李高陽，沈永明

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024； 2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230)

集約用海對萊州灣水動力環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究

李高陽1,2，沈永明1

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024； 2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230)

在考慮水體斜壓的基礎(chǔ)上利用MIKE3三維數(shù)值模型的HD和Ecolab模塊，對萊州灣的水動力環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將驗證良好的該模型用于分析預(yù)測集約用海工程的實施對萊州灣水動力環(huán)境造成的影響。研究結(jié)果表明：工程并不會大范圍改變?nèi)R州灣海域的水動力特征，影響主要集中在工程區(qū)附近，距工程新岸線約20 km處，流速變化率在15%左右甚至更小；工程造成海灣納潮量在大小潮期分別減小0.29%和1.07%，海灣與外海水交換能力被削弱，可能會導(dǎo)致灣內(nèi)水體污染加??；工程實施后海灣PO4-P平均濃度升高，DIN平均濃度降低，N/P比下降，海域磷限制作用被削弱。

萊州灣；三維斜壓模型；圍涂工程；水動力；營養(yǎng)鹽

Abstract:Based on the consideration of baroclinic water,HD and Ecolab module of a three-dimensional numerical model MIKE3 have been used to simulate hydrodynamic environment and to predict the influences of a reclamation project in Laizhou Bay.The study shows that the project won’t change the hydrodynamic characteristics widely in Laizhou Bay,with affecton mainly concentrated in the vicinity of the project.At twenty kilometres from the new shoreline,the change rate of velocity is about 15%,or even less.Tidal prism of bay is reduced by 0.29% and 1.07% during spring and neap tide respectively after the project,and water exchange ability between the bay and the outer sea is also weakened,which may exacerbate water pollution.Besides these,the project leads to the increase of average PO4-P concentration and the decrease of average DIN concentration.The value of N/P decreases,which makes the phosphorus restriction effect weakened.

Keywords:Laizhou Bay; three-dimensional baroclinic model; reclamation projects; hydrodynamics; nutrients

海洋資源的開發(fā)利用和保護(hù)是當(dāng)前社會的熱點話題，作為我國的內(nèi)海，渤海是我國開展海洋科學(xué)研究最密集的海區(qū)，其在國民經(jīng)濟和環(huán)境保護(hù)方面都具有重要的戰(zhàn)略地位。渤海是一個半封閉的陸緣淺海，平均水深在20 m左右，由于僅通過渤海海峽與黃海相連，渤海水交換能力較弱，周邊城市入海污染物的常年大量排放使得渤海部分水域的營養(yǎng)鹽和重金屬污染超標(biāo)嚴(yán)重，水環(huán)境問題非常嚴(yán)峻[1]。萊州灣系渤海三大海灣之一，位于山東半島北側(cè)，海域面積近7 000 km2，作為黃河的出海口及我國重要的漁鹽生產(chǎn)基地，萊州灣的水動力環(huán)境問題，一直是國內(nèi)學(xué)者的研究重點。陳雄波等[2]對黃河的幾種入海通道方案進(jìn)行了比選；陳建等[3]借助遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)手段，探討了1976年至2008年現(xiàn)代黃河三角洲濕地的變化特征；單志欣等[4]對萊州灣的富營養(yǎng)化問題進(jìn)行了研究；周廣鎮(zhèn)等[5]利用波流耦合模型，對萊州灣東岸圍填海工程實施后的沖淤趨勢進(jìn)行了預(yù)測。本文利用三維流體動力學(xué)數(shù)值模型(MIKE3)對萊州灣的水動力環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將該模型用于預(yù)測集約用海工程的實施對萊州灣水動力環(huán)境造成的影響，以對該海域的工程選址、環(huán)境保護(hù)及污染物排放控制提供決策依據(jù)。

1 模型設(shè)置及驗證

1.1模型簡介

MIKE是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)的產(chǎn)品，其是目前世界上領(lǐng)先，經(jīng)過工程實踐驗證最多的，被廣大水資源研究人員廣泛使用的專業(yè)軟件。利用MIKE3[6]三維數(shù)值模型，在考慮了水體斜壓的基礎(chǔ)上將開啟了溫鹽(TS)模塊的水動力模型(HD)和水質(zhì)模型(Ecolab)耦合在一起，成功模擬了萊州灣的水動力環(huán)境變化，并將該模型用于分析圍涂工程對萊州灣水動力環(huán)境造成的影響。

