圍墾工程群對杭州灣南岸累積水動力影響分析

方 強，黃賽花，許雪峰，王繼保，李東風，謝華偉

(1.浙江水利水電學院水利與環境工程學院，杭州 310018；2.三峽大學水利與環境學院，宜昌 443000；3.自然資源部第二海洋研究所海洋工程重點研究室，杭州 310012)

浙江省灘涂資源豐富，開發利用率較高，其中杭州灣灘涂開發利用率尤為顯著。杭州灣位于浙江東北部，西接紹興市，東連寧波市，北接嘉興市和上海市，具有海域寬闊、潮差大、流速急等特點，為典型的喇叭口海灣。圍墾工程不僅滿足了浙江省日益緊張的土地資源問題，而且有利于浙江經濟快速發展[1]。20世紀70年代至2014年，杭州灣共圍墾851.03 km2，其中20世紀70年代圍墾面積最大，占總圍墾面積的21.33%[2]。

國內外多位學者已運用數值模擬、半理論半經驗等方法從不同角度分析圍墾工程對杭州灣水動力水環境的影響。邵明明等[3]運用FVCOM結合Landsat遙感數據分析2005—2015年圍墾工程對杭州灣潮位、潮流和余流的影響。李莉等[4]建立杭州灣三維水動力數值模型，分析岸線變化對其水動力特征的影響，結果表明岸線縮窄影響分潮振幅、相位及潮汐不對稱等。郜會彩等[5]通過濃度示蹤數學模型分析錢塘江河口水體交換能力，結果表明岸線變化會影響水體交換時間，但不明顯。宋立松[6]根據河床變形方程、最小能耗原理和灰色理論進行錢塘江河口圍墾回淤過程預測。鄒志年等[7]分析圍涂工程建設前后杭州灣無機氮和葉綠素的變化情況。韓曾萃等[8]運用咸水入侵一維數學模型分析大型水庫修建及治江縮窄后咸水入侵的時空變化。葉濤焱等[9]分析潮灘減少對杭州灣懸沙輸移的影響，并基于反演模型探討近30 a岸線變化下杭州灣最大渾濁帶(TMZ)的時空變化特征[10]。潘存鴻等[11]分析圍涂工程對灣內潮差變化影響的內在機理，并以圍涂面積作為定量化指標探討其與海平面上升間的關系。此外，Guo等[12]、謝亞力等[13-14]研究岸線變遷和海床變形對杭州灣風暴潮的影響。曹穎[15]淺析治江縮窄后錢塘江河口下移特性變化。

上述研究主要分析圍墾工程對杭州灣的整體影響程度，而關于累積的圍墾工程對局部區域影響的詳細研究較少。浙江省政府規劃的浙江大灣區“四大新區”中的寧波前灣新區和紹興濱海新區均位于杭州灣南岸。大面積圍墾導致灣內河床束窄，杭州灣水動力條件發生變化，進而影響杭州灣水體交換能力，不利于污染物的擴散，尤其是杭州灣南岸。相關資料表明，南岸沿岸海域水質受圍涂工程等人類活動的影響較大[16]。因此，研究累積的圍墾工程對杭州灣南岸水動力的影響是十分有必要的。本文在前人的基礎上，首次重點分析了近20 a來杭州灣南岸沿岸海域水動力的累積變化。研究結果可為寧波前灣新區和紹興濱海新區的規劃提供參考價值。

1 模型建立及驗證

1.1 水動力控制方程

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

式中：h=η+d，為總水深；η為水位；d為靜止水深；u、v為流速分量；f為科氏力，f=2Ωsinφ；sxx、sxy、syy為波浪輻射應力分量；τsx、τsy為風應力分量；τbx、τby為底部摩擦應力分量；Txx、Txy、Tyy為黏性分量；S為源匯項。

1.2 計算區域及網格

模型上邊界取在錢塘江西興大橋附近，下邊界為蘆潮港-鎮海一線，如圖1所示。1997—2015年間杭州灣岸線復雜多變，采用非結構三角形網格剖分計算域。圍墾區附近海域進行網格加密，遠離工程區海域網格相對稀疏，不同尺度網格之間通過設置實現平滑過渡。計算域內共有19 789個三角形網格單元，10 429個節點，網格大小為0.004～3.3 km2。1997年、2007年和2015年網格數量、大小相同。

