夏長水,陳振華,韋重霄,薛宇歡,張 棟,宋衛(wèi)杰,張 良

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266061 3.北部灣大學(xué),廣西 欽州535000 4.欽州市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心,廣西 欽州535000 5.中國原子能科學(xué)研究院,北京102413)

茅尾海為欽州灣的內(nèi)灣,位于廣西欽州灣海域頂部,南臨北部灣,因其形似貓尾,曾稱“貓尾?！?后因灘涂盛長茅尾而更名為“茅尾?！?。茅尾海內(nèi)寬口窄,形似布袋狀又如湖泊,是半封閉式的內(nèi)海,面積約135 km2[1]。近年來,茅尾海周邊圍塘養(yǎng)殖面積不斷擴(kuò)大,海域納潮面積逐漸減少;茅尾海內(nèi)大量打排吊養(yǎng)大蠔,嚴(yán)重影響了茅尾海的水動力環(huán)境。茅尾海上游河流欽江和茅嶺江帶來的泥沙從河口不斷向海推進(jìn);欽江、茅嶺江帶來的工業(yè)、生活污水及沿岸蝦塘養(yǎng)殖排出的污水以及礦山開采使茅尾海海水污染日益嚴(yán)重,水質(zhì)變差。由于茅尾海的底質(zhì)多為淤泥,在漲落潮和風(fēng)浪擾動的情況下,海水混濁度較高。茅尾海的淤積如果不加以整治,將直接影響航道通航能力,危及欽州港現(xiàn)有的碼頭泊位。

濱海新城的建設(shè),要求茅尾海有“碧海金沙”的海岸景觀;同時,欽州大港的建設(shè)要求茅尾海具有足夠大的納潮量以保障其水深條件和通航能力;沿岸漁業(yè)的發(fā)展要求茅尾海繼續(xù)維持河口濕地的高生物生產(chǎn)力,保護(hù)茅尾海特色海產(chǎn)品養(yǎng)殖基地。因此,有必要對茅尾海進(jìn)行綜合整治,通過清淤和回填,增加茅尾海納潮量和建設(shè)用地,維持欽州灣的可持續(xù)發(fā)展。

近30 a來,國內(nèi)外學(xué)者對欽州灣和茅尾海的水動力研究取得了不少成果。邱紹芳等[2]根據(jù)觀測資料分析認(rèn)為欽州灣漲潮流速小于落潮流速,最大流速(178 cm/s)出現(xiàn)于龍門附近水域;該研究成果指出了欽州灣進(jìn)水水道主要是東側(cè)水道,出水水道為西側(cè),為水動力治理提供了一定的理論依據(jù)。鮑獻(xiàn)文等[3]曾選用ECOM 模式建立了欽州灣三維潮流模型,空間分辨率為0.2',約為400 m,計算網(wǎng)格為81×81。該模型水平分辨率較低,不能很好地分辨欽州灣和茅尾海復(fù)雜的曲折岸線和眾多島嶼,同時沒有考慮漫灘過程。近年來欽州灣海域的岸線和水深發(fā)生了較大變化,如欽州保稅港區(qū)和三墩公路建成使得原來欽州灣水動力發(fā)生了一定變化。針對前人數(shù)值模式中的不足,本文采用普林斯頓海洋模式建立了欽州灣及茅尾海精細(xì)化水動力模式,模式的水平分辨率達(dá)到100 m,同時采用干濕網(wǎng)格技術(shù)考慮漫灘過程。同時采用最新的水深和岸線數(shù)據(jù),使得數(shù)值模式能夠反映欽州灣最新的水動力狀況。

根據(jù)茅尾海綜合整治計劃,我們設(shè)計了5個工況,包括現(xiàn)狀、濱海新城圍填和三期清淤工程(具體位置和范圍見表1和圖1),通過數(shù)值模擬,研究不同工況對欽州灣水動力的影響范圍及影響程度。

圖1 欽州灣水深分布Fig.1 Contour map of water depth in the Qinzhou Bay(m)

表1 各工況方案說明Table 1 Descriptions of individual operating mode

1 模式與方法

1.1 模式設(shè)置

本文基于普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model,POM)[2]建立欽州灣水動力模式,模擬欽州灣潮汐潮流動力過程。POM 是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一個比較成熟的三維海洋模式,它基于原始方程,包含了海洋運(yùn)動的主要物理過程。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展,該模式已被廣泛應(yīng)用于世界各海區(qū),并被很多的實測資料所驗證。此模式也曾在我國近海多個海區(qū)使用過,均取得良好模擬效果[5-7]。

