半封閉海灣的水交換數值模擬研究

李希彬，孫曉燕，牛福新，宋軍

（1.國家海洋局天津海洋環境監測中心站天津市海洋環境監測預報中心，天津300457；2.國家海洋信息中心，天津300171）

半封閉海灣的水交換數值模擬研究

李希彬1，孫曉燕2，牛福新1，宋軍2

（1.國家海洋局天津海洋環境監測中心站天津市海洋環境監測預報中心，天津300457；2.國家海洋信息中心，天津300171）

基于采用不規則三角網格和有限體積方法的FVCOM模式，建立半封閉海灣-湛江灣附近海域的三維潮汐潮流數值模型，通過驗證，結果與觀測數據符合良好，并在此模型基礎上對湛江灣的水交換狀況進行了數值模擬，將湛江灣劃分成3個區域，針對各區域進行了水交換能力研究，研究結果表明：由于湛江灣內不同區域的地形和地理位置變化較大，使得湛江灣內不同區域交換能力相差較大，其中，靠近湛江灣出口處交換能力最強，特呈島以北海域交換能力最弱，交換時間與物質的初始濃度無關，與投放時刻和外源強迫密切相關，在治理湛江灣環境時，應分區進行，注意選擇污染物排放時間和位置。

湛江灣；水交換；數值模擬

湛江灣位于廣東省的西南部，雷州半島的東北部，屬半封閉沉溺型港灣（中國海灣志編輯委員會，1999），灣內水域面積160 km2，平均納潮量5億m3，最大10億m3。湛江灣內有南三島、特呈島、東頭山島和東海島等，湛江灣口位于南三島和東海島之間，寬約2 km，是湛江灣與外海相通的主要通道，湛江港是廣東省第二大港，同時是華南最大的潮汐汊道（應秩甫等，1996）。

近年來，湛江灣內海岸工程發展迅速，同時，工程污染、生活污水、養殖污水等排放量增加，加之灣內外水交換不暢，造成湛江灣內海域環境質量下降，對湛江灣水交換的科學認識是對其進行合理開發利用的重要前提，也早已引起廣泛關注（應秩甫等，1996）。前人已研究了湛江灣的潮汐和潮流的主要特征及對水環境的影響，分析了湛江灣余流場的分布特征（陳達森等，2006）；針對湛江灣海域海岸工程的沖淤問題，利用數模模擬的方法分別對湛江灣內的動力地貌（賀松林等，1997）和泥沙沖淤（丁平興等，1997）兩方面進行了預測和分析，包括湛江灣海岸工程建設后可能引起的動力地貌變化和沖淤強度變化及其空間分布等；也有對湛江灣的海岸工程進行的數值模擬分析，對工程可能引起的水動力環境變化進行了預測（夏華永等，2006）；前輩們也將數值模擬方法應用于海灣水交換計算中：以渤海為例，采用水質模型模擬水體對半交換時間的方法進行了水交換模擬（魏皓等，2002）；對膠州灣水交換進行的研究，指出由于流場分布的不均勻，膠州灣不同區域水體的交換時間差別較大（趙亮等，2002）；運用各種不同的數值方法對象山港的水交換狀況進行研究（董禮先等，1999）；利用余流分布、拉格朗日質點跟蹤等方法，對丁字灣的水交換進行的研究等（孫英蘭等，2003）。

相對其他海域，關于湛江灣水交換方面的研究工作較少，本文運用水動力數值模型和歐拉彌散水質模型，考慮對流與擴散過程，在水動力過程中耦合風的作用，對湛江灣內的保守物質濃度輸運進行了數值模擬，計算了湛江灣內某物質的保守濃度對流擴散稀釋為初始濃度一半所需的時間，定量研究了湛江灣內不同區域的水交換能力，以及污染物投放初始時間和風力作用等對湛江灣內水交換能力的影響。

