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  • ISSN 1007-6336
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生态修复后普兰店湾水体交换数值研究

王平 孙家文 董祥科 方海超 张子鹏 尹晶

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生态修复后普兰店湾水体交换数值研究

    作者简介: 王 平(1988-),男,汉,安徽桐城人,副研究员,博士研究生,主要研究方向为近岸水动力模拟,E-mail:wangping@nmemc.org.cn;
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(51709054,51809053);国家重点研发计划专项(2019YFC1407705)
  • 中图分类号: X143

Numerical simulation of water exchange changes in Pulandian bay after ecological restoration

  • 摘要: 本文基于非结构化数值模型研究了普兰店湾的水动力特征,耦合输移扩散模型研究不同修复方案对水交换的影响。模拟得到:普兰店湾内涨落潮流向与岸线走向一致,池梗拆除增加15%的水域面积,提升了10%的海湾纳潮量。方案一工程后池梗高程较低,滩涂漫滩及干出流场较为均匀;方案二工程后池梗相对较高,池梗之间流速较大,滩涂流场较为杂乱。工程前湾中水体半交换时间为0~70天左右,湾底区域在70天以上,方案一工程实施后,湾中半交换时间降至50天,方案二降至60天;工程前湾内平均半交换时间为36.8天,方案一下降至 24.0天,方案二降至 28.5天,方案一较方案二提升12%,对湾内水质改善更为明显。
  • 图 1  模型计算范围及计算网格示意

    Figure 1.  Calculation range and numerical grid

    图 2  普兰店湾拟修复区域水深

    Figure 2.  Water depth in the restoration area

    图 3  普兰店湾实测海流站位

    Figure 3.  The current stations in Pulandian bay

    图 4  普兰店湾潮位模拟与实测验证对比

    Figure 4.  Comparison of simulated and measured tidal level in Pulandian bay

    图 5  普兰店湾流速、流向模拟与实测验证对比

    Figure 5.  Comparison of simulated and measured velocity and direction in Pulandian bay

    图 6  工程前普兰店湾涨、落急时刻的大范围流场

    Figure 6.  Large-scale flow field in Pulandian bay before the project

    图 7  工程前涨、落急时刻修复区域附近的流场

    Figure 7.  Flow field near the restoration area before the project

    图 8  工程前拟拆池梗高程及附近水深

    Figure 8.  The elevation of the pond stems and the nearby water depth before the project

    图 9  不同方案下修复区池梗拟保留高程

    Figure 9.  The elevation of the pond stems in the restoration area under different plans

    图 10  不同方案下修复区池梗拟拆除后的水深

    Figure 10.  The water depth in the restoration area under different plans after the project

    图 11  方案一下工程后涨、落急时刻工程附近的流场

    Figure 11.  The flow field near the restoration area after the project plan 1

    图 12  方案二下工程后涨、落急时刻工程附近的流场

    Figure 12.  The flow field near the restoration area after the project plan 2

    图 13  方案一下生态修复前后涨、落急时刻的流场变化

    Figure 13.  The change of the flow field before and after ecological restoration plan 1

    图 14  方案二下生态修复前后涨、落急时刻的流场变化

    Figure 14.  The change in the flow field before and after ecological restoration plan 2

    图 15  工程前和方案一普兰店湾内水体污染物浓度变化

    Figure 15.  The change of pollutant concentration in Pulandian bay before and after project

    图 16  工程前普兰店湾内水体半交换时间分布

    Figure 16.  The distribution of half-exchange time of water bodies before the project

    图 17  方案一和方案二工程后普兰店湾的水体半交换时间

    Figure 17.  The half-time exchange time of water bodies after the project plan 1 and 2

    图 18  工程前后区域一和区域二中保守污染物浓度变化

    Figure 18.  The change of pollutant concentration in area 1 and 2 before and after the project

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-20
  • 录用日期:  2021-09-16
  • 刊出日期:  2021-12-20

