劉亞平，孫林云，劉建軍，章衛(wèi)勝

（1.天津泰達海洋開發(fā)公司，天津 300453；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024）

1 概況

1.1 研究的目的、意義

天津濱海新區(qū)是中國政府確定的第三個經(jīng)濟發(fā)展區(qū)，作為國家戰(zhàn)略濱海新區(qū)定位為中國北方的經(jīng)濟中心，規(guī)劃建設(shè)中的天津濱海旅游區(qū)是濱海新區(qū)的一個重要功能區(qū)，是中國北方濱海休閑總部及國際旅游目的地，臨海新城是濱海旅游區(qū)重要的組成部分和先期啟動區(qū)域之一。項目位于渤海灣西北灣頂永定新河口北岸，河口區(qū)為典型淤泥質(zhì)海岸，泥沙運動較為活躍，這里又是風暴潮易發(fā)地區(qū)，自然條件復雜。

臨海新城規(guī)劃面積35 km2，其中包括28 km2的圍海造陸區(qū)。鑒于該項目的功能定位，生態(tài)環(huán)境保持是最重要的建設(shè)內(nèi)容，其中水系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境改造的首要任務。通過研究，為科學合理地規(guī)劃、建設(shè)、管理好臨海新城的水系統(tǒng)提供了科學依據(jù)。

1.2 研究區(qū)自然條件

天津濱海旅游區(qū)臨海新城地處天津市濱海新區(qū)永定新河口北側(cè)，其中心位置為北緯39°06′、東經(jīng)117°48′，位于天津市中心以東約50 km，南側(cè)毗鄰天津港東疆港區(qū)。永定新河是海河流域北系四河 （永定、潮白、北運、薊運）的共同入海通道，河口呈喇叭形，如圖1所示。

新港燈船站1960—1969年的連續(xù)風、浪觀測資料統(tǒng)計值和中交一航院 （原交通部一航院）1996—2005年在天津港東突堤觀測站10年每日24次風速、風向觀測資料的統(tǒng)計結(jié)果表明，工程區(qū)海域的常風向和次常風向方位主要為E～S之間，強風向主要分布在接近于偏東的方向。根據(jù)塘沽氣象站1970—1999年30年的歷年各方位最大風速（10 min平均）資料和1980—2004年（測風點為天津港東突堤）共25 年 8 個方位（即 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW，左右各22.5°的范圍內(nèi)選?。┑哪甏箫L極值（10min平均）序列，利用皮爾遜III型曲線擬合推算出該站ESE方向上50年一遇的極值風速約為25.1 m/s（取E與SE方向的平均值），相當于海上10級大風。

新港燈塔站（測波站）位于海河口外海海圖10 m等深線附近（在工程區(qū)東南約20 km）。該站波浪資料對河口區(qū)深水波要素有較好的代表性，利用該站連續(xù)一年的波浪觀測資料進行風浪關(guān)系分析和波要素統(tǒng)計表明，本海區(qū)波浪以風浪為主，風浪和波浪為主的混合浪年出現(xiàn)頻率為72.8%，以涌浪為主的混合浪占26.6%，純涌浪僅占0.6%，該站常浪向為ESE~S向。

塘沽地區(qū)潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，晝夜兩漲兩落，滯后約45 min，漲潮歷時約為5.5 h，落潮歷時約為7 h，日潮不等現(xiàn)象明顯，河口區(qū)潮汐強度中等。永定新河口附近不同時期、不同單位進行過潮位觀測。北塘潮位站有1951—1953年3年的觀測資料。中交一航院根據(jù)1963—1986年六米站及1986—1999年東突堤站共37年潮位觀測資料進行統(tǒng)計，得出該海域潮位特征值見表1。河口區(qū)潮汐受渤海灣潮波系統(tǒng)控制，具有高潮潮位比較接近、低潮潮位相差較大的特征。工程區(qū)平均潮位呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。每年冬季（10月—次年3月）平均潮位明顯較低，最低月均潮位與年均潮位相比約低0.3 m。夏季（4—9月）平均潮位較高，最高月均潮位與年均潮位相比高約0.3m。每年的最低潮位過程出現(xiàn)在冬季，相應最高潮位過程出現(xiàn)在夏季。

