大連灣岸線變遷對海域水動力環境的影響

陳靜，王永學（.大連理工大學　海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧　大連　6024；2.南昌工程學院　水利與生態工程學院，江西　南昌　330099）

大連灣岸線變遷對海域水動力環境的影響

陳靜1，2，王永學1
（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024；2.南昌工程學院水利與生態工程學院，江西南昌330099）

基于1979-1988年、1989-1998年、1999-2009年3個時段的數據資料，對大連灣海域面積和岸線長度的變化進行了統計，給出了30年間大連灣海域面積和岸線長度的變化速率。采用MIKE21軟件的HD模塊建立了潮流場模型，得到了對應不同時段的潮流場。通過對模擬結果的對比分析得出30年間的圍填海工程對大連灣灣口水動力條件的影響很小但對灣頂的水動力條件的影響十分顯著。灣頂潮流流速的明顯減小，不利于灣頂的水質交換。

大連灣；圍填海；水動力；數值模擬

大連灣位于遼東半島南端，其地理坐標為38° 54′12″-39°03′18″N，121°34′48″-121°49′41″E。大連灣是一個半封閉型的天然海灣，三面為陸地所環抱，僅東南面與黃海相通。據中國海灣志編篡委員會（1991）的資料，全灣總面積174 km2，其中0 m等深線以下水域面積約為164 km2，曲折岸線長約125 km，是典型的基巖港灣式海岸。灣口有三山島屏障，灣頂從西南往東北方向分布有3個內灣，分別是臭水套、甜水套和紅土堆子灣。

大連灣作為東北地區重要的金融和商務中心，近年來因城市發展空間的拓展，在灣內開展了大面積的圍填海工程，使得灣內海域面積減小，尤其是自然岸線大量消失。狄乾斌等（2010）統計了大連市圍填海工程1990-2000年和2000-2005年新增填海面積和岸線改變情況；馬軍（2009）統計了2005-2007年大連市圍填海面積；王偉偉等（2010）通過提取遙感圖像的圍填海信息統計了遼寧省1990-2009年圍填海面積和海岸線變化情況，指出錦州灣、普蘭店灣、大小窯灣和大連灣是主要填海區，其中大連灣海域面積 1990年為166.99 km2，2009年減小為154.55 km2。目前王諾等（2012），丁冉（2012），劉仲軍（2012）等學者研究填海工程對周邊海域水動力環境的影響大多是針對某一個項目實施前后進行模擬和對比分析，單一項目填海面積小，影響的范圍也相對較小。大連灣海域30多年以來，灣內進行了數十個單一項目填海工程，這種長期累積的填海活動對水動力條件的影響尚未得到定量的研究。本文從海灣面積減少量，岸線變化情況和海域水動力環境3個方面定性和定量的分析了大連灣30年間圍填海工程帶來的海域環境變化。

1　大連灣海域岸線變遷

圖1　1979-2009年間大連灣圍填海范圍與分布示意圖

本文研究范圍以圖1中線段AB為灣口的大連灣海域，其中：A點的地理坐標為121°43′6″E，38°54′2″N，B點的地理坐標為121°50′16″E，38° 59′34″N，灣口線段AB長度約為11 664 m，與N向夾角64°。數據資料來源主要有1984年、1992年、2000年、2010年、2013年編號11381的海圖，比例1∶40 000。其中1984年版海圖測量時間以1979年為主，1992年版海圖測量時間以1988年為主，2000年版海圖測量時間以1998年為主，2010年版海圖測量時間以2009年為主，最新的2013年版海圖中對岸線附近未展開新的測量工作。根據歷年海圖資料更新時間以10年左右為時長設定了3個時段來研究海域岸線變遷：1979-1988年，1989-1998年，1999-2009年時段。

