萬(wàn)艷
(福建省水產(chǎn)設(shè)計(jì)院,福建 福州 350003)
由于半封閉海灣的水體滯留時(shí)間較長(zhǎng),水交換和凈化能力較弱,人類(lèi)活動(dòng)頻繁,大部分海灣出現(xiàn)了嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化、水質(zhì)惡化和生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題。盡管許多國(guó)家和地方政府已經(jīng)開(kāi)展了相應(yīng)的環(huán)保行動(dòng),但評(píng)估其對(duì)水環(huán)境變化的有效性需要長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)支持[1]。
從不同角度可以對(duì)海水交換率進(jìn)行不同定義。PARKER等[2]定義了漲潮時(shí)流入灣內(nèi)的海水中含第一次進(jìn)入灣內(nèi)的外海水的比率為海水交換率。柏井誠(chéng)[3]則從流出考慮,即落潮時(shí)流出水含第一次流出灣外的灣內(nèi)水的比率為海水交換率。早期人們通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算海水交換率。近年來(lái)由于數(shù)值計(jì)算的興起,帶動(dòng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)一些海灣作了潮流和污染物擴(kuò)散過(guò)程的數(shù)值模擬,研究方法主要包括箱式模型、標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)數(shù)值跟蹤法、對(duì)流-擴(kuò)散水交換模型和三維潮流場(chǎng)及物質(zhì)輸送模型等。潘偉然[4]利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù),采用單箱模型和二維數(shù)值模型分別計(jì)算了湄洲灣海水的平均交換率、平均半更換期和各區(qū)段海水的半更換期;LIN等[5]利用二維淺水動(dòng)力有限元模式(Shallow water Hydrodynamic Finite Element Model,SHYFEM)計(jì)算了三沙灣的海水交換率;YUAN等[6]利用有限體積海岸海洋模式(Finite-Volume Coastal Ocean Model,F(xiàn)VCOM)計(jì)算了土地復(fù)墾和跨灣大橋建設(shè)等人為干預(yù)行為如何影響膠州灣的水交換能力,結(jié)果表明土地復(fù)墾會(huì)顯著增加灣內(nèi)水的停留時(shí)間,而跨灣大橋建設(shè)對(duì)水交換能力的影響十分有限。
不同海域的流場(chǎng)、地形和邊界條件的差異,導(dǎo)致不同海域水交換能力不同。福建東山八尺門(mén)海堤的建成,切斷了東山灣和詔安灣之間的水體交換,使海灣水體交換受阻,淤積嚴(yán)重,加上各類(lèi)污染物的排放,使八尺門(mén)及其兩側(cè)水域的水環(huán)境惡化,嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活。八尺門(mén)海堤的打通,能否使東山灣和詔安灣的海水互相暢通,加快東山灣的水體交換頻率?使用數(shù)值模擬評(píng)估八尺門(mén)海堤開(kāi)口后對(duì)周?chē)S蛩畡?dòng)力和沖淤的影響是評(píng)判八尺門(mén)海堤是否應(yīng)開(kāi)口的前期研究工作之一。
