李希彬，孫曉燕，牛福新，宋軍

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，天津300457；2.國家海洋信息中心，天津300171）

半封閉海灣的水交換數(shù)值模擬研究

李希彬1，孫曉燕2，牛福新1，宋軍2

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報(bào)中心，天津300457；2.國家海洋信息中心，天津300171）

基于采用不規(guī)則三角網(wǎng)格和有限體積方法的FVCOM模式，建立半封閉海灣-湛江灣附近海域的三維潮汐潮流數(shù)值模型，通過驗(yàn)證，結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)符合良好，并在此模型基礎(chǔ)上對(duì)湛江灣的水交換狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬，將湛江灣劃分成3個(gè)區(qū)域，針對(duì)各區(qū)域進(jìn)行了水交換能力研究，研究結(jié)果表明：由于湛江灣內(nèi)不同區(qū)域的地形和地理位置變化較大，使得湛江灣內(nèi)不同區(qū)域交換能力相差較大，其中，靠近湛江灣出口處交換能力最強(qiáng)，特呈島以北海域交換能力最弱，交換時(shí)間與物質(zhì)的初始濃度無關(guān)，與投放時(shí)刻和外源強(qiáng)迫密切相關(guān)，在治理湛江灣環(huán)境時(shí)，應(yīng)分區(qū)進(jìn)行，注意選擇污染物排放時(shí)間和位置。

湛江灣；水交換；數(shù)值模擬

湛江灣位于廣東省的西南部，雷州半島的東北部，屬半封閉沉溺型港灣（中國海灣志編輯委員會(huì)，1999），灣內(nèi)水域面積160 km2，平均納潮量5億m3，最大10億m3。湛江灣內(nèi)有南三島、特呈島、東頭山島和東海島等，湛江灣口位于南三島和東海島之間，寬約2 km，是湛江灣與外海相通的主要通道，湛江港是廣東省第二大港，同時(shí)是華南最大的潮汐汊道（應(yīng)秩甫等，1996）。

近年來，湛江灣內(nèi)海岸工程發(fā)展迅速，同時(shí)，工程污染、生活污水、養(yǎng)殖污水等排放量增加，加之灣內(nèi)外水交換不暢，造成湛江灣內(nèi)海域環(huán)境質(zhì)量下降，對(duì)湛江灣水交換的科學(xué)認(rèn)識(shí)是對(duì)其進(jìn)行合理開發(fā)利用的重要前提，也早已引起廣泛關(guān)注（應(yīng)秩甫等，1996）。前人已研究了湛江灣的潮汐和潮流的主要特征及對(duì)水環(huán)境的影響，分析了湛江灣余流場的分布特征（陳達(dá)森等，2006）；針對(duì)湛江灣海域海岸工程的沖淤問題，利用數(shù)模模擬的方法分別對(duì)湛江灣內(nèi)的動(dòng)力地貌（賀松林等，1997）和泥沙沖淤（丁平興等，1997）兩方面進(jìn)行了預(yù)測和分析，包括湛江灣海岸工程建設(shè)后可能引起的動(dòng)力地貌變化和沖淤強(qiáng)度變化及其空間分布等；也有對(duì)湛江灣的海岸工程進(jìn)行的數(shù)值模擬分析，對(duì)工程可能引起的水動(dòng)力環(huán)境變化進(jìn)行了預(yù)測（夏華永等，2006）；前輩們也將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于海灣水交換計(jì)算中：以渤海為例，采用水質(zhì)模型模擬水體對(duì)半交換時(shí)間的方法進(jìn)行了水交換模擬（魏皓等，2002）；對(duì)膠州灣水交換進(jìn)行的研究，指出由于流場分布的不均勻，膠州灣不同區(qū)域水體的交換時(shí)間差別較大（趙亮等，2002）；運(yùn)用各種不同的數(shù)值方法對(duì)象山港的水交換狀況進(jìn)行研究（董禮先等，1999）；利用余流分布、拉格朗日質(zhì)點(diǎn)跟蹤等方法，對(duì)丁字灣的水交換進(jìn)行的研究等（孫英蘭等，2003）。

