圍填海工程對萊州灣水動力條件的影響*

姜勝輝，朱龍海*，胡日軍，張 偉，劉愛江

（1.中國海洋大學 海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100；3.青島海洋地質工程勘察院，山東 青島 266071）

萊州灣為渤海三大海灣之一，為一半封閉性海灣，由于其位置的獨特性，生物資源豐富，經濟發(fā)達，生態(tài)環(huán)境相對較脆弱。近年來，海岸資源開發(fā)利用的強度、密度大幅增加，產生了自然岸線資源縮減、海灣屬性弱化、海灣污染加劇等一系列問題［1］。

隨著萊州灣周邊的開發(fā)建設，科研工作者在這一區(qū)域進行了大量的研究。利用ECOM模型研究了黃河口改道對萊州灣潮流場造成的影響［2］；利用衛(wèi)星遙感圖像和觀測資料，得出底質中細顆粒物質含量較高的海域容易在潮流作用下再懸浮，有助于了解懸浮物在渤海中的運輸狀態(tài)［3］；最近50年來，萊州灣西、南海岸在地貌演變上存在顯著的差異性，這種差異主要與自然環(huán)境條件和海洋沉積動力過程有關［4］。前人對萊州灣的水動力條件、泥沙輸運有了大量的研究，但萊州灣水動力變化的研究相對匱乏。本文在前人水動力研究的基礎上通過對比萊州灣2003和2013年兩個時間段的潮流場、納潮量和水交換變化，分析圍填海工程建設對水動力的影響。

1 研究區(qū)概況

萊州灣西起現(xiàn)代黃河口，東迄屺姆島高角，本文研究區(qū)域為黃河口至刁龍嘴所圍海域（見圖1），為萊州灣的內灣。萊州灣內灣水深較淺，最大水深15m，大部分區(qū)域水深在10m以內；萊州灣的潮汐主要受黃河口外半日無潮點的影響，潮汐類型屬不規(guī)則的混合半日潮海區(qū)；受海灣形狀影響，萊州灣的強浪向和常浪向以北向浪（NE-NW）為主［5］。2003年內灣的海域面積約4 376.24km2，近年來由于大規(guī)模填海造地、圍海養(yǎng)殖、鹽田圍海、港口開發(fā)等開發(fā)活動，海灣面積有所減小。

圖1 地理位置圖Fig.1 Geographical position

2 資料與方法

本文運用MIKE21模擬軟件，采用數(shù)值模擬的方法，分別模擬了2003和2013年萊州灣的潮流場、納潮量、水交換情況，通過對比分析，研究近十年來圍填海工程建設對萊州灣水動力影響。

2.1 水深地形和岸線

水深數(shù)據主要采用中國航海圖書出版社出版發(fā)行的萊州灣1∶15萬海圖，同時結合近岸港口建設實測的大比例尺水深地形測量數(shù)據。

研究區(qū)海岸線采用平均大潮高潮線，本文收集了萊州灣2003年5月Landsat-7ETM＋影像數(shù)據和2013年5月landsat8影像數(shù)據，其空間分辨率均可達到15m。其中，自然岸線區(qū)從海圖中提取岸線，人工岸線區(qū)通過兩期衛(wèi)星圖像配準后解譯。由于人工海岸是由水泥和石塊構筑，在圖像上具有較高的光譜反射率，與光譜反射率很低的海域區(qū)分明顯，能夠準確的確定其海岸線［6－7］。

2.2 潮位和潮流

潮位資料收集了濰河口和彌河口2個潮汐站歷史觀測資料經調和分析后，選用 M2、S2、K1、O14個分潮的調和常數(shù)預報出大潮期的潮位與計算結果進行驗證；潮流資料利用長江委水文局長江下游水文水資源勘測局2007年3月6—8日（大潮期）進行的2個站位（C3、C4）和交通運輸部天津水運工程科學研究所2011年3月12—13日進行的2個站位（C1、C2）海流觀測資料進行潮流驗證，驗證點位置如圖2所示。

圖2 網格分布及驗證點位置圖Fig.2 Grid distribution and verification point

2.3 數(shù)值模型

數(shù)值模擬采用MIKE21模型，該模型適用于模擬河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境，國內外眾多學者采用該模型進行海灣研究。模型采用非結構網格剖分計算域，標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，在時間上采用顯式迎風差分格式離散動量方程和輸運方程［8］。論文采用模型中水動力模塊和對流擴散模塊，進行潮流場、水交換和納潮量模擬。模型采用潮汐驅動的方式，開邊界潮位由北黃海及渤海大模型提取，采用三角網格，計算域為黃河口和萊州港連線及岸線所圍海域，最小空間步長約10m，由于萊州灣水深較淺，垂向上不分層。模擬了K1、O1、M2、S2 4個主要分潮驅動下潮流場狀況，經潮位、潮流驗證，模擬結果與實測結果吻合度較好。計算域及網格劃分見圖2。

2.4 計算方法

2.4.1 納潮量計算方法 納潮量是一個水域可以接納的潮水的體積，是表征半封閉海灣生存能力的重要指標。納潮量的計算采用傳統(tǒng)的算法，假定潮灘為坡度均勻的斜面，進行大潮期納潮量的推算［9］。

