海棠湾规划水系水体交换能力的数值模拟

姚姗姗，张 鹏， 陈 纯，赵洪波

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2. 中交天航港湾建设工程有限公司，天津 300450）

海棠湾规划水系水体交换能力的数值模拟

姚姗姗1，张 鹏2， 陈 纯1，赵洪波1

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2. 中交天航港湾建设工程有限公司，天津 300450）

以海棠湾规划水系工程为背景，建立了水动力及水体交换二维数学模型，通过模拟示踪剂的浓度变化计算了不同工况下的水体交换率，评价了复杂水系内部的水体交换能力。结果表明：连续潮作用30 d后海棠湾水系整体水体交换率均在69%左右，不同区域水体交换能力分布不均，其中藤桥最佳，铁炉港外港其次，内河水系再次，铁炉港内港最差。

水系工程；海棠湾；数学模型；水体交换率

海棠湾位于中国海南省三亚市东北部海滨，距三亚市区28 km，与亚龙湾、大东海湾、三亚湾、崖州湾并列三亚五大名湾。规划将海棠湾定位为“国家海岸”，以生态资源保护和利用为出发点，建设世界级的高端旅游休闲度假区。本次海棠湾水系工程，南接铁炉港，北接藤桥河口，通过疏浚将两者贯通，形成可通航的内部水系，该水系蜿蜒曲折，自北向南贯通，形态复杂。

水体交换是研究海湾物理自净能力、评价和预测其环境质量的重要指标。工程后，由于内部水系仅通过藤桥河口及铁炉港口门与外海水体进行交换，但由于口门相对狭窄，海棠湾所处琼南海域天然潮差较小，因此水系内部水体交换能力值得关注。本文采用数学模型的研究手段，评价海棠湾规划水系工程建设后的水体交换能力，结论可为有关部门决策提供依据。

1 自然条件及计算方案

图1中示意了海棠湾的地理区位。根据文献[1-2]，海棠湾海岸属典型沙坝—潟湖地貌体系，其中藤桥河至铁炉港口门北侧为大型古沙坝，其走向近似为NNE—SSW，铁炉港为典型潟湖湾，由蜿蜒潮汐通道与外海相通[3-5]。工程海域受南海潮波系统控制，潮汐属不规则日潮。潮汐很弱，实测大潮平均潮差1.20 ～1.37 m，小潮平均潮差仅0.37～0.43 m，大潮全日潮与小潮半日潮共存，较为复杂。潮流运动以往复流为主，但流速整体极低，潮汐通道内流速高于外海。

现状条件下，铁炉港潟湖湾和藤桥河口并不连通，分别纳潮。其中藤桥河口水深较浅，仅在0～1 m左右（国家85高程，下同）；铁炉港口门较深，约在5～7 m左右，潟湖内水深很浅，低潮位存在大量露滩，由于铁炉港口门潮汐通道形态曲折，呈反弯状，不利于外海潮体传入，因此可预计现状条件下铁炉港潟湖湾水体交换能力不强。

海棠湾规划水系工程设有多个方案，本文仅以其中一个方案为例，计算工程建设后水系内部的水体交换情况。方案拟打通铁炉港泻湖、海棠湾内河水系及藤桥河口，使其成为连通水域，仍利用原铁炉港口门及藤桥河口作为潮汐通道，同时为增加规划水系的纳潮能力，保证水道内通航水深，拟疏浚现有铁炉港潟湖水域以及内河水系，挖除铁炉港内港湖心岛，并浚深至底高程-3.7 m（国家85高程，下同），铁炉外港浚深至-5.3 m，其余内河水系统一浚深至-3.0 m。具体方案如图2所示。

2 水动力及水体交换数值模拟

2.1 模拟理论

控制方程采用经Navier-Stokes方程沿深积分的二维浅水方程组，并将紊流作用以涡粘系数的形式参数化，基本方程形式见式(1)～式(3)

其中：h=η+d，η和d分别表示水面高度和静水深；x和y分别表示横轴和纵轴坐标；t为时间；g为重力加速度；分别为沿x和y方向的深度平均流速；f为柯氏力系数；ρ为流体密度；ρ0为参考密度；S为点源流量；us与vs为点源流速；Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算。

