房树林张明亮

(1.国家海洋局大连海洋环境监测中心站 大连 116015;2.大连海洋大学海洋科技与环境学院 大连 116023;3.辽宁省近海生态环境与灾害防护工程技术创新中心 大连 116023)

0 引言

大连市普兰店湾位于辽东半岛中部,坐落在瓦房店市炮台镇松木岛村的西南侧海域。普兰店湾四周分布大量的滩涂,地方政府在此区域大力开发贝类、海参等生物的底播增殖及围堰养殖活动[1]。围海造池占用大量潮滩,致使普兰店湾自然岸线萎缩严重,水面受到较大的破坏。例如,普兰店湾中部海域的水面宽度缩窄,平均宽度约为500 m,中部水域水面最宽也不足2 km;退潮时该区域海水平均深度较浅,局部区域甚至干涸,出现湾底淤泥露出等现象[2]。2018年,生态环境部、国家发展和改革委员会、自然资源部发布《渤海综合治理攻坚战行动计划》明确提出:加强河口海湾综合整治修复,实现水质不下降、生态不退化、功能不降低,重建绿色海岸,恢复生态景观[3]。

近几年,国内相关学者针对普兰店海湾的水动力和水环境变化问题开展了大量的研究工作,运用水动力数值模型对普兰店湾的潮流场进行模拟分析,复演了普兰店湾的潮流结构和时空变化过程[4]。唐俊逸等[5]结合普兰店湾的水文和化学要素现场调查数据,对普兰店湾水交换能力和污染物的对流扩散进行了计算,并提出普兰店湾上游COD入海的排放管控建议。姜恒志和邢传玺等[6-7]运用数值模型对普兰店湾的水动力和污染物输运过程进行了模拟研究,结果表明:普兰店湾内不同区域的地形变化较大,致使其各区域的水体交换能力分布极不均匀,其研究结果为普兰店湾的排污布局提供了科学的规划依据。尽管相关学者在普兰店湾的数值模拟和海湾环境评价等方面做了较多的研究工作,但是其研究的局限性在于:研究工作主要集中在普兰店湾的水动力及其水体交换能力方面,而针对普兰店湾海域开展“退养还滩”工程,尤其是关于退养还滩工程对拓宽岛间现有潮汐通道宽度,以及提高区域纳潮能力方面缺少认知,因此,利用“退养还滩”实现岸线修复和潮滩湿地恢复功能的相关研究亟须深入开展。本研究基于MIKE-21水动力模块,数值分析了普兰店湾养殖池塘围堰工程拆除前后的水动力时空变化特征,评价潮滩养殖围堰拆除的合理性及其对水动力环境改善的效果。

1 研究区域概况

普兰店湾位于金州镇西北20 km的渤海水域[6],是一个呈东西走向的狭长封闭海湾,湾口朝向西南,其东西长度约为35 km,南北最宽处约6 km,最窄处仅为500 m。该海域浅滩面积广阔,坨子、岛屿和水下残礁数量较多,其中海域面积为530 km2,滩涂面积208 km2,岛礁面积9.2 km2。普兰店湾水深变化复杂,一般小于5 m,南深北浅,水下地形向深水槽倾斜且坡度较大。普兰店湾潮汐特征为不正规半日潮,其中太阴半日潮为优势分潮,海流以往复流为主。普兰店湾附近风力弱,入海河流含沙量小,湾内海流呈自然规律性的周期运动,促使海域周边形成面积广阔的天然沙滩。由于该水域滩涂资源丰富,再加上海水水温适宜,水质条件优越,初级生产力水平较高,适宜渔业养殖的发展。随着水域滩涂资源不断开发,大量潮滩被利用开展海水池塘养殖和滩涂底播养殖。本次研究的养殖围堰拆除区域主要位于普兰店内湾的南侧、北侧及东侧的海水养殖区域。该部分养殖池塘致使海湾的潮汐通道宽度过窄,纳潮能力降低,也使海湾与外海的交换能力下降。通过规划围海养殖围堰拆除工程,直接出露后方基岩岸线,进而恢复拆除区域的原始滩涂属性,通过普兰店湾的涨落潮过程,可以实现该区域的生态环境的自我恢复,以及提高湾内外的海水交换能力。

2 水动力模型构建与验证

普兰店湾水深较浅,其水平尺度远大于垂向运动尺度,故采用沿水深积分的二维模型在精度和计算效率上都满足要求。

2.1 控制方程

二维深度平均浅水方程表达式如下[8-11]。

连续方程:

动量方程:

