海岸帶開發對葫蘆山灣水交換能力的影響

摘 要：為評價2000年至2010年海岸帶開發活動對葫蘆山灣水交換能力的影響，本文通過數值模擬方法計算2000年、2005年和2010年葫蘆山灣海域潮流場、納潮量和海灣水交換率的情況。研究表明，2000年至2010年葫蘆山灣岸線減少2.1 km，海域面積減少約14.8 km2；2000年至2005年納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%；2005年至2010年納潮量平均減小了0.11×108 m3，水交換率平均減小了0.05%，說明葫蘆山灣海岸帶開發活動造成海灣納潮量減小，導致環境容量的逐年減少，是海灣污染日益加劇的主要原因之一。

關鍵詞：海岸帶開發 水交換 納潮量 數值模擬

中圖分類號：P748 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0137-03

近年來，遼寧省沿海經濟帶開發建設納入國家戰略，大連長興島沿海經濟區作為遼寧省沿海經濟帶對外開放戰略的重要區域，已進行大規模的開發利用。海岸帶開發活動帶來經濟效益的同時，造成了海灣面積大量減少，生態功能退化，導致海灣資源的嚴重破壞[1]。如何在開發利用的同時減少對周邊海域的影響，更有效的利用和保護海灣資源已顯得十分重要。目前國內外學者對錦州灣、大連灣等區域開展專題研究較多，而針對葫蘆山灣開展研究的較少，如鮑永恩[2]從沉積物重金屬集散特征方面開展研究等，從海灣水動力角度探討海岸帶開發活動對葫蘆山灣水交換能力影響方面未見報道。因此，本文選取2000年、2005年、2010年海岸帶開發活動造成的海灣面積及海岸線的變化信息，通過數值模擬方法計算不同年份海灣水交換的變化情況，分析海岸帶開發活動對葫蘆山灣海域水動力的影響，為海灣資源能夠得到有效整治修復及保護，海岸帶資源得到有效的開發利用提供科學的基礎。

1 數值模型概述

1.1 潮流場數學模型

葫蘆山灣位于遼寧瓦房店市西南渤海海域，為基巖港灣岸。灣口朝向西略偏南，灣口以里呈葫蘆形，水深較淺。本文采用平面二維潮流數學模型進行研究，其基本控制方程如下。

連續方程：

式中：u、v為平均流速在x、y方向的分量；H為水深，H=h+ζ；f為科氏力系數，f=2ωsinφ為地球地轉角速度，φ為緯度；ve為有效粘性系數，ve=vt+v，vt為紊動粘性系數；τbx、τby分別為底部切應力在x、y方向分量。

海灣接納潮水的體積就是該海灣的納潮量[3]，其大小決定海灣與外海的交換強度，反應了海灣的自凈能力。通過計算葫蘆山灣內各個網格的面積以及網格點的高低潮時水位差，得到大潮和小潮高低潮時海灣內可以容納海水的體積差，即可得到海灣的納潮量。計算公式為P=h×S[4]。式中P為平均潮差條件下的納潮量，h為平均潮差，S為平均水域面積（即平均高潮位與平均低潮位水域面積之均值）。

海水交換是衡量某一海域自凈能力的一個主要指標，海水交換能力的強弱，直接決定水體的環境容量[5]。根據流出灣外水質點的個數近似地求出流出灣外的水體積。因此定義潮周期內某一水體與其相鄰水體的凈交換率為：R=（V出/V總）×100%。其中：R為交換率（%）；V總為所劃定的水域的總體積；V出為在一個周期內流出水域之外的凈體積。

1.2 邊界條件

數值計算范圍為葫蘆山灣海域。網格設置為200個×150個；水深由海圖讀取并訂正到平均海平面；時間步長為30 s；Manning系數取0.026；開邊界條件由M2、S2、K1和O1四個分潮調和常數控制；初始水位和流速全部為零。

2 研究方法

本文選取并對比2000、2005和2010年海岸帶開發活動造成的海灣面積及海岸線變化信息，通過數值模擬方法分別計算不同年份海灣潮流場，以說明海岸帶開發活動對葫蘆山灣海域的影響，本文構建兩種研究方案：（1）2000年至2005年海岸帶開發對葫蘆山灣海域的影響（方案A）：采用2000年海灣岸線以及2005年海流邊界計算海灣潮流場、納潮量和水交換率；（2）2005年至2010年海岸帶開發對葫蘆山灣海域的影響（方案B）：采用2005年岸線以及2010年海流邊界計算海灣流場、納潮量和水交換率。