模式計算區(qū)域為(108°26'42″～108°44'42″E,21°33'36″～21°55'58.8″N,圖1),水平分辨率約為100 m,可以很好地分辨欽州灣和茅尾海復(fù)雜的曲折岸線和眾多島嶼,垂直方面采用跟隨地形的σ坐標(biāo),分為6層。閉邊界采用光滑固壁假設(shè),即垂向速度為零,側(cè)向無摩擦。開邊界由水位控制,考慮了4個主要分潮和2個淺水分潮,即M2、S2、K1、O1、M4和MS4,根據(jù)方國洪[8]提出的準(zhǔn)調(diào)和分析方法生成開邊界水位:

式中,A為潮位;i為某分潮;ω'為經(jīng)過訂正的潮汐角頻率;D和d分別為振幅和遲角訂正;H和g分別為振幅和遲角。開邊界各分潮的調(diào)和常數(shù)由北部灣潮模式插值取得[9]。摩擦系數(shù)最大值取0.002 8,最小值取0.001。垂直混合系數(shù)由Mellor-Yamada 2.5階湍閉合模型[10]計算,水平黏性、擴(kuò)散系數(shù)由Smagorinsky公式[11]給出。

水深主要取自自然資源部第一海洋研究所2009年測量得到的實際測深數(shù)據(jù),同時利用海圖資料加以補(bǔ)充。岸界的確定參考了最新的大比例尺岸線水深地形圖,并考慮了三墩、觀音堂等海區(qū)最新的岸線變化。欽州灣存在著非常廣闊的灘涂區(qū)域,許多區(qū)域在漲潮時被淹沒而在退潮時又會干出,為了準(zhǔn)確刻畫這一潮動力過程,本文采用了干濕網(wǎng)格判別法描述漫灘現(xiàn)象,此時水陸邊界是不斷動態(tài)變化的,參與計算的水體隨著灘地的淹沒和露出而不斷的發(fā)生變化。該方法是目前國內(nèi)外使用最多的一種方法,采用一定的規(guī)則判斷模式計算區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格干濕變化,使得模式在每個步長計算區(qū)域都在發(fā)生變化。具體方案參見文獻(xiàn)[6]。

1.2 納潮量計算方法

納潮量是海灣環(huán)境評價的重要指標(biāo),納潮量的大小可反映海灣的自凈能力,決定海灣與外海的交換強(qiáng)度,在海灣環(huán)境、生態(tài)及沖淤等方面意義重大。海灣納潮量定義為海灣高潮水量與低潮水量之差,納潮量的數(shù)值主要取決于海灣高、低潮時潮位的變化和海域面積的變化[12]。

傳統(tǒng)方法海灣納潮量的計算一般采用以下的計算公式[13]:

式中,W為納潮量;S1,S2分別為高低潮時的水域面積;h1,h2分別為S1,S2時對應(yīng)的潮高。

隨著海流觀測特別是斷面走航觀測的增多,產(chǎn)生了利用灣口海流數(shù)據(jù)計算海灣納潮量的新方法[12,14]。陳紅霞等[12]采用傳統(tǒng)方法以及走航ADCP直接測流資料這兩種方式對膠州灣2006年秋季小潮期間進(jìn)行了納潮量計算。結(jié)果表明,傳統(tǒng)方法計算得到的結(jié)果范圍大于根據(jù)測量結(jié)果的計算范圍。2種方法計算得到的納潮量平均值相差不大,這既驗證了通過海流計算納潮量的精確性,也體現(xiàn)了通過納潮量算法計算納潮量在平均意義上的有效性。本文參考通過海流計算納潮量的方法,采用模擬得到的斷面流場計算茅尾海的納潮量:

式中,W為納潮量,T為一個潮周期的時長,n為灣口斷面的網(wǎng)格數(shù),V it為t時刻灣口斷面上第i個網(wǎng)格點的流速,S it為t時刻第i個網(wǎng)格點的過水?dāng)嗝婷娣e。

2 模式結(jié)果與驗證

本文利用自然資源部第三海洋研究所觀測的不同時期3個潮位、4個潮流觀測點的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),校驗數(shù)值模式的模擬效果,具體測量時間位置見表2。

