng)力在x、y方向上的分量；S為源匯項(xiàng)流量；us、vs為源匯項(xiàng)對(duì)應(yīng)的速度分量。

在二維淺水方程中流速是一個(gè)平均的概念，應(yīng)滿(mǎn)足

表面風(fēng)應(yīng)力可以表示為[5]

式中：ρa(bǔ)為大氣密度；cd為風(fēng)的拖曳力系數(shù)vw)為海面以上10 m處的風(fēng)速。

與表面應(yīng)力有關(guān)的摩阻流速為[6]

潮流模型底部應(yīng)力的計(jì)算一般采用二次形式，將底部應(yīng)力看作是速度的函數(shù)。底部切應(yīng)力根據(jù)牛頓摩擦定律其可定義為

式中：cf為拖曳力系數(shù)=(ub,vb)為底層流速。

與底部切應(yīng)力有關(guān)的摩阻流速為

式中：C為謝才系數(shù)；M為曼寧系數(shù)，可以通過(guò)底部粗糙度ks估算，M=25.4ks-0.1667。

1.2 工程海域有限元模型建立

海域數(shù)學(xué)模型采用大小模型嵌套的方式：大模型計(jì)算選取周邊海域100 km×88 km，小模型計(jì)算選擇某地潟湖及外海至雞鳴島部分海域。模型計(jì)算最小時(shí)間步長(zhǎng)0.5 s 以保證運(yùn)行穩(wěn)定。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，工程建設(shè)前整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由9 403 個(gè)節(jié)點(diǎn)和15 080 個(gè)三角單元組成；最小網(wǎng)格間距10 m。為了更好地對(duì)比工程建設(shè)前后的潮流場(chǎng)變化，海域網(wǎng)格保持一致。見(jiàn)圖1。

圖1 大模型計(jì)算域網(wǎng)格

為了解工程附近海域的潮流狀況，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行小范圍嵌套處理，小范圍的工程總平面方案共4 種：方案一工程底標(biāo)高為-0.5 m，為滿(mǎn)足船舶吃水條件，對(duì)溝槽處進(jìn)行水系疏通，溝槽處設(shè)計(jì)底標(biāo)高-1.0 m、寬度200 m，其他區(qū)域設(shè)計(jì)底標(biāo)高-0.5 m，邊坡比為1∶5；方案二水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-2.5 m，邊坡比為1∶5；方案三水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340 萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-1.5 m，邊坡比為1∶5；方案四水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340 萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-1.0 m，邊坡比為1∶5。見(jiàn)圖2。

2 仿真計(jì)算結(jié)果分析

分別模擬大潮和小潮時(shí)段整個(gè)潟湖區(qū)域工程前后所容納的整體水量；潟湖內(nèi)高潮時(shí)總水量與低潮時(shí)總水量差即為納潮量。工程區(qū)所在海域潮位具有明顯的半日潮特性，屬于不規(guī)則半日潮類(lèi)型，每天出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮且峰值均不相同，本次預(yù)測(cè)分析選擇大潮和小潮兩個(gè)典型潮期。見(jiàn)圖3。

2.1 方案一

大潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差1.0 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.6 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.65×106m3，低潮期間納潮量為1.13×106m3。小潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.7 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.2 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.15×106m3，低潮期間納潮量為9.32×105m3。見(jiàn)圖4和表1。

圖4 方案一大小潮期間潟湖潮位過(guò)程曲線(xiàn)

2.2 方案二

大潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差1 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.6 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.67×106m3，低潮期間納潮量為1.15×106m3。小潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.7 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.2 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.17×106m3，低潮期間納潮量為9.41×105m3。見(jiàn)圖5和表2。

表2 方案二施工后大小潮納潮量

圖5 方案二大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過(guò)程曲線(xiàn)

2.3 方案三

大潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.8 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.5 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.76×106m3，低潮期間納潮量為1.17×106m3。小潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.6 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.3 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.24×106m3，低潮期間納潮量為9.74×105m3。見(jiàn)圖6和表3。

表3 方案三施工后大小潮納潮量

圖6 方案三大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過(guò)程曲線(xiàn)

2.4 方案四

大潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.8 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.5 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.66×106m3，低潮期間納潮量為1.15×106m3。小潮期間一個(gè)周期內(nèi)最大潮差0.6 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.25 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.16×106m3，低潮期間納潮量為9.36×105m3。見(jiàn)圖7和表4。

圖7 方案四大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過(guò)程曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1）潟湖進(jìn)行水系疏通后，各潮時(shí)總水量與納潮量均較為顯著的增大，各方案大潮納潮量均大于小潮納潮量。

2）整體上4 個(gè)方案實(shí)施后，潟湖內(nèi)總水量增量最大的是方案二，增量最小的是方案一，但納潮量與變化率各方案相差不大。

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