非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格三維斜壓模型研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海南島清瀾潮汐汊道水動(dòng)力影響

王道儒,溫 晶,龔文平,趙軍鵬

(1.海南省海洋開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,海南 ?？?570125;2.廣東省氣象臺(tái),廣東 廣州 510080;3.中山大學(xué)海洋學(xué)院近岸海洋研究中心,廣東 廣州 510275)

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格三維斜壓模型研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海南島清瀾潮汐汊道水動(dòng)力影響

王道儒1,溫 晶2,龔文平3,趙軍鵬3

(1.海南省海洋開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,海南 ?？?570125;2.廣東省氣象臺(tái),廣東 廣州 510080;3.中山大學(xué)海洋學(xué)院近岸海洋研究中心,廣東 廣州 510275)

清瀾潮汐汊道為海南島東部一個(gè)典型的瀉湖-潮汐汊道-沙壩系統(tǒng),由于其優(yōu)越的自然條件而成為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。近幾年的人類(lèi)活動(dòng)主要包括:口門(mén)西側(cè)的圍填工程,航道的疏浚和八門(mén)灣瀉湖內(nèi)的圍塘工程。采用SELFE模型,結(jié)合觀(guān)測(cè)資料,研究了不同人類(lèi)活動(dòng)對(duì)潮汐汊道的潮波、潮通量與漲落潮歷時(shí)、河口重力環(huán)流、鹽水入侵和河口羽流的影響。結(jié)果表明不同的人類(lèi)活動(dòng)其對(duì)動(dòng)力的影響不同,口門(mén)西側(cè)圍填工程減小了潮汐汊道的潮差,對(duì)潮通量和鹽水入侵影響很小;航道疏浚則加大了潮差和潮通量,加強(qiáng)了河口環(huán)流和鹽水入侵;瀉湖內(nèi)圍塘工程使潮差有所增大,但減小了潮通量,對(duì)鹽水入侵的影響不顯著?？陂T(mén)西側(cè)圍填工程改變了河口羽流的路徑,而航道疏浚則使河口羽流更加向海擴(kuò)散。

潮汐汊道;水動(dòng)力;SELFE模型;海南

Abstract:Asa typical lagoon-inlet-sand barrier system in the eastof Hainan Island,Qinglan Inlet has been a development focus due to itsadvantageous natural environment.Human activities in recent years include:land reclamation at the west of inlet gorge,channel dredging and reclamation at the lagoon.Through applying SELFEmodel,based on observation data,this study examines the effectsof various human interventionson tidalwave propagation,tidal flux and asymmetry of flood and ebb tidal duration,estuarine circulation,salt intrusion and river plume.The results show different effectsof various anthropogenic activities.

Key words:tidal inlet;hydrodynamics;SELFEmodel;hainan

清瀾潮汐汊道位于海南島東岸北部、文昌市境內(nèi),為典型的瀉湖-沙壩-潮汐汊道體系的海岸類(lèi)型[1](圖1)。其內(nèi)的八門(mén)灣瀉湖,東西向長(zhǎng)度為11 km,南北向?qū)挾葹?.5～3.0 km,面積約為30 km2。文教河和文昌河分別從瀉湖的東、西兩側(cè)流入。這兩條河流的流域面積為903 km2,平均流量為25.4 m3/s,平均含沙量為0.125 kg/m3。受河流來(lái)沙的影響,八門(mén)灣瀉湖處于逐漸淤淺的過(guò)程中,又加上近幾十年來(lái)的人工圍墾,瀉湖的水域面積日趨減小。連接瀉湖與外海的狹長(zhǎng)通道為清瀾潮汐汊道,長(zhǎng)約9.0 km,寬度在250～1 100m之間變化,沿程交替出現(xiàn)多個(gè)淺灘與深槽段。關(guān)于潮汐汊道的地形特征、泥沙輸運(yùn)、汊道的成因與發(fā)育過(guò)程,王寶燦等[1]、陳沈良等[2]已做過(guò)系統(tǒng)的研究。

清瀾潮汐汊道屬弱潮海區(qū),多年平均潮差為0.75 m,最大潮差為2.06 m。其潮性系數(shù)其中,HK1,HO1,HM2分別為 K1,O1,M2分潮的振幅)為2.184,為不正規(guī)日潮型。潮流性質(zhì)類(lèi)似,汊道內(nèi)基本為往復(fù)流,大潮期流速在1m/s以上。總體而言,落潮流速大于漲潮流速,表現(xiàn)為落潮優(yōu)勢(shì)型的潮汐汊道。外海的波浪以風(fēng)浪為主,全年H1/10小于1.0 m浪的出現(xiàn)頻率占到50%以上,其中0.5～1.5 m之間的頻率占到85%。夏半年的波浪較小,冬半年的風(fēng)浪較強(qiáng)。

