砂坝潟湖海湾水交换能力的数值模拟研究——以茂名博贺湾为例

陈宏洺，张淑华，何 杰

(1.河海大学 海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院， 南京 210098；3.南京水利科学研究院，南京 210029)

随着经济发展和渔港渔业、工业码头迅速发展，导致博贺湾水体富营养化上升，未来港区规划改变近海岸线布置。人类活动、围海造地、工业码头用地和海岸渔业都将影响海湾的有效水域面积和港湾水交换情况，对海湾生态系统、港口和航运等有重大影响。水交换能力是评价海湾环境容量和环境质量的重要指标[1]，交换能力的强弱直接关系到海湾的水质状况。

目前已有多名国内外学者开展了对河口、港湾水域的水交换研究，曾相明[2]等基于POM模型的基础上,计算了不同时期的纳潮量和水交换能力，得到较长时间段内实施的大量围填海工程纳潮量和水交换累积影响明显；陈振华[3]等在POM模型的基础上建立了水质模型，模拟钦州湾的水交换过程，结果表明钦州湾水交换能力整体上较强；张学庆[4]等基于EFDC模型,利用水龄概念,研究潮和风对海州湾及毗邻海域水交换的影响；姚姗姗[5]等通过模拟示踪剂的浓度变化，模拟了海棠湾规划在不同工况下的水体交换率，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；Ren[6]等建立三维水龄模型，模拟了不同动力条件下珠江口的水交换过程。何杰[7]等数学模型模拟了珠江口南沙港区挖入式港池的水体交换，模拟结果表明港池尾部水体交换率最低。董礼[8]先以溶解态的保守性物质作为湾内水的示踪剂，建立对流-扩散性的海湾水交换数学模型。戴志军[9]等利用Gorden关系式，从茂名海域相卫星影像定量反演了表层悬浮泥沙浓度的时空分布特征，结果表明茂名沿海水体表层悬浮泥沙浓度偏低,一般低于200 mg/L。

对博贺湾海域的潮流流场、水交换能力的科学认识是对其科学合理开发的重要基础，开展评估博贺湾污染物输运及水交换能力具有重要的科学意义。博贺湾为单口门海湾，较易存在水交换不畅的问题，国内外针对博贺湾海域水交换能力的研究相对较少。本文建立了覆盖博贺湾及其附近水域的平面二维潮流数学模型，在对近期实测水文资料验证的基础上，模拟了博贺湾水交换过程及其动力机制，分析了海湾的潮流、纳潮量，文中采用一个大潮型作为分析博贺湾水体交换。

1 博贺湾自然条件

博贺湾位于广东省西部茂名市电白区境内，东与阳江市的海岸相接，西与水东港砂坝潟湖海湾毗连，当地深水离岸较近，潮汐动力不强，陆源来沙极少，砂质海床覆盖大部分海区，水体含沙量很低，是广东省优质海湾。博贺湾是一个典型的砂坝潟湖海湾，其地貌单元包括西侧尖岗岭—博贺的大砂坝和东侧东阁岭—莲头岭的连岛砂坝、面积约36 km2的潟湖、指向西南方向槽长约2 km的潮汐通道以及口门外侧由砂咀和拦门沙浅滩组成的的水下落潮三角洲。博贺湾属弱潮海区，平均潮差为1.05～2.80 m，最大潮差3.24 m，流运动形式总体上为往复流，受海岸地形影响，莲头岭以东海域涨潮流向指向西偏南，落潮流向指向东偏北，绕过莲头岭后涨潮流向指向西偏北，落潮流向指向东偏南。博贺湾内存在大片浅滩，落潮期间会露出水面。

图1为博贺湾水深及潮位、潮流观测站位分布图，T1,T2,T3为潮位测站，主要位于港池内，H1～H6为潮流观测站，分布为博贺湾外。博贺湾的潮流属不正规半日潮流，为略带旋转的往复流运动，有明显的驻波特征，涨落潮转流出现在高、低潮平潮时刻，涨潮流历时普遍大于落潮流历时，涨潮平均流速一般均要大于落潮平均流速，2018年4月底水文实测各潮流站潮垂线平均流矢量图如图2所示。茂名博贺湾由于没有大河入海，陆域来沙较少，泥沙主要以岸滩供沙为主。2004年10月实测平均含沙量为0.052～0.106 kg/m3，2018年5月实测平均含沙量为0.00～0.034 kg/m3，海域实测悬浮泥沙含量很小。

