張存勇

（淮海工學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，江蘇 連云港222005）

水交換能力是海灣、近岸海域的重要水動(dòng)力學(xué)特性，與區(qū)域水體的自?xún)裟芰Αh(huán)境容量、營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)、生態(tài)環(huán)境、沖淤等具有密切的聯(lián)系［1］。近年來(lái)，隨著港口擴(kuò)建工程的開(kāi)發(fā)，港口岸線發(fā)生變化，因而海域的水動(dòng)力和水交換能力改變，這對(duì)港口、航道和海岸生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響。

連云港港口位于江蘇省北部，濱臨南黃海，連接長(zhǎng)江三角洲北部地區(qū)和渤海灣南部地區(qū)，為一淤泥質(zhì)半封閉海灣式港口。隨著江蘇沿海開(kāi)發(fā)國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，為拓展連云港港口空間，對(duì)港內(nèi)岸線及水域重新規(guī)劃開(kāi)發(fā)，圍海造港并新建外防波堤。岸線變化導(dǎo)致狹長(zhǎng)港灣內(nèi)的水動(dòng)力發(fā)生一定變化，直接關(guān)系到港內(nèi)回淤和水質(zhì)狀況。因此，開(kāi)展岸線變化對(duì)港口海域水交換的影響分析，對(duì)港口經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文基于連云港港口海域岸線變化數(shù)據(jù)，應(yīng)用ECOMSED三維數(shù)值模型研究了岸線變化對(duì)港內(nèi)水動(dòng)力的影響，定量研究了港灣水體的交換能力。

1 港域概況

1.1 岸線變化

連云港港口大堤港區(qū)的建設(shè)使岸線向港內(nèi)推進(jìn)，水域面積減小，港內(nèi)岸線及水域重新規(guī)劃為墟溝港區(qū)、廟嶺港區(qū)、大堤港區(qū)和旗臺(tái)港區(qū)。為滿足旗臺(tái)港區(qū)的泊穩(wěn)要求，2012年在旗臺(tái)港區(qū)延伸段東北角以及羊窩頭以東分別建設(shè)了南、北防波堤。旗臺(tái)港區(qū)和防波堤的建設(shè)，使港口海域的口門(mén)向東推進(jìn)了約4.5km，岸線形態(tài)的變化改變了港口形狀（圖1），導(dǎo)致港內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生變化。

圖1 連云港港口海域岸線變化Fig.1 Shoreline change of Lianyungang port area

1.2 潮汐潮流

連云港港口海域基本屬于正規(guī)半日潮，根據(jù)2005年實(shí)測(cè)水文資料，港域供油站最高潮位5.49m，最低潮位1.03m，最大潮差4.24m，漲潮歷時(shí)約為5h11min～5h40min，落潮歷時(shí)6h29min～7h18min。潮流運(yùn)動(dòng)主要受M2分潮流控制，基本為往復(fù)流。漲潮流進(jìn)入灣口后，隨著灣域展寬潮流轉(zhuǎn)為NW向，主體向西大堤邊灘流動(dòng)；落潮流基本沿著漲潮流路返回，到達(dá)灣口水域后流向外海［2］。

2 計(jì)算方法

ECOMSED模型是在POM模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)適用于河流、堤壩、河口海岸等淺水環(huán)境的三維泥沙水動(dòng)力模型［3］。模式分內(nèi)外模態(tài)，采用時(shí)間分裂技術(shù)，包括水動(dòng)力模塊、非粘性泥沙輸運(yùn)、粘性泥沙輸運(yùn)、再懸浮及沉積固結(jié)模塊、質(zhì)點(diǎn)追蹤模塊、波浪模塊等，可用來(lái)模擬水位、潮流、波浪、水溫、鹽度、示蹤物、沉積物時(shí)空分布和輸運(yùn)的三維數(shù)值模式，己被成功運(yùn)用于海洋、海岸和河口水域的數(shù)值模擬研究中。

