• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响

杨莉玲 王琳 杨芳 杨留柱

引用本文:
Citation:

口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响

    作者简介: 杨莉玲(1976-), 女, 湖北宜昌人, 高级工程师, 博士, 主要从事河口海岸水动力、水环境数值模拟相关研究, E-mail:yanglilingok@163.com;
  • 基金项目: 广西水利厅科技项目 钦江河口湾滩槽演变与港口开发保护关系研究201505

  • 中图分类号: P731.2

Impacts of the shoreline change in Qinzhou bay on the tide and water exchange of Maowei sea

  • CLC number: P731.2

  • 摘要: 2005年以来,钦州湾口外围填海规模近3000 hm2,岸线变化十分显著,对其上游茅尾海潮流动力及水体交换产生了一定影响。本文通过建立钦州湾-茅尾海二维潮流数学模型,从潮流特征、纳潮量、水体交换周期等方面探讨了2005~2015年间钦州湾岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响,其中,水体交换周期以总负荷的半交换时间表征,避免了单点浓度半交换时间表达中采样点位置不同导致的偏差,以及平均浓度表达中不同时刻水体体积差异带来的误差。研究结果表明:口外岸线变化使钦州湾湾口进一步缩窄,纳潮容积减小,茅尾海潮流流速和潮差减小,潮量减小1.30%~1.53%,半交换周期增加51 h,潮流动力及水体交换能力均有所减弱。
  • 图 1  茅尾海及钦州湾岸线、水下地形

    Figure 1.  Shoreline and underwater topography of Maowei sea and Qinzhou bay

    图 2  研究范围及整体网格

    Figure 2.  Research scope and overall grid

    图 3  钦州湾卡口水域网格细节

    Figure 3.  Detail of grid in Qinzhou bay narrow area

    图 4  龙门潮位验证(中潮期)(2016-06-19.0:00~2016-06-23.20:00)

    Figure 4.  Tide level verification of Longmen station(middle tide period)

    图 5  1#~3#点流速、流向验证(中潮期,2016-06-19.11:00~2016-06-20.13:00)

    Figure 5.  Flow velocity and flow direction verification of point 1#~3# (middle tide period)

    图 6  涨、落急流场

    Figure 6.  Flow field of flood and ebb peak

    图 7  采样点、断面布置

    Figure 7.  Layout of sampling points and sections

    图 8  岸线变化前后茅尾海总负荷变化曲线

    Figure 8.  Total load curve of Maowei sea before and after the shoreline change

    图 9  岸线变化前后茅尾海内各采样点污染物浓度变化曲线

    Figure 9.  Concentration curves of sampling points in Maowei sea before and after the shoreline change

    图 10  不同岸线下茅尾海水交换周期分布

    Figure 10.  Distribution of half exchange time in Maowei sea under different shoreline conditions

    图 11  不同岸线下茅尾海污染物浓度分布(t=310 h,涨憩)

    Figure 11.  Distribution of pollutant concentration in Maowei sea (t=310 h, at the flood peak), under different shoreline conditions

