天津?yàn)I海旅游區(qū)臨海新城水系統(tǒng)管理可行性研究

劉亞平，孫林云，劉建軍，章衛(wèi)勝

（1.天津泰達(dá)海洋開(kāi)發(fā)公司，天津 300453；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

1 概況

1.1 研究的目的、意義

天津?yàn)I海新區(qū)是中國(guó)政府確定的第三個(gè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，作為國(guó)家戰(zhàn)略濱海新區(qū)定位為中國(guó)北方的經(jīng)濟(jì)中心，規(guī)劃建設(shè)中的天津?yàn)I海旅游區(qū)是濱海新區(qū)的一個(gè)重要功能區(qū)，是中國(guó)北方濱海休閑總部及國(guó)際旅游目的地，臨海新城是濱海旅游區(qū)重要的組成部分和先期啟動(dòng)區(qū)域之一。項(xiàng)目位于渤海灣西北灣頂永定新河口北岸，河口區(qū)為典型淤泥質(zhì)海岸，泥沙運(yùn)動(dòng)較為活躍，這里又是風(fēng)暴潮易發(fā)地區(qū)，自然條件復(fù)雜。

臨海新城規(guī)劃面積35 km2，其中包括28 km2的圍海造陸區(qū)。鑒于該項(xiàng)目的功能定位，生態(tài)環(huán)境保持是最重要的建設(shè)內(nèi)容，其中水系統(tǒng)是生態(tài)環(huán)境改造的首要任務(wù)。通過(guò)研究，為科學(xué)合理地規(guī)劃、建設(shè)、管理好臨海新城的水系統(tǒng)提供了科學(xué)依據(jù)。

1.2 研究區(qū)自然條件

天津?yàn)I海旅游區(qū)臨海新城地處天津市濱海新區(qū)永定新河口北側(cè)，其中心位置為北緯39°06′、東經(jīng)117°48′，位于天津市中心以東約50 km，南側(cè)毗鄰天津港東疆港區(qū)。永定新河是海河流域北系四河 （永定、潮白、北運(yùn)、薊運(yùn)）的共同入海通道，河口呈喇叭形，如圖1所示。

新港燈船站1960—1969年的連續(xù)風(fēng)、浪觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)值和中交一航院 （原交通部一航院）1996—2005年在天津港東突堤觀測(cè)站10年每日24次風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，工程區(qū)海域的常風(fēng)向和次常風(fēng)向方位主要為E～S之間，強(qiáng)風(fēng)向主要分布在接近于偏東的方向。根據(jù)塘沽氣象站1970—1999年30年的歷年各方位最大風(fēng)速（10 min平均）資料和1980—2004年（測(cè)風(fēng)點(diǎn)為天津港東突堤）共25 年 8 個(gè)方位（即 N、NE、E、SE、S、SW、W、NW，左右各22.5°的范圍內(nèi)選?。┑哪甏箫L(fēng)極值（10min平均）序列，利用皮爾遜III型曲線擬合推算出該站ESE方向上50年一遇的極值風(fēng)速約為25.1 m/s（取E與SE方向的平均值），相當(dāng)于海上10級(jí)大風(fēng)。

新港燈塔站（測(cè)波站）位于海河口外海海圖10 m等深線附近（在工程區(qū)東南約20 km）。該站波浪資料對(duì)河口區(qū)深水波要素有較好的代表性，利用該站連續(xù)一年的波浪觀測(cè)資料進(jìn)行風(fēng)浪關(guān)系分析和波要素統(tǒng)計(jì)表明，本海區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪和波浪為主的混合浪年出現(xiàn)頻率為72.8%，以涌浪為主的混合浪占26.6%，純涌浪僅占0.6%，該站常浪向?yàn)镋SE~S向。

