匡翠萍,俞露露,顾 杰,董智超,宋竑霖,朱 磊



人工岛对金梦海湾水体交换的影响

匡翠萍1,俞露露1,顾 杰2*,董智超1,宋竑霖1,朱 磊3

(1.同济大学土木工程学院水利工程系,上海 200092；2.上海海洋大学海洋生态与环境学院,上海 201306；3.河北省地矿局第八地质大队,河北 秦皇岛 066001)

为研究金梦海湾人工岛的不同布局对周围海域水动力及水体交换的影响,基于MIKE软件建立三维和二维潮流模型以及保守物质输运模型,运用欧拉法计算水体滞留时间,从整体和分区二个方面分析人工岛对水体交换的影响机制.结果表明:海螺岛工程起到分流､导流的作用,提升了金梦海湾的水体交换能力,水体交换率提升10.17%;海螺岛和进岛路的联合作用,使金梦海湾形成一个水体交换能力较差的半封闭式水域,水体交换率下降7.73%;在建设人工岛时保留潮汐通道有助于该区域的水体交换,进岛路的去除为汤河口和金梦海湾近岸增加一条潮汐通道,水体交换能力增加17.90%;在弱潮流地区,需考虑余流的作用.金梦海湾区域的余流小,潮流弱,因此保守物质滞留时间长,水体交换缓慢,水体的自净能力低.

水体交换；水动力；人工岛；金梦海湾

人工岛的建设在增加土地资源的同时改变了近岸动力环境条件.人工岛是人类开发和利用海洋资源的重要方式,既缓解了人与土地之间的矛盾,又优化了海洋生态资源的配置.随着秦皇岛岸线资源的持续开发,近岸海域水质污染和水体富营养化加剧,赤潮等海洋污染灾害频发[1],在2004~2014年期间,该地区5~8月份都会发生赤潮现象[2].建设人工岛会改变原始海岸的岸线,新产生的人工岸线可能会改变原始海域的水动力环境,影响水体交换能力,对近岸海域的生态环境也会产生一定影响.郭磊[3]和龚文平等[4]的研究表明,人工岛建设对研究海域的水动力和水体交换的影响具有区域性差异,人工岛因其大小､离岸的距离及所处位置的不同,对水动力和水体交换的影响也仅局限在人工岛周边水域.

为研究人工岛对近岸海域海洋生态环境的影响,需综合分析该海域水动力环境和水体交换能力.水体交换的能力主要体现在水体交换率[5]和水体的交换时间[6]两个方面.水体交换率主要是利用现场观测和数学模型,研究潮周期海水的平均浓度,对水体交换能力可用水体生命值[7]、更新时间[8]、半交换时间[9]、滞留时间[10-11]等时间尺度进行定义.现有的研究中较为常见研究方法为拉格朗日法[12]和欧拉法[13].拉格朗日法把流体看成质点,设法描述每一个质点的位置随时间的变化规律,对粒子轨迹进行跟踪与计算,得出时间尺度[14];欧拉法基于对流扩散方程,以溶解态的保守物质为示踪剂,使用参数化的方法把重力环流和潮振荡的垂向剪切作用的水平混合效应包纳在水平二维的示踪剂对流扩散方程中[15],能更好的模拟水体交换的过程,欧拉法反映局部地区的余流特征.

王乃瑞[16]和张玮等[17]分别基于二维水质模型和对流扩散模型,研究环抱式港湾和港池与不同布置方案下海域内水体交换率的响应关系,探究了口门宽度与工程近岸海域内水体交换能力之间的关系,得出水动力条件的强弱和工程的位置对水体交换能力具有很大的影响.刘嘉星[18]基于ROMS模型和对流扩散模型,研究渤海湾围海造地对水动力和水交换产生的影响,最终得出水体交换能力受围填海工程影响较大,工程附近区域的水体交换能力呈减弱趋势.赵桂侠等[19]利用EFDC建立三维水动力模型,研究人工岛布置方式对辽东湾海域水动力和水体交换的影响,结果表明人工岛的建设阻碍了水体的流动,迎水面投影长度越长,其对水流的阻碍作用越大,易形成低速流区,导致区域的水体交换能力差.以上学者运用不同的数值模拟方法,基于不同围填海工程的位置和布局方式,计算和分析所研究海域水动力条件和水体交换能力的变化,研究表明围填海和人工岛工程的建设对工程周围水环境的影响巨大,不同的围填海形态和人工岛位置都会对近岸水动力和水环境产生不同的影响结果,且工程内部的水体交换能力因区域位置的不同而有较大的差异,研究所得的成果亦为工程的建设给出合理的规划和布局方案.

