渤海岸線及水深變化對(duì)水動(dòng)力影響的數(shù)值模擬

董嬌嬌孫 健陳燕珍劉長根*馬慧敏劉春宏

(1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系,天津300350;2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084;3.國家海洋局 天津海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,天津300457)

渤海是中國的內(nèi)海,主要由北部遼東灣、西部渤海灣、南部萊州灣、渤海海峽和中央淺海盆地組成,總面積約7.7萬km2,平均水深18 m。隨著環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的發(fā)展,近20 a來,大規(guī)模的圍海造地工程在渤海沿岸推進(jìn),渤海的幾個(gè)主要港區(qū)如渤海灣西部的天津港、北部的曹妃甸港、西南部黃驊港和萊州灣的山東港等多是在淤泥質(zhì)淺灘上吹填造陸建成的人工港。

一方面,大規(guī)模的圍海造地會(huì)緩解日益增加的人口數(shù)量與土地不足之間的矛盾,推動(dòng)沿岸城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;另一方面,急劇縮減的自然岸線,隨時(shí)間改變的水深會(huì)對(duì)渤海的水動(dòng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響,使得水交換能力更差,污染物停留時(shí)間更長,造成渤海海域內(nèi)水質(zhì)惡化,不利于經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。許多學(xué)者[1-4]就渤海的岸線和水深變化及其產(chǎn)生的影響展開了深入研究。孫百順等[1]利用遙感和地理信息系統(tǒng)研究了近40 a來渤海灣岸線的變化過程并分析了變化因素,結(jié)果表明,岸線變化的主要原因是圍填海工程和港口建設(shè),變化主要集中于曹妃甸港區(qū)、天津港和黃驊港。Zhu等[2]利用MIKE3模型建立了渤海和黃海的三維潮流模型,對(duì)渤海和黃海潮波系統(tǒng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,1987—2016年岸線及地形的變化對(duì)半日潮幅值的影響大于對(duì)全日潮的影響,岸線變化引起的半日潮幅值變化占幅值總變化的27.76%～99.07%,水深變化引起的半日潮幅值變化占幅值總變化的0.93%～72.24%。李秉天等[3]基于FVCOM 模型,分別使用1972年和2002年的岸線及地形對(duì)渤海的4個(gè)主要分潮(M2,S2,K1和O1)進(jìn)行模擬,研究了岸線及地形對(duì)主要分潮的影響,發(fā)現(xiàn)渤海岸線及地形變化已明顯影響到潮波系統(tǒng);渤海灣灣頂潮波振幅明顯減弱。

潮余流在水交換及海水中物質(zhì)的輸運(yùn)方面發(fā)揮著極其重要的作用[4]。研究水深及岸線對(duì)潮余流的影響可以幫助我們更深入地了解污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律的變化情況。在渤海的潮余流方面,已有學(xué)者[6-7]做了大量的研究工作,如Wei[6]基于HAMSOM 模擬了渤海灣潮致拉格朗日余流和歐拉余流,發(fā)現(xiàn)拉格朗日余流沿南岸流入渤海灣,在黃河口附近形成泥沙的沉積,這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致。秦延文等[7]研究了2003—2011年渤海灣岸線變化對(duì)近岸海域水質(zhì)的影響,研究表明,由于岸線改變導(dǎo)致的水動(dòng)力變化致使渤海灣主要污染物的高值區(qū)向渤海灣東北方向偏移。

目前,關(guān)于岸線及水深變化對(duì)水動(dòng)力的影響研究多限于渤海灣內(nèi),對(duì)萊州灣、遼東灣兩個(gè)海灣的關(guān)注較少。本文將通過對(duì)比2003年和2015年渤海岸線及水深的變化,分析岸線及水深的改變對(duì)渤海潮波和潮余流場(chǎng)的影響,進(jìn)而探討水動(dòng)力場(chǎng)的變化,以期為進(jìn)一步研究渤海污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律及計(jì)算渤海環(huán)境容量提供科學(xué)依據(jù)。

1 渤海三維水動(dòng)力模型

1.1 模型簡(jiǎn)介

Delft3D 是由荷蘭Delft大學(xué)WL Delft Hydraulics開發(fā)的一種開源的三維有限差分軟件,是目前國際上最先進(jìn)的三維水動(dòng)力及水質(zhì)模型之一。該模型的水動(dòng)力模塊(Delft3D-FLOW)在Boussinesq假設(shè)下求解不可壓縮流體的Navier-Stokes方程,通過交替方向隱格式(Alternating Direction Implicit,ADI)方法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解。該模型水平方向采用正交曲線網(wǎng)格,垂向采用Sigma坐標(biāo),其計(jì)算穩(wěn)定且精度高,可以很好地貼合復(fù)雜的地形和自由表面。