生态修复后普兰店湾水体交换数值研究

    作者简介:王 平(1988-),男,汉,安徽桐城人,副研究员,博士研究生,主要研究方向为近岸水动力模拟,E-mail:wangping@nmemc.org.cn
  • 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
基金项目: 国家自然科学基金项目(51709054,51809053);国家重点研发计划专项(2019YFC1407705)

摘要: 本文基于非结构化数值模型研究了普兰店湾的水动力特征,耦合输移扩散模型研究不同修复方案对水交换的影响。模拟得到:普兰店湾内涨落潮流向与岸线走向一致,池梗拆除增加15%的水域面积,提升了10%的海湾纳潮量。方案一工程后池梗高程较低,滩涂漫滩及干出流场较为均匀;方案二工程后池梗相对较高,池梗之间流速较大,滩涂流场较为杂乱。工程前湾中水体半交换时间为0~70天左右,湾底区域在70天以上,方案一工程实施后,湾中半交换时间降至50天,方案二降至60天;工程前湾内平均半交换时间为36.8天,方案一下降至 24.0天,方案二降至 28.5天,方案一较方案二提升12%,对湾内水质改善更为明显。

English Abstract

  • 普兰店湾位于辽东半岛西侧,为喇叭状海湾,湾口面向西南朝渤海敞开。外部海湾纵轴为西南至东北方向,内部海湾纵轴为东至西方向,湾内水深变化较复杂,湾口水深4.5~6.5 m,南浅北深。湾中狭窄处分布有潮流深沟,局部水深超过10 m。普兰店湾潮汐属不正规半日潮,每日两次高低潮,海流基本以往复型潮流为主,湾中部深水槽具有潮汐河道的特征[1]

    近年来,大量围填海导致湾内水域大幅减少,入海污染物逐年增加,重点海湾水环境逐渐恶化,2017年和2018年发布的《中国海洋生态环境状况公报》[2-3]显示,包括普兰店湾在内的大部分重点海湾的海洋生态处于不健康状态。为改善海洋环境,我国陆续实施了海域海岸带整治修复工程、蓝色海湾工程、海洋生态保护修复工程以及渤海综合治理攻坚战行动计划[4]等,也开展了针对修复方案设计、修复效果评估的相关研究[5],取得了一定成效。针对普兰店湾的生态环境问题,相关部门编制了生态修复项目实施方案,拟清退湾内围海养殖,恢复海湾水动力,提升海湾水体自净能力。

    普兰店湾内主要的动力因子是周期性的潮波运动,潮流作用下的海湾水交换过程主要包括两部分:一部分为潮流周期平均后的余流对污染物的迁移作用;另一部分为潮流振荡运动引起的污染物扩散作用,而海湾水交换能力是评价海湾水环境优劣的重要标准[6]

    研究海湾水体交换能力的数值方法主要有拉格朗日法[7]和欧拉法[8],拉格朗日法把流体看成质点,描述潮周期内每一个质点的位置随时间的变化规律,对粒子轨迹进行跟踪与计算,得出时间尺度[9];欧拉法基于对流扩散方程,以溶解态的保守物质为示踪剂,把重力环流以及潮振荡的剪切左右考虑在水平二维的对流扩散方程中,能更好地模拟水体交换过程[10-11]

    Luff等[12]基于对流扩散模型,定义了湾内示踪物等于初始浓度一半的时间为湾内水体半交换时间。Liu[13]利用上述定义得到了胶州湾的半交换时间分布;王平等[14]通过保守污染物的迁移扩散数值计算,分析了狭长海湾象山港内水体半交换时间;陈昊[15]采用浓度示踪法初步研究了普兰店湾的水交换能力,为湾内排污口布设提供了支撑;唐俊逸[16]分析了普兰店湾不同区域的水交换差异,计算了不同污染物的环境容量;郝燕妮[17]采用粒子追踪法及保守物质模型两种方法分析了普兰店湾的水体自净能力,指出了两种方法的差异;崔雷、姜恒志通过数值模拟得出普兰店湾分区的水体半交换时间,湾底的水体半交换时间在100天以上,不同地形下的湾内水交换能力略有差异[18-19]

