林金城， 肖桂榮， 林建偉

(1. 福州大學(xué) 數(shù)字中國(guó)研究院(福建)， 福建 福州 350108；2. 福建省水產(chǎn)研究所， 福建 廈門 361012)

閩江是中國(guó)福建省最大獨(dú)流入海(東海)河流，全長(zhǎng)559 km，是沿海典型的山溪性河流[1].閩江河口屬于強(qiáng)潮三角洲型河口，閩江東流入海，受瑯岐、粗蘆、川石、壺江諸島阻隔，形成了五口入海的復(fù)雜河網(wǎng)[2].隨著閩江流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，在沿岸地區(qū)形成了密集的居住區(qū)，大量的污染物隨著閩江東流入海，給閩江河口海域的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力.潮流是河口海灣物質(zhì)輸運(yùn)的動(dòng)力基礎(chǔ)，對(duì)污染物的遷移擴(kuò)散起著決定性的作用.余流則體現(xiàn)了水體的輸運(yùn)和交換過(guò)程，與河口內(nèi)物質(zhì)的長(zhǎng)期輸運(yùn)、擴(kuò)散、沉積等有著密切聯(lián)系[3].利用Lagrangian粒子示蹤法模擬水體中污染物的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算水體中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠直觀地模擬污染物在水體中的三維運(yùn)移軌跡、滯留時(shí)間及歸宿等[4].

目前，已有一些針對(duì)閩江河口潮流及污染物運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究.季杜鑫等[5]通過(guò)實(shí)測(cè)閩江河口的水文、泥沙資料等，指出閩江河口的潮汐特征為漲潮歷時(shí)短、退潮歷時(shí)長(zhǎng)，且以往復(fù)流為主；劉梅冰[6]建立閩江下游河道一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)閩江下游水流、污染物運(yùn)動(dòng)規(guī)律及影響因素進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)建立閩江河口二維水動(dòng)力模型，模擬閩江河口主要污染物的時(shí)空分布特征及運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律；湯軍健等[9]選用二維淺水方程組模擬閩江河口的潮流場(chǎng)，建立拉格朗日質(zhì)點(diǎn)跟蹤方法，近似模擬閩江河口海域的泥沙輸運(yùn)特征；夏澤宇等[10]基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積的近岸、河口海洋模型(FVCOM)建立閩江河口三維潮流數(shù)值模型，討論海底摩阻系數(shù)的選取，并分析閩江河口的水動(dòng)力特征.

學(xué)者們的工作雖然較好地揭示了閩江河口潮流運(yùn)動(dòng)及污染物運(yùn)移特征，但仍有不足之處：早期研究?jī)H限于一維與二維模型，不能較好地模擬河口內(nèi)潮；絕大部分研究忽視了閩江河口廣闊的潮間帶，未考慮漫灘效應(yīng)，而漫灘過(guò)程的引入對(duì)閩江河口潮流速度的模擬至關(guān)重要[11]；大部分研究側(cè)重于對(duì)閩江河口潮流場(chǎng)的模擬，鮮有對(duì)余流特征及污染物粒子運(yùn)移規(guī)律的研究.因此，深入研究閩江河口三維潮、余流及污染物運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征，充分認(rèn)識(shí)閩江河口物質(zhì)輸運(yùn)的動(dòng)力基礎(chǔ)，對(duì)于閩江河口環(huán)境污染的控制和治理具有重要的指導(dǎo)意義.

本文選用三維水動(dòng)力模型，即河口、陸架和海洋沉積物(ECOMSED)模型[12]，對(duì)閩江河口進(jìn)行三維斜壓潮流數(shù)值模擬，將干濕網(wǎng)格判別技術(shù)引入潮汐潮流的漫灘過(guò)程，在模型驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，分析研究閩江河口的潮流、余流等特征，深入了解閩江河口的水動(dòng)力狀況及物質(zhì)輸運(yùn)的動(dòng)力基礎(chǔ)；采用Lagrangian粒子示蹤技術(shù)，模擬閩江河口保守污染物運(yùn)移過(guò)程，以揭示污染物在閩江河口的運(yùn)移規(guī)律.