相對(duì)其他海域，關(guān)于湛江灣水交換方面的研究工作較少，本文運(yùn)用水動(dòng)力數(shù)值模型和歐拉彌散水質(zhì)模型，考慮對(duì)流與擴(kuò)散過程，在水動(dòng)力過程中耦合風(fēng)的作用，對(duì)湛江灣內(nèi)的保守物質(zhì)濃度輸運(yùn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了湛江灣內(nèi)某物質(zhì)的保守濃度對(duì)流擴(kuò)散稀釋為初始濃度一半所需的時(shí)間，定量研究了湛江灣內(nèi)不同區(qū)域的水交換能力，以及污染物投放初始時(shí)間和風(fēng)力作用等對(duì)湛江灣內(nèi)水交換能力的影響。

1 模型簡介

計(jì)算湛江灣水交換率的數(shù)值模型由兩部分構(gòu)成：水動(dòng)力模型和計(jì)算保守物質(zhì)濃度擴(kuò)散的水質(zhì)模型，水動(dòng)力模型提供驅(qū)動(dòng)水質(zhì)模型所需的動(dòng)力場和湍流擴(kuò)散。

1.1 水動(dòng)力模型簡介

湛江灣海域水深變化劇烈，且存在大片灘涂，為對(duì)灘涂處進(jìn)行準(zhǔn)確處理，本文采用國際先進(jìn)的海洋數(shù)值模型FVCOM進(jìn)行模擬研究。FVCOM模式在水平方向上采用無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，更易擬合邊界，并可針對(duì)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行局部加密，可更好地保證質(zhì)量、動(dòng)量的守恒性，垂直方向上采用σ坐標(biāo)，并采用有限體積方法，在進(jìn)行潮間帶處理時(shí)，F(xiàn)VCOM采用干/濕網(wǎng)格技術(shù)（Chen Changsheng et al，2006），進(jìn)行干/濕網(wǎng)格判斷，在計(jì)算流量時(shí)只考慮濕網(wǎng)格的流量，來保證流體體積守恒。因此，對(duì)于湛江灣附近海域這樣具有海底地形復(fù)雜、海岸線不規(guī)則且彎曲較多、灘涂面積大、水深變化劇烈、島嶼眾多等特點(diǎn)的海灣，適合選用FVCOM進(jìn)行模擬。

1.2 模型計(jì)算區(qū)域

為計(jì)算湛江灣與外海的水交換狀況，本文包括湛江灣及其部分外海海域作為模擬計(jì)算區(qū)域，東經(jīng)110.1535°-110.833°，北緯20.4924°-21.4074°，見圖1。

模擬區(qū)域中，南北長約91 km，東西約69 km。采用東中國海大區(qū)潮模型嵌套結(jié)果作為開邊界條件，模型采用三角形網(wǎng)格，最小空間網(wǎng)格步長100m，最大2 000 m，時(shí)間步長設(shè)置為5 s，垂向分為6個(gè)σ層。模型區(qū)域共有網(wǎng)格28 258個(gè)，三角形單元53 609個(gè)，對(duì)湛江灣的部分重點(diǎn)區(qū)域如狹窄水道等對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，見圖2，較好地體現(xiàn)了模擬區(qū)域岸線和地形分布。模式采用中華人民共和國海事局出版的海圖資料作為水深場，利用內(nèi)插方法計(jì)算得到網(wǎng)格點(diǎn)水深，以最高潮時(shí)的零米等深線處作為模式計(jì)算區(qū)域的邊界。

1.3 水質(zhì)模型和初始條件

水質(zhì)模塊的基本控制方程：

上式中，u，v，w分別代表x，y，σ方向的流速，C代表污染物濃度，D代表總水深，F(xiàn)C為水平擴(kuò)散系數(shù)，Kh為垂直擴(kuò)散系數(shù)，C0表示輸入的保守物質(zhì)源強(qiáng)濃度：

污染源強(qiáng)函數(shù)：

式中，σk和σk+n分別代表污染物輸入的最上和最下σ層，i為三角形頂點(diǎn)所在的位置，代表輸入的總點(diǎn)數(shù)，ts和te分別代表污染物輸入開始和結(jié)束的時(shí)間，n表示從0到KB-1的整數(shù)（KB表示σ層的個(gè)數(shù)）。

