山東裕龍島跨河道工程對沉積動力環(huán)境影響研究

王超，姜勝輝，王世臣，李春川

1. 中國海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心，青島 266100

2. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，青島 266100

3. 中國科學(xué)院海洋研究所，青島 266071

工程建設(shè)對海洋環(huán)境的影響一直備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。海岸工程建設(shè)往往會改變海岸形態(tài)，引起海域水動力環(huán)境的改變。Kassas[1]認為海岸工程的建設(shè)會導(dǎo)致所在海域潮流、潮位、波浪等水動力條件發(fā)生變化。Byun 等[2]認為韓國海岸工程的建設(shè)導(dǎo)致附近海域潮汐特征發(fā)生顯著變化。Rtimi 等[3]探討了世界第二大潮汐電站的建設(shè)對法國蘭斯河口水動力特征的影響，認為工程建設(shè)不會導(dǎo)致潮流特征大范圍改變，僅在工程附近水域有較大變化，防波堤堤頭水域由于挑流作用流速增大，其余區(qū)域流速普遍減小。海岸工程建設(shè)會阻隔沿岸泥沙輸運，破壞海岸抵抗海洋災(zāi)害的能力[4]。Ranasinghe 等[5]認為海岸防波堤的建設(shè)對岸線附近海域的沖淤環(huán)境和地貌演變產(chǎn)生了較大影響。Neumann 等[6]認為過多的海洋工程建設(shè)甚至?xí)鹑蚝Ｆ矫嫔仙推渌卮髽O端事件。規(guī)劃建設(shè)良好的海岸工程又會有效地減小波浪效能，保護港口和海岸[7-8]。圍填海工程的建設(shè)會造成海域面積減小，直接導(dǎo)致納潮量減少[9-10]，影響水交換[11]，進而影響海洋生態(tài)環(huán)境。Rusdiansyah 等[12]利用數(shù)值模擬研究了雅加達灣海堤的建設(shè)對海灣納潮量的影響。Barnes 等[13]認為人工島的建設(shè)會改變原有海域的地形條件，直接影響附近海域的海洋生態(tài)環(huán)境。人工修復(fù)岸線會增強水交換能力[14]，減輕海洋污染。

裕龍島位于山東省龍口市龍口灣南部海域[15]（圖1），填海面積35.23 km2，建設(shè)7 個離岸式人工島。前人對裕龍島也做了很多研究，劉金鵬等[16]運用MIKE21 軟件對裕龍島及附近海域的波浪場和水動力場進行了模擬研究；費成鵬等[17]利用MIKE21數(shù)學(xué)模型模擬了裕龍島建設(shè)前后的潮流、波浪、納潮量及水交換率等水動力特征，探討了人工島群建設(shè)對龍口灣水動力環(huán)境的影響；劉星池等[18]利用MIKE21 軟件模擬了裕龍島不同建設(shè)方案對龍口灣潮流變化和海底沖淤演變的影響。然而，前人的研究多集中于較大型的海灣或者開闊區(qū)域的大型工程，研究方向也主要集中于潮流場、波浪場等水動力方面，對于人工島等大型工程內(nèi)部跨河道工程建設(shè)對沉積動力環(huán)境影響的系統(tǒng)研究很少。因此，本文針對山東裕龍島內(nèi)部跨河道工程的建設(shè)對沉積動力環(huán)境的影響進行了較為全面的研究。