1 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同模型對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)與物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行研究[11，13-18].ECOMSED模型是以普林斯頓海洋模型(POM)[19]與三維河口、海岸與海洋模型(ECOM)[20]為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的較為成熟的淺海三維水動(dòng)力學(xué)模型，適用于河口及近岸海域的海洋模擬.該模型主要包括水動(dòng)力模塊、沉積物輸運(yùn)模塊、風(fēng)浪模塊、熱通量模塊、水質(zhì)模塊和粒子追蹤模塊；模型采用模態(tài)分離技術(shù)，考慮垂向分層.文中模型是基于ECOMSED的水動(dòng)力模塊和粒子追蹤模塊建立的.模型的主要控制方程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[21].

1.1 動(dòng)邊界處理

閩江河口具有大面積的淤泥質(zhì)潮灘，潮間帶上的水陸邊界隨著潮漲、潮落不斷變化，使計(jì)算區(qū)域不斷發(fā)生改變.然而，ECOMSED模型采用固定邊界技術(shù)，無(wú)法模擬漫灘過(guò)程，使計(jì)算區(qū)域隨著潮漲、潮落而發(fā)生改變，因此，引入動(dòng)邊界處理技術(shù)，即干濕網(wǎng)格判別法.在若干時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，對(duì)水深做一次判斷，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)總水深H小于某一臨界水深Hdry，則認(rèn)為該水位網(wǎng)格為干網(wǎng)絡(luò)；若網(wǎng)格總水深H大于臨界水深Hdry，則認(rèn)為其為濕網(wǎng)格.在模型運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)判斷為濕網(wǎng)格時(shí)才參與計(jì)算，而干網(wǎng)格不參與計(jì)算，且其流速應(yīng)為零.臨界水深的大小可根據(jù)潮間帶坡度和時(shí)間步長(zhǎng)確定，取Hdry=0.4 m[13].

1.2 數(shù)值模擬與驗(yàn)證

考慮閩江河口河網(wǎng)復(fù)雜、岸線曲折、灘涂面積大等特點(diǎn)，模型的經(jīng)緯度范圍為119°23′～119°50′E，25°55′～26°18′N.閩江河口模型的計(jì)算網(wǎng)格、水深示意圖，如圖1所示.模擬采用正交矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率為200 m×200 m，共有網(wǎng)格數(shù)量222×208個(gè)，垂向采用sigma坐標(biāo)，等間距分為11層.底摩擦系數(shù)IBFR根據(jù)文獻(xiàn)[10]取為0.007，再微調(diào)至恰當(dāng)值；底粗糙系數(shù)BZO為0.006；水平對(duì)流擴(kuò)散參數(shù)NHORCO取0.1；垂向紊動(dòng)參數(shù)LUMO取1×10-6m2·s-1.內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為5 s，內(nèi)外模時(shí)間步長(zhǎng)分裂比為5.模擬采用冷啟動(dòng)條件，不考慮波浪及風(fēng)應(yīng)力的影響.模擬時(shí)間為2014年6月11日0:00至2014年6月25日0:00，考慮模型穩(wěn)定所需時(shí)間，提取2 d后的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù).

(a) 計(jì)算網(wǎng)格 (b) 計(jì)算域水深

計(jì)算水域地形數(shù)據(jù)采用海軍航保部1∶30 000的閩江口海圖(圖號(hào)為13991)與1∶20 000的金牌門至馬尾海圖(圖號(hào)為13992A，13992B)，經(jīng)數(shù)字化獲得網(wǎng)格水深后，利用內(nèi)插方法進(jìn)行計(jì)算.

1.2.1 邊界條件 模型通過(guò)潮汐調(diào)和常數(shù)法，取S2，M2，N2，K1，P1，O1這6個(gè)分潮，采用美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)建立的中國(guó)海區(qū)域潮汐潮流模型的分潮調(diào)和常數(shù)，在最小二乘法的規(guī)則下，擬合TOPE/Poseidon and Jason沿軌跡平均數(shù)據(jù)和拉普拉斯潮汐方程獲得的模擬結(jié)果.

在閩江河口，模型采用開(kāi)邊界處理，在河流相應(yīng)的網(wǎng)格上加入2014年6月閩江平均徑流量形成的“源”，約為3 770 m3·s-1，以反映閩江入海流量.