由于其得天獨(dú)厚的自然地理優(yōu)勢(shì),清瀾潮汐汊道一直是海南島東岸的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域。近二十年來(lái),港口建設(shè)、旅游、房地產(chǎn)、養(yǎng)殖等開(kāi)發(fā)活動(dòng)不斷增多,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然過(guò)程的影響也不斷加強(qiáng)。近年來(lái),主要的人類(lèi)開(kāi)發(fā)活動(dòng)有:1)在潮汐汊道口門(mén)的西側(cè)圍灘造地。為抑制汊道口西側(cè)沙咀的活動(dòng),防止風(fēng)暴期間沙咀被沖決形成分汊水道而對(duì)原有的主航道造成不利影響,將其圍填成陸,成陸面積為1.45 km2。2)航道浚深。2006年進(jìn)行的航道整治工程,使航道由原來(lái)的3 000 t級(jí)提升至5 000 t級(jí),水深被浚深至7～8 m。3)八門(mén)灣瀉湖內(nèi)的圍塘工程。近幾十年來(lái)大規(guī)模地在八門(mén)灣瀉湖內(nèi)的淺灘進(jìn)行圍塘,用于修建蝦池。初步估算圍塘的面積在4 km2左右,占到瀉湖面積的13%左右。

近幾十年來(lái),隨著對(duì)海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)的管理不斷規(guī)范與加強(qiáng),所有的海洋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目都需進(jìn)行海域使用可行性論證與環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作,但論證與評(píng)價(jià)工作基本上針對(duì)于某一單個(gè)的海洋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目而進(jìn)行,一是關(guān)于開(kāi)發(fā)項(xiàng)目對(duì)宏觀(guān)大尺度范圍的影響研究較少;二是由于多個(gè)項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的影響并不是單個(gè)項(xiàng)目對(duì)環(huán)境影響的線(xiàn)性疊加,而更多地表現(xiàn)為非線(xiàn)性的累積效應(yīng)[3],因而對(duì)多個(gè)項(xiàng)目的綜合性整體評(píng)價(jià)顯得尤為必要。

已有對(duì)清瀾港水動(dòng)力的研究,多側(cè)重于結(jié)合實(shí)測(cè)資料(如大、中、小潮期的水位與流速的定點(diǎn)觀(guān)測(cè)),采用垂向平均的二維數(shù)值模擬的方法[4],分析清瀾港的潮汐、垂向平均的潮流特征與納潮量的變化。Ye[5]采用一維和二維數(shù)學(xué)模型研究了清瀾的潮動(dòng)力,表明其潮波特征為典型的駐波。由于清瀾港受到文教河與文昌河淡水注入的影響,斜壓效應(yīng)明顯,為典型的河口,受潮汐、密度梯度與風(fēng)的影響,其水動(dòng)力更多地呈現(xiàn)出三維的河口動(dòng)力特征,如發(fā)育良好的河口環(huán)流,水體的垂向分層隨潮內(nèi)的漲落潮、大小潮的變化而變化,最大渾濁帶的出現(xiàn)等[1]。由于三維水動(dòng)力過(guò)程對(duì)河口鹽度與溫度的變化、營(yíng)養(yǎng)鹽和污染物的輸運(yùn)、細(xì)顆粒泥沙的捕集或逃逸等都有重要意義,從而對(duì)清瀾潮汐汊道的生態(tài)環(huán)境具有重要影響,因此需進(jìn)行清瀾潮汐汊道三維斜壓的水動(dòng)力學(xué)研究,為這一重要的瀉湖生態(tài)的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)

對(duì)清瀾海域海洋自然條件的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)資料較多。本次研究采用海南省海洋開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院于2008年8月1日至8月2日的實(shí)測(cè)資料。觀(guān)測(cè)時(shí)布設(shè)4個(gè)測(cè)流站,1個(gè)潮位站,同時(shí)在口門(mén)站(3號(hào)站)進(jìn)行連續(xù)的鹽度觀(guān)測(cè)。

