清淤疏浚工程對七里海潟湖濕地水體交換的影響

匡翠萍,董智超*,顧 杰,詹華明,趙 衛

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清淤疏浚工程對七里海潟湖濕地水體交換的影響

匡翠萍1,董智超1*,顧 杰2,詹華明3,趙 衛3

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092；2.上海海洋大學生態與環境學院,上海 201306；3.天津市海洋地質勘查中心,天津 300170)

七里海潟湖濕地受到人類活動的影響,湖盆淤積、湖面萎縮、水質惡化,其生態修復工程(一期)通過對湖盆進行清淤疏浚來改善潟湖生態環境.基于三重嵌套非結構網格建立七里海潟湖濕地水動力和物質輸運數學模型,采用實測資料對模型的潮位、流速和流向進行驗證,運用歐拉法計算潟湖整體滯留時間及其空間分布,分析工程對七里海潟湖水動力和水體交換的影響,結果表明:(1)工程對潮位的影響較小,工程后潮汐通道口門處漲落潮流量增大,漲落潮流速也隨之增加;(2)工程后,潟湖納潮量較工程前提升87%,滯留時間較工程前降低38%,水體交換能力自潮汐通道向潟湖內部逐漸減弱,工程對潟湖水體交換能力的改善主要集中在河道及潟湖中心水域;(3)工程前水體滯留時間的分布主要受到潟湖地貌影響,工程后水深增大,流場受地貌的影響變小,水體交換能力的分布主要受到潟湖流場影響.清淤疏浚工程有助于潟湖改善水體的交換能力和生態環境.

潟湖濕地；清淤疏浚；水體交換；滯留時間

潟湖廣泛分布于我國沿海地區,是一種特殊類型的沉積性海岸濕地.潟湖地處海陸相間的區域,與外海之間由一條或多條潮汐通道相接[1].潟湖是人類活動與海洋生態系統之間的過渡空間,自然環境復雜多變[2],并具有極高的生物多樣性[3].潟湖濕地擁有豐富的生態資源和重要的環境效益,然而由于自然條件的變化和人類的過度開發利用,濕地生態平衡被打破,潟湖濕地資源不斷萎縮,生態環境日趨惡化[4].

海洋對污染物本身具有巨大的自凈能力,對水體自凈能力的了解是解決潟湖水生環境問題的基礎[5],海洋環境中水體的自凈能力主要通過漲落潮過程引起的水交換過程,將內部污染物濃度在交換過程中得到稀釋[7].水體生態環境的改善最終歸結為污染物歸宿的控制[9].量化研究水體輸運過程和規律是診斷污染物歸宿的前提與基礎,水體交換能力的強弱本質上反映了水體自凈能力,這對促進水體改善具有重要意義[10-12].所以在潟湖生態修復的過程中,水體交換能力一直是研究的焦點.通過數值模擬研究水體交換的方法主要分為拉格朗日法[10]和歐拉法[13].拉格朗日法基于粒子追蹤,通過跟蹤粒子的運移軌跡進行樣本統計,計算得到時間尺度,該方法可以有效避免數值耗散產生的不穩定,但忽略了水體的對流擴散作用[14].歐拉法基于對流擴散方程求解,著眼于描述空間點上物質隨時間的運動變化,反映局地余流特征[16].Cucco等[18]分別采用歐拉法和拉格朗日法研究了Venice潟湖水交換特性,發現潮汐變化對拉格朗日法計算結果的影響大于歐拉法的計算結果.針對潟湖的水體交換研究主要基于數學模型,通過計算水齡[19]、滯留時間[20]、半交換時間[21]等時間尺度對水體交換能力定量分析.研究表明Curonian潟湖的水交換主要受到風的控制,受徑流的影響較小[23].在七里海水交換的研究中發現風使潟湖水體交換能力大幅增加,在東北風的作用下最有利于污染物的輸移擴散[24].

七里海潟湖濕地是河北省昌黎國家級自然保護區內的主要保護對象之一,湖內有季節性河流注入,潟湖與外海之間有新開口潮汐通道相連,屬半封閉式潟湖,是國內僅存的現代潟湖之一[26].因入湖河流均為季節性河流,平時接納的各種陸源污染物儲存在河道及其附近,而在汛期洪水夾帶大量污染物通過湖區并進入渤海.這種水文特點造成七里海潟湖多數時間水面萎縮,湖盆出露,且位于核心區和緩沖區的灘涂也被當地居民開墾為魚塘蝦池,保護范圍一直遭受到各種蠶食,自然生態系統遭到破壞,生態功能大部分喪失[28].基于LANDSAT遙感影像,楊會利等[30]發現1956年以后,受人類活動的影響,潟湖及周邊濕地逐漸被人工濕地所代替,潟湖水面面積減小,淤積加重,潟湖生態系統遭到破壞,不能通過自身調節逐步恢復原有的生態系統結構與功能,需要通過綜合性的整治修復,恢復其自然生態結構、功能和風貌.

