唐山国际旅游岛内海水环境改善措施试验研究

肖立敏,韩信,周桂峰,张冬冬

(1.南京水利科学研究院 南京 210024;2.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室 南京 210029;3.唐山市自然资源和规划局唐山国际旅游岛分局 唐山 063600)

0 引言

唐山国际旅游岛位于河北省唐山市东南部渤海之滨,东侧紧邻京唐港区,西侧距曹妃甸港区约30 km。旅游岛由菩提岛、月岛、祥云岛及北侧陆域组成(图1)。规划面积125.64 km2,坐拥海岛、温泉、沙滩、生态及文化资源组合,为国家级海岛开发利用示范基地。根据规划,内海(岛与北侧岸线围成的水域)将开挖至-6 m(85高程,下同),开挖线见图1。旅游岛东侧与京唐港区相接处有一条大唐电厂排水河,是内海东侧海域水体交换的主要通道。排水河现有宽度较窄,约80 m,制约了内海东侧水域的水体交换。为保护好唐山国际旅游岛海域尤其是内海水生态环境,需要合理确定电厂排水河宽度。物理模型是解决潮流水动力的有效手段,在港口航道、桥梁工程和电厂取排水[1-3]等涉水工程中均得到了广泛应用,莫思平等[4]和吴门伍等[5]也分别通过物理模型开展了伶仃洋大铲湾和科伦坡港口城的水体交换。本研究通过潮流物理模型试验,研究唐山国际旅游岛内海水动力特性及水体交换能力,并提出改善其水环境的工程措施。

图1 唐山国际旅游岛规划方案及测量断面布置图

1 潮汐潮流特征

本海域的潮汐资料分析表明,潮汐类型属不规则半日潮,潮差较小,多年平均潮差为0.88 m。

2007年7月30—31日和8月6—7日在工程海域开展大潮和小潮现场专项水文测验。实测大、小潮都呈两涨两落的半日潮形态,日潮不等现象较为显著。实测大潮最高、最低潮位分别为0.79 m和-0.68 m,高潮涨、落潮潮差分别为1.47 m和1.41 m,低潮涨、落潮潮差分别为0.32 m和0.36 m;实测小潮最高、最低潮位分别为1.04 m和-0.48 m,高潮涨、落潮潮差分别为1.29 m和1.49 m,低潮涨、落潮潮差分别为1.02 m和0.69 m。

2007年工程海域实测资料显示,唐山国际旅游岛附近海域潮流特性具有明显的往复流特征,涨潮为西南流,落潮为东北流,潮流流向基本与海岸平行。大潮期间,靠近外海侧的由西至东的2#、4#和6#测点(位于14 m等深线附近)涨潮最大流速分别为0.74 m/s、0.75 m/s和0.66 m/s,落潮最大流速依次为0.79 m/s、0.69 m/s和0.71 m/s。靠近近岸的1#、3#和5#测点(位于6 m等深线附近)涨潮最大流速分别为0.77 m/s、0.69 m/s和0.73 m/s,落潮最大流速分别为0.53 m/s、0.26 m/s和0.60 m/s。总的来看,近岸流速要略强于外海流速。小潮期间的涨落潮流速要弱于大潮。

图2 2007年实测大潮流速矢量图

2 物理模型设计与验证

2.1 模型比尺及布置[6]

根据试验要求和模型研究范围,结合场地条件,取模型平面比尺780、垂直比尺130,模型变率为6。模型模拟范围,沿岸方向约34 km,离岸约22 km,外海边界位于20 m等深线附近。模型平面布置见图3。模型主要考虑重力相似、阻力相似和水流运动相似,根据相似准则,水流流速比尺和水流时间比尺分别为11.4和68.4。

图3 唐山国际旅游岛潮流物理模型布置图

模型潮流动力系统由变频潜水泵、变频双向泵组成,辅以回水廊道、缓冲前池和尾门。模型中的潮位过程采用自计式水位仪测量并由计算机采集,流速测量采用传统的旋桨式流速仪,水体交换试验采用光电式浊度仪测量水体浓度来表征换水率。

2.2 模型验证

本研究利用2007年7月30日—8月7日实测大、小潮潮位以及流速流向进行了模型验证。图4和图5分别给出了部分点位物理模型试验与实测的对比。由图可见,潮位和流速、流向的试验模拟结果与实测值吻合良好,表明模型能较好反映唐山国际旅游岛海域潮汐潮流动力特性。

图4 2007年实测潮位过程验证曲线图

图5 2007年实测大潮流速流向过程验证曲线图

3 试验结果分析

在规划条件下,即唐山国际旅游岛规划岸线、内海开挖至-6 m,分别考虑电厂排水河宽度为80 m(即现状宽度)、200 m和380 m 3个宽度,分别开展潮流场和水体交换试验。各方案维持京唐港区岸线不变,调整祥云岛东侧岸线,具体方案见图6。

图6 电厂排水河宽度80 m、200 m和380 m方案

3.1 潮流流速变化分析

图7和图8分别给出了涨急时刻工程海域大范围以及电厂排水河附近的流态试验照片。涨潮时,主口门(祥云岛与月岛形成的口门)通道内流速较大,水流通过主口门进入内海,内海水域相对较为开阔,形成逆时针方向的回流。部分水流右转流向祥云岛一侧内海,另一部分左转由月岛与菩提岛之间的通道汇入外海。落潮期间,内海水域没有明显回流。上述3种电厂排水河方案,大范围水流流态基本相同。随着宽度的增加,排水河通道动力增强,主口门水流流速有所减弱,回流强度及范围均有一定程度减小。

