天津滨海旅游区临海新城水系统管理可行性研究

刘亚平，孙林云，刘建军，章卫胜

（1.天津泰达海洋开发公司，天津 300453；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024）

1 概况

1.1 研究的目的、意义

天津滨海新区是中国政府确定的第三个经济发展区，作为国家战略滨海新区定位为中国北方的经济中心，规划建设中的天津滨海旅游区是滨海新区的一个重要功能区，是中国北方滨海休闲总部及国际旅游目的地，临海新城是滨海旅游区重要的组成部分和先期启动区域之一。项目位于渤海湾西北湾顶永定新河口北岸，河口区为典型淤泥质海岸，泥沙运动较为活跃，这里又是风暴潮易发地区，自然条件复杂。

临海新城规划面积35 km2，其中包括28 km2的围海造陆区。鉴于该项目的功能定位，生态环境保持是最重要的建设内容，其中水系统是生态环境改造的首要任务。通过研究，为科学合理地规划、建设、管理好临海新城的水系统提供了科学依据。

1.2 研究区自然条件

天津滨海旅游区临海新城地处天津市滨海新区永定新河口北侧，其中心位置为北纬39°06′、东经117°48′，位于天津市中心以东约50 km，南侧毗邻天津港东疆港区。永定新河是海河流域北系四河 （永定、潮白、北运、蓟运）的共同入海通道，河口呈喇叭形，如图1所示。

新港灯船站1960—1969年的连续风、浪观测资料统计值和中交一航院 （原交通部一航院）1996—2005年在天津港东突堤观测站10年每日24次风速、风向观测资料的统计结果表明，工程区海域的常风向和次常风向方位主要为E～S之间，强风向主要分布在接近于偏东的方向。根据塘沽气象站1970—1999年30年的历年各方位最大风速（10 min平均）资料和1980—2004年（测风点为天津港东突堤）共25 年 8 个方位（即 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW，左右各22.5°的范围内选取）的年大风极值（10min平均）序列，利用皮尔逊III型曲线拟合推算出该站ESE方向上50年一遇的极值风速约为25.1 m/s（取E与SE方向的平均值），相当于海上10级大风。

新港灯塔站（测波站）位于海河口外海海图10 m等深线附近（在工程区东南约20 km）。该站波浪资料对河口区深水波要素有较好的代表性，利用该站连续一年的波浪观测资料进行风浪关系分析和波要素统计表明，本海区波浪以风浪为主，风浪和波浪为主的混合浪年出现频率为72.8%，以涌浪为主的混合浪占26.6%，纯涌浪仅占0.6%，该站常浪向为ESE~S向。

塘沽地区潮汐类型属不规则半日潮，昼夜两涨两落，滞后约45 min，涨潮历时约为5.5 h，落潮历时约为7 h，日潮不等现象明显，河口区潮汐强度中等。永定新河口附近不同时期、不同单位进行过潮位观测。北塘潮位站有1951—1953年3年的观测资料。中交一航院根据1963—1986年六米站及1986—1999年东突堤站共37年潮位观测资料进行统计，得出该海域潮位特征值见表1。河口区潮汐受渤海湾潮波系统控制，具有高潮潮位比较接近、低潮潮位相差较大的特征。工程区平均潮位呈现出明显的季节性变化。每年冬季（10月—次年3月）平均潮位明显较低，最低月均潮位与年均潮位相比约低0.3 m。夏季（4—9月）平均潮位较高，最高月均潮位与年均潮位相比高约0.3m。每年的最低潮位过程出现在冬季，相应最高潮位过程出现在夏季。

表1 塘沽海洋站潮位特征值 m

永定新河口潮流属往复运动，流向比较集中。涨潮时潮水侵入河道，落潮时回流大海，潮流方向与河道走向一致。海域涨潮流向西北 （磁北角320~359°），落潮流向东南（磁北角 131~161°），流向变动范围约在30~40°。口门区受河口地形的影响，流向基本与河槽深泓走向一致，涨、落潮流磁北角分别为275~295°和 120~150°。

天津沿海是风暴潮易发地区之一。从1860年以来的148年中，成灾的风暴潮已超过30次，平均每4年左右就有1次。上世纪70年代以来共遇到5次强风暴潮，分别发生在 1972、1985、1992、1994 和2003年，平均不到8年就发生1次。风暴潮期间增水剧烈、风浪汹涌、潮流流速加大，含沙量急剧增大，并且常伴有强降雨过程。因此，风暴潮不仅对河口泄洪排沥产生极其不利的影响，而且对河口区会造成严重的淤积和环境影响。

永定新河口附近泥沙运动规律研究表明，河口区浅滩上细颗粒泥沙在风浪和潮流动力共同作用下极易被掀起，并随潮汐水流运动在河口附近输移，形成河口区浅滩和河道的冲淤演变过程。