1.2.2 模型的驗(yàn)證 選取2014年6月13-24日的實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證模型.潮位及潮流的測(cè)點(diǎn)位置，如圖2所示.潮流觀測(cè)設(shè)4個(gè)站點(diǎn)(P1～P4)；潮位觀察設(shè)2個(gè)站點(diǎn)(T1和琯頭).

圖2 潮位及潮流的測(cè)點(diǎn)位置

對(duì)6個(gè)觀測(cè)站連續(xù)觀測(cè)的潮位、潮流資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示.圖3中：h為潮位；v為流速；α為流向.由圖3可知：各觀測(cè)站的潮位、流速、流向都與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合.模型驗(yàn)證結(jié)果，如表1，2所示.表1中：vf，ve分別為漲潮、落潮的平均流速；ε1，ε2分別為漲潮、落潮平均流速的觀測(cè)值和模擬值的偏差；αf，αe分別為漲潮、落潮的平均流向；E1，E2分別為漲潮、落潮平均流向的觀測(cè)值和模擬值的偏差.表2中：hh，hl分別為高、低潮位；δ1，δ2分別為高、低潮位觀測(cè)值和模擬值的偏差.由表1，2可知：P1～P4潮流觀測(cè)點(diǎn)的漲、落潮流速的偏差值較小，相對(duì)誤差均小于10%，其對(duì)應(yīng)的流向誤差小于10°；琯頭、T1潮位站平均高、低潮位的偏差值在±0.1 m以內(nèi).表1和表2的結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范[22]對(duì)潮流場(chǎng)的驗(yàn)證要求.綜上可知，模型采用的物理參數(shù)和計(jì)算參數(shù)基本合理，計(jì)算方法可靠，能夠模擬閩江河口內(nèi)潮波運(yùn)動(dòng)特性.

(a) 琯頭站點(diǎn) (b) T1站點(diǎn)

表1 P1～P4潮流站流速、流向的驗(yàn)證結(jié)果

表2 T1和琯頭站潮位的驗(yàn)證結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 閩江河口潮流場(chǎng)數(shù)值模擬

閩江河口大潮漲急和落急的表層流速矢量圖，如圖4所示.圖4中：vf，max，ve，max分別為漲潮、落潮的最大流速.閩江河口潮流以半日潮為主，潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主.潮流受閩江徑流作用影響，落潮流速明顯大于漲潮流速.潮流特征受地形變化影響較大，在外海10 m水深等值線與潮流流速呈現(xiàn)出的分界線相一致.

(a) 漲急 (b) 落急

由圖4(a)可知：外海潮波向河口內(nèi)陸傳遞，沿水道流速逐漸增大，在10 m水深等值線可見(jiàn)明顯1.0 m·s-1流速分界.在漲潮過(guò)程中，外海潮波受粗蘆島、川石島與瑯岐島阻隔分叉，分別從烏豬水道、熨斗水道、川石水道和梅花水道進(jìn)入向福州近岸海域傳播.其中，漲潮流在川石水道(深槽)的流場(chǎng)較強(qiáng)，由于水道水深相較周圍深，因此，流速增大，最大漲潮流速約為1.8 m·s-1；在烏豬水道上的最大漲潮流速約為1.4 m·s-1；在熨斗水道上的最大漲潮流速約為1.3 m·s-1；在金牌門峽道口，匯攏了從烏豬水道、熨斗水道、川石水道的潮流，水道狹窄且深，產(chǎn)生高流速區(qū)，流速最大可達(dá)1.7 m·s-1，向長(zhǎng)門水道推進(jìn)；由于梅花水道區(qū)域淤積嚴(yán)重、水深較淺，潮流流場(chǎng)較弱，流速約為0.7 m·s-1；南、北兩支水道主流在亭江區(qū)域匯攏，沿著河岸線朝西南方向向閩江上游推進(jìn).

由圖4(b)可知：落潮時(shí)，落潮方向與閩江徑流方向一致，與漲潮流方向相反流出閩江河口，最大流速發(fā)生在長(zhǎng)門水道與川石水道之間，可達(dá)1.8 m·s-1，落潮流速大于漲潮流速.落潮時(shí)，閩江河口與外海未見(jiàn)明顯整齊的流速分界線，流速分界主要表現(xiàn)在沿水道深槽處.烏豬水道、熨斗水道的深槽流速比漲潮時(shí)刻更快，且作用明顯.落潮時(shí)，潮流整體偏向東南處流動(dòng).東北部海域在漲落潮時(shí)流速相差不大，而東南處海域落潮流速稍大于漲潮時(shí)流速，表明東北部海域比東南部海域的水體交換能力弱，容易滯留污染物；污染物更容易向東南部海域輸運(yùn).