表1 塘沽海洋站潮位特征值 m

永定新河口潮流屬往復運動，流向比較集中。漲潮時潮水侵入河道，落潮時回流大海，潮流方向與河道走向一致。海域漲潮流向西北 （磁北角320~359°），落潮流向東南（磁北角 131~161°），流向變動范圍約在30~40°?？陂T區(qū)受河口地形的影響，流向基本與河槽深泓走向一致，漲、落潮流磁北角分別為275~295°和 120~150°。

天津沿海是風暴潮易發(fā)地區(qū)之一。從1860年以來的148年中，成災的風暴潮已超過30次，平均每4年左右就有1次。上世紀70年代以來共遇到5次強風暴潮，分別發(fā)生在 1972、1985、1992、1994 和2003年，平均不到8年就發(fā)生1次。風暴潮期間增水劇烈、風浪洶涌、潮流流速加大，含沙量急劇增大，并且常伴有強降雨過程。因此，風暴潮不僅對河口泄洪排瀝產(chǎn)生極其不利的影響，而且對河口區(qū)會造成嚴重的淤積和環(huán)境影響。

永定新河口附近泥沙運動規(guī)律研究表明，河口區(qū)淺灘上細顆粒泥沙在風浪和潮流動力共同作用下極易被掀起，并隨潮汐水流運動在河口附近輸移，形成河口區(qū)淺灘和河道的沖淤演變過程。

2 物理模型試驗

2.1 模型概況

根據(jù)試驗研究內(nèi)容要求，物理模型先要模擬河口區(qū)附近海域潮汐水流運動，再采用染色水體濃度監(jiān)測的方法對臨海新城概念設(shè)計方案“渤海之鉆”的規(guī)劃水系進行潮汐水流作用下水體交換的初步試驗。模型根據(jù)相似條件、模型研究范圍以及試驗場地條件確定：外海邊界至海圖10 m水深外，離岸方向約30 km，沿岸方向河口兩側(cè)各約12.5 km。模型研究范圍如圖2所示，物理模型主要比尺見表2。

表2 物理模型主要比尺

物理模型經(jīng)過2005年4月海洋水文實測資料的潮位驗證、流速驗證、流向驗證和流態(tài)驗證，精度符合潮汐水流物理模型試驗規(guī)程規(guī)定的要求，表明物理模型具備復演該地區(qū)自然潮汐過程的能力。

2.2 “渤海之鉆”概念方案試驗

物理模型首先對“渤海之鉆”概念方案進行了水體交換模型試驗，如圖3—4所示。試驗工況及結(jié)果如下：試驗工況一，南堤進水采用寬70 m的明渠，進水口閘寬分別為15和50 m；東堤設(shè)立3處出水閘，閘寬為50和80 m。渠底和閘底高程均為-2.0 m（當?shù)乩碚撟畹统泵?，下同），以水系中央（中心湖）正常維持水位（+2.61 m）為基礎(chǔ)，設(shè)定交換水位差為0.5 m。試驗結(jié)果表明，進、出水口門的寬窄對水系內(nèi)水體循環(huán)影響較大，適度加寬進、出水口門寬度，能夠增加進、出水量，提高水系內(nèi)的換水率。試驗工況二，在原南堤進水明渠基礎(chǔ)上，西側(cè)新增1條寬70 m進水明渠、進水口閘寬分別為50和70 m，東堤3處出水閘選擇50或80 m寬度。同時，考慮0.5、1.0 m 2種不同交換水位差。試驗體現(xiàn)了增加進水口的優(yōu)越性。適當增加進水口，可以明顯擴大每次換水的區(qū)域，提高整個水系的換水能力，加快水系的換水時間。該工況試驗還反映出，適當加大換水水位差，可以進一步增加換水量，縮短整個水系的換水時間。

在工況一和工況二試驗基礎(chǔ)上，進行了優(yōu)化工況試驗。優(yōu)化思路一：增大換水水位差試驗。根據(jù)工況一和工況二試驗中反映出對水系內(nèi)水體循環(huán)有利的啟示，模型又進行了進一步增大換水水位差的優(yōu)化工況試驗，試驗中將換水水位差增大至1.5m。優(yōu)化思路二：調(diào)整水系路徑試驗。調(diào)整水系路徑試驗也是在工況一和工況二試驗的基礎(chǔ)上進行。從工況一和工況二試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，由于水系的平面布置影響，部分區(qū)域的水體置換比較緩慢。在進、出水口位置、大小和交換水位差一定的情況下，通過適當調(diào)整水系平面布置，也能起到優(yōu)化水系換水能力的作用。優(yōu)化思路三：改變進水口位置試驗。在進行單一進水口試驗時，發(fā)現(xiàn)進水口位置偏東時，水系內(nèi)南部區(qū)域和東部區(qū)域水體置換速度明顯要大于北部和西側(cè)。因此，試驗增加了一組進水口西移的優(yōu)化試驗。試驗結(jié)果表明，進水口的位置不同對水系內(nèi)的水體交換也有較明顯的影響。優(yōu)化工況試驗探討了換水水位差、水系路徑及換水口位置對水系統(tǒng)內(nèi)換水效率的影響，為臨海新城水系統(tǒng)平面規(guī)劃設(shè)計和“渤海之鉆”概念方案的優(yōu)化提供了重要的科學依據(jù)。