1.2 岸線的變化

選用的2003年岸線和水深取自海軍司令部航保部2003年渤海灣紙質(zhì)版海圖[9],經(jīng)數(shù)字化儀采集等深線和散點(diǎn)完成;選用的2015 年岸線和水深取自海軍司令部航保部電子海圖:C1311500 遼東灣海圖、C1311800歧河口至龍口港海圖、C1311300外長山列島至復(fù)州灣海圖、C1311700秦皇島港至歧河口海圖、C1311900大連港至煙臺(tái)港海圖和C1411910渤海海峽海圖,對(duì)六幅海圖進(jìn)行拼接,利用Arcgis提取等深線和散點(diǎn)。根據(jù)渤海周圍各驗(yàn)潮站的水深基準(zhǔn)面與1985國家高程基準(zhǔn)面之間的關(guān)系將渤海水深統(tǒng)一到1985國家高程基準(zhǔn)面。處理得到圍填海前后,即2003年和2015年的岸線及水深,其中岸線如圖1所示。

2003年至2015年期間渤海海域累計(jì)填海面積達(dá)到1806.91 km2[9]。其中,渤海灣天津?yàn)I海新區(qū)累計(jì)填海造地面積約320 km2,河北曹妃甸區(qū)域完成填海造地210 km2,黃驊港沿岸陸域面積增長約75.6 km2[10],人工岸線增長551 km[1]。遼東灣圍填海面積約360 km2,遼寧省人工岸線增長499 km[11]。萊州灣圍填海面積371.46 km2[12],人工岸線增長135.1 km。隨著圍填海面積的增加,沿岸生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重,因而國家逐步叫停新增圍填海工程。

圖1 2003年和2015年岸線對(duì)比Fig.1 Shoreline comparison in 2003 and 2015

1.3 水深的變化

2003年和2015年水深分別如圖2 a和圖2 b所示,將2015年的水深值減去2003年的水深值得到的水深差值如圖2c所示,水深差為負(fù)值表示2015年與2003年相比水深變淺,地形有所抬升。由圖2 c可知,2015年與2003年相比,水深變化較大處位于天津港附近、曹妃甸南部、黃驊港附近、遼河口及黃河口處。天津港附近海域因建設(shè)用地進(jìn)行圍填海[13],導(dǎo)致海域面積明顯減小;曹妃甸南部深槽處于沖刷環(huán)境中,沖淤速率較大[14],導(dǎo)致深槽西南部水深增加約2 m;由于填海造地工程,黃驊港東部淺灘被填成陸地;遼東灣遼河口附近受河口三角洲沖淤的影響[15],水深增加1～2 m;萊州灣黃河口附近由于黃河三角洲的遷移變化,泥沙淤積,水深減少4～6 m。

圖2 2003年和2015年水深及二者的差值Fig.2 Bathymetry in 2003 and 2015 and their difference

1.4 模型計(jì)算配置

分別構(gòu)建2003 年和2015 年岸線與水深條件下的水動(dòng)力模型,以大連(121°39′E,39°56′N)與煙臺(tái)(121°23′E,37°33′N)連線為邊界以西的整個(gè)渤海海域作為模型計(jì)算區(qū)域。模型水平方向,使用Delft3D 自帶的RGFGRID 網(wǎng)格模塊生成正交網(wǎng)格;垂向,采用Sigma坐標(biāo)均勻地分為10層,計(jì)算時(shí)間步長為5 min。為更好地研究岸線變化最大的渤海灣水動(dòng)力的變化情況,在渤海灣地區(qū)局部加密,使得最小網(wǎng)格分辨率約為300 m,進(jìn)而分辨天津港附近復(fù)雜岸線。2003年和2015年模型水平方向網(wǎng)格數(shù)分別為483個(gè)×386個(gè)和483個(gè)×384個(gè)。

