灣口建閘海灣水體交換及景觀水位數(shù)值模擬

佘小建，崔 崢

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

20世紀(jì)50—70年代，我國(guó)沿海進(jìn)行了大量的圍填海工程，促進(jìn)了漁業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展，但也帶來(lái)了生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。近年，為了改善生態(tài)環(huán)境以及為滿足城市發(fā)展建設(shè)需要，部分沿海城市提出了退圍還海工程。拆除海堤恢復(fù)海灣，但海堤拆除后大幅度的潮位變動(dòng)對(duì)近岸景觀和親水性會(huì)產(chǎn)生較大影響，為此有的在灣口建閘控制灣內(nèi)潮位變動(dòng)，通過(guò)設(shè)置景觀水位改善以上問(wèn)題，但這將帶來(lái)了灣內(nèi)的水動(dòng)力及水體交換條件下降。如何設(shè)置合適的景觀水位，同時(shí)又要保證灣內(nèi)一定的水動(dòng)力及水體交換條件是一個(gè)新的研究課題。

余明勇等(2015)提出了城市湖泊景觀水位的概念，認(rèn)為主要從視覺(jué)上對(duì)城市景觀起美化作用，定義為將城市湖泊形態(tài)、水面面積維持在一定幅度并與湖泊水景觀功能區(qū)劃相適應(yīng)所需的湖泊水位[1]。李旭東等(2015)從河岸帶的景觀功能需求出發(fā)，考慮通航及取水等河道管理基本目標(biāo)，提出了結(jié)合戰(zhàn)略點(diǎn)識(shí)別及模糊隸屬度評(píng)價(jià)的河道生態(tài)水位定值方法[2]。阮洲等(2018)從深入探討城市湖泊景觀與防洪的協(xié)調(diào)關(guān)系，原則提出動(dòng)態(tài)及靜態(tài)景觀水位方案[3]。廈門東西溪下游為感潮河段，張青(2014)通過(guò)水量平衡分析提出廈門市東西溪城區(qū)河道近遠(yuǎn)期維持景觀水位調(diào)配思路[4]。吳壽榮(2011)分析指出廣州河涌用人工操控涌?jī)?nèi)景觀水位不僅可以有利防治污水，還可幫助調(diào)控城市氣溫和相對(duì)濕度，營(yíng)造較好景觀和水環(huán)境，提高防洪能力改善排水條件，但均沒(méi)有做深入的研究[5]。目前對(duì)景觀水位的研究主要集中在河流和湖泊，對(duì)海灣景觀水位的研究鮮有報(bào)道。本研究以廈門馬鑾灣為例，從水動(dòng)力及水體交換角度對(duì)馬鑾灣景觀水位進(jìn)行了研究，研究方法和成果可供類似海灣景觀水位設(shè)置及水體交換研究借鑒。

廈門位于臺(tái)灣海峽中部，為島嶼城市。馬鑾灣位于廈門西海域西北部。為適應(yīng)廈門城市發(fā)展，馬鑾灣片區(qū)將建成馬鑾灣新城，形成城市的副中心，同時(shí)馬鑾灣海堤打開(kāi)，增加水域面積6.1 km2，灣口建有9孔擋潮閘，馬鑾灣規(guī)劃水域布置見(jiàn)圖1。廈門海域潮差大，平均潮差約4 m，大潮潮差超過(guò)5.3 m[6]，大幅度的潮位變動(dòng)對(duì)近岸景觀和親水性有較大影響，為此考慮在馬鑾灣內(nèi)設(shè)置景觀水位，通過(guò)閘門控制正常條件下馬鑾灣內(nèi)的最低水位，以改善景觀。景觀水位的設(shè)置減小了灣內(nèi)潮差，會(huì)影響到灣內(nèi)的水動(dòng)力及水體交換條件，為此需開(kāi)展潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，從水動(dòng)力及水體交換角度給出景觀水位的建議[7]。

1 平面二維潮流數(shù)學(xué)模型與條件

1.1 基本方程

① 連續(xù)方程：

圖1 馬鑾灣規(guī)劃方案水域布置Fig.1 Layout of the planned water area for Maluan Bay

②運(yùn)動(dòng)方程：

③對(duì)流、擴(kuò)散輸移方程：

式(4)中： C為污染物濃度；H為總水深(m)；Dx、Dy分別為沿x、y軸向的水平渦動(dòng)分散系數(shù)。

1.2 模型范圍和網(wǎng)格

數(shù)模范圍：根據(jù)研究?jī)?nèi)容要求，模型涵蓋整個(gè)廈門灣和圍頭灣等海域，模型涵蓋水域面積約1 500km2。采用有限體積法求解數(shù)學(xué)模型，模型計(jì)算區(qū)域離散采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，研究區(qū)域內(nèi)平均網(wǎng)格尺度約70m，最小網(wǎng)格尺度為10m。模型范圍和網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