圖1 計算區域及測站位置

1.3 初始條件

研究不考慮溫鹽因素影響，因此模型初始條件僅包含水位和流速條件。初始條件對最終計算結果影響不大，但初始條件越精確，模型達到穩定的時間越短。由于缺乏相關資料，初始水位和流速均設為0。

(4)

式(4)中：z為水位，m；u、v為流速分量，m/s。

1.4 邊界條件

上游設定流量邊界，下游設定潮位邊界。根據富春江水電站年平均數據，設定上邊界流量為 952 m3/s。根據蘆潮港、鎮海實測潮位，運用差分器差分得到下邊界潮位值。固壁邊界采用法向零通量條件。不考慮表層風場對杭州灣水動力的影響。

1.5 相關參數設置

1.5.1 干濕水深判別

杭州灣南岸淺灘分布廣，跨度大。漲潮時漫灘，落潮時露灘。干濕水深判別對計算結果和模型穩定性至關重要。采用干濕網格法進行判別，即干水深0.005 m，淹沒水深0.05 m，濕水深0.1 m。

1.5.2 底床糙率

謝才系數、曼寧系數、粗糙高度均可表征底床糙率。選取曼寧系數，根據實測水文資料對模型進行多次率定，取0.017。

圖3 流速、流向驗證

1.5.3 水平渦黏系數

采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky公式計算水平渦粘系數，其值一般為0.25～1.0。經多次率定，取0.28。

1.5.4 科氏力

科氏力取所在海域平均緯度，即φ=27.50°。

1.6 數學模型驗證

選取2012年10—11月杭州灣實測潮位和流速數據進行模型驗證，測站位置如圖1所示，其中 H1～H9為潮流測站，#1～#3為潮位測站。如圖2所示為潮位驗證結果(2012年10月27日—2012年11月1日)，如圖3所示為H1、H2、H3、H7潮流驗證結果(2012年11月1—2日)。由于篇幅有限，只給出潮位測站#3和潮流測站H1、H2、H3、H7的驗證結果?？傮w來說，潮位、潮流計算值與實測值基本吻合，所建數學模型能較好反映杭州灣水動力情況，可用于杭州灣海域相關問題的研究。

圖2 潮位驗證

2 工程前后杭州灣南岸水動力變化分析

2.1 高潮位變化

杭州灣水位高低主要受天文潮、徑流豐枯、河槽平面擺動和人類活動等條件影響[17]。因此研究單因素變化對高低潮位的影響更具可比性。本數值模型中未圍墾海域水深并未改變，能較好地反映因圍墾工程引起的岸線變化對潮位的影響。一般情況下，河口地區圍填海工程建設后單寬流量增加，高潮位有所抬升[18]。

為了更直觀地分析累積的圍墾工程建設前后杭州灣南岸高潮位的變化特征，研究沿杭州灣南岸自西向東依次選取T1～T6共6個特征點，特征點位置如圖4所示。

圖4 特征點位置示意圖

1997年、2007年和2015年杭州灣南岸特征點天文大潮期間高潮位及其變化如表1所示。從表1可以看出，1997—2015年杭州灣圍墾工程的實施會使杭州灣內高潮位抬升，高潮位自西向東呈降低趨勢。特征點T6離灣口較近，該處海域開闊，高潮位變化受圍墾工程影響最小，高潮位最大抬升 0.04 m。1997—2007年間，尖山和上虞圍墾面積較大，其中尖山一側圍墾約52.2 km2，上虞一側圍墾約45.9 km2，尖山至上虞斷面間距收縮劇烈，高潮位抬升尤為顯著。因此1997—2007年間特征點T1、T2高潮位抬升均超過0.3 m，特征點T1高高潮抬升最大。其中2007年特征點T1、T2高高潮與1997年相比分別抬升0.60、0.43 m，高低潮與1997年相比分別抬升0.52、0.31 m。2007—2015年間，圍墾區域主要集中在上虞、余姚和慈溪一側，面積約為260.8 km2。慈溪段岸線向灣內過于凸出，南北兩岸河床斷面距離驟減，特征點T3高潮位抬升最大，2015年特征點T3高高潮與2007年相比抬升0.23 m，高低潮與2007年相比抬升0.19 m。此外，除特征點T5外，高高潮受累積的圍墾工程的影響程度大于高低潮。