差分方法：采用有限體積離散方法。

邊界條件：與水動(dòng)力模型中的溫、鹽邊界條件相同。

2 模型結(jié)果驗(yàn)證與分析

本文選取2006年9月在湛江灣布設(shè)的T1-T4共4個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站和V1-V4共4個(gè)連續(xù)潮流觀測站的觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，連續(xù)站潮流觀測采用直讀式海流計(jì)，時(shí)間為26 h；潮位觀測采用ALEC水位計(jì)，長度均1 1。果，與實(shí)測資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者差別較小，模擬潮時(shí)與實(shí)測潮時(shí)基本一致，模擬潮高與實(shí)測值最大差在20 cm內(nèi)，在允許范圍之內(nèi)，計(jì)算潮流與實(shí)測潮流也有良好的一致性，模擬漲落潮流場平順，潮時(shí)及流速大小與實(shí)測潮流均較為接近，也與該海區(qū)地形輪廓相符，能夠較好的反應(yīng)潮流的性質(zhì)，因此可認(rèn)為本文的水動(dòng)力模型是合理可靠的，模擬結(jié)果基本能反映湛江海域的水動(dòng)力特征，可以在該模型基礎(chǔ)上對(duì)湛江海域的水交換特征進(jìn)行模擬分析。

按照湛江灣的地形分布特征，將湛江灣劃分為3個(gè)區(qū)域，其中區(qū)域一為特呈島和南三島以北區(qū)域，區(qū)域二為東頭山島以西區(qū)域，區(qū)域三為南三島以南、東頭山島以東區(qū)域，見下圖3，其中區(qū)域一面積約占湛江灣海域的28%，主要特征為水深較淺，水道細(xì)長狹窄，海水流速較??；區(qū)域二是約占湛江灣面積的23%，面積較小，水很淺，灘涂面積很大，海水流速很?。粎^(qū)域三約占湛江灣面積的49%，面積最大，海面寬廣，僅南三島南部及東海島北部存在小面積灘涂，其他海域水深均較深，東部為湛江灣口，同樣是湛江灣主航道—龍騰水道的出口，海水流速較大。進(jìn)行水交換率模擬時(shí)，在模擬的初始時(shí)刻，將湛江灣內(nèi)部計(jì)算格點(diǎn)上的保守污染物濃度全部定義為1（圖4中黑色所示），灣外網(wǎng)格點(diǎn)污染物濃度全部定義為0，因此，本文中，定義：水交換率=（1-水體殘留污染物濃度）× 100%，對(duì)半交換時(shí)間定義為水體的污染物濃度降低為初始濃度一半時(shí)所需的時(shí)間，在與前文水動(dòng)力條件完全相同的情況下模擬運(yùn)行100 d，進(jìn)行分析。

2.1 模型結(jié)果分析

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得到了計(jì)算區(qū)域內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間的擴(kuò)散情況和對(duì)半交換時(shí)間分布，對(duì)海灣內(nèi)表層水體污染物擴(kuò)散狀況進(jìn)行分析，如下圖5和6所示，區(qū)域三處表層水體交換率較高，對(duì)半交換時(shí)間為5-15 d，從灣口向里，水體的對(duì)半交換時(shí)間呈增加趨勢；區(qū)域二處由于東海大堤的阻隔作用，海水交換率很低，水體對(duì)半交換時(shí)間也很長，平均對(duì)半交換時(shí)間超過100 d；區(qū)域一的灣頸海域，其表層水體的對(duì)半交換時(shí)間也基本都在100 d以上，且向北呈增加趨勢，至灣頂達(dá)最大。將計(jì)算區(qū)域內(nèi)對(duì)半交換時(shí)間大于100 d的格點(diǎn)水體的對(duì)半交換時(shí)間定義為100 d，對(duì)表層水交換率模擬結(jié)果進(jìn)行平均分析，發(fā)現(xiàn)在污染物釋放之后50 d，模擬區(qū)域的表層水交換率僅為29.82%，整個(gè)海灣表層水體的平均水交換率達(dá)到50%則需要近100 d。整個(gè)湛江灣表層水體的對(duì)半交換時(shí)間為80.6 d。

在區(qū)域一的灣頸海區(qū)，由于地形窄，面積小，相應(yīng)納潮量小，海水流速也較小，因此此處海水的交換能力較弱，但此處沿岸是湛江市的人口密集區(qū)和港口所在地，主要陸源污染物也主要由此排入海，由此導(dǎo)致水質(zhì)較差，因此，區(qū)域一的海水交換率的變化對(duì)此處海水環(huán)境質(zhì)量的影響是非常重要的，模擬結(jié)果顯示，模擬進(jìn)行100 d后，區(qū)域一內(nèi)表層水體的污染物濃度平均降為63.77%，相應(yīng)水交換率為36.33%，由于此處海區(qū)屬于生活聚居區(qū)，水交換率的改變應(yīng)高度注意。