2.1 模型設(shè)置

計(jì)算區(qū)域選取從嵐山頭到灌河口所包含海域，采用矩形網(wǎng)格，在港口海域進(jìn)行加密，小網(wǎng)格空間步長(zhǎng)為200 m，大網(wǎng)格為1 000m（圖2）。垂向采用σ坐標(biāo)，分為7層。內(nèi)模時(shí)間為30s，內(nèi)外模時(shí)間比為10。開(kāi)邊界采用嵐山頭和灌河口實(shí)測(cè)水位準(zhǔn)調(diào)和分析的4個(gè)主要分潮作為潮流場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力。水位和流速采用零初始條件。溫、鹽初始條件采用實(shí)測(cè)的溫、鹽平均值。水深由中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保障部編制的12570、12582、12583號(hào)3幅海圖和部分實(shí)測(cè)結(jié)果確定，經(jīng)數(shù)字化處理插值得到模型計(jì)算的網(wǎng)格水深，并將水深換算到平均海平面。

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格Fig.2 Grid of the computational domain

2.2 模型驗(yàn)證

選取2006－01－02多站定點(diǎn)實(shí)測(cè)潮位、潮流［4］對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，分別輸出比較接近的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)結(jié)果與相同時(shí)刻站位實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。以港域供油站潮位和口門(mén)附近18＃站（圖1）潮流驗(yàn)證結(jié)果為例（圖3和圖4），從圖中可以看出，實(shí)測(cè)水位與同步計(jì)算結(jié)果符合較好，表中底層流速與計(jì)算值變化趨勢(shì)基本一致，但不完全吻合，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能同觀測(cè)期間受波浪影響有關(guān)。此外，觀測(cè)采用的是直讀式海流計(jì)，人工觀測(cè)加上儀器誤差也會(huì)產(chǎn)生偏差。

圖3 供油站潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification of tidal level at oil supply station

3 結(jié)果與分析

3.1 水動(dòng)力變化

計(jì)算結(jié)果表明，流場(chǎng)垂向變化趨勢(shì)基本一致。圖5為港口海域岸線變化前后漲落潮中間時(shí)表層的計(jì)算流場(chǎng)，由圖可知，岸線變化前，港灣外部海域潮流以旋轉(zhuǎn)流為主，受東西連島、周邊海岸輪廓線和水下地形影響，近岸水域各岸段潮流有所不同。漲潮時(shí)，海州灣一部分潮流繞過(guò)東西連島和外海潮流流入港灣，另一部分向南流去，在口門(mén)附近發(fā)生分流；落潮時(shí)，港內(nèi)潮流和南來(lái)的潮流在口門(mén)附近產(chǎn)生匯流，向偏北方向流去，一部分潮流呈逆時(shí)針?lè)较蚶@島偏轉(zhuǎn)。港內(nèi)水域漲、落潮流均從口門(mén)進(jìn)出，基本為往復(fù)流，漲潮流向西，落潮流向東，漲、落急最大流速基本處于中潮位，在高、低潮位時(shí)，流速最低。

岸線變化后，港灣外部海域潮流場(chǎng)受影響較小，遠(yuǎn)岸為旋轉(zhuǎn)流，近岸為往復(fù)流。漲潮時(shí)，海州灣一部分潮流繞島經(jīng)北防波堤和外海潮流流向港內(nèi)海域，一部分經(jīng)南防波堤向南流去。落潮時(shí)，灣內(nèi)潮流和來(lái)自南防波堤以南的潮流在口門(mén)外交匯，向偏北方向流去，一部分潮流呈逆時(shí)針?lè)较蚶@島偏轉(zhuǎn)。港內(nèi)潮流受空間限制基本為往復(fù)流，由口門(mén)向內(nèi)，潮流逐漸變小，受灣內(nèi)地形和建筑物的影響，部分港域流速變化不均。強(qiáng)流區(qū)位于口門(mén)附近，由于南、北防波堤的束水作用，使潮流輸運(yùn)集中，流速增大，漲潮時(shí)最大流速為0.96m/s，落潮時(shí)最大流速為0.54m/s，漲潮流強(qiáng)于落潮流。丁壩內(nèi)側(cè)潮流減緩，北防波堤內(nèi)側(cè)以及旗臺(tái)港區(qū)延伸段東南角的局部水域在漲潮過(guò)程中形成旋流區(qū)。