3 結果與討論

3.1 海岸帶開發活動對葫蘆山灣整體影響

統計分析表明2000年至2005年葫蘆山灣岸線長度由72.3 km增加到73.2 km，面積由78.4 km2減少到71.7 km2；2005年至2010年葫蘆山灣岸線長度由73.2 km減小到70.2 km，面積由71.7 km2減少到63.6 km2。

葫蘆山灣模擬站海流均表現為較強的往復性。灣口海流主流向為偏S-N向，灣內主流向為順岸方向。為了詳細說明海岸帶開發活動對海灣潮流場的影響，設定模擬站位（P1位于北側灣口；P2位于南側灣口；P3位于灣內中部；P4位于灣頂中部），根據模擬結果可以發現（表1），2005年P1和P3站位流速增大，P2和P4站位流速減小。其中P3和P4站位流速變化較大的原因是岸線的變化造成流速最大值發生時刻提前了一個小時；2010年各模擬站位均呈現減小的趨勢。

3.2 海岸帶開發活動對海灣納潮量和水交換的影響

葫蘆山灣納潮量和水交換率計算結果見表2，可以發現2005年葫蘆山灣現狀模擬和方案模擬納潮量分別為144.77×106 m3和166.1×106 m3，平均水交換率分別為33.5%和30.35%；2010年葫蘆山灣現狀模擬和方案模擬納潮量分別為134.85×106 m和145.6×106 m，平均水交換率為34.05%和34.1%。

統計結果表明2000年至2005年岸線的變化導致葫蘆山灣納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%。主要是由于近年岸線變化造成海灣面積的減小，直接導致納潮量的減小。而海岸帶的開發主要傾向于截彎取直，造成海灣北側以及灣口與灣內銜接處流速增大，而南側及灣內流速減小。海灣流速總體增大，故而造成海灣水交換率略微增大；2005年至2010年岸線的變化導致葫蘆山灣納潮量平均減少了0.11×108 m3，高潮時水交換率增大1.9%，而低潮時水交換率減小2%，平均減小了0.05%。主要是由于近年岸線的變化，尤其是海灣北側近灣口處，圍填海工程造成海灣灣口減小，從而造成整個海灣流速均呈現減小的趨勢，故而導致納潮量減小，海灣水交換率減小。

4 結論

近十年海岸帶開發活動帶來的經濟效益和發展空間吸引了更多的人們投資并開展生產活動，同時也造成海灣水質環境污染情況日益加劇。根據本文對葫蘆山灣2000至2010年的海岸帶開發活動對海灣影響分析，葫蘆山灣面積在10年內減少了近14.8 km2，岸線減少了2.1 km，其變化在一定程度上改變了葫蘆山灣的海域潮流場。根據2000年、2005年和2010年海域潮流場的模擬結果表明，納潮量呈逐年遞減的趨勢，水交換率略有波動。2000至2005年納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%。2005至2010年納潮量平均減少了0.11×108 m3，水交換率平均減小了0.05%。表明了海岸帶開發活動造成海灣納潮量的減小，海灣的環境容量相應減?。浑m然2000年至2005年海灣內因截彎取直方式的圍填海工程導致水交換率略有增大，但對海灣生態造成了一定的影響，而2005年至2010年灣口的圍填海工程導致了水交換率降低，海灣整體面積減小，造成與灣外海水交換能力減弱，即降低了葫蘆山灣的自凈能力，減少了海灣環境容量，是造成葫蘆山灣水質環境污染逐年加劇的重要原因之一。

參考文獻

[1] 劉偉，劉百橋.我國圍填海現狀、問題及調控對策[J].廣州環境科學，2008，23（2）：26-30.

[2] 鮑永恩，劉娟.葫蘆山灣沉積物中重金屬集散特征及環境背景值[J].海洋環境科學，1995，14（1）：1-8.

[3] 葉海桃，王義剛，曹兵.三沙灣納潮量及灣內外的水交換[J].河海大學學報，2007，35（1）：96-98

[4] 季小梅，張永戰，朱大奎.樂清灣近期海岸演變研究[J].海洋通報，2006，25（1）：44-53.

[5]沈林杰，陳道信，黃惠明.溫州圍墾工程對河口水交換能力的影響[J].海洋學研究，2009，27（4）：72-76.