非结构网格三维斜压模型研究人类活动对海南岛清澜潮汐汊道水动力影响

王道儒,温 晶,龚文平,赵军鹏

(1.海南省海洋开发规划设计研究院,海南 海口 570125;2.广东省气象台,广东 广州 510080;3.中山大学海洋学院近岸海洋研究中心,广东 广州 510275)

非结构网格三维斜压模型研究人类活动对海南岛清澜潮汐汊道水动力影响

王道儒1,温 晶2,龚文平3,赵军鹏3

(1.海南省海洋开发规划设计研究院,海南 海口 570125;2.广东省气象台,广东 广州 510080;3.中山大学海洋学院近岸海洋研究中心,广东 广州 510275)

清澜潮汐汊道为海南岛东部一个典型的泻湖-潮汐汊道-沙坝系统,由于其优越的自然条件而成为开发的重点区域。近几年的人类活动主要包括:口门西侧的围填工程,航道的疏浚和八门湾泻湖内的围塘工程。采用SELFE模型,结合观测资料,研究了不同人类活动对潮汐汊道的潮波、潮通量与涨落潮历时、河口重力环流、盐水入侵和河口羽流的影响。结果表明不同的人类活动其对动力的影响不同,口门西侧围填工程减小了潮汐汊道的潮差,对潮通量和盐水入侵影响很小;航道疏浚则加大了潮差和潮通量,加强了河口环流和盐水入侵;泻湖内围塘工程使潮差有所增大,但减小了潮通量,对盐水入侵的影响不显著。口门西侧围填工程改变了河口羽流的路径,而航道疏浚则使河口羽流更加向海扩散。

潮汐汊道;水动力;SELFE模型;海南

Abstract:Asa typical lagoon-inlet-sand barrier system in the eastof Hainan Island,Qinglan Inlet has been a development focus due to itsadvantageous natural environment.Human activities in recent years include:land reclamation at the west of inlet gorge,channel dredging and reclamation at the lagoon.Through applying SELFEmodel,based on observation data,this study examines the effectsof various human interventionson tidalwave propagation,tidal flux and asymmetry of flood and ebb tidal duration,estuarine circulation,salt intrusion and river plume.The results show different effectsof various anthropogenic activities.

Key words:tidal inlet;hydrodynamics;SELFEmodel;hainan

清澜潮汐汊道位于海南岛东岸北部、文昌市境内,为典型的泻湖-沙坝-潮汐汊道体系的海岸类型[1](图1)。其内的八门湾泻湖,东西向长度为11 km,南北向宽度为2.5～3.0 km,面积约为30 km2。文教河和文昌河分别从泻湖的东、西两侧流入。这两条河流的流域面积为903 km2,平均流量为25.4 m3/s,平均含沙量为0.125 kg/m3。受河流来沙的影响,八门湾泻湖处于逐渐淤浅的过程中,又加上近几十年来的人工围垦,泻湖的水域面积日趋减小。连接泻湖与外海的狭长通道为清澜潮汐汊道,长约9.0 km,宽度在250～1 100m之间变化,沿程交替出现多个浅滩与深槽段。关于潮汐汊道的地形特征、泥沙输运、汊道的成因与发育过程,王宝灿等[1]、陈沈良等[2]已做过系统的研究。

清澜潮汐汊道属弱潮海区,多年平均潮差为0.75 m,最大潮差为2.06 m。其潮性系数其中,HK1,HO1,HM2分别为 K1,O1,M2分潮的振幅)为2.184,为不正规日潮型。潮流性质类似,汊道内基本为往复流,大潮期流速在1m/s以上。总体而言,落潮流速大于涨潮流速,表现为落潮优势型的潮汐汊道。外海的波浪以风浪为主,全年H1/10小于1.0 m浪的出现频率占到50%以上,其中0.5～1.5 m之间的频率占到85%。夏半年的波浪较小,冬半年的风浪较强。

由于其得天独厚的自然地理优势,清澜潮汐汊道一直是海南岛东岸的重点发展区域。近二十年来,港口建设、旅游、房地产、养殖等开发活动不断增多,人类活动对自然过程的影响也不断加强。近年来,主要的人类开发活动有:1)在潮汐汊道口门的西侧围滩造地。为抑制汊道口西侧沙咀的活动,防止风暴期间沙咀被冲决形成分汊水道而对原有的主航道造成不利影响,将其围填成陆,成陆面积为1.45 km2。2)航道浚深。2006年进行的航道整治工程,使航道由原来的3 000 t级提升至5 000 t级,水深被浚深至7～8 m。3)八门湾泻湖内的围塘工程。近几十年来大规模地在八门湾泻湖内的浅滩进行围塘,用于修建虾池。初步估算围塘的面积在4 km2左右,占到泻湖面积的13%左右。

