趙 鑫, 孫 群,2,3, 魏 皓

(1. 天津科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300457; 2. 中國科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071;3. 中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

渤海灣位于渤海西部, 是一個(gè)向西凹入的弧形淺水海灣。渤海灣東以灤河口至黃河口的連線為界,與渤海中部相通[1]。渤海灣水下地形平緩, 波浪運(yùn)動(dòng)是其主要的動(dòng)力過程之一, 對(duì)灣內(nèi)泥沙輸運(yùn)、污染物的擴(kuò)散和分布及生態(tài)環(huán)境等有著重要的影響。

近年來環(huán)渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì), 掀起大規(guī)模圍海造地活動(dòng)。依據(jù)海域使用管理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 從2000年至2010年的10年時(shí)間內(nèi), 渤海圍填海面積已多達(dá)600 km2, 主要用于建設(shè)臨海工業(yè)、濱海旅游區(qū)和大型港口等。大規(guī)模圍填海工程導(dǎo)致濱海天然濕地面積縮減, 破壞其自然屬性和生態(tài)環(huán)境, 造成渤海灣岸線和近岸海區(qū)地形地貌發(fā)生重大變化(圖 1),影響了渤海水動(dòng)力場的分布變化, 如潮流[2-3], 波浪[4-5]等。

本文采用波浪數(shù)值模型 SWAN(Simulating Waves Nearshore, V 40.81), 分別對(duì)2000年和2010年岸線分布情況下的渤海灣風(fēng)浪場進(jìn)行模擬, 分析了10年間渤海灣岸型變化對(duì)3個(gè)重點(diǎn)港口海域風(fēng)浪場的影響。

1 計(jì)算區(qū)域和模型設(shè)置

荷蘭Delft理工大學(xué)基于第三代波浪WAM模型,增加了描述淺水波浪變形的源項(xiàng), 建立了適用于海岸、湖泊和河口地區(qū)的SWAN海浪預(yù)報(bào)模型[6-7]。本文采用 V40.81版本的 SWAN 模型, 考慮了波浪折射、繞射、底摩擦及破碎等非線性效應(yīng), 能夠準(zhǔn)確地模擬潮流、地形等復(fù)雜環(huán)境下的波浪場。

模 擬 海 域 為 整 個(gè) 渤 海 (117°～122.375°E, 37°～41.25°N), 采用矩形網(wǎng)格, 空間水平分辨率為0.0125°×0.0125°, 網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為 341×431。

渤海灣的海岸線變化數(shù)據(jù)是利用美國陸地資源衛(wèi)星 Landsat的傳感器 TM/ETM 遙感信息, 采用Canny算子半自動(dòng)提取獲得的(李秀梅提供)。2000年的水深資料采用的是 1′×1′的東中國海水深數(shù)據(jù)[8],根據(jù)渤海灣長期岸線變化, 對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行修改得到2010年的水深數(shù)據(jù)。渤海灣兩個(gè)年份的岸線和水深分布如圖1所示。10年來圍海造港工程導(dǎo)致渤海灣海岸線發(fā)生巨大改變, 岸線向?yàn)持醒胪七M(jìn), 尤其在曹妃甸、天津港和黃驊港附近海域。岸形變化顯著的3個(gè)海域選取如圖1中的A, B和C區(qū), 分別是曹妃甸區(qū)域(118.25°～ 118.75°E, 38.75°～ 39.25°N)、天津港區(qū)域(117.6°～ 118.1°E, 38.75°～ 39.25°N)和黃驊區(qū)域(117.6°～ 118.2°E, 38°～ 38.6°N)。

SWAN模型選擇二維的非定常模式, 物理過程包括淺水破碎、底摩擦、三波相互作用等過程。利用海浪觀測站實(shí)測風(fēng)場數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型, 對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證, 有效波高結(jié)果回歸分析表明, 計(jì)算和觀測有效波高相關(guān)系數(shù)為 0.75, 有效波高較大時(shí), 模擬結(jié)果偏差較大。

