劉 瀟，馮秀麗，劉 杰，魏 飛

(中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院， 山東 青島 266100)

靖海灣、五壘島灣位于山東半島東側(cè)、威海市南側(cè)海域，在行政區(qū)劃上屬于威海市(121°50′～122°10′E，36°45′～37°00′N(xiāo))，文登澤庫(kù)半島位于靖海灣和五壘島灣之間。靖海灣是浪控和潮控復(fù)合型海灣；五壘島灣原來(lái)是一干出型海灣，高潮時(shí)海水淹沒(méi)，低潮時(shí)海底干出，全為灘地，由于近30 a來(lái)海水養(yǎng)殖的發(fā)展，海灣大部分已被開(kāi)辟為養(yǎng)殖池。

張家埠老港是文登市唯一的港口，由于長(zhǎng)會(huì)口口門(mén)處的攔門(mén)沙淺灘影響，進(jìn)出港航道水深最小處僅-1.1 m，千噸級(jí)的船舶需乘潮進(jìn)港，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了陸域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。為了提升張家埠港區(qū)的競(jìng)爭(zhēng)力，優(yōu)化沿海產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)文登市及周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，文登市在結(jié)合現(xiàn)有岸線資源及海域自然條件的基礎(chǔ)上，在靖海灣和五壘島灣之間、澤庫(kù)半島南側(cè)海域建設(shè)張家埠新港區(qū)。

在自然狀態(tài)下，近岸海域的水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)會(huì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，而大規(guī)模的海洋工程建設(shè)會(huì)對(duì)周邊海域的水動(dòng)力產(chǎn)生重要影響，從而打破這個(gè)平衡，使工程附近海域的動(dòng)力環(huán)境趨于另外的一種動(dòng)態(tài)平衡[1]。張家埠新港一期引堤和二期防波堤總長(zhǎng)度約9 km，本研究擬在實(shí)測(cè)海流的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MIKE21 Flow Model FM對(duì)工程建設(shè)前后海流特征進(jìn)行分析對(duì)比，同時(shí)研究了大規(guī)模的海洋工程對(duì)海洋水動(dòng)力環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)域概況

1.1 地形地貌及張家埠新港概況

研究區(qū)位于靖海灣、五壘島灣及附近海域。里子島以北海域，包括牛心島周?chē)匦螐?fù)雜，島嶼近岸海域坡降較大(2‰～6‰)，海底凹凸不平，常有暗礁突出海底；里子島以東、牛心島以南3.0～5.0 m等深線間坡降比較平緩，坡降為1.3‰；5.0～7.0 m之間坡降為0.67‰。澤庫(kù)半島東南部、靖海灣西南部海域，地形比較平緩，2.0～5.0 m之間的海底坡降為0.5‰。澤庫(kù)半島西側(cè)海域海底地形較陡，該海域有數(shù)處礁石出露，-5.0 m等深線離岸最近處為3.5 km，0～-5 m之間最大坡降為3‰，-2～-3 m之間坡降為2.7‰，-3～-5 m之間坡降為4‰，-5.0 m等深線向陸側(cè)突出。

張家埠新港位于靖海灣和五壘島灣的中間、文登市澤庫(kù)鎮(zhèn)南側(cè)，港區(qū)目前主要包括引堤工程和防波堤工程(圖1)。主要建設(shè)長(zhǎng)5 300 m的引堤和長(zhǎng)3 677 m的防波堤及5萬(wàn)t級(jí)通用泊位，引堤及防波堤均采用斜坡式實(shí)堤結(jié)構(gòu)。

圖1 張家埠新港位置及概況(m)Fig.1 Location and general situation of the new port in Zhangjiabu (m)

1.2 潮汐特征

根據(jù)2009-09-18-19大潮期的潮位過(guò)程實(shí)測(cè)曲線可知：1個(gè)太陰日內(nèi)有2次比較規(guī)則的高(低)潮，2次高潮或2次低潮的潮高相差不大；受地形及淺水等因素的影響，平均漲潮歷時(shí)略大于平均落潮歷時(shí)。