式中:ζ为潮位;h为静水深;H为总水深,H=h+ζ;x和y为直角坐标系坐标;u和v分别为沿x、y方向的垂向平均流速分量;f=2ωsinϕ为柯氏参数,其中ω为地转角速度,ϕ为地理纬度;g为重力加速度;Cz为谢才系数,,n为海床曼宁系数;εx、εy为x、y方向水平涡动黏滞系数。

2.2 初始条件和边界条件

在海域潮流计算中,初始流场一般采用“冷启动”初始条件给定。在本研究采用的数值模式中,开边界条件给定潮位变化过程;水陆交界处给定闭边界条件,水质点的法向速度为零,对于潮滩,水陆交界的位置随着潮位的涨落而变化,在本模型中考虑了动边界内网格节点的干湿变化。

2.3 计算域网格

本研究计算范围主要为金州湾-普兰店湾海域,计算域范围为39°03'N—39°24'N,121°15'E—121°55'E,项目养殖池围堰拆除工程普兰店湾的东北侧,西邻松木岛杂货码头,模型网格系统采用三角形网格,其计算域网格如图1(a)所示。为了能清楚了解本工程附近海域的潮流状况,工程实施后是否能有效改善该区域附近水动力和生态环境质量,将工程区域附近海域进行了加密,在距工程较远的区域采用较大的网格,工程附近采用较小网格。整个模拟区域内,工程前由17 215个节点和32 194个三角单元组成,工程后由18 657个节点和34 967个三角单元组成,最小空间步长均约为10 m,具体如图1(b)和(c)所示。

图1 研究区域网格图

2.4 纳潮量计算方法

纳潮量是指某一个海域可以受纳潮水的体积,它是评价水域内海水与外海水体交换能力的重要指标,也是衡量水域水体自净的一个关键因子[12-14]。通常情况下,纳潮量计算公式可表达如下:

式中:Q为某一个潮周期内的纳潮量;T1和T2分别为对应一个潮周期的低潮和高潮时刻,U为深度平均流速。

3 水动力模型验证与分析

3.1 模型验证

国家海洋环境监测中心站于2020年对养殖围堰拆除附近海域的水位和潮流进行了现场观测。本次测量共计设置6个测点,见图1(a)。测流时间段为:小潮期间(2020年11月25—26日)和大潮期间(2020年12月1—2日),在每个站点布设海流计进行25小时的连续观测,潮位测点坐标同站位5坐标。图2为大潮期间模拟潮位与实测值的对比,通过对比结果可知,模拟过程中最大潮差为2.97 m,最小潮差为-1.03 m,大潮期间模拟值与实测值最大误差为0.21 m,模拟相位与实测相位差在0~10分钟,模拟误差在允许范围内。图3为大潮期流速、流向计算结果和实测值的对比,从图中可以看出6个测点模拟的流速、流向变化趋势与实测数据大致相同。小潮期的模拟结果精度略高于大潮期的计算精度,为了节省文章篇幅,在本研究中将不再提供。

图2 大潮期间测点5模拟潮位与实测值的对比

图3 大潮期各测点模拟结果和实测值的对比

图4给出了工程前金州湾-普兰店湾海域大潮涨、落急时刻流场,图5给出了普兰店湾中部海域的大潮涨落急流场。涨潮时,外海水体绕过老铁山水道进入金州湾内,沿东北方向进入普兰店湾,金州湾内涨急时刻流向为NE向,普兰店湾内涨潮流向为E向,流向基本与海湾走向一致;落潮时流态则基本相反,普兰店湾内水体顺岸流向金州湾,金州湾内的落潮流以SW向流向渤海湾口,模拟的流场结构和实际潮流运动相符。普兰店湾中部较窄处流速较大,达到1.0 m/s左右,而湾口与湾底则流速稍小,约在0.3~0.6 m/s变化;金州湾内流场自湾口向湾底逐渐减弱,涨落急时刻流速在0.1~0.8 m/s波动。总体而言,该模型可以准确地模拟普兰店湾区域的潮位、流速、流向的变化过程,计算结果合理,可用于研究普兰店湾养殖围堰拆除工程前后复杂的流场变化机制。