1.2模型設(shè)置

首先構(gòu)建了大尺度渤海三維斜壓水動力模型，之后依托此大模型成功構(gòu)建了萊州灣三維水動力水質(zhì)耦合模型。大尺度模型區(qū)域包括整個渤海及北黃海，模型計算網(wǎng)格、地形及站位布置如圖1所示。重點研究小區(qū)域為萊州灣，利用大尺度模型給小尺度模型提供潮位、溫鹽等強迫邊界條件，小尺度模型計算網(wǎng)格和地形如圖2所示。為了能更好地擬合復(fù)雜的局部岸線變化，并對感興趣的區(qū)域進(jìn)行重點加密，模型采用漸變非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，平面網(wǎng)格單元數(shù)為6 580，節(jié)點數(shù)為3 472，垂向均分為10個Sigma分層，對應(yīng)的垂向分辨率范圍從近岸淺水到中部深水區(qū)為0.2～6 m左右，模型采用干濕動邊界處理技術(shù)。

圖1 渤海計算網(wǎng)格、地形及實測站位布置Fig.1 The grid and topography of Bohai Sea and locations of the observation stations

圖2 萊州灣計算網(wǎng)格及地形Fig.2 The grid and topography of Laizhou Bay

大尺度模型選取成山角至小長山島一線作為開邊界，開邊界采用潮位驅(qū)動，主要考慮了M2、S2、K1、O1四大分潮作用，由海洋圖集[7]獲取調(diào)和常數(shù)并插值，然后利用潮汐預(yù)報方法采用式(1)得到開邊界潮位。

式中：n為分潮總數(shù)，ai、wi、φi分別代表第i個分潮的振幅、頻率和遲角，Emean為該點相對于平均海平面的水位。

溫鹽邊界數(shù)據(jù)由海洋圖集[7]插值得到，海表邊界考慮了大氣溫度、相對濕度、云量、降雨量和蒸發(fā)量因素，數(shù)據(jù)采用ECMWF(歐洲中期天氣預(yù)報中心)資料，數(shù)據(jù)精度為0.75°×0.75°。徑流邊界考慮了黃河、遼河、海河、灤河等幾條主要河流的輸入，徑流量數(shù)據(jù)采用月平均徑流量[8]并加以修正。流場計算采取“冷啟動”模式，初始水位和流速均取為0；為了讓溫鹽結(jié)果更充分得穩(wěn)定，溫鹽初始場采取冷啟動下預(yù)算一年的結(jié)果作為初始條件。

萊州灣水動力水質(zhì)耦合模型綜合考慮了BOD、DO、葉綠素a、NH4-N、NO2-N、NO3-N、PO4-P七種狀態(tài)變量，模擬了2005年萊州灣的水動力環(huán)境狀況，模型潮位、溫鹽開邊界由大模型提供，水質(zhì)狀態(tài)變量開邊界BOD、NH4采用零梯度邊界條件，其他變量開邊界數(shù)據(jù)由渤海黃海東海海洋圖集化學(xué)分冊[9]插值得到，入海點污染源主要考慮了黃河和小清河兩條河流的輸入，數(shù)據(jù)主要由文獻(xiàn)[10-11]整合得到。狀態(tài)變量初始數(shù)據(jù)采用常數(shù)設(shè)置，取為渤海多年平均值[11-12]。

1.3模型驗證

1.3.1 潮位和潮流驗證

選取2003年8月的模擬結(jié)果，經(jīng)與環(huán)渤海12個站點的潮位數(shù)據(jù)(取自潮汐表)和萊州灣內(nèi)5個站點的實測潮流數(shù)據(jù)對比，可發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和實測基本一致，模擬效果良好。限于篇幅，文中僅給出2個站點的潮位和1個站點的潮流驗證結(jié)果，如圖3所示。

圖3 部分測站潮位、潮流驗證Fig.3 The validation of elevation and tidal current at some measured stations

