圍填海對渤海灣水動力環(huán)境的影響

姚劍宇 ，丁 磊 ，王 剛，趙 亮

(1.海洋資源化學(xué)與食品技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300457；2.天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457；3.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)工程研究所，北京 100141)

圍填海是有效緩解沿海地區(qū)土地資源緊缺問題的重要途徑，圍填海在為人類提供更多發(fā)展空間和帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也改變了自然岸線及其附近海域的地形地貌，影響了水動力環(huán)境[1].同時，圍填海還會引發(fā)一系列的生態(tài)問題，對自然環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[2-3]，制約了海洋經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展.環(huán)渤海地區(qū)作為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎，也開展了大規(guī)模的圍填海活動.僅2000—2010年，渤海灣海岸大幅度向海推進，陸域面積增加了322km2，海岸線增長了331.6km[4].

國內(nèi)外學(xué)者從不同方面研究圍填海對水動力環(huán)境的影響.Park等[5]研究提出，圍填海之后岸線變化改變了潮波的反射，會使圍填后潮汐振幅減小.Yuan等[6]對膠州灣不同時期的水動力環(huán)境進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明圍填海減弱了灣內(nèi)的水交換能力.曾相明等[7]應(yīng)用POM(Princeton Ocean Model)模型模擬了圍填前后象山港的水動力環(huán)境，結(jié)果顯示工程區(qū)的水交換能力、納潮量都明顯減小.陳金瑞等[8]采用FVCOM模型分析膠州灣不同年代的水動力變化，研究結(jié)果表明圍填活動導(dǎo)致膠州灣海域總面積不斷縮小，納潮量逐漸減小，流速呈減小趨勢，灣內(nèi)水交換能力趨弱.王蕊[9]基于FVCOM模型分析不同圍填海方案對渤海地區(qū)水動力環(huán)境的影響，研究結(jié)果顯示岸線變化對潮汐、潮流影響較大，變化影響最大的位置是天津港圍填海工程附近.還有學(xué)者在圍填海對波浪影響方面進行了研究.勾鴻量等[10]運用SWAN模型模擬分析了曹妃甸工程前后的代表性波浪場，表明工程區(qū)的港池、潮汐通道內(nèi)波浪變化顯著，周期和波高減小.趙鑫[11]應(yīng)用SWAN模型模擬渤海灣風(fēng)浪，結(jié)果顯示圍填海后有效波高呈減小趨勢，在工程區(qū)附近變化顯著.Song等[12]采用Delft3D模型模擬港口建設(shè)對渤海灣西南部風(fēng)暴潮的影響，研究發(fā)現(xiàn)港口建設(shè)對海岸風(fēng)暴潮的影響主要通過非線性潮波相互作用實現(xiàn)，波浪增水對風(fēng)暴潮的最大貢獻從2003年的5%～15%增加到2016年的8%～20%.

已有的研究為認(rèn)識圍填海對水動力環(huán)境的影響奠定了基礎(chǔ)，然而大多數(shù)工作僅從潮流場或者波浪場的單一動力條件進行分析，對于波流共同作用的研究較少，有待深入探索.于是，本文采用基于MCT耦合器建立的FVCOM-SWAN雙向耦合模型[13-15]，分析波流共同作用下圍填海對渤海灣水動力環(huán)境的影響，并比較波流共同作用與否的差別.

1 模型設(shè)置

本文用2000年渤海灣岸線代表圍填前的情況，用從2010年遙感數(shù)據(jù)中提取的岸線[4]疊加天津市和河北省海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)中的圍填海部分代表圍填后的情況.模型計算時，F(xiàn)VCOM和SWAN模型采用相同網(wǎng)格，計算區(qū)域包括渤海和北黃海部分海域，水平方向采用三角形網(wǎng)格離散，在渤海灣區(qū)域進行局部加密，最小網(wǎng)格尺寸為300m，自渤海灣向外網(wǎng)格分辨率逐漸降低，開邊界處最大網(wǎng)格尺寸約為10000m.網(wǎng)格點上的水深數(shù)據(jù)由Choi 等[16]提供的1′×1′的東中國海水深數(shù)據(jù)插值得到.需要說明的是，為了突出岸線變化對水動力環(huán)境的影響，圍填前后模型均采用上述水深數(shù)據(jù).圖1給出了計算區(qū)域圍填前后岸線和水深分布，圖1(a)還顯示了下文用于模型驗證的測站位置.