式中：Cf为Strickler系数。水平涡粘性系数E采用Smagorinsky亚网格尺度模型求解。即涡粘系数取为

式中：Cs为可调系数，本次研究取为0.28；A为网格面积；Sij与速度梯度相关。

水体交换的模拟采用示踪剂法，即在研究水城内部设置溶解态无降解守恒物质，并考察其在潮流动力作用下的浓度扩散情况。示踪剂输运采用基于欧拉物质输运的对流扩散方程形式，见式(6)

式中：C为物质浓度；Dx和Dy分别为x、y方向的物质扩散系数；F为物质衰减系数，保守物质取F=0；S为点源浓度，本次研究中设为0。

物质扩散系数可采用下式计算求得

式中：Ex=Ey为水平紊动粘性系数；σT为Prandtl数，本次取为1.0。

2.2 模型建立与验证

图1 拟建工程海区形势Fig.1 Project location

图2 方案布置图Fig.2 Planar layout for the project

本次水动力及水体交换建模所选用的数学模型理论可详见文献[3]。模型采用大、小模型嵌套计算的方式，如图1所示，局部模型所需潮位边界数值由大范 围模型提供。其中大模型西至三亚市，东至陵水黎族自治县，外海至-90 m等深线附近，模型尺度东西向约50 km，南北向60 km，局部模型尺度东西向约20 km，南北向约25 km。经统计，用以最终模拟计算的局部模型网格节点为32 960个，最小空间步长为10 m，局部模型网格剖分及插值水下地形图如图3所示。

图3 模型网格剖分及插值水深图Fig.3 Mesh generation and numerical depth before the project

二维水动力数学模型采用2013年7月在海棠湾水域实测的大、小潮水文数据进行了验证，绝大多数验证结果符合相关规程规定[6]，限于篇幅，本文仅给出大潮的验证曲线，如图4所示，详细验证情况可参考文献[7]。

图4 大潮潮位、流速流向验证曲线Fig.4 Verification of tidal level and flow velocity during spring tide

2.3 水动力模拟结果

潮流动力是影响水体交换的重要因素，因此图5给出了大潮条件下工程海域涨、落急流场矢量图，图6～图7给出了铁炉港和藤桥河局部涨、落急流场矢量图，经分析：规划水系形成后，流速平面分布呈现铁炉港进港口门段、藤桥河口附近流速较高，铁炉内港及内部水系流速较低的特征。其中，铁炉港进港口门段最大流速可达1.0 m/s左右，而内部水系除局部受汇流影响流速稍大外，大部分水域不足0.2 m/s；铁路内港流速不足0.1 m/s。从潮流场结果可以初步判断，工程后铁炉港进港口门段以及藤桥河口附近，水体交换相对较好；但铁炉内港潟湖水域，水面的放宽以及大量浅滩的存在使得潟湖内流速整体极低，将不利于内港水体与外海水体的交换，可预测工程后该处水体交换相对较差。

图5 工程后涨、落急流场矢量图Fig.5 Tidal current field at flooding and ebbing after the project

图6 工程后铁炉港局部涨、落急流场矢量图Fig.6 Tidal current field at flooding and ebbing around Tielu port

2.4 水体交换模拟结果

本文通过计算海棠湾内部水系的水体交换率来评价其水体交换能力，模型计算时，假定海棠湾内初始示踪剂浓度为1.0，其他区域为0.0，模拟时段采用连续潮作用30 d。水体交换率定义为自湾内扩散至湾外的物质总量占湾内初始物质总量的百分比即为，统计计算表达式见式（8）

式中：EX为水体交换率；C为物质浓度；D为总水深；i为统计域内的节点编号；N为统计域内的节点总数；j为时刻编号。

图7 工程后藤桥河局部涨、落急流场矢量图Fig.7 Tidal current field at flooding and ebbing around Tengqiao river

图8 给出了水体交换历时曲线，图9给出了不同区域示踪剂浓度分布图。经分析：

（1）总体来说，初始阶段水系内部水体交换速度较快，而后逐渐放缓，距离口门越近，潮流越通畅，水体交换能力相应越强。浓度在平面分布上呈现不均匀性，其中藤桥最佳，铁炉港外港其次，内河水系再次，铁炉港内港最差。

图8 不同统计区域水体交换15 d时间过程Fig.8 Time series of water exchange rate in different area

（2）水体交换15d后，铁炉外港水体交换率可达66%、铁炉内港水体交换率27%、中间内部水系27%、藤桥河水系71%。工况A铁炉内港的水体交换率为27%。海棠湾整个规划内部水系，连续潮作用30d后交换率在69%左右。

