潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析.pdf
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1、 潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析王平1,2,3,邹文峰3,董祥科1,2,孙家文1,2,张宁川3(1.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023;2.国家环境保护海洋生态环境整治修复重点实验室,辽宁 大连 116023;3.大连理工大学 海岸和近海工程重点实验室,辽宁 大连 116024)摘要:为分析潮沟疏通对滩涂水动力的影响,基于非结构数值模型开展了滩涂区域水动力及水质点输移模拟分析。数值结果显示:疏通后涨潮时潮沟内流速显著增大,滩涂北侧的流速略有减小,变化范围在 50%左右;涨潮时潮沟内潮位变化较快,涨潮流速大于落潮流速;落潮时受滩涂归槽水体影响,退水时间较长,落潮历时是涨潮的 2 倍以
2、上;涨潮时潮沟内流速呈单峰分布,落潮时的流速呈双峰分布,第一个峰值为滩涂整体潮位下降引起,第二个由滩涂归槽水引起。潮沟是滩涂水体输运的主通道;潮沟疏通有利于增加滩涂纳潮量,降低外海的直接漫滩流速,减少滩面滞留水体,提高了落潮末期的归槽水流速;疏通后进入滩涂内的水质点数量增加了 1 倍,部分水质点贯穿整个滩涂,提高了滩涂与外海的水交换过程。关键词:潮沟疏通;水动力;粒子输移;数值模拟中图分类号:TV122 文献标志码:A 文章编号:1002-3682(2023)02-0174-14doi:10.12362/j.issn.1002-3682.20211202001引用格式:王平,邹文峰,董祥科,等
3、.潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析J.海岸工程,2023,42(2):174-187.WANG P,ZOU W F,DONG X K,et al.Analysis of the influence of tidal creek dredging on tidal flathydrodynamicsJ.Coastal Engineering,2023,42(2):174-187.滩涂是海陆交互带的重要组成部分,受到水动力条件、泥沙性质及海岸开发的共同影响1。潮沟是滩涂上最活跃的地貌单元,是潮滩水、沙、营养物质等的交换通道2,其功能是落潮时宣泄滩面水体、涨潮时向上游输送沉积物3。以往对滩涂潮沟的研究
4、主要关注潮沟的形态特征、动力机制、发育演变过程以及盐沼植被、人为干扰等外在因素影响4-5。现场观测研究发现:潮沟内涨落潮不对称性是滩涂潮沟发育的主要因素6;长江口附近潮滩在涨落潮时潮沟内潮位呈现上升较快、下降较慢特征7;滩涂上的潮沟是泥沙输运的主要通道,多以向岸输沙为主8-9;而滩涂植被具有明显的固滩作用,对潮沟发育呈较强的相关性10-11。研究滩涂潮沟形成机制的方法主要有物理模型和数值模型。龚政等12-14通过物理实验研究了潮汐作用下的潮沟发育过程,以及海平面上升对潮沟发育的影响,结果表明:在潮汐作用下,涨潮初期和落潮后期水流流速较快,是潮沟发育的主要动力因素;海平面上升后,露滩时间缩短,归
5、槽水对潮沟底床的塑造作用减弱。物理模型虽然可以模拟滩涂潮沟的冲淤及发育过程,但受到模拟时长及模型比例尺等限制,难以模拟大范围潮沟的长期演化过程15-16。数值模型可以模拟大范围、多级潮沟的长期演化问题17-18,可分析潮差及初始地形等因素对潮沟长期形态的影响。人为活动对潮沟发育有较大影响。滩涂围垦会导致归槽水滩面面积明显减少、潮沟系统尺度变 收稿日期:2021-12-02资助项目:国家重点研发计划专项(2022YFC3106101);国家自然科学基金项目(51709054 和 51809053);海岸和近海工程国家重点实验室开放基金(LP2107)作者简介:王平(1988),副研究员,博士,从
6、事近岸水动力模拟方面研究.E-mail:(王燕编辑)第 42 卷第 2 期海岸工程Vol.42No.22023 年 6 月COASTAL ENGINEERINGJune,2023小19;同时,围垦会导致堤前淤积加重、沉积物变细和潮沟发生迁移20。江苏近岸 2001 年至 2013年之间的潮沟形态演变21显示:大规模滩涂围垦影响下整体有明显的退化和消亡趋势21。为遏制滩涂湿地退化趋势,越来越多的人工干预措施被用于修复海洋生态系统22。修复措施主要包括物理、化学及生物修复方法等23。修复类型则以护岸、环境、生态系统和产业修复为主24。拆除滩涂围垦、疏通潮沟是常见的一种物理修复措施,其通过恢复原有的
7、滩涂地形,以改善滩涂水动力条件,促进滩涂湿地生态的自然恢复,但人为疏通潮沟对滩涂水动力的具体作用研究较少。本文基于非结构化网格下的水动力及粒子追踪模型,利用数值模拟方法模拟潮流下的潮沟滩涂水动力变化,对比潮沟疏通前后的水动力差异,分析疏通前后的纳潮量变化,进而系统地研究潮沟疏通对滩涂水动力的改善作用,以期为潮沟疏通工程的设计提供支撑。1研究区域研究区域位于辽东湾底的浅滩上(见图 1)。辽东湾内有辽河及大、小凌河入海,湾底分布有宽阔的淤泥质滩涂,辽河口附近滩涂上发育有大量碱蓬植被,形成了著名的红海滩景点,是辽东湾底滩涂的重要生态系统。拟修复滩涂临近辽河口,滩涂两侧均为养殖围堰,滩涂主要靠外侧的深