近年来,由于外海养殖、沿海排污和陆域污染等因素,造成金梦海湾近岸海域水质严重恶化,水体富营养现象严重,海水水质为四级,严重影响了金梦海湾的生态环境.受近岸人工岛的影响,原有的近岸水动力条件发生改变,水体交换能力减弱.而金梦海湾区域人工岛对水体交换影响的研究甚少,研究和分析人工岛建设的合理性,避免人工岛建设后对海洋生态环境的破坏,对研究海洋生态环境的保护和开发具有积极的意义.本文以秦皇岛近岸的金梦海湾为例,结合金梦海湾海域最新的水动力环境,通过二维潮流和保守物质输运数学模型研究分析人工岛对该区域水动力环境的改变,对比和分析人工岛的不同工况组合对水体交换能力的影响,以期对金梦海湾人工岛建设提供一定的科学依据.

1 研究区域概述

图1 计算区域､网格､测站和人工岛位置

研究区域涵盖金梦海湾近岸及其周边海域(图1),北起汤河,南至金梦海湾森林公园.金梦海湾的人工建筑物相对比较密集,其中主要的建筑物有潜堤、海螺岛以及通往海螺岛的进岛路.潜堤共有3座,每座长度为360m,离岸约380m;海螺岛2013年底开始建设,离岸约600m,连接海岸和海螺岛之间的为进岛路,其结构是透水性较差的管涵结构.金梦海湾海域靠近秦皇岛外海的无潮点,整体潮差较小,潮流动力弱;潮汐为规则全日潮,潮流为规则半日潮,涨急呈WSW向、落急呈ENE向,研究区域为顺岸往复流,外海流速大小为0.15~ 0.24m/s.

2 数学模型的建立与验证

2.1 基本控制方程

2.1.1 潮流模型 Mike软件是丹麦水力学研究所(DHI)[20]研发的通用数学模拟系统,主要模拟湖泊、河口、河流、海岸和海洋的波浪、泥沙、水流及环境的变化,其中Mike3模型是在河口海岸水域数值模拟方面比较有优势的三维水流模型,其基本方程是基于三维不可压缩的雷诺平均化的N-S方程给出的三维浅水方程[21];Mike 21Flow Model子模块是从属于Mike 21 模型的二维潮流模型,根据静水压力假定、浅水假定和布辛涅斯克假定,通过控制体积法求解由不可压缩雷诺平均纳维－斯托克斯化的浅水方程[22].模型的连续方程和动量方程见文献[23-24].

在研究区域取两个典型点T1和T2(位置见图1),其三维与二维模型计算得出的垂向平均流速过程的比较以及三维的流速的垂向分布见图2,可见在垂向上的流速变化甚微,流速由表层至底层逐渐减小,因研究区域内的水深较浅,利用三维水动力模型计算得到沿水深方向的流速变化较小,底层速度较表层速度减小幅度在5%以内;且在研究区域内的汤河口建有橡胶坝,有效拦截了自河口涌入的淡水,研究区域内没有出现淡盐水混合的情况,因此利用三维模型计算得出的各层流速与二维的计算结果差异不大,而三维水动力模型较二维模型计算时间长,计算量大,故本文在保证计算精度的情况下为提高计算效率,采用二维水动力模型对研究区域进行模拟和计算.

图2 二维与三维垂向平均流速对比及三维流速垂向分布

2.1.2 保守物质输运模型 MIKE 21Transport 模型考虑了保守物质的扩散和衰减[25],其物质的守恒方程如下:

式中:、表示、方向上的速度分量;为水深;D、D为、方向上扩散系数;为保守物质浓度.

2.2 计算网格及边界条件

为了验证水动力模型的合理性,以及满足计算精度的要求,本文采用大(渤海模型)､小(秦皇岛海域模型)模型双重嵌套的方式进行计算.渤海大模型以大连和烟台两个潮位站的连线作为潮位开边界,其模型网格节点数为14183,网格单元数为23419.秦皇岛海域小模型北起乐岛公园,南至洋河口,计算范围在NW-SE方向上长16.5km(离岸距离),在NE-SW方向上长35.6km(沿岸距离),研究区域面积约为587.4km2.小模型网格节点数为13431,网格单元数为25585,对工程区域进行局部加密处理,网格分辨率为10~2500m.大､小模型的具体位置如图1所示.