    表 1  各采样点潮差变化

    Table 1.  Variation of tide range

    下载: 导出CSV

    表 2  湾内各分析点涨、落急流速比较

    Table 2.  Comparison of ebb and flow velocity

    下载: 导出CSV

    表 3  龙门断面涨、落潮量比较

    Table 3.  Comparison of discharge of Longmen section

    下载: 导出CSV
  • [1] WANG L N, PAN W R, ZHUANG W, et al.Analysis of seasonal characteristics of water exchange inBeibu Gulf based on a particle tracking model[J].Regional Studies in Marine Science, 2018, 18:35-43. doi: 10.1016/j.rsma.2017.12.009
    [2] 陈振华, 夏长水, 乔方利.钦州湾水交换能力数值模拟研究[J].海洋学报, 2017, 39(3):14-23. doi: 10.3969/j.issn.0253-4193.2017.03.002
    [3] 宋德海, 鲍献文, 朱学明.基于FVCOM的钦州湾三维潮流数值模拟[J].热带海洋学报, 2009, 28(2):7-14. doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2009.02.002
    [4] 刘亚飞, 娄安刚, 孟云.岸线地形变化对环渤海排污口临近海域水交换能力的影响[J].海洋环境科学, 2017, 36(5):719-725, 753.
    [5] 吕婷, 苏博, 王佳莹, 等.海洋工程影响下莱州湾海域水动力环境变化特征[J].海洋环境科学, 2017, 36(4):571-577.
    [6] 刘锦怡, 陈斯典, 江天久.海洋生态环境承载力研究——以深圳东部海域为例[J].海洋环境科学, 2017, 36(4):560-565.
    [7] 季荣耀, 陆永军, 左利钦.岛屿海岸工程作用下的水沙动力过程研究[J].水科学进展, 2008, 19(5):640-649. doi: 10.3321/j.issn:1001-6791.2008.05.007
    [8] LIN H Y, CHEN ZZ, HU J Y, et al.Numerical simulation of the hydrodynamics and water exchange in Sansha Bay[J].Ocean Engineering, 2017, 139:85-94. doi: 10.1016/j.oceaneng.2017.04.031
    [9] CORRAL L R, SCHLING M.The impact of shoreline stabilization on economic growth in small island developing states[J].Journal of Environmental Economics and Management, 2017, 86:210-228. doi: 10.1016/j.jeem.2017.06.001
    [10] NATESAN U, RAJALAKSHMI P R, FERRER V A.Shoreline dynamics and littoral transport around the tidal inlet atPulicat, southeast coast of India[J].Continental Shelf Research, 2014, 80:49-56. doi: 10.1016/j.csr.2014.02.018
    [11] 张坤, 娄安刚, 孟云, 等.钦州湾海域纳潮量和水交换能力的数值模拟研究[J].海洋环境科学, 2014, 33(4):585-591.
    [12] 董德信, 李谊纯, 陈宪云, 等.大规模填海工程对钦州湾水动力环境的影响[J].广西科学, 2014, 21(4):357-364, 639. doi: 10.3969/j.issn.1005-9164.2014.04.007
    [13] 孙永根, 高俊国, 朱晓明.钦州保税港区填海造地工程对海洋环境的影响[J].海洋科学, 2012, 36(12):84-89.
    [14] 王玉海, 王崇浩, 刘大滨, 等.钦州湾水道稳定性的初步研究[J].水运工程, 2010(8):76-80. doi: 10.3969/j.issn.1002-4972.2010.08.015
    [15] 李逸聪, 王义刚, 黄惠明.湾口围填海对钦州湾水动力环境的影响[J].水运工程, 2017(3):44-50. doi: 10.3969/j.issn.1002-4972.2017.03.009
    [16] DHI Water & Environment.MIKE 21 NSW on model validation[M].Hørsholm, Denmark:DHI Water & Environment, 2002.
    [17] 杨莉玲, 宋利祥, 邓军涛, 等.一、二维耦合数学模型在感潮河网洪水风险图编制中的应用[J].长江科学院院报, 2017, 34(9):36-40.
    [18] LUFF R, POHLMANN T.Calculation of water exchange times in the ICES-boxes with aeulerian dispersion model using a half-life time approach[J].Deutsche Hydrografische Zeitschrift, 1995, 47(4):287-299. doi: 10.1007/BF02737789
  • [1] 徐中昌徐韧张正龙李志恩 . 岛群围填海过程中岸线与植被变化特征初步探究——以舟山石化基地为例. 海洋环境科学, 2019, 38(6): 1-7. doi: 10.12111/j.mes.20190022
    [2] 李敏桥林田李圆圆郭志刚 . 中国东海水体中多氯联苯的浓度及其组成特征. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 589-593, 601. doi: 10.12111/j.mes20190416
    [3] 刘亮岳奇王厚军 . 我国海岸线保护利用现状及管理对策. 海洋环境科学, 2019, 38(0): 1-10. doi: 10.12111/j.mes.20190052
    [4] 张晓慧李磊任景玲蒋增杰杜金洲 . 桑沟湾溶解态铁的分布、季节变化及影响因素. 海洋环境科学, 2019, 38(5): 656-662. doi: 10.12111/j.mes20190502
    [5] 魏海峰田山川赵肖依刘长发周集体 . 海参(Apostichopus japonicus)对三种多环芳烃的富集动力学研究. 海洋环境科学, 2019, 38(5): 663-668. doi: 10.12111/j.mes20190503
    [6] 曲胜路杨茹君耿倩倩刘媛谢赫 . 流动注射-化学发光法测定海水中的痕量Fe(II). 海洋环境科学, 2019, 38(5): 809-816. doi: 10.12111/j.mes20190524
    [7] 陈柯欣丛丕福雷威 . 人类活动对40年间黄河三角洲湿地景观类型变化的影响. 海洋环境科学, 2019, 38(5): 736-744,750. doi: 10.12111/j.mes20190514
  • 加载中
图(11)表(3)
计量
  • 文章访问数:  69
  • HTML全文浏览量:  82
  • PDF下载量:  3
出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-01
  • 录用日期:  2017-12-14
  • 刊出日期:  2019-08-20

