圍填海工程對半封閉海灣水動力環境影響分析
——以大鵬灣內圍填海工程為例

岳青華，丁 聰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

21世紀以來，我國沿海地區通過圍填海形成大量土地以緩解土地資源稀缺和經濟快速發展之間的矛盾。但由于長期以來的大規模圍填海活動，濱海濕地大面積減少，自然岸線銳減，對海洋和陸地生態系統造成損害。隨著“生態用海、集約用海”等科學用海理念的推廣，近年來，國家采取了一系列圍填海管控措施，旨在杜絕一切違法違規使用海域的行為，減輕圍填海的負面影響。國內外眾多學者也進行了一系列研究，從岸線變化[1]、潮流形態[2,3]、納潮量、水交換、濕地環境及生態環境[4,5]等多角度分析圍填海活動對海陸的影響。

半封閉海灣是指海灣口門寬度與岸線長度之比在0.01～0.1之間的海灣[6,7]。圍填海工程對半封閉海灣的直接影響是海灣的納潮量減小[8]，帶來的間接影響為該海灣水動力環境減弱，污染物輸移擴散速度減慢，泥沙淤積加劇等不利因素。因此，國內學者對半封閉海灣的沖淤演變、水動力[9-14]、水交換[15,16]等方面較為關注。

本文以大鵬灣為研究對象，在實測地形資料和水文測驗資料的基礎上，采用二維潮流數學模型，探討在半封閉海灣內進行圍填海工程對海灣水動力的影響，對大鵬灣的開發利用具有一定的參考價值。

1 二維潮流數學模型

1.1 控制方程

采用MIKE 21 Flow Model_FM HD模塊搭建二維潮流數學模型。該模型采用的潮流控制方程為垂向平均的二維淺水方程[17]：

(1)

(2)

(3)

1.2 邊界條件

本次外層模型南邊界和東邊界為開邊界，給定潮位過程，邊界潮位來自MIKE中模塊自帶的全球潮汐預報模型里的潮位。內層模型為大鵬灣模型，該模型南邊界采用外層模型提供的潮位過程。

1.3 計算范圍及地形

本次外層模型西至越南，東至臺灣省和菲律賓，南至中沙群島。內層模型范圍包括整個大鵬灣，其南邊界位于大鵬灣灣口，長約10 km，其邊界條件可由外層模型提供。模型網格逐層加密，工程區外網格尺寸較大，單元格邊長約500 m，工程區網格較密，單元格邊長約50 m。模型網格節點數為16 561 個，單元總數為31 486個，工程位置、計算范圍、網格劃分及地形分別見圖1、圖2。

圖1 工程位置圖Fig.1 Location of the project

圖2 大鵬灣模型計算范圍Fig.2 Calculating scope of the Mirs Bay model

2 模型驗證

利用工程海域臨時潮位站L1、L2和鹽田潮位站的實測潮位資料對模型進行率定，利用工程海域6個潮流測點(1號～6號)的實測潮流資料對模型進行率定，驗證時間：大潮時段為2017年9月21日(農歷八月初二)15時至9月22日(農歷八月初三)17時。模型潮位和潮流驗證結果見圖3和圖4。由驗證結果可得，該水動力數學模型和實測值基本吻合，數學模型能夠反映計算區域的水動力特征，能夠用于工程前后水動力變化計算。

圖3 各潮位站大潮潮位驗證圖(2017年9月22日)Fig.3 Verification of tidal level of spring tide

圖4 各潮流測點大潮流速流向驗證圖(2017年9月22日)Fig.4 Verification of current velocity and direction of spring tide

3 水動力環境影響分析

3.1 潮流場影響分析

根據數模計算結果，由于圍填海工程尺度相對大鵬灣水域面積來說較小，與工程實施前相比，工程實施后，大鵬灣內大、小潮流態整體沒有發生明顯變化，即本工程實施對大范圍流場影響甚微，對流場的影響僅局限于工程局部范圍內。提取工程及附近海域工程實施前后大潮期間漲、落潮急時刻流速，并用工程后流速減去工程前流速，得到工程實施前后工程海域及附近漲、落潮急時刻流速變化圖(圖5)。由圖5可見，大潮段，漲急時刻流速變化幅度較大，最大變幅為0.10 m/s左右。流速減幅較大的范圍主要發生在圍填海工程的北側，漲潮期從大梅沙灣匯入港區口門的潮流由于受到圍填海工程的阻流作用，圍填海工程北側發生較大程度的流速減小，流速減幅在0.01～0.10 m/s之間，越接近圍填海工程，流速減小越為明顯。由于工程北側的阻流，潮流繞流沿漁港防波堤與工程東側進入口門的潮流匯合，流速加大，流速增幅最大位于漁港防波堤東側，達到0.10 m/s。落急時刻，流速變化較漲潮時段變幅小，最大變幅僅為0.06 m/s左右。由于圍填海工程的存在，對流出港區口門的潮流有阻礙作用，使進入大梅沙灣的水流流速減緩，一定程度上阻隔了港區與大梅沙灣水體之間的直接交換。