1.3.2 溫鹽場驗證

由溫鹽時間序列圖4、圖5可知，四個海洋測站C1(大連)、C2(秦皇島)、C3(塘沽)、C4(煙臺)的溫鹽模擬結(jié)果和實測總體趨勢一致，吻合較好。冬夏季溫度和鹽度場平面分布如圖6所示，溫度場冬季呈三灣低，中部渤海海峽附近及北黃海溫度高的分布特點，其中遼東灣溫度一般最低，常伴隨有冰凍現(xiàn)象出現(xiàn)；而夏季溫度場分布特點是三灣溫度高，中部溫度低。鹽度場在冬夏兩季基本特點都是中部及北黃海外海區(qū)域鹽度高，三個海灣鹽度相對較低；另外，對比冬夏季鹽度場可發(fā)現(xiàn)夏季鹽度較冬季整體偏低，這在遼河口和黃河口附近海域表現(xiàn)尤其明顯，這主要是受夏季降水增多以及河流淡水入海量增大的影響。綜上所述，模擬的渤海溫鹽場分布特點與實際觀測結(jié)果及海洋圖集[7]基本一致，溫鹽模擬基本合理。

1.3.3 萊州灣水質(zhì)驗證

一般來講，葉綠素第一次峰值發(fā)生在3-4月份，稱為春季水華，第二次發(fā)生在10月前后，稱為秋季水華。萊州灣的這種浮游植物生物量的雙峰現(xiàn)象是渤海特有的典型特征，分別對應(yīng)了春季水華和秋季水華[13]。由圖7萊州灣表層月平均營養(yǎng)鹽和葉綠素濃度變化曲線可知，冬季過后，溫度的升高有利于浮游植物的生長，所以浮游植物含量逐漸升高，在3月份達(dá)到春季水華的峰值，之后由于營養(yǎng)鹽限制及浮游動物逐漸增強的捕食作用，葉綠素含量逐漸降低；春季之后隨著河流挾帶的營養(yǎng)鹽輸入的增大，從7月份開始CHLa含量又逐漸升高，于10月前后達(dá)秋季水華的峰值。無機氮基本上是一個先降后升的過程，春季水華后含量逐漸降低，之后隨著河流挾帶的營養(yǎng)鹽的增加，含量又有所上升，從10月份開始，由于溫度不斷降低，藻類等浮游植物開始大量死亡，其尸體沉積降解后生成的無機氮又重新補充到水體中，使得秋冬季節(jié)無機氮含量處于上升態(tài)勢，并在冬季保持在了一個較高的含量水平。磷酸鹽濃度在全年各個季節(jié)的濃度變化不是十分明顯[14]，這可能與該年內(nèi)萊州灣氮磷實際濃度及浮游植物攝取營養(yǎng)鹽比例有關(guān)。

圖4 4個海洋站表層溫度驗證Fig.4 The validation of surface temperature at four oceanographic stations

圖5 4個海洋站表層鹽度驗證Fig.5 The validation of surface salinity at four oceanographic stations

圖6 冬夏季渤海表層溫鹽平面分布Fig.6 Distribution of temperature and salinity at the surface layer in winter and summer

圖7 萊州灣表層月平均營養(yǎng)鹽和葉綠素濃度變化過程驗證Fig.7 The validation of monthly mean change process of surface nutrients and chlorophyll concentration in Laizhou Bay

N/P比是考察海域營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，也能反映所研究海域富營養(yǎng)化程度，Redfield[15]研究發(fā)現(xiàn)浮游植物元素組成的N/P比約為16，與一般正常海域的N/P比相同，并且浮游植物元素組成的N/P比也大概在16左右，習(xí)慣上常把研究海域中實際的N/P比值與Redfield數(shù)進(jìn)行比較，以此來研究目標(biāo)海域的營養(yǎng)鹽組成。實測數(shù)據(jù)表明，21世紀(jì)的前十年萊州灣內(nèi)磷酸鹽濃度不斷降低，而DIN濃度則不斷升高[16]，所以21世紀(jì)初萊州灣內(nèi)營養(yǎng)鹽水平整體開始呈現(xiàn)出磷限制狀態(tài)。張繼民等[17]、李廣樓等[18]根據(jù)21世紀(jì)初萊州灣海域?qū)崪y資料得出春、秋季磷酸鹽為該區(qū)域浮游植物生長的限制因子，萊州灣海域基本處于磷限制中等水平營養(yǎng)狀態(tài)。由表1萊州灣海域營養(yǎng)鹽組成分析可知，春秋季萊州灣N/P均超過16，海域平均營養(yǎng)鹽水平處于磷限制狀態(tài)，與實測結(jié)果一致。綜上，本文模擬的萊州灣營養(yǎng)鹽和葉綠素水平與觀測及其他學(xué)者研究成果基本吻合，構(gòu)建的水質(zhì)模型基本合理。