圖1 裕龍島地理位置圖Fig.1 Location of the Yulong Island

裕龍島內(nèi)部各人工島之間有多條水道與外側(cè)海域相通，為了裕龍島項目的后續(xù)發(fā)展，需要建設(shè)跨河道工程，解決各人工島之間的連接問題。跨河道工程建設(shè)方案分為橋梁方案和管涵方案兩種。建設(shè)橋梁對區(qū)域海洋環(huán)境影響較小，但是建設(shè)成本高，施工難度較大；建設(shè)管涵成本低，難度小，但是對海洋環(huán)境影響較大。基于工程建設(shè)實際考慮，在環(huán)境可接受范圍內(nèi)，盡可能建設(shè)管涵。因此，需要對比分析不同建設(shè)方案對沉積動力環(huán)境的影響。本文利用研究區(qū)附近海域的潮位潮流、水深地形、表層沉積物、衛(wèi)星影像、海圖等資料，運用數(shù)值模擬的方法，主要從水動力、地形地貌沖淤、水交換等方面研究了裕龍島內(nèi)部12 個跨河道工程不同組合方案對沉積動力環(huán)境的影響，為跨河道工程建設(shè)提供技術(shù)支撐，為裕龍島工程的后續(xù)建設(shè)和海洋環(huán)境保護提供理論依據(jù)[19-20]。

1 研究區(qū)及工程概況

龍口灣是屺坶島連島沙壩圍成的一個次生海灣，為萊州灣的一個附屬海灣[21]，整體地勢東南高、西北低，地貌主要為沖洪積平原或淺海平原，海岸類型主要為基巖海岸或砂礫質(zhì)海岸[22]，灣內(nèi)水深除航道外普遍小于10 m[23]。灣內(nèi)表層沉積物粒徑較細，主要以粉砂和砂為主[24]。潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日潮流為主，潮流運動形式主要為往復(fù)流[25]。

裕龍島內(nèi)部3 條主水道分別為緯一河、經(jīng)一河、經(jīng)二河，水道寬度為40～400 m，平均水深約4 m，共需要建設(shè)12 個跨河道工程，即緯一河跨河道工程1、2、3，經(jīng)一河跨河道工程4、5、6、7、8，經(jīng)二河跨河道工程9、10、11、12（圖2）。截止2021 年底，緯一河通道3、經(jīng)一河通道6 和經(jīng)二河通道10 均已建成臨時道路，并且埋設(shè)管涵。橋梁方案建成橋面寬度約15 m，橋墩直徑約1 m，根據(jù)水道寬度建設(shè)橋墩數(shù)量不等；管涵方案建成路面寬度約15 m，管涵直徑約1 m，統(tǒng)一埋設(shè)4 根管涵。

圖2 跨河道工程位置圖Fig.2 Location of the cross-river project

2 建設(shè)方案

基于工程建設(shè)對沉積動力環(huán)境和水交換等方面產(chǎn)生的影響[26-27]，選取4 種不同組合建設(shè)方案進行數(shù)值模擬。

方案1：所有跨河道工程全部建設(shè)管涵；

方案2：經(jīng)一河跨河道工程建設(shè)橋梁，其余建設(shè)管涵，即通道1、2、3、9、10、11、12 建設(shè)管涵，通道4、5、6、7、8 建設(shè)橋梁；

方案3：現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上，緯一河跨河道工程1、2 建設(shè)管涵，其余建設(shè)橋梁，即通道1、2、3、6、10 建設(shè)管涵，通道4、5、7、8、9、11、12 建設(shè)橋梁；

方案4：經(jīng)一河、經(jīng)二河跨河道工程建設(shè)橋梁，緯一河跨河道工程建設(shè)管涵，即通道1、2、3 建設(shè)管涵，通道4、5、6、7、8、9、10、11、12 建設(shè)橋梁。

3 研究方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

本研究采用MIKE21 模型中的水動力模塊、泥沙輸運模塊和對流擴散模塊，對研究區(qū)海域的潮流場、地形地貌沖淤和水交換進行數(shù)值模擬[28-31]，共進行兩個時間段的模擬計算，分別為2017 年5 月1—31 日和2018 年5 月1—31 日。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計算域，采用標準Galerkin 有限元法進行水平空間離散，時間上采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程[32]。模型計算域范圍為遼寧登沙河和山東雞鳴島兩點以及岸線圍成的北黃海及渤海海域，并對裕龍島附近海域進行局部加密（圖3），最小空間步長約6 m。

圖3 網(wǎng)格分布及驗證點位置Fig.3 Grid distribution and tidal verification sites on tidal level (red dots) and tidal current (blue triangles)