東山灣是我國(guó)東南沿海一個(gè)典型的亞熱帶潮汐河口灣,水域面積為230 km2,大部分海域的水深小于5 m,灣口處東門(mén)嶼附近海域的水深達(dá)到或超過(guò)15 m[7]。灣內(nèi)入海河流主要為漳江,流域面積為820 km2,是東山灣泥沙的主要來(lái)源[8]。東山歷年平均風(fēng)速為7.1 m/s,冬季以東北風(fēng)為主,夏季以西南風(fēng)為主,最大風(fēng)速達(dá)40 m/s。詔安灣水域面積為153 km2,與東山灣僅隔一座八尺門(mén)海堤,2/3海域的水深小于5 m,灣口水深為5~10 m[9]。前人通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬等方式對(duì)東山灣進(jìn)行了研究。鄭斌鑫等[10]獲得了東山灣深槽潮流和余流特征,漲潮流速最大可達(dá)0.83 m/s,落潮流速最大可達(dá)1.52 m/s,表層余流朝向?yàn)晨冢讓佑嗔鞒驗(yàn)稠敗@钫裨频萚11]利用位于東山灣及附近海域5個(gè)潮位觀測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了東山灣的潮汐性質(zhì),結(jié)果表明,東山灣為正規(guī)半日潮,最大潮差為4.32 m。秦曉等[12]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了東山灣的自凈能力,結(jié)果表明,東山灣大潮和小潮的半交換周期分別為8.13 d和13.0 d,灣口水交換能力最強(qiáng)且向?yàn)稠斨饾u變?nèi)?。梁群峰等[8]結(jié)合東山灣的海圖和實(shí)測(cè)水深資料,分析了東山灣內(nèi)近50 a的海底沖淤變化特征。
區(qū)域海洋模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)[13]近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于海灣、近岸及大洋等區(qū)域的研究。此前,郭民權(quán)等[14]通過(guò)ROMS建立了九龍江河口的泥沙輸運(yùn)模型,很好地模擬了洪水期間九龍江河口的泥沙沖淤變化;張世民等[15]利用ROMS模擬并預(yù)測(cè)了東碇傾倒區(qū)疏浚懸沙輸移規(guī)律及海床沖淤變化;邢傳璽等[16]利用ROMS建立了普蘭店灣的潮流模型,并計(jì)算了普蘭店灣的水交換時(shí)間。
本文通過(guò)ROMS模式分析了八尺門(mén)開(kāi)口前后的水動(dòng)力環(huán)境和泥沙沖淤變化情況,模式方案選擇海堤開(kāi)口423 m且在海堤附近疏浚1.39 km2。本文主要對(duì)水域的流速、流態(tài)、余流、海水半交換周期和泥沙沖淤的變化進(jìn)行對(duì)比分析,探究八尺門(mén)海堤對(duì)東山灣和詔安灣的水動(dòng)力和泥沙沖淤的影響。
本文采用的ROMS模型由美國(guó)羅格斯大學(xué)海洋與海岸科學(xué)研究所和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校共同研發(fā)。該模型使用海洋原始方程模型進(jìn)行并行計(jì)算,在近年的海洋科學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。模型在水平方向上采用曲線正交的坐標(biāo)系,垂向上采用地形跟隨的S坐標(biāo)[17],在淺海和復(fù)雜地形區(qū)域有更密集的垂直分層,能較好地模擬不規(guī)則的大陸架地形。此外,ROMS內(nèi)含生態(tài)、海冰、泥沙和波浪等模塊,可將多模塊結(jié)合用于海洋的預(yù)報(bào)[18]。
ROMS模式可以定義粘性和非粘性兩種類(lèi)型的泥沙,通過(guò)泥沙的中值粒徑、密度和沉降速率等參數(shù)可以區(qū)分砂、粉砂和粘土等多種泥沙種類(lèi)。模式還需要初始化河床底沙的特性,包括底沙的層數(shù)、每層的厚度、空隙度以及各種泥沙的分配比例[19]。
ROMS中的懸沙輸運(yùn)模塊可以表示為:
式中:u、v和Ω分別表示水平方向(x和y)和垂直方向(s)某一層的流速,x、y是水平坐標(biāo)系,s是垂向地形擬合坐標(biāo);Hz是計(jì)算層的厚度;------c′w′表示湍流擴(kuò)散引起的泥沙在垂向上的平均通量;vθ表示背景泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù),取5×10-6m2/s;C代表泥沙濃度,Csource,m表示泥沙的源匯項(xiàng)。對(duì)于懸沙,需要考慮懸沙的沉降過(guò)程(匯)以及河床泥沙的再懸浮過(guò)程(源),源匯項(xiàng)表示為:
式中:ws,m表示泥沙的沉降速度;Es,m表示底部的侵蝕通量;m表示不同的泥沙種類(lèi)。侵蝕通量通過(guò)ARIATHURAI等[20]的參數(shù)化方法實(shí)現(xiàn),即:
式中:E0,m是河床侵蝕強(qiáng)度(單位:kg/(m2·s));φ是表層泥沙的孔隙度;τsf和τce,m分別表示床面剪切應(yīng)力和臨界侵蝕應(yīng)力。模型同時(shí)考慮了泥沙濃度對(duì)水動(dòng)力的影響,考慮泥沙濃度后的水體密度為:
式中:ρwater表示水體的密度,它是溫度、鹽度和壓強(qiáng)的函數(shù);Nsed表示所定義的泥沙種類(lèi);ρs,m和Cm分別表示第m種泥沙的密度和濃度。
本文的計(jì)算區(qū)域?yàn)楦=ㄊ≡t安灣、東山灣及相鄰海域(23.39°~24.03°N,117.09°~117.83°E,見(jiàn)圖1),網(wǎng)格數(shù)為1 200×1 200。本次計(jì)算采用曲線正并網(wǎng)格,模型在各海域的水平分辨率不一,八尺門(mén)海堤附近約為30 m,東山灣和詔安灣海域約為60 m,外海約為80 m。模型垂向分20層。表層風(fēng)應(yīng)力、短波輻射和蒸發(fā)降雨等驅(qū)動(dòng)場(chǎng)由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)大氣再分析產(chǎn)品的6 h間隔數(shù)據(jù)插值得到,初始場(chǎng)和開(kāi)邊界的水位、溫度、鹽度和流速采用法國(guó)墨卡托海洋中心(Mercator Ocean)的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品插值得到。在漳江河口地區(qū)需考慮相應(yīng)月份漳江的流量以及含沙量,漳江流量取5月的多年平均值,約為40 m3/s。邊界條件的水平混合采用SMAGORINSKY[21]的混合方案,垂向混合采用MELLOR等[22]提出的湍流封閉模型。開(kāi)邊界由業(yè)務(wù)化運(yùn)行的臺(tái)灣海峽三維數(shù)值模型[17-18]所產(chǎn)生的環(huán)流水位疊加波賽冬全球潮汐模型(TOPEX/Poseidon global tidal model,TPXO7)[23]的16個(gè)分潮(2N2、J1、K1、K2、L2、M1、M2、MU2、N2、NU2、O1、OO1、
圖1 模型網(wǎng)格區(qū)域及地形圖Fig.1 Model grid domain and topography
P1、Q1、S2和T2)的潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算得出。模型考慮了干濕網(wǎng)格,臨界水深設(shè)置為0.2 m。泥沙模塊的參數(shù)配置方法見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。
根據(jù)福建省水產(chǎn)研究所提供的《福建省東山八尺門(mén)海堤工程水文動(dòng)力測(cè)驗(yàn)報(bào)告》粒度分析所得的粒徑譜分布特征,本文將實(shí)際泥沙看作是由兩種特征粒徑的泥沙組份構(gòu)成。這兩種組份分別為:特征粒徑為3 μm的組份,代表粒徑小于4 μm的粘土,體積占比約為40%;特征粒徑為8 μm的組份,代表粒徑在4~16 μm之間的粉沙,體積占比約為60%。無(wú)論是泥沙濃度分布還是底質(zhì)沖淤變化,模型最終的輸出結(jié)果都是對(duì)上述兩種粒徑組份進(jìn)行加和運(yùn)算后的結(jié)果。
