湾口建闸海湾水体交换及景观水位数值模拟

佘小建，崔 峥

(南京水利科学研究院，江苏 南京 210024)

20世纪50—70年代，我国沿海进行了大量的围填海工程，促进了渔业和农业发展，但也带来了生态环境问题。近年，为了改善生态环境以及为满足城市发展建设需要，部分沿海城市提出了退围还海工程。拆除海堤恢复海湾，但海堤拆除后大幅度的潮位变动对近岸景观和亲水性会产生较大影响，为此有的在湾口建闸控制湾内潮位变动，通过设置景观水位改善以上问题，但这将带来了湾内的水动力及水体交换条件下降。如何设置合适的景观水位，同时又要保证湾内一定的水动力及水体交换条件是一个新的研究课题。

余明勇等(2015)提出了城市湖泊景观水位的概念，认为主要从视觉上对城市景观起美化作用，定义为将城市湖泊形态、水面面积维持在一定幅度并与湖泊水景观功能区划相适应所需的湖泊水位[1]。李旭东等(2015)从河岸带的景观功能需求出发，考虑通航及取水等河道管理基本目标，提出了结合战略点识别及模糊隶属度评价的河道生态水位定值方法[2]。阮洲等(2018)从深入探讨城市湖泊景观与防洪的协调关系，原则提出动态及静态景观水位方案[3]。厦门东西溪下游为感潮河段，张青(2014)通过水量平衡分析提出厦门市东西溪城区河道近远期维持景观水位调配思路[4]。吴寿荣(2011)分析指出广州河涌用人工操控涌内景观水位不仅可以有利防治污水，还可帮助调控城市气温和相对湿度，营造较好景观和水环境，提高防洪能力改善排水条件，但均没有做深入的研究[5]。目前对景观水位的研究主要集中在河流和湖泊，对海湾景观水位的研究鲜有报道。本研究以厦门马銮湾为例，从水动力及水体交换角度对马銮湾景观水位进行了研究，研究方法和成果可供类似海湾景观水位设置及水体交换研究借鉴。

厦门位于台湾海峡中部，为岛屿城市。马銮湾位于厦门西海域西北部。为适应厦门城市发展，马銮湾片区将建成马銮湾新城，形成城市的副中心，同时马銮湾海堤打开，增加水域面积6.1 km2，湾口建有9孔挡潮闸，马銮湾规划水域布置见图1。厦门海域潮差大，平均潮差约4 m，大潮潮差超过5.3 m[6]，大幅度的潮位变动对近岸景观和亲水性有较大影响，为此考虑在马銮湾内设置景观水位，通过闸门控制正常条件下马銮湾内的最低水位，以改善景观。景观水位的设置减小了湾内潮差，会影响到湾内的水动力及水体交换条件，为此需开展潮流数学模型计算，从水动力及水体交换角度给出景观水位的建议[7]。

1 平面二维潮流数学模型与条件

1.1 基本方程

① 连续方程：

图1 马銮湾规划方案水域布置Fig.1 Layout of the planned water area for Maluan Bay

②运动方程：

③对流、扩散输移方程：

式(4)中： C为污染物浓度；H为总水深(m)；Dx、Dy分别为沿x、y轴向的水平涡动分散系数。

1.2 模型范围和网格

数模范围：根据研究内容要求，模型涵盖整个厦门湾和围头湾等海域，模型涵盖水域面积约1 500km2。采用有限体积法求解数学模型，模型计算区域离散采用非结构三角形网格，研究区域内平均网格尺度约70m，最小网格尺度为10m。模型范围和网格见图2。

1.3 边界控制及主要计算参数

① 模型边界控制。模型闭边界采用干湿判别的动边界，模型开边界采用潮位控制，开边界为厦门湾流会—围头角连线，开边界的潮位过程由后石和围头实测资料提供，并根据验证结果进行适当调整。②主要计算参数。模型糙率为0.015～0.030，模型最小计算时间步长0.01s。