本文主要從海域面積計算與岸線提取兩個方面進行數據處理，并分時間段統計。以1979年海圖中岸線為比較的基礎，將岸線總長度L分為自然岸線長度Z和人工岸線長度R。其中，人工岸線長度R的統計主要包括六段：大連港一段、臭水套灣內三段、紅土堆子灣內一段、大孤山灣內一段，其余岸線為自然岸線長度Z。將1979年海圖岸線與1988年海圖岸線疊加，得到由圍填海工程所產生新的陸域面積A（圖1中的綠顏色填充區域）；將1988年海圖岸線與1998年海圖岸線疊加，得到由圍填海工程所產生新的陸域面積B（圖1中的粉顏色填充區域）以1979-1988年的時段為例，將1998年海圖岸線與2009年海圖岸線疊加，得到由圍填海工程所產生新的陸域面積C（圖1中的藍顏色填充區域）。在確定了不同時段由圍填海工程所產生新的陸域面積的基礎上，通過統計分析得到不同時段因圍填海工程所導致的岸線變化情況。以1979-1988年的時段為例，在新增了陸域面積A的同時，原有岸線減小了L1，新增人工岸線R2。其中：減少的岸線L1包括減少的自然岸線Z1和減小的人工岸線R1兩部分（L1=Z1+R1）。分別統計L、Z、R（1979年的數據）和L1、Z1、R1、L2 （1988年的數據），可計算1988年自然岸線長度Z'=Z-Z1，人工岸線長度R'=R-R1+R2。依次可計算出1998年、2009年新增海域面積和岸線變化，數據統計見表1。

表1　大連灣海域面積與岸線統計匯總表

圖2為依據表1的綜合統計分析結果繪制的1979-2009年間大連灣海域面積與海岸線長度變化曲線。由圖2可見：大連灣海域面積呈現不斷減少的趨勢，并且減少速度不斷加快。以1979年海域面積和岸線長度為基準，2009年海域面積已經減少了13.56%，海岸線減少了10.79%。1979-1988 年10年間，圍填海工程集中在臭水套灣內，基本以平推填海形式為主（見圖1中的綠顏色填充區域，海岸線略有減少）；1988-1998年10年間甜水套灣內的棉花島角與黃娘角間填海工程、紅土堆子灣內兩處填海工程和大孤山灣附近的填海工程產生了向海突起的平面形式（見圖1中的粉顏色填充區域），海岸線增加了近10 km；1998-2009年10年間在甜水套和紅土堆子灣內的圍填海工程基本采用平推形式（見圖1中的藍顏色填充區域），海岸線減少了21 km。大連灣自然岸線的減小速度卻十分的驚人，在1979年自然岸線占整個岸線的70.06%，到了2009年自然岸線長度減少了66.15 km，只有1979年岸線長度的17.84%；此次統計分析結果說明：大連灣填海活動近年來十分的劇烈；岸線人工化已十分嚴重。

圖2　1979-2009年間大連灣海域面積與海岸線長度變化曲線

2　潮流場數值模擬

2.1數學模型

潮流模型的控制方程為垂向平均的連續方程和運動方程：

式中，z為水位，即自由海面到靜水面的距離；u，v分別是x，y方向上的垂線平均流速分量；h為水深，即靜水面到海底的距離；H為總水深，即自由海面到海底的距離，H=h+z；f為柯氏系數，f=2ωsin φ，ω為地轉角速度，φ為地理緯度；g為重力加速度；τbx和τby為x，y方向的底床剪切應力；Ax和Ay為渦動粘滯系數。

2.2模型邊界與驗證

潮流場數值計算采用丹麥DHR研發的MIKE21軟件中的HD模塊進行。計算區域見圖3，計算區域邊界的4個角點的地理坐標分別為：NW邊界點（121°34′E，38°52′35″N），SW邊界點（121°34′E，38°48′24″N），NE邊界點（122°2′E，39°4′12″N），SE邊界點（122°2′E，38°48′24″N）。區域南北距離45km，東西距離30km。潮流場模型在2010年海圖地形（以2009年測量地形為主）的基礎上建立，采用非結構化網格，三角形單元總數為32 035個，網格節點總數為61 827個。灣外網格尺度控制在250m以內，灣內網格控制在150 m以內。圖4為圖3所示矩形框位置的模型網格剖分圖。圍填海工程使得大連灣的內陸河口全部填實無徑流流出，故進行模型邊界條件設定時忽略徑流量。通過2009年的水文資料進行數學模型的校對驗證，確定計算區域開邊界處的S2、M2、N2、K1、O1，5個調和常數。模型驗證采用圖5所示大連灣灣內1#、2#、3#驗證點的實測資料進行驗證。模型驗證以3#為例，潮位、流速、流向驗證結果見圖6，模擬的2009年大連灣大潮漲潮時的流速矢量場見圖7。

