港口工程影響下萊州灣西南側海域水動力演化特征

劉　瀟，馮秀麗，劉　杰

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港口工程影響下萊州灣西南側海域水動力演化特征

劉瀟1，2，馮秀麗2，劉杰3

（1.中國海洋大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學 海地科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100； 3.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

摘要：河流輸沙、水深地形演變、大型海洋工程的建設均會對海洋水動力產生明顯影響。本文基于MIKE21數值模型，對不同時期水深岸線條件下萊州灣西南側海域的水動力演變特征及濰坊港建設對水動力的影響進行研究。結果表明，1984～2007年，黃河現行河口東南側高流速區位置向SE向移動，萊州灣灣口及西南側海域流速增大，增大幅度在10 cm/s左右。濰坊港10 km引堤工程的建設導致引堤端頭處流速增大10～20 cm/s，引堤兩側流速減小15～20 cm/s，流向偏轉量在10°～40°； 濰坊港擴建工程的建設導致防波堤端頭處流速增大5～20 cm/s，兩側海域流速減小5～20 cm/s，流向偏轉5°～20°。黃河口沙嘴的形成對其南側海域形成有效掩護，而濰坊港工程的建設對其兩側海域起到一定的掩護作用，導致該海域有效波高顯著減小，水動力強度減弱。

關鍵詞：海洋水動力； 數值模擬； 港口建設； 萊州灣南岸

［Foundation： Marine Commonweal Scientific Research Foundation，No.201005009］

河口海岸帶是人類活動相對密集、經濟相對發達的地區［1］，據統計，世界上67%的大中城市和60%的人口集中在沿海地區。河口海岸帶地區又是海陸交互作用相對集中的地帶［2］，海岸地貌在波浪、潮汐、海流等相互作用下，各種過程相互耦合多變，海岸地形地貌及海洋動力環境演變機制復雜。近年來日益增加的河口海岸帶開發利用活動對海洋水動力環境的改變具有重要作用［3］，如圍填海工程、海洋堤壩、海上采砂等。因此，研究人類活動對河口海岸沉積動力環境的影響，尤其是分析海洋工程建設對海洋水動力環境的影響成為沿海國家和地區的重要課題。

本文基于收集的實測潮流數據和不同時期的水深岸線資料，利用目前已廣泛應用［4-6］的 MIKE21數值模型，對研究區不同時期的潮流和波浪特征進行模擬，研究港口工程影響下萊州灣西南側海域的海洋水動力環境演變特征及濰坊港建設對其的影響。對保護周邊海洋環境、合理開發和利用海洋資源具有一定的理論和實際意義，為今后該類型海域海洋工程的選址和海洋環境保護等提供科學依據。

1　研究區概況

1.1自然環境概況

研究區位于萊州灣西南側海域，受淄脈溝、小清河、白浪河、濰河等入海河流反復淤積、堆砌的影響［7-8］，該海域形成了典型的粉砂質海岸，海底地勢平坦，自西南向東北逐漸降低，起伏較小，水深等值線走向與岸線基本平行。

研究區屬暖溫帶半濕潤季風性氣候［9］，多年平均風速為3.1 m/s，主導風向為SSE向，出現頻率為10%，強風向為NE向。潮汐類型以不正規混合半日潮為主［10］，漲潮流主流向為SW向，落潮流主流向為NE向。波浪以風浪為主，常浪向為N向，出現頻率為21.22%，次常浪向為NNE向，出現頻率為16.14%，強浪向為NNE向［11-12］。潮流屬于正規半日潮流，以往復流為主，落潮和漲潮平均流速相差不大，余流較小（一般小于5.5 cm/s）［13］。

1.2濰坊港概況

濰坊港位于萊州灣南側近岸海域，港區自 1996 年5月開工建設，至1997年8月，10 km引堤基本建成，并在引堤端頭西側建成 5 000 t級碼頭。1998～2007年，濰坊港岸線形態基本沒有發生變化，2007 年 4月開始，濰坊港周邊海域人工構筑物明顯增多，在10 km引堤的基礎上，建成了雙堤環抱、單一口門的港口布局（圖1）。目前濰坊港已順利完成了沿海防護堤港區工程段、兩道防波擋沙堤、萬噸級航道、西疏港公路路堤及萬噸級碼頭工程的建設，成為萊州灣南岸最大的港口工程。

圖1　研究區位置及濰坊港概況Fig.1　Location of study area and general situation of Weifang port

1.3實測潮流特征

本文收集了W1和W2站2007年10月26日～27日、B1～B4站2007年11月10日～11日的25 h連續實測潮流數據，實測潮流觀測點位置及潮流玫瑰圖見圖2。

