深圳湾滩涂开发利用对水体交换能力影响研究

陈睿智，刘壮添，王 未

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611)

1 概述

从水动力的角度看，滩涂开发利用会直接减少水域容积，对水动力环境产生明显改变，尤其是对于河口湾这种水动力条件复杂的半封闭的海岸水体，河口湾物理自净能力对滩涂资源的开发利用程度极为敏感，是河口湾滩涂资源的开发利用合理性的重要评价指标。

目前，用于分析河口湾水体交换和自净能力的数值计算方法主要有箱型模型法[1]、拉各朗日质点法[2]和对流-扩散型的水体交换法[3-4]。箱型模型法的前提是假设湾外的海水一旦流入湾内即与整个海湾内海水充分混合，而实际海水水质具有不均匀性，所以进入箱内的水体不能与原有水体完全混合，因此用箱式模型可能会高估海域的水体交换能力。拉格朗日质点法可以反映各流体质点的空间运动特征，但忽略了扩散过程，因而在近岸弱流区往往会低估海水的水交换能力。对流-扩散型的水体交换法较好地反映了水体交换的物理过程，但无法定量反应海湾内各点的水体交换能力。考虑到河口湾同时受径流和潮汐影响，水动力条件复杂、水体交换能力空间差异较大的特点，采用上述方法进行河口湾水体交换能力分析具有一定的局限性。

为在充分考虑对流-扩散物理过程的同时，体现拉各朗日质点法在空间特性上的优势，本文在二维的水动力学模型和对流扩散模型的基础上，采用基于组份浓度的方法[5]计算水体微团自进入河口湾以来到流经湾内各点所需的时间，即水龄[6-9]。以水龄作为反应水体交换能力的指标，选择滩涂开发利用程度较高的深圳湾作为河口湾的典型代表，来分析河口湾滩涂开发利用对水体交换能力的影响。

2 研究区概况

2.1 基本情况

深圳湾是珠江河口伶仃洋东部的河口湾[10]，位于深圳市西南，水域面积约为92 km2，东北-西南走向，其西北部水域属深圳经济特区，东南部水域属香港特别行政区。

深圳湾属于典型的河口湾，其水流特性受到河流径流和潮汐的共同影响。汇入深圳湾的主要河流有深圳河、元朗河(香港)和大沙河等，总集水面积约为659 km2。深圳湾湾口与伶仃洋相通，潮汐属不规则半日潮，距其最近的赤湾站多年平均高、低潮位分别为0.49 m和-0.87 m。

2.2 滩涂开发利用情况

根据历年地形和遥感影像资料分析，深圳湾的滩涂开发利用始于解放初期，随着深圳经济特区的成立，深圳湾的滩涂开发利用速度逐渐加快，1979—1989年开发利用面积为4.38 km2，其中主要是蛇口港和赤湾港区的开发，面积为2.23 km2。随着深圳市社会经济的高速发展，在20世纪90年代10 a间，深圳湾北岸的滩涂开发利用速度达到顶峰，1989—1998年深圳侧的滩涂开发利用面积达到12.33 km2。1998年以后，滩涂开发利用速度有所下降，1998—2012年，滩涂开发利用面积为7.85 km2。深圳湾1960—2012年滩涂开发利用情况见图1。

图1 深圳湾1960—2012年滩涂开发利用示意

根据深圳湾滩涂开发的历史情况，本文设置滩涂开发利用初期(1986年)和滩涂开发利用现状(2015年)2个模拟工况，采用同期遥感图提取的岸线数据和实测水下地形资料进行建模分析。2个工况下滩涂开发利用和地形概化结果如图2所示。

a 开发初期 b 开发现状

2.3 水文资料

考虑不同水文组合条件对深圳湾水体交换能力的影响，选择洪季大中小潮和枯季大中小潮2种典型水文组合进行分析计算，典型洪潮组合见表1所示。

表1 典型洪潮组合

深圳湾内考虑径流量较大的深圳河、大沙河和元朗河的径流影响，由于这几条河流无水文测站，在模拟计算中采用设计流量进行考虑。洪季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用对应P=50%的洪峰流量为897 m3/s、236 m3/s、234 m3/s恒定值。枯季大中小潮情景下，深圳河、大沙河、元朗河采用对应的多年平均流量为9.91 m3/s、2.85 m3/s、2.88 m3/s恒定值。

3 模拟方法及计算成果分析

3.1 计算方法

为减小外海边界条件误差对深圳湾潮流动力的影响，本项目在构建了整个伶仃洋的二维水动力模型和对流扩散模型。在此基础上在深圳湾湾口持续释放C1、C22种组分的物质，2种组分的浓度相同，其中C1为保守性物质，C2为非保守性物质，采用基于组分浓度的方法计算不同水文条件和不同滩涂开发利用条件下深圳湾的水龄分布情况。

1) 二维水动力学模型

在笛卡尔坐标系下，根据静压和势流假定，沿垂向平均的二维水流基本方程表述如下形式[11]：

(1)

(2)

(3)

式中：

H=ζ-Z0，H——水深;

ζ——某一基准面下的液面水位;

Z0——某一基准面下的河床高程；

f——科氏力系数；

c——谢才系数；

Nx、Ny——涡粘系数。

2) 对流扩散模型

对流—扩散模型的基本方程如下：

(4)

式中：

c——保守物质浓度；

u、v——分别为x、y方向的水平速度分量；

h——水深；

Dx、Dy——分别为x、y方向的扩散系数；

F——线性衰减系数；

S——实际计算中根据两种情况有对应的含义，即为Qs或(cs-c)；

Qs——源/汇的流量；

cs——源/汇的保守物质浓度。

每个时间步的u、v、h值由水动力学模型提供。对流扩散模型的初始浓度：

Φ(x,y,0)=Φ0(x,y)