圖3　2009年大連灣潮流模型計算區域示意圖

圖4　模型網格剖分圖

圖5　驗證點位置示意圖

圖6　3#大潮時段潮位（a）、流速（b）、流向（c）對比結果

圖7　2009年大連灣大潮漲潮流速矢量場示意圖

基于1984年海圖地形（測量時間以1979年為主）建立相同區域的模型，見圖8。模型三角形單元總數為34 376個，網格節點總數為66 502個，并采用與2009年相同的調和常數來模擬同潮條件下因岸線和地形變化產生的潮流變化并做對比分析。

3　潮流場模擬結果分析

圖8　1979年大連灣潮流模型計算區域示意圖

本次研究針對1979年與2009年份不同海底與陸域的邊界條件，選取相同的海域邊界點，對相同大潮期24 h潮流場進行模擬，進而得出30年的圍填海工程對潮流場的影響。圖9為1979年與2009年的海域范圍及潮位/潮流對比點示意圖，圖中的黑色區域為1979年至2009年大連灣填海區域，圖中的P1點-P4點為選取的潮位/潮流對比點位置，其地理坐標為P1（121°46′42″E，38°55′27″N）；P2 （121°41′35″E，38°59′32″N）；P3（121°36′58″E，38°56′43″N）；P4（121°39′18″E，39°0′14″N）。鑒于紅土堆子灣人工圍填海過程中產生了一條長2 000 m，寬300~500 m左右的“瓶頸”，使得原岸線改變很大，故增加了P5-P14號點如圖9所示，其中灣頂的P14的地理坐標為P14（121°43′14″E，39°1′38″N）。

圖9　1979年與2009年海域范圍及潮位/潮流對比點示意圖

3.1潮位變化分析

圖10為同潮條件下1979與2009年大連灣漲急水位對比圖，圖例顯示顏色間的水位差值是0.015 m；圖11為同潮條件下1979與2009年大連灣落急水位對比圖，圖例顯示顏色間的水位差值是0.02 m，圖12為1979-2009大連灣灣口-灣頂水位變化對比圖。通過圖10至圖12的對比分析得30年間的灣口的潮位變化幅度在0.15~0.02 m范圍內，圍填海工程對大連灣灣口的潮位變化產生影響較小。

3.2潮流流速變化分析

圖13為同潮條件下1979與2009年灣口P1點與灣內P2點的流速/流向對比圖。在同潮條件下，由P1點潮流流速、流向的對比可得出大連灣灣口1979年與2009年潮流模擬的結果基本相同；由P2點潮流流速、流向的對比可得出離開填海區域一定距離的大連灣內的潮流流速、流向的變化也比較小，說明近30年間大連灣的圍填海工程對灣口的潮流場基本沒有影響，對灣中影響也不大。

圖10　同潮條件下1979與2009年大連灣漲急水位對比圖

圖11　同潮條件下1979與2009年大連灣落急水位對比圖

圖12　1979年與2009年大連灣灣口-灣頂水位變化對比圖

圖13　1979年與2009年灣口P1點與灣內P2點的流速/流向對比圖

大連灣的3個內灣是圍填海工程的集中區域，也是潮流場變化最大的區域。通過同潮模擬的測點數據分析，這3個內灣的平均流速都有大幅度減少，并且從內灣灣口向內灣灣頂流速逐漸降低。從圖14中的模擬結果可以看出2009年臭水套灣內點P3、甜水套灣內點P4、紅土堆子灣內點P14流速比1979年同點小很多。經統計得1979年3個點的平均流速分別為=0.079，=0.056，=0.097；2009年3個點的平均流速分別=0.016，= 0.019，=0.025；3個灣頂的平均流速分別縮小為1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。說明3個內灣灣頂的水體交換能力減弱，污染物不易擴散，會在很大的程度上影響到灣頂的水質環境。

圖14　1979年與2009年灣內P3、P4、P14點的流速/流向對比圖

此外，需要指出的是圖9中紅土堆子灣灣頂P14處流向變化明顯，這是現有的圍填海工程平面形態對灣內流場產生強烈干擾的結果：詳見圖9紅土堆子灣內水域范圍縮小，原有寬敞水域變成瓶頸型通道，故潮流流向改變明顯。從紅土堆子灣內測點平均流速變化圖15中知P5到P8點2009年的平均流速比1979年減小的比例不斷增加，表明該區圍填海工程對灣內流速影響大于灣口；2009年模擬結果中“瓶頸”處P9到P12點間的平均流速遠大于灣頂和灣口等其他區域的平均流速，該處易產生沖刷同時會造成周邊小流速區域泥沙的淤積。