塘沽地區(qū)潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日潮，晝夜兩漲兩落，滯后約45 min，漲潮歷時(shí)約為5.5 h，落潮歷時(shí)約為7 h，日潮不等現(xiàn)象明顯，河口區(qū)潮汐強(qiáng)度中等。永定新河口附近不同時(shí)期、不同單位進(jìn)行過(guò)潮位觀測(cè)。北塘潮位站有1951—1953年3年的觀測(cè)資料。中交一航院根據(jù)1963—1986年六米站及1986—1999年?yáng)|突堤站共37年潮位觀測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出該海域潮位特征值見(jiàn)表1。河口區(qū)潮汐受渤海灣潮波系統(tǒng)控制，具有高潮潮位比較接近、低潮潮位相差較大的特征。工程區(qū)平均潮位呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。每年冬季（10月—次年3月）平均潮位明顯較低，最低月均潮位與年均潮位相比約低0.3 m。夏季（4—9月）平均潮位較高，最高月均潮位與年均潮位相比高約0.3m。每年的最低潮位過(guò)程出現(xiàn)在冬季，相應(yīng)最高潮位過(guò)程出現(xiàn)在夏季。

表1 塘沽海洋站潮位特征值 m

永定新河口潮流屬往復(fù)運(yùn)動(dòng)，流向比較集中。漲潮時(shí)潮水侵入河道，落潮時(shí)回流大海，潮流方向與河道走向一致。海域漲潮流向西北 （磁北角320~359°），落潮流向東南（磁北角 131~161°），流向變動(dòng)范圍約在30~40°?？陂T(mén)區(qū)受河口地形的影響，流向基本與河槽深泓走向一致，漲、落潮流磁北角分別為275~295°和 120~150°。

天津沿海是風(fēng)暴潮易發(fā)地區(qū)之一。從1860年以來(lái)的148年中，成災(zāi)的風(fēng)暴潮已超過(guò)30次，平均每4年左右就有1次。上世紀(jì)70年代以來(lái)共遇到5次強(qiáng)風(fēng)暴潮，分別發(fā)生在 1972、1985、1992、1994 和2003年，平均不到8年就發(fā)生1次。風(fēng)暴潮期間增水劇烈、風(fēng)浪洶涌、潮流流速加大，含沙量急劇增大，并且常伴有強(qiáng)降雨過(guò)程。因此，風(fēng)暴潮不僅對(duì)河口泄洪排瀝產(chǎn)生極其不利的影響，而且對(duì)河口區(qū)會(huì)造成嚴(yán)重的淤積和環(huán)境影響。

永定新河口附近泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究表明，河口區(qū)淺灘上細(xì)顆粒泥沙在風(fēng)浪和潮流動(dòng)力共同作用下極易被掀起，并隨潮汐水流運(yùn)動(dòng)在河口附近輸移，形成河口區(qū)淺灘和河道的沖淤演變過(guò)程。

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 模型概況

根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容要求，物理模型先要模擬河口區(qū)附近海域潮汐水流運(yùn)動(dòng)，再采用染色水體濃度監(jiān)測(cè)的方法對(duì)臨海新城概念設(shè)計(jì)方案“渤海之鉆”的規(guī)劃水系進(jìn)行潮汐水流作用下水體交換的初步試驗(yàn)。模型根據(jù)相似條件、模型研究范圍以及試驗(yàn)場(chǎng)地條件確定：外海邊界至海圖10 m水深外，離岸方向約30 km，沿岸方向河口兩側(cè)各約12.5 km。模型研究范圍如圖2所示，物理模型主要比尺見(jiàn)表2。

表2 物理模型主要比尺

物理模型經(jīng)過(guò)2005年4月海洋水文實(shí)測(cè)資料的潮位驗(yàn)證、流速驗(yàn)證、流向驗(yàn)證和流態(tài)驗(yàn)證，精度符合潮汐水流物理模型試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的要求，表明物理模型具備復(fù)演該地區(qū)自然潮汐過(guò)程的能力。

2.2 “渤海之鉆”概念方案試驗(yàn)