表2 潮位潮流觀測概況表Table 2 Summary of tidal level and current observations

2.1 模式驗證

2.1.1 調(diào)和常數(shù)模擬與觀測的對比

將E2,E3兩個潮位觀測站的模擬水位結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析,得到4個主要分潮的調(diào)和常數(shù),與觀測水位調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了對比(表3),振幅的誤差在2 cm 以內(nèi),遲角的誤差小于4°。結(jié)果表明模式計算結(jié)果較準(zhǔn)確。

表3 潮位站主要分潮調(diào)和常數(shù)模擬與觀測值的偏差Table 3 Deviations between simulated and observed harmonic constants of tidal components

2.1.2 潮水位模擬與觀測對比

圖2是E1,E2,E3三個潮位站的模擬水位時間序列與觀測的水位時間序列及潮汐表資料比較,結(jié)果表明這3個站模擬結(jié)果與觀測結(jié)果吻合較好。E2中的藍(lán)色點線為潮汐表給出的水位,模擬水位與潮汐表水位也符合較好。E2,E3點在2010-02-12實測水位比模擬偏低。我們也試著在數(shù)值模式中再增加4 個分潮(Q1,P1,N2和K2),結(jié)果并沒有明顯改善,經(jīng)查詢當(dāng)天氣象資料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)天存在大風(fēng)天氣,這一模擬誤差可能是由風(fēng)強(qiáng)迫等非潮因素所致。

圖2 模擬與觀測的水位時間序列對比Fig.2 Comparison of the time series between the simulated and the observed water levels

2.1.3 潮流模擬與觀測的對比

圖3是4個潮流觀測點模擬與觀測的垂直平均流速流向的對比。以上實測海流資料與模擬結(jié)果的對比表明,本文建立的潮汐潮流動力模式能夠較好地刻畫欽州灣海區(qū)的潮動力特征,除了小潮期間的潮流流速模擬結(jié)果略有偏小以外,流速振幅、位相、潮流方向等模擬結(jié)果與觀測資料基本符合。

2.2 欽州灣的潮汐潮流特征

從圖2中可以看出欽州灣海區(qū)的潮汐特征:除了小潮期間表現(xiàn)出一定的半日潮特征外,多數(shù)時間為典型的全日潮。

圖4是現(xiàn)狀下(工況0)的潮流場?？梢钥闯?潮流最大值區(qū)域位于龍門水道,最大值高達(dá)1.80 m/s,這與觀測值是一致的[15]。外灣3 條主要水道流速也較大,水道以外海區(qū)的流速較小。

欽州灣海區(qū)潮流主要呈往復(fù)流特征(圖4),流向基本與水道走向一致。一個重要特征是:落潮流速遠(yuǎn)大于漲潮流速。這種漲落潮流速度的不同在整個欽州灣都有體現(xiàn),在外灣表現(xiàn)更加明顯;在某些海區(qū),落潮流可達(dá)漲潮流的1.8倍以上。

本文模擬的欽州灣的潮汐潮流特征與觀測數(shù)據(jù)吻合較好,總體上也與前人的研究成果比較一致[16-18]。但本文使用了欽州灣圍填開發(fā)后的最新水深岸線數(shù)據(jù),在圍填區(qū)附近潮流發(fā)生了較大的變化,例如由于三墩公路的修建,使得原來落潮時可以直接向東南方向的潮流受到了限制,改道繞過三墩島而向東南方向,漲潮時同樣受到了束流作用,但欽州灣的潮波主要是受北部灣潮波系統(tǒng)的控制,局部的圍填對整個欽州灣的潮波沒有造成顯著變化。

3 不同工況下水動力場的變化

3.1 流場的變化

圖5為工況1完成后流場的變化情況,可以看出,工況1填海完成后對水動力場的影響僅限于岸線附近的局部海域,新岸線的凹陷處的沿海區(qū)域流速減小,岸界向海突出部分的沿海流速由于填海的束流作用流速有所增大,灣頸部的龍門航道流速略有減小,但影響甚微。

圖6～8分別為工況2～4完成以后流場分布和流速的變化,從圖中可以看出工況2、工況3、工況4完成后對水動力的作用是一致的,只是由于清淤面積的不同,影響程度也有所不同,工況4的作用最顯著,工況3次之,工況2影響最小。在清淤的范圍內(nèi),由于水深變深,大部分海域流速減小;從龍門港(灣頸部)到外灣的大部分區(qū)域,清淤后流速有所增強(qiáng),這有利于航道的維護(hù)。

