半封闭海湾的水交换数值模拟研究

李希彬，孙晓燕，牛福新，宋军

（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站天津市海洋环境监测预报中心，天津300457；2.国家海洋信息中心，天津300171）

半封闭海湾的水交换数值模拟研究

李希彬1，孙晓燕2，牛福新1，宋军2

（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站天津市海洋环境监测预报中心，天津300457；2.国家海洋信息中心，天津300171）

基于采用不规则三角网格和有限体积方法的FVCOM模式，建立半封闭海湾-湛江湾附近海域的三维潮汐潮流数值模型，通过验证，结果与观测数据符合良好，并在此模型基础上对湛江湾的水交换状况进行了数值模拟，将湛江湾划分成3个区域，针对各区域进行了水交换能力研究，研究结果表明：由于湛江湾内不同区域的地形和地理位置变化较大，使得湛江湾内不同区域交换能力相差较大，其中，靠近湛江湾出口处交换能力最强，特呈岛以北海域交换能力最弱，交换时间与物质的初始浓度无关，与投放时刻和外源强迫密切相关，在治理湛江湾环境时，应分区进行，注意选择污染物排放时间和位置。

湛江湾；水交换；数值模拟

湛江湾位于广东省的西南部，雷州半岛的东北部，属半封闭沉溺型港湾（中国海湾志编辑委员会，1999），湾内水域面积160 km2，平均纳潮量5亿m3，最大10亿m3。湛江湾内有南三岛、特呈岛、东头山岛和东海岛等，湛江湾口位于南三岛和东海岛之间，宽约2 km，是湛江湾与外海相通的主要通道，湛江港是广东省第二大港，同时是华南最大的潮汐汊道（应秩甫等，1996）。

近年来，湛江湾内海岸工程发展迅速，同时，工程污染、生活污水、养殖污水等排放量增加，加之湾内外水交换不畅，造成湛江湾内海域环境质量下降，对湛江湾水交换的科学认识是对其进行合理开发利用的重要前提，也早已引起广泛关注（应秩甫等，1996）。前人已研究了湛江湾的潮汐和潮流的主要特征及对水环境的影响，分析了湛江湾余流场的分布特征（陈达森等，2006）；针对湛江湾海域海岸工程的冲淤问题，利用数模模拟的方法分别对湛江湾内的动力地貌（贺松林等，1997）和泥沙冲淤（丁平兴等，1997）两方面进行了预测和分析，包括湛江湾海岸工程建设后可能引起的动力地貌变化和冲淤强度变化及其空间分布等；也有对湛江湾的海岸工程进行的数值模拟分析，对工程可能引起的水动力环境变化进行了预测（夏华永等，2006）；前辈们也将数值模拟方法应用于海湾水交换计算中：以渤海为例，采用水质模型模拟水体对半交换时间的方法进行了水交换模拟（魏皓等，2002）；对胶州湾水交换进行的研究，指出由于流场分布的不均匀，胶州湾不同区域水体的交换时间差别较大（赵亮等，2002）；运用各种不同的数值方法对象山港的水交换状况进行研究（董礼先等，1999）；利用余流分布、拉格朗日质点跟踪等方法，对丁字湾的水交换进行的研究等（孙英兰等，2003）。

相对其他海域，关于湛江湾水交换方面的研究工作较少，本文运用水动力数值模型和欧拉弥散水质模型，考虑对流与扩散过程，在水动力过程中耦合风的作用，对湛江湾内的保守物质浓度输运进行了数值模拟，计算了湛江湾内某物质的保守浓度对流扩散稀释为初始浓度一半所需的时间，定量研究了湛江湾内不同区域的水交换能力，以及污染物投放初始时间和风力作用等对湛江湾内水交换能力的影响。