水深地形選取2005 年以來中國人民解放軍海軍航海保證部制作的1∶100 萬海圖（10011 號），1∶15 萬海圖（ 11370 號、 11570 號、 11710 號、11770 號、 11840 號、 11910 號） ， 1∶2.5 萬海圖（11891 號）及2018 年中國海洋大學(xué)在裕龍島附近調(diào)查的水深地形測量資料，岸界依據(jù)2014—2017 年的衛(wèi)星影像資料確定。根據(jù)中國海洋大學(xué)2018 年在裕龍島附近海域調(diào)查的表層沉積物資料和歷史表層沉積物調(diào)查資料，確定沉積物類型、性質(zhì)、粒度特征等相關(guān)參數(shù)。風資料參照龍口氣象站2002—2006 年每日資料統(tǒng)計，確定該區(qū)各向風出現(xiàn)頻率輸入模型進行計算。

3.2 水交換計算方法

假定在水道附近海域有同樣的溶解態(tài)保守污染物，使水體中污染物質(zhì)的濃度達到某一個特定的量值Wc，且初始時刻均勻分布在附近水域內(nèi)，假設(shè)水邊界入流時給定這種物質(zhì)在開邊界的濃度為0，計算出不同時刻此種物質(zhì)的濃度值W，進而通過以下公式計算不同時刻被區(qū)外海水置換的比率（也即水體交換率），來對比不同建設(shè)方案裕龍島內(nèi)部水道的水體凈化能力[11,33-36]。

式中，n為水體交換率，Wc為原有的污染物濃度值，W為每一時刻水體中的污染物濃度值。

本文選取裕龍島內(nèi)部河道及其周邊2 km 左右范圍內(nèi)海域作為水交換計算區(qū)域（圖2）。

4 結(jié)果

4.1 模型驗證

利用大連、旅順、鲅魚圈、曹妃甸、大口河、濰坊港、北隍城、八角、煙臺港、龍口港等10 個潮位站歷史觀測資料經(jīng)調(diào)和分析后[37]，選用M2、S2、K1、O1四個分潮的調(diào)和常數(shù)預(yù)報出大潮期的潮位與計算結(jié)果進行驗證；同時選用中國海洋大學(xué)2017 年5 月10—11 日在研究區(qū)附近進行的2 個站位（C4、C6）潮位現(xiàn)場觀測資料進行驗證。驗證結(jié)果表明，對應(yīng)觀測點上潮位模擬結(jié)果與實測潮位資料基本吻合。

采用中國海洋大學(xué)于2018 年5 月18—19 日在研究區(qū)附近進行的2 個站位（D1、D3）和2017 年5 月10—11 日（大潮）在研究區(qū)附近進行的6 個站位（C1、C2、C3、C4、C5、C6）共27 小時海流同步連續(xù)觀測資料與計算結(jié)果進行驗證。驗證結(jié)果表明，對應(yīng)觀測點上的潮流流速流向模擬結(jié)果與實測潮流資料基本吻合，能夠較好地反映研究區(qū)周邊海域潮流狀況。限于篇幅限制，本研究僅列出距離研究區(qū)較近的站位潮位驗證曲線（C6、龍口港，圖4）和潮流驗證曲線（D3、C6 站位，圖5）。

圖4 潮位驗證曲線Fig.4 Tidal level validation curve

圖5 潮流驗證曲線Fig.5 Tidal current validation curve

采用中國人民解放軍海軍司令部航海保證部出版的龍口港2002 年海圖和1992 年海圖水深地形資料進行對比分析，計算典型斷面水深年變化量（圖6），將工程建設(shè)前的年模擬沖淤變化量與海圖水深變化量進行對比，驗證沖淤數(shù)值模型的準確性[38]。結(jié)果顯示，除了M-M′斷面5.5 km 處和N-N′斷面2.7、3.6 km 處進行航道疏浚，水深變化較大之外，總體而言，從沖淤厚度和趨勢上看，模擬值與實測值基本吻合（圖7）。

圖6 水深變化對比斷面位置圖Fig.6 Location of the comparison section for water depth changes

圖7 水深變化對比驗證結(jié)果Fig.7 The results of comparison and validation for water depth changes