為了比較岸線變化前后港灣內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境的變化，選取灣頂墟溝港區(qū)附近、港灣中部廟嶺港區(qū)附近和供油站附近3個(gè)典型位置分析潮位與潮流變化。從潮位變化來(lái)看，岸線變化前潮位大于岸線變化后潮位，這與岸線變化后港內(nèi)納潮量減少有關(guān)，受灣內(nèi)地形和工程建筑物的影響，潮位由灣頂向外減小。從潮流變化來(lái)看，岸線變化后，供油站和港灣中部附近流速減小，這與納潮量減小和口門(mén)南北防波堤阻流相一致，灣頂附近流速略有增大，同大堤港區(qū)建設(shè)后斷面縮小有關(guān)。綜上所述，岸線變化在一定程度上改變了港域的水動(dòng)力環(huán)境。

圖5 岸線變化前后港口海域表層漲落急流場(chǎng)Fig.5 Current field of spring and ebb tides before and after shoreline change

3.2 水質(zhì)點(diǎn)輸運(yùn)變化

為研究水動(dòng)力變化后流體質(zhì)點(diǎn)位置隨時(shí)間的變化，采用粒子追蹤法研究水質(zhì)點(diǎn)的遷移方向［5］以及港內(nèi)水交換的不均勻性。

3.2.1 岸線變化前后單點(diǎn)運(yùn)移軌跡

分別選取灣頂附近、港灣中部附近2個(gè)典型位置同時(shí)各釋放1個(gè)粒子，對(duì)其運(yùn)移軌跡進(jìn)行追蹤。圖6為岸線變化前后粒子在一個(gè)潮周期的運(yùn)移軌跡。從圖中可以看出，粒子基本呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與潮流運(yùn)動(dòng)形式一致。岸線變化前，灣頂附近粒子漲潮向西北方向運(yùn)移，最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為0.452km；落潮向東南方向運(yùn)移，最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為0.343km。港灣中部附近粒子漲潮基本向西北方向運(yùn)移，最遠(yuǎn)運(yùn)移距離1.711km，落潮先向東南向運(yùn)移，后繞島沿逆時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)，最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為2.301km。岸線變化后，灣頂附近粒子漲落運(yùn)移方向?yàn)槲鞅保瓥|南向，漲潮最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為0.363km，落潮最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為0.304km。港灣中部附近粒子漲落潮運(yùn)移方向由于受南北防波堤的影響，繞島偏轉(zhuǎn)方向消失，大致呈西北－東南向運(yùn)移，運(yùn)移距離變小，漲潮最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為0.854km，落潮最遠(yuǎn)運(yùn)移距離為1.230km。

圖6 典型位置單個(gè)粒子一個(gè)潮周期的運(yùn)移軌跡Fig.6 Trajectories of single particle of typical station during one tidal cycle

粒子經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的潮周期后，其運(yùn)移軌跡并不封閉，而是有一個(gè)凈位移。岸線變化前，灣頂附近粒子一個(gè)潮周期凈位移方向大致為東北向，凈位移距離為1.209km。港灣中部附近粒子一個(gè)潮周期向東北凈位移5.583km。岸線變化后，灣頂附近粒子一個(gè)潮周期凈位移為東北向，凈位移距離為1.405km。港灣中部附近粒子向東南凈位移2.492km。

根據(jù)岸線變化前后單點(diǎn)運(yùn)移計(jì)算結(jié)果可以看出，岸線變化導(dǎo)致港灣內(nèi)粒子運(yùn)移距離和運(yùn)移方向發(fā)生變化，從灣頂至口門(mén)，粒子運(yùn)移方向偏轉(zhuǎn)，岸線變化前粒子運(yùn)移距離總體上大于岸線變化后粒子運(yùn)移距離。2個(gè)典型位置粒子一個(gè)潮周期內(nèi)的運(yùn)移變化基本反應(yīng)了岸線變化對(duì)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移的影響，經(jīng)考察，多個(gè)潮周期粒子運(yùn)移具有類(lèi)似規(guī)律。此外，模擬結(jié)果還表明，單個(gè)粒子的運(yùn)移軌跡與粒子釋放的位置和時(shí)間有關(guān)，總體趨勢(shì)相近但量值具有一定差異，這與港灣內(nèi)漲落潮流速、漲落潮歷時(shí)、灣內(nèi)地形和建筑物的影響有關(guān)。

