围填海工程对广海湾海域水动力环境影响分析

朱 婷，艾小榆

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

广海湾位于广东省台山市南，北部环陆，湾口向南，面向川山群岛，东邻黄茅海，西连镇海湾。广海湾工业园区位于广海湾东都湾顶，园区大部分采用香港惰性拆建物料围填而成。围填海工程使海洋自然几何属性发生改变，引起水动力环境的变化，海洋水动力过程对其物质输运等有重要影响[1]。以往研究者针对广海湾已开展过很多工作，陈秋明等[2]以江门台山为例，提出了广海湾填海造地生态修复与景观提升方案研究；孙璐等[3]对广海湾内长达49个月的实测海浪资料统计分析得出广海湾海浪要素的基本特征，并利用强台风“黑格比”分析了台风波浪型的演变规律；祁伟等[4-5]以广东台山电厂为研究对象，建立了广海湾海域二维潮流泥沙数学模型，能较好地模拟潮位站的潮位、各测站的流速以及流向，但围填海工程建设方案对广海湾海域水动力环境的影响研究还较少。

本文采用Mike Flood平台建立了广海湾一、二维耦合水动力数学模型，模拟广海湾水动力环境，分析香港惰性拆建物料围填海工程建设方案对广海湾海域水动力环境的影响，研究成果可为广海湾工业园区的建设与管理决策提供依据和参考。

1 项目概况

2006年1月27日，国家海洋局批准广东台山广海湾工业园区作为香港惰性拆建物料在内地海域处置试点区，批准处置量1000万t，面积674.44hm2；2012年7月5日，国家海洋局批准台山处置区(围填区)范围扩大至1040.95hm2，从北往南分为A区、B区、C区、D区和E区。处置区工程范围北起烽火角大堤，紧邻烽火角水道，南至鹿颈咀，东至273省道，西为广海湾，距离烽火角水闸约7km。截至2018年10月，C区、D区和E区已基本完成围填海，围填海总面积约655hm2，护岸为抛石斜坡堤结构，河堤护岸为堆填混合料结构。围填工程位置示意图如图1所示。

图1 围填工程位置示意图

2 数学模型的建立

2.1 一维模型

基于MIKE11[6]建立一维水动力数学模型，对研究区域河流进行概化，烽火角水系包括大隆洞河、端芬河、斗山河和镇口河，其余水系为白宵河、大马河及小马河区域以上河段，广海湾周边水系图如图2所示。烽火角水闸和白宵水闸根据调度原则按水工建筑物概化。各个河段综合糙率见表1。

图2 广海湾周边水系图

表1 各河段综合糙率表

2.2 二维模型

应用MIKE21[7-8]二维水模拟软件，将广海湾海域作为二维研究区域，北至烽火角水道下游，南至上川岛。上边界为1、2、3和4号入河口，下边界F1-F2边界和F3-F4边界。水下地形采用2009年测量海图(比例尺：1∶75000)。模型上边界取烽火角水道(1河口)、白宵河(2河口)、大马河(3河口)、小马河(4河口)各河口相应频率的洪水流量(MIKE11模型耦合计算成果)，F1-F2、F3-F4下边界取相应频率的潮位过程。

2.3 模型耦合

模型耦合采用Mike Flood模块[9-11]将MIKE11一维模型与MIKE21二维模型耦合计算，模型耦合示意图如图3所示。

图3 耦合模型示意图

2.4 边界条件

围填海工程建设方案的影响分析按照以洪为主和以潮为主2种工况计算，经洪潮遭遇分析设计水面线采用设计标准下的洪水(潮位)与多年平均年最高潮位(洪水)组合的外包线。边界条件见表2。

表2 计算工况

2.5 率定验证

二维模型率定选用2020年广海湾上川岛站点(5月8日21：00—9日23：00)的潮位过程进行模拟计算，以烽火角水闸闸下实测水位进行对比分析。二维模型验证选用2019年广海湾上川岛站点(10月14日00：00—15日00：00)的潮位过程进行模拟计算，以烽火角水闸闸下实测水位进行对比分析。烽火角水闸闸下水位率定验证过程如图4所示。