通過(guò)閩江河口4個(gè)斷面(D1～D4)大潮期間的流速垂向剖面圖，分析其三維潮流特性，如圖5所示.圖5中：H為水深.由圖5可知：漲急時(shí)，在長(zhǎng)門水道至川石水道區(qū)域，由于航道水深遠(yuǎn)深于近岸兩側(cè)，D1～D4斷面流速?gòu)谋韺又林袑泳３州^高流速，且斷面中間流速高于兩側(cè)，為1.2～1.8 m·s-1，隨著水深的增加，流速逐漸減小且減小幅度較小，表層流速比底層大約0.5 m·s-1；由于地形變化，梅花水道開(kāi)口處流速較為平緩，水深較淺，總流速明顯低于北支水道，而在水深較深的水道，流速則明顯增大，表明流速受地形影響較大；北支水道流速均大于南支水道流速.

(a) D1斷面漲急 (b) D1斷面落急

落急時(shí)，D1～D4斷面流速自表層隨水深的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，垂向分布較為均勻.受徑流作用影響，落急時(shí)表層流速大于漲急時(shí)流速，但中層流速小于漲急時(shí)流速.南支水道在落潮時(shí)流速為0.43～1.40 m·s-1，流速減小的幅度較大，表層流速比底層大約0.80 m·s-1.

由于南北支水道水深地形差異，D1～D4斷面北支水道的漲落流速均大于南支水道.落急時(shí)流速呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，流速隨水深的增大而減小，流速減小的幅度較大.南支水道漲潮流速大于落潮流速.

2.2 閩江河口余流場(chǎng)數(shù)值模擬

余流是指海流剔除掉周期性潮流運(yùn)動(dòng)后剩下的部分，與河口污染物的長(zhǎng)期輸移有著密切關(guān)系.余流分析是研究海岸帶物質(zhì)輸移方向的重要手段[23].采用歐拉余流計(jì)算方法，取兩個(gè)半日潮周期(約25 h)，計(jì)算大潮表層、中層、底層的余流流速.歐拉余流場(chǎng)分布示意圖，如圖6所示.圖6中：vr為余流流速.

(a) 表面余流

由圖6(a)可知：閩江河口大潮表層余流流向與閩江河口水道走向一致，以徑流為主要?jiǎng)恿?，沿河道向外海傳遞，以落潮余流為主；由于閩江徑流輸入影響，歐拉余流流速較大的區(qū)域主要在長(zhǎng)門-川石水道(航道深槽)；在熨斗水道島群周圍出現(xiàn)較強(qiáng)余流區(qū)，余流流速約為0.40 m·s-1；烏豬水道水深較淺是弱余流區(qū)，隨著向外海流動(dòng)，水深增大，河道變寬，余流流速提高至0.27 m·s-1；在南、北兩支水道上，余流強(qiáng)度南北不對(duì)稱，梅花水道余流強(qiáng)度隨著水深變淺，余流流速由0.40 m·s-1減弱至0.15 m·s-1，而北支水道的平均余流流速則保持在0.50 m·s-1左右；川石水道與梅花水道流出的余流在瑯岐島東側(cè)近岸區(qū)域相互作用，產(chǎn)生一條狹長(zhǎng)的滯留區(qū)域；粗蘆島東北側(cè)及熨斗島東側(cè)為水深較淺的灘涂區(qū)域，余流流速較低，出現(xiàn)大面積的滯留區(qū)域.

由圖6(b)可知：中層余流流速弱于表層余流流速，仍沿河道向外海傳遞，以落潮余流為主；不同于表層，南支梅花水道中層余流比北支長(zhǎng)門水道余流強(qiáng)度大，主要發(fā)生在猴嶼鎮(zhèn)東側(cè)、粗蘆島、熨斗島南側(cè)水道，余流流速約為0.28 m·s-1；在水深較淺的灘涂區(qū)域，余流流速明顯降低，僅為0.04 m·s-1左右；由于閩江徑流輸入作用，馬尾至閩安附近水道的中層余流場(chǎng)與表層基本一致.