其中：H2－H1為潮差；S1為高潮時海灣的面積；S2為低潮時海灣的面積。

2.4.2 水交換計算方法 假定在口門附近海域有同樣的溶解態(tài)保守污染物，使水體中污染物質的濃度達到某一個特定的量值Wc，且初始時刻均勻分布在附近水域內，假設水邊界入流時給定這種物質在開邊界的濃度為0，計算出不同時刻此種物質的濃度值W，進而通過以下公式計算不同時刻被區(qū)外海水置換的比率（也即水體交換率），來比較規(guī)劃方案實施后附近海域的水體凈化能力［10－11］。

式中：n為水體交換率，WC為原有的污染物濃度值，W為每一時刻水體中的污染物濃度值。

3 萊州灣變化

通過對2003和2013年萊州灣遙感影像對比發(fā)現(xiàn)，2003—2013年間萊州灣西側東營市海域圍填海工程較少，中部濰坊市海域開展了較大規(guī)模的圍填海，特別是濰坊港垂直岸線垂直岸邊防波堤向灣內延伸長度達17.3km，大幅改變了萊州灣的水動力環(huán)境；東側萊州市海域圍填海工程主要位于岸線附近，對水動力環(huán)境影響較小。至2013年萊州灣內灣的面積減小至4 053.13km2，面積減小了323.11km2，萊州灣減小的面積占整個海灣面積的7.38%。

4 結果

4.1 模型驗證

4.1.1 潮位驗證 利用濰河口、彌河口的潮位觀測資料與計算結果進行驗證。潮位驗證曲線如圖3a、b所示。潮位驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮位值與實測潮位基本吻合。

4.1.2 潮流驗證 利用潮流模型模擬萊州灣2007年3月6—8日的潮流場，提取C3、C4站位的流速流向與實測潮流進行對比，潮流驗證曲線如圖4c～d所示。然后，在不改變曼寧系數(shù)等參數(shù)的情況下，利用潮流模型分別模擬萊州灣2011年3月12—13日和2014年5月28—29日的潮流場，提取C1、C2站位的流速流向與2011年實測潮流進行對比，潮流驗證曲線如圖4a～b所；提取C5、C6站位的流速流向與2014年實測潮流進行對比，潮流驗證曲線如圖4e～f所示。

潮流驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮流流速流向與實測潮流基本吻合，能夠較好地反映規(guī)劃周邊海域潮流狀況。

4.2 數(shù)值模擬結果

本文分別對萊州灣2003和2013年潮流場、納潮量和水交換情況進行數(shù)值模擬。

4.2.1 潮流場模擬結果 本文中給出研究區(qū)潮流場潮時變化是以濰坊港中港區(qū)口門處的潮汐變化為參照時間。

2003 年潮流場的模擬結果：圖5a是漲急時潮流場，萊州灣內的潮流由灣外向灣內流動，潮流流速一般在30～50cm/s之間。北部海域潮流流向為南西向，萊州淺灘處流速達到最大值，為106cm/s。繞過萊州淺灘，潮流轉向南流動，進入太平灣后，向偏東方向流動。萊州淺灘以西至黃河口之間海域，潮流由東北往西南流，至灣頂附近逐漸轉為近西向流，在黃河口南側近岸海域潮流由東南往西北流。圖5b為落急時潮流場，潮流分布情況與漲急時潮流場相似，只是流向與漲急時潮流場大致相反。潮流整體由萊州灣內向灣外流動，潮流流速一般在30～50cm/s之間，在萊州淺灘處流速最大值可達119cm/s。

圖3 潮位驗證曲線Fig.3 Tidal level validation curve

圖4 潮流驗證曲線Fig.4 Tidal current validation curve

圖5 a 漲急時潮流場Fig.5a Tidal current field during flood tide

圖5 b 落急時潮流場Fig.5b Tidal current field during ebb tide

2013 年潮流場的模擬結果：2013年潮流場與2003年潮流趨勢基本一致，漲急時萊州灣內的潮流由灣外向灣內流動，落急時潮流整體由萊州灣內向灣外流動，海灣外部流速潮流場變化不大，靠近岸邊區(qū)域整體呈不同程度的減小。

4.2.2 納潮量計算結果 本文分別模擬了2003和2013年萊州灣大潮期和小潮期的納潮量，納潮量模擬結果見表1，2003年萊州灣大潮期納潮量為63.94×108m3，小潮期納潮量為45.44×108m3，納潮量平均為54.69×108m3；2013年萊州灣大潮期納潮量為60.08×108m3，小潮期納潮量為43.22×108m3，納潮量平均為51.65×108m3；大潮期納潮量減小了約6.05%，小潮期減小了4.90%，平均減小了5.57%。由對比可知，十年來萊州灣的納潮量發(fā)生變化，呈現(xiàn)減小的趨勢。

表1 2003—2013年萊州灣納潮量Table 1 Storage capacity of tidal water in Laizhou Bay from 2003to 2013