模型經(jīng)過驗(yàn)證后, 選用2000年歐洲氣象中心(ECMWF)的風(fēng)場資料[9]強(qiáng)迫模型, 強(qiáng)迫數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°, 計(jì)算時(shí)間間隔為6 h。模式計(jì)算時(shí)間步長與風(fēng)場時(shí)間間隔一致, 計(jì)算時(shí)間為1 a。分別對(duì)2000年和2010年的岸線形式進(jìn)行模擬。

圖1 渤海灣水深(m)及2000, 2010年岸線Fig. 1 The topography and shoreline of the Bohai Bay in 2000 and 2010

2 結(jié)果

2.1 渤海灣波浪場的季節(jié)變化特征

渤海灣為三面環(huán)陸的半封閉海灣, 受東亞季風(fēng)的影響, 風(fēng)浪場具有顯著的季節(jié)變化特征[10]。利用渤海灣 SWAN海浪模型的數(shù)值模擬結(jié)果, 對(duì)波浪要素進(jìn)行月平均, 分析了渤海灣風(fēng)浪場的季節(jié)變化規(guī)律。

渤海灣春季(3 ～5月份)為季風(fēng)過渡季節(jié), 風(fēng)場較復(fù)雜, 風(fēng)向從西北風(fēng)向西南風(fēng)轉(zhuǎn)變。4月份平均風(fēng)速全年最大[11], 以西風(fēng)為主, 平均風(fēng)速達(dá)到 8.0 m/s,模擬結(jié)果表明有效波高從灣口向?yàn)硟?nèi)形成舌狀分布,呈西北-東南分布(圖2)。受風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)影響, 沿灣口中線有效波高較大, 近岸兩側(cè)較小, 最大值位于灣口, 為2.4 m。5月份風(fēng)浪場明顯減小, 灣口位置最大有效波高為 1.4 m。春季常浪向?yàn)?ESE向, 頻率為25%, 次常浪向?yàn)镋向, 頻率為20%。

渤海灣夏季(6～8月份)以西南風(fēng)為主, 風(fēng)速逐漸變小, 平均風(fēng)速為4.7 m/s。8月份只有3.9 m/s, 整個(gè)灣內(nèi)有效波高不超過0.5 m, 灣口海域最大有效波高為1.2 m。夏季常浪向?yàn)镋NE向, 頻率為37%, 次常浪向?yàn)镋向, 頻率為21%。

渤海灣秋季(9～11月份)是東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)期, 秋季平均風(fēng)速為 5.9 m/s, 隨著風(fēng)速的增加,有效波高較夏季有所增長, 平均值為0.4 m。由于渤海灣三面環(huán)陸, 受海陸風(fēng)作用, 9月份灣口位置風(fēng)向發(fā)生近 90°的偏轉(zhuǎn), 由西風(fēng)轉(zhuǎn)向?yàn)楸憋L(fēng), 該海區(qū)風(fēng)速很小。受此影響, 與8月份相比, 灣口附近0.35 m有效波高等值線最西端向東退后約0.25°, 0.3 m等值線東退則較少。秋季常浪向?yàn)镋向, 頻率為21%, 次常浪向?yàn)镋NE向, 頻率為20%。

渤海灣冬季(12, 1, 2月份)盛行西北風(fēng), 灣內(nèi)風(fēng)速較大, 風(fēng)向穩(wěn)定, 平均風(fēng)速為 6.6 m/s。相對(duì)秋季,有效波高明顯增大, 0.5 m等值線大幅度向?yàn)硟?nèi)推進(jìn)(圖2)。常浪向也變?yōu)镋SE向, 出現(xiàn)頻率為30%, 次常浪向?yàn)镋向, 出現(xiàn)頻率為20%。

2.2 圍海造港工程對(duì)波浪要素的影響

對(duì)比整個(gè)渤海灣在 2000年和2010年的計(jì)算結(jié)果, 圍海造港工程對(duì)波浪要素的影響主要表現(xiàn)在港口工程附近海域, 本文針對(duì)岸線變化顯著的 3個(gè)主要港口(曹妃甸、天津港和黃驊港)海域, 分別討論工程前后岸線變化對(duì)3個(gè)海域波浪場的影響。

