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，模拟得到的潮位过程线与观测值吻合较好，工程附近大潮期间最高潮位在 2.5 m 以上，可淹没修复区滩涂。对比 1#8#站位的流速和流向结果（图 7）可知：工程海域潮流为半日潮，外海的流速为 0.10.8 m/s，靠近近岸浅滩流速相对较小，数值模拟值和观测值相差较小，平均流速的误差在 5%以内，数值模型能较好地模拟潮汐及潮流的振荡变化过程。2019-10-29T12:003210潮位/m1232019-10-30T12:002019-10-31T12:00时刻2019-11-01T12:002019-11-02T12:002019-11-03T12:00模拟值观测值图62#站位潮位的模拟值与观测值对比Fig.6ComparisonoftidallevelsbetweensimulatedandmeasuredatStation2#39451203512100121251215012215E4005402540454105N图4数值模型计算范围及计算网格Fig.4Calculationrangeandgridsofthenumericalmodel 404512125121301213512140E潮流观测站位404840514054N图5实测海流站位的位置Fig.5Locationsofthestationsformeasuringthetidalcurrent 178海岸工程42 卷2019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()1201802403003602019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻0.2流速/(ms1)0.40.60.81.02019-10-31T12:002019-11-01T00:002019-11-01T12:000时刻60流向/()120180240300360(a)1#站位流速(b)1#站位流向(c)2#站位流速(d)2#站位流向(e)3#站位流速(f)3#站位流向(g)4#站位流速(h)4#站位流向(i)5#站位流速(j)5#站位流向(k)6#站位流速(l)6#站位流向(m)7#站位流速(n)7#站位流向(o)8#站位流速(p)8#站位流向模拟值观测值图71#8#站位流速和流向的模拟值与观测值对比Fig.7ComparisonofflowspeedanddirectionbetweensimulatedandmeasuredatStations1#8#3结果与讨论3.1大范围流场变化分析辽东湾底大范围的潮流场特征，模拟得到涨急、落急时的流场，见图 8。涨潮时，潮流主要由渤海中部流向辽东湾湾底，并逐渐汇向湾底的辽河口，辽东湾外海的涨潮方向为 SWNE 向；辽河河口受涨潮水体的汇聚影响，其流速较大，约 1.0 m/s；辽东湾底分布有大面积浅滩，涨潮时浅滩逐渐淹没；落潮时则相反，湾底浅滩逐渐干出。本修复工程位于辽河口西侧近岸的浅滩上，其附近有多条潮沟，修复区东侧为向海延伸的主潮沟；主潮沟的底高程为2.01.0 m 左右，该潮沟是涨落潮过程中修复区滩涂与外海水体交换的主通道。2 期王平，等：潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析17940101205512122(a)涨急时刻(b)落急时刻12149402740444101N1 ms14010120551212212149402740444101N1 ms112216E12216E图8工程附近大范围涨、落急时刻流场Fig.8Largescaleofcurrentfieldatthetimeofrisingandfallingtidesnearbytheproject 3.2修复区域流场变化对比模拟所得疏通前后滩涂上的流速及潮位变化（图 9 和图 10）可知，水体首先进入滩涂内潮沟，再由潮沟向两侧滩涂漫滩，其中潮沟内流速较大，而漫滩流速相对稍小。滩涂的淹没主要发生在高潮时刻，淹没时长在 23 h 左右；潮沟疏通后，涨潮时会有更多的水体由潮沟进入滩涂，潮沟内流速会显著增大，涨潮阶段的潮沟内流速大于落潮时，涨急时的高滩漫滩流速却有所减小。