钦州湾岸线开发对其上游河口区洪潮动力特性影响

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( 1．水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室，广东广州510611；2．珠江水利委员会 珠江水利科学研究院，广东广州510611；3．河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098 )

钦州湾位于中国南海北部湾之北端、广西壮族自治区南部。受第四纪冰期后期海侵，钦州湾内岸线曲折，岛屿棋布，港汊众多。钦州湾北部为茅尾海(又称为内海)，有钦江、茅岭江淡水汇入，中部左岸有金鼓江汇入，洪潮动力交汇使钦州湾既有内陆河流特征又有潮流特征，在径流、潮流、风、波浪等多种动力因素的综合作用下，水沙动力环境较为复杂[1-3]。

钦州湾潮汐以日潮为主，根据钦州湾龙门港潮汐资料，龙门站潮汐性质属非正规全日潮，每月约有2/3时间为全日潮，约有1/3时间呈半日潮性质。湾内潮汐日不等现象明显，即相邻的2个高潮或2个低潮的潮高不等，涨、落潮历时也不相等。龙门港区平均潮差2.55 m，最大潮差达5.49 m，涨潮流向西北，落潮流向东南，年均水温21.3℃。

钦州湾不但气候条件良好，植物、水产、矿产、滩涂等资源丰富，而且地理位置优越，是广西乃至中国西南地区通向东南亚和非洲、欧洲，进入国际市场的最便捷出海通道，同时水深沙少，具有建造深水良港的条件。近年来，钦江河口湾外大型港区及产业园区相继建设，岸线开发活动密集，仅2005—2015年间的开发围垦就接近3 000 hm2。

河口湾的开发建设往往引起潮流动力的调整，进而影响到周边水域的洪潮特性[4-7]，该问题已引起了众多学者的关注：道付海[8]研究了长江河口南北槽分流口工程及瑞丰沙地形变化对落潮分流比的影响；马腾飞[9]通过数值模型探讨了长河环航道整治对分流比的影响；张蔚等[10]研究了人工采沙及航道整治对珠江三角洲水流动力条件的影响。更有部分学者已经聚焦于钦州湾开发所带来的系列影响问题：董德信、李逸聪等[11-12]均对钦州湾近岸工程建设所导致的水动力环境影响展开了研究；张坤、王玉海等[13-14]则关注到钦江河口湾开发产生的淤积及整体演变的影响；孙永根等[15]探讨了钦州湾围填对海洋环境的影响。

但这些研究大多重点关注于钦州湾的水动力或水环境影响，钦州湾开发对上游河口区洪潮特性影响的相关研究较为少见。本文以2005年海图地形(图1茅尾海填充区例外，为2009年测图)为基础，建立钦州湾二维潮流数学模型，采用实测资料对模型率定验证后，以2016年6月实测水文为例，研究2005—2015年间钦州湾岸线开发对上游河口区洪潮特性的影响。

1 钦州湾二维潮流数学模型简介

1.1 模型方程

采用守恒性较好的有限体积法进行控制方程离散，采用三角形网格进行二维模型区域单元剖分，变量定义于单元中心。采用结构简单且稳定性较好的HLLC近似Riemann算子计算界面通量，数值求解的详细过程可参阅相关文献[16-17]。

1.2 研究范围及参数

本研究范围覆盖整个钦州湾水域，上游边界至钦江青年水闸站、茅岭江黄屋屯站，采用实测流量过程控制；下边界至湾外-20 m等高线附近，东、西边界至白龙尾、北海处，三者均为开边界，以潮位控制，见图2。模型采用无结构三角形网格(岛群局部网格剖分见图2)，分辨率取30～4 000 m，计算时间步长为30 s，模型中设置动边界，每个时间步长对浅水区进行干湿露滩判别。

1.3 模型验证

2016年6月，本项目在茅尾海及钦州湾顶水域共布设6条测流垂线进行了同步水文观测，位置见图1，以此资料进行数学模型率定和验证。简洁起见，本文仅列出中部龙门潮位站及1、3、6号测流站的验证曲线见图3、4。可见，模拟值与实测值符合较好，该模型用于本研究是合适可信的。