物理模型首先對(duì)“渤海之鉆”概念方案進(jìn)行了水體交換模型試驗(yàn)，如圖3—4所示。試驗(yàn)工況及結(jié)果如下：試驗(yàn)工況一，南堤進(jìn)水采用寬70 m的明渠，進(jìn)水口閘寬分別為15和50 m；東堤設(shè)立3處出水閘，閘寬為50和80 m。渠底和閘底高程均為-2.0 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同），以水系中央（中心湖）正常維持水位（+2.61 m）為基礎(chǔ)，設(shè)定交換水位差為0.5 m。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)、出水口門(mén)的寬窄對(duì)水系內(nèi)水體循環(huán)影響較大，適度加寬進(jìn)、出水口門(mén)寬度，能夠增加進(jìn)、出水量，提高水系內(nèi)的換水率。試驗(yàn)工況二，在原南堤進(jìn)水明渠基礎(chǔ)上，西側(cè)新增1條寬70 m進(jìn)水明渠、進(jìn)水口閘寬分別為50和70 m，東堤3處出水閘選擇50或80 m寬度。同時(shí)，考慮0.5、1.0 m 2種不同交換水位差。試驗(yàn)體現(xiàn)了增加進(jìn)水口的優(yōu)越性。適當(dāng)增加進(jìn)水口，可以明顯擴(kuò)大每次換水的區(qū)域，提高整個(gè)水系的換水能力，加快水系的換水時(shí)間。該工況試驗(yàn)還反映出，適當(dāng)加大換水水位差，可以進(jìn)一步增加換水量，縮短整個(gè)水系的換水時(shí)間。

在工況一和工況二試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了優(yōu)化工況試驗(yàn)。優(yōu)化思路一：增大換水水位差試驗(yàn)。根據(jù)工況一和工況二試驗(yàn)中反映出對(duì)水系內(nèi)水體循環(huán)有利的啟示，模型又進(jìn)行了進(jìn)一步增大換水水位差的優(yōu)化工況試驗(yàn)，試驗(yàn)中將換水水位差增大至1.5m。優(yōu)化思路二：調(diào)整水系路徑試驗(yàn)。調(diào)整水系路徑試驗(yàn)也是在工況一和工況二試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。從工況一和工況二試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于水系的平面布置影響，部分區(qū)域的水體置換比較緩慢。在進(jìn)、出水口位置、大小和交換水位差一定的情況下，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整水系平面布置，也能起到優(yōu)化水系換水能力的作用。優(yōu)化思路三：改變進(jìn)水口位置試驗(yàn)。在進(jìn)行單一進(jìn)水口試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口位置偏東時(shí)，水系內(nèi)南部區(qū)域和東部區(qū)域水體置換速度明顯要大于北部和西側(cè)。因此，試驗(yàn)增加了一組進(jìn)水口西移的優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水口的位置不同對(duì)水系內(nèi)的水體交換也有較明顯的影響。優(yōu)化工況試驗(yàn)探討了換水水位差、水系路徑及換水口位置對(duì)水系統(tǒng)內(nèi)換水效率的影響，為臨海新城水系統(tǒng)平面規(guī)劃設(shè)計(jì)和“渤海之鉆”概念方案的優(yōu)化提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算

3.1 平面二維潮流數(shù)學(xué)模型概況

數(shù)學(xué)模型采用笛卡爾坐標(biāo)系下守恒型平面二維淺水方程：

式中：ζ為潮位，即以參考基面為準(zhǔn)的水面位置；H為總水深，即海底到水面的距離，H=ζ+h，h為海底到參考基面的距離別為 x、y方向垂線平均流速，u，v為分層流速；t表示時(shí)間；f為科氏系數(shù)（f=2ωsinφ，ω 是地球自轉(zhuǎn)的角速度，φ是所在地區(qū)的緯度）；g為重力加速度，取g=9.8 m/s2；n 為曼寧系數(shù)；εx、εy分別為 x、y 方向紊動(dòng)粘性系數(shù)。

方程采用有限體積法進(jìn)行離散，水位和流速變量均布置在單元中心。初始條件：采用冷啟動(dòng)，水位為常數(shù)，流速為0。邊界條件：開(kāi)邊界給定潮位邊界，模型計(jì)算的邊界條件由中國(guó)近海潮波模型提供；閉邊界滿(mǎn)足不可入條件。

