圍填海工程對半封閉海灣水動力環境的影響

范建磊, 許雪峰, 宋澤坤, 謝中宇, 宋 丹

圍填海工程對半封閉海灣水動力環境的影響

范建磊1, 許雪峰2, 宋澤坤2, 謝中宇2, 宋 丹1

(1. 浙江大學 海洋學院, 浙江 舟山 316021; 2. 自然資源部第二海洋研究所 海洋工程重點實驗室, 浙江 杭州 310012)

為研究圍填海工程對海灣水動力環境的影響, 本文基于二維數值模型MIKE21, 建立了東山灣附近海域的潮流模型。對比觀測數據發現, 大潮期間的最高、最低潮位模擬誤差在6 cm以內, 小潮期間的誤差相對較大; 流速和流向的模擬誤差在9%左右, 最大誤差出現在轉流時刻; 總體來看, 模擬結果與觀測數據吻合良好。在此模型基礎上, 研究了東山灣圍填海前、后潮流動力、水體半交換時間和納潮量等水動力要素的變化。結果表明: 圍填海后大范圍的漲落流態與圍填海前保持一致, 大體上仍然呈現S-N走向, 漲潮流偏N向, 落潮流偏S向, 往復流特征較為明顯; 從局部流場來看, 漲落潮流場發生了一定的變化, 圍填海區域南、北兩側的流矢變化較為明顯, 漲潮流矢由偏N向改為偏E向, 而落潮流矢由偏S向改為偏W向, 同時受到圍填海區域岸線的遮蔽效應, 圍填海南、北兩側水域的流速也有一定減弱, 而西側的流速則有一定增強; 圍填海實施前的水體半交換時間為220.5 h, 實施后時間為239.4 h; 納潮量變化為–2.5%左右。研究表明, 圍填海工程對東山灣水動力環境的影響主要集中在工程區域附近, 其對泥沙沖淤、生態環境等的影響將在后續研究中進一步探討。

圍填海; 半封閉海灣; 東山灣; 水體半交換時間; 納潮量

半封閉海灣是指海灣口門寬度與岸線之比在0.01～ 0.10之間的海灣[1], 由于此類海灣的自身特殊性, 國內外很多學者對其進行了多方面研究。Lee等[2]通過實測水文數據資料, 研究了圍填海工程對韓國安海岸瑞山灣造成的影響; 李希彬等[3]采用三維數值模型FVCOM探討了湛江灣海域的水動力環境, 發現湛江灣內不同區域的水交換能力相差較大, 在出口處能力較強; 張雪松等[4]基于三維水動力數值模型Delft3D, 模擬了唐島灣純凈潮流和波流相互作用下的淤泥灘的演變, 并比較了不同工況下河道懸浮物和沉降和回淤強度, 為該海域海岸帶的合理開發提供了科學的依據; 曾相明等[5]利用POM模型研究了1963—2003年和1963—2010年圍填海工程對象山港水動力環境的影響; 何杰等[6]基于二維潮流數值模型模擬了深圳灣工程前、后潮流的運動, 發現工程的建設對深圳灣海域環境造成的影響主要集中在施工區域附近。隨著沿海地區經濟的飛速發展, 土地資源緊缺, 人類便通過圍填海工程來滿足經濟和社會發展的需求[7]。這在一定程度上緩解了土地供求緊張問題, 獲得了巨大的社會和經濟效益, 但也帶來了生態退化、環境惡化、資源衰退等一系列問題[8-12], 因此研究圍填海工程對海域自然生態化環境造成的負面影響顯得尤為重要。