2.2 淺灘漫灘流變化

縱觀整個漲落潮流過程可知，漲潮時，東海潮波從計算域東邊界傳入，并沿杭州灣水域向西傳播，落潮時相反。由于尖山下游杭州灣水域相對開闊，潮流表現為旋轉流形式，旋轉方向為逆時針，但旋轉形態相對較弱，旋轉橢圓短軸較小。受岸線及水下地形引導與約束的影響，杭州灣南、北岸流場差異較大。圖5～圖7為1997年、2007年和2015年杭州灣海域天文大潮期間漲、落急流場圖。杭州灣南岸主要以余姚淺灘和庵東淺灘為主，空間跨度大，面積廣。由圖可知，1997年余姚淺灘和庵東淺灘漫灘流特性顯著。1997—2015年間，尖山一側及余姚、庵東淺灘面積變化明顯，對淺灘漫灘流的動力影響較大，漫灘流特性有所減弱。整體來說，近20 a的圍墾工程對杭州灣南岸淺灘漫灘流影響明顯，離南岸較遠海域流場影響不大。

表1 天文大潮期高潮位及其變化

圖5 1997年漲急流場和落急流場

圖6 2007年漲急流場和落急流場

圖7 2015年漲急流場和落急流場

2.3 流速變化

1997—2015年杭州灣圍墾區域主要為淺灘，灣內海域面積驟減，納潮量大大減小，勢必會對杭州灣潮流流速產生影響。研究選取天文大潮期間漲、落急時刻分析累積的圍墾工程對杭州灣南岸近岸海域流速的影響。為便于比較，將年際間的漲、落急流速變化統一呈現于1997年岸線下。如圖8所示，分別為各年份間漲、落急流速對比圖，其中正值表示流速增大，反之則減小。從圖8可知，圍墾區前沿及河道斷面收縮劇烈的河段流速變化較大，其余區域流速變化較小，至灣口處已無顯著影響。由漲急流速變化圖可知，2007年與1997年相比，南岸近岸海域流速有所減小，大部分區域流速減小 0.1～0.4 m/s，極個別區域流速減小超過0.8 m/s以上；2015年與2007年相比，南岸近岸海域流速繼續減小，慈溪-余姚近岸區域減小幅度以0.2～0.4 m/s 為主，而寧波北侖-鎮海近岸海域流速減小甚微。整體來看，1997—2015年杭州灣南岸漲急流速有較為明顯的累積效應。由落急流速變化圖可知，2007年與1997年相比，杭州灣南岸近岸海域流速有所降低，寧波北侖-鎮海近岸稍遠海域流速略微增加，但不明顯；2015年與2007年相比，南岸近岸海域流速繼續減小。整體來看，1997—2015年杭州灣南岸落急流速呈現出大面積累積減小的趨勢。

圖8 漲、落急時刻流速變化

3 結論

運用數值模型模擬1997—2015年杭州灣圍墾前后水動力場，重點分析圍墾工程對杭州灣南岸水動力場的影響，得出以下結論。

(1)1997—2015年間的圍墾工程對杭州灣南岸高潮位影響顯著，特征點高潮位均有顯著抬升。自灣頂往灣口方向，河床斷面間距增大，海域逐漸開敞寬闊，特征點高潮位自西向東呈降低趨勢。

(2)杭州灣南岸以淺灘為主，漲潮時漫灘流顯著。1997—2015年間的圍墾工程對南岸漫灘流影響較大，漫灘流特性有所減弱。

(3)1997—2015年間的圍墾工程導致杭州灣海域面積驟減，對杭州灣南岸近岸海域流速影響較為明顯。南岸大部分近岸海域漲、落急流速均有不同程度的降低，并且南岸近岸海域漲急流速有較為明顯的累積效應。