從圖 2中可以看出，各實測潮流站位均表現出較強的往復流特性，潮流流向受岸線走向影響較大。其中，萊州灣西側 B1和 B2站的主流向為 WNW～ESE向，濰坊港北側的B3、B4及W1、W2站的主流向為WSW～ENE向。漲潮流主流向均為向岸方向，落潮流主流向為離岸方向。

根據實測潮流資料，實測最大流速為73.4 cm/s，出現在B1站，對應流向為121.1°。漲潮流流速與落潮流相差不大，漲潮流略大于落潮流。萊州灣西側的 B1、B2站大潮期潮周期內的平均流速在 35.3～42.3 cm/s，濰坊港北側的B3、B4及W1、W2站大潮期潮周期內的平均流速在22.6～35.6 cm/s。

潮流運動形式主要表現為往復流形式的半日潮流。根據實測潮流數據，各站位潮流的旋轉方向有所差別，位于萊州灣西側開闊海域的B1、B2站潮流的旋轉方向為順時針； 位于濰坊港北側的 B3、B4及W1、W2站潮流的旋轉方向為逆時針，其中小清河口附近的B3站表現出較強的旋轉流特性。

圖2　研究區各站位實測潮流玫瑰圖Fig.2　Observed tidal current at different stations

2　潮流數值模擬

2.1模型參數及驗證

MIKE21 Flow Model FM采用可隨意控制疏密的非結構三角網格剖分計算域，采用標準 Galerkin有限元法進行水平空間離散［14］，能夠較好的適用于岸線狀況復雜的近海區、河口區等。陳雪峰等［15］、王萬戰等［16］、陳昊等［17］對模型的建立、控制方程、輸入參數等均做了詳細闡述。

本文基于MIKE21 Flow Model FM數值模型研究靜風條件、港口工程影響下萊州灣西南側海域潮流演變特征。不同時期數值模型的水深岸線數據分別采用萊州灣海圖（11840，1984年測量，1986年 12月出版，比例尺1︰15萬； 11840，萊州灣膠萊河口以西海域的岸線及水深資料為2002年測量，2005年10月出版，比例尺1︰15萬）、萊州灣濰坊港及附近海圖（31501，岸線及水深資料為2007、2008年測量，2008 年11月出版，比例尺1︰3萬）及實際水深測量資料。

利用研究區大潮期實測海流資料對模型進行驗證，驗證點位置見圖 2，以距離濰坊港較遠的 B1站和較近的W2站為例，流速和流向驗證結果如圖3所示。驗證結果表明，數值模擬結果與實測數據吻合良好，本文建立的水動力數值模型能夠較好地反映研究區海域潮流特征。

圖3　B1、W2站流速、流向驗證曲線Fig.3　Verification of current speed and direction at the B1 and W2 stations

2.2研究區流場特征（1984年）

1984年研究區海域大潮期潮流特征如圖4所示，漲潮中間時潮流由灣外流向灣內，灣口處流向為SSW向，向灣內運動過程中，流向逐漸變為SW向。黃河自1976年改道清水溝流路入海，至1984年已在河口處形成向東突出的沙嘴，受水下三角洲影響，附近海域潮流流向發生偏轉并形成高流速區，最大流速為0.84 m/s，流速隨著水深的增加逐漸減小。落潮中間時，潮流由灣內向灣外流動，流向為 NNE～NE向，黃河口附近海域潮流繞過沙嘴向灣外流動，高流速區的最大流速為0.96 m/s。

2.3研究區流場特征（2002年）

2002年萊州灣西南側海域大潮期潮流特征如圖5所示，黃河河口處已形成向東南方向突出的巨大沙嘴，受其影響附近海域潮流流向發生明顯偏轉并在沙嘴東南側形成高流速區，最大流速約為 1.0 m/s。落潮中間時，高流速區的最大流速為 1.2 m/s，其他區域流速普遍介于0.2～0.8 m/s。受濰坊港10 km引堤工程的影響，萊州灣南側近岸海域潮流特征發生變化，引堤端頭處流速增大 10～20 cm/s，引堤兩側（特別是東側）附近海域流速減小15～20 cm/s。