七里海潟湖濕地生態修復綜合整治工程包括退養還濕、清淤疏浚、岸線整治、河口濕地和濕地修復5個部分,一期工程包括清淤疏浚和岸線(東岸)整治修復,依據自然保護區總體規劃的要求, 考慮潟湖自凈能力和水動力等因素,清淤方量達2.76′106m3,湖盆清淤后形成31.0m(以平均低潮位為基準)的潟湖水深.基于水動力和物質運輸數學模型,本文研究一期工程中清淤疏浚對水體交換和水動力的影響.以期對七里海潟湖濕地生態修復工程的規劃和設計提供一定的理論依據.

1 數學模型建立和驗證

考慮七里海潟湖水域最深處僅為4.9m,且在落潮時潟湖有大面積出灘,潟湖水體寬淺,二維水動力及物質輸運數學模型可滿足潟湖動力和水體交換能力的研究需求.本文建立二維七里海潟湖模型,基于有限體積法求解二維不可壓縮Reynolds平均Navier-Stokes方程,其中考慮了Boussinesq近似、淺水假定和靜水壓力的假定.

1.1 基本方程

1.1.1 連續性方程:

式中:為時間;為笛卡爾坐標;分別為方向垂向平均流速分量;為總水深;為源匯流項.

1.1.2 動量方程:

式中:為水面高程;為科氏力參數;為重力加速度;0為水的密度;為水的參考密度;、為水面風剪應力分量;、為河床切應力分量;P為空氣大氣壓力;u、v為源(匯)流向外界的速度分量;F、F為水平渦粘應力量.

物質輸運模型基于物質守恒方程建立,物質守恒方程如下:

式中:為物質濃度;和為對流擴散系數.

1.2 計算網格及邊界條件

模型平面坐標系選用北京54坐標系,高程以平均海平面為高程零點.模型采用三重嵌套網格,大模型為渤海模型[32],模型開邊界采用大連和煙臺潮位控制,中模型模擬區域為秦皇島鄰近海域[34],其外海開邊界由渤海模型計算取得,小模型研究區域為七里海潟湖濕地,潮汐通道處開邊界由中模型計算得到.七里海潟湖濕地區位如圖1所示,潟湖岸邊四邊形區域為圍堰養殖池,通過圍埝進行養殖池區域劃分,養殖池僅在換水時通過閘門與潟湖水域聯通,大部分時間為非透水區域.所以模型以養殖池為岸線建立固壁邊界,模型采用非結構網格進行計算,網格包含6656個節點和11818個單元,網格空間步長在5~50m,較精確地反映了潟湖內部的地形變化.

七里海潟湖由4條河流流入,河流流量采用實測月平均流量進行控制.風應力采用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)給出的海面10m以上、間隔為6h的風場資料.底部摩擦力曼寧糙率系數由水深和底部中值粒徑共同控制,取值范圍為0.011~0.015,時間步長由模型自動調節,為0.001~60s,柯朗數限值為0.8.水平渦粘系數采用Smagorinsky公式計算.模型采用干濕動邊界處理技術,模型中干點臨界水深取0.005m,濕點臨界水深取0.05m.

1.3 模型驗證

對七里海潟湖濕地的水動力模型分別進行潮位和潮流的驗證,驗證點位如圖2所示,潮位驗證點位于七里海潟湖潮汐通道內(WL),潮流驗證點分別位于潟湖濕地(C1~C2)和潮汐通道內(C3~C4),潮位驗證采用2016年9月23日~10月23日潮位實測數據,潮流驗證采用2016年9月23日潮流實測數據.分別將實測值與計算值進行比較(圖2),并引入Wilmott提出的效率系數[36]對模型計算結果的優劣進行定量評價,評價公式如下:

Skill值的范圍在0~1之間.Skill大于0.65時,表示模型計算結果為極好;Skill在0.65~0.5之間時,表示模型計算結果為非常好;Skill在0.5~0.2之間時,表示模型計算結果為好;Skill小于0.2時,表示模型計算結果為差.該模型各驗證點潮位、流速、流向和鹽度的Skill評價結果見表1,說明模型潮位和潮流驗證良好.

表1 模型效率評價

1.4 水體交換能力的確定方法

基于水動力模型和物質輸運模型,采用歐拉法分析七里海潟湖的水體交換特性.潮流交換和擴散而導致的水體交換能力可用滯流時間表示,滯流時間可通過數值示蹤劑試驗來確定,將研究的水體染成單位濃度的示蹤劑,應用水動力和物質輸運模型進行計算,可得水體中剩余的示蹤劑質量,剩余的示蹤劑質量變化過程可用衰減函數進行表示[37]:

式中:Mt和M0分別是示蹤劑在時刻t和初始時刻的質量;參數b,k和B應用最小二乘法擬合數值計算結果求得.滯流時間可定義為示蹤物質質量衰減為初始質量的e-10所需要的時間.