2.3 保守物质输运模型计算范围

假设研究区域内的保守物质浓度为=1,其他海域的初始浓度则为=0,在潮流作用下,研究区域的水体与区域外水体进行混合,使区域内保守物质的浓度逐渐降低.研究区域如图3(a)所示.为研究工程前后水体交换特性的变化,将研究区域分为如图3(b)中5个子区域.A为进岛路附近海域,B为金梦海湾近岸海域,C为海螺岛西侧外海海域,D为海螺岛西侧码头海域,E为汤河口.

2.4 模型验证

本文使用的潮流数据来源于海洋公益性行业科研专项项目中的实测资料,文中采用的嵌套渤海模型以及秦皇岛模型已在我们以往的研究中进行过多次验证[27-28],因此本文验证仅显示工程邻近区域2点的潮流验证.在研究区域内布置有秦皇岛潮位站、JM01和JM02潮流测站(图1),分别对秦皇岛海域进行了大、小潮期间的水文测验.根据研究范围内已有的实测资料,确定模型验证时间段;首先,采用潮汐表中秦皇岛测站(图1)的潮位预报值对相应时间段内的潮位计算值进行验证,结果显示(图4)计算值与预报值拟合效果较好.其次,采用典型测站JM01和JM02站点的大、小潮期间的流速、流向数据(2013年5月11~12日大潮、2013年5月16~17日小潮)对潮流模型做进一步验证,结果图5、图6所示.

本文选择比较常用的Wilmott[29]提出的统计学方法来评价数学模型,其计算公式如下:

图4 秦皇岛2013年5月潮位验证

从验证结果可以看出,金梦海湾海域水动力模型模拟所得的潮流计算结果在流速大小和时间相位上与实测值基本一致,模型在大、小潮期间均有良好表现,模拟精度基本满足海岸工程数值模拟要求,可将其应用于不同工程组合对海域水动力影响的研究分析中.

3 水体交换能力分析

水体交换的能力强弱是评价一个海域水体自净能力的重要指标,近岸水动力对污染物、悬浮沙和营养物质进行输运,通过对流输运和扩散稀释等物理和化学过程,达到该海域水体的混合交换,从而实现水体的自我改善.人工岛的修建在很大程度上会影响当地水体的动力环境[30-31],使海湾内部的潮流场发生变化,继而影响到海湾内部水体环境,改变水体内物质的输运量和输运路径.

本文基于欧拉法研究水体交换,用研究区域的滞留时间[32]来分析区域内的水体交换能力,其中滞留时间为初始的单位浓度/质量保守物质衰减到某一浓度/质量(如0.5或e-1)所需时间[33],本文采用保守物质衰减到初始质量的e-1所需时间作为滞留时间进行分析计算.利用最小二乘法对模型计算得出的保守物质衰减质量曲线进行拟合,确定衰减函数的各系数值,计算滞留时间.保守物质质量的衰减函数可表示为:

M/0=e-kt+(3)

式中:t和0分别为保守物质在时刻和初始时刻0的质量,参数、和利用最小二乘法拟合求得.

表1 工况组合

注:√表示有该工程,Í表示没有该工程.

根据海螺岛和进岛路工程的现状,设置3个不同的工况组合(表1),计算区域内水体交换时间,分析研究区域的水体交换能力.工况01(表1)为原始海域,即没有海螺岛和进岛路工程,主要研究该区域在没有人工岛的自然情形下,水体交换能力的强弱;工况02是在工况01的基础上增加了海螺岛工程,为研究海螺岛单独作用下该区域的水体交换能力;工况03在工况02的基础上增加了进岛路工程,为海螺岛和进岛路工程的组合工况,主要研究海螺岛和进岛路的联合作用对区域内水体交换的影响.

3.1 流速分析

从图7中(a)可知,工况02增加海螺岛工程后,海水在海螺岛的分流作用下,更易通过汤河口与海螺岛之间的潮汐通道,使进岛路东侧的汤河口附近水体流速增加约10%~90%,同样,潮流经海螺岛南侧绕流,使海螺岛南侧附近水体的流速增幅约20%~80%.海螺岛工程的增加同时降低了海螺岛西侧区域D内的水体流速,降幅达到50%~95%,海螺岛东侧因雍水形成流速减小区,流速减幅约为20%~ 50%.

从图7中(b)可知,工况03相比工况01增加了海螺岛和进岛路工程,使金梦海湾内区域B内的水体流速大幅降低,汤河口区域E附近的水体因进岛路的阻塞,流速减幅约40%~80%,金梦海湾近岸在进岛路和海螺岛的联合作用下,形成一个半封闭的港池,流速减幅约为50%~95%.海水因海螺岛和进岛路的阻流作用,经海螺岛南侧绕流,使海螺岛南侧水域流速显著增加,增幅约为30%~90%.

