潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析.pdf

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.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 8000200400600800 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.3Changeinelevationoftidalflatsectionbeforeandafterthetidalcreekdredging176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=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 vx(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，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，