近几十年来,随着对海洋开发活动的管理不断规范与加强,所有的海洋开发项目都需进行海域使用可行性论证与环境影响评价工作,但论证与评价工作基本上针对于某一单个的海洋开发项目而进行,一是关于开发项目对宏观大尺度范围的影响研究较少;二是由于多个项目对环境的影响并不是单个项目对环境影响的线性叠加,而更多地表现为非线性的累积效应[3],因而对多个项目的综合性整体评价显得尤为必要。

已有对清澜港水动力的研究,多侧重于结合实测资料(如大、中、小潮期的水位与流速的定点观测),采用垂向平均的二维数值模拟的方法[4],分析清澜港的潮汐、垂向平均的潮流特征与纳潮量的变化。Ye[5]采用一维和二维数学模型研究了清澜的潮动力,表明其潮波特征为典型的驻波。由于清澜港受到文教河与文昌河淡水注入的影响,斜压效应明显,为典型的河口,受潮汐、密度梯度与风的影响,其水动力更多地呈现出三维的河口动力特征,如发育良好的河口环流,水体的垂向分层随潮内的涨落潮、大小潮的变化而变化,最大浑浊带的出现等[1]。由于三维水动力过程对河口盐度与温度的变化、营养盐和污染物的输运、细颗粒泥沙的捕集或逃逸等都有重要意义,从而对清澜潮汐汊道的生态环境具有重要影响,因此需进行清澜潮汐汊道三维斜压的水动力学研究,为这一重要的泻湖生态的环境保护提供科学依据。

1 研究方法

1.1 现场观测

对清澜海域海洋自然条件的现场观测资料较多。本次研究采用海南省海洋开发规划设计研究院于2008年8月1日至8月2日的实测资料。观测时布设4个测流站,1个潮位站,同时在口门站(3号站)进行连续的盐度观测。

潮流观测采用的仪器为日本ALEC公司EM自容式海流计,用垂向六点法每小时观测一次,连续观测26小时。盐度观测采用AAQ1183多参数水质仪,进行垂向剖面的观测,采样间隔为每小时一次。观测期间风速很小,基本为静风条件,风对水动力的影响很小。

1.2 数值模型

由于现场观测的空间与时间覆盖有限,本研究采用数值模拟的方法加以弥补。研究中采用的模型为SELFE(semi-implicit euler-lagrangian finite-elementmodel)[6]。该模型采用非结构网格(目前采用三角形网格),可灵活地拟合复杂的岸线和地形。清澜潮汐汊道的地形复杂,岸线弯曲,水深变化大,采用非结构网格是较好的选择。垂向上采用Z坐标与S坐标相结合的混合坐标,计算时沿着Z坐标进行,既可提高在表面和床底附近的空间分辨率,又可有效地解决在河口地区垂向上采用S或σ坐标时,由于地形变化大而导致压力水平梯度模拟失真的问题。模型对于动量方程中的平流项采用Eulerain-Lagrangian方法,与流行的UnTrim[7]数值格式类似,可大大提高计算的时间步长,又保证模型计算的稳定性与精度。对于物质输运方程,平流项的处理可采用Eulerain-Lagrangian方法,也可采用迎风格式,并加上TVD格式以抑制迎风格式中的数值耗散。模型利用普遍的GLS湍混合模型求解掺混系数,并提供了与通用的GOTM湍混合模块的接口。模型对河口浅滩的干湿过程可自然而良好地加以模拟,因而特别适合于有浅滩湿地存在的河口海岸地区。关于SELFE模型的详细情况,可参阅文献[6]。SELFE模型已被用于跨尺度的Columbia河口的输运研究[6,8],河口的滞留时间[9-10]的研究中。

2 模型验证与试验条件

对模型的验证采用2008的实测资料加以进行。为减少边界的影响,模型网格覆盖了海南岛东部的较大区域(图2)。网格共有10 296个节点,19 471个单元。模型外边界附近的空间分辨率为8 km左右,在潮汐汊道的空间分辨率可达到100m。垂向上共分为13层,其中以30m水深为界,其下为Z坐标,共5层,其上为S坐标,共8层,对潮汐汊道区域的垂向分辨率在1m以内。