口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响

    作者简介:杨莉玲(1976-), 女, 湖北宜昌人, 高级工程师, 博士, 主要从事河口海岸水动力、水环境数值模拟相关研究, E-mail:yanglilingok@163.com
  • 1. 水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室, 广东 广州 510611
  • 2. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院, 广东 广州 510611
基金项目:  广西水利厅科技项目 钦江河口湾滩槽演变与港口开发保护关系研究201505

摘要: 2005年以来,钦州湾口外围填海规模近3000 hm2,岸线变化十分显著,对其上游茅尾海潮流动力及水体交换产生了一定影响。本文通过建立钦州湾-茅尾海二维潮流数学模型,从潮流特征、纳潮量、水体交换周期等方面探讨了2005~2015年间钦州湾岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响,其中,水体交换周期以总负荷的半交换时间表征,避免了单点浓度半交换时间表达中采样点位置不同导致的偏差,以及平均浓度表达中不同时刻水体体积差异带来的误差。研究结果表明:口外岸线变化使钦州湾湾口进一步缩窄,纳潮容积减小,茅尾海潮流流速和潮差减小,潮量减小1.30%~1.53%,半交换周期增加51 h,潮流动力及水体交换能力均有所减弱。

English Abstract

  • 钦州茅尾海位于钦州湾海域顶部,隶属于广西壮族自治区钦州市,岸线总长169 km,海域面积约135 km2,属于钦州湾的内海。茅尾海岸线曲折,滩涂及湿地资源丰富,上有钦江和茅岭江注入,水域宽浅,水深多小于2 m,受河流挟沙淤积影响,茅尾海内部放射性发育有多个潮汐岔道[1-3],潮间带资源丰富。2011年5月,茅尾海国家海洋公园获批成为全国首批7个国家级海洋公园之一,其生态系统重要性日益彰显。

    近年来,依湾而建的钦州港凭借优越的港口资源及区位条件,发展迅速,钦州保税港区及系列产业园区相继建成或开工,大面积海域被围填成陆,在围填高峰期的2005~2015年间,围垦规模近3000 hm2,使钦州湾岸线发生较大改变,见图 1

    图  1  茅尾海及钦州湾岸线、水下地形

    Figure 1.  Shoreline and underwater topography of Maowei sea and Qinzhou bay

    前人对不同海域的研究表明,岸线变化将对潮流动力系统产生一定的影响,进而进一步影响到海域的水体交换能力[4-10]。钦州湾河口岸线变化产生的系列影响已引起了部分学者的关注,张坤等[11]认为近年来的无序开发是导致茅尾海淤积严重、面积萎缩、水动力减弱、海水水质下降等问题的重要原因;董德信等[12]从潮流、水体体积及海湾半交换周期三个角度研究了2008~2012年间近岸工程带来的系列影响;孙永根等[13]分析了钦州港区围填海对海洋环境的影响;王玉海等[14]经过研究认为不合理的围填造陆等海岸工程活动可能深刻影响钦州湾的整体演变过程;李逸聪等[15]也研究了湾口围填海对钦州湾水动力环境的影响。

    但这些研究大多重点关注于钦州湾的水体环境影响,针对岸线变化对上游茅尾海的动力及水体交换能力影响的研究相对较少。本文以2015年海图地形为基础,建立上游河道—茅尾海—钦州湾河口二维潮流及物质输运数学模型,经水文测验资料对模型验证后,以2016年6月实测水文为代表,探讨了钦州湾2005~2015年间岸线变化对茅尾海的潮流动力及水体交换能力的影响。

    • 本研究采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型MIKE21 FM水动力模块和污染物迁移扩散模块完成,动量方程与输运方程的离散在水平空间上采用标准Galerkin有限元法,在时间上采用显式迎风差分格式[16-17]

      模型外海边界采用潮位驱动,上游茅岭江、钦江的流量边界根据站点监测值设置。在广阔的滩涂区域设置动边界,每隔一时间步长均进行干出与淹没的判断。

    • 为使模型开边界不受岸线变化的影响,本研究选取了较大的范围,见图 2所示,北边界至钦江陆屋、茅岭江黄屋屯站,采用流量过程控制;南侧为开边界,设置于湾外-20 m等高线附近,东、西侧也为开边界,分别设置于白龙尾、北海处,开边界均以潮位控制。模型计算采用无结构三角形网格,分辨率取30~4000 m,计算时间步长为30 s,岛群局部区域网格剖分如图 3所示。