表1 萊州灣海域營養(yǎng)鹽組成Tab.1 Nutrient composition of Laizhou Bay

2 圍填海的水環(huán)境效應(yīng)

根據(jù)山東半島藍(lán)色經(jīng)濟區(qū)集中集約用海規(guī)劃和文獻(xiàn)[5]，在萊州灣內(nèi)主要有四大在建或擬建集約用海工程：東營石油產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、濰坊海上新城、萊州灣新能源產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和龍口海洋裝備制造業(yè)集聚區(qū)，工程示意圖如圖8所示。在驗證良好的萊州灣水動力水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，主要分析該四大工程的實施給萊州灣海域水動力環(huán)境造成的影響，以為后續(xù)的圍墾開發(fā)工程以及海域水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1流速影響

圖8 萊州灣圍填海工程示意Fig.8 Reclamation projects in Laizhou Bay

圖9 流速代表點及灣口斷面位置Fig.9 The location of representative velocity points and bay mouth section

表2 代表點流速變化Tab.2 Velocity change of representative points

2.2鹽度影響

實測數(shù)據(jù)表明，除了個別時段鹽度的異?，F(xiàn)象以外，萊州灣夏季鹽度分布的大趨勢是自西向東遞增，從灣內(nèi)向灣外遞增，黃河口附近海域為鹽度低值區(qū)，北部和東部為鹽度高值區(qū)[19]。本文選取了夏季大潮漲憩時的鹽度來分析工程對鹽度場的影響，由圖10可知，模擬的萊州灣鹽度除了在灣口東北部海區(qū)有一很小的低值區(qū)出現(xiàn)外，整體分布特征與觀測相符。前后對比可以看出工程后鹽度等值線較工程前明顯回退，尤其灣內(nèi)27、28 psu等值線回退明顯，黃河口附近低鹽區(qū)海水面積擴大，這主要是因為工程實施后灣內(nèi)大潮高潮位較工程前降低明顯，工程前為1.26 m，工程后為1.14 m，減小了0.12 m，降幅達(dá)9.5%，造成海水向灣頂?shù)纳纤菽芰σ苍跍p弱，而灣口外工程對潮位影響不大，各鹽度等值線前后變化也不明顯。

圖10 夏季大潮漲憩潮位和鹽度分布Fig.10 Distribution of tide elevation and salinity at flood slack time during spring tide in summer

2.3納潮量影響

海灣的生命活力與納潮量密切相關(guān)，一個海灣可以接納的潮水的體積就是該海灣的納潮量[20]，其數(shù)值主要取決于海灣高、低潮時潮位及面積的變化，它的改變是海灣水動力特性的總體反應(yīng)，其大小直接影響到海灣與外海水體交換強度，制約著海灣自凈能力，對底床沖刷及海域環(huán)境保護(hù)和治理意義重大。一般情況下，采用以下公式計算納潮量：

式中：W表示納潮量，S1、S2表示平均高低潮時水域面積，h1、h2表示平均高低潮位。

本數(shù)值計算結(jié)果表3表明，工程前海域平均納潮量為6.17×109m3，這個結(jié)果與葉小敏等[21]利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的萊州灣納潮量基本一致(5.4×109m3)，證明了本數(shù)值模擬的可靠性。四大集約用海工程實施后大小潮期納潮量分別由工程前的10.47×109m3、1.87×109m3減小為10.44×109m3、1.85×109m3，變率分別達(dá)0.29%和1.07%，可見填海造陸直接造成的海域面積減小造成海灣納潮量有一定程度的減小，削弱了海水自凈能力，從而可能會加劇灣內(nèi)水體污染程度。

表3 工程前后納潮量統(tǒng)計Tab.3 Tidal prism statistics before and after reclamation project