3.2 納潮量影響分析

為了分析工程實施對相關海域納潮量的影響，特選取4個典型斷面(圖6)，即黃竹角咀-秤頭角斷面1、吉澳島-背仔角斷面2、正角咀-背仔角斷面3和吉澳島-中港區斷面4，分別分析計算工程前后大范圍、中等范圍、大小梅沙和沙頭角海潮量變化情況。

由數模計算可得，工程實施后，吉澳島-背仔角斷面2大潮漲潮量減小147.13 萬m3，減幅約2.82%，大潮落潮量減小143.33 萬m3，減幅約2.85%，小潮漲潮量減小123.31 萬m3，減幅約2.89%，小潮落潮量減小135.87 萬m3，減幅約2.90%；吉澳島-中港區斷面4大潮漲潮量減小58.41 萬m3，減幅約2.08%，大潮落潮量減小61.26 萬m3，減幅約2.16%，小潮漲潮量減小35.97 萬m3，減幅約1.90%，小潮落潮量減小36.88 萬m3，減幅約1.65%。由以上分析可以看出，工程實施后，導致本海域納潮量減小，降低了本海域的水體自凈能力。

圖5 工程實施前后大潮漲、落急時刻流速變化圖Fig.5 Change of current velocity before and after the implementation of the project

圖6 斷面位置示意圖Fig.6 Location of the sections

3.3 水交換影響分析

在MIKE 21 Flow Model_FM HD模塊中加入TR模塊搭建二維水質數學模型。由二維水質數學模型結果分析得到，區域Ⅰ西部沙頭角及鄰近海域和區域Ⅱ大、小梅沙海域(圖7)污染物平均濃度隨時間的變化過程見圖8。

圖7 區域I和區域II研究區位置圖Fig.7 Location of research area

圖8 區域Ⅰ、區域Ⅱ污染物平均濃度隨時間變化過程線Fig.8 Time-varying process of average pollutant concentration

從圖8可以看出，工程實施前、后關注區域污染物平均濃度都隨著時間的推移呈現出整體下降趨勢。從平均濃度變化過程線可知，西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)內工程前污染物平均濃度在905 h(約37.7 d)后恒小于0.5，可以認為西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)水體工程前的半交換周期為37.7 d；西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)內工程后污染物平均濃度在932 h(約38.8 d)后恒小于0.5，可以認為西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)水體工程后的半交換周期為38.8 d。大、小梅沙海域(區域Ⅱ)水體工程前的半交換周期為9.2 d；大、小梅沙海域(區域Ⅱ)水體工程后的半交換周期為11.3 d。由此可知，工程實施后，西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)和大、小梅沙海域(區域Ⅱ)水體交換能力有所減弱，水體半交換周期分別增加約27和49 h。

4 結 語

通過模型計算結果分析，鹽田港東港區圍填海工程實施后，對大鵬灣海域及工程周邊海域水動力環境造成的影響主要包括以下幾個方面。

(1)工程實施后，大潮段，漲急時刻的流速變化幅度較大，最大變幅為0.10 m/s左右。流速減幅較大的范圍主要發生在圍填海工程的北側，漲潮期從大梅沙灣匯入港區口門的潮流由于受到圍填海工程的阻流作用，圍填海工程北側發生較大程度的流速減小，流速減幅在0.01～0.10 m/s之間，越接近圍填海工程，流速減小越為明顯。由于圍填海工程的存在，對流出港區口門的潮流有阻礙作用，使進入大梅沙灣的水流流速減緩，一定程度上阻隔了港區水體與大梅沙灣水體 之間的直接交換。

(2)工程實施將會導致工程及附近海域納潮量減小。吉澳島-中港區斷面4大潮漲潮量減幅約2.08%，大潮落潮量減幅約2.16%，小潮漲潮量減幅約1.90%，小潮落潮量減幅約1.65%，降低了本海域的水體自凈能力。

(3)大鵬灣屬于弱潮海灣，水動力較弱，水體半交換周期長，特別是港區及西部的沙頭角海域水體交換能力更弱，西部沙頭角及鄰近海域(區域Ⅰ)水體工程前的半交換周期為37.7 d，工程后半交換周期為38.8 d，工程實施會該海域水體半交換周期增加約27 h；大、小梅沙海域(區域Ⅱ)水體工程前的半交換周期為9.2 d，工程后半交換周期為11.3 d，工程實施會該海域水體半交換周期增加約49 h。