4.2.3 萊州灣水體交換預測結果 本文分別模擬了2003和2013年萊州灣15和30d的水交換情況，由模擬結果可知：水交換15d，水交換率大于10%的面積均大于63%，水交換率大于30%的面積均大于40%，水交換大于50%的面積占整個海灣面積25%左右；水交換30天，萊州灣內所有海域水交換率基本上均大于10%，水交換率大于30%的面積均大于58%，水交換大于50%的面積占整個海灣面積30%左右。2003和2013年萊州灣水交換率情況見表2。

5 討論

5.1 圍填海工程對潮流場的影響

為了研究2003—2013年間圍填海工程建設對萊州灣潮流影響，選取大潮時漲急時和落急時潮流場進行流速對比，漲急時流速變化見圖6a、落急時流速變化見圖6b。

表2 2003年和2013年萊州灣水交換率情況Table 2 The rate of water exchange in Laizhou Bay form 2003to 2013

由對比結果可知，近十年圍填海工程的建設對萊州灣潮流場產生了一定的影響，其中對近岸區(qū)域和萊州灣中部影響較大，主要是由于近岸工程的建設改變了近岸區(qū)的水動力環(huán)境，濰坊港防波堤向萊州灣內延伸較長，對萊州灣水動力影響較大。圍填海工程使萊州灣流速整體減小，減小較大的區(qū)域集中于濰坊港東北側，流速減小超過4cm/s（變化率約10%）的區(qū)域漲急和落急時平均面積達760km2，約占整個海灣面積的24.3%；流速增大區(qū)的面積和增加量均較小，流速增大大于4cm/s區(qū)域僅占海灣面積的4.0%。根據流向對比結果，流向變化主要位于靠近岸邊區(qū)域，灣內流向變化一般小于5°，流向變化整體較小。

5.2 圍填海工程對納潮量的影響

對比2003年和2013年納潮量結果可知，2003—2013年萊州灣大量圍填海工程的建設導致了萊州灣納潮量平均減小了5.57%。分析萊州灣的納潮量減小的原因主要有以下2個方面：圍填海工程的建設直接占用了海域面積，影響海灣納潮的空間；圍填海工程建設使萊州灣內的水動力減弱，潮差有所減小，根據數(shù)值模擬結果，大潮期萊州灣潮差減小了約15.3mm，小潮期潮差減小了5.4mm，潮差的減小導致了納潮量的減小。

5.3 圍填海工程對海灣水交換率的影響

統(tǒng)計結果表明，2013年較2003年各交換率各時間段的水交換均有不同程度的減??；交換15d相同交換率面積減小量在0.87%～1.30%之間，30d的相同交換率面積減小量在0.55%～7.02%之間，2013年水交換面積大于10%的減小量為7.02%，減小較大是由于圍填海區(qū)直接占用了2003年水交換率大于10%的區(qū)域。2003—2013年圍填海工程一定程度上減小了萊州灣的水交換率，萊州灣的自凈能力有所減弱。由于圍填海工程主要沿岸邊建設，圍填海工程大部分位于灣頂、沒有改變口門的寬度，圍填海工程建設對萊州灣水交換影響相對較小。

5.4 對比分析水動力變化

2000—2010 年圍填海工程導致錦州灣海域面積減小了31.0%，特征點流速變化量在7.99%～15.13%之間，納潮量減少了11.92%，水交換率減少了17.51%［12］。與圍填海工程建設較多的錦州灣相比，萊州灣的水動力變化不明顯；但十年來海灣面積減小7.38%，萊州灣水動力的變化遠超自然演變速率，圍填海工程對水動力的影響不容忽視。近年來，廈門灣等開展了綜合整治工程，水動力條件有了較大改善［13］。相關部門應科學編制萊州灣圍填海規(guī)劃，實現(xiàn)萊州灣海域的可持續(xù)發(fā)展［14］。

圖6 a 2003—2013年漲急時潮流流速變化Fig，6a Tidal current velocity variation during flood tide from 2003to 2013

圖6 b 2003—2013年落急時潮流流速變化圖Fig.6b Tidal current velocity variation during ebb tide from 2003to 2013

6 結論

（1）2003—2013年萊州灣大面積的圍填海建設導致萊州灣海域面積減小了7.38%。

（2）圍填海工程使萊州灣流速整體減小，流速減小超過4cm/s（變化率約10%）約占整個海灣面積的24.3%，集中在濰坊港周邊；流速增加大于4cm/s區(qū)域僅占海灣面積的4.0%，灣內流向變化一般小于5°，流向變化整體較小。

（3）圍填海工程的建設使萊州灣的納潮量減小，大小潮期平均減小了5.57%。

（4）由于圍填海工程主要沿岸邊建設且沒有改變口門的寬度，圍填海工程建設對萊州灣水交換影響相對較小。與2003年相比，2013年15天水體交換率減小0.87%～1.30%，30天水體交換率減小0.55%～7.02%。

（5）2003—2013年圍填海工程的建設使萊州灣潮流場、納潮量、水交換不同程度的減小，海灣屬性弱化，將會對萊州灣的資源和環(huán)境帶來一系列不良影響。

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