模型初始化于2020年5月1日00時(shí)(世界時(shí),下同),計(jì)算至2020年6月1日00時(shí),分別計(jì)算了八尺門(mén)海堤開(kāi)口前后情景。
為了驗(yàn)證模式的準(zhǔn)確性,選取了2020年5月24—25日東山灣和詔安灣不同站點(diǎn)的潮流數(shù)據(jù)以及含沙量數(shù)據(jù),將其與模式結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)圖2—5。D1和D2位于東山灣,Z1和Z2位于詔安灣(見(jiàn)圖1),圖中表層、中層和底層分別為0.2、0.6和0.8倍的當(dāng)?shù)厮睢?/p>
從整體來(lái)看,東山灣和沼安灣潮流流速和流向的觀測(cè)值和計(jì)算值有良好的一致性(見(jiàn)圖2和圖3)。計(jì)算流速和觀測(cè)流速總體的均方根誤差不超過(guò)0.36 m/s,表層、中層和底層誤差最小的都是D1,誤差分別為0.14 m/s、0.14 m/s和0.19 m/s,誤差最大的都是Z2,誤差分別為0.36 m/s、0.30 m/s和0.32 m/s。D1和Z1表現(xiàn)較優(yōu),究其原因是D1和Z1處于深槽航道中,流速較大。盡管在潮流驗(yàn)證結(jié)果上,個(gè)別站點(diǎn)還存在一定的偏差,但從整體來(lái)看,流速和流向的觀測(cè)值和計(jì)算值的幅值相差很小,形態(tài)也基本吻合,模型能較為準(zhǔn)確地模擬出東山灣和詔安灣的潮流場(chǎng)特征,具有較高的模擬精度。
圖2 東山灣潮流驗(yàn)證圖Fig.2 Tidal current verification of Dongshan Bay
圖3 詔安灣潮流驗(yàn)證圖Fig.3 Tidal current verification of Zhao'an Bay
圖4為D1和D2的懸沙濃度驗(yàn)證效果,模型計(jì)算值整體比觀測(cè)值低,但基本能反映東山灣懸沙濃度隨時(shí)間的變化以及表層濃度低的趨勢(shì)。尤其在D1的中層和底層,模型能較好地模擬出懸沙濃度的峰值時(shí)刻。
圖4 東山灣懸沙濃度驗(yàn)證圖Fig.4 The suspended sediment concentration verification of Dongshan Bay
根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果,以5月24日13—18時(shí)作為落潮過(guò)程,以5月24日18時(shí)—25日01時(shí)作為漲潮過(guò)程,分別將海堤開(kāi)口前后在落潮過(guò)程和漲潮過(guò)程時(shí)間內(nèi)的平均流速進(jìn)行對(duì)比,得到漲落潮流速變化百分比(見(jiàn)圖5)。
圖5 漲落潮平均流速變化百分比圖Fig.5 Percentage change of average velocity of high tide and low tide
落潮時(shí)(見(jiàn)圖5a、c),東山灣流速增加,深槽處流速小幅增加0.37%~1.92%;詔安灣流速減少,深槽處流速小幅減小1%~20%,兩岸部分流速增大了10%~20%;八尺門(mén)水道變化較大,西側(cè)水道流速大幅減小約53%,東側(cè)水道流速大幅增加100%以上。漲潮時(shí)(見(jiàn)圖5b、d)與落潮時(shí)總體相似,東山灣流速增加,但深槽處流速小幅減少1%~7%;詔安灣流速減小,深槽處流速小幅增加1%~17%;八尺門(mén)西側(cè)水道流速大幅減小約87%,東側(cè)水道大幅增加100%以上,流速增大區(qū)域相比落潮時(shí)更加西移。以上變化主要是八尺門(mén)海堤開(kāi)口后,原在海堤處的匯潮線向西移動(dòng)所致。