图1 研究区地势图与观测站位分布Fig.1 Topography of the study site andmeasurement stations

图2 模型网格Fig.2 Model grid

模型的外边界水位采用八个主要潮汐分潮(K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2)加以控制,这些分潮的潮汐调和常数来自于更大范围的海南岛东部潮汐的模拟研究[11]。外边界的盐度取盐度值35 ppt,来源于海南岛海岛资源综合调查资料[12]。这一外边界值的选取对小范围清澜潮汐汊道的模拟影响较小。在模型的上游边界,采用文昌河与文教河的多年平均流量加以控制,分别为13.5和7.5 m3/s。模型的更精细的发展有赖于进一步实测数据的充实。

模型的初始条件采用在潮动力与径流条件下循环运行三个月后的结果。模型的验证结果见图3。

如图3(a),模拟的水位过程与实测值基本吻合,模型与实测值的均方根误差为8 cm。如图3(c)至3(f),模拟的流速过程与实测值比较接近。站位1模拟的中底层流速比实测值偏小,站位2模拟的落潮流历时与实测值相比略有延长,但流速值的幅度与实测值接近。站位3的模拟值与实测值吻合好。流速站4的模拟流速比实测流速值偏小,而且实测流速中,底层流速与表、中层流速呈现出相反的运动,似乎不太合理。因为观测期间风速不大,风的影响有限,而站位4位处口门外,表底层流速反向的现象不应长时期出现。出现这一反常流速垂向分布现象的原因有待进一步分析。图3(b)显示的是口门站实测盐度过程与模拟值的对比情况。可见,模拟的盐度变化过程与实测相近。

在对模型进行校验后,进行如下几组试验,以研究人类活动所造成的清澜水动力条件的变化。模型试验包括:1)基准情况,采用2000年以前的自然岸线与水深条件;2)潮汐汊道口门西侧围填工程的影响;3)口门西侧围填工程与航道浚深的共同影响,除了考虑口门西侧的围填工程外,还将浚深的航道地形作为水深输入条件考虑进模型中;4)围填工程、航道疏浚与八门湾泻湖围塘的共同影响,由于围塘后虾塘基本为死水区,可作为陆地看待,在模型中将虾塘直接设为陆地。在所有的模型计算中,外海边界都采用八个潮汐分潮加以控制,上游河流边界均采用多年平均的流量。每个模型试验计算32天,采用后面30天的数据进行分析。

图3 模型验证Fig.3 Calibration ofmodel

水动力的变化,采用如下指标进行分析:1)潮汐汊道内的水位变化,选取模型验证期间的水位观测点,通过潮汐调和分析研究潮振幅的变化;2)在口门处选取一控制断面(如图1),研究人类活动对涨落潮流量(包括大潮期的纳潮量)和涨落潮历时的影响;3)在口门断面,分析盐分通量的变化,并沿着航道深泓线取一纵断面,研究人类活动对盐水入侵长度的影响;4)研究人类活动对河口羽流扩散的影响,以河口表层盐度等值线的变化为代表,研究其扩散路径与范围的变化。

3 结果分析

3.1 潮汐变化

选取模型验证期间的潮位点,对模型输出的逐时水位结果进行潮汐调和分析,结果见表1。

表1 人类活动影响下清澜潮汐汊道主要潮汐分潮振幅的变化Tab.1 Variation of amplitudes of four main tidal constituents induced by human activities

从表中可以看出,口门西侧的围填工程使潮汐汊道的潮汐动力有一定减小,但航道疏浚则显著增强了潮汐动力,而泻湖围垦对潮汐动力的加强也有一定贡献。从一般的理解来看,泻湖围垦将减少泻湖面积,从而减少纳潮量,进而使潮汐动力作用减弱,但模型计算的结果则表明,泻湖围垦增加了潮差,详细的原因将在下一节进行分析。

3.2 潮通量与涨落潮历时的变化

根据模型输出结果,计算各时刻通过口门横断面的潮流通量,对每个涨、落潮过程积分,得到各涨、落潮期的潮流通量,结果见图4。图中横坐标代表每次涨、落潮过程的结束时刻。图中上部为通量(或潮棱体),其中正值表示涨潮。下部为涨落潮历时。

图4 不同人类活动影响下潮通量与涨落潮历时的变化Fig.4 Variation of tidal prism and tidal duration induced by human interventions

从图4中可以看出,基准情况下,大潮期一个潮周期内涨、落潮的潮棱体可达3.56×107m3,其中涨潮历时为13～14 h,而落潮历时为11～12 h左右,表现出落潮优势的不对称类型。小潮期一个涨、落潮过程的潮棱体可减少到2×107m3,约为大潮期的一半。涨落潮历时变化规律不明显。