2.2.1 曹妃甸海域波浪場的變化

曹妃甸位于渤海灣東北部, 與 2000年相比, 圍海造港工程導(dǎo)致其岸線形狀發(fā)生顯著變化(圖1中A區(qū))。目前, 曹妃甸港區(qū)東南端緊臨渤海灣深槽, 水深超過 30 m, 也是渤海灣最深處。這一地理優(yōu)勢讓該港區(qū)成為天然優(yōu)良深水港。曹妃甸港區(qū)靠近灣口位置, 其周邊海域風(fēng)浪成長充分, 有效波高較其他兩個(gè)港口要大。

圖2 渤海灣有效波高(m)的季節(jié)分布Fig. 2 The seasonal distributions of the effective wave heights in the Bohai Bay

春季該海域主要為西南風(fēng), 平均風(fēng)速為9.2 m/s。常浪向?yàn)?E向, 頻率 27.9%; 次常浪向?yàn)镋NE向, 頻率為22.6%。風(fēng)向的改變導(dǎo)致曹妃甸工程?hào)|北部海區(qū)有效波高的影響程度大, S向海浪有效波高增加0.1 m, 增大為50%, 常浪向上有效波高變化較小(圖 3)。

夏季曹妃甸海域盛行風(fēng)仍為西南風(fēng), 平均風(fēng)速為6.6 m/s。由波向分布可知, 由于夏季風(fēng)向較春季穩(wěn)定, 常浪向?yàn)?ENE向, 頻率為 36.3%, 波向主要集中在常浪向正負(fù)30°之間的方向范圍內(nèi)。工程前后各個(gè)方向波浪頻率變化很小, 最大有效波高增加值在0.05 m以下。

秋季是季風(fēng)轉(zhuǎn)向的過渡季節(jié), 風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)向?yàn)槲鞅憋L(fēng), 平均風(fēng)速為7.6 m/s。常浪向?yàn)镋NE向,次常浪向?yàn)?E向, 由于風(fēng)向的變化, 導(dǎo)致波浪傳播方向范圍較大。曹妃甸港口工程對(duì)波高的影響主要集中在港池和東北側(cè)海域, 甸頭南端海域受影響很小。

冬季, 曹妃甸附近海域盛行西北風(fēng), 平均風(fēng)速為8.3 m/s。常浪向?yàn)镋SE向, 頻率為27.3%; 次常浪向?yàn)?E向, 頻率為 26.1%。由圖 4波向玫瑰圖可知, 該海域圍海造港工程對(duì)常浪向與次常浪向沒有影響, 但沿常浪向出現(xiàn)頻率在 2000年為 27.3%,2010年為 25.9%, 出現(xiàn)頻率有所減小。次常浪向 E向的海浪出現(xiàn)頻率減小2%,

曹妃甸港口工程南部海區(qū)有效波高減小 0.1 m;港池和潮汐通道內(nèi)的波浪要素受影響較大, 波高顯著減小, 有效波高減小范圍在 0.05～0.2 m, 減小幅度約為20%～40%。SSE向最大有效波高增加比例最大, 達(dá)到22.9%。西南側(cè)海域波浪要素變化較小, 東北海域變化較大。

2.2.2 天津港海域波浪場的變化

天津港地處華北水陸交通樞紐, 經(jīng)過近10年的圍海造港工程, 海岸線明顯向東拓展。該海域受季風(fēng)影響較大, 冬季盛行西北風(fēng), 夏季多為偏南風(fēng)。影響本海區(qū)的主波向?yàn)?NNE～SE向, 冬春季常浪向?yàn)镋SE向, 頻率分別為32.2%, 14.4%, 夏秋季常浪向?yàn)镋NE向, 頻率分別為26.6%, 17.8%, 強(qiáng)浪向?yàn)镹NW向, 大于1.0 m的波浪頻率為16%[12-13]。

圖3 曹妃甸2010年與2000年不同季節(jié)的波高差和波高差相對(duì)變化Fig. 3 The seasonal distributions of the differences of the wave height and the relative wave height between in 2010 and 2000 for Caofeidian

由于天津港位于渤海灣的最西端, 受風(fēng)浪成長的風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)限制, 天津港西側(cè)海域波高較小, 年平均有效波高為 0.26 m, 變化范圍較小, 集中在0.05～0.39 m范圍內(nèi), 表明該海區(qū)波浪屬于弱浪區(qū)(圖2)。平均周期為1.5 s, 周期變化范圍較小, 主要是由風(fēng)生成的短周期波, 這與已有研究結(jié)果一致[14-15]。