從八尺門(mén)水道的漲落急流態(tài)來(lái)看,落急時(shí)(見(jiàn)圖6a),水道內(nèi)的分潮線從原來(lái)的海堤處移至東山島西北側(cè)處,水道東側(cè)潮流強(qiáng)度變大,西側(cè)潮流強(qiáng)度變小;漲急時(shí)(見(jiàn)圖6b),水道的東西側(cè)潮流匯合處從原來(lái)的海堤處西移約4~5 km至東山島西北側(cè),水道東側(cè)的潮流強(qiáng)度變大,西側(cè)潮流強(qiáng)度變小。
圖6 八尺門(mén)水道漲落急垂向平均流態(tài)Fig.6 Vertical average flow pattern at high and low tide in Bachimen channel
總體來(lái)說(shuō),開(kāi)口前后八尺門(mén)水道流速的變化非常劇烈,東側(cè)流速大幅度增加而西側(cè)流速大幅度減小,這是由于開(kāi)口后原本位于八尺門(mén)海堤的匯潮線和分潮線西移約4~5 km。
余流場(chǎng)是采用模型計(jì)算出的5月11—31日的平均余流。由圖7可以看出,八尺門(mén)海堤對(duì)詔安灣和東山灣的余流場(chǎng)基本沒(méi)有影響,兩灣均表現(xiàn)出河口余流的主要特征,即表層流向?yàn)惩猓ㄒ?jiàn)圖7a、b),底層流向?yàn)稠敚ㄒ?jiàn)圖7c、d),這和陳金泉等[24]的觀測(cè)結(jié)果一致。兩灣灣口及東山灣頂?shù)恼慕趨^(qū)域的余流較強(qiáng),達(dá)30 cm/s,分別由外海環(huán)流和河口徑流造成。兩灣深槽區(qū)域的余流強(qiáng)度可達(dá)10 cm/s,有利于深槽維持,有助于船舶航行。東山灣其余區(qū)域和詔安灣灣內(nèi)的余流較弱。灣外外海環(huán)流的主要方向?yàn)閺奈鞯綎|,這與東山灣外海的北向環(huán)流一致,余流流速可達(dá)30 cm/s;底層海流略偏左(見(jiàn)圖7c、d),這與底部艾克曼層理論一致[25]。
圖7 開(kāi)口前后余流場(chǎng)(白色箭頭表示流向)Fig.7 Residual flow field before and after the opening of channel(white arrow represents the flow direction)
在八尺門(mén)水道內(nèi),開(kāi)口后在原海堤處出現(xiàn)明顯的從水道東側(cè)到西側(cè)的余流(圖略),說(shuō)明水道貫通后,水流總體從東山灣進(jìn)入詔安灣,表層余流流速可達(dá)10 cm/s。該海域夏季盛行西南風(fēng),冬、秋季盛行東北風(fēng),5月為春末季風(fēng)轉(zhuǎn)換期。余流的動(dòng)力機(jī)制及其他因素(如風(fēng)和外海環(huán)流)對(duì)余流的影響是我們未來(lái)要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。
使用ROMS的被動(dòng)示蹤物模塊計(jì)算海水的半交換周期,以AB、CD和EF為界定義東山灣和詔安灣的邊界,以GH和MN為界定義八尺門(mén)水道的邊界。2020年5月12日在各灣內(nèi)設(shè)置被動(dòng)示蹤物,初始化濃度為1,計(jì)算時(shí)間超過(guò)7 d,經(jīng)歷了中潮和小潮的過(guò)程。本文將各灣示蹤物平均濃度經(jīng)過(guò)12 h滑動(dòng)平均后變?yōu)?.5所耗費(fèi)的時(shí)間定義為海水半交換周期。
模式分別計(jì)算了東山灣、詔安灣、八尺門(mén)水道以及將東山灣和詔安灣當(dāng)作一個(gè)整體的水體半交換周期。由表1可知,開(kāi)口前,東山灣半交換周期為1.54 d,詔安灣半交換周期為9.60 d,東山灣和詔安灣總體半交換周期為3.00 d,八尺門(mén)水道半交換周期為1.92 d;開(kāi)口后,東山灣半交換周期為1.50 d,詔安灣半交換周期為7.50 d,東山灣和詔安灣總體半交換周期為2.96 d,八尺門(mén)水道半交換周期為1.25 d。
