盤錦紅海灘國家風景廊道海域潮溝規(guī)劃研究

李忱庚 信 亮 王 良

(1.遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003；2.遼寧匯邦設(shè)計咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 規(guī)劃背景

受長期遼河水流挾沙和淤積演變影響，遼河口形成了大范圍的生態(tài)濕地。由于其獨特的緯度和氣候條件，形成了世界最大的翅堿蓬群落，呈現(xiàn)盤錦紅海灘景觀。近30年來,受自然環(huán)境變化、人為活動尤其是河口開發(fā)建設(shè)等影響，遼河口翅堿蓬濕地面積大幅度衰減，導(dǎo)致濕地萎縮、水環(huán)境被破壞、生物多樣性減少、生態(tài)調(diào)節(jié)能力降低等問題突出，首要表現(xiàn)為翅堿蓬植被逐年退化，紅海灘面積萎縮。

河口濕地作為海陸交匯地帶，受潮汐作用影響，在潮間帶上發(fā)育有尺度不一的潮溝，其海陸相互作用活躍，是潮灘和外海間的物質(zhì)交換通道，對潮水分配、沉積物供應(yīng)、有機物和水體交換起著重要作用。因此，潮溝的分布與形態(tài)對潮灘演變、生態(tài)環(huán)境變化和植被空間分布起著重要作用。根據(jù)近岸海域的潮溝形成機理，使用近海水動力模型對風景廊道海域的天然潮溝進行擴展，可增強區(qū)域的海陸交互作用，延長潮水停留時間，促進翅堿蓬等植被自然恢復(fù)。

2 區(qū)域現(xiàn)狀

盤錦紅海灘國家風景廊道潮灘位于遼東灣遼河口東岸，為典型的半日潮，周期為12.5h。該區(qū)域為狹長形，長約20km，寬度在400～1800m間，見圖1。該區(qū)域分布有大量垂直于岸線且呈現(xiàn)樹枝狀、平行狀等平面形態(tài)結(jié)構(gòu)的潮溝，多集中在潮間帶，因溯源侵蝕可偶爾至潮上帶。由于灘面水動力和泥沙搬運條件發(fā)生改變，潮灘沉積特征和地貌形態(tài)也發(fā)生變化，從而影響潮溝系統(tǒng)發(fā)育帶來的輸水、輸沙、輸鹽功能的改變，最終影響翅堿蓬、蘆葦?shù)戎脖坏姆植寂c擴張。為方便研究，將風景廊道海域自南向北大致分為3個潮溝規(guī)劃區(qū)域，即情人島海域、油田3號站海域和漁業(yè)公司海域，見圖1。

圖1 風景廊道海域潮溝規(guī)劃區(qū)域(A.情人島海域；B油田3號站海域；C.漁業(yè)公司海域)

如圖2所示，情人島海域?qū)掗煟毓纺蟼?cè)有一較大潮溝，其水體主要來自于混江溝。該潮溝南側(cè)為高潮灘，一般潮位下潮水無法到達。在情人島潮灘附近，靠海側(cè)沒有潮溝，潮水主要通過大潮期的高潮位進入該片潮灘。因此，建議將情人島附近海域在南北向進行潮溝規(guī)劃，使海水通過規(guī)劃的潮溝和東西向的大潮溝貫通，加強該區(qū)域的水系交換。

圖2 情人島海域潮溝現(xiàn)狀

如圖3所示，油田3號站附近海域潮溝呈樹狀，基本按東西走向分布，其中3條寬度較大，約5～15m。有2個較大潮溝匯合后一直向東延伸，靠近公路后分汊轉(zhuǎn)向南北，形成南北向潮溝，寬約13m。該潮溝西側(cè)為高潮灘，一般潮位下潮水無法到達。其余東西向潮溝和南北向大潮溝未實現(xiàn)貫通，水系交換受阻。