图1 博贺湾水深及潮位、潮流观测站位分布Fig.1 Water depth and location of tide and tidal current observation in the Bohe bay图2 附近海域各潮流站实测流速矢量Fig.2 Observed velocity vectors at observation stations nearby sea area

2 平面二维潮流数学模型

2.1 控制方程

在笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，在水域面积较大的开阔水域，平面尺度远大于垂直尺度。将平面二维水流运动和物质输运方程写成如下的向量表示形式

(1)

式中：U=(d,du,dv,ds)Td为全水深d=h+ζ(h为水平面以下水深；ζ为潮位)；

2.2 数值求解

数值求解采用有限体积法对水沙方程进行离散求解，实质就是以单元为对象进行水量、动量和沙量的平衡，计算结果精度高，能处理含间断或陡梯度的流动。为了计算上的方便，统一采用三角形单元对计算区域进行离散，并将单一的网格单元作为控制元，物理变量配置在每个单元的中心。

将第i号控制元记为Ωi，在Ωi上对向量式的基本方程组(1)进行积分，并利用Green公式将面积分化为线积分，得

(2)

沿单元边界线积分可以表示为三角形各边积分之和

(3)

式(3)的求解主要分为三个部分，一是对流项的数值通量求解，二是紊动项的求解，三是源项中底坡项的处理。对流项基面数值通量的求解格式有多种，这里采用Roe格式的近似Riemann解[10]。浅水方程的紊动粘性项采用单元交界面的平均值进行估算[11]，底坡源项采用特征分解法处理[12]。

2.3 水交换数值模拟

利用面源示踪剂为保守性物质，建立博贺湾水交换的数值模式，在计算过程中不考虑总投放物质量衰减，随水流运动、地形水深进行扩散和输移。设海湾初始浓度场为C(x,y,d,t0)，瞬时浓度场为C(x,y,d,t)。则不同时刻，不同位置的湾内水被外海水(示踪物浓度为0)置换的比率R(x,y,d,t)为

(4)

若设C(x,y,d,t0)=1.0 mg/L，则(4)简化为

R(x,y,d,t)=1-C(x,y,d,t)

(5)

3 网格剖分及模型验证

3.1 网格剖分及模型参数

图3 网格剖分效果示意Fig.3 Splitted grids of model

茂名博贺新港西区处在博贺湾内，东区处在莲头岭以东。数学模型东边界设在水东湾以西，西边界位于沙扒港以东，南边界设在莲头岭以南20 km的外海一线。数学模型东西长度49 km，南北向30 km，控制范围面积接近1 300 km2。计算区域共划9万余个三角形网格，对博贺湾外海域水面宽阔，采用较为稀疏的大尺度网格剖分，最大尺度为1 000 m(剖分效果见图3)。对港区内主要水域进行网格加密，网格最小尺度为20 m。这种非结构网格划分法可以克服矩形网格锯齿形边界所造成的流动失真，也可以避免生成有结构贴体曲线网格的复杂计算和其他困难。模型计算参数如表1所列。

图4 博贺湾水域示踪剂布置范围示意Fig.4 Schematic diagram of tracer layout range in Bohe bay

表1 模型计算参数Tab.1 Model calculation parameters

3.2 示踪剂布置

模拟在博贺湾和博贺渔港布置面源示踪剂，水域面积34.2 km2，初始浓度为1.0，在潮流作用下，与外海示踪剂为0的干净水交换，布置示意图如图4。模型计算结果的浓度值为示踪剂指标，即原始物质经过扩散输移过程后的残留度。博贺湾内水深较浅，落潮期间湾内有大片浅滩露出水面，面源示踪剂将随水体流出博贺湾，落潮期间会露出水面，由于数模中设置了最小阈值水深来控制干湿，这种方式将导致物质浓度的不守恒，误差对于结果影响较小。即假定示踪剂完全随水流运动，在示踪剂流出博贺湾时在浅滩海床上不会有残余粘附。

3.3 模型验证

潮流泥沙数学模型与天然相似的条件，主要取决于模型计算出的潮流场和含沙量场与实测结果的吻合程度。通过2018年4月底的夏季大潮水文泥沙实测资料对数学模型进行率定。该次水情组合有3站潮位和6条垂线的流速、流向资料可供模型验证，潮位站位置分布见图1。