1.3 邊界控制及主要計(jì)算參數(shù)

① 模型邊界控制。模型閉邊界采用干濕判別的動(dòng)邊界，模型開(kāi)邊界采用潮位控制，開(kāi)邊界為廈門灣流會(huì)—圍頭角連線，開(kāi)邊界的潮位過(guò)程由后石和圍頭實(shí)測(cè)資料提供，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。②主要計(jì)算參數(shù)。模型糙率為0.015～0.030，模型最小計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)0.01s。

1.4 模型驗(yàn)證

選擇2014年10月在廈門東西海域開(kāi)展的一次大、小潮水文觀測(cè)資料為潮流數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證資料，水文測(cè)驗(yàn)設(shè)置了5個(gè)潮位站和9個(gè)垂線測(cè)站(圖3)。

圖4、5為大潮驗(yàn)證結(jié)果。受高集海堤開(kāi)口施工影響，除6、7站流速驗(yàn)證結(jié)果稍有偏差外，潮位及其他測(cè)站流速、流向驗(yàn)證結(jié)果良好。

1.5 研究思路

從景觀及親水性看，灣內(nèi)潮差應(yīng)盡量小，即景觀水位應(yīng)適當(dāng)高些，但水位太高會(huì)影響到灣內(nèi)水動(dòng)力和水體交換，因此需要設(shè)法尋找合適的平衡點(diǎn)，在滿足水動(dòng)力和水體交換條件下盡量抬高景觀水位。馬鑾灣的規(guī)劃布置已基本確定，因此主要通過(guò)馬鑾灣口門的9孔閘門調(diào)度來(lái)平衡灣內(nèi)水動(dòng)力、水體交換與景觀水位的關(guān)系。在前期研究中未考慮在馬鑾灣內(nèi)設(shè)置景觀水位，水閘的設(shè)置主要從防洪擋潮及滿足水體交換等角度考慮，正常條件下閘門是全部打開(kāi)的，灣內(nèi)外潮位基本一致。因此景觀水位的設(shè)置需基本保證灣內(nèi)水體交換條件與原閘門全開(kāi)條件相當(dāng)。本研究思路主要是通過(guò)閘門調(diào)度來(lái)提高水體交換效率，保證灣內(nèi)的水體交換條件，具體研究過(guò)程如下：①計(jì)算不同開(kāi)閘孔數(shù)對(duì)水體交換的影響，探尋開(kāi)閘孔數(shù)與水體交換條件間的關(guān)系；②研究不同位置閘孔開(kāi)閘對(duì)水體交換的影響，確定最佳開(kāi)閘位置；③研究水閘調(diào)度對(duì)水體交換影響，確定水閘運(yùn)行方式；④在確定的較優(yōu)水閘運(yùn)行方式基礎(chǔ)上計(jì)算灣內(nèi)不同控制水位對(duì)水體交換和納潮量的影響；⑤根據(jù)以上計(jì)算成果分析建議合適的景觀水位，同時(shí)建議開(kāi)閘位置及開(kāi)閘孔數(shù)等閘門調(diào)度運(yùn)行方式。

圖2 廈門海域數(shù)學(xué)模型范圍及計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Mathematical model scope and calculation grid of Xiamen Bay

圖3 2014年10月廈門灣海域水文測(cè)站布置Fig.3 Layout of hydrological stations in Xiamen Bay in October 2014

圖4 廈門灣海域大潮潮位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 Test results of tide levels during the spring tide of Xiamen Bay

圖5 廈門灣海域大潮測(cè)點(diǎn)流速、流向驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Test results of velocity and flow directions during the spring tide of Xiamen Bay

1.6 計(jì)算條件

馬鑾海堤開(kāi)口改造工程于2014年基本完成，在海堤中部向北偏約95m建成一座9孔擋潮閘，閘底坎高度為-5.24m。每閘孔凈寬24m，總凈寬216m。馬鑾灣水域清淤疏浚至-4.24m。

水交換的研究有拉格朗日方法和歐拉方法，本研究采用歐拉方法研究保守物質(zhì)的稀釋和擴(kuò)散規(guī)律，可以合理的反映海水中污染物擴(kuò)散過(guò)程。在計(jì)算污染物擴(kuò)散時(shí)，馬鑾灣內(nèi)保守污染物的濃度設(shè)置為1，灣外濃度全部設(shè)置為0。數(shù)模計(jì)算采用2014年10月大潮作為計(jì)算潮型，部分工況進(jìn)行了中潮潮型的計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 開(kāi)閘孔數(shù)對(duì)水體交換的影響