圖1 計算區(qū)域圍填前后水深圖 Fig.1 Bathymetric map before and after land reclamation

開邊界潮位數(shù)據(jù)通過OTPS計算得到[17]，考慮了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18個主要分潮.由于文中計算時間段的不同，表面風(fēng)場分別采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的CFSR(1979年1月至2011年3月，時間分辨率為1h，空間分辨率為0.312°×0.312°)和CFSv2(2011年4月至今，時間分辨率為1h，空間分辨率為0.204°×0.204°)中的10m風(fēng)速資料.

FVCOM模型垂向采用σ坐標(biāo)系，共分11層，外模的計算時間步長為5s，內(nèi)外模的計算時間步長比為3∶1，采用干濕網(wǎng)格處理，取最小水深為0.05m；SWAN模型的計算時間步長為15min.兩模型各自運行，每30min進行一次數(shù)據(jù)交換，F(xiàn)VCOM模型將水位和垂向平均流速等參數(shù)傳遞給SWAN模型，而SWAN模型則向FVCOM模型提供有效波高、波向、譜峰周期、波長、破波率、底部水質(zhì)點最大軌道速度，以及底部波周期等波浪要素.波流耦合模型中的底部切應(yīng)力采用Soulsby給出的公式進行計算[18].

2 模型驗證

分別選取渤海灣2003年7月13日21時至16日19時T1測站(118.2°E，38.4°N)和2012 年4月5日17時至6日15時T2測站(118.98°E，38.76°N)觀測數(shù)據(jù)對模型潮位和流速結(jié)果進行驗證.圖2分別顯示了T1測站垂向平均流速、流向?qū)崪y值與計算值的比較結(jié)果，可見兩者吻合較好.

圖2 T1測站垂向平均流速、流向的實測值與計算值的比較 Fig.2 Comparison of measured and computed tide current speed and direction at T1 station

T2測站潮位、垂向各層的水平流速、任選的中間層潮流流向的實測值與計算值的比較結(jié)果如圖3所示.其中，流速圖中用背景顏色表示垂向各層水平流速的實測值，用圓圈中的顏色表示垂向各層水平流速的計算值.結(jié)果表明，漲落潮潮位變化過程與實測結(jié)果基本相符，各層流速分布和變化過程相近，各時刻流向也比較吻合.

圖3 T2測站潮位、流速、流向的實測值與計算值的比較Fig.3 Comparison of measured and computed tide level，tide current speed and direction at T2 station

分別選取位于渤海灣口的A1測站(119°E，38.9°N)、渤海中部的A2測站(120.1°E，39°N)和萊州灣口的A3測站(119.9°E，38°N)的2011年11月22日0時至12月6日0時的實測數(shù)據(jù)[19]驗證波浪結(jié)果.各測站有效波高、平均周期的實測值與計算值的比較結(jié)果如圖4所示.由圖4可知：有效波高的計算值和實測值具有較好的一致性.盡管平均周期的計算值均小于實測值，但是變化過程與實測值吻合度較好.同時，下文主要討論圍填前后平均周期計算值的差異，當(dāng)兩計算值相減時，實際上已消除計算值誤差的影響，因而對分析結(jié)果影響較小.

圖4 各測站有效波高、平均周期的實測值與計算值的比較 Fig.4 Comparison of measured and computed significant wave height and mean period at the selected stations

綜上所述，本文所采用的模型能夠較好地模擬渤海灣海域?qū)嶋H水動力環(huán)境，該模型將被應(yīng)用于下文的研究.

3 結(jié)果分析

本文選取2000年2月開邊界潮位和表面風(fēng)場驅(qū)動FVCOM-SWAN雙向耦合模型，分別計算渤海灣圍填前后的水動力條件，分析圍填海對水動力環(huán)境的影響.同時，在其他條件相同情況下，僅采用FVCOM模型對渤海灣圍填后水動力條件進行模擬，比較波流相互作用與否的差別，并對波流共同作用下波浪對潮流的影響進行分析.