405050121313012132301213330E405130405210N05:00潮位/m20211:0017:00时刻23:0005:0005:0011:0017:00时刻23:0005:001 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1潮位/m202(a)疏通前涨潮时刻 1(c)疏通前涨潮时刻 2(b)疏通后涨潮时刻 1(d)疏通后涨潮时刻 2图9涨潮过程中滩涂和潮沟的潮位及流场变化Fig.9Changesintidallevelandcurrentfieldinthetidalflatandthetidalcreekduringtherisingtides 180海岸工程42 卷05:0011:0017:00时刻23:0005:0005:0011:0017:00时刻23:0005:00405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1405050121313012132301213330E405130405210N1 ms1潮位/m202潮位/m202(a)疏通前涨憩时刻(b)疏通后涨憩时刻(c)疏通前落潮时刻(d)疏通后落潮时刻图10落潮过程中滩涂和潮沟的潮位及流场变化Fig.10Changesintidallevelandcurrentfieldinthetidalflatandthetidalcreekduringthefallingtides 涨潮时滩涂上的水体淹没过程也发生变化，疏通前滩涂南侧水体由潮沟进入滩涂，滩涂北侧水体主要由外侧潮沟漫滩至近岸；而疏通潮沟后，水体会从南北两侧潮沟进入滩涂，北侧高滩漫滩流速略有减弱。涨憩时疏通前后滩涂的淹没范围基本一致，这由疏通前后外海的潮位高程所致。落潮时潮沟内的流速小于涨潮时，滩涂北侧退水较快，而滩涂南侧退水相对较慢；疏通后有更多水体由滩涂南侧潮沟流向外海，其流速较疏通前有所增大。落潮后期，滩涂基本干出，但疏通前会有部分残留于滩涂上；潮沟疏通后，滩涂中部的水体都可退回外侧潮沟，降低了滩涂淹没时长，消除了滩涂滞水问题。统计大潮期间，疏通前后的最大流速分别为 1.44 m/s 和 1.58 m/s，平均流速分别为 0.27 m/s 和0.35 m/s；小潮期间最大流速分别为 1.06 m/s 和 1.18 m/s，平均流速分别为 0.21 m/s 和 0.30 m/s。潮沟疏通使得滩涂上的最大流速和平均流速均有所增大，其中最大流速出现在涨急时的潮沟内；高潮时水体由潮沟漫滩进入上侧滩涂区域，该区域的漫滩流速较外侧滩涂略小。对比不同时刻滩涂及东侧主潮汐通道的流速变化（图 11）可知，潮沟疏通使得滩涂区域的纳潮量增大，涨落急时滩涂上潮沟的流速均增大，而高滩区域却在涨急时流速减小；东侧主潮沟是连接修复区滩涂潮沟与外海的通道，在涨潮漫滩过程中，主潮沟内流速也会有所增加，但在涨憩及干出初期因更多水体进入了修复区滩涂造成主潮沟内流速有所减小，随着修复区滩涂水体的流出，落急时主潮沟内流速则有所增大。分析潮沟疏通前后滩涂上纳潮水量的变化，滩涂纳潮水量计算以某一时刻进入滩涂及潮沟区域的整体水量为准，得到疏通前后滩涂纳潮水量的变化，如图 12 所示，可见：对于整体滩涂区域，2 期王平，等：潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析181受潮沟疏通影响，大潮及小潮时的纳潮水量均增加；而对于高滩区域，疏通后小潮时纳潮水量基本不变，大潮时却有所增加，这说明潮沟疏通促进了大潮时高滩涂的水交换过程；落潮时疏通后潮沟的退水作用明显，滩面滞水现象明显减少。1213215(a)涨潮时刻 1(b)涨潮时刻 2(c)涨憩时刻(d)落潮时刻405050405130405210N121321512132151.00.80.60.40.200.20.40.60.81.0速度变化/(ms1)12133151213215121331512133151213315E图11不同时刻滩涂和外侧潮沟流速变化的对比Fig.11Comparisonofchangesincurrentvelocityinthetidalflatandthetidalcreekatdifferentmoments 0时刻(a)整体滩涂(b)高滩区域纳潮量/(105 m3)2019-10-26T00:002019-10-27T12:002019-10-29T00:002019-10-30T12:002019-11-01T00:002468101214160时刻纳潮量/(105 