1.4 模型验证

选择2014年10月在厦门东西海域开展的一次大、小潮水文观测资料为潮流数学模型验证资料，水文测验设置了5个潮位站和9个垂线测站(图3)。

图4、5为大潮验证结果。受高集海堤开口施工影响，除6、7站流速验证结果稍有偏差外，潮位及其他测站流速、流向验证结果良好。

1.5 研究思路

从景观及亲水性看，湾内潮差应尽量小，即景观水位应适当高些，但水位太高会影响到湾内水动力和水体交换，因此需要设法寻找合适的平衡点，在满足水动力和水体交换条件下尽量抬高景观水位。马銮湾的规划布置已基本确定，因此主要通过马銮湾口门的9孔闸门调度来平衡湾内水动力、水体交换与景观水位的关系。在前期研究中未考虑在马銮湾内设置景观水位，水闸的设置主要从防洪挡潮及满足水体交换等角度考虑，正常条件下闸门是全部打开的，湾内外潮位基本一致。因此景观水位的设置需基本保证湾内水体交换条件与原闸门全开条件相当。本研究思路主要是通过闸门调度来提高水体交换效率，保证湾内的水体交换条件，具体研究过程如下：①计算不同开闸孔数对水体交换的影响，探寻开闸孔数与水体交换条件间的关系；②研究不同位置闸孔开闸对水体交换的影响，确定最佳开闸位置；③研究水闸调度对水体交换影响，确定水闸运行方式；④在确定的较优水闸运行方式基础上计算湾内不同控制水位对水体交换和纳潮量的影响；⑤根据以上计算成果分析建议合适的景观水位，同时建议开闸位置及开闸孔数等闸门调度运行方式。

图2 厦门海域数学模型范围及计算网格Fig.2 Mathematical model scope and calculation grid of Xiamen Bay

图3 2014年10月厦门湾海域水文测站布置Fig.3 Layout of hydrological stations in Xiamen Bay in October 2014

图4 厦门湾海域大潮潮位验证结果Fig.4 Test results of tide levels during the spring tide of Xiamen Bay

图5 厦门湾海域大潮测点流速、流向验证结果Fig.5 Test results of velocity and flow directions during the spring tide of Xiamen Bay

1.6 计算条件

马銮海堤开口改造工程于2014年基本完成，在海堤中部向北偏约95m建成一座9孔挡潮闸，闸底坎高度为-5.24m。每闸孔净宽24m，总净宽216m。马銮湾水域清淤疏浚至-4.24m。

水交换的研究有拉格朗日方法和欧拉方法，本研究采用欧拉方法研究保守物质的稀释和扩散规律，可以合理的反映海水中污染物扩散过程。在计算污染物扩散时，马銮湾内保守污染物的浓度设置为1，湾外浓度全部设置为0。数模计算采用2014年10月大潮作为计算潮型，部分工况进行了中潮潮型的计算。

2 结果与讨论

2.1 开闸孔数对水体交换的影响

在计算中发现，开不同闸孔数对水体交换有一定影响，初期有关部门考虑马銮湾内景观水位为0.5m(85高程，下同)，为此这里以0.5m控制水位为例进行计算分析。为便于分析比较，开闸位置位于水闸的中间段，中9为9孔水闸全打开，中7孔就是最南侧和最北侧各关1孔，开中间7孔，其他以此类推。

由表1和图6可以看出，开闸孔数由9孔减少到2孔，全湾平均相对浓度为由大变小再增大的变化过程，开3孔时浓度最低，也就是水体交换条件最好。分析认为，主要是开闸孔数减少后口门流速增大，湾外水体进入湾内运动距离更远，有利于与湾内水体掺混；但开孔数太少会影响过水量，水体交换量减小，从而影响水体交换条件。由图6也可以看出，开闸孔减少低浓度区变得狭长，即湾外水流向湾内输送更远，可以明显改善湾顶水域水体交换条件。图7为马銮湾内分区示意图。

表1 不同开闸孔数条件下马銮湾内各统计区域内第5天污染物相对浓度平均值Tab.1 Average relative concentrations of pollutants on the 5th day in each evaluated area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

注：中5-0.5即开中间5孔闸，景观水位0.5 m；不特别说明即为大潮计算结果。

图6 不同开闸孔数条件下马銮湾内第5天相对污染物平均浓度分布Fig.6 Average relative concentrations of pollutant distribution on the 5th day in Maluan Bay with different numbers of gate openings

图7 马銮湾内分区示意图Fig.7 Schematic diagram of the area partition in Maluan Bay

由表2、图8、9可以看出，湾内流速由口门向湾顶逐渐小，口门区流速随开闸孔数减少而增大，湾顶区域流速随孔数减少先增大又减小，此外，除不控制水位的P8E外，中3工况平均流速最大。由此也可以看出湾内水体交换条件与湾内流速分布关系密切。

开闸孔数越少口门流速越大，从安全角度分析开闸孔数不宜少于4孔，因此以下在大潮计算时主要考虑开5孔闸，中潮计算时主要考虑开4孔闸。

图8 不同开闸孔数条件下各区域平均流速分布Fig.8 Average velocity distribution in each area in Maluan Bay with different numbers of gate openings

图9 中5-0.5工况马銮湾海域全潮平均流速分布Fig.9 Average velocity distribution during the whole tide cycle in Maluan Bay under working condition of Middle 5-0.5