3.1 圍填海對渤海灣水動力環(huán)境的影響

3.1.1 潮流場

分別對2000年2月中出現(xiàn)的所有高、低潮位時的水位以及漲急、落急時的垂向平均流速計算結(jié)果進行平均.高、低潮位時渤海灣圍填前后月均水位差值圖(圍填后減去圍填前的對應(yīng)結(jié)果，下同)如圖5所示.

圖5 渤海灣圍填前后月均水位變化圖 Fig.5 Variation of monthly-averaged water level before and after land reclamation in the Bohai Bay

由圖5可知：圍填后，曹妃甸東北部的三港池附近海域高潮位時月均水位較圍填前減小0.1～0.2m，低潮位時增加0.1～0.25m.曹妃甸附近其他海域在高、低潮位時月均水位較圍填前變化均小于0.1m.天津港附近海域除了高潮位時在南港工業(yè)區(qū)附近出現(xiàn)月均水位增加0.15～0.2m的情況外，其余海域變化均在0.1m左右.黃驊港附近海域高潮位時月均水位增加0.1～0.2m，低潮位時減少在0.1m以內(nèi).渤海灣遠(yuǎn)離圍填海域高、低潮位時月均水位變化均較小.

漲急、落急時渤海灣圍填前后月均垂向平均流速變化圖如圖6所示.

圖6 渤海灣圍填前后月均垂向平均流速變化圖 Fig.6 Variation of monthly-averaged and depthaveraged velocity before and after land reclamation in the Bohai Bay

從圖6可以看出：圍填后，曹妃甸一港池、二港池和三港池附近海域漲急、落急時流速較圍填前均呈現(xiàn)不同程度的減小，減幅大多在0.1～0.3m/s.在圍填外邊界附近原潮流流向改變較大的海域出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，增幅為0.1～0.2m/s.天津港附近海域漲急、落急時流速減小的范圍較大，各功能區(qū)外邊界附近海域減幅為0.1～0.3m/s.流速減幅為0.05～0.1m/s的影響范圍進一步向外海擴展，且落急時的擴展范圍比漲急時大.同時，在南港工業(yè)區(qū)附近海域也出現(xiàn)了流速增加0.1～0.2m/s的情況.黃驊港附近海域漲急、落急時流速變化幅度小于0.15m/s，渤海灣中部海域流速變化小于0.05m/s.

為便于進一步分析，在主要圍填海區(qū)選擇3個特征點C1、C2、C3，具體位置如圖5(a)所示.圖7分別給出了圍填前后3個特征點24h水位、垂向平均流速及其流向變化過程(其他周期的變化過程類似，這里不再重復(fù)顯示).

圖7 渤海灣主要圍填海區(qū)特征點圍填前后水位、垂向平均流速、流向變化過程 Fig.7 Variation of water level，depth-averaged velocity and direction before and after land reclamationat characteristic points of main reclamation areas in the Bohai Bay

如圖7(a)所示C1位置處，圍填后水位、垂向平均流速及其流向的變化較圍填前均滯后1h，而且漲落潮流向也發(fā)生較大改變，由圍填前的WNW-ESE向變?yōu)閲詈蟮腟W-NE向；可見曹妃甸三港池附近形成的半封閉區(qū)域阻擋了漲落潮的原有路徑，圍填后主要通過東北方向的口門進出.路徑的延長導(dǎo)致漲落潮出現(xiàn)滯后，使得圍填外海域分別先于港池達到高潮位和低潮位，從而港池內(nèi)漲潮水位升幅和落潮水位降幅均較圍填前小，因此，高潮位較圍填前減小，低潮位較圍填前增加.位于天津南港工業(yè)區(qū)附近海域的C2位置處〔圖7(b)〕，圍填前后水位、垂向平均流速及其流向變化過程同步，漲落潮流向也一致，說明圍填海并未改變該海域的漲落潮路徑.同時，圍填前后水位在高潮位時差別較明顯，低潮位時差別較小.垂向平均流速在漲急時的差別要大于落急時的差別.位于黃驊港口門附近海域的C3位置處〔圖7(c)〕，圍填前后水位、垂向平均流速及其流向在大部分變化過程中同步，在落潮過程有個別時刻有所差別，特別是圍填后落急時刻較圍填前提前2h出現(xiàn).圍填前后漲落潮流向也一致.同時，圍填前后水位在高潮位時差別較明顯，低潮位時差別較小.