潮流觀(guān)測(cè)采用的儀器為日本ALEC公司EM自容式海流計(jì),用垂向六點(diǎn)法每小時(shí)觀(guān)測(cè)一次,連續(xù)觀(guān)測(cè)26小時(shí)。鹽度觀(guān)測(cè)采用AAQ1183多參數(shù)水質(zhì)儀,進(jìn)行垂向剖面的觀(guān)測(cè),采樣間隔為每小時(shí)一次。觀(guān)測(cè)期間風(fēng)速很小,基本為靜風(fēng)條件,風(fēng)對(duì)水動(dòng)力的影響很小。

1.2 數(shù)值模型

由于現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)的空間與時(shí)間覆蓋有限,本研究采用數(shù)值模擬的方法加以彌補(bǔ)。研究中采用的模型為SELFE(semi-implicit euler-lagrangian finite-elementmodel)[6]。該模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(目前采用三角形網(wǎng)格),可靈活地?cái)M合復(fù)雜的岸線(xiàn)和地形。清瀾潮汐汊道的地形復(fù)雜,岸線(xiàn)彎曲,水深變化大,采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是較好的選擇。垂向上采用Z坐標(biāo)與S坐標(biāo)相結(jié)合的混合坐標(biāo),計(jì)算時(shí)沿著Z坐標(biāo)進(jìn)行,既可提高在表面和床底附近的空間分辨率,又可有效地解決在河口地區(qū)垂向上采用S或σ坐標(biāo)時(shí),由于地形變化大而導(dǎo)致壓力水平梯度模擬失真的問(wèn)題。模型對(duì)于動(dòng)量方程中的平流項(xiàng)采用Eulerain-Lagrangian方法,與流行的UnTrim[7]數(shù)值格式類(lèi)似,可大大提高計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng),又保證模型計(jì)算的穩(wěn)定性與精度。對(duì)于物質(zhì)輸運(yùn)方程,平流項(xiàng)的處理可采用Eulerain-Lagrangian方法,也可采用迎風(fēng)格式,并加上TVD格式以抑制迎風(fēng)格式中的數(shù)值耗散。模型利用普遍的GLS湍混合模型求解摻混系數(shù),并提供了與通用的GOTM湍混合模塊的接口。模型對(duì)河口淺灘的干濕過(guò)程可自然而良好地加以模擬,因而特別適合于有淺灘濕地存在的河口海岸地區(qū)。關(guān)于SELFE模型的詳細(xì)情況,可參閱文獻(xiàn)[6]。SELFE模型已被用于跨尺度的Columbia河口的輸運(yùn)研究[6,8],河口的滯留時(shí)間[9-10]的研究中。

2 模型驗(yàn)證與試驗(yàn)條件

對(duì)模型的驗(yàn)證采用2008的實(shí)測(cè)資料加以進(jìn)行。為減少邊界的影響,模型網(wǎng)格覆蓋了海南島東部的較大區(qū)域(圖2)。網(wǎng)格共有10 296個(gè)節(jié)點(diǎn),19 471個(gè)單元。模型外邊界附近的空間分辨率為8 km左右,在潮汐汊道的空間分辨率可達(dá)到100m。垂向上共分為13層,其中以30m水深為界,其下為Z坐標(biāo),共5層,其上為S坐標(biāo),共8層,對(duì)潮汐汊道區(qū)域的垂向分辨率在1m以?xún)?nèi)。

圖1 研究區(qū)地勢(shì)圖與觀(guān)測(cè)站位分布Fig.1 Topography of the study site andmeasurement stations

圖2 模型網(wǎng)格Fig.2 Model grid

模型的外邊界水位采用八個(gè)主要潮汐分潮(K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2)加以控制,這些分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)來(lái)自于更大范圍的海南島東部潮汐的模擬研究[11]。外邊界的鹽度取鹽度值35 ppt,來(lái)源于海南島海島資源綜合調(diào)查資料[12]。這一外邊界值的選取對(duì)小范圍清瀾潮汐汊道的模擬影響較小。在模型的上游邊界,采用文昌河與文教河的多年平均流量加以控制,分別為13.5和7.5 m3/s。模型的更精細(xì)的發(fā)展有賴(lài)于進(jìn)一步實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的充實(shí)。

模型的初始條件采用在潮動(dòng)力與徑流條件下循環(huán)運(yùn)行三個(gè)月后的結(jié)果。模型的驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖3。