本文以東山灣為例, 在實測地形和水文數據的基礎上, 采用二維潮流數值模型MIKE21探討了圍填海工程對東山灣水動力環境的影響。東山灣口門寬度僅5 km, 是典型的半封閉海灣, 其地理位置特殊, 自然條件優越, 是福建重要的天然良港, 是發展海上交通、水產養殖、旅游及能源產業的優良場所[13]。灣內海砂資源豐富, 同時古雷半島沿岸非金屬礦產資源豐富, 尤其是硅砂礦, 儲量大、質地好。自20世紀90年代以來, 該海域的圍塘養殖活動日益增多, 岸線也逐漸呈現向外推移的趨勢, 此外還有一些其他圍填海工程對該海域的自然生態環境造成了一定的影響。前人對東山灣水動力環境的研究較少,陳可鋒等[14]通過對實測資料的分析, 研究了八尺門海域的潮汐潮流特征, 同時根據模型結果計算了八尺門海域海堤工程對水道和整個東山灣流場的影響; 梁群峰等[15]利用東山灣水文資料, 分析了其海底沖淤的變化特征, 表明在水動力較弱的區域海底沖淤變化較為明顯; 吳煌榮[16]從沉積動力特征入手, 分析了不同工況對八尺門水道海域環境的影響。隨著該海域圍填海工程的進行, 對其自然生態環境造成的影響研究顯得越來越重要, 而海域水動力狀況在一定程度上能反映該海域水體的自凈和污染物擴散等能力, 所以對圍填海工程前、后該海域水動力環境的研究就尤為重要。本文將從潮流動力、水體半交換和納潮量三個角度來探討圍填海工程前、后東山灣水動力環境的變化, 為工程建設后該海域自然生態環境的維護和修復提供較為科學的依據, 并能夠據此提出一些更有針對性的有效修復措施。

1 實測資料分析

為了解東山灣的水文條件, 分別于2013年9月1日—9月30日、2013年12月20日—2014年1月19日進行了秋、冬季兩次潮位觀測; 于2013年9月6日9時～9月7日11時(秋季大潮)、2013年9月9日8時—9月10日10時(秋季中潮)、2013年9月12日8時—13日10時(秋季小潮)、2014年1月2日9時—3日11時(冬季大潮)、2013年12月30日9時—31日11時(冬季中潮)、2013年12月28日8時—29日10時(冬季小潮)共進行了6個潮次的潮流觀測。潮位及潮流觀測站點的位置如圖1所示。

1.1 潮汐

圖1 潮位、潮流觀測站點示意圖

根據2013年9月和2013年12月—2014年1月兩次實測潮位數據, 統計分析東山灣口的古雷、刺仔尾和東山灣頂的下寨三個潮位站的漲、落潮歷時及主要潮汐特征值, 見表1、表2。由表中可以看出, 下寨站秋、冬季的漲落潮歷時差都小于其他兩站, 三個站的漲潮歷時均大于落潮歷時, 古雷站的歷時差相對較大。在秋、冬季, 下寨站的最高潮位、最低潮位、平均高潮位、平均低潮位、最大潮差和最小潮差均大于古雷站和刺仔尾站。

表1 潮位站漲落潮歷時統計(單位: min)

表2 潮位站主要潮汐特征值(單位: cm)

1.2 潮流

所有潮流觀測站點中, 7#站實測漲、落潮流流速相差較小, 1#、3#、9#、11#站流速為最大, 且落潮最大流速明顯大于漲潮最大流速。觀測期間, 這4站實測最大落潮流速為159 cm/s, 出現在冬季大潮期間, 臨近漳江落潮槽的8#站落潮流明顯大于漲潮流。秋季期間10#站位于分流脊上, 水深較淺, 流速較小, 3個潮次的漲、落潮流最大流速相差不大, 且不超過40 cm/s。冬季該站調整至西南側約1.6 km的水道上, 流速增大, 且落潮流最大流速明顯大于漲潮流最大流速。12#站位于漳江入海口下寨碼頭附近, 離岸邊較近, 實測漲潮流速大于落潮流流速。

