唐島灣水動力環(huán)境影響預測模擬

趙迎春，劉曉丹，宋 湦

（1．青島環(huán)海海洋工程勘察研究院 青島 266033；2．中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266100）

唐島灣水動力環(huán)境影響預測模擬

趙迎春1，劉曉丹1，宋 湦2

（1．青島環(huán)海海洋工程勘察研究院 青島 266033；2．中國海洋大學海洋地球科學學院 青島 266100）

唐島灣位于青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)行政商務中心與薛家島旅游度假區(qū)之間，屬原生構(gòu)造灣，灣內(nèi)外的水體交換量反映了其環(huán)境自凈能力，對制定環(huán)境整治規(guī)劃、改善灣內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。文章進行了潮流場的數(shù)值模擬、灣內(nèi)外水體交換數(shù)值模擬以及納潮量的計算，并通過2008年唐島灣實測海流資料進行了檢驗，計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合良好，較好地反映出該海域M2分潮潮流場時空分布的基本特征。

唐島灣；數(shù)值模擬；水動力環(huán)境；納潮量

唐島灣位于青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)行政商務中心與薛家島旅游度假區(qū)之間，屬原生構(gòu)造灣，縱深約4．5 km、灣口寬2．3 km。唐島灣兩岬環(huán)抱，灣內(nèi)外水體交換量反映了其環(huán)境污染的自凈能力，對制定環(huán)境整治規(guī)劃、改善灣內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

1 潮流數(shù)值模擬

研究海域為唐島灣和唐島灣外長寬各約5 km的海域。由于灣內(nèi)海域水淺，海水在垂直向上混合比較充分，因此選擇垂向積分的淺水方程組作為潮流預測的控制方程。

1.1 模式基本控制方程

連續(xù)方程：

動量方程：［1］

其中：

ξ為從平均海平面算起的水面高度；

H＝ξ＋H0為水深（H0為從平均海平面算起的水體深度）；

f＝2ωsinψ為科氏系數(shù)（ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，ψ為緯度）；

g＝9．8m／s2為重力加速度；

ε為水流渦動系數(shù)［2］；

c為Chezy系數(shù)；

τsx，τsy為水面的風應力。

1.2 邊界條件與初始條件

1.2.1 邊界條件

在閉邊界處法向流速為零。即，→n．u?＝0，n?是閉邊界法向向量；

開邊界處輸入潮波：

其中：σi是第i個分潮的角速度 （共取4個分潮：M2、S2、O1、K1）；fi、θi是第i個分潮的交點因子和遲角訂正；Hi和Gi是調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角；Vi是分潮的時角 （東八區(qū)）。

1.2.2 動邊界的處理

唐島灣海域灘涂廣闊，水深較淺，坡降小于1‰，隨潮水漲落水面面積變化顯著，因此在進行數(shù)值模擬時做動邊界處理［3］，即在每一計算步檢查計算周圍點是否被淹沒或干出來確定水－陸邊界的位置。選定一標準水深H0（通常H0＝0．1～0．3 m），當在某一時刻某一網(wǎng)格結(jié)點的實際水深H≤H0時，則認為該結(jié)點干出，并將其水位儲存；當在某一時刻某一干出點濾波后的水位值小于保留值時，則該點仍處于干出狀態(tài)，不予計算；大于保留值并且H＞H0時，說明該點已淹沒，重新參加計算對于有可能出現(xiàn)干出和淹沒的網(wǎng)格結(jié)點，要每隔一時間步長均進行干出與淹沒的判斷。

1.2.3 初始條件［4］1.3 模擬區(qū)域及計算參數(shù)［5］

流場的數(shù)值模擬采用前一個計算域計算的結(jié)果，為后一個計算域提供邊界條件。第一個范圍為渤海、黃海和東海，模擬范圍為24°20′N—41°10′N、117°20′E—130°10′E，網(wǎng)格距為1／12經(jīng)緯度，開邊界的水位邊界條件參照日本海上保安廳1984年出版的調(diào)和常數(shù)表和渤黃東海水文圖集（水文1993）得出，時間步長外模態(tài)為10 s，內(nèi)模態(tài)為120 s；第二個范圍為唐島灣附近海域，模擬范圍為35°43′15″N—35°58′36″N、120°0′32″E—120°18′16″E，網(wǎng)格距為1／1 200經(jīng)緯度，采用POM二維模式，時間步長0．8 s。

1.4 潮流的模擬結(jié)果

1.4.1 潮流的模擬結(jié)果檢驗

根據(jù)2008年7月5－6日和7月10－11日國家海洋局北海海洋工程勘察研究院對唐島灣內(nèi)及灣口外的4個測流點 （圖1）進行的表、中、底層連續(xù)25 h的周日海流觀測，利用上述模式進行潮流場數(shù)值模擬。01站大潮期流向、流速模擬計算值與實測值的比較如圖2所示。從圖2中可以看出兩者變化基本一致、吻合較好，這說明該計算模式能較好地再現(xiàn)該海區(qū)的實際潮流狀況。