如圖3(a),模擬的水位過(guò)程與實(shí)測(cè)值基本吻合,模型與實(shí)測(cè)值的均方根誤差為8 cm。如圖3(c)至3(f),模擬的流速過(guò)程與實(shí)測(cè)值比較接近。站位1模擬的中底層流速比實(shí)測(cè)值偏小,站位2模擬的落潮流歷時(shí)與實(shí)測(cè)值相比略有延長(zhǎng),但流速值的幅度與實(shí)測(cè)值接近。站位3的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合好。流速站4的模擬流速比實(shí)測(cè)流速值偏小,而且實(shí)測(cè)流速中,底層流速與表、中層流速呈現(xiàn)出相反的運(yùn)動(dòng),似乎不太合理。因?yàn)橛^(guān)測(cè)期間風(fēng)速不大,風(fēng)的影響有限,而站位4位處口門(mén)外,表底層流速反向的現(xiàn)象不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)期出現(xiàn)。出現(xiàn)這一反常流速垂向分布現(xiàn)象的原因有待進(jìn)一步分析。圖3(b)顯示的是口門(mén)站實(shí)測(cè)鹽度過(guò)程與模擬值的對(duì)比情況?？梢?jiàn),模擬的鹽度變化過(guò)程與實(shí)測(cè)相近。

在對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)后,進(jìn)行如下幾組試驗(yàn),以研究人類(lèi)活動(dòng)所造成的清瀾水動(dòng)力條件的變化。模型試驗(yàn)包括:1)基準(zhǔn)情況,采用2000年以前的自然岸線(xiàn)與水深條件;2)潮汐汊道口門(mén)西側(cè)圍填工程的影響;3)口門(mén)西側(cè)圍填工程與航道浚深的共同影響,除了考慮口門(mén)西側(cè)的圍填工程外,還將浚深的航道地形作為水深輸入條件考慮進(jìn)模型中;4)圍填工程、航道疏浚與八門(mén)灣瀉湖圍塘的共同影響,由于圍塘后蝦塘基本為死水區(qū),可作為陸地看待,在模型中將蝦塘直接設(shè)為陸地。在所有的模型計(jì)算中,外海邊界都采用八個(gè)潮汐分潮加以控制,上游河流邊界均采用多年平均的流量。每個(gè)模型試驗(yàn)計(jì)算32天,采用后面30天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 模型驗(yàn)證Fig.3 Calibration ofmodel

水動(dòng)力的變化,采用如下指標(biāo)進(jìn)行分析:1)潮汐汊道內(nèi)的水位變化,選取模型驗(yàn)證期間的水位觀(guān)測(cè)點(diǎn),通過(guò)潮汐調(diào)和分析研究潮振幅的變化;2)在口門(mén)處選取一控制斷面(如圖1),研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)漲落潮流量(包括大潮期的納潮量)和漲落潮歷時(shí)的影響;3)在口門(mén)斷面,分析鹽分通量的變化,并沿著航道深泓線(xiàn)取一縱斷面,研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)鹽水入侵長(zhǎng)度的影響;4)研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河口羽流擴(kuò)散的影響,以河口表層鹽度等值線(xiàn)的變化為代表,研究其擴(kuò)散路徑與范圍的變化。

3 結(jié)果分析

3.1 潮汐變化

選取模型驗(yàn)證期間的潮位點(diǎn),對(duì)模型輸出的逐時(shí)水位結(jié)果進(jìn)行潮汐調(diào)和分析,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 人類(lèi)活動(dòng)影響下清瀾潮汐汊道主要潮汐分潮振幅的變化Tab.1 Variation of amplitudes of four main tidal constituents induced by human activities

從表中可以看出,口門(mén)西側(cè)的圍填工程使潮汐汊道的潮汐動(dòng)力有一定減小,但航道疏浚則顯著增強(qiáng)了潮汐動(dòng)力,而瀉湖圍墾對(duì)潮汐動(dòng)力的加強(qiáng)也有一定貢獻(xiàn)。從一般的理解來(lái)看,瀉湖圍墾將減少瀉湖面積,從而減少納潮量,進(jìn)而使潮汐動(dòng)力作用減弱,但模型計(jì)算的結(jié)果則表明,瀉湖圍墾增加了潮差,詳細(xì)的原因?qū)⒃谙乱还?jié)進(jìn)行分析。