2.4水質(zhì)影響

利用驗證良好的萊州灣水質(zhì)模型對工程前后萊州灣的水質(zhì)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。由計算結(jié)果知，工程實施前，海域葉綠素全年平均濃度為1.314 mg/m3，工程實施后為1.33 mg/m3，增幅為1.2%，工程后浮游植物含量略有增加。PO4-P含量在工程后顯著增加，而DIN含量則明顯減小，這在全年的12個月份都表現(xiàn)的比較明顯，這是因為工程實施后，萊州灣海域納潮量減小，灣內(nèi)水體與外海的水交換減弱，導(dǎo)致PO4-P含量增加，又由表1海域營養(yǎng)鹽評價分析知，萊州灣平均營養(yǎng)鹽水平處于磷限制狀態(tài)，所以工程實施后PO4-P的增加將引起浮游植物含量升高，浮游植物生長又會消耗掉大量的DIN，所以DIN含量反而整體下降。表4給出了工程前后春季和秋季代表月份的N/P比計算結(jié)果，由表中數(shù)據(jù)可以看出，工程后N/P比普遍下降，海域磷限制作用被削弱。

圖11 工程前后萊州灣表層月平均營養(yǎng)鹽和葉綠素濃度變化曲線Fig.11 Monthly mean change curve of surface nutrients and chlorophyll concentration in Laizhou Bay before and after reclamation project

表4 工程前后萊州灣海域營養(yǎng)鹽組成變化Tab.4 Nutrient composition change of Laizhou Bay before and after reclamation project

2.5水交換能力

在驗證良好的水動力及水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，以圖9中的灣口斷面A為界，對萊州灣內(nèi)水體加以溶解態(tài)保守性示蹤物質(zhì)，建立保守物質(zhì)對流擴散模型，利用保守物質(zhì)的稀釋快慢來表征海水的交換能力，計算水體半交換時間。模型中，將灣內(nèi)初始濃度設(shè)為1 kg/m3，灣外濃度設(shè)為0 kg/m3，當(dāng)灣內(nèi)平均濃度降至0.5 kg/m3，認(rèn)為水體完成了半交換。

圖12 萊州灣保守物質(zhì)濃度變化曲線Fig.12 Conservative substance concentration curve in Laizhou Bay before reclamation(left) and after reclamation(right)

圖12即工程前后萊州灣保守物質(zhì)平均濃度變化曲線。工程前萊州灣水體半交換時間為167天，這與魏皓等[22]關(guān)于渤海水交換的數(shù)值模擬結(jié)果接近，證明了本數(shù)值模擬的可靠性。工程后萊州灣保守物質(zhì)濃度變化曲線較工程前明顯變緩，工程后萊州灣水體半交換時間增大為212天，較工程前增大45天，海灣水交換能力明顯減弱。另外，保守物質(zhì)濃度隨時間遞減過程中有半月周期的震蕩，這與研究海域大小潮的周期相同，潮汐的月不等現(xiàn)象會對海域納潮量造成影響，大潮時納潮量增大，海灣水體體積增加，從而造成濃度減小，小潮時則相反。

3 結(jié) 語

在驗證良好的萊州灣水動力水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，對四大集約用海工程前后萊州灣的水動力環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對比分析工程前后的計算結(jié)果，得出以下主要結(jié)論：

1)工程對萊州灣全場流場造成的影響有限，影響主要集中在工程附近，距工程區(qū)越遠(yuǎn)影響越小，在工程新岸線20 km處，流速變化率在15%甚至更小。

2)由于工程后大潮漲憩時刻高潮位的降低，鹽水向灣頂?shù)纳纤菽芰p弱，工程后鹽度等值線有一定的回退，這在灣內(nèi)表現(xiàn)尤其明顯，黃河口附近低鹽區(qū)面積增大。

3)填海造陸直接造成的海域面積減小導(dǎo)致海灣納潮量有一定程度的減??；海灣保守物質(zhì)的對流擴散模型表明工程后海灣水體半交換時間較工程前增大45天，增幅達(dá)23.9%，海灣水交換能力明顯減弱，可能會加劇灣內(nèi)水體污染程度。

4)工程實施后海灣PO4-P含量升高，DIN含量減少，N/P比普遍降低，海域磷限制作用被削弱。

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Numerical simulation on hydrodynamic environment effects of reclamation projects in Laizhou Bay

LI Gaoyang1,2,SHEN Yongming1

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.CCCC-FHDI Engineering Co.,LTD.,Guangzhou 510230,China)

U659;X52

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.013

1005-9865(2016)01-0094-10

2015-03-02

國家自然科學(xué)基金項目(51579030)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB430403)

李高陽(1990-),男,江蘇徐州人,碩士。 E-mail:ligaoyang0904@163.com