圖6 工況2實施后流場及流速變化Fig.6 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 2

圖7 工況3實施后流場及流速變化Fig.7 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 3

圖8 工況4實施后流場及流速變化Fig.8 Changes in tidal current field and current velocity after the implementation of Operating Mode 4

3.2 納潮量的變化

一個海灣的納潮量與灣口位置的選取存在密切關(guān)系。蔣磊明等[17]2009年采用從企沙到烏雷的斷面計算欽州灣的納潮量,得到的平均納潮量為7.55×108m3。對于茅尾海我們分別以21°42'00″N,21°43'12″°N,21°44'24″N,21°45'00″N 和21°45'36″N 斷面作為灣口位置(圖1),計算了茅尾海納潮量。結(jié)果(圖9)顯示,納潮量的數(shù)值隨著計算區(qū)域的擴(kuò)大而增加,盡管內(nèi)外灣之間的水道面積較小,但它對納潮量的計算結(jié)果影響很大。在大潮期間,以21°42'00″N 作為茅尾海的南邊界,得到的納潮量為6.812×108m3,而以21°45'36″N 斷面作為南邊界的計算結(jié)果僅為4.864×108m3。一般用龍門至亞公山作為內(nèi)外海的分界,本文計算中我們選取21°42'00″N 斷面作為計算納潮量的斷面。

圖9 茅尾海納潮量與計算范圍之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the tidal prism and the calculation domain in the Maowei Sea

在一個月的大潮期間選取若干典型潮周期的納潮量取平均,得到大潮納潮量;對一個月內(nèi)所有潮周期的納潮量取平均,得到平均納潮量(表4)。結(jié)果表明:工況1規(guī)劃的濱海新城處于灘涂區(qū),填海面積又比較小,所以對茅尾海納潮量的影響輕微,工況1完成后茅尾海大潮納潮量和平均納潮量都僅減少了0.8%。而清淤工程對茅尾海納潮量的影響就比較顯著,清淤一期、二期、三期完成后茅尾海大潮納潮量分別增加了6.1%,13.0%和21.7%,而平均納潮量分別增加了3.1%,9.8%和18.1%。清淤工程特別是工況4完成后,對茅尾海水動力環(huán)境影響很大,其原因主要在于兩方面:一是灘涂減少,影響潮灘動力過程;二是本底水深很淺,挖深2 m 對原水體改變較大,流速也受到明顯影響。

表4 茅尾海大潮納潮量和平均納潮量的變化Table 4 Changes in tidal prism of spring tide and average tidal prism of tidal cycle

4 結(jié) 論

本文基于POM 模式,模式的水平分辨率達(dá)到100 m,同時采用干濕網(wǎng)格技術(shù)考慮漫灘過程,考慮了4個主要分潮和2個淺水分潮,以欽州灣最新的水深和岸線數(shù)據(jù),建立了欽州灣水動力模式。經(jīng)過3個潮位站和4個潮流站的檢驗,模擬的潮位和潮流與觀測符合較好,總體上也與前人的研究成果比較一致。

根據(jù)茅尾海綜合整治方案,設(shè)計了5個工況,研究了濱海新城圍填及茅尾海清淤對欽州灣水動力的影響,得到如下結(jié)論:

1)新城填海后茅尾海納潮量僅減少了0.8%,影響輕微;清淤一期、二期和三期工程完成后茅尾海的大潮納潮量分別增加了6.1%,13.0%和21.7%,而平均納潮量分別增加了3.1%,9.8%和18.1%。

2)在水動力方面,濱海新城填海完成后,對水動力場的影響僅在岸線附近的局部范圍表現(xiàn)明顯,在新岸線凹陷處的局部區(qū)域流速減小,岸界向海突出部分由于填海的束流作用流速有所增大。灣頸部航道由于內(nèi)灣納潮量降低,流速有輕微減弱。在茅尾海清淤的范圍內(nèi),由于水深加深,大部分海區(qū)的流速均有明顯減小(但納潮量是增加的);而在從龍門港(灣頸部)到外灣的大部分海區(qū),由于茅尾海清淤后納潮量顯著增大,流速明顯增強(qiáng),有利于航道維護(hù)。

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