图5为模型采用夏季大潮水情对潮位站实测潮位、垂线流速和流向过程的验证。图5中列举了T1,T2,H1,H2潮位验证过程，模型得到潮位过程与天然情况基本吻合，模拟各条垂线的流速、流向过程模拟与实测趋于相似。计算得到个别站位外其他站的高、低潮位计算值与实测值误差均在±0.10 m范围以内；垂线涨潮、落潮平均流速的计算值与实测值相差均在10%以内；验证结果总体符合数学模型的精度要求。

4 博贺湾水动力分析

4.1 流态变化

图6中列举了现状条件下水域平面涨落潮流场分布，涨落潮的平均流速是垂向平均流速在整个涨潮时间内或落潮时间内的流速平均值。由图6可知在湾口水域形成涨潮流由西北转向东北、落潮流由西北转向西南的主流流态，其因为莲头半岛类似一条巨大的钩头丁坝，使进出博贺湾的潮流绕着坝头作贴岸运动。博贺湾入口处深槽水域流速较大，涨落潮最大流速可分别达到0.8 m/s左右；博贺湾内浅滩水域流速相对较弱，流速普遍在0.2 m/s左右；落潮过程中，落潮流沿湾内潮沟向湾外出流，博贺湾内有大片浅滩露出水面。

5-a T1潮位过程验证5-b T2潮位过程验证5-c H1流速过程验证

5-d H2流速过程验证5-e H1流向过程验证5-f H2流向过程验证图5 潮位、流速和流向过程验证Fig 5 Verification of tide level, flow rate and flow direction

6-a 涨急时刻 6-b 落急时刻图6 博贺湾水域平面流态Fig.6 Flow pattern of Bohe bay waters

4.2 水交换能力

水交换能力反映了一个半封闭海湾接受外来“新水”的能力，是衡量海湾自净能力大小的重要指标。2018年5月份夏季大潮水情时为例，图7显示的是现状条件下踪剂随时间分布典型情况可知，投放初期在一个潮周期的高潮位；在投放后6 h达到低潮位，落潮期间有大片浅滩露出水面，绝大部分示踪剂随深槽集中在湾外，在莲头岭北侧湾澳处有残留；在投放后13 h经历下一个涨潮，水体大部分随着涨潮流重新进入博贺湾，部分水体被莲头岭隔开后向南流；在投放后19 h，再次退潮水体绝大部分离开博贺湾，湾外示踪剂浓度相比6 h减弱，部分水体绕过莲头岭向东南方向拓展。博贺湾水体示踪剂指标值随涨、落潮变化，落潮期间指标值下降，涨潮期间指标值上升，博贺湾水体示踪剂指标值整体上呈减小趋势。示踪剂在涨、落潮过程中不断进入和退出湾口，博贺湾内示踪剂的指标在不断下降，部分示踪剂随东南向落潮流进入到莲头岭以南水域。表明博贺湾具有良好的水体交换能力。

7-a 投放初期7-b 投放后6 h

7-c 投放后13 h7-d 投放后19 h图7 博贺湾示踪剂随时间分布情况Fig.7 Tracer distribution over time in Bohe bay

8-a 投放初期8-b 投放后6 h

8-c 投放后13 h8-d 投放后19 h图8 粤西沿岸流作用示踪剂分布情况Fig.8 Tracer distribution along the coastal flow in the West Coast of Guangdong Province

4.3 沿岸流对水交换影响

粤西近岸地区常年均存在一股向西流动的沿岸海流，称为“粤西沿岸流”。粤西沿岸流由于受到风及外海海流格局的影响，有显著的季节变化；杨毅等[13]分析了粤西沿岸海流特征，粤西沿岸海流主要为西南向流，只有在夏季西南季风较大时才会有东北向流；杨士瑛等[14]研究发现粤西沿岸流对径流、污染物等运移和扩散起着决定性的作用；本次模拟了夏季一个潮周期在沿岸流作用下的博贺湾典型时刻的水交换变化情况。

如图8所示，分别选取了4个典型时刻可以看出涨潮流绕过莲头岭东北向进入博贺湾，落潮流则西南向流出博贺湾后，沿岸线方向继续向西南流动。由于落潮流方向的改变，沿岸流将会一定程度上对博贺湾水交换影响。博贺湾内示踪剂随落潮流流出湾口，在沿岸流作用下，示踪剂偏向西侧流动，对比图7可知在沿岸流作用下水体交换能力有一定的增强；涨潮期间，部分示踪剂随张潮流进入博贺湾，仍有一部分残留在水东湾与博贺湾之间的近岸水域；再次退潮过程中，大部分示踪剂已完全流出博贺湾，且向西移动范围超过了水东湾，说明了粤西沿岸海一定程度上加强了博贺湾水体交换的能力。