模型開邊界設(shè)置在大連和煙臺(tái)兩個(gè)驗(yàn)潮站的連線,為天文潮驅(qū)動(dòng)的水位開邊界,給定大連和煙臺(tái)兩個(gè)站長期觀測(cè)所得8個(gè)主要天文分潮(M2,S2,K1,O1,P1,K2,Q1和N2)的調(diào)和常數(shù),合成潮位作為邊界驅(qū)動(dòng)。模型計(jì)算采用冷啟動(dòng),域內(nèi)水位和流速初始值均設(shè)為零。模型運(yùn)行時(shí)間為一年。

1.5 模型驗(yàn)證

圖3 B1,B2和B3監(jiān)測(cè)站水動(dòng)力模擬結(jié)果與觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison between hydrodynamic simulation results and observation data at B1,B2 and B3 stations

利用天津大學(xué)力學(xué)系計(jì)算流體力學(xué)課題組現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的2003-07-13T14:00—16T12:00全潮水文資料驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果。對(duì)比驗(yàn)證3個(gè)同步連續(xù)觀測(cè)站位B1(117°44′E,38°53′N),B2(118°07′E,38°51′N)和B3(118°07′E,38°35′N)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與2003年模型的計(jì)算結(jié)果,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?除B1站位的流向因計(jì)算中未考慮天津港當(dāng)時(shí)已存在防波堤的影響而導(dǎo)致稍有差異外,其他由模型模擬的水位、流速和流向與實(shí)測(cè)資料整體較為符合,這表明模型能較準(zhǔn)確地模擬渤海的流場(chǎng)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型模擬潮波的準(zhǔn)確性,本文在渤海沿岸選擇了10個(gè)主要驗(yàn)潮站[16],將模擬得到的10個(gè)驗(yàn)潮站水位進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析,即可得到這些驗(yàn)潮站的調(diào)和常數(shù)。表1為渤海沿岸驗(yàn)潮站的主要分潮即M2分潮的振幅和遲角模擬值,并將其與長期觀測(cè)值進(jìn)行比較,可以看出:M2分潮振幅差最大值為10.13 cm,遲角差最大為7.99°,模擬值與長期觀測(cè)值吻合較好。

表1 M 2 分潮模型與驗(yàn)潮站潮汐調(diào)和常數(shù)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between M 2 moisture model and tidal harmonic constant at tidal stations

2 模擬結(jié)果分析

2.1 潮波分析

建立2003年和2015年岸線及水深條件下的水動(dòng)力模型,將其計(jì)算時(shí)間均設(shè)定為一年。為更深入地探究岸線及水深變化對(duì)潮汐的影響,分別對(duì)2個(gè)模型模擬的水位結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步準(zhǔn)調(diào)和分析,并比較分析結(jié)果(圖4)。由圖4可知,2003年和2015年的M2分潮同潮時(shí)線和等振幅線具有相似的分布規(guī)律,但是隨著岸線及水深的變化,尤其是曹妃甸圍填海工程以及秦皇島以北海域水深的變化,位于秦皇島附近的M2分潮無潮點(diǎn)向西北方向偏移。為進(jìn)一步了解各海灣內(nèi)潮波變化規(guī)律,利用2015年M2分潮振幅減去2003年M2分潮振幅得到振幅差(圖4c),可以看出:2015年M2分潮振幅比2003年整體減小,表明渤海潮動(dòng)力有所減弱;萊州灣黃河口附近M2分潮振幅變化較大,最大振幅差能達(dá)到12 cm,且振幅差自渤海中部向黃河口呈逐漸增大的趨勢(shì),這是由黃河口南側(cè)水深減小所致;在渤海灣和遼東灣內(nèi),M2分潮振幅差較小,為2～4 cm,并呈現(xiàn)從灣口到灣頂增大趨勢(shì)。

圖4 2003年和2015年M2 分潮同潮圖及二者的振幅差Fig.4 Cotidal charts of M2 tidal constituent in 2003 and 2015 and their amplitude difference

2.2 潮余流分析

流場(chǎng)空間定點(diǎn)潮流的一個(gè)或數(shù)個(gè)潮周期時(shí)均向量稱為“歐拉(Euler)潮余流”,其表達(dá)式為

式中,u=u(x,y,z),v=v(t,x,y,z),分別為空間點(diǎn)(x,y,z)上某時(shí)刻(t)流動(dòng)速度的東分量和北分量;T為統(tǒng)計(jì)時(shí)間,通常為一個(gè)或數(shù)個(gè)潮周期,本文取代表該空間點(diǎn)東方向和北方向的歐拉潮余流。