由于研究區(qū)處于南黃海和北黃海兩支左旋潮波系統(tǒng)的交界范圍[2]，地形又較復(fù)雜，致使研究海區(qū)的潮汐性質(zhì)隨地域的變化比較急?。貉芯繀^(qū)北部海域多為正規(guī)半日潮，而靖海角附近則為不規(guī)則半日潮。

1.3 實(shí)測(cè)海流特征

研究區(qū)潮流屬于規(guī)則半日潮流，漲潮流速大于落潮流速，表層流速大于底層流速。最大流速不超過(guò)100 cm/s；研究區(qū)余流較小，受岸線及地形影響，近岸處為往復(fù)流；離岸較遠(yuǎn)處表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流的特征[3]。

為了解本海區(qū)的水動(dòng)力狀況，2009-09-18-19在研究區(qū)海域布設(shè)7個(gè)海流觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行了連續(xù)25 h的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)(觀測(cè)間隔1 h)。海流觀測(cè)使用SLC9-2智能型直讀式海流計(jì)，為確保資料的可靠準(zhǔn)確，同時(shí)加掛AANDERAA-RCM9 聲學(xué)海流計(jì)(挪威)進(jìn)行復(fù)測(cè)。各點(diǎn)實(shí)測(cè)潮流玫瑰圖如圖2所示，典型站位表中底層的海流過(guò)程曲線如圖3所示。

圖2 各站位實(shí)測(cè)潮流玫瑰圖Fig.2 The tidal current roses measured at different stations

圖3 A2號(hào)站各層流速隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Time-series of current speeds at A2 station

根據(jù)實(shí)際潮流測(cè)量資料，各站位最大流速均不大于112 cm/s，最大流速均出現(xiàn)在漲落潮流的主流向上，潮流的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，漲潮流速與落潮流速相差不大；垂向上，流速由表層至底層呈遞減趨勢(shì)?！逗８鬯囊?guī)范》中規(guī)定，依據(jù)K=(WK1+Wq)/WM2劃分潮流性質(zhì)：如果K≤0.5，則為正規(guī)半日潮流;如果0.54.0則為正規(guī)日潮流。本海區(qū)各實(shí)測(cè)站位的K值均小于0.5，為正規(guī)半日潮流。

2 潮流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法及潮流驗(yàn)證

MIKE21非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型是丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的比較成熟的二維水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件，在國(guó)內(nèi)有大量成功的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的水動(dòng)力數(shù)值模型[4-5]，尤其適用于岸線狀況比較復(fù)雜、需要非結(jié)構(gòu)化靈活性的近海、河口區(qū)等。陳雪峰[4]、王萬(wàn)戰(zhàn)[5]、許婷[6]對(duì)模型的原理及計(jì)算方法已做詳細(xì)闡述。

本研究建立了研究區(qū)海域的MIKE21二維潮流模型，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的真實(shí)性，利用在研究區(qū)海域內(nèi)的測(cè)流點(diǎn)和驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)資料，對(duì)模型模擬和實(shí)測(cè)的潮位、流速、流向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。從總的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，潮流驗(yàn)證結(jié)果較好。以潮位驗(yàn)證點(diǎn)及2號(hào)站為例，給出數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)潮流的驗(yàn)證結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)果表明，模型基本上反映了實(shí)測(cè)流速的漲急落急狀態(tài)，在流向上模擬值與實(shí)測(cè)值也相差不大，無(wú)論是潮位、流速還是流向，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明模型采用的參數(shù)及計(jì)算方法可靠，能夠模擬研究區(qū)海域的潮流運(yùn)動(dòng)特性，滿足預(yù)測(cè)和研究的需要(圖4)。

圖4 驗(yàn)潮站、2號(hào)測(cè)流站大潮期潮位、流速、流向驗(yàn)證對(duì)比圖Fig.4 Verification of tide level, current speed and current directionat the gaging station and the tidal station 2 during spring tide