      图  2  研究范围及整体网格

      Figure 2.  Research scope and overall grid

      图  3  钦州湾卡口水域网格细节

      Figure 3.  Detail of grid in Qinzhou bay narrow area

    • 数学模型验证采用钦州湾2016年6月水文测验资料,该水文测验在茅尾海及钦州湾顶水域共布设6条测流垂线,位置见图 1。本文仅列出龙门潮位站及茅尾海1#~3#测流站的验证曲线如图 4图 5所示,计算值与实测值吻合良好,表明模型选用地形、边界条件和模型参数是合适的,能够较好地反映钦州湾附近海域的天然流场,可用于本研究。

      图  4  龙门潮位验证(中潮期)(2016-06-19.0:00~2016-06-23.20:00)

      Figure 4.  Tide level verification of Longmen station(middle tide period)

      图  5  1#~3#点流速、流向验证(中潮期,2016-06-19.11:00~2016-06-20.13:00)

      Figure 5.  Flow velocity and flow direction verification of point 1#~3# (middle tide period)

      此外,模型计算涨、落急流场如图 6所示,涨潮时,钦州湾口外涨潮主流以西北向上行,流经中部卡口水域后进入茅尾海,然后受地形影响流路向正北向偏转,最后分流上行进入河道;落潮时,水流基本逆向而行,河道下泄水流于茅尾海中部汇聚后以正南向下泄,至卡口水域北部折向东南,流出钦州湾卡口水域后,落潮主流继续沿东南向下泄,另有部分落潮流以近南向汇入外海。从以上分析来看,此茅尾海及钦州湾流场模拟成果与其他学者[15]研究结果相一致。

      图  6  涨、落急流场

      Figure 6.  Flow field of flood and ebb peak

    • 感潮水域的潮差变化直接反映出潮流强度的变化。通过在茅尾海及钦州湾主动力区附近、敏感区布设采样点(18个,位置见图 7),对2005年、2015年岸线条件下茅尾海及钦州湾水域各点潮差变化进行分析,各采样点潮差如表 1所示。

      图  7  采样点、断面布置

      Figure 7.  Layout of sampling points and sections

      表 1  各采样点潮差变化

      Table 1.  Variation of tide range

      可见,湾外岸线变化直接束窄过水断面,阻碍涨潮流进入钦州湾内及茅尾海水域,导致该水域潮流动力减弱,潮差减小,最大减幅在0.12 m左右(金鼓江出口t16点)。此外,潮差的变化集中在岸线发生变化的水域,随着与岸线变化区距离的增加,潮差呈逐步减小趋势。

    • 采样点t1~t18的涨、落潮流速变化统计于表 2,受钦州湾口外岸线变化所带来的阻水作用,茅尾海(t1~t8)及钦州湾卡口水域(t9~t11)的涨、落潮流速均呈减小变化,最大变幅在0.06 m/s左右,涨急流速变化大于落急流速;同时,岸线变化引起钦州湾外过水断面缩窄,潮流向中部挤压,岸线变化区所在的钦州湾外水域(t14~t18)涨潮流速均有所增大,落潮流速以增大为主,局部水域略有减小,涨、落潮流速最大增幅分别在0.20 m/s(36.55 %)、0.24 m/s(29.27 %)左右,增幅明显。

      表 2  湾内各分析点涨、落急流速比较

      Table 2.  Comparison of ebb and flow velocity

    • 为进一步分析2005~2015年间钦州湾岸线变化对茅尾海的潮量吞吐影响,在茅尾海及钦州湾水域布置3个潮量采样断面(位置见图 7),统计连续1个月(745 h,包含大、中、小潮)内各采样断面潮量变化情况如表 3所示。

      表 3  龙门断面涨、落潮量比较

      Table 3.  Comparison of discharge of Longmen section

      从各断面涨、落潮量变化情况来看,受岸线变化产生的阻流作用,经钦州湾向上游茅尾海涨、落的潮量均有所减小,钦州湾、龙门、茅尾海各断面涨潮量减小1.30%~1.53%,落潮量减小1.33%~1.65%,其中尤以位于卡口水域的龙门断面潮量变幅为最大,茅尾海潮流通量的减小将直接导致其水流动力和水交换能力的削弱。

      2.4水交换分析

      为定量分析钦州湾2005年~2015年间岸线变化对茅尾海的水交换能力的影响,以茅尾海为关注区域,进行水交换率的计算和分析。本文选用一种较为直观的时间尺度指标,即LUFF等[18]提出的“半交换时间”(half-life time),使用污染物扩散模型进行计算,水体的半交换周期越短,则水体交换能力越强。