8、水潮沟与外海水体交换,同时滩涂上也发育有多条潮沟(见图 1b 中红色虚线),但受滩涂上的围堰影响,潮沟的连通性受阻,滩涂水体与外海交换不畅,是辽东湾底滩涂湿地的典型受损区域。121辽东湾400040404120N122E1213200405030D1D2D3D4D5D6D7D8P1P5P9P6P7P8P11P3P12P4P10P202040水深/m葫芦岛锦州盘锦营口营口项目位置405100405130405200N121323012133001213330E滩涂区域图 例围堰位置潮沟位置对比断面(D1D8)对比点(P1P12)(a)修复工程位置(b)修复区域滩涂图1拟整治修复的滩涂及潮沟遥感影
9、像Fig.1Remotesensingimagesofthetidalflatandtidalcreektoberenovated 为改善滩涂生态,拟拆除围堰、并疏通潮沟。潮沟疏通的走向与原有潮沟的走势一致,并将滩涂潮沟与外侧潮沟连为一体(见图 1 中粉色虚线),以改善滩涂的淹没及退水过程,该项目为“十三五”期间渤海攻坚战24海洋生态修复项目之一。由潮沟疏通前后的滩涂附近地形(图 2)可见,疏通后原分布有潮沟的南侧滩涂,其高程变化较小,潮沟底高程略有降低;对于原围堰占用的北侧滩涂,潮沟疏通位置处地形明显降低;工程实施前后,除拟疏通的潮沟外,滩涂高程及外侧潮沟的水深保持不变。本文主要分析潮沟疏通
10、对滩涂涨落潮潮位及流速影响,以及潮沟疏通后的外海水质点运动轨迹变化。疏通前后滩涂附近断面(图 1b 中 D1D8)地形变化见图 3,滩涂外深水潮沟的底高程为1.0 m,滩涂上潮沟底高程为 0.51.0 m,滩涂高程为 1.52.0 m,越靠近外侧,潮沟的滩涂高程越低。2 期王平,等:潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析1751213130405020405120405220N1213230(a)疏通前滩涂地形(b)疏通后滩涂地形1213330E32101234高程/m32101234高程/m1213130405020405120405220N12132301213330E图2滩涂潮沟疏通前后的区域地
11、形Fig.2Topographyofthetidalflatbeforeandafterthetidalcreekdredging 020高程/m24200400600800距西侧围堰距离/m(a)断面 D1(b)断面 D2(c)断面 D3(d)断面 D4(e)断面 D5(f)断面 D6(g)断面 D7(h)断面 D81 000 1 200 1 400 1 600 1 800020高程/m245001 000距西侧围堰距离/m1 5002 0002 500020高程/m24200400600800距西侧围堰距离/m1 000 1 200 1 400 1 600 1 80002004006008
12、00 1 000 1 200 1 4001 8001 60020高程/m24距西侧围堰距离/m020高程/m24200400600800距西侧围堰距离/m1 0001 4001 20002004006008001 0001 20020高程/m24距西侧围堰距离/m020高程/m24300400600900800100200500700距西侧围堰距离/m030040060070010020050020高程/m24距西侧围堰距离/m工程前工程后图3潮沟疏通前后的滩涂断面高程变化Fig.3Changeinelevationoftidalflatsectionbeforeandafterthetida
13、lcreekdredging176海岸工程42 卷2模型与方法2.1控制方程h=+dhd模型基于平面不可压缩的 Navier-Stokes 浅水方程建立,对水平动量方程和连续方程在水深(,其中 为动水深,为潮位,为静水深)范围内进行积分后可得到深度平均的浅水方程。连续方程为:t+x(hu)+y(hv)=0。(1)动量方程为:hut+hu2x+hvuy=fvhghxh0paxgh220 xbx0+x(hTxx)+y(hTxy),(2)hvt+huvx+hv2y=fuhghyh0paygh220yby0+x(hTxy)+y(hTyy)。(3)guvpa0byxyf=2sinTxxTxyTyyTxx
14、=2Au/xTxy=A(u/y+v/x)Tyy=2Av/yA=c2sl22SijSijSij=1/2(ui/xj+uj/xi)(i=1,2;j=1,2)csl式中:为重力加速度;和 为垂向平均流速分量;为大气压强;为海水密度;为海水参考密度;bx和分别为 和 方向的底部切应力;f 为科氏力参数,其中 是地转角速度,是地理纬度;、和为由黏性摩擦、湍流摩擦及平流差异引起的侧应力,即、,其中 A 为紊动性系数,且,Sij为变化率,为常数,为特征长度。研究水质点的输移轨迹采用拉格朗日粒子追踪模型,其控制方程为:x(t2)=x(t1)+wt2t1 vx(t)dt,(4)x(t1)t1 x(t2)dt v
15、x(t)t式中:为 时的粒子位置;为经过后的粒子位置;为 时刻粒子位置处的水体速度。2.2边界条件数值计算模型边界采用潮位控制,其中,潮位来自中国海洋大学开发的 ChinaTide 潮汐预报软件,模型考虑 Q1、P1、O1、K1、N2、M2、S2、K2、Sa 共 9 个主要分潮,利用插值方法获得开边界处的潮位值。潮位 计算方法为:=ni=1fihicos(it+v0i+uigi)n=9,(5)higiiitfiv0iui式中:、为第 个分潮的调和常数;为分潮的角速度;为时间;为分潮的交点因子;为分潮的天文初位相;为分潮的交点订正角。由于滩涂的涨落过程会形成干湿交替的区域,所以需在模式中引入干湿