图7 涨急时刻大范围流态试验照片

图8 涨急时刻排水河附近流态试验照片

试验中,布设4个流速测量断面进行流速分析,1#、2#、3#和4#断面分别位于主口门、电厂排水河、菩提岛与月岛间通道及菩提岛与岸线通道(图1)。图9给出了电厂排水河不同宽度,上述4个断面涨潮平均流速分布,表1则统计了涨落潮期间断面平均流速的特征值。由图表可见,涨潮期间,当电厂排水河为80 m时,主口门断面平均流速分别为0.29 m/s;排水河断面平均流速为0.33 m/s,但由于通道较窄,水流阻力较大,通过该断面进入内海的流量也相对较小,祥云岛中部对应的内海水域水动力较弱;3#和4#断面流速均较小,断面平均流速均在0.12 m/s左右。随着排水河宽度的增加,主口门流速呈现减小趋势,排水河断面平均流速变化不大但流量明显增加,3#和4#断面流速变化甚微。当排水河宽度为200 m时,上述4个断面涨潮平均流速依次为0.25 m/s、0.32 m/s、0.13 m/s和0.11 m/s;排水河宽度为380 m时,对应的断面平均流速为0.22 m/s、0.27 m/s、0.12 m/s和0.10 m/s。落潮期间,各断面流速随排水河宽度变化的趋势与涨潮基本一致。

综合上述分析,在规划岸线条件下,维持主口门以及3#、4#通道不变,改变电厂排水河宽度,涨落潮期间,3#、4#通道流量较小、变换甚微,通过主口门和电厂排水河通道进出内海的流量会发生调整,进而影响到上述两个通道以及内海一定范围水域内的流速发生变化。电厂排水河宽度由现有的80 m扩大到200 m时,通过电厂排水河的水流流量逐步增加,祥云岛中部对应的内海水域的水流动力也明显增强,而通过主口门进入内海的流量有所减小,水流流速有一定程度减小。当电厂排水河宽度由200 m进一步拓宽到380 m时,排水河通道与主口门之间的流量与流速变化依然符合上述趋势,但变化程度会减弱。适当增加电厂排水河宽度,对改善内海东侧水域的水动力是有利的。

图9 不同电厂排水河宽度下各断面涨潮平均流速分布

表1 电厂排水河不同宽度,各断面特征流速统计表

续表

3.2 水体交换结果分析

试验前,用橡皮泥将唐山国际旅游岛内海水体与外海隔离,并采用素墨水进行染色处理,使每组试验内海染色水体初始浓度基本一致。待模型中外海潮位过程稳定后,在外海水位与内海水位持平时,拿走橡皮泥,内海染色水体与外海的清水发生交换,内海染色水体的浓度变化反映了其水体交换的过程。通过观察和测量内海不同测点染色水体的浓度变化(代表水体的交换率),可以分析内海水体与外部水体交换变化的过程。

图10和图11分别给出了电厂排水河宽度200 m,大潮连续作用4天和8天水体交换的试验照片。

图10 电厂排水河宽度200 m作用4天后试验照片

涨潮期间,外海水体通过主口门以及电厂排水河等通道进入内海,上述水域的水体首先与外海发生交换;落潮期间,内海水体随着落潮流进入外海。随着外海的潮涨潮落,内海水体逐步完成水体交换过程。当电厂排水河宽度为80 m时,内海在靠近主口门附近的水域水体交换能力较强,大潮连续作用5天左右,换水率可达到80%左右;排水河通道附近、菩提岛与北岸通道以及菩提岛与月岛通道附近的水体交换能力次之,需要8天基本完成水体交换;位于祥云岛中部对应的内海水域的水体交换能力较弱,通过大潮连续作用15天才能基本完成交换。

图11 电厂排水河宽度200 m作用8天后试验照片

图12给出了不同电厂排水河宽度时,祥云岛中部对应的内海水域采样点的水体交换率对比图,采样点见图1。与电厂排水河宽度80 m相比,当宽度拓宽到200 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力明显增强,内海水域完成水体交换时间约为11天左右。当排水河宽度进一步拓宽到380 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力进一步提高,但提高幅度并不显著,需要9天左右时间完成交换。

图12 内海东侧中部水体交换率对比

综上所述,电厂排水河维持现有宽度80 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力相对较弱。电厂排水河拓宽到200 m后,内海水体交换能力明显增强;当排水河宽度进一步拓宽到380 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力进一步提高,但提高幅度并不显著。因而,从内海水体交换能力考虑,电厂排水河宽度选择在200 m左右是较为适宜的。

4 结语

(1)唐山国际旅游岛规划条件下,电厂排水河现有宽度相对较窄,通过该通道进出的流量较小,祥云岛中部对应的内海水域水动力较弱。维持主口门及其他通道不变,增加电厂排水河宽度,通过主口门与电厂排水河通道进出内海的流量会发生调整。随着电厂排水河宽度增加,通过电厂排水河的水流流量逐步增加,祥云岛中部对应的内海水域水流动力也明显增强,而通过主口门进入内海的流量有所减小,水流流速略有减小。

(2)电厂排水河为现有宽度80 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力相对较弱。电厂排水河拓宽到200 m后,内海水体交换能力明显增强;当排水河宽度进一步拓宽到380 m时,祥云岛中部对应的内海水域水体交换能力进一步提高,但提高幅度并不显著。

(3)唐山国际旅游岛规划条件下,通过调整电厂排水河宽度,可有效改善内海水域水动力条件及水体交换能力。综合考虑,适当增加现有电厂排水河宽度对改善内海东侧水动力及水体交换能力是有利的。