1.3 余流

秋、冬季調查期間, 7#站余流流速較小, 秋季最大值為7.1 cm/s, 冬季最大值為13.4 cm/s。秋季調查期間, 灣內徑流作用較冬季強, 從大潮至小潮, 各層余流流向朝逆時針方向偏轉(NNW向至WSW向), 而冬季調查期間各層余流流向偏轉角度較小, 主要集中在偏N向。1#、3#、9#、11#站為調查區徑潮作用最明顯的站位, 兩者此消彼長, 徑流作用強時, 潮流作用就相對減弱, 反之, 潮流作用增強時, 徑流作用就相對減弱。臨近漳江落潮槽的8#站, 余流流速要小于主槽內的4個站, 最大值僅為13.1 cm/s。秋季調查期間10#站水深較淺, 各層余流流速均較小, 最大僅為3.4 cm/s, 流向基本為W-N向。冬季期間該站調整至西南側約1.6 km的主水道上, 流速明顯增大, 且流向均指向落潮方向, 最大余流流速為21.7 cm/s(SSE向)。12#站各層余流流速均較小, 最大僅為8.9 cm/s。

1.4 圍填?；顒雍喪?/h3>

此次圍填海區域位于福建省漳州市漳浦縣古雷半島西面的近岸海域(圖2), 經緯度范圍為23°50′40.58″N～ 23°48′37.17″N, 117°35′42.06″E～117°36′52.34″E。規劃面積9 km2, 其中填海造地6.77 km2(其余為陸地)。此次研究主要選取受圍填海影響較為明顯的潮流要素如潮流流場、納潮量、水交換時間等作為指標。

圖2 圍填海區域位置示意圖

2 建立數學模型

本文采用丹麥DHI公司研發的MIKE21軟件, 它采用非結構三角網格剖分計算域, 網格設計靈活且可隨意控制網格疏密, 可以用來模擬一維河口水動力系統以及二維的沿海區域, 并且能實現一維和二維區域之間自由水體的自由交換, 能夠模擬各種作用力引起的潮位和潮流變化, 從而更準確直觀的模擬復雜的近岸海域。

2.1 控制方程

質量守恒方程:

動量方程:

2.2 模型初始及邊界條件

1) 初始條件:

2) 邊界條件:

開邊界: 開邊界采用潮位預報邊界條件:

式中,0為平均海面,F、(0+)為天文要素,H、g為調和常數。

外海開邊界潮位由16個主要分潮(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1, MU2, NU2, T2,L2, 2N, J1, M1和OO1)調和常數推算得到。

閉邊界:

在閉邊界取流速的法向導數為0, 在潮灘區采用漫灘邊界處理。

2.3 模型配置

1) 大范圍模型

本文建立了大范圍的福建南部海區二維潮流數學模型, 模型東邊界至119.1°E, 西邊界至116.0°E, 北邊界到25.3°N附近, 南邊界到22.8°N附近, 計算區域見圖3。

2) 小范圍計算域

計算域網格采用非結構三角形網格, 通過網格生成模塊, 控制網格疏密及尺度, 在擬建工程海域進行網格加密, 網格尺度最小為10 m左右, 因此可以更好地描繪工程區域的水下地形和海岸線, 同時可以保證精確的計算精度, 在外海區域, 為了提高計算效率, 網格相對稀疏, 為1 000左右。計算區域網格見圖3。

2.4 模型的驗證

在本文中, 采用研究水域的潮位和潮流的實測資料來驗證模型, 以檢驗模型的可靠性。觀測資料包括2013年9月6日9時至7日11時的實測大潮資料, 以及2013年9月12日8時至13日10時的實測小潮資料。水文測站位置如圖4所示。

圖5給出了潮位的驗證結果。從圖中可以看出, 大潮期間最高、最低潮位誤差一般在6 cm以內, 個別誤差在10 cm左右, 誤差相對較小; 相對而言, 小潮期間模擬潮位與實測潮位之間誤差較大, 部分誤差在20 cm左右, 但整體在可接受范圍內; 總體來看潮位的模擬較為理想。