2.2 現(xiàn)狀岸線下海流及潮汐特征

利用MIKE21二維潮流模型模擬張家埠新港建設(shè)前(現(xiàn)狀岸線條件下)大潮期漲急、落急時(shí)刻的流場(chǎng)及大潮高潮位、低潮位特征。從流場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出(圖5)，現(xiàn)狀岸線條件下漲急時(shí)刻流向在整體上表現(xiàn)為WNW向，流速在0.15～1.2 m/s之間，在研究區(qū)靖海灣側(cè)、文登半島東側(cè)岸線附近海域流速最大，可以達(dá)到1.2 m/s左右，流向近N向，在靖海角附近海域流速可以達(dá)到0.9 m/s以上；在靖海灣和五壘島灣的灣頂海域、南海旅游度假區(qū)南側(cè)附近海域流速較小，最小流速均處于0.15 m/s以下，流向近N向；落急時(shí)刻各處流速均較漲急時(shí)刻流速稍小，最大處流速為1 m/s，在靖海角附近流速在0.9 m/s以下，灣頂附近最小流速在0.1 m/s以下。潮位預(yù)測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)狀岸線下高潮潮位整體上在1.3～1.6 m之間，潮位等值線呈扇形分布，呈北高南低的趨勢(shì)，在靖海灣和五壘島灣的灣頂海域附近海域潮位較高，可以達(dá)到1.6 m以上，越往南側(cè)開(kāi)闊海域高潮潮位值越低；低潮潮位整體上在-0.6～-1.2 m之間，總體上呈現(xiàn)西北低、東南高，灣內(nèi)較高、灣外較低的趨勢(shì)，靖海灣和五壘島灣部分海域海底出露，潮位在文登半島東側(cè)附近海域較高，可以達(dá)到-0.6 m，在南海旅游度假區(qū)南側(cè)附近海域較低，約為-1.44 m。

圖5 現(xiàn)狀岸線下潮流場(chǎng)圖Fig.5 The tidal current field under the present-day coastline

2.3 工程實(shí)施后海流及潮汐特征

從工程建成后的流場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出(圖6)，漲急時(shí)刻流向整體上與工程實(shí)施前基本一致，僅在引堤和防波堤工程的兩側(cè)發(fā)生了明顯變化，工程西側(cè)附近海域流速變化不大，但流向由WNW向變?yōu)榱私麼向，引堤?hào)|側(cè)、防波堤北側(cè)防護(hù)海域的流速均小于0.4 m/s，防波堤西南側(cè)拐角附近海域流速較工程實(shí)施前明顯增大，最大流速可以達(dá)到1 m/s，其它海域流速變化不大；工程實(shí)施前后落急時(shí)刻流場(chǎng)的變化也主要發(fā)生在工程附近海域，變化與漲急時(shí)刻基本一致，防波堤西南側(cè)拐角附近最大流速大于1 m/s，引堤?hào)|側(cè)、防波堤北側(cè)防護(hù)海域的流速均減小到0.4 m/s以下。潮位預(yù)測(cè)結(jié)果表明，工程建設(shè)對(duì)大潮期高潮潮位的影響主要體現(xiàn)在工程附近的1.525 m等值線附近海域，工程建設(shè)后明顯向北移動(dòng)；工程建設(shè)對(duì)大潮期低潮潮位的影響主要體現(xiàn)在引堤?hào)|側(cè)、防波堤北側(cè)海域附近的-1.38 m等值線附近海域，工程建設(shè)后，該處海域的低潮潮位較工程前更低。

圖6 工程建設(shè)后潮流場(chǎng)圖Fig.6 The tidal current field after the construction of new port