2 物理模型试验

2.1 模型概况

根据试验研究内容要求，物理模型先要模拟河口区附近海域潮汐水流运动，再采用染色水体浓度监测的方法对临海新城概念设计方案“渤海之钻”的规划水系进行潮汐水流作用下水体交换的初步试验。模型根据相似条件、模型研究范围以及试验场地条件确定：外海边界至海图10 m水深外，离岸方向约30 km，沿岸方向河口两侧各约12.5 km。模型研究范围如图2所示，物理模型主要比尺见表2。

表2 物理模型主要比尺

物理模型经过2005年4月海洋水文实测资料的潮位验证、流速验证、流向验证和流态验证，精度符合潮汐水流物理模型试验规程规定的要求，表明物理模型具备复演该地区自然潮汐过程的能力。

2.2 “渤海之钻”概念方案试验

物理模型首先对“渤海之钻”概念方案进行了水体交换模型试验，如图3—4所示。试验工况及结果如下：试验工况一，南堤进水采用宽70 m的明渠，进水口闸宽分别为15和50 m；东堤设立3处出水闸，闸宽为50和80 m。渠底和闸底高程均为-2.0 m（当地理论最低潮面，下同），以水系中央（中心湖）正常维持水位（+2.61 m）为基础，设定交换水位差为0.5 m。试验结果表明，进、出水口门的宽窄对水系内水体循环影响较大，适度加宽进、出水口门宽度，能够增加进、出水量，提高水系内的换水率。试验工况二，在原南堤进水明渠基础上，西侧新增1条宽70 m进水明渠、进水口闸宽分别为50和70 m，东堤3处出水闸选择50或80 m宽度。同时，考虑0.5、1.0 m 2种不同交换水位差。试验体现了增加进水口的优越性。适当增加进水口，可以明显扩大每次换水的区域，提高整个水系的换水能力，加快水系的换水时间。该工况试验还反映出，适当加大换水水位差，可以进一步增加换水量，缩短整个水系的换水时间。

在工况一和工况二试验基础上，进行了优化工况试验。优化思路一：增大换水水位差试验。根据工况一和工况二试验中反映出对水系内水体循环有利的启示，模型又进行了进一步增大换水水位差的优化工况试验，试验中将换水水位差增大至1.5m。优化思路二：调整水系路径试验。调整水系路径试验也是在工况一和工况二试验的基础上进行。从工况一和工况二试验的过程中发现，由于水系的平面布置影响，部分区域的水体置换比较缓慢。在进、出水口位置、大小和交换水位差一定的情况下，通过适当调整水系平面布置，也能起到优化水系换水能力的作用。优化思路三：改变进水口位置试验。在进行单一进水口试验时，发现进水口位置偏东时，水系内南部区域和东部区域水体置换速度明显要大于北部和西侧。因此，试验增加了一组进水口西移的优化试验。试验结果表明，进水口的位置不同对水系内的水体交换也有较明显的影响。优化工况试验探讨了换水水位差、水系路径及换水口位置对水系统内换水效率的影响，为临海新城水系统平面规划设计和“渤海之钻”概念方案的优化提供了重要的科学依据。

3 数学模型计算

3.1 平面二维潮流数学模型概况

数学模型采用笛卡尔坐标系下守恒型平面二维浅水方程：

式中：ζ为潮位，即以参考基面为准的水面位置；H为总水深，即海底到水面的距离，H=ζ+h，h为海底到参考基面的距离别为 x、y方向垂线平均流速，u，v为分层流速；t表示时间；f为科氏系数（f=2ωsinφ，ω 是地球自转的角速度，φ是所在地区的纬度）；g为重力加速度，取g=9.8 m/s2；n 为曼宁系数；εx、εy分别为 x、y 方向紊动粘性系数。

方程采用有限体积法进行离散，水位和流速变量均布置在单元中心。初始条件：采用冷启动，水位为常数，流速为0。边界条件：开边界给定潮位边界，模型计算的边界条件由中国近海潮波模型提供；闭边界满足不可入条件。

模型范围选择为东西37 km、南北65 km，计算域面积约2 400 km2。模型网格采用非均匀三角形网格，最大网格2 500 m，最小网格15 m，图5为数学模型网格平面图。模型计算时间步长1s，紊动扩散系数取5，曼宁系数取0.025。

与物理模型相同，利用2005年4月下旬实测大、小潮对模型进行潮位、流速、流向、流态的验证。验证结果显示，计算模拟的潮位和潮流过程与天然比较吻合，模型计算能够体现现场的潮流运动。