3.2 潮通量與漲落潮歷時(shí)的變化

根據(jù)模型輸出結(jié)果,計(jì)算各時(shí)刻通過(guò)口門(mén)橫斷面的潮流通量,對(duì)每個(gè)漲、落潮過(guò)程積分,得到各漲、落潮期的潮流通量,結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中橫坐標(biāo)代表每次漲、落潮過(guò)程的結(jié)束時(shí)刻。圖中上部為通量(或潮棱體),其中正值表示漲潮。下部為漲落潮歷時(shí)。

圖4 不同人類(lèi)活動(dòng)影響下潮通量與漲落潮歷時(shí)的變化Fig.4 Variation of tidal prism and tidal duration induced by human interventions

從圖4中可以看出,基準(zhǔn)情況下,大潮期一個(gè)潮周期內(nèi)漲、落潮的潮棱體可達(dá)3.56×107m3,其中漲潮歷時(shí)為13～14 h,而落潮歷時(shí)為11～12 h左右,表現(xiàn)出落潮優(yōu)勢(shì)的不對(duì)稱(chēng)類(lèi)型。小潮期一個(gè)漲、落潮過(guò)程的潮棱體可減少到2×107m3,約為大潮期的一半。漲落潮歷時(shí)變化規(guī)律不明顯。

口門(mén)西側(cè)圍填工程完成后,清瀾潮汐汊道的潮棱體幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,漲、落潮歷時(shí)也未發(fā)生變化。航道疏浚對(duì)潮汐汊道的潮棱體有顯著影響,大潮期最大潮棱體從3.56×107m3增加到5.25×107m3,增大幅度達(dá)48%。而大潮期的漲落潮歷時(shí)的變化:有時(shí)落潮歷時(shí)變得更短(如第6～7天,20～21天),有時(shí)落潮歷時(shí)則有所延長(zhǎng)(如第10～11天)。

相對(duì)于航道疏浚而言,瀉湖內(nèi)圍塘建蝦池使瀉湖面積減小,潮棱體有所減少,但減少不大。其中大潮期最大潮棱體由5.25×107m3減小到4.94×107m3,減小幅度僅為5%。這也可以解釋為什么瀉湖圍塘后潮汐汊道的潮振幅反倒有所增大。由于P=A×R,其中P為潮棱體,A為納潮面積,R為潮差,現(xiàn)A減少13%,而P則只減少5%,因而潮差R會(huì)增大。潮位觀(guān)測(cè)點(diǎn)在瀉湖圍塘建蝦池后潮差增大的另一可能的解釋在于,由于清瀾潮汐汊道的潮波為典型的駐波[5],瀉湖圍墾使駐波的頭(為波腹所在處)向岸外推移,位于波腹與波節(jié)之間的潮位觀(guān)測(cè)站受到反射波的作用更強(qiáng),因而潮差會(huì)有所增大。

3.3 河口環(huán)流的變化

河口環(huán)流是河口水動(dòng)力的重要組成部分,對(duì)河口的泥沙運(yùn)動(dòng)、污染物擴(kuò)散等物質(zhì)輸運(yùn)具有重要意義。為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河口重力環(huán)流的影響,選取位于潮汐汊道中部的站位2,對(duì)模型計(jì)算的表底層流速進(jìn)行半周期為50小時(shí)的低通濾波以去掉潮的成分,這樣獲得的流速可認(rèn)為是亞潮頻率的流速,從而可代表余流的大小。計(jì)算結(jié)果如圖5。

徑流和密度梯度作用下的解析河口環(huán)流的垂向剖面結(jié)構(gòu)[13]:

式中:u為流速;z為水深,向下為負(fù)為縱向的密度梯度;K為垂向摻混系數(shù);g為重力加速度;h為水深;u0為徑流量除以斷面面積而形成的余流。從上式可見(jiàn),河口環(huán)流與h的三次方成正比,而與垂向摻混系數(shù)成反比。

從圖5可見(jiàn),工程前的自然狀態(tài)下,河口水體中河口環(huán)流發(fā)育良好,余流表層向海,底層向陸,流速的大小在10 cm/s左右?？陂T(mén)西側(cè)圍填工程完成后,對(duì)河口環(huán)流的影響不大。而航道疏浚則對(duì)河口環(huán)流有顯著影響。由于航道疏浚使水深增大,疏浚后表層向海的余流增到大10～18 cm/s,而底層的向陸余流也增大到10 cm/s以上,表明河口環(huán)流得到了加強(qiáng)。瀉湖內(nèi)的圍塘工程對(duì)河口環(huán)流的影響不大。