在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，開(kāi)不同閘孔數(shù)對(duì)水體交換有一定影響，初期有關(guān)部門考慮馬鑾灣內(nèi)景觀水位為0.5m(85高程，下同)，為此這里以0.5m控制水位為例進(jìn)行計(jì)算分析。為便于分析比較，開(kāi)閘位置位于水閘的中間段，中9為9孔水閘全打開(kāi)，中7孔就是最南側(cè)和最北側(cè)各關(guān)1孔，開(kāi)中間7孔，其他以此類推。

由表1和圖6可以看出，開(kāi)閘孔數(shù)由9孔減少到2孔，全灣平均相對(duì)濃度為由大變小再增大的變化過(guò)程，開(kāi)3孔時(shí)濃度最低，也就是水體交換條件最好。分析認(rèn)為，主要是開(kāi)閘孔數(shù)減少后口門流速增大，灣外水體進(jìn)入灣內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)，有利于與灣內(nèi)水體摻混；但開(kāi)孔數(shù)太少會(huì)影響過(guò)水量，水體交換量減小，從而影響水體交換條件。由圖6也可以看出，開(kāi)閘孔減少低濃度區(qū)變得狹長(zhǎng)，即灣外水流向?yàn)硟?nèi)輸送更遠(yuǎn)，可以明顯改善灣頂水域水體交換條件。圖7為馬鑾灣內(nèi)分區(qū)示意圖。

表1 不同開(kāi)閘孔數(shù)條件下馬鑾灣內(nèi)各統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)第5天污染物相對(duì)濃度平均值Tab.1 Average relative concentrations of pollutants on the 5th day in each evaluated area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

注：中5-0.5即開(kāi)中間5孔閘，景觀水位0.5 m；不特別說(shuō)明即為大潮計(jì)算結(jié)果。

圖6 不同開(kāi)閘孔數(shù)條件下馬鑾灣內(nèi)第5天相對(duì)污染物平均濃度分布Fig.6 Average relative concentrations of pollutant distribution on the 5th day in Maluan Bay with different numbers of gate openings

圖7 馬鑾灣內(nèi)分區(qū)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the area partition in Maluan Bay

由表2、圖8、9可以看出，灣內(nèi)流速由口門向?yàn)稠斨饾u小，口門區(qū)流速隨開(kāi)閘孔數(shù)減少而增大，灣頂區(qū)域流速隨孔數(shù)減少先增大又減小，此外，除不控制水位的P8E外，中3工況平均流速最大。由此也可以看出灣內(nèi)水體交換條件與灣內(nèi)流速分布關(guān)系密切。

開(kāi)閘孔數(shù)越少口門流速越大，從安全角度分析開(kāi)閘孔數(shù)不宜少于4孔，因此以下在大潮計(jì)算時(shí)主要考慮開(kāi)5孔閘，中潮計(jì)算時(shí)主要考慮開(kāi)4孔閘。

圖8 不同開(kāi)閘孔數(shù)條件下各區(qū)域平均流速分布Fig.8 Average velocity distribution in each area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

圖9 中5-0.5工況馬鑾灣海域全潮平均流速分布Fig.9 Average velocity distribution during the whole tide cycle in Maluan Bay under working condition of Middle 5-0.5

2.2 不同開(kāi)閘位置對(duì)水體交換的影響

分別考慮了開(kāi)北側(cè)5孔、中間5孔和南側(cè)5孔的工況，從計(jì)算結(jié)果看(表3)，開(kāi)北側(cè)5孔工況的水體交換條件相對(duì)較優(yōu)。漲潮時(shí)水流偏北岸，在灣內(nèi)形成大的環(huán)流有利水體交換。

表3 不同開(kāi)閘位置條件下馬鑾灣內(nèi)各統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)第5天保守物質(zhì)相對(duì)濃度平均值Tab.3 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area of Maluan Bay with different gate opening positions

2.3 水閘調(diào)度對(duì)水體交換的影響

前面計(jì)算了進(jìn)出水閘為同一位置的工況，考慮到是否能改善水體交換條件，我們進(jìn)行了進(jìn)水與出水閘錯(cuò)開(kāi)的工況，即漲潮時(shí)北側(cè)5孔進(jìn)水，落潮時(shí)南側(cè)4孔出水，或漲潮時(shí)南側(cè)5孔進(jìn)水，落潮時(shí)北側(cè)4孔出水，研究錯(cuò)開(kāi)開(kāi)關(guān)閘對(duì)水體交換的影響。計(jì)算表明(表4)，南、北錯(cuò)開(kāi)開(kāi)閘水體交換條件不及北5進(jìn)北5出工況，錯(cuò)開(kāi)開(kāi)關(guān)閘的運(yùn)行方式?jīng)]有優(yōu)勢(shì)，因此采用北進(jìn)北出的運(yùn)行方式較優(yōu)。

表4 水閘調(diào)度條件下馬鑾灣內(nèi)各統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)第5天保守物質(zhì)相對(duì)濃度平均值Tab.4 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area under sluice dispatch conditions in Maluan Bay