2003年和2015年的渤海表層潮余流如圖5a和圖5b所示。由圖5a可知:渤海海域整體上余流較小,渤海中部余流只有1～2 cm/s;余流較大處出現(xiàn)在渤海海峽、遼東灣北部、渤海灣南部和萊州灣黃河口附近,余流平均大小為5～10 cm/s,其中渤海海峽北部老鐵山水道附近余流最大,達(dá)20 cm/s,這是由老鐵山水道附近島嶼多、地形復(fù)雜所致。

2015年渤海表層潮余流(圖5b)與2003年渤海表層潮余流(圖5a)相比可以看出:圍填海前后渤海表層潮余流的流向及流速分布結(jié)構(gòu)總體相似。為進(jìn)一步得到余流大小變化量,將2015年余流減去2003年余流得到的余流差值如圖5c所示。由圖5c可以看出:整體上看,渤海潮余流改變不大,但岸線和水深變化較大的局部海域余流變化較大,如渤海海峽由于局部水深的變化,余流大小增加了約10 cm/s。由于天津近岸海域大規(guī)模的圍填海及黃驊港防波堤的修建,渤海灣西側(cè)沿岸潮余流有小幅度增加,而黃驊港南部余流減小;黃河口附近和遼東灣灣頂處由于地形沖淤的影響致使余流減小2～5 cm/s。同時(shí),由圖5c可以看出渤海中部余流變化量不到1 cm/s,這是因?yàn)楦鳛硟?nèi)岸線和水深變化對(duì)余流的影響多限制在鄰近海域,對(duì)較遠(yuǎn)海域及其它海灣影響較小。由此可知:局部區(qū)域的岸線及水深變化才是影響水動(dòng)力變化的主要因素。

圖5 2003和2015年渤海表層潮余流場(chǎng)及余流差Fig.5 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015 and their difference of the Bohai Sea

由2003年渤海灣潮余流場(chǎng)可知,天津港北部至曹妃甸為順時(shí)針沿岸余流,大小為2～6 cm/s(圖6a),此結(jié)論與秦延文等[7]的模擬結(jié)果一致;而天津港南部至黃驊港為逆時(shí)針沿岸余流;渤海灣口南北分別有一較小順時(shí)針環(huán)流和一較大逆時(shí)針環(huán)流,2個(gè)環(huán)流構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)結(jié)構(gòu),這與袁德奎等[5]結(jié)果一致;曹妃甸南部有較大的余流,大小為5～10 cm/s;黃驊港南部淺灘處余流流入灣內(nèi),余流大小為5～10 cm/s。

渤海灣2015年的余流場(chǎng)(圖6b)與渤海灣2003年余流場(chǎng)(圖6a)相比:天津港南部至黃驊港的逆時(shí)針沿岸余流幾乎不發(fā)生變化,但由于黃驊港防波堤的修建及其南部岸線的變化,在黃驊港南部形成一逆時(shí)針環(huán)流;天津港及曹妃甸港附近海域余流發(fā)生不規(guī)則變化;渤海灣口附近的較大逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)在曹妃甸港附近也發(fā)生了不規(guī)則變化,但整體上仍是一個(gè)雙環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)比渤海灣余流差(圖6c)與渤海灣水深差(圖6d)可知:天津港至黃驊港北部沿岸余流增加了3～5 cm/s,這是由天津近岸的圍填海工程所致;黃驊港東南側(cè)余流減小2～5 cm/s,這是由于修建了黃驊港及防波堤;此外,由于曹妃甸深槽西南部水深增加了2～4 m,所以余流減小了1～2 cm/s,但整體而言,曹妃甸港附近海域余流增大1～3 cm/s;渤海灣南部沿岸海域余流向?yàn)晨诹鞒?圍填海后增大2～5 cm/s。

圖6 2003和2015年渤海灣潮余流場(chǎng)、余流差及水深差Fig.6 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Bohai Bay

由圖7a可知,遼東灣2003年余流自灣頂流入,在遼東灣灣口處沿東南方向流出,灣頂遼河口處和娘娘廟站附近余流較大,約為5 cm/s;娘娘廟站南部形成順時(shí)針環(huán)流;鲅魚圈站附近有一流速較小順時(shí)針環(huán)流;長興島北部有順時(shí)針環(huán)流,大小約4 cm/s;遼東灣中部余流整體較小,小于3 cm/s。對(duì)比圖7a和圖7b可知:與2003年相比,2015年余流流向與流速分布結(jié)構(gòu)變化不大。對(duì)比圖7c與圖7d可以得到:遼東灣遼河口附近岸線向?yàn)硟?nèi)收縮,加上由于河口三角洲的沖淤導(dǎo)致的局部水深變化,共同造成了遼河口附近余流改變較大,遼河口附近余流減小量達(dá)2～7 cm/s。