3 數(shù)學模型計算

3.1 平面二維潮流數(shù)學模型概況

數(shù)學模型采用笛卡爾坐標系下守恒型平面二維淺水方程：

式中：ζ為潮位，即以參考基面為準的水面位置；H為總水深，即海底到水面的距離，H=ζ+h，h為海底到參考基面的距離別為 x、y方向垂線平均流速，u，v為分層流速；t表示時間；f為科氏系數(shù)（f=2ωsinφ，ω 是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ是所在地區(qū)的緯度）；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；n 為曼寧系數(shù)；εx、εy分別為 x、y 方向紊動粘性系數(shù)。

方程采用有限體積法進行離散，水位和流速變量均布置在單元中心。初始條件：采用冷啟動，水位為常數(shù)，流速為0。邊界條件：開邊界給定潮位邊界，模型計算的邊界條件由中國近海潮波模型提供；閉邊界滿足不可入條件。

模型范圍選擇為東西37 km、南北65 km，計算域面積約2 400 km2。模型網(wǎng)格采用非均勻三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格2 500 m，最小網(wǎng)格15 m，圖5為數(shù)學模型網(wǎng)格平面圖。模型計算時間步長1s，紊動擴散系數(shù)取5，曼寧系數(shù)取0.025。

與物理模型相同，利用2005年4月下旬實測大、小潮對模型進行潮位、流速、流向、流態(tài)的驗證。驗證結(jié)果顯示，計算模擬的潮位和潮流過程與天然比較吻合，模型計算能夠體現(xiàn)現(xiàn)場的潮流運動。

3.2 “渤海之鉆”概念設(shè)計方案計算

在圍墾區(qū)域內(nèi)采用水道將圍墾區(qū)分割成若干類似“渤海之鉆”狀人工島，水域面積約6.85 km2，水域底高程為-2 m。在規(guī)劃區(qū)域西南側(cè)布置一進水口，在東側(cè)布置三出水口，口門寬度均為50 m，口門處均設(shè)有閘門，水系內(nèi)換水控制潮差分別為0.5和1.0 m。當外部水域水位高于水系內(nèi)水位時循環(huán)體系水域進水，此時開啟進水閘關(guān)閉出水閘；當水系內(nèi)水位高于外部水域時循環(huán)體系水域向外排水，此時關(guān)閉進水閘開啟出水閘，以上進出水在一定的控制條件下運行。臨海新城南側(cè)永定新河口通道布置有航道，開挖底高程為-10 m。

水體交換能力計算：采用示蹤粒子相對濃度變化衡量水循環(huán)體系內(nèi)的水體交換能力，其方程采用守恒平面二維水質(zhì)擴散運動方程（忽略降解項）：

式中：C為示蹤粒子垂線平均的濃度，Dx、Dy為紊動擴散系數(shù)，可以根據(jù)Elder公式 （C'為謝才系數(shù)）確定。離散時方程中三項：當?shù)貙?shù)、對流項和擴散項與水流運動方程相應各項相同（只需將U換成C）。具體計算時給定水循環(huán)系統(tǒng)初始濃度為1，外海為0，通過水體交換觀察體系內(nèi)水域相對濃度變化。水體交換率為：

式中：Vintial為初始水體體積；Vtotal為水循環(huán)水域總體積。

“渤海之鉆”概念方案水體交換計算結(jié)果表明：循環(huán)體系內(nèi)水體示蹤粒子平均濃度基本沿著指數(shù)型函數(shù)衰減。概念設(shè)計方案的西北角是水體交換能力最弱的水域，圖6是該方案控制潮差為0.5 m時水體交換示意圖。此外，還對控制潮差1.0 m工況進行了計算，結(jié)果表明，1.0 m控制潮差與0.5 m控制潮差相比更有利于水體交換。

