肖立敏,韓信,周桂峰,張冬冬

(1.南京水利科學(xué)研究院 南京 210024;2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210029;3.唐山市自然資源和規(guī)劃局唐山國(guó)際旅游島分局 唐山 063600)

0 引言

唐山國(guó)際旅游島位于河北省唐山市東南部渤海之濱,東側(cè)緊鄰京唐港區(qū),西側(cè)距曹妃甸港區(qū)約30 km。旅游島由菩提島、月島、祥云島及北側(cè)陸域組成(圖1)。規(guī)劃面積125.64 km2,坐擁海島、溫泉、沙灘、生態(tài)及文化資源組合,為國(guó)家級(jí)海島開(kāi)發(fā)利用示范基地。根據(jù)規(guī)劃,內(nèi)海(島與北側(cè)岸線圍成的水域)將開(kāi)挖至-6 m(85高程,下同),開(kāi)挖線見(jiàn)圖1。旅游島東側(cè)與京唐港區(qū)相接處有一條大唐電廠排水河,是內(nèi)海東側(cè)海域水體交換的主要通道。排水河現(xiàn)有寬度較窄,約80 m,制約了內(nèi)海東側(cè)水域的水體交換。為保護(hù)好唐山國(guó)際旅游島海域尤其是內(nèi)海水生態(tài)環(huán)境,需要合理確定電廠排水河寬度。物理模型是解決潮流水動(dòng)力的有效手段,在港口航道、橋梁工程和電廠取排水[1-3]等涉水工程中均得到了廣泛應(yīng)用,莫思平等[4]和吳門(mén)伍等[5]也分別通過(guò)物理模型開(kāi)展了伶仃洋大鏟灣和科倫坡港口城的水體交換。本研究通過(guò)潮流物理模型試驗(yàn),研究唐山國(guó)際旅游島內(nèi)海水動(dòng)力特性及水體交換能力,并提出改善其水環(huán)境的工程措施。

圖1 唐山國(guó)際旅游島規(guī)劃方案及測(cè)量斷面布置圖

1 潮汐潮流特征

本海域的潮汐資料分析表明,潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日潮,潮差較小,多年平均潮差為0.88 m。

2007年7月30—31日和8月6—7日在工程海域開(kāi)展大潮和小潮現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)水文測(cè)驗(yàn)。實(shí)測(cè)大、小潮都呈兩漲兩落的半日潮形態(tài),日潮不等現(xiàn)象較為顯著。實(shí)測(cè)大潮最高、最低潮位分別為0.79 m和-0.68 m,高潮漲、落潮潮差分別為1.47 m和1.41 m,低潮漲、落潮潮差分別為0.32 m和0.36 m;實(shí)測(cè)小潮最高、最低潮位分別為1.04 m和-0.48 m,高潮漲、落潮潮差分別為1.29 m和1.49 m,低潮漲、落潮潮差分別為1.02 m和0.69 m。

2007年工程海域?qū)崪y(cè)資料顯示,唐山國(guó)際旅游島附近海域潮流特性具有明顯的往復(fù)流特征,漲潮為西南流,落潮為東北流,潮流流向基本與海岸平行。大潮期間,靠近外海側(cè)的由西至東的2#、4#和6#測(cè)點(diǎn)(位于14 m等深線附近)漲潮最大流速分別為0.74 m/s、0.75 m/s和0.66 m/s,落潮最大流速依次為0.79 m/s、0.69 m/s和0.71 m/s?？拷兜?#、3#和5#測(cè)點(diǎn)(位于6 m等深線附近)漲潮最大流速分別為0.77 m/s、0.69 m/s和0.73 m/s,落潮最大流速分別為0.53 m/s、0.26 m/s和0.60 m/s。總的來(lái)看,近岸流速要略強(qiáng)于外海流速。小潮期間的漲落潮流速要弱于大潮。

圖2 2007年實(shí)測(cè)大潮流速矢量圖

2 物理模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 模型比尺及布置[6]

根據(jù)試驗(yàn)要求和模型研究范圍,結(jié)合場(chǎng)地條件,取模型平面比尺780、垂直比尺130,模型變率為6。模型模擬范圍,沿岸方向約34 km,離岸約22 km,外海邊界位于20 m等深線附近。模型平面布置見(jiàn)圖3。模型主要考慮重力相似、阻力相似和水流運(yùn)動(dòng)相似,根據(jù)相似準(zhǔn)則,水流流速比尺和水流時(shí)間比尺分別為11.4和68.4。

圖3 唐山國(guó)際旅游島潮流物理模型布置圖

模型潮流動(dòng)力系統(tǒng)由變頻潛水泵、變頻雙向泵組成,輔以回水廊道、緩沖前池和尾門(mén)。模型中的潮位過(guò)程采用自計(jì)式水位儀測(cè)量并由計(jì)算機(jī)采集,流速測(cè)量采用傳統(tǒng)的旋槳式流速儀,水體交換試驗(yàn)采用光電式濁度儀測(cè)量水體濃度來(lái)表征換水率。

