黃 娟，高 松，連喜虎，李 杰

（山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266100）

環(huán)渤海集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)的影響研究*

黃 娟，高 松，連喜虎，李 杰

（山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266100）

文章基于挑選具有代表性的2000年、2008年、2010年和2012年的岸線，利用MIKE軟件建立渤海及渤海灣水動力模型。通過以上4種工況的模擬結(jié)果，進(jìn)行集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)影響分析。分析結(jié)果表明：岸線的變化導(dǎo)致黃河海港附近海域的半日潮無潮點(diǎn)逐漸向東南方向偏移，致使渤海灣內(nèi)半日潮振幅增大，遲角發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；萊州灣內(nèi)半日潮振幅減小，遲角發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。秦皇島附近的半日潮無潮點(diǎn)逐漸向西南方向偏移。渤海海峽處的全日潮無潮點(diǎn)位置變化不明顯，但其在三大灣的振幅均有所增強(qiáng)。

集約用海；渤海；潮汐系統(tǒng)；MIKE21

渤海作為我國四大海域中唯一的內(nèi)海，經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略地位十分重要。遼寧、河北、山東、天津三省一市組成了環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)，是我國七大重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一［1］。天津?yàn)I海新區(qū)規(guī)劃面積2 270 km2，其中2008年3月國務(wù)院批準(zhǔn)填海造地規(guī)劃200 km2，涉及港口物流、臨海工業(yè)、濱海旅游、海洋新興產(chǎn)業(yè)等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。河北曹妃甸工業(yè)區(qū)規(guī)劃用海面積310 km2，其中填海造地面積240 km2，用于發(fā)展港口物流、鋼鐵、石化和裝備制造等產(chǎn)業(yè)［2］。山東半島發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)，在萊州灣、黃河三角洲區(qū)域大力開發(fā)規(guī)劃集約用海項(xiàng)目，其中國務(wù)院發(fā)展和改革委員會2009年12月批準(zhǔn)建設(shè)的黃河三角洲高效生態(tài)建設(shè)區(qū)，總規(guī)劃面積6 400 km2，涉海面積1 400 km2，屬于大規(guī)模的集約用海工程［3］。集中集約用海是尋求海洋開發(fā)與保護(hù)的結(jié)合點(diǎn)和平衡點(diǎn)，是促進(jìn)海岸帶資源可持續(xù)利用的新理念，相對于單個(gè)圍填海項(xiàng)目與工程，集中集約用海是一種更為高效、生態(tài)和科學(xué)的用海方式［4］。但集約用海也不可避免會干擾海洋生態(tài)系統(tǒng)，因此如何將集約用海工程對海洋生態(tài)的影響降到最低，進(jìn)行集約用海對生態(tài)影響評價(jià)是十分重要的。本研究挑選2000年、2008年、2010年和2012年的岸線，采用數(shù)值模擬的方法，通過對4個(gè)主要分潮（M2、S2、O1、K1）的振幅遲角的量化來分析研究集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)的影響程度。

1 模型選擇與設(shè)置

1.1 模型簡介

水動力模擬采用MIKE21三維水動力軟件包，它適用于湖泊、河口、海岸和海灣的三維流體的水動力及相關(guān)現(xiàn)象的模擬。

1.1.1 模式基本控制方程

（1）連續(xù)性方程

1.1.2 邊界條件與初始條件

（1）邊界條件

在閉邊界處法向流速為零。開邊界處輸入潮波

這里σi是第i個(gè)分潮的角速度（共取4個(gè)分潮：M2、S2、O1、K1），fi、θi是第i個(gè)分潮的交點(diǎn)因子和遲角訂正，Hi和Gi是調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角，Vi是分潮的時(shí)角（東八區(qū)）。

（2）初始條件

計(jì)算開始時(shí)“冷態(tài)”起動，即：

1.2 模擬區(qū)域及計(jì)算參數(shù)