圖1 海流信息站位

圖2 01站大潮期流向流速實測值 （——）與計算值 （┄┄）比較 （a為流向；b為流速）

1.4.2 潮流的模擬結(jié)果分析

我們模擬了潮流場在一個潮周期內(nèi)潮流場分布狀況，并由此可知：唐島灣海域的潮流為正規(guī)半日潮流，潮流運動形式主要為往復流，灣外漲潮流方向主要為NW—SW向，落潮流方向主要為SE—NE向；灣內(nèi)漲潮流方向主要為N—NE向，落潮流方向主要為S—SW向；高潮后1 h左右轉(zhuǎn)為落潮流，落潮中間時落潮流最大，最大落潮流速為72 cm／s，出現(xiàn)在灣口附近；低潮后1 h左右轉(zhuǎn)為漲潮流，漲潮中間時漲潮流最大，最大漲潮流速為70 cm／s，同樣出現(xiàn)在灣口附近。漲落潮中間時刻潮流場如圖3和圖4所示。

1.4.3 歐拉余流場的模擬結(jié)果［6］

模擬海域歐拉余流場分布狀況如圖5所示。從圖5可以看出：整個模擬海域的歐拉余流不大，均小于2 cm／s，灣內(nèi)的歐拉余流方向基本指向灣口，由于受到灣中部及灣口地形的影響，牛島附近的歐拉余流大于灣口的歐拉余流，灣口的歐拉余流基本為0 cm／s。灣外在劉家島東側(cè)海域形成了一個逆時針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流，灣內(nèi)沒有形成明顯的余流渦。

圖3 模擬海域漲潮中間時潮流場

圖4 模擬海域落潮中間時潮流場

圖5 模擬海域歐拉余流場

2 納潮量的計算

納潮量計算海域取整個唐島灣 （圖1）。經(jīng)潮汐模式計算：大潮期灣內(nèi)總納潮量為3 654．22萬m3；中潮期灣內(nèi)總納潮量為3 285．55萬m3；小潮期灣內(nèi)總納潮量為2 647．10萬m3。

3 唐島灣水體交換數(shù)值模擬

3.1 水體交換數(shù)值模式

以溶解態(tài)的保守物質(zhì)為灣內(nèi)的示蹤劑，建立一種對流—擴散型的海灣水交換數(shù)值模型。濃度對流、擴散方程表示［1］：

式中：C為示蹤劑濃度；kx、ky為水平紊流擴散系數(shù)。

邊界條件：

流入邊界清潔水滿足C（x，y，k，t）＝0

在建立二維潮流以及濃度對流擴散數(shù)值模型以后，給定的灣內(nèi)示蹤劑的初始濃度假定為c（t0）。對于給定的某一分界線，假設(shè)在水體交換模式運行之前，需要計算水體交換率的海域均含有濃度值為c（t0）的溶解態(tài)保守性示蹤劑，而界線外的新鮮海水不含有這種物質(zhì) （即濃度為零），數(shù)學模型中水邊界入流時給定這種物質(zhì)在開邊界的濃度為零。灣內(nèi)水在不同時刻被外海水置換的比率R（x，y，t），通過灣內(nèi)示蹤劑的濃度計算：

相應余留在原位置未置換的水體比率為：

3.2 水體交換數(shù)值模擬結(jié)果

我們自灣頂至灣口依次選擇了6個點（圖1），輸出的水體交換率隨時間變化。自灣頂至灣口水體交換能力逐漸增強，且隨時間的增加水體交換率增大或被置換的海水增多。灣頂A點30 d后水體置換率僅72．81%（表1）。

表1 各輸出點水體交換率*%

4 唐島灣海域水動力研究［7］結(jié)論

唐島灣海域的潮流為正規(guī)半日潮流，潮流運動形式主要為往復流，漲潮流大于落潮流；灣外漲潮流方向主要為NW—SW向，落潮流方向主要為SE—NE向。灣內(nèi)漲潮流方向主要為N—NE向，落潮流方向主要為S—SW向；灣口以北的區(qū)域被牛島分成兩部分，牛島以東的水域面積較大，其東側(cè)的狹窄水道造成潮流急流，牛島以西的水域面積較小，地勢較緩，為潮流的弱流區(qū)。

唐島灣內(nèi)的歐拉余流方向基本均指向灣口，牛島附近的歐拉余流大于灣口和灣底的歐拉余流，但是由于整個模擬海域的歐拉余流不大，均小于2 cm／s，灣口的歐拉余流基本為0 cm／s。

水交換模擬結(jié)果顯示，自灣頂至灣口水體交換能力逐漸增強，灣頂A點30 d后僅有約73%的水體被置換；而灣口的F點交換5 d后就有92．58%的水體被置換。因此排入唐島灣的污染物至少經(jīng)過約一個月的時間，才能恢復到排放前的水平。造成唐島灣水交換周期變化較大的原因是狹灣內(nèi)、外水交換控制機制的區(qū)域性變換較大，灣口相對灣內(nèi)是強流區(qū)，最大落潮流速為72 cm／s，最大漲潮流速為70 cm／s，灣口水體與口外新鮮海水平流混合和潮彌散較強烈，水交換速度較快。灣內(nèi)地勢較緩，尤其是牛島附近海域為弱流區(qū)，灣內(nèi)水域橫向尺度較小，雖然重力環(huán)流和潮振蕩在水體的縱向彌散中作用顯著，但是水體在隨潮流的往復運動中縱向混合無法充分開展，潮混合能力較狹灣外小得多，因此灣內(nèi)的水交換周期比狹灣外長得多，水交換速度很慢。

總之，唐島灣因水淺灘寬、灣口狹窄，形成灣中部及灣頂潮流流速弱，以往復流為主，整個海灣余流流速小，進而導致水交換時間長、與灣外交換能力弱、污染物的遷移輸運慢、水域的自凈能力弱。因此，污染物入海后主要不是依靠潮流引起的輸運過程，而是依靠徑流和混合擴散等過程。

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