表1 八尺門(mén)海堤開(kāi)口前后海水半交換周期(單位:d)Tab.1 Seawater semi-exchange cycle before and after the opening of Bachimen seawall(unit:d)
開(kāi)口后,由于兩個(gè)灣內(nèi)的海水均多了一個(gè)交換口,兩個(gè)灣的半交換周期有不同程度的縮短,東山灣的半交換周期縮短了0.04 d,詔安灣的半交換周期縮短了2.1 d。東山灣的半交換周期較詔安灣明顯減小,是由于東山灣灣口的水深較深,且受外海環(huán)流以及漳江徑流影響,從東山灣內(nèi)交換出去的海水更易被外海水以及徑流稀釋。八尺門(mén)水道的半交換周期縮短了0.67 d,說(shuō)明兩個(gè)灣的海水可通過(guò)開(kāi)口的八尺門(mén)水道進(jìn)行水交換,從而改善八尺門(mén)附近的水動(dòng)力環(huán)境。
泥沙沖淤采用2.2節(jié)的懸沙輸運(yùn)模塊進(jìn)行計(jì)算。東山灣和詔安灣的沖淤程度大體相似(見(jiàn)圖8),兩灣主要為淤積區(qū)域,淤積量為1~4 cm/a;兩灣的灣口以及漳江口深槽的沖刷程度較強(qiáng),沖刷量為3~10 cm/a。開(kāi)口前后沖淤程度的區(qū)別主要體現(xiàn)在八尺門(mén)水道內(nèi)。開(kāi)口前(見(jiàn)圖8c),越靠近八尺門(mén)堤壩的區(qū)域淤積量越大,東側(cè)水道和西側(cè)水道的大部分區(qū)域?yàn)橛俜e區(qū)域,淤積量為1~4 cm/a,在接近詔安灣頂?shù)膮^(qū)域有一定的沖刷程度,沖刷量為1~5 cm/a。開(kāi)口后(見(jiàn)圖8d),八尺門(mén)東側(cè)水道由淤積區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷區(qū)域,沖刷量約為2~10 cm/a,西側(cè)水道由沖刷區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e區(qū),淤積程度為1~3 cm/a。這是因?yàn)榘顺唛T(mén)水道貫通后,水道東側(cè)的流速增大,沖刷變強(qiáng),該處的泥沙被帶走,而水道西側(cè)流速減小,泥沙沉降于此。
圖8 沖淤厚度分布圖Fig.8 Souring and silting thickness distribution
圖8 (續(xù))Fig.8(Continued)
本文通過(guò)ROMS模式建立了東山灣—詔安灣海域三維水動(dòng)力-泥沙耦合模式,研究了八尺門(mén)海堤開(kāi)口前后水動(dòng)力環(huán)境和泥沙沖淤的變化。結(jié)果表明:當(dāng)拆除八尺門(mén)海堤后,八尺門(mén)水道成為連通東山灣和詔安灣的水道,但因該水道比較窄,拆除后對(duì)水動(dòng)力的影響主要在八尺門(mén)水道及鄰近海區(qū),水道附近的水動(dòng)力有明顯改善,而對(duì)東山灣和詔安灣整體的影響較小。海堤開(kāi)口后,原本處于海堤位置的匯潮線西移,且有穩(wěn)定的西向余流存在,兩個(gè)灣的海水可通過(guò)八尺門(mén)水道進(jìn)行交換,海水自凈能力提高,但量值均較小。局部清淤對(duì)東山灣及詔安灣的改變影響較小。
總之,八尺門(mén)海堤已經(jīng)建成60多年,其附近地形及岸線均有較大變動(dòng),但水動(dòng)力已與地形達(dá)到了
新的平衡。單純的局部清淤和海堤開(kāi)口雖然會(huì)對(duì)海堤兩側(cè)水域的水動(dòng)力條件有較大改善,但對(duì)東山灣和詔安灣水動(dòng)力的改進(jìn)有限。
致謝:廈門(mén)大學(xué)東山太古海洋觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)站提供研究數(shù)據(jù),林文欣、張思明幫助調(diào)試模型及畫(huà)圖。