图7 流速差值

3.2 余流分析

余流主要有欧拉余流和拉格朗日余流两种形式,欧拉余流是对流场空间一定点瞬时观测的流速进行潮周期平均而得到的一种定常流,若以欧拉余流对余流场进行分析,则会在海面处出现虚假的“潮源”项[34];而拉格朗日余流是水微团经若干潮周期运动后的净位移与其运动的时间长度之比[35],其更能反映水微团在流场作用下运移特征.欧拉余流和拉格朗日余流在物理意义上有所不同,但在量值上却有一定关系,Feng等[36]在研究中指出,最低阶的拉格朗日余流是欧拉余流和斯托克斯漂流的叠加[37],从而为两种不同的余流方式建立了数值上的联系.

因余流场的结构是影响渤海湾水体交换能力的重要动力学分量[38],余流的大小和方向在一定程度上影响着研究区内的水体交换能力,故对研究区域的拉格朗日余流场[39]进行分析,以期对研究区域内不同工况组合下的水体交换能力的差异性进行解释和说明.从图8(a)可知,若无人工岛的阻流、导流和分流的作用,汤河口外侧形成一个顺时针方向的涡旋结构[40],而金梦海湾潮流总体表现为顺岸往复流,涨急呈WSW向,落急呈ENE向,工况01只有汤河口外侧附近海域余流流速较大,约0.01~0.1m/s,区域C附近海域余流流速较小,约为0.001~0.01m/s,潮动力较弱,保守物质随潮流做往复运动,并长期滞留在区域C附近海域,使滞留时间较有人工岛时显著增长.

从图8(b)可知,海螺岛工程的存在,使区域C产生一个顺时针的涡旋,余流流速显著增大,约0.02~0.05m/s,并从东到西递减,海螺岛西侧区域C内的余流大小较工况01显著增大;进岛路附近区域A海域产生一个逆时针方向的涡旋,流速约0.02~ 0.07m/s,余流流速较工况01明显增加.

从图8(c)可知,增加海螺岛和进岛路工程,使进岛路两侧区域A和区域E内余流流速大幅减小,其中进岛路西侧余流大小接近0,进岛路东侧汤河口附近余流流速约0.001~0.007m/s,较工况01显著降低.

图8 拉格朗日余流场

3.3 滞留时间分析

基于金梦海湾3种不同人工岛组合工况,计算得出了该区域保守物质相对质量的变化,选取保守物质质量衰减到e-1的时间(滞留时间)作为该区域的水体交换时间.由图9可知,工况02增加海螺岛工程后,保守物质平均浓度较工况01显著降低,工况03增加进岛路和海螺岛工程后,保守物质平均浓度介于工况01与工况02间.

从表2中可知,工况01区域内的水体滞留时间为212h,第10d、20d和30d的水体交换率分别为68.17%、78.27%和86.27%,工况02在工况01的基础上增加了海螺岛,滞留时间降为171h,第10d、20d和30d的水体交换率分别为72.93%、88.44%和90.67%,相比工况01,10d、20d和30d的水体交换率分别增加4.76%、10.17%和4.40%;对比工况02和工况01可知,增加海螺岛工程,在一定程度上促进了研究区域的水体交换.

图9 保守物质质量历时曲线

工况03在工况02的基础上增加了进岛路工程,相比工况01,工况03的水体滞留时间增长为302h,第10d、20d和30d的水体交换率分别为55.46%、70.54%和78.99%,相比工况01分别降低12.71%、7.73%和7.28%.

表2 不同工况水体滞留时间及交换率

对比工况02和工况03可知,进岛路的增加使整个区域的滞留时间上升131h,增幅约76.61%.进岛路的增加相当于去除金梦海湾和汤河口海域的潮汐通道,阻隔了汤河口和金梦海湾内的水体交换,使金梦海湾近岸和汤河口附近水体长期滞留,水体交换率下降.工况03第10d、20d和30d的水体交换率较工况02分别下降17.47%、17.90%和11.68%.

为了更好地分析不同工况组合条件对整个区域水体交换率的影响,计算整个区域的水体滞留时间的场图[41].如图10为各工况条件下金梦海湾水体滞留时间场图,并结合不同工况滞留时间的差值的场图(图11),对整个区域水体的滞留时间进行分析.

图10 滞留时间分布

图11 滞留时间差值分布

如图10中(a)可知,没有海螺岛和进岛路工程,区域A和区域E附近水体的滞留时间相对较小,约60~300h,但是区域C附近海域的滞留时间却比较大,约360~640h,其主要是因为工况01中区域C的余流流速较小(图8),且研究区域靠近秦皇岛外海无潮点,潮差小、潮动力弱,致使工况01的区域C水体滞留时间显著大于其他两个工况.