圖4 曹妃甸不同季節(jié)的波向玫瑰圖Fig. 4 The seasonal distributions of the rose diagrams of the wave directions of Caofeidian

天津港區(qū)域波浪較小, 由于工程建筑物的形狀,港口建筑物只影響其東部海區(qū)的波高分布。從全年來看, 該海區(qū)平均有效波高減小在0.1 m左右, 最大有效波高增加最大是出現(xiàn)在6月份(圖5), 沿SE向傳播的波浪最大有效波高增加0.2 m, 該方向波高出現(xiàn)頻率為10%。其他季節(jié), 天津港建筑工程對(duì)該海區(qū)風(fēng)浪要素分布的影響相對(duì)較小。此處只給出天津港附近海域 6月份有效波高差及相對(duì)差分布圖和波向玫瑰圖。

圖5 天津港2010年與2000年6月份的波高差和波高差相對(duì)變化以及波向玫瑰圖Fig. 5 The June distributions of the differences of the wave height and the relative wave height,and the rose diagrams of the wave directions between 2010 and 2000 year of Tianjin Harbor

2.2.3 黃驊港附近海域波浪場變化

黃驊港是我國主要煤炭輸出港之一, 但由于位于古黃河河口沖積區(qū), 與上述兩個(gè)港口不同, 該港口附近海域水淺坡緩, 10 m等深線距岸約32 km, 港口建筑物沿東北方向延伸, 前端到達(dá) 5 m等深線位置, 屬于典型的人工大港。

冬春季節(jié), 該海域風(fēng)速逐漸減小, 風(fēng)向由西北風(fēng)轉(zhuǎn)向西南風(fēng), 常浪向均為 ESE向, 冬季頻率為29.9%, 春季頻率為 27.9%。受港口工程的影響, 冬季沿常浪向 ESE和次常浪向 SE方向的頻率顯著增加, 2000年 ESE向頻率為 27.9%, 2010年頻率為28.9%(圖6)。黃驊港附近夏季盛行西南風(fēng), 常浪向?yàn)镋NE, 頻率為 36.1%, 浪向穩(wěn)定。秋季風(fēng)向多變, 浪向分布范圍較大。

由于黃驊港引起岸線變化, 對(duì)附近海域有效波高的影響主要集中在港口東北端, 該海區(qū)有效波高減小0.1 m, 出現(xiàn)頻率為 20%～40%(圖 7), 波向頻率無明顯變化。而與盛行浪向垂直方向(NW、WNW 向)上傳播的風(fēng)浪有效波高變化較大, 減小幅度達(dá)50%以上。

黃驊港海區(qū)水淺坡緩, 波浪在由外海向岸傳播的過程中衰減緩慢, 尤其在港區(qū)東南側(cè), 有效波高等值線向岸呈舌狀分布(圖 2)。同時(shí), 該海區(qū)水淺平坦, 波浪易發(fā)生破碎, 破波帶范圍寬闊[16], 應(yīng)進(jìn)一步開展岸線變化對(duì)波浪破碎位置影響的分析。

3 結(jié)語

本文采用海浪SWAN模型對(duì)渤海灣風(fēng)浪場進(jìn)行了數(shù)值模擬, 分析了環(huán)灣圍填海工程竣工前(2000年)后(2010年)的波浪場, 探討了岸線變化最顯著的3個(gè)港口工程——曹妃甸、天津港和黃驊港附近海域波浪分布變化。

圖6 黃驊港不同季節(jié)的波向玫瑰圖Fig. 6 The seasonal distributions of the rose diagrams of the wave directions of Huanghua harbor

圖7 黃驊港2010年與2000年不同季節(jié)的波高差和波高差相對(duì)變化Fig. 7 The seasonal distributions of the differences of the wave height and the relative wave height between 2010 and 2000 of Huanghua harbor