4.2 潮流場模擬結(jié)果

本研究分別模擬了工程建設(shè)前和4 種不同工程組合建設(shè)方案的水道潮流場，結(jié)果如下：

（1）工程建設(shè)前

漲急時，緯一河流速為15～40 cm/s；經(jīng)一河整體由北向南流，流速為30～60 cm/s；經(jīng)二河整體由北向南流，北側(cè)流速小于10 cm/s，南側(cè)和中間區(qū)域流速為10～30 cm/s。

落急時，緯一河流速為20～40 cm/s；經(jīng)一河整體由南向北流，流速為20～45 cm/s；經(jīng)二河整體由北向南流，流速為10～30 cm/s（圖8）。

圖8 工程建設(shè)前漲急時和落急時潮流場Fig.8 Tidal current field during flood tide and ebb tide before cross-river engineering

（2）建設(shè)方案1

漲急時和落急時，除管涵附近外，其他海域潮流流速整體較小，一般小于5 cm/s（圖9）。

圖9 方案1 漲急時和落急時潮流場Fig.9 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 1

（3）建設(shè)方案2

漲急時和落急時，緯一河和經(jīng)二河潮流流速整體較小，一般小于5 cm/s；經(jīng)一河整體流速為30～50 cm/s（圖10）。

圖10 方案2 漲急時和落急時潮流場Fig.10 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 2

（4）建設(shè)方案3

漲急時，緯一河和經(jīng)二河潮流流速小于5 cm/s；經(jīng)一河整體由北向南流，整體流速小于10 cm/s。

落急時，緯一河整體潮流流速小于5 cm/s；經(jīng)一河整體由南向北流，南側(cè)流速小于10 cm/s，北側(cè)流速為10～20 cm/s；經(jīng)二河南側(cè)流速小于5 cm/s，北側(cè)流速為10～20 cm/s（圖11）。

圖11 方案3 漲急時和落急時潮流場Fig.11 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 3

（5）建設(shè)方案4

漲急時，緯一河潮流流速小于5 cm/s；經(jīng)一河整體由北向南流，流速為30～60 cm/s；經(jīng)二河整體由北向南流，北側(cè)流速小于10 cm/s，南側(cè)流速為10～30 cm/s。

落急時，緯一河潮流流速小于5 cm/s；經(jīng)一河整體由南向北流，流速為20～45 cm/s；經(jīng)二河整體由北向南流，流速為10～30 cm/s（圖12）。

圖12 方案4 漲急時和落急時潮流場Fig.12 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 4

4.3 地形地貌沖淤模擬結(jié)果

本研究分別模擬了工程建設(shè)前和4 種不同工程組合方案的沖淤情況（圖13、14），由結(jié)果可知：

圖13 工程建設(shè)前年沖淤變化Fig.13 The annual changes in erosion and siltation before construction of river-crossing project

圖14 各方案年沖淤變化Fig.14 The annual changes of erosion and siltation of each plan

工程建設(shè)前整體以微侵蝕為主，其中緯一河西側(cè)微侵蝕，東側(cè)微淤積，年淤蝕量小于2 cm；經(jīng)一河以侵蝕為主，年侵蝕量為2～8 cm；經(jīng)二河北側(cè)以侵蝕為主，年侵蝕量為4～8 cm，南側(cè)微淤積，年淤積量為2 cm 左右。

方案1 整體以微淤積為主，年淤積量1 cm 左右；經(jīng)二河北側(cè)微侵蝕，年侵蝕量小于2 cm。

方案2 緯一河微淤積，年淤積量小于2 cm；經(jīng)一河以侵蝕為主，年侵蝕量為2～8 cm；經(jīng)二河北側(cè)以侵蝕為主，年侵蝕量小于2 cm，經(jīng)二河南側(cè)微淤積，年淤積量小于2 cm。

方案3 整體以微淤積為主，年淤積量1 cm 左右；經(jīng)二河北側(cè)微侵蝕，年侵蝕量小于2 cm。

方案4 緯一河微淤積，年淤積量小于2 cm；經(jīng)一河以侵蝕為主，年侵蝕量為2～8 cm；經(jīng)二河北側(cè)以侵蝕為主，年侵蝕量為4～8 cm，經(jīng)二河南側(cè)微淤積，年淤積量約2 cm。