圖6進一步給出了潮流的驗證結果。從漲落急時段的流向變化來看, 往復流特征較為明顯; 各點流向的變化趨勢擬合較好, 在部分轉流和流速較小時刻, 流向跳動幅度較大, 此時流向驗證誤差較大, 各站點流向、流速的誤差統計見表3。從表3中可以看出, 所有站點流向和流速的誤差都相對較小, 大潮和小潮期間二者的誤差大多在7%左右, 少部分轉流和流速較小的時刻誤差相對較大, 但總的來說, 結果與實測數據資料相差不大, 擬合較好。

圖3 大范圍及圍填海局部海域水深、計算網格示意圖

圖4 水文測驗點位置示意圖

從潮位和潮流的模擬結果來看, 模式計算結果能夠較好地反映東山灣海域潮位、潮流的運動特征, 可進一步應用于東山灣海域水動力環境的研究。

3 結果

3.1 圍填海工程前、后模型結果潮流變化分析

東山灣海域主要受到來自臺灣海峽的前進波, 該波動在沿福建沿岸傳播過程中傳入東山灣并影響其水動力環境, 潮流形態以往復流為主, 如圖7所示。研究海域外側近岸海域漲潮流路主要受福建和臺灣沿海岸線的控制, 大體上呈WS-EN走向。大范圍漲潮流偏EN向, 落潮流偏WS向, 漲落潮流路清晰, 往復流特征明顯。

圖8給出了圍填海工程前、后東山灣海域漲、落潮流的流場變化情況, 從圖中可以看出: 漲潮時, 來自臺灣海峽的漲潮流沿古雷半島南段進入東山灣, 由于東山灣灣口相對狹窄, 漲潮流相對集中, 流速較大。漲潮流進入到東山灣后由于受到整體呈S-N走向的岸線控制, 東山灣內漲潮流整體上表現為S-N走向。圍填海海域位于東山灣東側, 同樣受到岸線控制, 往復流特征較為明顯, 漲潮流偏N向, 落潮流偏S向, 漲落潮流路清晰。同時由于東山灣灣內水深較淺, 尤其是灣頂, 大都為淺灘, 圍填海區域水深也較淺, 因此圍填海局部海域潮流動力較弱, 漲、落急流速在0.3 m/s左右。

圖5 潮位驗證

圖6 流向、流速驗證

表3 各站點流向、流速驗證誤差統計

圖9給出了圍填海工程前、后局部區域的漲、落潮流場變化情況, 圖10給出了漲潮、落潮和全潮流速的變化值及變化率, 從圖中可以看出: 從工程區域整體上來說, 圍填海導致周邊海域漲、落潮流速變化表現為有增有減:

(1) 圍填海對工程區域南北兩側海域潮流的遮蔽作用比較明顯, 漲潮動力減弱, 因此工程區域南北兩側水域均表現出不同程度的減小, 北側水域漲潮平均流速減小范圍在0.02～0.05 m/s, 漲潮流速減小率是5%～20%; 其南側水域漲潮平均流速減小范圍是0.04～0.14 m/s, 漲潮流速減小率為10%～70%。

工程區西側水域, 由于工程在一定程度上減小了研究海域的過水斷面, 尤其是西北側堤頭還對漲潮水流起到了一定的挑流作用, 流速有所增大, 平均流速增大0.02～0.06 m/s左右, 增大率為10%～ 30%。

(2) 工程區南北兩側水域落潮流速均表現出不同程度的減小, 工程區北側水域落潮平均流速減小范圍是0.03～0.06 m/s, 落潮流速減小率為5%～30%; 其南側水域落潮平均流速減小范圍是0.04～0.17 m/s, 落潮流速減小率為10%～70%; 工程區西側水域落潮流速有所增大, 平均流速增大0.02～0.08 m/s左右, 增大率為10%～40%。

(3) 與漲落潮動力變化一致, 全潮平均流速減小的區域主要集中在工程區南北兩側與岸線所形成的潮流陰影處; 平均流速增大的水域集中于圍填海西側。其北側水域全潮平均流速減小范圍在0.03～ 0.06, 減小率在5%～30%; 其南側水域全潮平均流速減小范圍在0.04～0.17 m/s, 流速減小率在10%～70%; 西側水域, 全潮平均潮流速增大0.02～0.08 m/s, 增大率在10%～40%。