1 模型简介

计算湛江湾水交换率的数值模型由两部分构成：水动力模型和计算保守物质浓度扩散的水质模型，水动力模型提供驱动水质模型所需的动力场和湍流扩散。

1.1 水动力模型简介

湛江湾海域水深变化剧烈，且存在大片滩涂，为对滩涂处进行准确处理，本文采用国际先进的海洋数值模型FVCOM进行模拟研究。FVCOM模式在水平方向上采用无结构化三角形网格，更易拟合边界，并可针对关注区域进行局部加密，可更好地保证质量、动量的守恒性，垂直方向上采用σ坐标，并采用有限体积方法，在进行潮间带处理时，FVCOM采用干/湿网格技术（Chen Changsheng et al，2006），进行干/湿网格判断，在计算流量时只考虑湿网格的流量，来保证流体体积守恒。因此，对于湛江湾附近海域这样具有海底地形复杂、海岸线不规则且弯曲较多、滩涂面积大、水深变化剧烈、岛屿众多等特点的海湾，适合选用FVCOM进行模拟。

1.2 模型计算区域

为计算湛江湾与外海的水交换状况，本文包括湛江湾及其部分外海海域作为模拟计算区域，东经110.1535°-110.833°，北纬20.4924°-21.4074°，见图1。

模拟区域中，南北长约91 km，东西约69 km。采用东中国海大区潮模型嵌套结果作为开边界条件，模型采用三角形网格，最小空间网格步长100m，最大2 000 m，时间步长设置为5 s，垂向分为6个σ层。模型区域共有网格28 258个，三角形单元53 609个，对湛江湾的部分重点区域如狭窄水道等对网格进行加密，见图2，较好地体现了模拟区域岸线和地形分布。模式采用中华人民共和国海事局出版的海图资料作为水深场，利用内插方法计算得到网格点水深，以最高潮时的零米等深线处作为模式计算区域的边界。

1.3 水质模型和初始条件

水质模块的基本控制方程：

上式中，u，v，w分别代表x，y，σ方向的流速，C代表污染物浓度，D代表总水深，FC为水平扩散系数，Kh为垂直扩散系数，C0表示输入的保守物质源强浓度：

污染源强函数：

式中，σk和σk+n分别代表污染物输入的最上和最下σ层，i为三角形顶点所在的位置，代表输入的总点数，ts和te分别代表污染物输入开始和结束的时间，n表示从0到KB-1的整数（KB表示σ层的个数）。

差分方法：采用有限体积离散方法。

边界条件：与水动力模型中的温、盐边界条件相同。

2 模型结果验证与分析

本文选取2006年9月在湛江湾布设的T1-T4共4个临时验潮站和V1-V4共4个连续潮流观测站的观测数据与模拟结果进行对比，以验证数值模拟的结果，连续站潮流观测采用直读式海流计，时间为26 h；潮位观测采用ALEC水位计，长度均1 1。果，与实测资料进行对比验证，发现两者差别较小，模拟潮时与实测潮时基本一致，模拟潮高与实测值最大差在20 cm内，在允许范围之内，计算潮流与实测潮流也有良好的一致性，模拟涨落潮流场平顺，潮时及流速大小与实测潮流均较为接近，也与该海区地形轮廓相符，能够较好的反应潮流的性质，因此可认为本文的水动力模型是合理可靠的，模拟结果基本能反映湛江海域的水动力特征，可以在该模型基础上对湛江海域的水交换特征进行模拟分析。

按照湛江湾的地形分布特征，将湛江湾划分为3个区域，其中区域一为特呈岛和南三岛以北区域，区域二为东头山岛以西区域，区域三为南三岛以南、东头山岛以东区域，见下图3，其中区域一面积约占湛江湾海域的28%，主要特征为水深较浅，水道细长狭窄，海水流速较小；区域二是约占湛江湾面积的23%，面积较小，水很浅，滩涂面积很大，海水流速很小；区域三约占湛江湾面积的49%，面积最大，海面宽广，仅南三岛南部及东海岛北部存在小面积滩涂，其他海域水深均较深，东部为湛江湾口，同样是湛江湾主航道—龙腾水道的出口，海水流速较大。进行水交换率模拟时，在模拟的初始时刻，将湛江湾内部计算格点上的保守污染物浓度全部定义为1（图4中黑色所示），湾外网格点污染物浓度全部定义为0，因此，本文中，定义：水交换率=（1-水体残留污染物浓度）× 100%，对半交换时间定义为水体的污染物浓度降低为初始浓度一半时所需的时间，在与前文水动力条件完全相同的情况下模拟运行100 d，进行分析。