图4 工程前金州湾-普兰店湾海域大潮涨、落急时刻流场

图5 工程前围堰拆除附近海域大潮涨、落急时刻潮流场

3.2 养殖围堰拆除后流场特征分析

为进一步了解养殖围堰拆除工程对附近海域潮流场的影响,在该围堰拆除工程附近海域选取了33个代表站点对工程前后的潮流速度进行分析。站点1-17位于工程区附近海域,站点18-25距离工程区较远,站点26~33位于工程区内,各测点位置见图6。在工程区内,养殖围堰拆除前后各站点均在一个潮周期内出现明显的速度变化,其中,站点33在涨潮时出现最大的速度变化,值增量约为0.39 m/s,退潮时该点速度较工程前增大0.26 m/s。对于工程区附近的代表点来说,站点3在涨潮时流速的最大变幅约为0.52 m/s,增量约为工程前流速的46.61%,落潮流时其流速的最大变幅约为0.16 m/s,增量约为工程前流速的31.42%。对于距离工程较远的站点18~25,速度基本未受到工程的影响。在工程区内,各站点的流向变化较大,在工程区附近最大流向变化在24°以内,远离工程区各站点的流向基本不受影响。图7给出了大潮期工程区内站点28和站点31的水深变化过程,其中站点31位于普兰店湾内的中部养殖区,涨潮时最大水深可达4.5 m,退潮时水深约为1.5 m,该部分区域由原来的养殖池塘转化为海湾特征,而站点28(北岸养殖区)在涨潮时最大水深超过1.4 m,落潮时潮滩逐渐干出,该区域呈现明显的潮滩特性。

图6 工程区附近流速比对点布置

图7 工程后大潮期模拟水深的变化

图8给出了普兰店湾中部海域养殖围堰拆除后大潮期涨、落急时刻潮流场矢量图,对于普兰店湾来说,南岸和中部区域围堰的拆除增加了主潮流通道的宽度,工程后湾中深水区域仍为涨落潮的主通道,而北岸养殖区的拆除则主要拓宽海湾面积,随着涨潮水位的上升,水体逐渐漫滩至围堰拆除区域的北侧滩涂,而落潮时水体则流向主潮流通道。工程实施后普兰店湾中部和南部区域的流速也有所增大,尤其在围堰拆除区域,涨、落急时流速增大较为明显,而工程对外侧的金州湾及渤海整体的涨落潮过程基本无影响。

图8 围堰拆除附近海域大潮期涨、落急时刻潮流场

3.3 养殖围堰拆除后的纳潮量分析

本研究以普兰店湾中部海域的岬角作为普兰店湾内湾的湾口断面,针对工程前后的纳潮量变化进行数值分析,具体结果见图9。在养殖围堰拆除前,该海域在大潮期的纳潮量最大为1.001 7亿m3,最小为0.409 9亿m3,平均纳潮量为0.713 9亿m3;在养殖围堰拆除工程后,纳潮量最大为1.087 2亿m3,最小为0.400 2亿m3,平均纳潮量为0.737 8亿m3。由图可以看出,普兰店湾滩涂围堰养殖拆除在一定程度上增加海区水域的过水面积,使湾内的纳潮量增大了8.535%。总体而言,普兰店湾本次拆除工程面积相对较小,对普兰店湾纳潮量影响还十分有限,为进一步提高普兰店湾的水交换能力和绿色生态海岸的恢复,需进一步扩大滩涂养殖池塘的拆除范围,进而全面实现普兰店湾生态海岸的恢复和可持续发展。

图9 普兰店湾中部海域养殖围堰拆除前后纳潮量的对比

4 结论

(1)本研究构建了普兰店湾养殖围堰拆除工程海域的潮流数值模型,模型模拟计算结果与实际观测资料吻合较好,普兰店湾海域受狭长形态影响,湾内涨落潮流向基本为EW向,流向与两侧岸线及深水航道走向基本一致,普兰店湾的中部收窄处流速较大。

(2)潮流数值模拟表明,近岸养殖池围堰拆除区域的局部滩涂流速增大在0.3~0.4 m/s变化。由于拆除工程为顺岸工程,对工程拆除区域距离在1.5 km以内的海域的水动力环境有一定影响,随着与拆除工程距离的增大,影响越来越小,而对金州湾及外海的整体流场基本无影响。

(3)根据围堰拆除后的流场分析可知:拆除区域北岸潮滩涨、落潮时有明显的流体运动,并且在大潮期可实现潮水的周期性全面淹没,小潮期可实现潮水的局部淹没,该区域由原来的封闭养殖池塘转化为具备潮滩功能的滩涂区域,而南岸和中部拆除区域在涨落潮过程中一直处于淹没状态,养殖池特征转化为海湾属性。此外,通过养殖池围堰拆除工程拓宽了普兰店湾中部水域面积,提高了湾内的涨落潮流速,增加了湾内的纳潮量。