總體來說, 圍填海工程對全潮平均流速的影響范圍在工程區域周邊5 000 m范圍以內, 變化較大的區域主要集中在工程區域附近。

3.2 納潮量變化影響分析

由低潮到高潮港灣所能容納海水的數量稱為納潮量, 它是海灣開發價值和生命力的一個重要參數[11]。

本文納潮量采用以下公式計算:

=1/2(1+2)(1–2), (6)

式中,為納潮量,1為高潮水域面積,2為低潮水域面積,1為高潮高,2為低潮高。

利用潮流數學模型, 計算在大潮汛時刻由最低潮漲到最高潮過程中通過斷面的水體體積, 則為海灣的納潮量。本次研究在東山灣灣口處布置一條能夠封閉東山灣的斷面, 同時在中間以及灣頂處布置類似的斷面, 斷面示意圖如圖11所示。

圖7 大范圍海域漲(a)、落急(b)表層流場

圖8 圍填海海域漲、落急流場(圍填海前、后)

圖9 圍填海局部漲、落急流場(圍填海前、后)

計算結果如表4所示, 可見, 本次圍填海對東山灣的納潮量影響為–2.5%左右, 但對圍填海區以北納潮量的影響較小, 納潮量的損失主要是由于圍墾造成灘涂減少引起的。

3.3 海灣水體交換影響

水體交換能力是評價海灣環境容量和環境質量的重要指標, 交換能力的強弱直接關系到海灣的水質狀況。本文采用Luff等提出的半交換時間, 即某海域保守型物質濃度降為初始濃度一半所需的時間作衡量研究區域水體交換能力的指標[18-19]。

式中,為示蹤劑濃度,為水深,k、k為水平紊流擴散系數。

選取東山灣為計算區域(圖11), 模擬該計算域內的水體與外部水體交換情況。假設計算域外水體為新水, 計算域內水體為原水, 濃度初始值為1, 東山灣灣外水域濃度初始值為0。漲潮時, 計算域外的水流入計算域內, 計算域內的原水和進入的新水混合; 落潮時, 計算域內原水與新水的混合水隨落潮流帶出計算域。濃度統計取樣點如圖12中所示(白點)。

圖11 計算納潮量斷面設置

計算結果顯示: 圍填海實施前的水體半交換時間為220.5 h, 實施后的水體半交換時間為239.4 h, 可見圍填海實施后半交換時間較圍填海之前增加約18.9 h。

4 結論

本文利用平面二維數值模型MIKE21, 對東山灣海域圍填海工程前、后水動力環境變化進行了研究, 主要從潮流動力、納潮量和半水體交換時間三個角度對其進行了分析, 結論如下:

表4 東山灣斷面納潮量計算結果

圖12 水體交換計算示意圖

(1) 圍填海工程后局部漲、落潮流場發生了一定的變化。圍填海實施后, 圍填海區域南、北兩側的流矢變化較為明顯。由于受到圍填海區域南、北兩側東西走向岸線的影響, 這兩個區域漲潮流矢由圍填海前的偏N流向改變為圍填海后的偏E流向, 而落潮時刻流矢由圍填海前的偏S流向改變為圍填海后的偏W流向。受到圍填海區域岸線的遮蔽效應, 圍填海區域南、北兩側水域流速也有一定的減弱。圍填海海域西側受到圍填海西側圍堤影響, 漲、落潮流矢更加平直且集中, 流速有一定的增強。

(2) 此次圍填海工程對東山灣的納潮量影響為–2.5%左右, 但對圍填海區域以北納潮量的影響較小, 同時對東山灣底部紅樹林區域的納潮量影響也較小。納潮量的損失主要是由于圍墾造成的灘涂減少引起的。