從整個(gè)渤海灣來說, 圍填海工程對(duì)波浪有效波高及周期影響的程度不大, 工程建筑物存在后, 有效波高呈減小趨勢, 減小值在0.2 m以下, 周期幾乎不變; 波浪要素變化顯著的區(qū)域主要在港口工程周邊海域, 港池和潮汐通道內(nèi)的有效波高減小幅度較大。距港口區(qū)較遠(yuǎn)海域, 波高變化不明顯。同時(shí), 港口工程建成之后, 會(huì)改變波浪傳播方向, 導(dǎo)致某波向頻率增加, 這種改變一般不沿著盛行波向; 不同季節(jié)主波向上有效波高變化較小, 雖呈減小趨勢,但減小幅度在5%以下; 而與主波向垂直方向上的最大有效波高增加幅度較大(20%以上), 該方向出現(xiàn)頻率一般在5%以下。

從 3個(gè)港口工程的影響來說, 曹妃甸位于渤海灣北部灣口, 波浪場成長較充分, 有效波高最大, 港口工程的存在對(duì)波浪場的影響最大, 有效波高減小值最大可達(dá) 0.19 m, 港口東北海域有效波高減小幅度在 20%～40%之內(nèi), 冬春季有效波高減小程度較夏秋季顯著。天津港由于地理位置的原因, 其附近海域風(fēng)浪較小, 平均有效波高為 0.26 m, 波浪要素變化不大, 該工程對(duì)波浪場的影響較小。黃驊港受工程建筑形狀和海區(qū)地形的雙重影響, 沿西北和東南向傳播的風(fēng)浪受港口工程的影響, 有效波高減小幅度較大,減小0.1 m左右, 減小幅度在40%～60%范圍內(nèi)。

[1]孫湘平. 中國近海區(qū)域海洋[M]. 北京. 海洋出版社,2008: 169-190.

[2]王悅, 林霄沛. 地形變化下渤海灣M2分潮潮致余流的相應(yīng)變化及其對(duì)污染物輸運(yùn)的影響[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 36(1): 1-6.

[3]曾相明, 管衛(wèi)兵, 潘沖. 象山港多年圍填海工程對(duì)水動(dòng)力影響的累積效應(yīng)[J]. 海洋學(xué)研究, 2011, 29(1): 73-83.

[4]劉海源, 喬嶺, 陳漢寶. 臺(tái)州灣波浪條件數(shù)值模擬研究[J]. 水道港口, 2009, 30(6): 381-384.

[5]勾鴻量, 劉曙光, 匡翠萍. 曹妃甸工程對(duì)海域波浪場的影響[J]. 華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 30(5):17-22.

[6]徐福敏, 張長寬. 一種淺水波浪數(shù)值模型的應(yīng)用研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展, 2000, 15(4): 429-434.

[7]王殿志, 張慶河, 時(shí)鐘. 渤海灣風(fēng)浪場的數(shù)值模擬[J].海洋通報(bào), 2004, 23(5): 10-17.

[8]Choi B H, Kim K O, Eum H M. Digital bathymetric and topographic data for neighboring seas of Korea (in Korean)[J]. Korean Soc Coast Ocean Eng, 2002,14: 41-50.

[9]Dee D P, Uppala S M, Simmons A J, et al. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2011, 137(656):553-597.

[10]陳紅霞, 華鋒, 袁業(yè)立. 中國近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時(shí)間變化[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2006,24(4): 407-415.

[11]張?jiān)龊? 曹越男, 趙偉. 渤海灣海域風(fēng)況特征分析與?！戯L(fēng)速對(duì)比分析[J]. 海洋預(yù)報(bào), 2011, 28(6):33-39.

[12]杜家筆, 裴艷東, 高建華, 等. 弱動(dòng)力淺海中的懸沙輸運(yùn)機(jī)制:以天津港附近海域?yàn)槔齕J]. 海洋學(xué)報(bào),2012, 34(1): 136-144.

[13]孫連成. 天津港水文泥沙問題研究綜述[J]. 海洋工程, 2003, 21(1): 78-84.

[14]岳淑紅, 李廣雪. 塘沽近海海域海浪的基本特征[J].黃渤海海洋, 1997, 15(1): 70-74.

[15]孫連成. 渤海灣西部海域波浪特征分析[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 1991, 9(3): 50-58.

[16]苗士勇, 侯志強(qiáng). 黃驊港海域風(fēng)浪場推算及波浪破碎位置分析[J]. 水道港口, 2004, 25(4): 216-218.