渤海潮汐數(shù)值模擬計(jì)算范圍為整個(gè)渤海（117．6°E—122．75°E，36．931°N—40．874°N），網(wǎng)格距為1 200 m，網(wǎng)格數(shù)為370×365，開邊界設(shè)在122．75°E。模式進(jìn)行45 d／h的潮汐計(jì)算，采用后30 d／h的水位結(jié)果，進(jìn)行調(diào)和分析。渤海潮汐模式進(jìn)行了2000年、2008年、2010年和2012年4種工況的模擬試驗(yàn)，分析由岸線變化引起的渤海潮汐系統(tǒng)的變化。

2 模式結(jié)果驗(yàn)證

圖1為2000年模擬工況，渤海M2、S2、K1和O1分潮同潮圖。從圖1中可以看出，太陰半日分潮在渤海占絕對優(yōu)勢，比全日分潮強(qiáng)得多。半日潮的兩個(gè)無潮點(diǎn)分別位于黃河海港和秦皇島附近海域，M2和S2無潮點(diǎn)位置有所差異，是因?yàn)樗麄兊牟ㄩL不同和不同分潮在淺海的耗散不同造成的。全日分潮K1和O1的無潮點(diǎn)位于蓬萊站附近海域，且O1的無潮點(diǎn)位于K1無潮點(diǎn)東，是因?yàn)镺1分潮的波長比K1分潮長［5］。

為進(jìn)一步驗(yàn)證模式的模擬效果，選取環(huán)渤海14個(gè)海洋站2000年（個(gè)別站點(diǎn)數(shù)據(jù)不完整，取附近年份）實(shí)測數(shù)據(jù)與模式結(jié)果的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行對比分析，從表1可以看出，絕大部分的模擬結(jié)果與實(shí)測十分接近，4個(gè)主要分潮振幅誤差基本都小于5 cm。而止錨灣、秦皇島和孤東3站S2分潮相位偏差相對較大，這可能與無潮點(diǎn)計(jì)算的位置與實(shí)際存在的一些差異有關(guān)［6］。

圖1 2000年模擬工況，渤海M2、S2、K1和O1分潮同潮圖（振幅單位：cm，遲角單位：°）

表1 2000年觀測與模擬的4個(gè)主要調(diào)和常數(shù)比較

3 渤海潮汐特征變化分析

圖2為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海M2分潮振幅和遲角對比。從圖2中可以看出，岸線變化對M2分潮的影響主要表現(xiàn)在渤海灣和萊州灣，遼東灣的潮波分布變化相對較小。位于黃海海港附近海域的M2無潮點(diǎn)向東南方向略有偏移數(shù)千米，致使渤海灣內(nèi)M2分潮振幅有所增大，遲角發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。萊州灣內(nèi)M2分潮振幅有所減小遲角發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

圖2 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖3為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海K1分潮振幅和遲角對比。從圖3中可以看出，岸線變化對K1分潮的影響主要表現(xiàn)在從無潮點(diǎn)向渤海內(nèi)K1分潮振幅有所增大，最大增加值在遼東灣和渤海灣頂部。

圖3 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

3.1 渤海灣潮汐變化特征分析

圖4和圖5為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。從圖4和圖5中可以看出，4個(gè)主要分潮的振幅都有所增加，增加幅度從灣口向?yàn)稠敿哟?。其?008年（2010年、2012年）M2分潮振幅增加值在3～3．5（6～6．5、9～9．5）cm之間，2008年（2010年、2012年）S2分潮振幅增加值在0．5（1、2）cm左右，2008年（2010年、2012年）K1和O1分潮振幅增加值均小于0．5 cm。4個(gè)主要分潮的遲角均發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，其中M2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為2（5、11）°，S2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（2、4、9）°，K1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（0．5、1、2）°，O1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（0、1、2）°。

圖4 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖5 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