(3) 該圍填海工程在一定程度上減弱了東山灣和外海的海水交換能力, 圍填海工程實施后海水的交換程度沒有圍填海實施前海水交換充分。

通過對東山灣海域圍填海工程前、后潮流動力、納潮量和半水體交換的研究, 發現本次圍填海工程對海灣總體的流場影響多集中在圍填海工程區域附近; 工程對全潮平均流速的影響范圍在圍填海區域周邊5 000 m范圍以內; 同時, 對東山灣海域的納潮量影響在–2.5%左右, 減弱了海灣水體的交換能力。研究表明此次圍填海工程對東山灣海域水動力環境造成的負面影響主要集中在工程區域附近, 這為工程建設后該海域自然生態環境的維護和修復提供了較為科學的依據, 并且可以據此提出一些針對性的有效補救措施。本文未考慮工程的建設對周邊海域沖淤環境和懸浮泥沙擴散等方面的影響, 該部分工作有待進一步研究。

圖13 東山灣灣內保守型物質的表征濃度分布

致謝: 感謝張俊彪、鞏明、俞亮亮等提出的寶貴意見。

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Hydrodynamical influence of reclamation projects in a semi-closed bay

FAN Jian-lei1, XU Xue-feng2, SONG Ze-kun2, XIE Zhong-yu2, SONG Dan1

(1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 2. Key Laboratory of Offshore Engineering, Second Institute of Oceanography, MNR, Hangzhou 310012, China)

Based on a two-dimensional numerical model - MIKE21, tides and tidal currents in the semi-enclosed Dongshan Bay was simulated to study on the hydrodynamical influence of reclamation projects in the bay. By comparison to observations, errors in simulated highest and lowest tidal levels are within 6 cm during spring tide, while those during neap tide are relatively larger. Errors in simulated flow velocity and flow direction are around 9%, with the maximum mainly occurs at the turning moment of tidal current. Overall, model results are well agreed with the field observations. Therefore, the tidal hydrodynamics, the water’s semi-exchange time and the tidal prism in the Dongshan Bay before and after the reclamation projects were numerically compared based on the well verified model. Results show that the general type of tidal current after the reclamation stays in consistent with that before the projects. Tidal current still flows along south-north direction, with flood flows northward and ebb flows southward. The reciprocating characteristic is obvious. From the local flow field, there has been a certain change in the ebb and flow field, especially the tidal currents on the south and north sides of the reclamation area. The flood flows change from the northward to the eastward, while the ebb flows change from the southward to the westward. At the same time, due to the shadowing effect of the shoreline in the reclamation area, the flow velocity around the south and north sides of the reclamation is also weakened, while the flow velocity on the west side is enhanced to some extent. The water’s semi-exchange time before the reclamation is 220.5h, and the time afterwards is 239.4h. The change of the tidal prism is about –2.5%. The study found that the impact of the reclamation project on the hydrodynamic environment of Dongshan Bay is mainly concentrated in the vicinity of the project area, and its impact on sediment erosion and deposition, ecological environment, etc. will be further explored in subsequent research.

reclamation; semi-enclosed bay; Dongshan Bay; water semi-exchange time; tidal prism

Jun. 24, 2020

[National Natural Science Foundation of China, No. 41876089; The Bureau of Science and Technology of Zhoushan-Zhejiang University City- School Joint Project, No. 2018C81032]

P731

A

1000-3096(2022)06-0001-14

10.11759/hykx20190624001

2020-06-24;

2020-07-12

國家自然科學基金項目(41876089); 舟山市科技計劃項目——浙江大學海洋學院專項(2018C81032)

范建磊(1992—), 山西五臺人, 碩士研究生, 主要從事水動力數值模擬研究, E-mail: 498105161@qq.com; 許雪峰(1981—), 通信作者, 浙江安吉人, 教授級高工, 博士, 主要從事海洋資源開發與保護, E-mail: xuxuefeng1981@163.com

(本文編輯: 叢培秀)