圖3 油田3號站海域潮溝現(xiàn)狀

如圖4所示，漁業(yè)公司海域潮溝較多，基本按東西走向分布，潮溝寬度為2～4m。一條較大潮溝自西向東延伸靠近公路后向北延伸，寬約8m，其西側(cè)為高潮灘，一般潮位下潮水無法到達。由于該海域東西向潮溝和南北向潮溝沒有貫通，使得潮水被高潮灘隔絕。

圖4 漁業(yè)公司海域潮溝現(xiàn)狀

3 潮溝規(guī)劃與水動力學(xué)驗證

3.1 潮溝規(guī)劃

以情人島海域為例，自西至東規(guī)劃5條潮溝，其中潮溝4為潮溝3的分汊。該海域近海側(cè)有一較寬潮溝，寬度近20.0m，底部高程為0.306m，下游連通混江溝，各規(guī)劃潮溝的下邊界起始點均為該潮溝，將潮水引入潮灘并與既有潮溝相連。各規(guī)劃潮溝采用梯形斷面，底部寬度3.5m，上部寬度4.0～5.0m，底高程與外海開邊界處潮溝地形高程保持一致，為0.3m。潮溝規(guī)劃的平面布置見圖5。

圖5 情人島海域5條潮溝規(guī)劃

3.2 水動力學(xué)驗證原理

采用MIKE 21 FM平面二維自由表面流模型進行水動力學(xué)驗證，模型采用ADI交替方向隱式法進行數(shù)值計算，在得到的穩(wěn)定潮汐流場上補充風應(yīng)力項并加入潮汐邊界條件，進行浪、潮聯(lián)合作用下的數(shù)值模擬，在某一時間步計算耦合水位流速，疊加未擾動水深，進行下一時間步波浪場的數(shù)值模擬，將計算得到的波要素用于計算底應(yīng)力，將底應(yīng)力加入浪、潮耦合計算后，得到新的水位流速，最終得到波、流相互作用下底應(yīng)力影響的浪、潮聯(lián)合作用下的水位和流場?？刂品匠探M如下：

(1)

(2)

(3)

h=η+d

(4)

Tij為應(yīng)力項，包括底部應(yīng)力和風應(yīng)力等。

(5)

(6)

(7)

3.3 規(guī)劃潮溝水動力驗證

為驗證規(guī)劃潮溝對海灘水動力的改善效果，需要對現(xiàn)狀海域海灘和規(guī)劃潮溝實施后的海灘進行水動力驗證對比。

3.3.1 現(xiàn)狀情人島海域潮灘水動力計算

對規(guī)劃前情人島海域的水動力進行計算，該區(qū)域的地形和計算網(wǎng)格見圖6。采用小潮和大潮潮位作為邊界條件，開邊界選取在南側(cè)和東側(cè)的部分區(qū)域。漲潮初期，潮水來自東面和南面方向，此后流向基本不變。如圖7所示，當潮位較小時，在地形較低的區(qū)域有潮水通過，在地形較高的區(qū)域潮水無法到達。在潮灘上，從低潮灘到高潮灘潮流流速逐漸減小。以最高水位作為漲落潮的分界點，受漲潮優(yōu)勢流控制，潮水無法到達情人島西側(cè)的潮灘(高程不小于1.6m)。如圖8所示朔望大潮期的高潮位時，潮水能完全淹沒情人島西側(cè)較高的潮灘，但歷時較短，影響了該區(qū)域鹽水的補充。

圖7 情人島海域流速矢量圖(小潮期)

圖8 情人島海域流速矢量圖(大潮期)

3.3.2 情人島海域規(guī)劃潮溝實施后水動力計算

為精密計算規(guī)劃后潮溝的水體交換過程，對潮溝內(nèi)進行網(wǎng)格加密。首先對規(guī)劃潮溝1、潮溝2進行驗證，計算網(wǎng)格見圖9，小、大潮期漲潮時流場分別見圖10、圖11。

圖9 情人島海域規(guī)劃潮溝1、2計算網(wǎng)格

圖10 情人島海域潮溝1、2流場圖(小潮期漲潮時)

圖11 情人島海域潮溝1、2流場圖(大潮期漲潮時)