由圖6(c)可知：底層余流比中層余流弱，但余流基本趨勢(shì)差別明顯，表現(xiàn)出以漲潮余流為主導(dǎo)地位；在馬尾附近水道，余流流向?yàn)闁|北方向，但在亭江附近水道，余流流向?yàn)槲髂戏较?，南、北兩道余流在閩安附近相互作用；長(zhǎng)門水道深槽沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的強(qiáng)余流，底層余流方向?yàn)槲髂戏较颍粸踟i水道與熨斗水道的余流由外海傳入，流向?yàn)槲髂戏较?；在瑯岐島東側(cè)以及熨斗島東側(cè)附近海域，底層余流形成余流渦旋的趨勢(shì)；金牌門峽道窄口附近為強(qiáng)余流區(qū)，余流流速最大為0.35 m·s-1，流向?yàn)槲飨?；梅花水道底層余流整體上朝東向，但在梅花鎮(zhèn)西北側(cè)余流流向表現(xiàn)為漲潮向西.

閩江河口的余流呈明顯的層化現(xiàn)象，余流流速由表層至底層逐層遞減，表層和底層余流在長(zhǎng)門水道、川石水道等區(qū)域表現(xiàn)出不同的流向趨勢(shì).在亭江附近、北支水道，表層余流表現(xiàn)為落潮流，底層余流則表現(xiàn)為漲潮流.在梅花水道，表層、中層余流整體上表現(xiàn)為落潮流，底層余流在猴嶼鎮(zhèn)東側(cè)表現(xiàn)為落潮流，但在梅花鎮(zhèn)西北側(cè)余流表現(xiàn)為漲潮流.在東北部海域，余流場(chǎng)整體表現(xiàn)較弱，余流流速僅有0.02～0.03 m·s-1，表明污染物在此容易滯留，不易向外海繼續(xù)遷移；而在東北部海域，表層余流則較強(qiáng)，余流流速約為0.15 m·s-1，表明污染物在此容易向外海輸移擴(kuò)散，這與節(jié)2.1潮流場(chǎng)分析結(jié)果一致.

2.3 Lagrangian粒子運(yùn)移軌跡模擬

2.3.1 粒子源設(shè)置 從排污口空間分布上看，閩江下游排污口主要集中在福州市區(qū)北支臺(tái)江與南支烏龍江；在閩江河口，長(zhǎng)樂(lè)區(qū)梅花鎮(zhèn)附近有2個(gè)排污口，如圖7所示.

圖7 閩江河口主要排污口位置示意圖

為研究污染物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分別在潭頭、梅花排污口與研究區(qū)域臺(tái)江、烏龍江的開(kāi)邊界處設(shè)置模擬粒子釋放點(diǎn)源，通過(guò)Lagrangian粒子示蹤法模擬計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡.由于粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅與釋放點(diǎn)位置有關(guān)，還與釋放時(shí)刻有關(guān)，研究中選擇在漲憩和落憩時(shí)刻釋放.閩江河口地形復(fù)雜，五口入海，且單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此，通過(guò)對(duì)污染物粒子群進(jìn)行數(shù)值模擬，從而更準(zhǔn)確地研究污染物的整體運(yùn)移規(guī)律.梅花鎮(zhèn)附近的排污口數(shù)目較少，僅有2個(gè)(潭頭排污口與梅花排污口)，分別將粒子釋放在表、中、底3個(gè)水層，每層釋放10個(gè)粒子；在研究區(qū)域臺(tái)江與烏龍江的開(kāi)邊界處，于水體表層分別同時(shí)釋放200個(gè)粒子.

2.3.2 粒子運(yùn)移軌跡 漲憩和落憩時(shí)刻，分別在潭頭排污口與梅花排污口2個(gè)釋放點(diǎn)的水體表層、中層、底層釋放粒子，每10 min間隔的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖8所示.由圖8可知：粒子在2 d內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡基本符合閩江河口內(nèi)流場(chǎng)狀況，受往復(fù)潮流的影響，粒子在近岸海域做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終在徑流與潮流的作用下向東南方向遷移至外海.