    本文构建了非结构化网格下的普兰店湾潮流及保守污染物输运模型,结合湾内现状及潮流模拟结果,提出不同生态修复方案;利用湾内水体半交换时间模拟计算,分析了不同修复措施对海湾水交换能力的改善情况,数值结论支撑了生态修复方案的设计。

    • 模型基于二维平面不可压缩雷诺(Reynolds)平均纳维埃−斯托克斯(Navier-Stokes)浅水方程建立,对水平动量方程和连续方程在$ h = \eta + d $范围内进行积分后可得到下列二维深度平均浅水方程。

      连续方程:

      动量方程:

      式中:$ \zeta $为潮位;$ h $为静水深;$ u $$ v $xy方向平均流速分量;$ f = 2\omega \sin \phi $为柯氏参数,其中,$ \omega $是地转角速度,$ \phi $是地理纬度;$ g $为重力加速度;$ {C_{\textit{z}}} $为谢才系数,$ {C_{\textit{z}}} = n*{H^{1/6}} $$ n $为曼宁系数;$ {\varepsilon _x} $$ {\varepsilon _y} $$ x $$ y $方向水平涡动粘滞系数。

      水交换模型采用保守污染物的迁移扩散模型计算,其基本控制方程为:

      式中:$ S $为任意时刻污染物的浓度;$ {S_0} $为污染物排放初始浓度,在研究保守污染物迁移扩散时,$ {S_0} $可取为1;$ {K_h} $$ {A_h} $为潮流作用下的垂向紊动系数和水平湍流扩散系数。

    • 数值计算模型边界采用潮位控制,潮位值通过中国海洋大学开发的ChinaTide潮汐预报软件获得,模型考虑Q1、P1、O1、K1、N2、M2、S2、K2、Sa等9个主要分潮,通过插值计算和数值计算进行开边界处的潮汐预报。

      式中:$\eta $为潮位;${h_i}$${g_i}$为第$i$个分潮的调和常数;${\sigma _i}$为分潮的角速度;$t$为时间;${f_i}$为分潮的交点因子;${v_{0i}}$为分潮的天文初位相;${u_i}$为分潮的交点订正角。

    • 数值模型范围包括括金州湾和普兰店湾,计算范围及网格见图1,计算水深见图2。修复区附近网格进行加密处理,整个模拟区域由35720个节点和68912个非结构化的三角单元组成,最小空间步长约为5 m。模型水平涡粘系数为0.28,底摩阻曼宁系数取45 m1/3/s。拟拆池梗区域位于普兰店湾中部、簸箕岛的东侧,具体位置见图2

      图  1  模型计算范围及计算网格示意

      Figure 1.  Calculation range and numerical grid

      图  2  普兰店湾拟修复区域水深

      Figure 2.  Water depth in the restoration area

      采用2020年4月的大潮实测资料校核数值模型,测点位置见图3图4为实测和计算潮位变化对比结果,图5为流速、流向的对比结果。从对比结果可见,数值模型能很好地模拟湾内潮汐及潮流的振荡变化过程。

      图  3  普兰店湾实测海流站位

      Figure 3.  The current stations in Pulandian bay

      图  4  普兰店湾潮位模拟与实测验证对比

      Figure 4.  Comparison of simulated and measured tidal level in Pulandian bay

      图  5  普兰店湾流速、流向模拟与实测验证对比

      Figure 5.  Comparison of simulated and measured velocity and direction in Pulandian bay

    • 模拟得到工程前大范围及局部海域涨急、落急时的潮流场见图6图7。从图中可知:涨潮时外海水体由金州湾向北流动,并进入普兰店湾,金州湾内涨急时刻流向为NE向,普兰店湾内涨潮流向为E向;落潮时流态则相反,普兰店湾内水体顺岸流向金州湾,金州湾内的落潮流以SW向为主。