計算結(jié)果表明，規(guī)劃潮溝在小潮期可確保潮水進入情人島西側(cè)的潮灘；在大潮期潮位較高時，除潮溝外，潮水還可通過潮灘進入情人島西側(cè)的潮灘，但歷時較短。通過規(guī)劃潮溝1和潮溝2，當潮水潮位高于規(guī)劃潮溝底部高程時，潮水均可以進入該潮灘，增加潮汐進入翅堿蓬濕地的頻率和時間，在某些風力的作用下，可使潮水漫入翅堿蓬濕地區(qū)，保持該潮灘的水鹽平衡。

采用同樣方法，對潮溝3至潮溝5進行驗證。在初始規(guī)劃中采用潮溝4將潮溝3和潮溝5進行東西向連通，使潮溝4能夠同時引入兩側(cè)潮水，通過計算發(fā)現(xiàn)潮水從兩頭進入使水體相向流動流速降低，進而導(dǎo)致潮溝4出現(xiàn)泥沙沉積。因此，將潮溝4作為潮溝3的分汊，采用樹枝狀結(jié)構(gòu)設(shè)計，使低潮時上漲的潮水能夠順利進入該部分潮灘，形成周期性的淹沒。潮溝3至潮溝5大潮期漲潮時流場見圖12。

圖12 情人島海域潮溝3～潮溝5流場圖(大潮期漲潮時)

3.4 其余海域潮溝規(guī)劃與驗證

油田3號站海域和漁業(yè)公司海域潮溝規(guī)劃見圖13、圖14。

圖13 油田3號站海域潮溝6～潮溝8規(guī)劃

圖14 漁業(yè)公司海域潮溝9～潮溝11規(guī)劃

油田3號站海域由南至北分別規(guī)劃潮溝6～潮溝8，其中潮溝6將其相連主潮溝內(nèi)潮水引入北側(cè)潮灘，潮溝7和南北向潮溝貫通，潮溝采用梯形斷面，底寬2.0m，上寬3.5m；潮溝8附近區(qū)域無自然潮溝且控制面積較大，故規(guī)劃潮溝斷面較大，底寬3.5m，上寬5.0m，實施中注重與現(xiàn)狀各小規(guī)模潮溝連接，形成樹狀結(jié)構(gòu)覆蓋潮灘。各規(guī)劃潮溝底部高程與連接的潮溝地形高程保持一致，約-0.1m。

漁業(yè)公司海域規(guī)劃潮溝主要起到貫通東西向和南北向潮溝的作用，使潮水能夠在低潮位期間進入地形較高的潮灘區(qū)域，由南至北分別規(guī)劃潮溝9～潮溝11，各潮溝采用梯形斷面，底寬2.0m，上寬3.0m，底高程和外海開邊界處潮溝地形高程保持一致，為-0.1m。

3.5 工程量估計

各規(guī)劃潮溝長度及挖方量估算見表1，具體設(shè)計時可能隨海域潮灘、潮溝演進變化現(xiàn)狀進行調(diào)整。

表1 規(guī)劃潮溝長度及土方開挖量估算

4 結(jié) 語

盤錦遼河口濕地自然條件獨特，除景觀功能外，濕地上分布的大規(guī)模翅堿蓬、蘆葦植被對該海域潮灘環(huán)境生態(tài)起著重要作用。通過對該區(qū)域潮灘、潮溝進行水動力學(xué)分析，得出隔絕海域水體交換的主要問題，合理規(guī)劃潮溝并進行水動力學(xué)驗證，為了解遼河口濕地紅海灘的水動力特性提供了基礎(chǔ)，為解決濕地萎縮、植被退化問題提供了依據(jù)。

本研究尚存在一些不足，擴展潮溝、增強區(qū)域海陸交互作用、延長潮水停留時間，是促進翅堿蓬等植被自然恢復(fù)的措施，其效果展現(xiàn)過程較慢、恢復(fù)能力較差，下一步應(yīng)當開展人工干預(yù)促進恢復(fù)方面的研究，為嚴重退化的河口濕地恢復(fù)提供技術(shù)支撐。