1 模型簡介

計算湛江灣水交換率的數值模型由兩部分構成：水動力模型和計算保守物質濃度擴散的水質模型，水動力模型提供驅動水質模型所需的動力場和湍流擴散。

1.1 水動力模型簡介

湛江灣海域水深變化劇烈，且存在大片灘涂，為對灘涂處進行準確處理，本文采用國際先進的海洋數值模型FVCOM進行模擬研究。FVCOM模式在水平方向上采用無結構化三角形網格，更易擬合邊界，并可針對關注區域進行局部加密，可更好地保證質量、動量的守恒性，垂直方向上采用σ坐標，并采用有限體積方法，在進行潮間帶處理時，FVCOM采用干/濕網格技術（Chen Changsheng et al，2006），進行干/濕網格判斷，在計算流量時只考慮濕網格的流量，來保證流體體積守恒。因此，對于湛江灣附近海域這樣具有海底地形復雜、海岸線不規則且彎曲較多、灘涂面積大、水深變化劇烈、島嶼眾多等特點的海灣，適合選用FVCOM進行模擬。

1.2 模型計算區域

為計算湛江灣與外海的水交換狀況，本文包括湛江灣及其部分外海海域作為模擬計算區域，東經110.1535°-110.833°，北緯20.4924°-21.4074°，見圖1。

模擬區域中，南北長約91 km，東西約69 km。采用東中國海大區潮模型嵌套結果作為開邊界條件，模型采用三角形網格，最小空間網格步長100m，最大2 000 m，時間步長設置為5 s，垂向分為6個σ層。模型區域共有網格28 258個，三角形單元53 609個，對湛江灣的部分重點區域如狹窄水道等對網格進行加密，見圖2，較好地體現了模擬區域岸線和地形分布。模式采用中華人民共和國海事局出版的海圖資料作為水深場，利用內插方法計算得到網格點水深，以最高潮時的零米等深線處作為模式計算區域的邊界。

1.3 水質模型和初始條件

水質模塊的基本控制方程：

上式中，u，v，w分別代表x，y，σ方向的流速，C代表污染物濃度，D代表總水深，FC為水平擴散系數，Kh為垂直擴散系數，C0表示輸入的保守物質源強濃度：

污染源強函數：

式中，σk和σk+n分別代表污染物輸入的最上和最下σ層，i為三角形頂點所在的位置，代表輸入的總點數，ts和te分別代表污染物輸入開始和結束的時間，n表示從0到KB-1的整數（KB表示σ層的個數）。

差分方法：采用有限體積離散方法。

邊界條件：與水動力模型中的溫、鹽邊界條件相同。

2 模型結果驗證與分析

本文選取2006年9月在湛江灣布設的T1-T4共4個臨時驗潮站和V1-V4共4個連續潮流觀測站的觀測數據與模擬結果進行對比，以驗證數值模擬的結果，連續站潮流觀測采用直讀式海流計，時間為26 h；潮位觀測采用ALEC水位計，長度均1 1。果，與實測資料進行對比驗證，發現兩者差別較小，模擬潮時與實測潮時基本一致，模擬潮高與實測值最大差在20 cm內，在允許范圍之內，計算潮流與實測潮流也有良好的一致性，模擬漲落潮流場平順，潮時及流速大小與實測潮流均較為接近，也與該海區地形輪廓相符，能夠較好的反應潮流的性質，因此可認為本文的水動力模型是合理可靠的，模擬結果基本能反映湛江海域的水動力特征，可以在該模型基礎上對湛江海域的水交換特征進行模擬分析。

按照湛江灣的地形分布特征，將湛江灣劃分為3個區域，其中區域一為特呈島和南三島以北區域，區域二為東頭山島以西區域，區域三為南三島以南、東頭山島以東區域，見下圖3，其中區域一面積約占湛江灣海域的28%，主要特征為水深較淺，水道細長狹窄，海水流速較小；區域二是約占湛江灣面積的23%，面積較小，水很淺，灘涂面積很大，海水流速很小；區域三約占湛江灣面積的49%，面積最大，海面寬廣，僅南三島南部及東海島北部存在小面積灘涂，其他海域水深均較深，東部為湛江灣口，同樣是湛江灣主航道—龍騰水道的出口，海水流速較大。進行水交換率模擬時，在模擬的初始時刻，將湛江灣內部計算格點上的保守污染物濃度全部定義為1（圖4中黑色所示），灣外網格點污染物濃度全部定義為0，因此，本文中，定義：水交換率=（1-水體殘留污染物濃度）× 100%，對半交換時間定義為水體的污染物濃度降低為初始濃度一半時所需的時間，在與前文水動力條件完全相同的情況下模擬運行100 d，進行分析。