2.4研究區流場特征（2007年）

2007年萊州灣西南側海域大潮期潮流特征如圖6所示。與 2002年相比，研究區潮流變化主要出現在濰坊港附近海域。受濰坊港擴建工程的影響，環抱式防波堤堤頭處流速增大5～20 cm/s，港口工程兩側（特別是東側）附近海域流速減小 5～20 cm/s； 另外，濰坊港附近海域流向發生明顯偏轉，環抱式防波堤堤頭處流向順時針偏轉約 5°～20°，港口工程兩側流向普遍發生逆時針方向偏轉，偏轉量介于5°～20°。

圖4　1984年萊州灣西南側海域大潮期潮流特征Fig.4　Current characteristics of the study area during spring tide in 1984

圖5　2002年萊州灣西南側海域大潮期潮流特征Fig.5　Current characteristics of the study area during spring tide in 2002

2.5潮流演變特征分析

2002年與1984年大潮期漲潮中間時的流速、流向變化對比如圖 7所示。流速變化圖中正值代表流速增大，負值代表流速減小； 流向變化圖中，正值代表順時針方向旋轉，負值代表逆時針方向旋轉。與1984年相比，2002年研究區潮流演變特征主要表現在以下幾個方面：

1）與1984年相比，2002年黃河入海口附近形成巨大沙嘴，岸線向東南推進約18 km。受此影響，黃河三角洲附近海域潮流流速、流向均發生了較大改變，流向發生逆時針方向偏轉，沙嘴北側海域偏轉量約為 20°～40°，南側海域偏轉量在 0°～200°。受黃河入海口沙嘴的影響，高流速區的位置向SE方向發生移動，流速較1984年增加約20～40 cm/s，黃河三角洲附近海域流速減小約0～30 cm/s。

2）黃河清水溝流路沙嘴的形成，使得萊州灣灣口寬度變窄。與1984年相比，2002年黃河口至屺姆島之間的距離減少近20 km，萊州灣灣口束流現象增強，灣口一線海域流速增大約 10 cm/s左右； 同時，萊州灣西南側海域流速普遍比1984年稍大。

3）濰坊港附近海域潮流特征發生改變，濰坊港10 km引堤堤頭處流速增大約10～20 cm/s，兩側流速減小約0～15 cm/s，工程周邊附近海域潮流流向發生順時針偏轉，偏轉量約為10°～40°。

圖6　2007年萊州灣西南側海域大潮期潮流特征Fig.6　Current characteristics of the study area during spring tide in 2007

圖7　2002年與1984年漲潮中間時流速（a，單位： m/s）、流向（b，單位： °）變化量分布圖Fig.7　Contrast of current velocity（a）in meters per second and direction（b）in angle degrees at flood level between 1984 and 2002

與2002年相比，2007年萊州灣西南側海域潮流特征主要在濰坊港附近海域發生了變化。2007年與2002年大潮期漲潮中間時流速、流向變化對比如圖8所示。濰坊港工程對附近海域潮流特征的影響主要集中在工程區附近海域，與2002年相比，環抱式防波堤堤頭處流速增大5～20 cm/s，港口工程兩側（特別是東側）附近海域流速減小5～20 cm/s； 環抱式防波堤堤頭處流向發生順時針偏轉，偏轉量約為5°～ 20°，港口工程兩側流向發生逆時針偏轉，偏轉量在5°～20°。

綜上所述，濰坊港位于萊州灣西南側近岸海域，潮流流速較小，水動力條件較弱，又由于漲落潮流流向與港口的延伸方向基本一致，因此濰坊港工程對水動力的影響主要集中在工程區周邊海域，對其他海域影響較小。

3　波浪數值模擬

波浪是近岸海域較為活躍的沉積動力因素，在向近岸傳播過程中受水深與地形的影響，出現反射、繞射、破碎等現象，波長、波向、波高等會發生改變，進而造成海底泥沙的起動搬運及岸灘的沖淤演變。

萊州灣波浪主要受季風控制，以風浪為主［18］，本文運用 MIKE21 SW模型對研究區風生波浪進行模擬，計算了不同岸線條件、不同風向作用下研究區的波浪特征，定性分析港口建設、岸線演變對附近海域波浪的影響程度和范圍。

由于研究區常風向為SSE向、強風向為偏N向，本文分別模擬了濰坊港建設前（1984年）和建成后（2007年）岸線條件下，SSE和NW向大風（8級風）作用24 h后的波浪特征。成導致其南側海域有效波高顯著減小，而濰坊港工程的建設對防波堤東側海域有較好的掩護作用，有效波高明顯減小。

圖8　2007年與2002年漲潮中間時流速（a，單位： m/s）、流向（b，單位： °）變化量分布圖Fig.8　Contrast of current velocity（a）in meters per second and direction（b）in angle degrees at flood stage between 2002 and 2007