2003年岸線及水深條件下的萊州灣余流分布如圖8a所示,可以看出,黃河口附近凸出的岸線會(huì)對(duì)余流的大小和方向造成較大影響。余流在黃河口處分叉,在黃河口以北,形成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流;在黃河口以南,形成順時(shí)針環(huán)流。這一結(jié)果與黃大吉和蘇紀(jì)蘭[17]模擬結(jié)果一致。萊州灣余流在黃河口附近出現(xiàn)最大值,約為5 cm/s。在萊州灣東南海域刁龍嘴及龍口附近,因岸線向?yàn)硟?nèi)凸起,分別在其附近產(chǎn)生了流速為3～5 cm/s的環(huán)流。與2003年余流(圖8a)相比,萊州灣2015年的余流場(chǎng)(圖8b)主要變化有:黃河口以北的逆時(shí)針環(huán)流向東南方向偏移,與萊州灣水深差值(圖8d)所示的黃河三角洲的推移方向相同;黃河口南部環(huán)流遭破壞,形成了流向?yàn)辄S河口至刁龍嘴的余流,且黃河口附近余流大于3 cm/s的區(qū)域增大,余流最大值可達(dá)到11 cm/s。由圖8c的萊州灣余流差值可以看出:相較于2003年,2015年黃河口南北兩側(cè)余流減小1～3 cm/s,但東南部余流流速明顯增大,增加量最大達(dá)到9 cm/s;刁龍嘴南側(cè)順時(shí)針環(huán)流減小,北側(cè)順時(shí)針環(huán)流增大,增加量的范圍為4～9 cm/s。

圖7 2003和2015年遼東灣潮余流場(chǎng)、余流差及水深差Fig.7 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Liaodong Bay

圖8 2003和2015年萊州灣潮余流場(chǎng)、余流差及水深差Fig.8 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Laizhou Bay

3 結(jié) 論

本文建立了基于Delft3D 的渤海三維水動(dòng)力學(xué)模型,在驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上,分別對(duì)圍填海前后渤海的水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬。對(duì)比分析了圍填海前后潮波和潮余流的變化特征及其與岸線和水深變化的響應(yīng)關(guān)系,得到結(jié)論:

1)渤海岸線及水深變化會(huì)對(duì)潮波系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。渤海M2分潮2015年的振幅整體上比2003年振幅減小;在渤海灣和遼東灣灣頂處減小量約為2～4 cm;萊州灣振幅減小量約為8～12 cm,且自渤海中部至黃河口振幅減小量逐步遞增;秦皇島附近無潮點(diǎn)向西北方向偏移。

2)各海灣岸線及水深變化對(duì)其附近海域的潮余流影響較大。渤海灣內(nèi)曹妃甸港南部由于水深增加導(dǎo)致余流發(fā)生了不規(guī)則的變化,曹妃甸近岸海域整體余流增大1～3 cm/s;天津港大規(guī)模圍填海導(dǎo)致天津港至黃驊港北部近岸海域余流增加了3～5 cm/s;而黃驊港由于防波堤的修建在其南部附近海域形成了一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流,余流減小2～5 cm/s。此外,遼東灣遼河口附近局部沖淤導(dǎo)致余流減小2～7 cm/s。萊州灣也因黃河三角洲的變遷致使黃河口北部余流略有減小,而東南部余流明顯增大,增加量最多能達(dá)到9 cm/s,同時(shí)黃河口南部海域的逆時(shí)針環(huán)流向東南方向偏移;刁龍嘴南側(cè)的順時(shí)針環(huán)流減小,北側(cè)的順時(shí)針環(huán)流增大4～9 cm/s。

3)各海灣岸線及水深變化對(duì)余流的影響范圍限于臨近海域,距離變化的岸線與水深較遠(yuǎn)的海域和其他海灣受到岸線及水深變化影響的程度較小,影響水動(dòng)力的主要因素是局部區(qū)域范圍內(nèi)的岸線及水深變化。

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