圖5 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)潮汐汊道中部站位河口環(huán)流的影響Fig.5 The impactof human activitieson the estuarine circulation

3.4 鹽水入侵的變化

為研究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)鹽分輸運(yùn)和鹽水入侵的影響,計(jì)算了口門(mén)斷面各漲落潮期的鹽分通量,結(jié)果見(jiàn)圖6。

從圖6可見(jiàn),口門(mén)西側(cè)圍填工程對(duì)鹽分輸運(yùn)通量基本無(wú)影響,而航道疏浚則使鹽分通量大幅度增加。瀉湖內(nèi)的圍塘工程則略為減少了鹽分的輸運(yùn)。

沿圖1中的縱斷面摘取模型計(jì)算各時(shí)刻的鹽度剖面,取垂向平均鹽度為25 ppt(選取25 ppt為任意,選取其它的量值得出的結(jié)果類(lèi)似)的向陸界線(xiàn)作為鹽水入侵的標(biāo)志線(xiàn),計(jì)算各時(shí)刻從口門(mén)至鹽度為25 ppt界線(xiàn)的長(zhǎng)度。將計(jì)算的各時(shí)刻長(zhǎng)度進(jìn)行低通濾波、去潮后,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)于圖7。

從圖7中可以看出,在2000年的自然狀況下,鹽水入侵的長(zhǎng)度隨大小潮發(fā)生周期性變化,大潮時(shí)入侵長(zhǎng)度長(zhǎng),小潮時(shí)入侵長(zhǎng)度短,從而表現(xiàn)出充分混合河口的特征?？陂T(mén)西側(cè)圍填工程使鹽水入侵的長(zhǎng)度有所增大,可能的原因?yàn)閲罟こ毯?潮汐汊道的口門(mén)更趨向外海,從而在漲潮時(shí)濃度更高的鹽水進(jìn)入汊道,使入侵長(zhǎng)度增大。而外海鹽水入侵的主要通道為航道深槽,剛好位于我們選取的斷面上。這與口門(mén)西側(cè)圍填工程后鹽分輸運(yùn)的通量沒(méi)有變化似乎矛盾。但通量變化不大意味著控制斷面以?xún)?nèi)的整個(gè)區(qū)域鹽度變化的速率類(lèi)似,并不能表征沿深槽的鹽水入侵長(zhǎng)度的變化。航道疏浚使鹽水入侵的長(zhǎng)度顯著增大,其原因在于隨著水深增大,河口重力環(huán)流增強(qiáng),鹽水沿深槽上溯也相應(yīng)增強(qiáng)。瀉湖內(nèi)圍塘使鹽水入侵有所減弱。

3.5 河口羽流擴(kuò)散范圍的變化

河口羽流是陸源物質(zhì)向海輸運(yùn)的主要途徑,對(duì)近岸環(huán)流與水體環(huán)境都產(chǎn)生重要影響。隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地形和岸線(xiàn)邊界的改變,河口羽流向外海擴(kuò)散的路徑與范圍也相應(yīng)改變。根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果,選取大潮期落憩時(shí)的表層鹽度分布情況,繪于圖8。從圖8可見(jiàn),2000年自然狀況下,河口羽流出口門(mén)后在慣性作用下沿落潮主水道運(yùn)移一段距離后,在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下向西南偏轉(zhuǎn)。口門(mén)西側(cè)的圍填工程加強(qiáng)了落潮流速,從而使慣性作用加強(qiáng),鹽度等值線(xiàn)向南伸突,然后才向西南偏轉(zhuǎn)。航道疏浚后使落潮流更為強(qiáng)勁,等鹽度線(xiàn)向南伸突更遠(yuǎn),羽流的擴(kuò)散范圍更遠(yuǎn)。瀉湖圍塘工程使河口羽流的擴(kuò)展范圍略有減少。

圖6 鹽分通量的變化Fig.6 Variation of salt

圖7 口門(mén)至垂向平均鹽度25 ppt的長(zhǎng)度變化Fig.7 Variation of salt intrusion length

圖8 大潮期落憩時(shí)表層鹽度分布Fig.8 Distribution of surface salinity at the ebb slack during spring tide