圖15　1979年與2009年紅土堆子灣內P5-P14點流速對比圖

4　結論

（1）大連灣海域面積與海岸線在近30多年間減少速度不斷加快。以1979年的海域面積與海岸線長度為基準，至2009年的30年間海域面積已減少了13.56%，自然岸線長度減少了66.15 km，從占整個岸線的70.06%減小到17.84%，岸線人工化已十分嚴重。

（2）潮流場數值模擬結果顯示，大連灣的潮位并未受到海域面積減小的影響。在大連灣灣口附近潮流流速流向沒有變化；離填海區域有一定距離的灣內的流速流向變化不明顯。

（3）大連灣灣頂的臭水套、甜水套和紅土堆子灣是填海工程的密集區，流場改變顯著。同潮模擬條件下，現階段3個灣頂的平均流速分別縮小為1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。3個灣頂的流速減小，減弱了水體的交換能力，污染物不易擴散，會在很大的程度上影響到灣頂的水質環境。關于水體交換問題，魏慶菲（2009）曾做了大連灣水體交換能力的計算，流速減小對水質環境變化的影響需要進一步定量化研究。

（4）紅土堆子灣灣內的圍填海工程產生了一個“瓶頸”型通道，灣內的水動力環境發生了明顯改變。“瓶頸”處的平均流速遠大于紅土堆子灣內其他區域平均流速，流速大的地方易產生沖刷，同時周圍流速小的區域易造成泥沙的淤積，人為的使海底泥沙處于不穩定狀態，大連灣內泥沙的輸移情況可參見孫麗（2014）研究結果。在進行圍填海工程平面設計時應避免產生“瓶頸”形態，將圍填海工程對水沙環境的影響降到最低。

狄乾斌，韓增林，2010.大連市圍填海活動的影響及對策研究，海洋開發與管理，25（10）：122-126.

丁冉，2012.大連凌水灣填海工程對海洋環境的影響研究，碩士論文，大連：大連海事大學：19-29.

劉仲軍，2012.圍填海工程對天津海域水動力環境影響的數值分析，水道港口，33（4）：310-314.

馬軍，2009.大連圍填海工程對周邊海洋環境影響研究.碩士論文.大連：大連海事大學：31-34.

施野，張國安，2015.近50年長江口南、北港及附近分汊型河槽的演變，海洋通報，34（3）：260-266.

孫麗，2014.波流共同作用下大連灣海床沖淤變化的數值研究，中國水運，14（4）：91-93.

王諾等，2012.大連海上機場人工島建設對區域水動力及海床沖淤影響分析，水運工程，4：5-11.

王偉偉，2010.遼寧省圍填海海洋開發活動對海岸帶生態環境的影響，海洋環境科學，29（6）：927-929.

魏慶菲，2011.岸線變化對近岸水環境影響的研究，碩士論文，大連：大連理工大學：58-63.

中國海灣志編篡委員會，1991.中國海灣志-第一分冊（遼東半島東部海灣），北京：海洋出版社：250.

（本文編輯：岳心陽）

Effects of the coastline changes on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay

CHEN Jing1，2,WANG Yong-xue1
（1.StateKey Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China）

This paper has done maritime area and coastline length statistics and presented the rate of maritime area and coastline length change in the thirty years,based on the data of the Dalian Bay during three sections,including 1979-1988, 1989-1998,1999-2009.Using HD modules of MIKE21,it has built tidal numerical simulation models to obtain the tidal current field corresponding to different periods.Through the contrast analysis of the result of numerical simulation,we conclude that the land reclamation has little impact on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay,but at the top of the bay,the impact is significant.The tidal current velocity has been reduced obviously at the top of the bay,which is not conducive to the water exchange at the top of the bay.

Dalian Bay;reclamation;hydrodynamic;numerical simulation

陳靜（1980-），女，博士生,講師，主要從事海岸工程與海洋環境科學方面的研究。電子郵箱：3026490@qq.com。

TV143；O242.1

A

1001-6932（2016）03-0351-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.014

2015-04-09；

2015-06-29

中國自然科學創新研究群體基金 (51221961)。