2 清淤疏浚工程對七里海潟湖水動力的影響

圖3 清淤疏浚挖深厚度

為了提升潟湖納潮量,加強潟湖水體交換能力,改善和恢復七里海生態功能,對七里海潟湖濕地進行清淤疏浚工程,七里海潟湖濕地生態修復工程(一期)挖深如圖3所示,原始高程低于-1.5m(平均海平面)不進行清淤,原始高程高于-1.5m的區域均挖深至-1.5m.在此地形基礎上,采用中等潮差作為潮汐通道口門處開邊界,河流流量采用多年平均流量進行控制,潮汐通道處開邊界條件如圖4所示.

從潮汐通道開邊界條件可以看出,潮位過程在一個潮周期內呈現雙峰雙谷的形態,存在兩次漲潮和兩次落潮的過程,日落潮流歷時大于漲潮流歷時,平均落潮流速高于平均漲潮流速,說明在潮汐通道內為落潮優勢流.七里海潟湖濕地生態修復工程在一期階段對潟湖進行清淤挖深,潮汐通道作為潟湖穩定性的重要控制條件,直接影響潟湖整體的水動力特性,研究潮汐通道內的水動力變化更直觀地展現清淤疏浚工程帶來的影響,潟湖內部潮溝的地形特點反映了潟湖內部的水流結構特征,本文選取潮汐通道內兩點(T1、T2)及潟湖內一點(T3位于潟湖內潮溝處)進行工程前后的水動力比較,分析點位及水動力比較如圖5所示.

圖4 潮汐通道邊界條件

圖5 分析點位及水動力比較

圖6 潟湖口門處流量比較

從3個分析點的潮位和流速比較中可以看出,潟湖內的潮位變化幾乎相同,清淤疏浚工程后低潮位略有升高,高潮位保持不變,工程前平均潮差為0.73m,工程后的平均潮差為0.67m,整體上工程對潮位的影響幅度較小.潮汐通道內的兩個點(T1,T2)漲潮流速和落潮流速均增大,這是由于原始條件下潟湖內的灘涂阻礙了水流的進出,而清淤疏浚后,對水流的阻礙降低,流速增大.T1點位于潮汐通道中段,T2點位于潮汐通道入潟湖的口門處,口門處由于斷面大幅變窄,T2點的流速明顯高于T1點的流速.T3點位于七里海潟湖內,低潮位時,工程前水域面積變小,水體主要集中在潮溝內,束水歸槽使得工程前的流速明顯大于工程后的流速,工程后水深增加,增大了單位面積上的水體體積,水體不再受潮溝的影響,流速也相應降低.從潟湖口門處的流量比較(圖6)可以看出,漲落潮過程中,工程后的流量大于工程前的流量,潟湖清淤后,湖內地形降低,減少了水體出入潟湖的阻流作用,流量增大.

3 清淤疏浚工程對七里海潟湖水體交換的影響

圖7 水體質量隨時間變化過程曲線

提取模型中單一網格節點的水體中示蹤劑質量隨時間的變化過程,計算單一網格點的滯留時間,并通過克里金插值形成七里海潟湖滯留時間的空間分布如圖8所示.

七里海潟湖的滯留時間從潮汐通道向潟湖內部逐漸增大,潮汐通道內滯留時間最短,水體交換能力最強,工程前七里海潟湖內部的滯留時間分布與潮溝地形的分布相似,潮溝處的滯留時間明顯高于淺灘處的滯留時間,這是由于清淤疏浚工程前,潟湖內除潮溝以外的區域水深很淺,最深處僅有0.3m,較淺的水深限制了初始水體的體積和質量,易從高地形處流入潮溝與其他區域水體發生交換,故滯留時間較短.潮溝處的水體由于水深大,初始水體的體積和質量較大,淺灘處的水體易流入潮溝增大其區域的示蹤劑質量,故滯留時間較長.

在清淤疏浚工程后,由于原始高程高于-1.5m的區域均挖深至-1.5m,雖然仍有潮溝的地形構造,但潮溝對水體的對流擴散作用的影響大幅減弱,滯留時間的分布已不遵循地形特點.潮汐通道入潟湖口門處岸線的突出形成丁壩的結構形式,由于丁壩的阻隔,降低了壩后的水體交換能力,壩后水體滯留時間為20~50h大于周邊水域,水體交換能力較弱.潟湖水體交換最快的區域位于潟湖北部近潮汐通道和張家港溝區域,其滯留時間均小于10h,其分布形式因漲急時刻(圖9(a))口門處丁壩挑流和岸線的共同作用,使入湖流速加快,流速較大(0.2~0.6m/s)的區域與潟湖滯留時間小于10h的分布區域相同,漲急時刻在丁壩后方形成的逆時針環流現象也是丁壩后滯留時間較長的原因之一.落急時刻流場由于流速分布呈現從潟湖從內至外逐漸增大的均勻分布現象,故對潟湖水體滯留時間的分布影響較小,所以水體交換能力的分布主要受到潟湖漲急流場的影響.