如图10中(b)所示,对比工况02和工况01,增加海螺岛工程,区域C的水体滞留时间显著缩短,图11中(a)可知,海螺岛工程使区域C水体滞留时间降低约240~450h,主要是潮流通过海螺岛南侧发生绕流,流速增大且形成顺时针方向的涡旋;区域E内的水体滞留时间较工况01增加约60~100h,而近岸的水体因海螺岛的分流作用,汤河口和外海水体更易进入近岸海域,使区域B内的水体滞留时间降低约10~240h,说明离岸的海螺岛工程与岸线之间形成潮汐通道,有助于金梦海湾区域的水体交换.

如图10中(c)所示,工况03相比于工况01,因为进岛路和海螺岛综合作用,进岛路附近和汤河口内的水体交换能力大大降低,结合图11中(b)可知,区域A附近的水体滞留时间约为420~860h,增加约120~560h,区域E内水体滞留时间约为180~600h,增加约60~360h.海螺岛和进岛路的联合作用,使近岸水体和进岛路两侧以及汤河口的水体交换能力大幅降低,滞留时间显著增长,海螺岛和进岛路工程阻碍了潮流向汤河口和近岸海域流动,水体在海螺岛南侧发生绕流,流速显著增加(图7),区域C的余流流速也较工况01明显增大,致使区域C水体滞留时间下降约240h.

4 结论

4.1 离岸的海螺岛工程起到分流、导流的作用,提升了金梦海湾的水体交换能力,海螺岛工程的增加使研究区域水体滞留时间由212h降为171h,降幅约20%,20d的水体交换率由78.27%提升为88.44%,增加10.17%.

4.2 海螺岛和进岛路工程的联合作用,使金梦海湾近岸海域形成一个水体交换能力较差的半封闭式水域,水体因进岛路的阻隔作用,导致外海的海水与汤河口和近岸的水体交换缓慢,水体交换率下降7.73%.

4.3 进岛路的去除为汤河口和金梦海湾近岸增加一条潮汐通道,汤河口和近岸海域水体流速显著增加,区域内水体滞留时间下降131h,降幅超过75%, 20d水体交换率增加17.90%.在建设人工岛和进岛路时保留潮汐通道有助于该区域的水体交换.

4.4 金梦海湾靠近秦皇岛外海的半日潮无潮点,潮流动力较弱,不利于金梦海湾海域的水体交换,在弱潮流地区,保守物质扩散能力弱,分析时需考虑余流的作用.金梦海湾区域的余流小,潮流弱,保守物质滞留时间长,水体交换缓慢,水体的自净能力低.

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Influences of artificial island on water exchange of Jinmeng Bay.

KUANG Cui-ping1, YU Lu-lu1, GU Jie2*, DONG Zhi-chao1, SONG Hong-lin1, ZHU Lei3

(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.The Eighth Geological Brigade, Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao 066001, China)., 2019,39(2)：757~767

To study the influences of the different layouts of artificial island on the hydrodynamic and water exchange in the Jinmeng Bay, based on MIKE software, a three and a two-dimensional hydrodynamic and conservative substance transport model were established, and Euler method was used to calculate the residence time. The influence mechanism of artificial island on water exchange was analysed from the entire region and several sub-regions. It reveals that: Conch Island played the roles of guiding and diversion flow, which improves the water exchange capacity of the Jinmeng Bay,i.e., water exchange rate increased by 10.17%. The combined Conch island and connection road make the Jinmeng Bay form a semi-enclosed water area with a poor water exchange capacity,i.e., water exchange rate decreased by 7.73%. The retention of tidal channel in the construction of artificial island is conducive to the water exchange in the region, and the removal of the connection road adds a tidal channel to the near shore of the Tanghe river and the Jinmeng Bay, the water exchange capacity increased by 17.90%. In weak tidal areas, the effect of residual flow should be considered. The residual current and tidal current in the Jinmeng Bay are very weak, the conservative substance can be kept for a long time. Hence, the water exchange is weak and the self-purification capacity is low.

water exchange；hydrodynamics；artificial island；Jinmeng Bay

X145

A

1000-6923(2019)02-0757-11

匡翠萍(1966-),女,江苏扬州人,教授,博士,主要从事海岸工程研究.发表论文220余篇.

2018-07-15

海洋公益性行业科研专项(201305003)

* 责任作者, 教授, jgu@shou.edu.cn