黃潘陽， 陳培雄， 來向華， 郭芬芬

(國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012)

三門灣2003—2013年間圍涂工程對水動力 環(huán)境的影響研究?

黃潘陽， 陳培雄， 來向華， 郭芬芬

(國家海洋局第二海洋研究所工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012)

三門灣位于浙江沿海中部，為半封閉式海灣，發(fā)育著多條淤泥質舌狀灘地，其間又存在著具有良好水深的港汊。這種灘、汊相間的形態(tài)構成了浙閩海岸特有的一種港灣淤泥質海岸地貌。大面積的灘涂為圍海造地提供了條件。進入新千年以來，三門灣內圍涂速度明顯加快，其對水動力環(huán)境的累積影響也逐漸增大。本文利用2003、2013年兩個年份的高分辨率水深地形和岸線資料，基于Delft3D建立數(shù)值模型，以此研究十年間水動力環(huán)境對圍涂工程的響應，為資源可持續(xù)利用提供參考。計算結果表明：十年間圍涂縮減了灣內灘涂面積，使納潮量減小可達近7%；納潮量的減小，使灣內落潮流優(yōu)勢整體減弱，但對漲潮流的影響相對較小；圍涂工程還使得灣內的潮差略有增加；粒子追蹤試驗結果顯示，不同釋放位置對軌跡變化影響較大，會對灣內外的物質交換產(chǎn)生影響。

三門灣；圍涂；水動力環(huán)境；數(shù)值模型

海灣是海陸交界處的重要地理單元，也是人類從事海洋經(jīng)濟活動及發(fā)展旅游業(yè)的重要基地。三門灣作為浙江三大海灣之一，地處中國“黃金海岸線”中段，作為典型的半封閉式強潮漢道海灣，大面積舌狀潮灘與港汊相間排列，形似手掌，歷來受到研究者重視。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，海洋經(jīng)濟建設如火如荼，隨之而來的是用地矛盾的日益突出。于是，在沿海地區(qū)，出現(xiàn)了大量的圍填海工程。圍填海工程改變岸線形狀和海域的有效水域面積，進而改變其周邊的水動力泥沙環(huán)境，因此，圍填海在提供大量土地的同時，也產(chǎn)生了各種工程、環(huán)境和生態(tài)問題。而大量、大規(guī)模、持續(xù)的填?；顒?，其累計效應尤其顯著。圍填海工程對海灣水環(huán)境的影響研究較多[1-6]，國內外諸多海灣如中國的膠州灣、泉州灣、深圳灣以及日本東京灣和美國舊金山灣等已引發(fā)水動力場變弱，水交換能力變差，富營養(yǎng)化和海灣生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題，其中灘涂資源開發(fā)是造成這一問題的主要原因之一。在浙江省，曾相明等[7]建立象山港不同年份數(shù)值模型用以研究在較長時段內象山港多個圍填海工程對其納潮量、流場、水位和水交換能力等方面的累積影響；駱曉明[8]建立對流擴散模型，研究下洋涂圍涂后養(yǎng)殖污水排放的影響；許雪峰等[9]以蛇蟠涂和下洋涂圍墾工程為例，討論了前后兩個圍墾工程對灣內潮流流速的影響；謝亞力等[10]初步分析了三門灣最大可能圍涂對灣內水動力和沖淤的影響。本文基于翔實的基礎數(shù)據(jù)，首先建立了2003、2013年兩個年份的三門灣數(shù)值模型并進行驗證，而后分別計算兩個模型在2013年同一時間段內的水動力要素，以此研究十年間，圍涂對三門灣水動力環(huán)境造成的改變與影響。

1 三門灣圍填海歷史狀況

三門灣潮灘總面積為295 km2，占三門灣海域面積(775 km2)的38%。據(jù)水利志，三門灣圍涂早在唐至宋，元、明已有涂田、鹽田記載。明末清初，隨著生產(chǎn)發(fā)展的需要，圍涂筑塘進入發(fā)展時期。建國以后陸續(xù)開始高灘圍涂和港汊圍堵，至今三門灣已圍涂(包括堵港中的水面面積)面積33.2萬畝(221.6 km2)，占三門灣海域總面積的28.6%，總潮灘面積的75.1%。圍涂60多年來，平均每十年占據(jù)4.7%的三門灣海域面積，12.3%的三門灣潮灘總面積。其中，2003—2013年圍涂面積約10萬畝，占已圍涂總面積的30%左右，是圍涂面積增加較快的時期，具體分布情況見圖1。下洋涂圍涂、蛇盤涂圍涂和晏站涂圍涂面積較大，合計達到9萬余畝，這些大型圍涂工程都位于三門灣灣頂舌狀淺灘內。