2.1 模型結果分析

對模擬結果進行分析，得到了計算區域內污染物濃度隨時間的擴散情況和對半交換時間分布，對海灣內表層水體污染物擴散狀況進行分析，如下圖5和6所示，區域三處表層水體交換率較高，對半交換時間為5-15 d，從灣口向里，水體的對半交換時間呈增加趨勢；區域二處由于東海大堤的阻隔作用，海水交換率很低，水體對半交換時間也很長，平均對半交換時間超過100 d；區域一的灣頸海域，其表層水體的對半交換時間也基本都在100 d以上，且向北呈增加趨勢，至灣頂達最大。將計算區域內對半交換時間大于100 d的格點水體的對半交換時間定義為100 d，對表層水交換率模擬結果進行平均分析，發現在污染物釋放之后50 d，模擬區域的表層水交換率僅為29.82%，整個海灣表層水體的平均水交換率達到50%則需要近100 d。整個湛江灣表層水體的對半交換時間為80.6 d。

在區域一的灣頸海區，由于地形窄，面積小，相應納潮量小，海水流速也較小，因此此處海水的交換能力較弱，但此處沿岸是湛江市的人口密集區和港口所在地，主要陸源污染物也主要由此排入海，由此導致水質較差，因此，區域一的海水交換率的變化對此處海水環境質量的影響是非常重要的，模擬結果顯示，模擬進行100 d后，區域一內表層水體的污染物濃度平均降為63.77%，相應水交換率為36.33%，由于此處海區屬于生活聚居區，水交換率的改變應高度注意。

在區域二的大堤以東、東頭山島西側區域，此處水深較淺，海面較寬，灘涂面積較大，因此，海水流速較小，且由于東海大堤阻隔了湛江灣與西側雷州灣的海水交換，此處海水僅通過湛江灣東側出口與外海進行交換，因此，此處水交換能力較弱，海水交換率較低，模擬100 d之后，結果顯示，區域二表層水體的海水交換率僅為44.09%，目前此處正規劃建設多處大型海岸工程和圍填造地項目，勢必會對此處海域環境造成影響，因此，此處的海水交換率變化也應引起高度注意。

區域三靠近湛江灣出海口，主要是特呈島、南三島以南、東頭山島以東海域，此處靠近湛江灣的出海口，水深較深，海水流速也較大，因此海水交換率也較高，模擬運行100 d后，結果顯示，此海區表層水體的污染物濃度降低到28.75%，水交換率為71.25%，水交換率是湛江灣內水交換率最高的區域，此處表層水體的對半交換時間僅僅為5-15 d，其中灣口南部海域水體的對半交換時間小于5 d，而灣口北部海域水體的對半交換時間為10 d左右，這主要是由于湛江灣口“北進南出”的余流效應造成的，灣口北側的余流指向灣內，這在一定程度上阻礙了海水的交換，使此處海水交換率降低，而灣口南側的余流指向灣外，對海水的交換有促進作用。

表1表層水體水交換率隨時間變化的分析

下圖7-8是湛江灣內3個區域表層水體的污染物濃度隨時間的變化圖，由于區域一水深較淺，且水交換通道狹窄，導致區域一海水交換緩慢，擴散模擬進行的100 d內，此處海水的污染物濃度基本隨時間呈線性緩慢減少的變化趨勢，模擬100 d后，區域一內海水的污染物濃度僅降至初始濃度的64%。

區域二由于東海大堤的存在，阻隔了湛江灣和雷州灣的水交換，導致此處水體交換能力較弱，水交換率較低，擴散模擬100 d后，此處表層海水污染物濃度下降至初始濃度的55%，濃度基本也是呈現線性減少的變化趨勢。

區域三靠近東海島東側灣口，此處水體交換能力較強，與灣外水體交換較好，表層水體對半交換時間僅為30 d，圖9所示污染物時間分布曲線顯示，污染物剛釋放后，其濃度降低較快，40 d后，濃度減少趨勢變緩，模擬運行100 d后，污染物濃度降低至24%左右。

上3圖所示各區域濃度變化隨時間遞減的過程中均出現與大小潮變化周期相同的半月周期振蕩。這主要是因為潮汐的月不等現象會帶來海灣納潮量的變化，納潮量在大潮時達到最大，此時海灣內水體體積增加，污染物濃度會相應減少，而小潮時灣內納潮量減少，污染物濃度則會相應增加。