模型范圍選擇為東西37 km、南北65 km，計(jì)算域面積約2 400 km2。模型網(wǎng)格采用非均勻三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格2 500 m，最小網(wǎng)格15 m，圖5為數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格平面圖。模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)1s，紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)取5，曼寧系數(shù)取0.025。

與物理模型相同，利用2005年4月下旬實(shí)測(cè)大、小潮對(duì)模型進(jìn)行潮位、流速、流向、流態(tài)的驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，計(jì)算模擬的潮位和潮流過(guò)程與天然比較吻合，模型計(jì)算能夠體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的潮流運(yùn)動(dòng)。

3.2 “渤海之鉆”概念設(shè)計(jì)方案計(jì)算

在圍墾區(qū)域內(nèi)采用水道將圍墾區(qū)分割成若干類(lèi)似“渤海之鉆”狀人工島，水域面積約6.85 km2，水域底高程為-2 m。在規(guī)劃區(qū)域西南側(cè)布置一進(jìn)水口，在東側(cè)布置三出水口，口門(mén)寬度均為50 m，口門(mén)處均設(shè)有閘門(mén)，水系內(nèi)換水控制潮差分別為0.5和1.0 m。當(dāng)外部水域水位高于水系內(nèi)水位時(shí)循環(huán)體系水域進(jìn)水，此時(shí)開(kāi)啟進(jìn)水閘關(guān)閉出水閘；當(dāng)水系內(nèi)水位高于外部水域時(shí)循環(huán)體系水域向外排水，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閘開(kāi)啟出水閘，以上進(jìn)出水在一定的控制條件下運(yùn)行。臨海新城南側(cè)永定新河口通道布置有航道，開(kāi)挖底高程為-10 m。

水體交換能力計(jì)算：采用示蹤粒子相對(duì)濃度變化衡量水循環(huán)體系內(nèi)的水體交換能力，其方程采用守恒平面二維水質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程（忽略降解項(xiàng)）：

式中：C為示蹤粒子垂線平均的濃度，Dx、Dy為紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，可以根據(jù)Elder公式 （C'為謝才系數(shù)）確定。離散時(shí)方程中三項(xiàng)：當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)與水流運(yùn)動(dòng)方程相應(yīng)各項(xiàng)相同（只需將U換成C）。具體計(jì)算時(shí)給定水循環(huán)系統(tǒng)初始濃度為1，外海為0，通過(guò)水體交換觀察體系內(nèi)水域相對(duì)濃度變化。水體交換率為：

式中：Vintial為初始水體體積；Vtotal為水循環(huán)水域總體積。

“渤海之鉆”概念方案水體交換計(jì)算結(jié)果表明：循環(huán)體系內(nèi)水體示蹤粒子平均濃度基本沿著指數(shù)型函數(shù)衰減。概念設(shè)計(jì)方案的西北角是水體交換能力最弱的水域，圖6是該方案控制潮差為0.5 m時(shí)水體交換示意圖。此外，還對(duì)控制潮差1.0 m工況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，1.0 m控制潮差與0.5 m控制潮差相比更有利于水體交換。

3.3 “渤海之鉆”規(guī)劃方案計(jì)算

根據(jù)“渤海之鉆”概念方案水體交換物理模型試驗(yàn)結(jié)果，荷蘭德和威公司對(duì)該方案水系統(tǒng)布置進(jìn)行了優(yōu)化，形成臨海新城“渤海之鉆”規(guī)劃方案（如圖 7所示），其中水域面積約9.0 km2。相對(duì)于概念方案而言，規(guī)劃方案在水流通道寬度、深度以及設(shè)計(jì)流路上作了改進(jìn)，圖中不同顏色代表不同河底標(biāo)高。由圖7可見(jiàn)，西側(cè)通道相對(duì)較寬，水深較大，目的是便于西北角的水體交換。在水體交換數(shù)學(xué)模型計(jì)算中，規(guī)劃方案設(shè)4個(gè)進(jìn)、出水口。為便于分析，從西往東分別記為①、②、③、④。換水口寬度即閘門(mén)寬度為50 m、水系統(tǒng)內(nèi)換水潮差控制為0.5 m，工況四在永定新河口通道兩側(cè)各延長(zhǎng)5 km導(dǎo)堤。