在區(qū)域二的大堤以東、東頭山島西側(cè)區(qū)域，此處水深較淺，海面較寬，灘涂面積較大，因此，海水流速較小，且由于東海大堤阻隔了湛江灣與西側(cè)雷州灣的海水交換，此處海水僅通過湛江灣東側(cè)出口與外海進(jìn)行交換，因此，此處水交換能力較弱，海水交換率較低，模擬100 d之后，結(jié)果顯示，區(qū)域二表層水體的海水交換率僅為44.09%，目前此處正規(guī)劃建設(shè)多處大型海岸工程和圍填造地項(xiàng)目，勢必會(huì)對(duì)此處海域環(huán)境造成影響，因此，此處的海水交換率變化也應(yīng)引起高度注意。

區(qū)域三靠近湛江灣出?？?，主要是特呈島、南三島以南、東頭山島以東海域，此處靠近湛江灣的出?？?，水深較深，海水流速也較大，因此海水交換率也較高，模擬運(yùn)行100 d后，結(jié)果顯示，此海區(qū)表層水體的污染物濃度降低到28.75%，水交換率為71.25%，水交換率是湛江灣內(nèi)水交換率最高的區(qū)域，此處表層水體的對(duì)半交換時(shí)間僅僅為5-15 d，其中灣口南部海域水體的對(duì)半交換時(shí)間小于5 d，而灣口北部海域水體的對(duì)半交換時(shí)間為10 d左右，這主要是由于湛江灣口“北進(jìn)南出”的余流效應(yīng)造成的，灣口北側(cè)的余流指向?yàn)硟?nèi)，這在一定程度上阻礙了海水的交換，使此處海水交換率降低，而灣口南側(cè)的余流指向?yàn)惩?，?duì)海水的交換有促進(jìn)作用。

表1表層水體水交換率隨時(shí)間變化的分析

下圖7-8是湛江灣內(nèi)3個(gè)區(qū)域表層水體的污染物濃度隨時(shí)間的變化圖，由于區(qū)域一水深較淺，且水交換通道狹窄，導(dǎo)致區(qū)域一海水交換緩慢，擴(kuò)散模擬進(jìn)行的100 d內(nèi)，此處海水的污染物濃度基本隨時(shí)間呈線性緩慢減少的變化趨勢，模擬100 d后，區(qū)域一內(nèi)海水的污染物濃度僅降至初始濃度的64%。

區(qū)域二由于東海大堤的存在，阻隔了湛江灣和雷州灣的水交換，導(dǎo)致此處水體交換能力較弱，水交換率較低，擴(kuò)散模擬100 d后，此處表層海水污染物濃度下降至初始濃度的55%，濃度基本也是呈現(xiàn)線性減少的變化趨勢。

區(qū)域三靠近東海島東側(cè)灣口，此處水體交換能力較強(qiáng)，與灣外水體交換較好，表層水體對(duì)半交換時(shí)間僅為30 d，圖9所示污染物時(shí)間分布曲線顯示，污染物剛釋放后，其濃度降低較快，40 d后，濃度減少趨勢變緩，模擬運(yùn)行100 d后，污染物濃度降低至24%左右。

上3圖所示各區(qū)域濃度變化隨時(shí)間遞減的過程中均出現(xiàn)與大小潮變化周期相同的半月周期振蕩。這主要是因?yàn)槌毕脑虏坏痊F(xiàn)象會(huì)帶來海灣納潮量的變化，納潮量在大潮時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)海灣內(nèi)水體體積增加，污染物濃度會(huì)相應(yīng)減少，而小潮時(shí)灣內(nèi)納潮量減少，污染物濃度則會(huì)相應(yīng)增加。

2.2 不同層次水體的交換能力分析

湛江灣內(nèi)水深分布不均勻，變化較大，且岸線曲折復(fù)雜，僅僅考慮表層海水的交換能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此本文也對(duì)湛江灣內(nèi)中層和底層的水體交換能力進(jìn)行分析。