3.1.2 波浪場

分別對2000年2月的波浪有效波高和平均周期計算結(jié)果進行平均.渤海灣圍填前后月均有效波高和平均周期變化圖如圖8所示.結(jié)果表明：渤海灣內(nèi)遠(yuǎn)離圍填區(qū)的大部分海域波浪場變化并不顯著，圍填后，曹妃甸在一港池、二港池及圍填外邊界附近海域月均有效波高較圍填前減小0.1m以內(nèi)，月均周期在一港池、二港池內(nèi)較其他附近海域減小明顯，減幅在0.4s以內(nèi).天津港各港池內(nèi)海域有效波高減幅在0.05～0.15m，月均周期減幅為0.1～0.5s，各功能區(qū)外邊界附近海域減幅在0.05m以下，月均周期減幅在0.1s以內(nèi).黃驊港附近海域有效波高也減小，較為明顯區(qū)域的變化幅度在0.05～0.1m，月均周期的變化幅度在0.1s以內(nèi).綜上所述，由于圍填后建筑物阻礙波浪原有傳播路徑，與圍填前相比，只有部分波浪能量可以通過口門進入港池，從而導(dǎo)致各港池內(nèi)海域波高較圍填前有不同程度的減小.同時，對波浪場的影響局限在圍填海域附近，渤海灣其他海域波浪變化很小.

圖8 渤海灣圍填前后月均有效波高、周期變化圖 Fig.8 Variation of monthly-averaged significant wave height and mean period before and after land reclamation in the Bohai Bay

3.2 波流共同作用下波浪對潮流的影響

除了討論圍填海對渤海灣潮流場和波浪場影響外，本文還分析了波流共同作用下波浪對潮流的影響.先分別對采用FVCOM-SWAN雙向耦合模型計算的2000年2月渤海灣圍填后所有時刻的水位、垂向平均流速和底部切應(yīng)力與僅采用FVCOM模型計算的對應(yīng)結(jié)果進行比較，計算兩者的差值，然后再取其差值極值.

水位差極值結(jié)果如圖9所示.由圖9可知：與不考慮波浪作用時相比，在波流共同作用下，曹妃甸東北部三港池附近海域水位增幅為0.01～0.03m，曹妃甸附近其他海域水位減幅為0.01～0.03m.天津港附近海域除個別港區(qū)內(nèi)水位有所增加外，其余大部分區(qū)域水位減幅為0.02～0.05m.黃驊港附近海域水位減幅為0.02～0.08m，而渤海灣西南沿岸海域水位增幅為0.02～0.07m，這與Song等[20]在該區(qū)域的研究結(jié)果一致.同時，渤海灣中部海域水位差值很小，說明波浪的影響效果較小.

圖9 渤海灣圍填后FVCOM-SWAN模型與FVCOM模型計算水位差極值圖 Fig.9 Peak value of computed water level difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

分別從FVCOM-SWAN模型和FVCOM模型中獲得圖5(a)所示的C1—C3位置處水位結(jié)果，圖10分別給出了C1—C3位置處在以上兩者取差值極值時刻(記為0)前后各12h的水位變化過程.由圖10可見：C1—C3處在波流共同作用和不考慮波浪作用時的水位過程差別很小，局部放大圖顯示了兩者差別的幅度.同時，兩者差別主要發(fā)生在落潮過程.