2.1 模型结果分析

对模拟结果进行分析，得到了计算区域内污染物浓度随时间的扩散情况和对半交换时间分布，对海湾内表层水体污染物扩散状况进行分析，如下图5和6所示，区域三处表层水体交换率较高，对半交换时间为5-15 d，从湾口向里，水体的对半交换时间呈增加趋势；区域二处由于东海大堤的阻隔作用，海水交换率很低，水体对半交换时间也很长，平均对半交换时间超过100 d；区域一的湾颈海域，其表层水体的对半交换时间也基本都在100 d以上，且向北呈增加趋势，至湾顶达最大。将计算区域内对半交换时间大于100 d的格点水体的对半交换时间定义为100 d，对表层水交换率模拟结果进行平均分析，发现在污染物释放之后50 d，模拟区域的表层水交换率仅为29.82%，整个海湾表层水体的平均水交换率达到50%则需要近100 d。整个湛江湾表层水体的对半交换时间为80.6 d。

在区域一的湾颈海区，由于地形窄，面积小，相应纳潮量小，海水流速也较小，因此此处海水的交换能力较弱，但此处沿岸是湛江市的人口密集区和港口所在地，主要陆源污染物也主要由此排入海，由此导致水质较差，因此，区域一的海水交换率的变化对此处海水环境质量的影响是非常重要的，模拟结果显示，模拟进行100 d后，区域一内表层水体的污染物浓度平均降为63.77%，相应水交换率为36.33%，由于此处海区属于生活聚居区，水交换率的改变应高度注意。

在区域二的大堤以东、东头山岛西侧区域，此处水深较浅，海面较宽，滩涂面积较大，因此，海水流速较小，且由于东海大堤阻隔了湛江湾与西侧雷州湾的海水交换，此处海水仅通过湛江湾东侧出口与外海进行交换，因此，此处水交换能力较弱，海水交换率较低，模拟100 d之后，结果显示，区域二表层水体的海水交换率仅为44.09%，目前此处正规划建设多处大型海岸工程和围填造地项目，势必会对此处海域环境造成影响，因此，此处的海水交换率变化也应引起高度注意。

区域三靠近湛江湾出海口，主要是特呈岛、南三岛以南、东头山岛以东海域，此处靠近湛江湾的出海口，水深较深，海水流速也较大，因此海水交换率也较高，模拟运行100 d后，结果显示，此海区表层水体的污染物浓度降低到28.75%，水交换率为71.25%，水交换率是湛江湾内水交换率最高的区域，此处表层水体的对半交换时间仅仅为5-15 d，其中湾口南部海域水体的对半交换时间小于5 d，而湾口北部海域水体的对半交换时间为10 d左右，这主要是由于湛江湾口“北进南出”的余流效应造成的，湾口北侧的余流指向湾内，这在一定程度上阻碍了海水的交换，使此处海水交换率降低，而湾口南侧的余流指向湾外，对海水的交换有促进作用。

表1表层水体水交换率随时间变化的分析

下图7-8是湛江湾内3个区域表层水体的污染物浓度随时间的变化图，由于区域一水深较浅，且水交换通道狭窄，导致区域一海水交换缓慢，扩散模拟进行的100 d内，此处海水的污染物浓度基本随时间呈线性缓慢减少的变化趋势，模拟100 d后，区域一内海水的污染物浓度仅降至初始浓度的64%。

区域二由于东海大堤的存在，阻隔了湛江湾和雷州湾的水交换，导致此处水体交换能力较弱，水交换率较低，扩散模拟100 d后，此处表层海水污染物浓度下降至初始浓度的55%，浓度基本也是呈现线性减少的变化趋势。

区域三靠近东海岛东侧湾口，此处水体交换能力较强，与湾外水体交换较好，表层水体对半交换时间仅为30 d，图9所示污染物时间分布曲线显示，污染物刚释放后，其浓度降低较快，40 d后，浓度减少趋势变缓，模拟运行100 d后，污染物浓度降低至24%左右。

上3图所示各区域浓度变化随时间递减的过程中均出现与大小潮变化周期相同的半月周期振荡。这主要是因为潮汐的月不等现象会带来海湾纳潮量的变化，纳潮量在大潮时达到最大，此时海湾内水体体积增加，污染物浓度会相应减少，而小潮时湾内纳潮量减少，污染物浓度则会相应增加。