表2湛江灣內(nèi)中層和底層海水的污染物濃度變化

上表2分別給出了湛江灣內(nèi)中層和底層海水的污染物擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果，模擬結(jié)果顯示，湛江灣的3個(gè)區(qū)域內(nèi)，中層和底層的海水交換率在相同的擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)均低于表層的水交換率，水交換率是逐層減低的，表現(xiàn)為表層的水交換率高于中層，中層的水交換率高于底層，模擬運(yùn)行100 d后，整個(gè)湛江灣中層和底層海水的污染物濃度分別為51.61%和53.97%，均高于表層海水的48.11%，因此，中層和底層的海水相比表層更加難以與外海進(jìn)行海水交換。

2.3 風(fēng)對(duì)湛江灣內(nèi)水體交換的影響

由湛江氣象部門多年統(tǒng)計(jì)資料分析，湛江的平均主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，風(fēng)速約3.2 m/s，為更合理的計(jì)算湛江灣內(nèi)水體的交換能力，本文在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，加入定常風(fēng)對(duì)灣內(nèi)水體和流場的影響。

如圖10，在考慮定常的3.2 m/s的東風(fēng)作用的情況下，湛江灣內(nèi)表層水體的對(duì)半交換時(shí)間分布與不考慮風(fēng)時(shí)相似，其中，在區(qū)域三的灣口處，表層水體交換率較高，但交換時(shí)間降為10-20 d，從灣口向?yàn)硟?nèi)，水交換率呈逐漸降低的趨勢，水體對(duì)半交換時(shí)間向?yàn)硟?nèi)也逐漸增大，區(qū)域一和區(qū)域二處表層水體的對(duì)半交換時(shí)間都超過100 d，由此可見，若考慮常年平均3.2 m/s的東風(fēng)的作用下，湛江灣的水交換率將更加降低，3個(gè)區(qū)域海水的對(duì)半交換時(shí)間均有所延長。

3 討論與結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法，詳細(xì)分析了湛江灣海域的海水交換能力，總體來說，湛江灣的水交換率是較低的，湛江灣的自然環(huán)境決定了湛江灣是一個(gè)自凈能力較差的海灣，同時(shí)，湛江灣的岸線輪廓和地形造成了湛江灣3個(gè)區(qū)域的污染物擴(kuò)散能力顯著不同，靠近湛江灣口處海水的水交換能力強(qiáng)，遠(yuǎn)離湛江灣口的海水交換能力弱，表層海水交換能力強(qiáng)，底層水交換能力弱，且如果在湛江地區(qū)年均3.2 m/s東風(fēng)的作用下，湛江灣的海水交換能力將進(jìn)一步降低，因此，對(duì)湛江灣海域進(jìn)行的工程開發(fā)要合理進(jìn)行，充分考慮工程對(duì)湛江灣水交換率變化的影響，同時(shí)，要對(duì)湛江灣進(jìn)行環(huán)境治理，改善湛江灣的水質(zhì)，應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域，不同污染源，除了加大污水排放整治力度外，還應(yīng)考慮排放時(shí)間和排放位置，湛江灣灣頸和西側(cè)灣底海域海水自凈能力差，更應(yīng)減輕其環(huán)境壓力，以防造成災(zāi)難性后果。

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Numerical study on the water exchange of a semi-closed bay

LI Xi-bin1，SUN Xiao-yan2，NIU Fu-xin1，SONG Jun2
（1.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station of State Oceanic Association（SOA），Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center，Tianjin 300457，China；2.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China）

Based on an unstructured grid，finite-volume coastal ocean model（FVCOM），a 3-dimensional numericaI simulation model of tide and tidal current in the semi-closed Zhanjiang Bay was built.By verification，the results of the model agreed well with the field observed data．And the water exchange status of the Zhanjiang Bay was numerical simulated based on the well validated model.The Zhanjiang Bay was divided into three areas，and water exchange ability of each area was studied.The results showed that，there were great differences in water change abilities of different areas because of large topography differences of different areas in the Zhanjiang bay，of which，the highest water exchange ability appeared in the area closed with the outlet，and the area north of Techeng Island had the lowest ability.Exchange time was independent from the initial concentration，but highly dependent on the initial time and extraneous sources forcing.During environmental management，the time and place for discharging the waste should be considered for different areas.

the Zhanjiang Bay；water exchange；numerical simulation

P722.6

A

1001－6932（2012）03－0248－07

2011-03-20；

2011-10-26

李希彬（1983－），男，碩士，主要從事物理海洋研究工作，電子郵箱：lixb_tj@yahoo.com.cn。

孫曉燕，工程師。電子郵箱：hyda@mail.nmdis.gov.cn。

袁澤軼）