3.2 “渤海之钻”概念设计方案计算

在围垦区域内采用水道将围垦区分割成若干类似“渤海之钻”状人工岛，水域面积约6.85 km2，水域底高程为-2 m。在规划区域西南侧布置一进水口，在东侧布置三出水口，口门宽度均为50 m，口门处均设有闸门，水系内换水控制潮差分别为0.5和1.0 m。当外部水域水位高于水系内水位时循环体系水域进水，此时开启进水闸关闭出水闸；当水系内水位高于外部水域时循环体系水域向外排水，此时关闭进水闸开启出水闸，以上进出水在一定的控制条件下运行。临海新城南侧永定新河口通道布置有航道，开挖底高程为-10 m。

水体交换能力计算：采用示踪粒子相对浓度变化衡量水循环体系内的水体交换能力，其方程采用守恒平面二维水质扩散运动方程（忽略降解项）：

式中：C为示踪粒子垂线平均的浓度，Dx、Dy为紊动扩散系数，可以根据Elder公式 （C'为谢才系数）确定。离散时方程中三项：当地导数、对流项和扩散项与水流运动方程相应各项相同（只需将U换成C）。具体计算时给定水循环系统初始浓度为1，外海为0，通过水体交换观察体系内水域相对浓度变化。水体交换率为：

式中：Vintial为初始水体体积；Vtotal为水循环水域总体积。

“渤海之钻”概念方案水体交换计算结果表明：循环体系内水体示踪粒子平均浓度基本沿着指数型函数衰减。概念设计方案的西北角是水体交换能力最弱的水域，图6是该方案控制潮差为0.5 m时水体交换示意图。此外，还对控制潮差1.0 m工况进行了计算，结果表明，1.0 m控制潮差与0.5 m控制潮差相比更有利于水体交换。

3.3 “渤海之钻”规划方案计算

根据“渤海之钻”概念方案水体交换物理模型试验结果，荷兰德和威公司对该方案水系统布置进行了优化，形成临海新城“渤海之钻”规划方案（如图 7所示），其中水域面积约9.0 km2。相对于概念方案而言，规划方案在水流通道宽度、深度以及设计流路上作了改进，图中不同颜色代表不同河底标高。由图7可见，西侧通道相对较宽，水深较大，目的是便于西北角的水体交换。在水体交换数学模型计算中，规划方案设4个进、出水口。为便于分析，从西往东分别记为①、②、③、④。换水口宽度即闸门宽度为50 m、水系统内换水潮差控制为0.5 m，工况四在永定新河口通道两侧各延长5 km导堤。

数学模型首先对“渤海之钻”概念方案水体交换进行了计算并与物理模型试验结果进行了对比。在此基础上，对“渤海之钻”规划方案进行了计算，数学模型计算中主要针对进出水方式、控制潮差、闸门宽度以及周边工程等因素。通过计算研究不同因素对循环体系水体交换的影响，继而确定满足设计水体交换的较合理的闸门运行方案和水系统控制潮差。

数学模型计算大致分为西进东出和东进西出共4种工况，见表3和图8。为便于比较，计算中各工况均采用0.5 m控制潮差，且进、出水通道均按50 m考虑。计算结果表明：①各工况在开始2 d内水体交换率基本一致，第3天开始体现差别；在开始5 d内水体交换率随时间逐渐加大，说明水体交换较快，第6天开始逐渐趋缓。除工况三外，各工况交换15 d最终结果差别不大，水体交换约80%左右。②相对而言，西进东出结果稍好于东进西出。其原因主要是从东侧排出的水体易于在外海扩散，而西侧河口通道内排出的水体不易扩散进而对进水口产生影响。③②进，①、③、④出的工况四，通道口门两侧延长了导堤，该工况换水效果既不同于西进东出的工况一，又不同于东进西出的工况二。总体而言，在不考虑其他因素和外海水质的情况下，计算结果显示，只要采取适当的闸门调控，各工况均能实现临海新城水系统水体与外海水体交换的目的。

表3 规划方案数学模型计算工况

4 结语

通过对天津滨海旅游区临海新城“渤海之钻”概念方案水系统水体与外海可控制交换特点及其基本规律物理模型初步试验，基本摸清了潮汐水动力在新城建设水循环系统管理中的作用以及影响临海新城水系统水体交换主要因素。在此基础上，通过水体交换数学模型对“渤海之钻”概念方案优化设计进行了计算，初步结论如下：

图8 “渤海之钻”规划方案数学模型计算工况换水效果

（1）永定新河河口地区海域水文泥沙环境非常复杂，在该区域进行较大规模围海造陆工程进行相应的水系统水体交换试验研究是非常必要的。

（2）研究结果表明，天津滨海旅游区临海新城“渤海之钻”方案的水循环系统可行性进行科学初步论证是可行的。物理模型试验和数学模型计算可以有效地预测规划设计方案的利弊，为临海新城的规划、设计、建设提供科学依据。

（3）文中的研究方法和技术路线对类似滨海地区海域使用中团块多岛式围海造陆工程内部水循环生态系统保持的论证具有参考意义。