m3)2019-10-26T00:002019-10-27T12:002019-10-29T00:002019-10-30T12:002019-11-01T00:0024681012潮沟疏通前潮沟疏通后图12整体滩涂和高滩区域的纳潮水量变化Fig.12Variationofthetidal-holdingcapacityinthewholetidalflatandthehighbeachareas 3.3滩涂潮位及流速变化分析疏通前后滩涂及潮沟内的 P1P12 点（图 1，其中 P1P4 点位于工程后的滩涂内侧，P5P8 点位于工程后的滩涂外侧，P9P12 点位于滩涂中部）处潮位变化（图 13），可知：涨潮时潮沟内潮位变化较快，但落潮相对较慢，这主要由落潮后期的滩涂归槽水体引起；疏通后，将有更多滩涂水体从潮沟退向外海，导致潮沟内的退水时间有所增加；滩涂上涨潮潮位变化也快于落潮时段，但相较潮沟内的潮位变化其差异较小。对比疏通前后的滩涂及潮沟内流速变化（图 14）可知：潮沟内涨潮流速大于落潮流速，涨潮历时小于落潮历时；疏通后潮沟内的流速明显增大，且涨潮时的流速增幅大于落潮时的。潮沟内涨潮时的流速呈单峰分布，而落潮时的流速呈双峰分布，疏通后更为明显，其中第一个峰值为整体潮位下降引起，第二个峰值则由滩涂归槽水体引起；而且，越靠近滩涂边缘的潮沟落潮流速的双峰特征越明显，这主要由不同位置潮沟的集水面积不同所致；疏通前，部分站位落潮时的流速呈182海岸工程42 卷单峰分布，说明疏通前潮沟连通受阻，致使滩涂归槽水体相对较少。流速变化与物模实验11结论基本一致。0.5时刻图 例图 例图 例1.01.5潮位/m2.02.52019-10-30T20:002019-10-31T01:002019-10-31T06:002019-10-31T11:000.8时刻2.0潮位/m2.22019-10-30T22:302019-10-30T23:302019-10-31T00:3000.5时刻1.01.5潮位/m2.02.5P1 疏通前P1 疏通后P2 疏通前P2 疏通后P3 疏通前P3 疏通后P4 疏通前P4 疏通后P5 疏通前P5 疏通后P6 疏通前P6 疏通后P7 疏通前P7 疏通后P8 疏通前P8 疏通后P9 疏通前P9 疏通后P10 疏通前P10 疏通后P11 疏通前P11 疏通后P12 疏通前P12 疏通后2019-10-30T20:002019-10-31T01:002019-10-31T06:002019-10-31T11:00(a)P1P4 点(b)P5P8 点(c)P9P12 点图13P1P12 点潮沟疏通前后潮位变化Fig.13ChangesintidallevelbeforeandafterthetidalcreekdredgingatPointsP1P12 P1 疏通前P1 疏通后P2 疏通前P2 疏通后P3 疏通前P3 疏通后P4 疏通前P4 疏通后P5 疏通前P5 疏通后P6 疏通前P6 疏通后P7 疏通前P7 疏通后P8 疏通前P8 疏通后P9 疏通前P9 疏通后P10 疏通前P10 疏通后P11 疏通前P11 疏通后P12 疏通前P12 疏通后0时刻图 例图 例图 例0.40.20.6流速/(ms1)0.81.21.02019-10-30T20:002019-10-31T01:002019-10-31T06:002019-10-31T11:0000.2时刻0.40.6流速/(ms1)0.82019-10-30T22:302019-10-30T23:302019-10-31T00:3000.2时刻0.40.6流速/(ms1)0.81.02019-10-30T20:002019-10-31T01:002019-10-31T06:002019-10-31T11:00(a)P1P4 点(b)P5P8 点(c)P9P12 点图14P1P12 点潮沟疏通前后流速变化Fig.14ChangesincurrentvelocitybeforeandafterthetidalcreekdredgingatPointsP1P12 对于滩涂区域，潮沟疏通后涨潮时流速明显减小，主要由于疏通后水体通过潮沟向两侧漫滩，而疏通前水体由外海直接向近岸滩涂漫滩；疏通前分布有潮沟的南侧滩涂流速减小不明显，而疏通前无潮沟分布的北侧滩涂则明显减小；落潮时疏通前后滩涂流速变化均相对较小。2 期王平，等：潮沟疏通对滩涂水动力的影响分析1833.4水质点轨迹变化修复滩涂受两侧堤坝的阻隔影响，滩涂外侧的深水潮沟是其与外海水体交换的主要通道。为分析滩涂外侧水质点的运动规律，利用拉格朗日粒子追踪法模拟水质点的运动轨迹，疏通前后的模拟结果见图 15。由图 15 可见：表征水质点的粒子主要在外侧深水潮沟内做往复运动，疏通前部分水质点会进入滩涂北侧及靠近深水潮沟的区域；而疏通后将有更多的水质点由潮沟进入滩涂内部，基本连通了滩涂潮沟和外侧潮沟。