2.4 不同景觀水位的計(jì)算

前面計(jì)算分析了開(kāi)閘孔數(shù)及開(kāi)閘位置對(duì)水體交換的影響，這里根據(jù)前面研究確定的較優(yōu)閘門運(yùn)行方式，進(jìn)一步研究不同景觀水位條件下馬鑾灣的水體交換情況及納潮量的變化。

計(jì)算結(jié)果表明(表5)，開(kāi)北側(cè)5孔，控制水位0.0 m時(shí)，馬鑾灣納潮量2 024萬(wàn)m3，滿足納潮量要求，水體交換條件稍差于原全開(kāi)工況，初步確定景觀水位為0.0 m，下一步對(duì)水閘運(yùn)行方式作進(jìn)一步優(yōu)化，以增強(qiáng)水體交換能力。

表5 不同景觀水位條件下馬鑾灣內(nèi)各統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)第5天保守物質(zhì)相對(duì)濃度平均值Tab.5 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different landscape water levels in Maluan Bay

2.5 晝夜不同控制水位計(jì)算

為保證白天的景觀水位要求，同時(shí)又要增強(qiáng)馬鑾灣的水體交換能力，為此考慮晝夜不同控制水位的運(yùn)行方式，即從景觀考慮白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制最低水位，以便盡量排出馬鑾灣內(nèi)水體，增大水體交換量，增強(qiáng)自凈能力，因此計(jì)算模式為：白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位。

圖10為晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內(nèi)第5天平均相對(duì)濃度分布。表6、7為大潮和中潮水體交換計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明，通過(guò)閘門調(diào)度可以保證馬鑾灣較好的水體交換條件，交換條件稍好于原全開(kāi)工況。為此建議馬鑾灣景觀水位設(shè)置為0.0 m，水閘運(yùn)行模式為：白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期開(kāi)北側(cè)5孔閘，中小潮期開(kāi)北側(cè)4孔閘。

圖10 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內(nèi)第5天平均相對(duì)濃度分布Fig.10 Average relative concentration distribution on the 5th day with different control water levels at daytime and night in Maluan Bay

表6 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內(nèi)各區(qū)第5天保守物質(zhì)相對(duì)濃度平均值(大潮)

Tab.6 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different control water levels at daytime and night during the spring tide in Maluan Bay

方案編號(hào)相對(duì)濃度平均值全灣第1區(qū)第2區(qū)第3區(qū)第4區(qū)第5區(qū)第6區(qū)全開(kāi)不控制水位0.360.540.390.450.330.320.28北6孔-0.0-晝夜0.38 0.66 0.47 0.43 0.34 0.31 0.27 北5孔-0.0-晝夜0.35 0.56 0.43 0.39 0.31 0.28 0.25 北4孔-0.0-晝夜0.32 0.47 0.39 0.36 0.29 0.27 0.24

表7 晝夜不同控制水位條件下馬鑾灣內(nèi)各區(qū)第5天保守物質(zhì)相對(duì)濃度平均值(中潮)Tab.7 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each statistical area with different control water levels at daytime and night during the middle tide in Maluan Bay

3 結(jié)論

廈門海域大潮潮差超過(guò)5.3 m，大幅度的潮位變動(dòng)對(duì)近岸景觀和親水性有較大影響，為此擬在馬鑾灣內(nèi)設(shè)置景觀水位。本研究通過(guò)潮流數(shù)學(xué)模型模擬，研究了灣口開(kāi)閘孔數(shù)、開(kāi)閘位置及不同景觀水位與灣內(nèi)水動(dòng)力和水體交換的關(guān)系，對(duì)馬鑾灣景觀水位和閘門調(diào)度方式提出了建議，主要結(jié)論如下：

(1)適當(dāng)減少開(kāi)閘孔數(shù)量可以增大口門流速，水體向?yàn)硟?nèi)輸送更遠(yuǎn)，有利灣內(nèi)水體摻混，加快灣內(nèi)水體交換速度。

(2)開(kāi)北側(cè)孔閘，進(jìn)灣水流偏向一側(cè)時(shí)，在灣內(nèi)形成環(huán)流，有利水體交換。

(3)從水動(dòng)力和水體交換角度建議馬鑾灣景觀水位為0.0 m，可采用白天控制水位為0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期開(kāi)北側(cè)5孔閘，中小潮期開(kāi)北4孔閘的水閘運(yùn)行方式。最終景觀水位的確定還需綜合考慮景觀、投資、水生態(tài)等其他因素。

(4)通過(guò)閘門調(diào)度可以提高灣內(nèi)水體交換效率，在水體交換條件下給出了景觀水位的建議，研究方法和成果對(duì)類似海灣景觀水位的設(shè)置有參考價(jià)值。