圖8 七里海潟湖濕地滯留時間分布

清淤疏浚工程前,水體水深較淺,部分水體在潮位較低的時候呈現出灘的現象,所以水深較淺(即水體示蹤劑質量較少)的區域滯留時間較低,水體交換能力速度加快,但不意味著有利于潟湖水質的改善,因為工程前低納潮量是生態環境的惡化的主要原因.清淤疏浚工程,增大潟湖水深的同時改變了潟湖的流場結構,潟湖水體交換能力改善最為明顯的區域為河道及潟湖中心水域,其他未獲得改善的區域主要是因為工程前單位面積水體體積較小.綜合工程后的納潮量的增加,及其在河道及潟湖中心水域水體的重點改善,七里海潟湖濕地一期工程在整體改善水域面積、景觀環境的同時,將更好地解決河道及潟湖中心水域的水質問題.

圖9 清淤疏浚工程后潟湖特征時刻流場 Fig.9 Flow fields at typical moments of Qilihai lagoon wetland after the dredging project

4 結論

4.1 七里海潟湖水域在一個潮周期內存在兩次漲潮和兩次落潮過程,工程后高潮位保持不變,低潮位有所升高,但變幅較小,因此工程對潮位的影響較小.

4.2 工程前潟湖內的地形較工程后的地形高,對水體出入潟湖有明顯的阻流作用,清淤疏浚工程后,漲落潮過程中流量增大,漲落潮流速也隨之增加.

4.3 工程前湖盆淤積嚴重,工程后潟湖納潮量明顯增大,工程后的納潮量為5.91×106m3,較工程前提升了87%,有助于潟湖維持良好的生態環境,有效增加水體的交換能力.

4.4 工程后滯留時間較工程前減少了38%,水體交換能力從潮汐通道向潟湖內部逐漸減弱,工程前潟湖滯留時間分布與潮溝地貌分布相似,潮溝處的滯留時間高于淺灘處的滯留時間,工程后隨著水深的增加,滯留時間的分布受地貌的影響降低,受流場的影響增加,工程對潟湖水體交換能力的改善主要集中在河道及潟湖中心水域.

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Impact of dredging project on water exchange of Qilihai Lagoon wetland.

KUANG Cui-ping1, DONG Zhi-chao1*, GU Jie2, ZHAN Hua-ming3, ZHAO Wei3

(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.College of Marine Ecology and Environment, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China；3.Tianjin Exploration Center of Marine Geology, Tianjin 300170, China)., 2019,39(1)：343~350

Caused by human activities, lagoon deposition, water area reduction and water quality deterioration of Qilihai Lagoon Wetland (QLW) become serious. Through the ecological restoration project of QLW (phase I), lagoon ecological environment will be improved by dredging project. Based on triple nested unstructured grids, the hydrodynamic and transport models of QLW were validated through observation data of tidal level, velocity magnitude and direction. Combined with the average residence time and the distribution of residence time in the whole basin calculated by Eulerian method and numerical simulation, the impact of dredging project on hydrodynamic and water exchange of QLW were analyzed. The results revealed that (1) the project had slight influence on tidal level, discharge and current speed during flood tide and ebb tide at the mouth of tidal inlet both increase after the dredging project; (2) the tidal prism of lagoon was increased by 87% after the dredging project, residence time was reduced by 38%, water exchange capacity was gradually weakened from tidal inlet to inner of lagoon and the main areas of water exchange improvement by the dredging project were water channel and center of lagoon; (3) the distribution of residence time before the project was mainly influenced by lagoon geomorphology, however, due to the water depth increases after the project, the flow field was less affected by geomorphology, and the distribution of water exchange capacity was mainly affected by the lagoon flow field. Improvement of water exchange capacity and ecological environment of QLW could be achieved efficiently by dredging project.

lagoon wetland；dredging project；water exchange；residence time

X55

A

1000-6923(2019)01-0343-08

匡翠萍(1966-),女,江蘇揚州人,教授,博士,從事海岸工程和河口海岸水環境研究.發表論文220余篇.

2018-06-05

國家自然科學基金資助項目(41776098);中央海島和海域保護資金資助項目(國海辦字[2016]612號)

* 責任作者, 博士生, dongzhichao@tongji.edu.cn