此外，还利用本项目遥感影像研究成果对模型计算涨、落急流场进行验证，对比结果见图5，二者所反映出的涨、落潮流态基本一致：涨潮时，进入钦州湾的以其湾外西南涨潮流为主，然后在岸线约束下向西北上涨进入茅尾海，最后沿茅尾海内各主要槽道上行进入河道；落潮流基本与涨潮流逆向而行，茅尾海内3股落潮主流汇入中部卡口水域后，向东南泄入外湾水域，外湾落潮主流向亦为西南向。此外，本潮流流态模拟成果与其他学者[15]也是一致的。

2 结果与讨论

钦州湾开发中大片水域的围填以及岸线的调整(图1)，影响周边水域的动力环境，最终将对上游河口区域的防洪纳潮产生一定的影响，主要从特征潮位变化、潮流流速变化及断面潮量变化3个方面进行分析这些影响，采样点及断面布置见图6。

2.1 特征潮位变化

基于数学模型计算成果，统计岸线开发前、后各采样点潮位对比见表1。可见，钦州湾外岸线围填后，茅尾海总体表现为高高潮位降低，低低潮位抬高的变化趋势，潮差减小，即潮流动力减弱。具体而言，位于钦江河口下游t1—t13采样点高高潮位降低0.02～0.04 m，低低潮位抬高0.0～0.07 m，平均潮位抬高0～0.04 m；茅岭江河口下游采样点t14—t18高高潮位降低0.02～0.03 m，低低潮位抬高0～0.01 m，平均潮位基本不变。

表1 钦州湾开发后特征潮位变化 m

钦州湾开发建设后，受其阻水作用，上涨进入茅尾海及河口的潮流减少，同时，洪水下泄阻力增大，洪水位有所抬高。此外，湾外开发对河口特征潮位的影响在各口门非完全对等，进而导致钦江河口各口门分流比改变。

2.2 潮流流速影响

茅尾海水域，尤其是钦江、茅岭江河口区，涨、落潮流速的大小也反映出其纳潮、泄洪能力的强弱，根据计算结果，统计开发前后的涨、落急流速对比见表2。从表2来看，河口湾岸线开发后，上游河口区涨、落急流速均呈减小变化，且变幅上涨急略大于落急，潮流动力有所减弱。具体而言，钦江东侧河口采样点t1—t5的涨、落急流速分别减小0.02～0.05、0.01～0.05 m/s；中部口门(t6—t9)涨、落急流速分别减小0.01～0.02、0～0.01 m/s；西侧口门水域(t10—t13)涨、落急流速分别减小0.02～0.03、0～0.02 m/s；茅岭江河口(t14—t18)涨、落急流速分别减小0.01～0.02、0～0.01 m/s。

表2 钦州湾开发后流速变化 m/s

2.3 断面潮量影响

涨、落潮量大小对于衡量一个水域洪、潮动力的强弱具有重要意义。统计岸线开发前后3个断面的涨、落潮量对比见表3。

表3 钦州湾开发后断面潮量变化

从潮量变化来看，岸线开发后，茅尾海涨、落潮动力亦呈减弱变化。茅尾海上段dm1落潮量和涨潮量分别减小2 569.15 m3(2.59%)、9 541.12 m3(7.73%)，此断面潮量较小，从而变化率较大；中部dm2落潮量和涨潮量分别减小12 184 m3(3.97%)、14 429.43 m3(2.61%)；下段dm3落潮量和涨潮量分别减小15 347.3 m3(2.31%)、16 275.56 m3(0.56%左右)。由于岸线围填位于茅尾海的下游，其对茅尾海涨潮流的阻滞作用大于落潮流，从各断面涨潮量变化大于落潮量。

3 结论

基于二维潮流数学模型，从特征潮位变化、潮流流速、潮量等方面分析了钦州湾岸线开发建设对上游河口洪潮动力特征的影响，主要影响情况如下。

a) 河口区总体表现为高高潮位降低，低低潮位抬高的变化趋势，最大变幅为0.04、0.07 m，潮差减小，潮流动力减弱。

b) 河口区涨、落潮流速均有所减弱；各断面潮量也呈减小趋势，最大减幅在7.73%左右。

c) 总体上，钦州湾岸线开发建设后，河口区动力有所减弱，受开发中围填陆域阻水作用，上涨进入茅尾海及河口的潮流减少，同时，河口洪水下泄阻力增大，洪水位有所抬高。