口门西侧围填工程完成后,清澜潮汐汊道的潮棱体几乎没有发生变化,涨、落潮历时也未发生变化。航道疏浚对潮汐汊道的潮棱体有显著影响,大潮期最大潮棱体从3.56×107m3增加到5.25×107m3,增大幅度达48%。而大潮期的涨落潮历时的变化:有时落潮历时变得更短(如第6～7天,20～21天),有时落潮历时则有所延长(如第10～11天)。

相对于航道疏浚而言,泻湖内围塘建虾池使泻湖面积减小,潮棱体有所减少,但减少不大。其中大潮期最大潮棱体由5.25×107m3减小到4.94×107m3,减小幅度仅为5%。这也可以解释为什么泻湖围塘后潮汐汊道的潮振幅反倒有所增大。由于P=A×R,其中P为潮棱体,A为纳潮面积,R为潮差,现A减少13%,而P则只减少5%,因而潮差R会增大。潮位观测点在泻湖围塘建虾池后潮差增大的另一可能的解释在于,由于清澜潮汐汊道的潮波为典型的驻波[5],泻湖围垦使驻波的头(为波腹所在处)向岸外推移,位于波腹与波节之间的潮位观测站受到反射波的作用更强,因而潮差会有所增大。

3.3 河口环流的变化

河口环流是河口水动力的重要组成部分,对河口的泥沙运动、污染物扩散等物质输运具有重要意义。为研究人类活动对河口重力环流的影响,选取位于潮汐汊道中部的站位2,对模型计算的表底层流速进行半周期为50小时的低通滤波以去掉潮的成分,这样获得的流速可认为是亚潮频率的流速,从而可代表余流的大小。计算结果如图5。

径流和密度梯度作用下的解析河口环流的垂向剖面结构[13]:

式中:u为流速;z为水深,向下为负为纵向的密度梯度;K为垂向掺混系数;g为重力加速度;h为水深;u0为径流量除以断面面积而形成的余流。从上式可见,河口环流与h的三次方成正比,而与垂向掺混系数成反比。

从图5可见,工程前的自然状态下,河口水体中河口环流发育良好,余流表层向海,底层向陆,流速的大小在10 cm/s左右。口门西侧围填工程完成后,对河口环流的影响不大。而航道疏浚则对河口环流有显著影响。由于航道疏浚使水深增大,疏浚后表层向海的余流增到大10～18 cm/s,而底层的向陆余流也增大到10 cm/s以上,表明河口环流得到了加强。泻湖内的围塘工程对河口环流的影响不大。

图5 人类活动对潮汐汊道中部站位河口环流的影响Fig.5 The impactof human activitieson the estuarine circulation

3.4 盐水入侵的变化

为研究人类活动对盐分输运和盐水入侵的影响,计算了口门断面各涨落潮期的盐分通量,结果见图6。

从图6可见,口门西侧围填工程对盐分输运通量基本无影响,而航道疏浚则使盐分通量大幅度增加。泻湖内的围塘工程则略为减少了盐分的输运。

沿图1中的纵断面摘取模型计算各时刻的盐度剖面,取垂向平均盐度为25 ppt(选取25 ppt为任意,选取其它的量值得出的结果类似)的向陆界线作为盐水入侵的标志线,计算各时刻从口门至盐度为25 ppt界线的长度。将计算的各时刻长度进行低通滤波、去潮后,计算结果见于图7。

从图7中可以看出,在2000年的自然状况下,盐水入侵的长度随大小潮发生周期性变化,大潮时入侵长度长,小潮时入侵长度短,从而表现出充分混合河口的特征。口门西侧围填工程使盐水入侵的长度有所增大,可能的原因为围填工程后,潮汐汊道的口门更趋向外海,从而在涨潮时浓度更高的盐水进入汊道,使入侵长度增大。而外海盐水入侵的主要通道为航道深槽,刚好位于我们选取的断面上。这与口门西侧围填工程后盐分输运的通量没有变化似乎矛盾。但通量变化不大意味着控制断面以内的整个区域盐度变化的速率类似,并不能表征沿深槽的盐水入侵长度的变化。航道疏浚使盐水入侵的长度显著增大,其原因在于随着水深增大,河口重力环流增强,盐水沿深槽上溯也相应增强。泻湖内围塘使盐水入侵有所减弱。