2.2 模型驗(yàn)證

本研究利用2007年7月30日—8月7日實(shí)測(cè)大、小潮潮位以及流速流向進(jìn)行了模型驗(yàn)證。圖4和圖5分別給出了部分點(diǎn)位物理模型試驗(yàn)與實(shí)測(cè)的對(duì)比。由圖可見(jiàn),潮位和流速、流向的試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好,表明模型能較好反映唐山國(guó)際旅游島海域潮汐潮流動(dòng)力特性。

圖4 2007年實(shí)測(cè)潮位過(guò)程驗(yàn)證曲線圖

圖5 2007年實(shí)測(cè)大潮流速流向過(guò)程驗(yàn)證曲線圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在規(guī)劃條件下,即唐山國(guó)際旅游島規(guī)劃岸線、內(nèi)海開(kāi)挖至-6 m,分別考慮電廠排水河寬度為80 m(即現(xiàn)狀寬度)、200 m和380 m 3個(gè)寬度,分別開(kāi)展潮流場(chǎng)和水體交換試驗(yàn)。各方案維持京唐港區(qū)岸線不變,調(diào)整祥云島東側(cè)岸線,具體方案見(jiàn)圖6。

圖6 電廠排水河寬度80 m、200 m和380 m方案

3.1 潮流流速變化分析

圖7和圖8分別給出了漲急時(shí)刻工程海域大范圍以及電廠排水河附近的流態(tài)試驗(yàn)照片。漲潮時(shí),主口門(mén)(祥云島與月島形成的口門(mén))通道內(nèi)流速較大,水流通過(guò)主口門(mén)進(jìn)入內(nèi)海,內(nèi)海水域相對(duì)較為開(kāi)闊,形成逆時(shí)針?lè)较虻幕亓?。部分水流右轉(zhuǎn)流向祥云島一側(cè)內(nèi)海,另一部分左轉(zhuǎn)由月島與菩提島之間的通道匯入外海。落潮期間,內(nèi)海水域沒(méi)有明顯回流。上述3種電廠排水河方案,大范圍水流流態(tài)基本相同。隨著寬度的增加,排水河通道動(dòng)力增強(qiáng),主口門(mén)水流流速有所減弱,回流強(qiáng)度及范圍均有一定程度減小。

圖7 漲急時(shí)刻大范圍流態(tài)試驗(yàn)照片

圖8 漲急時(shí)刻排水河附近流態(tài)試驗(yàn)照片

試驗(yàn)中,布設(shè)4個(gè)流速測(cè)量斷面進(jìn)行流速分析,1#、2#、3#和4#斷面分別位于主口門(mén)、電廠排水河、菩提島與月島間通道及菩提島與岸線通道(圖1)。圖9給出了電廠排水河不同寬度,上述4個(gè)斷面漲潮平均流速分布,表1則統(tǒng)計(jì)了漲落潮期間斷面平均流速的特征值。由圖表可見(jiàn),漲潮期間,當(dāng)電廠排水河為80 m時(shí),主口門(mén)斷面平均流速分別為0.29 m/s;排水河斷面平均流速為0.33 m/s,但由于通道較窄,水流阻力較大,通過(guò)該斷面進(jìn)入內(nèi)海的流量也相對(duì)較小,祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水動(dòng)力較弱;3#和4#斷面流速均較小,斷面平均流速均在0.12 m/s左右。隨著排水河寬度的增加,主口門(mén)流速呈現(xiàn)減小趨勢(shì),排水河斷面平均流速變化不大但流量明顯增加,3#和4#斷面流速變化甚微。當(dāng)排水河寬度為200 m時(shí),上述4個(gè)斷面漲潮平均流速依次為0.25 m/s、0.32 m/s、0.13 m/s和0.11 m/s;排水河寬度為380 m時(shí),對(duì)應(yīng)的斷面平均流速為0.22 m/s、0.27 m/s、0.12 m/s和0.10 m/s。落潮期間,各斷面流速隨排水河寬度變化的趨勢(shì)與漲潮基本一致。

綜合上述分析,在規(guī)劃岸線條件下,維持主口門(mén)以及3#、4#通道不變,改變電廠排水河寬度,漲落潮期間,3#、4#通道流量較小、變換甚微,通過(guò)主口門(mén)和電廠排水河通道進(jìn)出內(nèi)海的流量會(huì)發(fā)生調(diào)整,進(jìn)而影響到上述兩個(gè)通道以及內(nèi)海一定范圍水域內(nèi)的流速發(fā)生變化。電廠排水河寬度由現(xiàn)有的80 m擴(kuò)大到200 m時(shí),通過(guò)電廠排水河的水流流量逐步增加,祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域的水流動(dòng)力也明顯增強(qiáng),而通過(guò)主口門(mén)進(jìn)入內(nèi)海的流量有所減小,水流流速有一定程度減小。當(dāng)電廠排水河寬度由200 m進(jìn)一步拓寬到380 m時(shí),排水河通道與主口門(mén)之間的流量與流速變化依然符合上述趨勢(shì),但變化程度會(huì)減弱。適當(dāng)增加電廠排水河寬度,對(duì)改善內(nèi)海東側(cè)水域的水動(dòng)力是有利的。