數(shù)學(xué)模型首先對(duì)“渤海之鉆”概念方案水體交換進(jìn)行了計(jì)算并與物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，對(duì)“渤海之鉆”規(guī)劃方案進(jìn)行了計(jì)算，數(shù)學(xué)模型計(jì)算中主要針對(duì)進(jìn)出水方式、控制潮差、閘門(mén)寬度以及周邊工程等因素。通過(guò)計(jì)算研究不同因素對(duì)循環(huán)體系水體交換的影響，繼而確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)水體交換的較合理的閘門(mén)運(yùn)行方案和水系統(tǒng)控制潮差。

數(shù)學(xué)模型計(jì)算大致分為西進(jìn)東出和東進(jìn)西出共4種工況，見(jiàn)表3和圖8。為便于比較，計(jì)算中各工況均采用0.5 m控制潮差，且進(jìn)、出水通道均按50 m考慮。計(jì)算結(jié)果表明：①各工況在開(kāi)始2 d內(nèi)水體交換率基本一致，第3天開(kāi)始體現(xiàn)差別；在開(kāi)始5 d內(nèi)水體交換率隨時(shí)間逐漸加大，說(shuō)明水體交換較快，第6天開(kāi)始逐漸趨緩。除工況三外，各工況交換15 d最終結(jié)果差別不大，水體交換約80%左右。②相對(duì)而言，西進(jìn)東出結(jié)果稍好于東進(jìn)西出。其原因主要是從東側(cè)排出的水體易于在外海擴(kuò)散，而西側(cè)河口通道內(nèi)排出的水體不易擴(kuò)散進(jìn)而對(duì)進(jìn)水口產(chǎn)生影響。③②進(jìn)，①、③、④出的工況四，通道口門(mén)兩側(cè)延長(zhǎng)了導(dǎo)堤，該工況換水效果既不同于西進(jìn)東出的工況一，又不同于東進(jìn)西出的工況二?？傮w而言，在不考慮其他因素和外海水質(zhì)的情況下，計(jì)算結(jié)果顯示，只要采取適當(dāng)?shù)拈l門(mén)調(diào)控，各工況均能實(shí)現(xiàn)臨海新城水系統(tǒng)水體與外海水體交換的目的。

表3 規(guī)劃方案數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)天津?yàn)I海旅游區(qū)臨海新城“渤海之鉆”概念方案水系統(tǒng)水體與外?？煽刂平粨Q特點(diǎn)及其基本規(guī)律物理模型初步試驗(yàn)，基本摸清了潮汐水動(dòng)力在新城建設(shè)水循環(huán)系統(tǒng)管理中的作用以及影響臨海新城水系統(tǒng)水體交換主要因素。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)水體交換數(shù)學(xué)模型對(duì)“渤海之鉆”概念方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算，初步結(jié)論如下：

圖8 “渤海之鉆”規(guī)劃方案數(shù)學(xué)模型計(jì)算工況換水效果

（1）永定新河河口地區(qū)海域水文泥沙環(huán)境非常復(fù)雜，在該區(qū)域進(jìn)行較大規(guī)模圍海造陸工程進(jìn)行相應(yīng)的水系統(tǒng)水體交換試驗(yàn)研究是非常必要的。

（2）研究結(jié)果表明，天津?yàn)I海旅游區(qū)臨海新城“渤海之鉆”方案的水循環(huán)系統(tǒng)可行性進(jìn)行科學(xué)初步論證是可行的。物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算可以有效地預(yù)測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的利弊，為臨海新城的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

（3）文中的研究方法和技術(shù)路線對(duì)類(lèi)似濱海地區(qū)海域使用中團(tuán)塊多島式圍海造陸工程內(nèi)部水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)保持的論證具有參考意義。