圖10 渤海灣主要圍填海區(qū)特征點FVCOM-SWAN模型與FVCOM模型計算水位變化過程的比較 Fig.10 Comparison of computed water level seriesfrom FVCOM-SWAN and FVCOM model at characteristic points of main reclamation areas in the Bohai Bay

垂向平均流速差極值結(jié)果如圖11所示.從圖11可以看出，與不考慮波浪作用時相比，在波流共同作用下，渤海灣中部海域垂向平均流速的變化幅度小于沿岸海域.渤海灣中部海域流速減幅在0.01m/s左右，曹妃甸東北部三港池附近海域流速減幅為0.05～0.13m/s，在圍填外邊界附近原潮流流向改變較大的深槽海域流速增加0.05～0.1m/s.天津港附近海域流速變化幅值為－0.05～0.05m/s.黃驊港口門附近流速增大0.05～0.1m/s，而渤海灣西南沿岸大部分海域流速減幅為0.08～0.12m/s.

圖11 渤海灣圍填后FVCOM-SWAN模型與FVCOM模型計算垂向平均流速差極值圖 Fig.11 Peak value of computed vertically averaged velocity difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

綜上所述，與不考慮波浪作用的情況相比，在波流共同作用下，在渤海灣大部分區(qū)域水位和流速均減小，這一結(jié)果的主要原因為波流共同作用導(dǎo)致底部粗糙度增加[21]；而且，兩者減小的幅值呈現(xiàn)渤海灣中部海域小于沿岸海域的現(xiàn)象，可見波流共同作用對渤海灣沿岸海域的影響更為顯著.

底部切應(yīng)力差極值結(jié)果如圖12所示.從圖12可以看出：渤海灣沿岸海域波流共同作用下底部切應(yīng)力較不考慮波浪作用時增幅為0.05～0.15Pa，由于底部切應(yīng)力是海床泥沙運動的主要原因，因而該變化會直接影響該海域床面泥沙的起懸和輸移.渤海灣中部海域底部切應(yīng)力變化較小，減幅在0.02Pa以內(nèi)，從而進一步說明了波流共同作用對渤海灣沿岸海域的影響較為顯著，因此考慮波流共同作用可以更加完整地反映沿岸海域的水動力環(huán)境.

圖12 渤海灣圍填后FVCOM-SWAN模型與FVCOM模型計算底部切應(yīng)力差極值圖 Fig.12 Peak value of computed bottom shear stress difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

4 結(jié) 語

本文基于FVCOM-SWAN雙向耦合模型，對渤海灣圍填前后潮流場和波浪場進行模擬，分析了圍填海對渤海灣水動力環(huán)境的影響，并比較了是否考慮波浪作用對潮流的影響.結(jié)果表明：圍填海對其附近海域水動力環(huán)境的影響較為顯著，而對遠(yuǎn)離其海域的影響較小.在主要圍填海區(qū)，大部分海域高潮位時月均水位較圍填前增加，低潮位時月均水位較圍填前減小.由于曹妃甸東北部三港池附近形成的半封閉區(qū)域阻擋了漲落潮原有路徑，導(dǎo)致漲落潮出現(xiàn)滯后，使得圍填外海域分別先于港池達到高潮位和低潮位，從而月均水位變化與其他海域相反.漲急、落急時，月均垂向平均流速在曹妃甸圍填外邊界附近原潮流流向改變較大的海域、天津南港工業(yè)區(qū)和黃驊港口門附近海域增加，在其他主要圍填海區(qū)減小.對波浪場的影響局限在圍填海域附近，月均有效波高和周期均減小，渤海灣其他海域波浪變化很小.

分別從水位、垂向平均流速和底部切應(yīng)力差極值方面分析了波流共同作用下波浪對潮流的影響.波流共同作用與不考慮波浪作用的情況相比，曹妃甸東北部三港池附近海域、天津港個別港區(qū)以及渤海灣西南沿岸海域水位增加，垂向平均流速減小，其余大部分沿岸海域水位減小，垂向平均流速增加.底部切應(yīng)力在大部分沿岸海域增加.鑒于波流共同作用對發(fā)生圍填海的沿岸海域水動力環(huán)境的影響，因此在關(guān)于圍填海區(qū)域的研究中建議考慮波流共同作用.