由疏通前后滩涂上粒子数变化（图 16）可知，潮沟疏通后水质点进入滩涂的数量约增大 1 倍，尤其在涨落急时刻，大潮时进入滩涂的水质点约占 35%。405010405110405210N1213110121321012133101213410E初始释放位置粒子运动轨迹405010405110405210N1213110121321012133101213410E(a)疏通前(b)疏通后图 例图15疏通前后滩涂外深水潮沟粒子运动轨迹Fig.15Particlemotiontrajectoryinthedeeptidalcreekbeforeandafterthetidalcreekdredging 2019-10-26T00:0002040粒子数量/个60802019-10-28T08:002019-10-30T16:00时刻疏通前图 例疏通后2019-11-02T00:00图16疏通前后滩涂上粒子数变化Fig.16Changesinparticlenumbersinthetidalflatbeforeandafterthetidalcreekdredging获得潮沟疏通后进入滩涂的水质点轨迹，见图 17，可知：涨落潮时水体会从南北两侧潮沟进入滩涂，落潮时则随原路径退出滩涂，只有少部分水质点（数量占 9%）的轨迹会贯穿整个滩涂，且其运动轨迹多由滩涂北侧潮沟进入滩涂，后随落潮由南侧潮沟退出滩涂。粒子自北向南流过滩涂，主要是涨潮时滩涂从南北两侧向中间汇水，涨潮流难以由南向北流经整体滩涂，而落潮时滩涂南侧水体下降较快、北侧较慢，导致部分由北侧进入滩涂的水体会从南侧流出，促进了滩涂南北的水交换过程，有利于滩涂整体生态的恢复。184海岸工程42 卷405218405152405126405100405034405008405218405152405126405100405034405008N12131041213212(a)粒子运动轨迹 1(b)粒子运动轨迹 212131041213212N405244405244121332012133201213428E1213428E初始释放位置粒子运动轨迹图 例图17潮沟疏通后部分滩涂上粒子的运动轨迹Fig.17Particlemotiontrajectoryinpartofthetidalflatafterthetidalcreekdredging 4结论潮沟是近岸滩涂主要的地貌特征，其对滩涂水动力的影响显著；近岸海域的开发导致了大量滩涂潮沟消失，人为疏通是恢复滩涂潮沟水动力条件的有效措施。本文针对辽东湾底的潮沟疏通工程，基于数值模型分析了疏通前后的滩涂及潮沟不同位置处的潮位及流速过程，对比了疏通前后的水动力及纳潮量变化；并基于粒子输移数值模型，研究了疏通前后潮沟内的水质点运移轨迹，分析了潮沟疏通工程对改善滩涂水动力及水交换的作用。得到以下主要结论。潮沟是外海水体进入滩涂的主要途径，疏通工程后，涨落潮时潮沟内流速会显著增大，增大约 60%，而漫滩流速则有所减小，工程后漫滩最大流速不到工程前的 50%；涨潮时滩涂的纳潮水量会有所增加，落潮时潮沟退水作用明显，滩面滞留水体会明显减少，减少幅度在 50%以上；涨潮时潮沟内潮位变化较快，落潮时受滩涂归槽水体影响，潮位下降较慢，落潮历时大于涨潮历时的 2倍以上。潮沟内涨潮流速大于落潮流速，且落潮时的流速呈双峰分布，其中第一个峰值为滩涂整体潮位下降引起，第二个峰值则由滩涂归槽水引起；受集水面积的不同，越靠近滩涂边缘的潮沟流速双峰特征越明显。潮沟疏通工程有利于改善滩涂和潮沟的流速分布，提高潮沟水动力强度，降低外海的直接漫滩流速，提升潮沟-滩涂地貌系统的稳定性；可增加滩涂纳潮水量，恢复滩涂与外海水体的交换过程，工程后进入滩涂的水质点数量增加 1 倍以上；同时，提高落潮末期的归槽水流速，减少滩涂滞水现象，促进滩涂湿地生态系统的恢复。参考文献(References)：RONER M,DALPAOS A,GHINASSI M,et al.Spatial variation of salt-marsh organic and inorganic depositionand organic carbon accumulation:inferences from the Venice Lagoon,ItalyJ.Advances in Water Resources,2016,93(B):276-287.1 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