2.2 不同層次水體的交換能力分析

湛江灣內水深分布不均勻，變化較大，且岸線曲折復雜，僅僅考慮表層海水的交換能力遠遠不夠，因此本文也對湛江灣內中層和底層的水體交換能力進行分析。

表2湛江灣內中層和底層海水的污染物濃度變化

上表2分別給出了湛江灣內中層和底層海水的污染物擴散數值模擬結果，模擬結果顯示，湛江灣的3個區域內，中層和底層的海水交換率在相同的擴散時間內均低于表層的水交換率，水交換率是逐層減低的，表現為表層的水交換率高于中層，中層的水交換率高于底層，模擬運行100 d后，整個湛江灣中層和底層海水的污染物濃度分別為51.61%和53.97%，均高于表層海水的48.11%，因此，中層和底層的海水相比表層更加難以與外海進行海水交換。

2.3 風對湛江灣內水體交換的影響

由湛江氣象部門多年統計資料分析，湛江的平均主導風向為東風，風速約3.2 m/s，為更合理的計算湛江灣內水體的交換能力，本文在進行模擬計算時，加入定常風對灣內水體和流場的影響。

如圖10，在考慮定常的3.2 m/s的東風作用的情況下，湛江灣內表層水體的對半交換時間分布與不考慮風時相似，其中，在區域三的灣口處，表層水體交換率較高，但交換時間降為10-20 d，從灣口向灣內，水交換率呈逐漸降低的趨勢，水體對半交換時間向灣內也逐漸增大，區域一和區域二處表層水體的對半交換時間都超過100 d，由此可見，若考慮常年平均3.2 m/s的東風的作用下，湛江灣的水交換率將更加降低，3個區域海水的對半交換時間均有所延長。

3 討論與結論

本文利用數值模擬的方法，詳細分析了湛江灣海域的海水交換能力，總體來說，湛江灣的水交換率是較低的，湛江灣的自然環境決定了湛江灣是一個自凈能力較差的海灣，同時，湛江灣的岸線輪廓和地形造成了湛江灣3個區域的污染物擴散能力顯著不同，靠近湛江灣口處海水的水交換能力強，遠離湛江灣口的海水交換能力弱，表層海水交換能力強，底層水交換能力弱，且如果在湛江地區年均3.2 m/s東風的作用下，湛江灣的海水交換能力將進一步降低，因此，對湛江灣海域進行的工程開發要合理進行，充分考慮工程對湛江灣水交換率變化的影響，同時，要對湛江灣進行環境治理，改善湛江灣的水質，應針對不同區域，不同污染源，除了加大污水排放整治力度外，還應考慮排放時間和排放位置，湛江灣灣頸和西側灣底海域海水自凈能力差，更應減輕其環境壓力，以防造成災難性后果。

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Numerical study on the water exchange of a semi-closed bay

LI Xi-bin1，SUN Xiao-yan2，NIU Fu-xin1，SONG Jun2
（1.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station of State Oceanic Association（SOA），Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center，Tianjin 300457，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China）

Based on an unstructured grid，finite-volume coastal ocean model（FVCOM），a 3-dimensional numericaI simulation model of tide and tidal current in the semi-closed Zhanjiang Bay was built.By verification，the results of the model agreed well with the field observed data．And the water exchange status of the Zhanjiang Bay was numerical simulated based on the well validated model.The Zhanjiang Bay was divided into three areas，and water exchange ability of each area was studied.The results showed that，there were great differences in water change abilities of different areas because of large topography differences of different areas in the Zhanjiang bay，of which，the highest water exchange ability appeared in the area closed with the outlet，and the area north of Techeng Island had the lowest ability.Exchange time was independent from the initial concentration，but highly dependent on the initial time and extraneous sources forcing.During environmental management，the time and place for discharging the waste should be considered for different areas.

the Zhanjiang Bay；water exchange；numerical simulation

P722.6

A

1001－6932（2012）03－0248－07

2011-03-20；

2011-10-26

李希彬（1983－），男，碩士，主要從事物理海洋研究工作，電子郵箱：lixb_tj@yahoo.com.cn。

孫曉燕，工程師。電子郵箱：hyda@mail.nmdis.gov.cn。

袁澤軼）