(a) 漲憩時(shí)刻釋放的粒子

2個(gè)排污口處的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡粒子均向東南方向遷移.潭頭與梅花排污口釋放點(diǎn)處，表層的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡比中層、底層的粒子簡(jiǎn)單，在漲憩時(shí)刻釋放的粒子未做過(guò)多往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往東南方向海域向下遷移，離開(kāi)閩江河口，而落憩時(shí)刻釋放的粒子，受漲潮流影響，先在梅花水道附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)距離較長(zhǎng)，后慢慢前進(jìn)向東南方向遷移.而中層與底層的粒子由于流速較慢，受潮流場(chǎng)往復(fù)作用明顯，粒子在梅花水道向東南方向海域往復(fù)前進(jìn)；落憩時(shí)刻釋放的粒子受潮流往復(fù)流作用更為顯著.2個(gè)排污口釋放的粒子由表及底向外海遷移的運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸復(fù)雜，往復(fù)運(yùn)動(dòng)越來(lái)越強(qiáng)烈.

統(tǒng)計(jì)在表、中、底3個(gè)水層釋放10個(gè)粒子的遷移時(shí)間(t)與軌跡長(zhǎng)度(L)，結(jié)果如表3所示.

表3 粒子的遷移時(shí)間和軌跡長(zhǎng)度

由表3可知：表層的粒子比中層、底層的粒子更快向閩江河口外遷移.粒子的軌跡長(zhǎng)度表明了粒子的滯留能力，軌跡越長(zhǎng)，表明粒子更易滯留；反之，表明粒子容易向外遷移.落憩時(shí)刻釋放粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度均明顯大于漲憩時(shí)刻，表明漲憩時(shí)刻釋放的粒子更容易向閩江河口外遷移，不易滯留；漲憩時(shí)刻釋放粒子運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)度由表層及底層逐漸變長(zhǎng)，表明表層污染物更易向閩江河口外遷移.

圖9為閩江河口粒子群位置示意圖.由圖9可知：在徑流與潮流作用下，粒子群在漲憩與落憩時(shí)刻釋放時(shí)，都呈現(xiàn)向外海輸移擴(kuò)散的態(tài)勢(shì).由于北支長(zhǎng)門水道表層余流流速較快，在1.5 d后，受河口開(kāi)口方向影響，北支長(zhǎng)門水道流速比南支梅花水道快，漲憩時(shí)刻釋放的一部分粒子群已經(jīng)運(yùn)移到金牌門附近，而梅花水道流速較慢，較少粒子運(yùn)移到猴嶼鄉(xiāng)右側(cè)水道，個(gè)別粒子經(jīng)由梅花水道運(yùn)移到瑯岐島東側(cè)；而落憩時(shí)刻釋放的粒子群遷移速度比漲憩時(shí)刻釋放的粒子群更快，長(zhǎng)門水道裹挾大部分的粒子到達(dá)川石水道，再分別從烏豬水道、熨斗水道遷移，而漲憩時(shí)刻釋放的粒子群在2 d后才發(fā)生這一過(guò)程.3 d后，絕大部分粒子均離開(kāi)長(zhǎng)門水道，一部分粒子從烏豬水道、熨斗水道遷移進(jìn)入東北部海域，而進(jìn)入東北部海域的粒子位移距離變短，容易滯留較長(zhǎng)時(shí)間，向東北方向遷移緩慢，這是由于該海域余流流速較弱，水體交換能力弱，污染物不易向外海遷移，需要較長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)海水交換凈化，這與節(jié)2.2分析余流場(chǎng)的結(jié)果一致；從川石水道與梅花水道遷移出的粒子均向東與東南方向移動(dòng)，由于此處余流流速較大，使其運(yùn)動(dòng)范圍擴(kuò)大，向外海遷移擴(kuò)散，5 d后，此海域的大部分粒子均離開(kāi)閩江河口.大概6 d后，閩江河口的全部粒子均遷移至外海.由此可見(jiàn)，烏豬水道與熨斗水道沿岸即川石水道以北沿岸不是較理想的排污口，排污口應(yīng)設(shè)于梅花水道或瑯岐島東側(cè)，便于污染物向外海輸移擴(kuò)散.