3.3 “渤海之鉆”規(guī)劃方案計算

根據(jù)“渤海之鉆”概念方案水體交換物理模型試驗結(jié)果，荷蘭德和威公司對該方案水系統(tǒng)布置進行了優(yōu)化，形成臨海新城“渤海之鉆”規(guī)劃方案（如圖 7所示），其中水域面積約9.0 km2。相對于概念方案而言，規(guī)劃方案在水流通道寬度、深度以及設(shè)計流路上作了改進，圖中不同顏色代表不同河底標高。由圖7可見，西側(cè)通道相對較寬，水深較大，目的是便于西北角的水體交換。在水體交換數(shù)學模型計算中，規(guī)劃方案設(shè)4個進、出水口。為便于分析，從西往東分別記為①、②、③、④。換水口寬度即閘門寬度為50 m、水系統(tǒng)內(nèi)換水潮差控制為0.5 m，工況四在永定新河口通道兩側(cè)各延長5 km導堤。

數(shù)學模型首先對“渤海之鉆”概念方案水體交換進行了計算并與物理模型試驗結(jié)果進行了對比。在此基礎(chǔ)上，對“渤海之鉆”規(guī)劃方案進行了計算，數(shù)學模型計算中主要針對進出水方式、控制潮差、閘門寬度以及周邊工程等因素。通過計算研究不同因素對循環(huán)體系水體交換的影響，繼而確定滿足設(shè)計水體交換的較合理的閘門運行方案和水系統(tǒng)控制潮差。

數(shù)學模型計算大致分為西進東出和東進西出共4種工況，見表3和圖8。為便于比較，計算中各工況均采用0.5 m控制潮差，且進、出水通道均按50 m考慮。計算結(jié)果表明：①各工況在開始2 d內(nèi)水體交換率基本一致，第3天開始體現(xiàn)差別；在開始5 d內(nèi)水體交換率隨時間逐漸加大，說明水體交換較快，第6天開始逐漸趨緩。除工況三外，各工況交換15 d最終結(jié)果差別不大，水體交換約80%左右。②相對而言，西進東出結(jié)果稍好于東進西出。其原因主要是從東側(cè)排出的水體易于在外海擴散，而西側(cè)河口通道內(nèi)排出的水體不易擴散進而對進水口產(chǎn)生影響。③②進，①、③、④出的工況四，通道口門兩側(cè)延長了導堤，該工況換水效果既不同于西進東出的工況一，又不同于東進西出的工況二?？傮w而言，在不考慮其他因素和外海水質(zhì)的情況下，計算結(jié)果顯示，只要采取適當?shù)拈l門調(diào)控，各工況均能實現(xiàn)臨海新城水系統(tǒng)水體與外海水體交換的目的。

表3 規(guī)劃方案數(shù)學模型計算工況

4 結(jié)語

通過對天津濱海旅游區(qū)臨海新城“渤海之鉆”概念方案水系統(tǒng)水體與外海可控制交換特點及其基本規(guī)律物理模型初步試驗，基本摸清了潮汐水動力在新城建設(shè)水循環(huán)系統(tǒng)管理中的作用以及影響臨海新城水系統(tǒng)水體交換主要因素。在此基礎(chǔ)上，通過水體交換數(shù)學模型對“渤海之鉆”概念方案優(yōu)化設(shè)計進行了計算，初步結(jié)論如下：

圖8 “渤海之鉆”規(guī)劃方案數(shù)學模型計算工況換水效果

（1）永定新河河口地區(qū)海域水文泥沙環(huán)境非常復雜，在該區(qū)域進行較大規(guī)模圍海造陸工程進行相應的水系統(tǒng)水體交換試驗研究是非常必要的。

（2）研究結(jié)果表明，天津濱海旅游區(qū)臨海新城“渤海之鉆”方案的水循環(huán)系統(tǒng)可行性進行科學初步論證是可行的。物理模型試驗和數(shù)學模型計算可以有效地預測規(guī)劃設(shè)計方案的利弊，為臨海新城的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)提供科學依據(jù)。

（3）文中的研究方法和技術(shù)路線對類似濱海地區(qū)海域使用中團塊多島式圍海造陸工程內(nèi)部水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)保持的論證具有參考意義。