图4 烽火角水闸闸下水位率定验证过程

采用2005年实测大潮(11月17日10：00—18日12：00)的潮位过程进行模拟计算，选取广海湾海域M测站流速和流向验证，分析成果如图5所示。

图5 M测站大潮流速及流向验证结果

3 对广海湾泄洪纳潮的影响分析

广海湾海域的潮汐属不规则半日潮，即在1个太阴日内出现2次高潮和2次低潮，其潮高、潮差和潮历时各不相等。模拟选用24小时设计潮位过程计算。

3.1 对潮位的影响

在广海湾海域范围内取27个特征点进行回填海工程前后潮位的对比分析，其特征点位置如图6所示。其中t1—t8为广海湾西侧潮流模拟特征点，表征广海湾西侧深海海域潮流影响；t16—t20为广海湾东侧潮流模拟特征点，表征广海湾东侧深海海域潮流影响；t9—t15为广海湾北面潮流模拟特征点，表征烽火角水系出海片区浅海海域潮流影响；t21—t27为处置区回填海工程区域模拟特征点，表征工程前后区域的潮流影响。

图6 特征点位置示意图

计算工况包括以潮为主和以洪为主2种工况，各个特征点工程前后潮位对比成果如图7所示。由潮位分析成果可以看出，由下边界往北至近海岸潮位是逐渐抬升的，工程前北部近海岸潮位比南部边界高约0.2m。

图7 工程前后特征点水位变化图

回填海工程对广海湾海域潮位的有一定影响，以洪为主工况影响较以潮为主工况影响稍大，以潮为主工况下，工程前后潮位最大变幅为0.03m，在工程片区的t21特征点附近，影响区域在1km范围内；以洪为主工况下，20年一遇洪水遭遇多年平均外潮时，工程前后潮位最大变幅为0.09m，在工程片区的t25特征点附近，影响区域在0.8km范围内。

3.2 对流场的影响

选取以潮为主工况下回填工程前后广海湾海域流场图进行对比分析，分为高潮位、落急、低潮位、涨急4个时刻进行描述。流场计算表明：涨潮时，上川岛东、西两通道往广海湾中部上溯，汇合后北上至烽火角水系出口。口门处流势最强，流速在1.0m/s左右，流向在300°左右，东口门流势较西口门强。烽火角出口附近流势较弱，流速在0.1m/s左右，流向在200°左右。落潮时，基本与涨潮流路相反。高潮位和低潮位2个时刻海域流势相对较弱。口门处流速在0.50m/s左右。

回填工程前后对广海湾海域流场整体影响不大，仅在工程区域附近有局部流势的影响，涨潮时，在回填工程附近区域，因回填区域阻碍，潮流朝NW方向偏移，绕过区域继续上溯。落潮时，潮流朝SW方向、SE方向偏移，然后汇合后分东、西2个口门出。以涨急为例，工程前后流场影响范围在3km范围内；以落急为例，工程前后流场影响范围在南向4km，西向2.5km范围内。

3.3 对纳潮量的影响

根据100年一遇潮位过程分析，涨潮过程中，工程前东西两侧累积纳潮量为21.636亿m3，工程后东西两侧累积纳潮量为21.265亿m3，工程后减少纳潮量0.371亿m3，占工程前的1.71%，回填工程对纳潮影响很小，工程前后广海湾纳潮量对比如图8所示。

图8 工程前后广海湾纳潮量对比图

4 结论

(1)本文构建Mike Flood模型研究回填工程对广海湾潮位、流场和纳潮的影响。从潮位来看，以潮为主工况下(P=1%)工程前后潮位最大变幅为0.03m；从流场来看，以涨急为例，工程前后流场影响范围在3km内。以落急为例，工程前后流场影响范围在南向4km，西向2.5km内；从纳潮量来看，工程后减少纳潮量0.371亿m3，占工程前的1.71%。

(2)香港惰性拆建物料台山处置区建设对广海湾海域水动力环境整体影响不大，此结论对广海湾流域后续管理决策具有一定指导意义。围填海工程对海域的影响除水动力外，还应综合考虑其对海岸环境和生态的影响，后续可在此方面做更深层次的研究。