(5)

式中：

Φ——污染物的浓度；

Φ0——初始时刻污染物的浓度，一般为一个平均数。

3) 基于组分浓度的水龄计算方法

本项目采用基于组份浓度的方式，计算水体微团自进入深圳湾湾口到流经湾内各点所需的平均时间，即该点的平均水龄。具体计算方法为模拟在深圳湾湾口持续释放C1、C22种组分的物质，两种组分的浓度相同，其中C1为保守性物质，衰减系数设为0，C2为非保守性物质，衰减系数设为k，采用以下公式估算各点平均水龄[5]：

(6)

式中:

mean age——监测点的平均水龄;

k——C2组分的衰减系数;

CDECAY——监测点C2组分的浓度;

CCONSERVATIVE——监测点C1组分的浓度。

随模拟时间的推移，由于湾内各点C1、C22种物质的浓度比例趋于稳定，上述公式计算结果会趋于一个定值，该定值为监测点的平均水龄。

3.2 计算结果与分析

通过模型计算，滩涂开发利用初期情景深圳湾洪季水龄变化范围在0～60 h范围内，最大值出现在海湾西北角处，现深圳湾体育中心处；枯季水龄变化范围在0～203 h范围内，最大值出现在海湾东北角，深圳河和元朗河汇入处。滩涂开发利用现状情景深圳湾洪季水龄变化范围在0～63 h范围内，最大值出现在海湾最北侧滨海大道沿岸处；枯季水龄变化范围在0～181 h范围内，最大值位置与开发初期一致，出现在海湾东北角，深圳河和元朗河汇入处。2种滩涂开发利用条件下洪季水龄分布对比如图3所示，枯季水龄分布对比如图4所示。

a 开发初期 b 开发现状

a 开发初期 b 开发现状

从水龄总体分布看，在4组计算情景中，深圳湾水龄分布均呈现出由湾口至湾内逐渐增加的趋势。同一位置枯季水龄明显大于洪季水龄。为便于分析，在从深圳湾至湾内布置8个采样点，各采样点分布见图5。

图5 水龄采样点分布示意

各采样点水龄及变化情况见表2。从统计结果可以看出，“2005.6”洪季条件下采样点平均水龄由开发初期的27.3 h增加到开发现状的37.0 h，变化率为31.6%，“2001.2”枯季条件下采样点平均水龄由开发初期的91.1 h增加到开发现状的96.6 h，变化率为8.9%。从水龄变化趋势可以看出，无论是洪季还是枯季水文条件下，滩涂开发利用降低了深圳湾湾内与湾外的水体交换能力，洪季变化幅度更加明显。将该结果与纳潮量变化进行对比，在同一个典型涨落潮周期中，4种计算情景下深圳湾湾口断面的累计涨落潮流量变化范围在-25.50%～-30.24%。说明深圳湾水龄变化趋势与滩涂开发利用导致的海湾纳潮能力变化有一定关系，纳潮能力下降，湾内水龄值则升高，水体交换能力降低。

表2 采样结果统计

在不同水文条件下，深圳湾的水动力条件有明显区别。洪季深圳湾的水体交换能力受到湾口潮汐动力和湾内河流径流的共同控制，动力条件复杂。枯季径流作用较弱,其水体交换能力主要受潮汐动力控制。不同的水动力条件影响下，滩涂的开发利用对深圳湾水体交换能力的影响也有所不同见图6～图7。

a b

图7 不同水文条件下采样点水龄变化值示意(2015—1986年)

从湾口到湾内的水龄变化情况看，相对于开发初期，开发现状条件下洪季深圳湾湾口处水龄无明显变化，水龄变化值自湾口至湾内呈逐渐增大趋势，水龄增加幅度最大区域位于深圳湾最内侧海滨生态公园—福田红树林自然保护区一带，最大水龄增加值约为28 h；枯季深圳湾水龄变化情况与洪季有所不同，水龄变化值由湾口的0 h迅速增加到海湾中部窄口处(现深圳湾大桥附近)达到最大值，约25 h，之后变化值开始均匀下降，至海湾最内部水龄变化值出现负值，最大减小值约为22 h，水龄减小的区域集中在海湾最内侧福田红树林自然保护区—香港尖鼻嘴之间水域。

从对近岸水龄的影响情况看，从图6a可知，在洪季水文条件下深圳湾滩涂开发利用程度较高的深圳侧的水龄增大值明显大于开发利用程度较低的香港侧；而在枯季水文条件下图6b，除深圳侧蛇口集装箱码头-东角头一线的部分岸线凹凸变化较大处水龄变化值较大，其余近岸处水龄变化值相对于香港侧无明显区别，水龄变化最大区域出现在海湾的中部。

4 结语

本文在伶仃洋二维水动力学模型和对流扩散模型基础上，采用基于组份浓度的方法计算深圳湾滩涂开发利用对水龄分布的影响。主要结论如下：

1) 滩涂的开发利用导致深圳湾总体的水体交换能力降低，在洪季表现更明显。相比于开发初期，开发现状深圳湾平均水龄在洪季水文条件下增加9.8 h，增加幅度为31.6%，枯季水文条件下增加5.5 h，增加幅度为8.9%。

2) 不同水文条件下，滩涂的开发利用对水体交换能力变化空间分布的影响不同。相比于开发初期，开发现状深圳湾洪季水龄变化值自湾口到湾内逐渐增大，对湾内影响最大，最大增加值约28 h。滩涂开发利用程度较高的深圳侧近岸水域水龄增加幅度明显较大；枯季水龄变化值自湾口到海湾中部逐渐增大，到海湾中部达到最大值，约25 h，之后逐步减小，到海湾最内部呈现负值。近岸水域影响小于海湾中部水域。