4.4 水交換模擬結(jié)果

本研究分別模擬了工程建設(shè)前和4 種不同工程組合方案14 d 水交換情況（圖15、16），由結(jié)果可知，工程建設(shè)前水道內(nèi)水體100%發(fā)生交換，水交換較好；方案1 水道內(nèi)絕大部分區(qū)域水交換率小于60%，水交換較差；方案2 緯一河、經(jīng)二河大部分區(qū)域水交換率小于60%，經(jīng)一河水交換率超過90%；方案3 水道內(nèi)大部分區(qū)域水交換率小于50%，水交換較差；方案4 緯一河西側(cè)大部分區(qū)域水交換率超過50%，其余水道水交換率超過90%，水交換較好。

圖15 工程建設(shè)前水交換率分布圖Fig.15 The water exchange rate before construction of river-crossing project

圖16 各方案水交換率分布圖Fig.16 The water exchange rate of each plan

5 影響分析

5.1 水動力影響分析

裕龍島內(nèi)部水道潮流主要受龍口灣內(nèi)潮流特征影響，為了分析各跨河道工程對水道內(nèi)潮流場的影響，選取大潮期一個完整潮周期（13 h）的平均流速對比，在緯一河、經(jīng)一河、經(jīng)二河分別選取5 個特征點，共15 個特征點進行流速對比（圖17）。

圖17 潮流流速對比點位置圖Fig.17 Location of comparison points for tidal current velocity

由結(jié)果可知，跨河道工程使水道內(nèi)潮流流速整體減小，對水道內(nèi)水動力環(huán)境產(chǎn)生了一定影響。緯一河西部，各方案對流速影響都較大，工程建設(shè)造成潮流流速普遍減小，減小量可達20 cm/s 左右，變化率90%左右；緯一河?xùn)|部，方案4 對潮流流速影響較小，其余方案對潮流流速影響較大，流速減少普遍超過7 cm/s，變化率70%左右；經(jīng)一河，方案2、方案4 對潮流流速影響較小，方案1、方案3 使潮流流速明顯減小，減少量普遍超過20 cm/s，變化率80%左右；經(jīng)二河北側(cè)，建設(shè)前和各方案的流速均較小，工程建設(shè)對潮流流速影響不大；經(jīng)二河南側(cè)，方案4 對潮流流速影響較小，其余方案使潮流流速明顯縮小，變化率超過70%（表1，圖18）。

表1 不同方案各特征站位平均流速表Table 1 The average velocity at feature points of each plancm/s

圖18 不同方案特征點平均流速對比圖Fig.18 Comparison in average velocity at feature points of each plan

從水動力角度考慮，水道水動力強，有利于區(qū)域污染物擴散，有利于海洋環(huán)境保護和項目持續(xù)發(fā)展[13]。本研究中方案1 和方案3 對潮流流速影響明顯，工程建設(shè)造成水道內(nèi)水動力減弱，大部分區(qū)域流速小于5 cm/s，明顯不合適。方案2 在緯一河和經(jīng)二河對潮流流速影響明顯。方案4 整體對潮流流速影響較小，水道內(nèi)水動力較強，對水動力環(huán)境影響最小。

5.2 地形地貌沖淤影響分析

根據(jù)模擬結(jié)果，工程建設(shè)前，水道內(nèi)整體以微侵蝕為主，僅在緯一河?xùn)|側(cè)和經(jīng)二河南側(cè)發(fā)生微淤積，年淤積量2 cm 左右。方案1 和方案3 水道整體以微淤積為主，年淤積量1 cm 左右；方案2 和方案4 緯一河和經(jīng)二河南側(cè)以微淤積為主，年淤積量2 cm 左右，經(jīng)一河和經(jīng)二河北側(cè)以微侵蝕為主，年侵蝕量為2～8 cm。各方案均對水道沖淤產(chǎn)生了一定影響，方案1 和方案3 影響較大，造成水道內(nèi)大面積淤積；方案2 和方案4 影響較小，僅造成了緯一河的微淤積。