3.2 萊州灣潮汐變化特征分析

圖6和圖7為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。從圖6和圖7中可以看出，4個(gè)主要分潮中M2和S2分潮振幅降低，K1和O1分潮振幅增加，且幅度從灣口向?yàn)稠敿哟蟆Ｆ渲?008年（2010年、2012年）M2分潮振幅減小值在0．5（3．5、8．5）cm左右，2008年（2010年、2012年）S2分潮振幅減小值在1（2、3）cm左右，2008年（2010年、2012年）K1分潮振幅增加值在0．5（1、2）cm左右。2008年（2010年、2012年）O1分潮振幅增加值均小于0．5 m。

圖6 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖7 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

4個(gè)主要分潮的遲角均發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，M2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況為4（9、19）°，S2分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為3（5．5、12．5）°，K1分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為1．5（2．5、4．5）°，O1分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為1．5（2、4）°。

3.3 遼東灣潮汐變化特征分析

圖8和圖9為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。以2000年各分潮振幅為基礎(chǔ)，從圖8和圖9中可以看出，M2分潮振幅有所增加，2008年（2010年、2012年）增加值為1（1．5、3．5）cm左右且增幅由灣口向?yàn)稠斣龃?；S2分潮2008年和2010年振幅都略有減小，整體幅度變化小于1 cm，而2012年振幅增加，增幅由無潮點(diǎn)處向?yàn)硟?nèi)減小，但靠近灣頂處增幅變大，在灣頂處達(dá)到最大值約3 cm。K1和O1分潮振幅增加值均小于1 cm，且增加幅度呈現(xiàn)灣口向?yàn)稠斣龃筅厔荨?/p>

圖8 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖9 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

4個(gè)主要分潮的遲角均發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度向近無潮點(diǎn)處增大。M2分潮的偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為3（6、11）°，S2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為3（4、8）°，K1和O1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況均小于1°。

4 主要結(jié)論與成果

渤海岸線的變化能夠引起渤海超波系統(tǒng)的變化［7］，本研究挑選的有代表性的2000年、2008年、2010年和2012年4年岸線的模擬結(jié)果表明：

（1）渤海灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，4個(gè)主要分潮的振幅都有所增加，且增加幅度從灣口向?yàn)稠斣龃?，遲角均發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。從數(shù)值上可以看出，隨著集約用海工程的增加，振幅和遲角的變化值均有明顯的疊加現(xiàn)象。

（2）萊州灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，4個(gè)主要分潮中M2和S2分潮振幅降低，K1和O1分潮振幅增加，且幅度從灣口向?yàn)稠斣龃螅t角均發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。隨著集約用海工程的增加，振幅和遲角的變化值也有明顯的疊加現(xiàn)象。

（3）遼東灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，M2分潮振幅增加，增幅由灣口向?yàn)稠斣龃蟆2分潮2008年和2010年振幅略有減小，2012年振幅增加。K1和O1分潮振幅增加值小于1 cm。遲角均發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

［1］ 張麗麗．沿海工業(yè)園區(qū)用地用海布局評價(jià)［D］．大連：遼寧師范大學(xué)，2010．

［2］ 王勇．集中集約用海：引領(lǐng)山東半島實(shí)現(xiàn)“藍(lán)色”飛躍．中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所．2010．

［3］ 梁麗．山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)集約用海方式研究［D］．青島：中國海洋大學(xué)，2012．

［4］ 朱永貴．集約用海對海洋生態(tài)影響的評價(jià)研究［D］．青島：中國海洋大學(xué)，2012．

［5］ 黃大吉，陳宗鏞．三維陸架海模式在渤海中的應(yīng)用：Ⅰ．潮流，風(fēng)生環(huán)流及其相互作用［J］．海洋學(xué)報(bào)，1996，18（5）：1－13．

［6］ 張占海，吳輝碇．渤海潮汐和潮流數(shù)值計(jì)算［J］．海洋預(yù)報(bào)，1994，11（1）：48－54．

［7］ 黃祖珂．渤海的潮波系統(tǒng)及其變遷［J］．青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，21（2）：1－12．

基于生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)渤海區(qū)域開發(fā)集約用海研究（201005009－06）；典型海域水母災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)業(yè)務(wù)化應(yīng)用與示范研究（201005018）．