（3）工程后不同区域相比较而言，铁路外港、中间内部水系以及藤桥河水系水体交换情况尚且较好，但铁炉内港相对较差。因此，本文所述的规划水系方案仅依靠疏浚措施难以改善铁炉内港局部的水体交换情况，建议在此基础上，于铁炉内、外港之间进一步开挖明渠或铺设管涵，以增强内部水体与外海的流通，达到改善局部区域水体交换的目的。

图9 工程后局部示踪剂浓度平面分布图Fig.9 Tracer concentration distribution after the project

3 结语

本文主要针对海棠湾规划水系工程建成后的水体交换问题进行了数值模拟研究，分析了方案实施后的潮流整体运动规律，计算了规划水系内部不同区域的水体交换率，为相关设计工作提供了参考。得到以下主要结论：

（1）海棠湾呈典型沙坝—潟湖地貌体系，其中藤桥河至铁炉港口门北侧为大型古沙坝，铁炉港为典型潟湖湾，由蜿蜒潮汐通道与外海相通。工程海域受南海潮波系统控制，潮汐属不规则日潮。潮汐很弱，实测大潮平均潮差1.20～1.37 m，潮流运动以往复流为主，但流速整体极低，潮汐通道内流速高于外海。

（2）规划水系自北向南贯通，蜿蜒曲折，平面形态复杂，流速平面分布呈现铁炉港进港口门段、藤桥河口附近流速较高，铁炉内港及中间内部水系流速较低的特征。其中，铁炉港进港口门段最大流速可达1.0 m/s左右，而中间内部水系除局部受汇流影响流速稍大外，大部分水域不足0.2 m/s；铁路内港流速不足0.1 m/s。

（3）水体交换30 d后，海棠湾水系整体水体交换率在69%左右，不同区域相比较而言，不同区域水体交换能力分布不均，其中藤桥最佳，铁炉港外港其次，内河水系再次，铁炉港内港最差。因此，本文所述的规划水系方案仅依靠疏浚措施难以改善铁炉内港局部的水体交换情况，建议在此基础上，于铁炉内、外港之间进一步开挖明渠或铺设管涵，以增强内部水体与外海的流通，达到改善局部区域水体交换的目的。

[1] 中国海湾志编纂委员会，中国海湾志（第五分册）[M].北京：海洋出版社，1992.

[2] 戴志军, 李春初. 华南弧形海岸动力地貌过程[M]. 上海：华东师范大学出版社, 2008.

[3] 薛惠洁，柴扉，徐丹亚.南海沿岸流特征及其季节变化[C]//薛惠洁.中国海岸学文集.北京：海洋出版社，2001.

[4] 杨燕雄, 张甲波. 静态平衡岬湾海岸理论及其在黄渤海海岸的应用[J]. 海岸工程, 2007, 26（2）: 38-46. YANG Y X, ZHANG J B. Static equilibrium headland-bay coast theory and its application to coasts of the Yellow and Bohai Seas[J]. Ocean Engineering, 2007, 26(2): 122-128.

[5] Bruun P, Mehta A J,Johnson I J. Stability of tidal inlets, Theory and engineering[M]. Amsterdam: Elsever Scientific publishing Company, 1978.

[6] JST/T 231-2-2010, 海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].

[7] 交通运输部天津水运工程科学研究院.三亚市海棠湾水动力及水体交换数学模型试验研究报告[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究院，2013.

Numerical study on water exchange ability of planning water system project in Haitang Bay

YAO Shan-shan1, ZHANG Peng2, CHEN Chun1, ZHAO Hong-bo1
(1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology, Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China;2.CCCC TianHang Harbour Engineering Co., Ltd., Tianjin 300450, China)

Taking a planning water system project in Haitang Bay as background, a 2-D numerical model for tidal current and temperature diffusion was set up. Using the method of dissolved tracer variation, the water exchange rate of the Haitang Bay, China was simulated. Then the water exchange ability of the interior water system was evaluated. Research results show that: the monthly water exchange rate of the whole water system of Haitang Bay is about 69%. Different sections show nonuniform distribution, where Tengqiao is the best, Tielu outer port is the second, the internal waterway is the third, and Tielu inner port is the worst.

water system project; Haitang Bay; numerical model; water exchange rate

TV 143；O 242.1

A

1005-8443(2017)03-0252-06

2017-02-16；

2017-03-21

姚姗姗（1987-），女，天津市人，工程师，主要从事河口、海岸及近海工程研究方面工作。Biography:YAO Shan-shan(1987-),female,engineer.