4 討 論

清瀾潮汐汊道為典型的瀉湖-汊道-沙壩型海岸,同時(shí)又受到河流淡水輸入的影響,表現(xiàn)出河口動(dòng)力特征。潮汐汊道的流速/歷時(shí)不對(duì)稱(chēng)對(duì)其穩(wěn)定性有重要影響,一般認(rèn)為落潮優(yōu)勢(shì)的不對(duì)稱(chēng)有利于汊道的穩(wěn)定性[14]。清瀾在大潮期落潮優(yōu)勢(shì)明顯,口門(mén)西側(cè)的圍填工程對(duì)其影響不大。從理論上講,水深增大,落潮優(yōu)勢(shì)更易于發(fā)育,因而航道疏浚應(yīng)使落潮優(yōu)勢(shì)的不對(duì)稱(chēng)更加發(fā)育。模型計(jì)算的結(jié)果顯示,航道疏浚后,大潮期部分時(shí)段落潮歷時(shí)縮短,漲潮歷時(shí)增強(qiáng),而漲落潮通量近似,說(shuō)明落潮流速更加大于漲潮流速,落潮優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)象更為突出;部分時(shí)段則落潮歷時(shí)延長(zhǎng),漲潮歷時(shí)縮短,而與此相對(duì)應(yīng)的則是漲潮通量小于落潮通量,說(shuō)明落潮不斷歷時(shí)延長(zhǎng),流速也增大了,為另一種形式的落潮優(yōu)勢(shì)[15]?？梢?jiàn)航道疏浚對(duì)潮汐汊道系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利。根據(jù)簡(jiǎn)單的計(jì)算,2000年自然狀態(tài)時(shí),大潮期的滯留時(shí)間T=其中P為潮棱體,V為水盆體積)

為3.24天,口門(mén)西側(cè)圍填工程對(duì)滯留時(shí)間無(wú)影響,航道疏浚使大潮期滯留時(shí)間減小為2.90天,而航道疏浚與瀉湖圍塘的共同影響下滯留時(shí)間更減小為2.84天?？傮w而言,清瀾潮汐汊道系統(tǒng)為一物質(zhì)快進(jìn)快出的系統(tǒng),這與清瀾潮汐汊道長(zhǎng)度較短有關(guān)。人類(lèi)活動(dòng)的影響加強(qiáng)了這一特征,從而對(duì)其內(nèi)的水質(zhì)過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

主要結(jié)論:

1)清瀾潮汐汊道不同的人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水動(dòng)力的影響不同。口門(mén)西側(cè)的圍填工程使潮汐汊道系統(tǒng)的潮差減小,而航道疏浚和瀉湖內(nèi)圍塘則使潮差增大顯著。瀉湖內(nèi)圍塘對(duì)潮差的影響可能與駐波系統(tǒng)的腹點(diǎn)向海推移有關(guān);口門(mén)西側(cè)圍填工程對(duì)潮通量影響不大,而航道疏浚則大大增加了潮通量,瀉湖內(nèi)圍塘使潮通量略有減小?？陂T(mén)西側(cè)圍填工程對(duì)河口環(huán)流影響很小,航道疏浚則加強(qiáng)了河口環(huán)流,瀉湖內(nèi)圍塘對(duì)河口環(huán)流的影響相對(duì)較小。

2)口門(mén)西側(cè)圍填工程加劇了高鹽水向潮汐汊道深槽的上溯,而航道疏浚使鹽水上溯加強(qiáng)效應(yīng)更為顯著。

3)口門(mén)西側(cè)圍填工程改變了河口羽流的入海路徑,而航道疏浚則使河口羽流更加向海伸突,從而擴(kuò)散范圍增大。

4)對(duì)清瀾海洋開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的可行性論證與環(huán)境影響評(píng)價(jià)應(yīng)從更大的范圍與更綜合的物理、生物過(guò)程和更長(zhǎng)的時(shí)間尺度來(lái)加以綜合考慮,才能減小單個(gè)工程項(xiàng)目對(duì)整體環(huán)境的不利影響。

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WANGDao-ru1,WEN Jing2,GONGWen-ping3,ZHAO Jun-peng3
(1.Hainan Marine Development Plan and Design Research Institute,Haikou 570125,China;2.Guangdong Weather Bureau,Guangzhou 510080,China;3.Coastal and Ocean Science&Technology Research Center,School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

TV148

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1005-9865(2011)01-0053-08

2010-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40866001)

王道儒(1964-),男,海南屯昌人,高級(jí)工程師,從事海岸動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:wangdr6@yahoo.com.cn

龔文平。