2.2 不同层次水体的交换能力分析

湛江湾内水深分布不均匀，变化较大，且岸线曲折复杂，仅仅考虑表层海水的交换能力远远不够，因此本文也对湛江湾内中层和底层的水体交换能力进行分析。

表2湛江湾内中层和底层海水的污染物浓度变化

上表2分别给出了湛江湾内中层和底层海水的污染物扩散数值模拟结果，模拟结果显示，湛江湾的3个区域内，中层和底层的海水交换率在相同的扩散时间内均低于表层的水交换率，水交换率是逐层减低的，表现为表层的水交换率高于中层，中层的水交换率高于底层，模拟运行100 d后，整个湛江湾中层和底层海水的污染物浓度分别为51.61%和53.97%，均高于表层海水的48.11%，因此，中层和底层的海水相比表层更加难以与外海进行海水交换。

2.3 风对湛江湾内水体交换的影响

由湛江气象部门多年统计资料分析，湛江的平均主导风向为东风，风速约3.2 m/s，为更合理的计算湛江湾内水体的交换能力，本文在进行模拟计算时，加入定常风对湾内水体和流场的影响。

如图10，在考虑定常的3.2 m/s的东风作用的情况下，湛江湾内表层水体的对半交换时间分布与不考虑风时相似，其中，在区域三的湾口处，表层水体交换率较高，但交换时间降为10-20 d，从湾口向湾内，水交换率呈逐渐降低的趋势，水体对半交换时间向湾内也逐渐增大，区域一和区域二处表层水体的对半交换时间都超过100 d，由此可见，若考虑常年平均3.2 m/s的东风的作用下，湛江湾的水交换率将更加降低，3个区域海水的对半交换时间均有所延长。

3 讨论与结论

本文利用数值模拟的方法，详细分析了湛江湾海域的海水交换能力，总体来说，湛江湾的水交换率是较低的，湛江湾的自然环境决定了湛江湾是一个自净能力较差的海湾，同时，湛江湾的岸线轮廓和地形造成了湛江湾3个区域的污染物扩散能力显著不同，靠近湛江湾口处海水的水交换能力强，远离湛江湾口的海水交换能力弱，表层海水交换能力强，底层水交换能力弱，且如果在湛江地区年均3.2 m/s东风的作用下，湛江湾的海水交换能力将进一步降低，因此，对湛江湾海域进行的工程开发要合理进行，充分考虑工程对湛江湾水交换率变化的影响，同时，要对湛江湾进行环境治理，改善湛江湾的水质，应针对不同区域，不同污染源，除了加大污水排放整治力度外，还应考虑排放时间和排放位置，湛江湾湾颈和西侧湾底海域海水自净能力差，更应减轻其环境压力，以防造成灾难性后果。

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Numerical study on the water exchange of a semi-closed bay

LI Xi-bin1，SUN Xiao-yan2，NIU Fu-xin1，SONG Jun2
（1.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station of State Oceanic Association（SOA），Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center，Tianjin 300457，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China）

Based on an unstructured grid，finite-volume coastal ocean model（FVCOM），a 3-dimensional numericaI simulation model of tide and tidal current in the semi-closed Zhanjiang Bay was built.By verification，the results of the model agreed well with the field observed data．And the water exchange status of the Zhanjiang Bay was numerical simulated based on the well validated model.The Zhanjiang Bay was divided into three areas，and water exchange ability of each area was studied.The results showed that，there were great differences in water change abilities of different areas because of large topography differences of different areas in the Zhanjiang bay，of which，the highest water exchange ability appeared in the area closed with the outlet，and the area north of Techeng Island had the lowest ability.Exchange time was independent from the initial concentration，but highly dependent on the initial time and extraneous sources forcing.During environmental management，the time and place for discharging the waste should be considered for different areas.

the Zhanjiang Bay；water exchange；numerical simulation

P722.6

A

1001－6932（2012）03－0248－07

2011-03-20；

2011-10-26

李希彬（1983－），男，硕士，主要从事物理海洋研究工作，电子邮箱：lixb_tj@yahoo.com.cn。

孙晓燕，工程师。电子邮箱：hyda@mail.nmdis.gov.cn。

袁泽轶）