16、网格即利用动边界方法处理干湿问题,设定最小的干出水深为 0.005 m,即当计算网格处潮位小于 0.005 m 时为干出状态,此时该网格不纳入数值计算中;反之,即当网格处为湿时,则需要考虑该网格的通量。利用动边界方法保证数值计算过程中的精度。2.3模式的设置及验证模型计算域范围囊括辽东湾,计算范围及网格见图 4。对岸线及修复区附近网格进行加密,整2 期王平,等:潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析177 中国海洋大学.ChinaTide 潮汐预报软件,2019.个模拟区域内由 449 488 个节点和 893 691 个非结构化的三角单元组成,最小空间步长约为 3 m。模型水平涡黏系数为 0.28,
17、底摩阻曼宁系数取 45 m1/3/s。拟开展整治修复的滩涂位于辽东湾底(图 4),该滩涂在养殖围堰及围海堤坝之间,通过深水潮沟与外海连通,相对位置见图 5。本工程拟于 2020 年初实施,在工程施工前,于 2019 年 10 月调查获得大潮期间外海的实测潮位(图 5 中 1#8#海流站位)及潮流数据,由于工程附近多浅滩,实测站位均位于外侧深水区域。对比 2#站位的潮位观测值和模拟值(图 6)可知,模拟得到的潮位过程线与观测值吻合较好,工程附近大潮期间最高潮位在 2.5 m 以上,可淹没修复区滩涂。对比 1#8#站位的流速和流向结果(图 7)可知:工程海域潮流为半日潮,外海的流速为 0.10.8
18、 m/s,靠近近岸浅滩流速相对较小,数值模拟值和观测值相差较小,平均流速的误差在 5%以内,数值模型能较好地模拟潮汐及潮流的振荡变化过程。2019-10-29T12:003210潮位/m1232019-10-30T12:002019-10-31T12:00时刻2019-11-01T12:002019-11-02T12:002019-11-03T12:00模拟值观测值图62#站位潮位的模拟值与观测值对比Fig.6ComparisonoftidallevelsbetweensimulatedandmeasuredatStation2#39451203512100121251215012215E40
19、05402540454105N图4数值模型计算范围及计算网格Fig.4Calculationrangeandgridsofthenumericalmodel 404512125121301213512140E潮流观测站位404840514054N图5实测海流站位的位置Fig.5Locationsofthestationsformeasuringthetidalcurrent 178海岸工程42 卷2019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01
20、T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:00
21、2019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-1
22、1-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T1
23、2:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()120180240300360(a)1#站位流速(b)1#站位流向(c)2#站位流速(d)2#站位流向(e)3#站位流速(f)3#站位流向(g)4#站位流速(h)4#站位流向(i)5#站位流速(j)5#站位流向(k)6#站位流速(l)6#站位流向(m)7#站位流速(n)7#站位
24、流向(o)8#站位流速(p)8#站位流向模拟值观测值图71#8#站位流速和流向的模拟值与观测值对比Fig.7ComparisonofflowspeedanddirectionbetweensimulatedandmeasuredatStations1#8#3结果与讨论3.1大范围流场变化分析辽东湾底大范围的潮流场特征,模拟得到涨急、落急时的流场,见图 8。涨潮时,潮流主要由渤海中部流向辽东湾湾底,并逐渐汇向湾底的辽河口,辽东湾外海的涨潮方向为 SWNE 向;辽河河口受涨潮水体的汇聚影响,其流速较大,约 1.0 m/s;辽东湾底分布有大面积浅滩,涨潮时浅滩逐渐淹没;落潮时则相反,湾底浅滩逐渐干出
25、。本修复工程位于辽河口西侧近岸的浅滩上,其附近有多条潮沟,修复区东侧为向海延伸的主潮沟;主潮沟的底高程为2.01.0 m 左右,该潮沟是涨落潮过程中修复区滩涂与外海水体交换的主通道。2 期王平,等:潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析17940101205512122(a)涨急时刻(b)落急时刻12149402740444101N1 ms14010120551212212149402740444101N1 ms112216E12216E图8工程附近大范围涨、落急时刻流场Fig.8Largescaleofcurrentfieldatthetimeofrisingandfallingtidesnearb
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