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摘要：为研究深沪湾海底古森林遗迹保护装置潮间带水动力特性，本文以长周期水文观测站水文数据和地形探测数据为基础，建立了区域潮间带二维潮流数学模型，对比分析了四边形和五边形保护装置的流速、流向和冲击载荷特征。深沪湾海底古森林保护区潮间带，流速、流向变化较大，以SW-NE向的往复流为主，但仍有多一半的水流方向较为混乱。在区域流场的控制下，古森林遗迹保护装置在SE向所受冲击载荷最大，NE向和SW向所受载荷较小，在注意加强装置各个方向材料防护强度的同时，需要特别加强保护装置SE方向的防护。

关键词：深沪湾古森林；保护装置；潮间带；数值模拟；水动力

中图分类号：P641.6 文献标识码：A

1 前言

海底古森林是指原本生长于陆地的森林，在自然营力的作用下，完全沉溺于海平面之下数千乃至数万年并得以保存的遗迹。深沪湾海底古森林形成于花岗岩古风化壳之上，距今有7000-8000年的历史，盛冰期后至中全新世深沪湾地区海平面逐步升高，并在区域断块差异运动的影响下，地表急剧下沉遭海水淹没，原本陆生的古森林遭受灭顶之灾，后又被冲积与海积的砂层所掩埋，得以保存至今，是国内外极其罕见的珍贵自然遗迹，对反映全新世构造运动和海陆变迁具有重要的意义[1-2]。现今，深沪湾海底古森林遗迹现主要出露于潮间带地区，距离岸线几十至数百米，已发现古树60余株，株距1.2-60 m不等，大部分呈直立状，个别呈横躺状，出露部分茎基直径在30 cm至100 cm左右，出露高度大都在10-30 cm，最高为 156 cm，涨潮时大多被2-3 m深的海水淹没，低潮时可见其出露[3-4]（图1）。

福建深沪湾海底古森林遗迹最早于1986年首次发现，1992年10月国务院批准该区为国家级自然保护区[5-6]。海底古森林遗迹所在的深沪湾为一发育较成熟的海湾，岬角地带海岸线曲折多变，湾内沙质水下岸坡十分平缓，水深约0-10 m，等深线大致呈NE走向[4]。由于湾口没有岛屿屏障作用，外海涌浪可直接传入湾内，潮差较大，波浪作用强，加之台风等极端天气事件，区域水动力环境尤为复杂，古森林的部分树桩已出现冲刷损伤，并附生了藤壶、海葵和紫贻贝等现代海相生物，甚至个别树桩折断面已出现完全炭化或腐烂，对海底古森林遗迹保护带来了挑战[2， 7-8]。因而，潮间带水动力特性研究是设计古森林遗迹保护装置不得不考虑的关键因素之一，开展以现场实测资料约束的水动力数值模拟工作则是业界内最常用最可靠的研究方法。

2 数据和方法

2.1实测数据

本文采用多波束、无人机、RTK等现今的水深探测设备，获取了深沪湾海底古森林的核心区，特别是潮间带的地形、地貌起伏数据，并进一步明确了海底古森林遗迹的分布情况。研究区整体地形在-3m至5m之间，从陆向海NE向逐渐加深，坡度较缓，横向变化较小（图1）。在此基础上，本文还在距离高潮线142 m的位置，靠近-1m等深线，布置了一个长周期水文观测站，并由此获得了2023年2月9日至3月15日高质量的连续温度、盐度、浊度、潮高和流速数据，为研究区水动力数值模拟提供了良好的边界约束条件（图2a）。观测站水文数据显示，2023年2月21日为当月最大潮汐，水深最高可以达到5 m，水动力最为强劲，也是本文的重点研究对象，由此为古森林遗迹保护装置的设计强度提供依据（图2b）。除此之外，区域风场和波浪数据则分别来自公开发表的羲和能源大数据平台（https：//xihe-energy.com/）和NOAA 数据库的WAVEWATCHⅢ波浪模型（http：//apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/dataset？lastvar=1），为区域水动力数值模拟提供进一步的约束。

2.2模拟方法

本文水动力模拟采用成熟的平面二维正压潮流数值模型，分析潮间带海底古森林遗迹保护装置周围的水动力特征，该模型服从Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并考虑到了风应力和斜压作用的影响，能够较好的拟合陆地边界，算法稳定，计算结果可靠，为国际所公认。采用的基本控制方程为：

边界条件在陆地岸线闭边界处法向流速为零，潮滩采用变边界处理，在开边界处输入观测站潮高和流速数据，初始条件计算时为“冷态”起动，即：

式中，t为时间，g为重力加速度，为自由水面水位，Sxx，Sxy，Syx，Syy为辐射应力张量的分量值；ρ为流体密度；f为柯里奥利系数（f = 2ωsinφ， ω为地球角旋转速率， φ为当地纬度正弦值）；u和v为平均流速分量，S为源汇项流量值，us和vs为源汇项流速值，（τsx，τsy）和（τbx，τby）为表面风和海底剪切应力的分量，Txx，Txy，Tyx，Tyy为横向应力，包括粘性摩擦、湍流摩擦、平流摩擦。