3.2.2 岸線變化前后粒子群的運(yùn)移擴(kuò)散

為進(jìn)一步研究岸線變化對(duì)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移的影響，分別在灣頂附近、港灣中部附近2個(gè)典型位置（釋放點(diǎn)同圖6）同時(shí)釋放100個(gè)粒子為代表顆粒，追蹤粒子群的運(yùn)移擴(kuò)散。圖7為岸線變化前后粒子群一個(gè)潮周期的運(yùn)移擴(kuò)散范圍。由圖可知，粒子群擴(kuò)散趨勢(shì)與單點(diǎn)粒子運(yùn)移方向基本一致。灣頂附近水動(dòng)力較弱，粒子運(yùn)移擴(kuò)散范圍較??；港灣中部水動(dòng)力較強(qiáng)，粒子擴(kuò)散范圍較大。岸線變化前，灣頂附近粒子群向西北擴(kuò)散到灣頂西大堤附近，向東南最大擴(kuò)散距離為2.258km。港灣中部附近粒子群擴(kuò)散范圍較大，粒子已擴(kuò)散到港灣外側(cè)水域。岸線變化后，由于受大堤港區(qū)填海造港，水域變小，灣頂附近粒子群向西大堤灣頂方向擴(kuò)散增強(qiáng)，向東南最大擴(kuò)散距離為2.116km。港灣中部附近粒子群受水域限制，主要向西北和東南方向擴(kuò)散，但南北防波堤的建設(shè)，使港口海域的口門(mén)向東推進(jìn)，延長(zhǎng)了潮流交換的距離和時(shí)間，粒子在一個(gè)潮周期已很難擴(kuò)散到口門(mén)以外海域。

圖7 典型位置粒子群一個(gè)潮周期的運(yùn)移擴(kuò)散Fig.7 Distribution of the particles of typical locations during one tidal cycle

上述粒子運(yùn)移都是在正常天氣下模擬的，未考慮風(fēng)和浪的作用，事實(shí)上，岸線變化后，口門(mén)變小，海浪的影響相對(duì)較小，風(fēng)向能夠影響粒子運(yùn)移路徑，但連云港港口海域北有東西連島，南有云臺(tái)山脈，加上灣內(nèi)空間限制和工程建筑物的影響，有待根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)一步研究。

3.3 水交換時(shí)間

利用質(zhì)點(diǎn)追蹤法在港灣內(nèi)均勻釋放506個(gè)質(zhì)點(diǎn)計(jì)算水體的半交換時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)在潮流驅(qū)動(dòng)下自由遷移到海域內(nèi)各個(gè)深度，統(tǒng)計(jì)流出港口海區(qū)邊界的質(zhì)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)海域內(nèi)質(zhì)點(diǎn)數(shù)為原有質(zhì)點(diǎn)數(shù)的37%時(shí)為水體半交換時(shí)間［6］。

經(jīng)計(jì)算，本研究中岸線變化前港域水體半交換時(shí)間為31.8個(gè)潮周期，岸線變化后港域水體半交換時(shí)間為39.3個(gè)潮周期。港灣水交換時(shí)間差異的主要因素是岸線變化，受港域口門(mén)大小、距離等因素影響，岸線變化前質(zhì)點(diǎn)遷移出港灣的速度較快，岸線變化后較慢。由于港內(nèi)岸線及水域重新規(guī)劃開(kāi)發(fā)，圍海造港并新建外防波堤，已無(wú)法選取一個(gè)共同的斷面來(lái)比較岸線變化前后的水交換時(shí)間，但岸線變化前后港域的水體半交換時(shí)間計(jì)算結(jié)果對(duì)深入了解港口海域的水交換、評(píng)估海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)港灣水交換的影響具有一定的意義。

4 結(jié)論

1）ECOMSED三維數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果表明，岸線變化使連云港港口海域水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生變化。岸線變化后，港內(nèi)流速總體變小，受南、北防波堤的束水作用，口門(mén)附近流速加大，水流流向更為集中，丁壩內(nèi)側(cè)水流減緩，出現(xiàn)環(huán)流結(jié)構(gòu)。

2）拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤模擬結(jié)果表明，粒子運(yùn)移基本遵循潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。岸線變化后，粒子具有向?yàn)稠敺较驍U(kuò)散的趨勢(shì)，一個(gè)潮周期內(nèi)港灣海域中部附近粒子已很難擴(kuò)散到口門(mén)以外。岸線變化前港域水體的半交換期為31.8個(gè)潮周期，岸線變化后港域水體半交換期為39.3個(gè)潮周期。

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