3.2SSE向大風作用下波浪特征

3.1NW向大風作用下波浪特征

NW 向大風作用下研究區有效波高分布特征如圖9所示，最大有效波高為2.3 m，主要分布在研究區東北側開闊海域，有效波高隨著水深的變淺而逐漸減小，近岸海域有效波高普遍小于0.3 m。與1984年相比，2007年黃河三角洲沙嘴及水下三角洲的形

SSE向大風作用下研究區有效波高分布特征如圖10所示，最大有效波高為1.95 m，主要分布在萊州灣灣口附近海域，自灣口向灣內有效波高逐漸減小，近岸海域有效波高普遍介于 0～0.3 m。與 1984年相比，2007年黃河三角洲沙嘴南側海域以及濰坊港工程防波堤西側海域有效波高顯著減小。

圖9　NW向大風作用下研究區有效波高分布圖Fig.9　Distribution of significant wave height under the impact of northwesterly wind（20 m/s）

綜上所述，在NW向和SSE向大風作用下，萊州灣近岸淺水海域有效波高普遍較小。黃河水下三角洲及河口沙嘴的形成對其南側海域有一定的掩護作用；另外，由于濰坊港的主體走向與本文模擬的風向近乎垂直，濰坊港工程建設對這兩種風向下波浪的影響程度和范圍較大，導致港口兩側海域有效波高明顯減小。

4　結論

與1984年相比，2002年黃河口附近海域水深岸線、流速、流向發生了較大改變，高流速區位置向東南方向移動，萊州灣灣口及萊州灣西南側海域流速增大約10 cm/s； 濰坊港10 km引堤端頭處流速增大10～20 cm/s，引堤兩側附近海域流速減小15～20 cm/s，流向偏轉量在10°～40°之間。

圖10　SSE向大風作用下研究區有效波高分布圖Fig.10　Distribution of significant wave height under the impact of south-southeasterly wind（20 m/s）

2007年濰坊港擴建工程對附近海域潮流的影響主要集中在工程附近海域，環抱式防波堤堤頭處流速增大5～20 cm/s，工程兩側附近海域流速減小5～20 cm/s，流向偏轉量在5°～20°之間。

在NW向和SSE向大風作用下，萊州灣近岸海域有效波高普遍較小，黃河口沙嘴的形成對其南側海域形成有效掩護，濰坊港工程則對其兩側海域起到一定的掩護作用，使有效波高減小，水動力強度減弱。

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Received: Oct.9，2014
Key words: hydrodynamic environment； numerical simulation； harbor construction； southern Laizhou Bay
Abstract: Large-scale marine construction has a significant effect on the hydrodynamic environment in adjacent waters.In this paper，we report the results of our study of the hydrodynamic evolution of Laizhou Bay and the impact of Weifang port construction on the hydrodynamic environment.We used the MIKE 21 two-dimensional，depth-integrated hydrodynamic model.We found that，from 1984 to 2007，the position of a high-velocity zone located in the southeast side of the modern Yellow River estuary moved to the southeast，while the flow velocity of the mouth and the southwest side of Laizhou Bay increased by about 10 cm/s.Due to construction of the 10-km embankment of Weifang port，the flow velocity increased by 10?20 cm/s at the end of the causeway and decreased by 15?20 cm/s on both sides of the causeway.The flow velocity increased by 5?20 cm/s at the end of the breakwater and decreased by 5?20 cm/s on both sides of the port project due to the Weifang port expansion project.The formation of the Yellow River spit played a shielding role in the south-side water，and the construction of Weifang port played a shielding role in the water on both sides，leading to reduction of significant wave height.

（本文編輯： 李曉燕）

Hydrodynamic evolution characteristics of southwest Laizhou Bay under the effect of port construction

LIU Xiao1，2，FENG Xiu-li2，LIU Jie3
（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques，Ocean University of China，Qingdao 266100，China； 3.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

中圖分類號：P736.2； P75

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）03-0138-08

doi：10.11759/hykx20141009001

收稿日期：2014-10-09； 修回日期： 2014-12-10

基金項目：海洋公益科研專項（201005009）

作者簡介：劉瀟（1985-），女，內蒙古包頭人，博士后，主要從事海洋沉積與工程環境方面研究，E-mail： liuxiao_0000@sina.com； 馮秀麗，通信作者，教授，主要從事海洋沉積與工程環境方面研究，E-mail：fengxiuli@ouc.edu.cn