2.2 不同开闸位置对水体交换的影响

分别考虑了开北侧5孔、中间5孔和南侧5孔的工况，从计算结果看(表3)，开北侧5孔工况的水体交换条件相对较优。涨潮时水流偏北岸，在湾内形成大的环流有利水体交换。

表3 不同开闸位置条件下马銮湾内各统计区域内第5天保守物质相对浓度平均值Tab.3 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area of Maluan Bay with different gate opening positions

2.3 水闸调度对水体交换的影响

前面计算了进出水闸为同一位置的工况，考虑到是否能改善水体交换条件，我们进行了进水与出水闸错开的工况，即涨潮时北侧5孔进水，落潮时南侧4孔出水，或涨潮时南侧5孔进水，落潮时北侧4孔出水，研究错开开关闸对水体交换的影响。计算表明(表4)，南、北错开开闸水体交换条件不及北5进北5出工况，错开开关闸的运行方式没有优势，因此采用北进北出的运行方式较优。

表4 水闸调度条件下马銮湾内各统计区域内第5天保守物质相对浓度平均值Tab.4 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area under sluice dispatch conditions in Maluan Bay

2.4 不同景观水位的计算

前面计算分析了开闸孔数及开闸位置对水体交换的影响，这里根据前面研究确定的较优闸门运行方式，进一步研究不同景观水位条件下马銮湾的水体交换情况及纳潮量的变化。

计算结果表明(表5)，开北侧5孔，控制水位0.0 m时，马銮湾纳潮量2 024万m3，满足纳潮量要求，水体交换条件稍差于原全开工况，初步确定景观水位为0.0 m，下一步对水闸运行方式作进一步优化，以增强水体交换能力。

表5 不同景观水位条件下马銮湾内各统计区域内第5天保守物质相对浓度平均值Tab.5 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different landscape water levels in Maluan Bay

2.5 昼夜不同控制水位计算

为保证白天的景观水位要求，同时又要增强马銮湾的水体交换能力，为此考虑昼夜不同控制水位的运行方式，即从景观考虑白天控制水位为0.0 m，夜晚不控制最低水位，以便尽量排出马銮湾内水体，增大水体交换量，增强自净能力，因此计算模式为：白天控制水位为0.0 m，夜晚不控制水位。

图10为昼夜不同控制水位条件下马銮湾内第5天平均相对浓度分布。表6、7为大潮和中潮水体交换计算结果，结果表明，通过闸门调度可以保证马銮湾较好的水体交换条件，交换条件稍好于原全开工况。为此建议马銮湾景观水位设置为0.0 m，水闸运行模式为：白天控制水位为0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期开北侧5孔闸，中小潮期开北侧4孔闸。

图10 昼夜不同控制水位条件下马銮湾内第5天平均相对浓度分布Fig.10 Average relative concentration distribution on the 5th day with different control water levels at daytime and night in Maluan Bay

表6 昼夜不同控制水位条件下马銮湾内各区第5天保守物质相对浓度平均值(大潮)

Tab.6 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each evaluated area with different control water levels at daytime and night during the spring tide in Maluan Bay

方案编号相对浓度平均值全湾第1区第2区第3区第4区第5区第6区全开不控制水位0.360.540.390.450.330.320.28北6孔-0.0-昼夜0.38 0.66 0.47 0.43 0.34 0.31 0.27 北5孔-0.0-昼夜0.35 0.56 0.43 0.39 0.31 0.28 0.25 北4孔-0.0-昼夜0.32 0.47 0.39 0.36 0.29 0.27 0.24

表7 昼夜不同控制水位条件下马銮湾内各区第5天保守物质相对浓度平均值(中潮)Tab.7 Average relative concentration of conservative substance on the 5th day in each statistical area with different control water levels at daytime and night during the middle tide in Maluan Bay

3 结论

厦门海域大潮潮差超过5.3 m，大幅度的潮位变动对近岸景观和亲水性有较大影响，为此拟在马銮湾内设置景观水位。本研究通过潮流数学模型模拟，研究了湾口开闸孔数、开闸位置及不同景观水位与湾内水动力和水体交换的关系，对马銮湾景观水位和闸门调度方式提出了建议，主要结论如下：

(1)适当减少开闸孔数量可以增大口门流速，水体向湾内输送更远，有利湾内水体掺混，加快湾内水体交换速度。

(2)开北侧孔闸，进湾水流偏向一侧时，在湾内形成环流，有利水体交换。

(3)从水动力和水体交换角度建议马銮湾景观水位为0.0 m，可采用白天控制水位为0.0 m，夜晚不控制水位，大潮期开北侧5孔闸，中小潮期开北4孔闸的水闸运行方式。最终景观水位的确定还需综合考虑景观、投资、水生态等其他因素。

(4)通过闸门调度可以提高湾内水体交换效率，在水体交换条件下给出了景观水位的建议，研究方法和成果对类似海湾景观水位的设置有参考价值。