2.3 初始模型

在梳理研究区水文、底质、地形、岸线等资料的基础上，根据研究区潮波运动规律，在尽量减少边界效应对古森林遗迹防护装置周边流场影响的前提下，进行了计算域范围的确定。计算域平行海岸线延伸约240 m，向海方向延伸约170 m，水深范围为-1 m至5 m，是潮波变化最为显著的区域，也是检验古森林遗迹防护装置的理想实验场。本文综合分析基础水文资料、水深探测资料、材料力学资料，设计了混凝土基础、不锈钢支柱、PC防浪板三种材料复合的古森林遗迹保护装置，并设计了四边形和五边形两种方案（图3，图4）。为检验两种设计方案在潮间带的水动力特性，本文在计算域中部位置，靠近0 m等深线，分别设计了边长为312.13 cm和290.62 cm的四边形和五边形两个古森林遗迹防护装置模型。整个计算域采用非结构三角网格进行剖分，网格可随意控制网格疏密，在古森林遗迹防护装置周围进行了多次加密，最小网格分辨率约为10 cm，整个区域计算节点数为12294个。

本文以2023年2月21日的当月最大潮汐为研究对象（图2），计算时间步长为10s，充分考虑近岸浅水区风浪流耦合作用，重点计算流速、流向、潮高等水动力参数，并分析四边形和五边形古森林遗迹防护装置每个挡水面的最大压强，为装置结构和材料设计提供水动力数据支持。

3 结果与分析

3.1 流场分析

研究区水深向NE方向逐渐加深，风场也以NE向为主，受此影响，水流方向也以SW-NE向的往复流为主，但是比例不高，仍有高达51.08 %的水流方向较为混乱，这也是潮间带随着水深变浅而产生的浅水效应（图5）。聚焦于2023年2月21日的大潮，在涨潮和落潮过程中流速可以达到最大，在大约上午10点和下午15点均可可以超过0.10 m/s，但是上午涨潮期间整体流速更大，大多都大于0.05 m/s（图6）。

由于古森林遗迹保护装置尺寸相对整个海岸尺度较小，对流场的影响仅局限于保护装置周围大约5个边长长度范围内（图7），流场展布也相似性较高。具体而言，以四边形保护装置为例，大潮涨急时刻，潮流由湾内流向海岸，流速一般在0.01-0.12 m/s之间。潮流流过保护装置后，在保护装置背向潮流的方向流速略低，而在保护装置两侧流速变高，在保护装置的南北两侧流速略大，局部流速最大在0.15 m/s左右，以0955时刻和1055时刻最为典型。在水深接近最大的1129时刻，流速反而有所下降，流场方向也逐渐复杂。大潮落急时刻，潮流由海岸流向湾内，流速一般在0.01-0.12 m/s之间。潮流流过保护装置后，流速变化如涨潮时相似，在保护装置的NE向和SE向流速略大，局部流速最大在0.13 m/s左右，以1457时刻最为典型。

3.2 载荷分析

在潮汐涨落过程中，水流会不断的冲击保护装置，在迎流面流速迅速降低。接近0 m/s，从而产生局部强压，这也是影响保护装置稳定性的重要原因（图8）。以正方形保护装置0955时刻为例，在0955时刻，保护装置所受来自SE方向的流水冲击载荷最大，应用伯努利方程将流速转化为动压，从而得出局部最大冲击压强，为4.45 kN/m2（图9）。对正方形保护装置其他时刻，以及五边形保护装置对应时刻采取相同方法，得到各时刻最大冲击压强及方向如图9所示。通过对比可以发现，大潮涨潮期间，保护装置的SE向所受载荷最大，NE向和SW向所受载荷较小，但也不可忽视。四边形和五边形装置相较而言，局部压强后者稍大一些，但考虑到挡浪板面积的差异，二者所受水流冲击力较为接近，未发现大尺度差异。

4 结论与建议

深沪湾海底古森林遗迹是当今国内外极其罕见的珍贵自然遗迹，其对反映全新世构造运动和海陆变迁具有极其重要的意义，而潮间带的水动力环境却对处于其中的海底古森林遗迹的保护带来了严酷的挑战。为此，本文通过利用长周期水文观测站水文数据和地形探测数据初步建立区域潮间带二维潮流数学模型，并分别对四边形和五边形保护装置的流速、流向和冲击载荷特征进行分析，厘清了深沪湾海底古森林遗迹保护装置潮间带的水动力特性。

（1）深沪湾海底古森林保护区潮间带，流速、流向变化较大，以SW-NE向的往复流为主，但是比例不高，仍有高达51.08 %的水流方向较为混乱，浅水效应显著。

（2）古森林遗迹保护装置在2023年2月大潮不同时刻，所受的载荷的大小及方向变化较大，其中保护装置在SE向所受载荷最大，NE向和SW向所受载荷较小，但也不可忽视。

（3）古森林遗迹保护装置在设计建造时，在注意加强装置各个方向材料防护强度的同时，需要特别加强保护装置SE方向的防护。

参考文献：

[1]王明亮， 许志峰， 洪阿实. 深沪湾古森林遗迹和牡蝠礁的14C年代[J]. 台湾海峡， 1991， 10（1）： 101-102.

[2]刘剑秋， 林文群， 赵希涛， 等. 福建深沪湾海底古森林遗迹的新发现及其环境意义[J]. 科学通报， 2003， 48（13）： 1447-1451.

[3]徐起浩. 福建深沪湾又发现两大片海底古森林遗迹[C]. 中国地震学会第七次学术大会论文摘要集， 中国地震学会， 井冈山市， 1998， 74.

[5]洪少雄， 胡毅， 房旭东， 等. 综合物探方法在近海自然遗迹调查中的应用研究[J]. 工程地球物理学报， 2022， 19（5）： 630-639.

致谢：中国海油海洋环境与生态保护公益基金会（项目编号：CF-MEEC/TR/2022-4）资助项目