3.5 河口羽流扩散范围的变化

河口羽流是陆源物质向海输运的主要途径,对近岸环流与水体环境都产生重要影响。随着人类活动对地形和岸线边界的改变,河口羽流向外海扩散的路径与范围也相应改变。根据模型计算的结果,选取大潮期落憩时的表层盐度分布情况,绘于图8。从图8可见,2000年自然状况下,河口羽流出口门后在惯性作用下沿落潮主水道运移一段距离后,在地转偏向力的作用下向西南偏转。口门西侧的围填工程加强了落潮流速,从而使惯性作用加强,盐度等值线向南伸突,然后才向西南偏转。航道疏浚后使落潮流更为强劲,等盐度线向南伸突更远,羽流的扩散范围更远。泻湖围塘工程使河口羽流的扩展范围略有减少。

图6 盐分通量的变化Fig.6 Variation of salt

图7 口门至垂向平均盐度25 ppt的长度变化Fig.7 Variation of salt intrusion length

图8 大潮期落憩时表层盐度分布Fig.8 Distribution of surface salinity at the ebb slack during spring tide

4 讨 论

清澜潮汐汊道为典型的泻湖-汊道-沙坝型海岸,同时又受到河流淡水输入的影响,表现出河口动力特征。潮汐汊道的流速/历时不对称对其稳定性有重要影响,一般认为落潮优势的不对称有利于汊道的稳定性[14]。清澜在大潮期落潮优势明显,口门西侧的围填工程对其影响不大。从理论上讲,水深增大,落潮优势更易于发育,因而航道疏浚应使落潮优势的不对称更加发育。模型计算的结果显示,航道疏浚后,大潮期部分时段落潮历时缩短,涨潮历时增强,而涨落潮通量近似,说明落潮流速更加大于涨潮流速,落潮优势的现象更为突出;部分时段则落潮历时延长,涨潮历时缩短,而与此相对应的则是涨潮通量小于落潮通量,说明落潮不断历时延长,流速也增大了,为另一种形式的落潮优势[15]。可见航道疏浚对潮汐汊道系统的稳定性有利。根据简单的计算,2000年自然状态时,大潮期的滞留时间T=其中P为潮棱体,V为水盆体积)

为3.24天,口门西侧围填工程对滞留时间无影响,航道疏浚使大潮期滞留时间减小为2.90天,而航道疏浚与泻湖围塘的共同影响下滞留时间更减小为2.84天。总体而言,清澜潮汐汊道系统为一物质快进快出的系统,这与清澜潮汐汊道长度较短有关。人类活动的影响加强了这一特征,从而对其内的水质过程与生态系统具有重要影响。

5 结 语

主要结论:

1)清澜潮汐汊道不同的人类活动对水动力的影响不同。口门西侧的围填工程使潮汐汊道系统的潮差减小,而航道疏浚和泻湖内围塘则使潮差增大显著。泻湖内围塘对潮差的影响可能与驻波系统的腹点向海推移有关;口门西侧围填工程对潮通量影响不大,而航道疏浚则大大增加了潮通量,泻湖内围塘使潮通量略有减小。口门西侧围填工程对河口环流影响很小,航道疏浚则加强了河口环流,泻湖内围塘对河口环流的影响相对较小。

2)口门西侧围填工程加剧了高盐水向潮汐汊道深槽的上溯,而航道疏浚使盐水上溯加强效应更为显著。

3)口门西侧围填工程改变了河口羽流的入海路径,而航道疏浚则使河口羽流更加向海伸突,从而扩散范围增大。

4)对清澜海洋开发项目的可行性论证与环境影响评价应从更大的范围与更综合的物理、生物过程和更长的时间尺度来加以综合考虑,才能减小单个工程项目对整体环境的不利影响。

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Impact of human activitieson hydrodynamicsof Qinglan tidal inlet system using three-dimensional baroclinic model SELFEwith unstructured grid

WANGDao-ru1,WEN Jing2,GONGWen-ping3,ZHAO Jun-peng3
(1.Hainan Marine Development Plan and Design Research Institute,Haikou 570125,China;2.Guangdong Weather Bureau,Guangzhou 510080,China;3.Coastal and Ocean Science&Technology Research Center,School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

TV148

A

1005-9865(2011)01-0053-08

2010-03-26

国家自然科学基金资助项目(40866001)

王道儒(1964-),男,海南屯昌人,高级工程师,从事海岸动力与生态环境研究。E-mail:wangdr6@yahoo.com.cn

龚文平。