水動力的強弱直接影響河道內(nèi)的沖淤變化。淤積會導(dǎo)致河道阻塞，污染物匯集，嚴重影響工程建設(shè)發(fā)展。強烈侵蝕會造成堤壩坍塌，影響人工島的穩(wěn)定。微弱侵蝕最有利于河道穩(wěn)定和污染物擴散，有利于項目持續(xù)發(fā)展。本研究中各方案，河道均不會發(fā)生強烈侵蝕和淤積，方案2 和方案4 對沉積動力環(huán)境影響相對較小。

5.3 水交換影響分析

根據(jù)14 d 水交換率計算結(jié)果，工程建設(shè)對水道內(nèi)水交換影響較為明顯。工程建設(shè)前水交換率為100%，水交換好；方案1 水道內(nèi)絕大部分區(qū)域水交換率小于60%，水交換較差；方案2 緯一河、經(jīng)二河大部分區(qū)域水交換率小于60%，水交換整體較差；方案3 水道內(nèi)大部分區(qū)域水交換率小于50%，水交換較差；方案4 緯一河西側(cè)大部分區(qū)域水交換率大于50%，其余水道水交換率超過90%，水交換整體較好。

從水交換角度考慮，方案1、方案2 和方案3 水交換均較差，不利于區(qū)域污染物擴散。方案4 水交換較好，滿足水道水體交換的需要，有利于海洋環(huán)境保護。

跨河道工程建設(shè)使裕龍島內(nèi)部水道潮流流速整體減小，部分區(qū)域減小量超過20 cm/s，減弱了水道內(nèi)水動力環(huán)境。方案1 和方案3 對潮流流速影響明顯，大部分區(qū)域流速小于5 cm/s；方案2 在緯一河和經(jīng)二河對潮流流速影響較大；方案4 僅在緯一河西部對潮流流速影響較大，對整體潮流流速的影響相對較小，水道內(nèi)水動力相對較強。

工程建設(shè)對水道內(nèi)沖淤環(huán)境產(chǎn)生一定影響，改變了水道的微侵蝕環(huán)境。方案1 和方案3 造成水道大面積淤積，年淤積量1 cm 左右；方案2 和方案4 主要造成緯一河微淤積，最大年淤積量2 cm 左右，其他區(qū)域以微侵蝕為主。

工程建設(shè)造成水交換率下降，明顯影響水道內(nèi)水交換。方案1、方案2 和方案3 造成水道內(nèi)大部分區(qū)域水交換率低于60%，水交換均較差；方案4 僅影響了緯一河西側(cè)部分區(qū)域水交換率，其余水道水交換率超過90%，水交換整體較好（表2）。

表2 不同方案綜合對比表Table 2 Comprehensive comparison of each lan

6 結(jié)論

（1）跨河道工程建設(shè)使裕龍島內(nèi)部水道潮流流速整體減小，部分區(qū)域減小量超過20 cm/s（變化率約90%），減弱了水道內(nèi)水動力環(huán)境。

（2）工程建設(shè)對水道內(nèi)沖淤環(huán)境產(chǎn)生一定影響，改變了水道的微侵蝕環(huán)境。方案1 和方案3 造成水道大面積淤積，方案2 和方案4 主要造成緯一河微淤積，最大年淤積量2 cm 左右。

（3）工程建設(shè)造成水道內(nèi)水交換率下降，明顯影響水道內(nèi)水交換。方案4 僅造成緯一河西側(cè)水交換率下降，其余方案水道內(nèi)大部分區(qū)域水交換率低于60%。

（4）方案4 對水道內(nèi)沉積動力環(huán)境影響整體較小，同時盡可能利用了現(xiàn)有工程，符合工程建設(shè)的實際要求。

（5）海岸工程建設(shè)應(yīng)優(yōu)先考慮海洋環(huán)境保護，在環(huán)境可接受范圍內(nèi)，盡可能降低投資成本，實現(xiàn)工程和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。