      考虑到茅尾海水域宽阔,各区域动力环境、污染物浓度衰减速率,以及不同潮时下水体体积均相差较大,以单点采样点浓度、水域平均浓度减半时间代表半交换周期时因采样点水域水动力差异和不同时刻水域面积的不同均会存在一定偏差,因此,本文提出以污染物总负荷的衰减来表征水体交换能力,以污染物总负荷衰减到初始值一半的时间计为半交换时间。

      式中:Ltotal为总负荷;SiHiCi分别为单元i的面积、水深、浓度。

      经计算,2005年及2015年岸线条件下,茅尾海水域污染物总负荷变化曲线如图 8所示,可以看出,随着外海潮流的涨落,部分污染物随之在茅尾海出口水域回荡,从而使污染物总负荷变化曲线表现出和潮位基本一致的振荡性(污染物浓度峰值较高潮位滞后1 h左右),外海潮流动力是其水体交换的主要影响因素,在涨潮流的稀释及自身扩散作用下,污染物总负荷不断减小。2005年岸线条件下,茅尾海总污染负荷衰减一半耗时约310 h,而在2015年岸线条件下,污染物衰减有所减缓,至361 h时总负荷方减半,半交换周期延长约51 h(约2 d)。

      图  8  岸线变化前后茅尾海总负荷变化曲线

      Figure 8.  Total load curve of Maowei sea before and after the shoreline change

      与此同时,绘制茅尾海内各区域采样点污染物浓度变化曲线如图 9所示。从图 9来看,各采样点浓度变化差异明显,位于上游河流出口水域的t3污染物浓度减小迅速,经77 h后浓度衰减至0.5 mg/L以下,而中、下部水域t6、t8污染物浓度则在潮汐影响下明显回荡,衰减缓慢,水体交换能力较弱,均经356 h后才浓度减半。污水团的回荡甚至使t8水域在小潮期也依然维持较高的污染物浓度。各采样点浓度变化的差异性,也再次印证了单点采样浓度变化表征水域半交换周期时将因其位置不同而产生明显的偏差。

      图  9  岸线变化前后茅尾海内各采样点污染物浓度变化曲线

      Figure 9.  Concentration curves of sampling points in Maowei sea before and after the shoreline change

      根据模拟计算结果,统计各网格单元污染物浓度减半的时间,绘制茅尾海水域半交换周期分布如图 10所示。由图可见,在茅岭江、钦江径流稀释作用下,茅尾海顶端水体污染物浓度下降较快,半交换时间非常短,其中,径流主要流经区域的半交换时间在100 h以下,其它近岸水域的半交换时间介于100~300 h之间;受潮流振荡作用,茅尾海中部及下游水域污染物不易扩散,半交换时间基本在320 h以上,尤以潮汐通道内半交换时间为最长,在360 h以上。对比图 10ab可见,2015年岸线条件下,茅尾海尤其是其中、下部水域半交换时间明显延长,大部分由2005年岸线下的350 h左右延长至360 h以上,水体交换能力有所下降。

      图  10  不同岸线下茅尾海水交换周期分布

      Figure 10.  Distribution of half exchange time in Maowei sea under different shoreline conditions

      从2005年、2015年不同岸线条件下,茅尾海污染物浓度分布图(图 11)来看,2005年岸线条件下,外海净水可随涨潮流上行至茅尾海中部,在对污染物进行稀释的同时将污染物向其顶部挤压;而在2015年岸线条件下,涨潮进入茅尾海的净水带范围明显缩小,水体交换能力减弱。

      图  11  不同岸线下茅尾海污染物浓度分布(t=310 h,涨憩)

      Figure 11.  Distribution of pollutant concentration in Maowei sea (t=310 h, at the flood peak), under different shoreline conditions

    • (1) 以污染物总负荷表达的半交换周期具有更为明确的物理意义和代表性,避免了单点浓度半交换周期中位置的选择,及平均浓度半交换周期中不同潮时水体体积差异带来的偏差。

      (2) 2005年~2015年间,钦州湾口外岸线向水域扩展,增大了阻水并束窄过水断面,使得茅尾海潮差和流速最大减小0.06 m、0.06 m/s,茅尾海中部断面涨、落潮量减小1.30 %、1.53 %,潮流动力减弱。

      (3) 2005年~2015的岸线变化导致茅尾海水体交换能力与水动力同向变化,有所减弱,在其影响下,茅尾海水体半交换周期延长约51 h(约2 d)。

参考文献 (18)

目录

    /

    返回文章