      图  6  工程前普兰店湾涨、落急时刻的大范围流场

      Figure 6.  Large-scale flow field in Pulandian bay before the project

      图  7  工程前涨、落急时刻修复区域附近的流场

      Figure 7.  Flow field near the restoration area before the project

      普兰店湾受狭长形态影响,湾内涨落潮水体主要在湾内深水通道流动,涨落潮流向基本与两侧岸线走向一致;普兰店湾内的局部小湾流速相对较小,普兰店湾的中部收窄处流速较大,达到1.0 m/s左右。修复区域涨落潮流向基本为EW向,与湾内深水通道走向一致,涨落急时流速为0.5~0.8 m/s;修复区域中间流速分布较为均匀,南北近岸流速相对较小,局部填海处受挑流影响,流速略有增大。

    • 普兰店湾生态修复主要措施是拆除湾内堤坝,修复方案主要考虑不同的堤坝拆除高程,其主要改变滩涂水动力形态以及湾内整体纳潮量,以改善湾内水交换能力。拟拆池梗高程见图8,工程前池梗高程在2.5 m左右,池梗之间的养殖池水深为−0.5~0.5 m。南北池梗中间区域为普兰店湾的潮流主通道,水深在−5 m左右,两侧收窄处相对较深,西侧水深达到−15 m;南侧拟拆池梗外水深在−2.0 m左右,北侧水深为−1.0~−0.5 m。

      图  8  工程前拟拆池梗高程及附近水深

      Figure 8.  The elevation of the pond stems and the nearby water depth before the project

      综合考虑普兰店湾水深变化,将池梗拆除区分为4个区域,见图9,考虑不同的池梗拆除高程,设计两种修复方案,方案一:南侧区域拆除高程设计为−1.0 m,中间区域拆除高程设计为−0.5 m,北侧中部拆除高程为−0.5 m左右,北侧近岸拆除高程设计为0.2 m;方案二:拆除高程分别为−1.0 m、0.2 m、0.3 m、0.8 m。方案二较方案一的拆除工程量要小。

      图  9  不同方案下修复区池梗拟保留高程

      Figure 9.  The elevation of the pond stems in the restoration area under different plans

      拆除后的水深见图10,采用方案一拆除后,修复区域大部分时间可处于淹没状态,仅近岸在低潮时露出,已无原始池梗痕迹;采用方案二修复后,北侧近岸在0.3 m以上,大部分时间为出露滩涂状态,修复后的池梗痕迹仍然明显。

      图  10  不同方案下修复区池梗拟拆除后的水深

      Figure 10.  The water depth in the restoration area under different plans after the project

    • 方案一和方案二实施后的潮流场见图11图12,两种方案下的流速变化对比见图13图14。本修复工程主要拓宽了海湾面积,提升了海湾纳潮能力。工程实施带来的流速变化主要位于普兰店湾内,工程后,湾内水域增加、纳潮量变大,使得涨落潮时普兰店湾中部流速有所增大。

      图  11  方案一下工程后涨、落急时刻工程附近的流场

      Figure 11.  The flow field near the restoration area after the project plan 1

      图  12  方案二下工程后涨、落急时刻工程附近的流场

      Figure 12.  The flow field near the restoration area after the project plan 2

      图  13  方案一下生态修复前后涨、落急时刻的流场变化

      Figure 13.  The change of the flow field before and after ecological restoration plan 1

      图  14  方案二下生态修复前后涨、落急时刻的流场变化

      Figure 14.  The change in the flow field before and after ecological restoration plan 2

      方案一,湾中部拆至−0.5 m、近岸拆至−0.3 m、0.2 m时,已基本拆至池底高程,工程后普兰店湾内潮流主通道处流速有所增大,增大0.1~0.3 m/s。一个涨落潮期间的淹水时间超过一半潮周期,且涨落急时的漫滩及干出流场较为均匀,未出现局部涨落急流速过大现象,有利于海湾湿地生境的逐步恢复。

      方案二,湾中部拆至0.2 m、近岸拆至0.3 m、0.8 m时,由于保留的池梗相对较高,使得涨落潮期间的淹水时间不到潮周期的一半,涨落急时池梗之间的流速较大,约0.5 m/s左右,而其余滩涂流速则较小,出现局部流速过大、分布不均匀现象,不利于海湾湿地生境的自我恢复。