(a) 表層漲憩時(shí)刻釋放

在閩江河口自梅花鎮(zhèn)向寨洋鎮(zhèn)方向設(shè)置一處斷面(如圖9紅色線段所示)，分別統(tǒng)計(jì)在2個(gè)時(shí)刻釋放粒子群后，半數(shù)粒子群通過(guò)斷面的時(shí)間.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在漲憩時(shí)刻釋放粒子群，大概3 d后，半數(shù)粒子群通過(guò)斷面；在落憩時(shí)刻釋放粒子群，大概2.5 d后，半數(shù)粒子群通過(guò)斷面.結(jié)果表明，落憩時(shí)刻釋放粒子群的遷移速度更快，更利于污染物向閩江河口外運(yùn)移.

統(tǒng)計(jì)漲憩與落憩時(shí)刻，在5條水道釋放的粒子數(shù)量(N)，結(jié)果如表4所示.由表4可知：與南支梅花水道相比，北支長(zhǎng)門水道輸移污染物能力更強(qiáng)，能夠裹挾較多粒子向外海遷移擴(kuò)散；在不同時(shí)刻釋放粒子群，南北支水道表現(xiàn)的輸移污染物能力相差不大，但在漲憩時(shí)刻釋放的粒子群比落憩時(shí)刻更容易向梅花水道輸運(yùn)遷移.表現(xiàn)差距較明顯的是熨斗水道，相比漲憩時(shí)刻釋放的粒子群，在落憩時(shí)刻釋放的粒子群更容易進(jìn)入熨斗水道.相比漲憩時(shí)刻，雖然落憩時(shí)刻釋放的粒子群能更快地向閩江河口外遷移，但落憩時(shí)刻釋放的粒子群更易向東北部海域遷移，滯留時(shí)間更長(zhǎng).綜上所述，漲憩時(shí)刻是較理想的排污時(shí)間，該時(shí)刻污染物易于向外海進(jìn)行遷移擴(kuò)散，不易滯留于東北部海域.

3 結(jié)論

基于ECOMSED模型和干濕網(wǎng)格判斷法，考慮漫灘效應(yīng)，建立閩江河口水動(dòng)力數(shù)值模型，研究閩江河口潮流和余流結(jié)構(gòu)的三維特征，并在此基礎(chǔ)上建立粒子追蹤模型，模擬閩江河口內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，得出以下4點(diǎn)主要結(jié)論.

1) 閩江河口潮流運(yùn)動(dòng)以往復(fù)流為主，河道內(nèi)漲落潮流方向與岸線走向基本一致，航道深槽通道流速大于兩側(cè).潮流受閩江徑流、地形水深的影響較為明顯，落潮流速明顯大于漲潮流速.北支水道的漲落潮流速均大于南支水道.落急時(shí)流速呈現(xiàn)明顯的垂向分層現(xiàn)象，流速隨水深的增大而逐漸減小，流速減小的幅度較大.

2) 根據(jù)余流場(chǎng)模擬結(jié)果可知，北支水道余流強(qiáng)度大于南支水道，表明北支水道的水體輸移和交換能力強(qiáng)于南支水道；垂向上，表層余流流速大于底層余流流速.閩江河口的表、中層余流場(chǎng)以落潮余流為主，而底層余流場(chǎng)則以漲潮余流為主.

3) 粒子運(yùn)移軌跡模擬結(jié)果表明，位于梅花水道的2個(gè)排污口釋放的粒子在水體表層、中層、底層的運(yùn)動(dòng)軌跡有些不同，在漲憩時(shí)刻排放的污染物較不易滯留；表層排放的污染物比底層更容易向閩江河口外遷移.

4) 川石水道以北沿岸不是較理想的排污口位置，此處釋放的粒子容易滯留在東北部海域；排污口應(yīng)設(shè)于梅花水道或川石水道以南沿岸，此處潮、余流較為強(qiáng)烈，水體交換能力較強(qiáng)，便于污染物向外海輸移擴(kuò)散.通過(guò)統(tǒng)計(jì)粒子群在各個(gè)水道的數(shù)量，得出漲憩時(shí)刻是較理想的排污時(shí)間，污染物易于向外海進(jìn)行遷移擴(kuò)散，不易滯留于東北部海域.由此可為排污口選址、陸源污染治理方案提供科學(xué)依據(jù).