5 博贺湾规划对水交换影响

根据茂名博贺新港区总体规划[15]，未来博贺港东侧白沙头至南侧莲头岭沙咀沿岸均规划有填海项目。博贺湾内，采用顺岸布置，主要规划装备制造等临港产业，博贺湾规划完成后，博贺湾内填海面积为7.8 km2，航道、港池开挖面积为3.9 km2，开挖底标高为-10.0 m，进出港航道的航槽底宽为200 m。小面积填海工程对海湾纳潮量和流场的影响不大,但较长时间段内多个围填海工程累积起来的影响却比较明显，本文探讨了博贺湾港东、西区的各类码头规划完工后对湾内水动力的影响。

表2 博贺湾各断面纳潮量统计Tab.2 Tidal prism in each section of Bohe bay

5.1 纳潮量变化

由于海洋的潮汐现象，一个潮周期内把从低潮到高潮海湾所能容纳海水的量称为纳潮量，对海湾内的生态、环境及冲淤变化等方面的意义重大。纳潮量的大小可以直接影响海湾与外海的交换程度,从而制约海湾的自净能力，因此对维持海湾的良好生态环境至关重要。由表2统计了博贺湾和博贺渔港两个断面(位置见图4所示)在现状、规划方案实施后的纳潮量及其变化幅度。通过对比可以看出：在低潮位博贺湾中水体潮量为14.9亿m3，在高潮位潮量为64.1亿m3，即一个涨潮过程中，博贺湾有78.78%的新水涌入博贺湾中；在规划实施后，DM1断面纳潮量减小0.42%，博贺渔港及其内湾纳潮量基本不受博贺新港规划工程的影响；博贺湾断面DM2潮量将减小16.4%，这是由于博贺新港规划工程西区陆域围填面积达到7.8 km2，围填范围超出莲头岭的西北角，影响水体进出港湾。

5.2 水交换变化

模拟湾内初始示踪剂浓度为1.0，通过数学模型模拟半月连续潮的水体交换过程，模型计算过程中的潮流控制边界条件，如图9所示采用15 d实测潮位资料进行分析，连续半月潮中包括若干大潮、中潮、小潮，模拟时间为15 d，分别模拟了两种工况在博贺湾水体交换情况。

由图10可对比两种工况在博贺湾水体示踪剂指标，可以看出：由于博贺湾规划实施后水域面积有所减小，港池水域示踪剂在落潮期间仍留在原处，涨潮期间示踪剂随涨潮流重新进入博贺湾，落潮期间港池水域的示踪剂比较难以随落潮流流出湾口，因此，港池水域的水体交换能力相对要差一些；水交换速率在示踪剂投放初期会比现状条件弱一些，但后期水交换情况基本与现状一致；现状条件下一个全日潮大潮水情的水体交换率达到69%，中潮水情下水体交换率达到55%，小潮水情下水体交换率达到43%，由于大小潮的不同潮位过程、不同潮汐动力造成水体交换率随着潮汐变化而变化；博贺湾达到90%水交换的时间为3～4 d，达到50%水交换时间为0.5 d，进一步说明了博贺湾具有良好的水体交换能力。

图9 博贺湾潮位过程线Fig.9 Tide level process line in Bohe bay图10 博贺湾水交换时间的示踪剂指标变化Fig.10 Change of total tracer during the water exchange process in Bohe bay

6 结论

本文建立了博贺湾二维水质模型，通过与实测资料对比，证明了模型的可靠性。利用模型研究分析了规划对于博贺湾水动力环境的影响，可得：

(1)现状条件下博贺湾内存在大片浅滩，落潮期间会露出水面，湾内布置的面源示踪剂大部分会随落潮流到湾外，大潮水情下一个全日潮过程湾内水体交换率达到69%，中潮水情水体交换率达到55%，小潮水情水体交换率达到43%，博贺湾总体上水交换情况良好。

(2)博贺新港规划阶段实施后，陆域围填面积达到7.8 km2，湾口断面纳潮量将减小16.4%；博贺渔港及其内湾纳潮量基本不受博贺新港规划工程的影响。

(3)规划实施后，水交换速率在示踪剂投放初期会比现状条件弱一些，后期水交换情况基本与现状一致，这也进一步说明了博贺湾具有良好的水体交换能力。