圖9 不同電廠排水河寬度下各斷面漲潮平均流速分布

表1 電廠排水河不同寬度,各斷面特征流速統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

3.2 水體交換結(jié)果分析

試驗(yàn)前,用橡皮泥將唐山國(guó)際旅游島內(nèi)海水體與外海隔離,并采用素墨水進(jìn)行染色處理,使每組試驗(yàn)內(nèi)海染色水體初始濃度基本一致。待模型中外海潮位過(guò)程穩(wěn)定后,在外海水位與內(nèi)海水位持平時(shí),拿走橡皮泥,內(nèi)海染色水體與外海的清水發(fā)生交換,內(nèi)海染色水體的濃度變化反映了其水體交換的過(guò)程。通過(guò)觀察和測(cè)量?jī)?nèi)海不同測(cè)點(diǎn)染色水體的濃度變化(代表水體的交換率),可以分析內(nèi)海水體與外部水體交換變化的過(guò)程。

圖10和圖11分別給出了電廠排水河寬度200 m,大潮連續(xù)作用4天和8天水體交換的試驗(yàn)照片。

圖10 電廠排水河寬度200 m作用4天后試驗(yàn)照片

漲潮期間,外海水體通過(guò)主口門(mén)以及電廠排水河等通道進(jìn)入內(nèi)海,上述水域的水體首先與外海發(fā)生交換;落潮期間,內(nèi)海水體隨著落潮流進(jìn)入外海。隨著外海的潮漲潮落,內(nèi)海水體逐步完成水體交換過(guò)程。當(dāng)電廠排水河寬度為80 m時(shí),內(nèi)海在靠近主口門(mén)附近的水域水體交換能力較強(qiáng),大潮連續(xù)作用5天左右,換水率可達(dá)到80%左右;排水河通道附近、菩提島與北岸通道以及菩提島與月島通道附近的水體交換能力次之,需要8天基本完成水體交換;位于祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域的水體交換能力較弱,通過(guò)大潮連續(xù)作用15天才能基本完成交換。

圖11 電廠排水河寬度200 m作用8天后試驗(yàn)照片

圖12給出了不同電廠排水河寬度時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域采樣點(diǎn)的水體交換率對(duì)比圖,采樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。與電廠排水河寬度80 m相比,當(dāng)寬度拓寬到200 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力明顯增強(qiáng),內(nèi)海水域完成水體交換時(shí)間約為11天左右。當(dāng)排水河寬度進(jìn)一步拓寬到380 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力進(jìn)一步提高,但提高幅度并不顯著,需要9天左右時(shí)間完成交換。

圖12 內(nèi)海東側(cè)中部水體交換率對(duì)比

綜上所述,電廠排水河維持現(xiàn)有寬度80 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力相對(duì)較弱。電廠排水河拓寬到200 m后,內(nèi)海水體交換能力明顯增強(qiáng);當(dāng)排水河寬度進(jìn)一步拓寬到380 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力進(jìn)一步提高,但提高幅度并不顯著。因而,從內(nèi)海水體交換能力考慮,電廠排水河寬度選擇在200 m左右是較為適宜的。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)唐山國(guó)際旅游島規(guī)劃條件下,電廠排水河現(xiàn)有寬度相對(duì)較窄,通過(guò)該通道進(jìn)出的流量較小,祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水動(dòng)力較弱。維持主口門(mén)及其他通道不變,增加電廠排水河寬度,通過(guò)主口門(mén)與電廠排水河通道進(jìn)出內(nèi)海的流量會(huì)發(fā)生調(diào)整。隨著電廠排水河寬度增加,通過(guò)電廠排水河的水流流量逐步增加,祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水流動(dòng)力也明顯增強(qiáng),而通過(guò)主口門(mén)進(jìn)入內(nèi)海的流量有所減小,水流流速略有減小。

(2)電廠排水河為現(xiàn)有寬度80 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力相對(duì)較弱。電廠排水河拓寬到200 m后,內(nèi)海水體交換能力明顯增強(qiáng);當(dāng)排水河寬度進(jìn)一步拓寬到380 m時(shí),祥云島中部對(duì)應(yīng)的內(nèi)海水域水體交換能力進(jìn)一步提高,但提高幅度并不顯著。

(3)唐山國(guó)際旅游島規(guī)劃條件下,通過(guò)調(diào)整電廠排水河寬度,可有效改善內(nèi)海水域水動(dòng)力條件及水體交換能力。綜合考慮,適當(dāng)增加現(xiàn)有電廠排水河寬度對(duì)改善內(nèi)海東側(cè)水動(dòng)力及水體交換能力是有利的。