    • 由于普兰店湾是周边陆域污染的主要受纳水域,其主要污染源为城镇生活废水,主要污染因子为氮和磷。在计算湾内外水体交换时,考虑湾内整体分布保守污染物,且浓度设置为1,外海水体浓度设置为0。半交换时间则定义为:在潮流的往复作用下,湾内水体保守污染物不断迁移扩散至湾外,当一个潮周期内湾内污染物的平均浓度降至初始浓度一半时,即视为完成了水体半交换过程,统计保守污染物释放至此刻的时间。

      工程前及工程后(方案一)保守污染物扩散模拟结果见图15(图中潮流作用时间分别为0天、15天、30天、45天和75天),受普兰店湾狭长地形限制,在一个落潮周期内湾底污染物难以直接输移至湾外区域,在往复流的作用下污染物振荡扩散至湾外,湾内水体交换较慢。

      图  15  工程前和方案一普兰店湾内水体污染物浓度变化

      Figure 15.  The change of pollutant concentration in Pulandian bay before and after project

      模拟得到工程前后湾内不同位置的半交换时间分布见图16图17,在图16中根据不同位置处的断面将普兰店湾分为两个区域,分别计算两个区域内污染物的平均浓度变化曲线,结果见图18。从计算结果可知:普兰店湾从湾口至湾底半交换时间逐渐增大,湾内深水潮流通道为污染物输移扩散的主要路径,拟修复的湾中水域从西至东半交换时间由0天逐渐增至70天左右,而湾底区域的半交换时间基本在70天以上。

      图  16  工程前普兰店湾内水体半交换时间分布

      Figure 16.  The distribution of half-exchange time of water bodies before the project

      图  17  方案一和方案二工程后普兰店湾的水体半交换时间

      Figure 17.  The half-time exchange time of water bodies after the project plan 1 and 2

      图  18  工程前后区域一和区域二中保守污染物浓度变化

      Figure 18.  The change of pollutant concentration in area 1 and 2 before and after the project

      工程后两个方案下普兰店湾中部水交换速率有所增加,采用方案一,修复区水体半交换时间均已降至50天以内,方案二也基本降至60天以内。统计湾内污染物的整体平均浓度变化时,区域一工程前水体平均半交换时间为36.8天,方案一实施后降至24.0天,方案二实施后降至28.5天;对于区域二工程前、方案一和方案二的半交换时间则分别为69.5天、53.5天和59.5天。方案一对湾内水体交换的提升更为明显。

    • (1)普兰店湾受狭长形态影响,湾内涨落潮水体主要在湾内深水通道内流动,涨落潮流向基本与两侧岸线走向一致。本项目拆除了近岸养殖池梗,工程后海湾面积增加15%左右,纳潮量增加10%左右,增加了近岸滩涂区域流速,提升了海湾的纳潮能力。

      (2)当池梗拆除更彻底时,恢复后的滩涂漫滩及干出流场较为均匀,未出现局部流速过大现象,最大流速在0.5 m/s左右,修复区与主潮流通道之间流场过渡均匀,有利于海湾湿地生境的逐步恢复;而当池梗高程保留过高时,则池梗之间流速较大,局部流速在1.0 m/s左右,其余滩涂流速较小,修复区与主潮流通道之间流场过渡较为杂乱,不利于海湾湿地生境的自我恢复。

      (3)从湾口至湾底的水体半交换时间逐渐增大,工程前湾中水域从西至东半交换时间由0天逐渐增至70天左右,而湾底区域的半交换时间基本在70天以上;方案一工程实施后湾中最大半交换时间均已降至50天以内,方案二基本降至60天以内。工程前湾内平均半交换时间为36.8天,方案一实施后降至 24.0天,方案二下降至 28.5天,方案一较方案二提升12%左右,对湾内水质改善作用更为明显。

      (4)上述研究清晰地得到了生态修复前后普兰店湾潮流及水交换的变化情况,结合池梗拆除高程分析了不同修复方案下的水交换改善差异,支撑了修复措施的优化设计,保障了生态修复效果。

参考文献 (19)

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