3 港口建設(shè)對(duì)潮汐、海流影響分析

為了更好的了解工程建設(shè)對(duì)附近海域水動(dòng)力環(huán)境的影響程度和范圍，分別在工程的東側(cè)、南側(cè)和西側(cè)附近海域不同距離處(50，500，2 000，4 000 m)設(shè)置3條流速流向?qū)Ρ赛c(diǎn)，以討論工程建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的影響。根據(jù)大潮漲急時(shí)刻和落急時(shí)刻各對(duì)比點(diǎn)(A0，A1，A2，A3，B0，B1，B2，B3，C0，C1，C2，C3，位置見(jiàn)圖7)的流速和流向?qū)Ρ冉Y(jié)果(表1、表2)可以看出：張家埠新港工程建成后，流速整體上呈現(xiàn)在工程的東西兩側(cè)減小，而在工程南側(cè)流速明顯增大。其中流速改變最大處發(fā)生在引堤工程?hào)|側(cè)的A1點(diǎn)，在漲急時(shí)刻流速減小了0.55 m/s，在落急時(shí)刻減小了0.45 m/s；相對(duì)來(lái)說(shuō)，在其西側(cè)流速改變相對(duì)較小， C1點(diǎn)在漲急時(shí)刻流速減小幅度可以達(dá)到0.21 m/s，在落急時(shí)刻可以減小0.13 m/s；在工程南側(cè)海域流速均呈增大的趨勢(shì)，其中B0和B1點(diǎn)漲急流速增幅達(dá)0.23 m/s，B0點(diǎn)落急時(shí)刻流速增幅可以達(dá)到0.19 m/s。隨著對(duì)比點(diǎn)與工程間距離的增加，工程所造成的流場(chǎng)的改變?cè)絹?lái)越小，在距工程4 000 m處，流場(chǎng)變化較小，除引堤和防波堤防護(hù)區(qū)域內(nèi)的A3點(diǎn)流速減小幅度在0.1 m/s左右外，大部分對(duì)比點(diǎn)流速增減幅度均在0.05 m/s以下。

表1 工程前后大潮漲急時(shí)刻流速對(duì)比Table 1 Contrast of current velocities at peak flood in spring tide beforeand after the construction of new port

表2 工程前后大潮落急時(shí)刻流速對(duì)比Table 2 Contrast of current velocities at peak ebb in spring tide beforeand after the construction of new port

圖7 潮流對(duì)比點(diǎn)位置圖Fig.7 Positions of the points for contrasting the current velocity

4 結(jié) 論

1)根據(jù)實(shí)測(cè)資料，研究區(qū)潮流屬于正規(guī)半日潮流，漲潮流速與落潮流速相差不大，流速由表層至底層呈遞減趨勢(shì)。最大流速不超過(guò)112 cm/s，潮流的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針；受岸線及地形影響，近岸處為往復(fù)流，離岸較遠(yuǎn)處表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流的特征。

2)從流場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀岸線下漲急時(shí)刻流向在整體上表現(xiàn)為WNW向，流速在0.15～1.2 m/s之間，在南辛莊東側(cè)附近海域流速最大，在灣頂、南海旅游度假區(qū)南側(cè)海域流速較?。宦浼睍r(shí)刻各處流速均較漲急時(shí)刻稍小，流向基本相反。潮位預(yù)測(cè)結(jié)果表明，高潮潮位在靖海灣和五壘島灣的灣頂海域附近海域較高，南側(cè)開(kāi)闊海域較低；低潮潮位整體上呈現(xiàn)西北低、東南高，灣內(nèi)高、灣外低的趨勢(shì)。

3)根據(jù)工程建成后的模擬結(jié)果，工程建設(shè)對(duì)大潮期高潮潮位的影響主要體現(xiàn)在1.525 m等值線在工程附近明顯向北移動(dòng)；對(duì)大潮期低潮潮位的影響主要體現(xiàn)在引堤兩側(cè)、防波堤北側(cè)海域附近的低潮潮位較工程前更低。

4)張家埠新港工程建成后，流速整體上呈現(xiàn)在工程的東西兩側(cè)減小、南側(cè)增大的趨勢(shì)，隨著與工程間距離的增加，工程所造成流場(chǎng)的改變逐漸減小。工程?hào)|側(cè)漲急時(shí)刻流速最大減小了0.55 m/s，落急時(shí)刻最大減小了0.45 m/s；西側(cè)流速改變相對(duì)較小，漲急時(shí)刻流速最大減小幅度為0.21 m/s，在落急時(shí)刻減小幅度可以達(dá)到0.13 m/s；在工程南側(cè)海域流速均呈增大的趨勢(shì)，漲急時(shí)刻流速增幅達(dá)0.23 m/s，落急時(shí)刻流速增幅可以達(dá)到0.19 m/s。

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