圖1 2003—2013年間三門灣圍涂分布Fig.1 Reclamation distribution of Sanmenwan Bay during 2003—2013

2 模型建立與驗證

2.1 計算范圍與方法

模型采用的岸線數(shù)據(jù)是根據(jù)當年衛(wèi)星圖片數(shù)字化后得到的。而地形數(shù)據(jù)為因灣內某工程項目建設需要，進行大范圍測繪得到的，其中部分沒有實測水深數(shù)據(jù)的海域，采用海圖數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一高程。

計算范圍包含整個三門灣，并向東適當擴展，以便設置邊界?；贒elft3D，采用正交曲線網(wǎng)格剖分計算域，即通過建立大范圍、局部加密的模型，利用網(wǎng)格的疏密分布，實現(xiàn)大范圍和局部精細模擬。同時通過網(wǎng)格的生成技術可以控制網(wǎng)格的光滑性、正交性和疏密分布，對研究區(qū)域的復雜地形能夠較好地模擬計算。網(wǎng)格東西向共792個，南北向401個，網(wǎng)格節(jié)點192 601個，其中網(wǎng)格最小長度約50 m，基本可以刻畫島嶼及岸線輪廓(見圖2)。計算時間步長為2.5 min。采用ADI法離散方程。露灘的處理亦稱動邊界的處理，本文使用“干濕”判別法漫灘處理技術，在模型中定義一個用于干濕網(wǎng)格判斷的水深h=0.01，當h<0.01時，速度為0，同時不再求解動量方程來確定該控制體的速度分量。

控制方程采用經(jīng)垂線積分含水平渦動粘滯項的淺水潮波方程。采用曲線網(wǎng)格對計算域進行剖分，與一般的矩形網(wǎng)格相比，曲線網(wǎng)格可以更好的貼近邊界，從而可以較好的模擬邊界處的流態(tài)，減小邊界造成的計算影響。

圖2 計算網(wǎng)格和觀測站Fig.2 Computational grids and observation stations

2.2 控制方程

垂向平均質量守恒方程：

(1)

式中Q代表源和匯的作用，如取排水、降水和蒸發(fā)等。

ζ方向動量守恒方程：

(2)

η方向動量守恒方程：

(3)

垂向采用σ坐標，在σ坐標下，垂向速度分量通過質量守恒方程求解：

(4)

在這里，ω是指垂直于σ坐標平面的垂向速度，隨著σ坐標平面的上下移動而變化。

上面各式中，H為水深，H=h+ζ，ζ為水位，h為相對于平均海平面的水深；Gξξ和Gηη為曲線坐標系轉換為直角坐標系的轉換系數(shù)；U、V分別為ξ和η方向上平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)；Fξ和Fη分別為ξ和η方向的紊動動量通量；Pξ和Pη表示ξ和η方向上的水壓力梯度；Mξ和Mη分別表示ξ和η方向上動量的源或匯；qin和qout表示源匯項。

2.3 邊界及參數(shù)

開邊界采用水位控制，共設置了南、北、東三個開邊界，用區(qū)域大模型計算得到的水位進行驅動。大模型邊界由全球潮波模型TPX06提供，由M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18個分潮來驅動，基本能夠構造出外海深水處真實的天文潮過程。其他邊界為固定邊界，無水流交換。重力加速度取9.81 m/s2，海水密度1 025 kg/m3，水平渦黏系數(shù)取25 m2/s，對計算結果比較敏感的海底粗糙度系數(shù)，則根據(jù)區(qū)域特性，采用曼寧系數(shù)來表征，并且選用了在該區(qū)域有良好應用效果的經(jīng)驗公式來計算得到，即m=0.015+0.002 55×e(1.5-depth)，其中m為曼寧系數(shù)，depth為網(wǎng)格處的實際水深。

2.4 模型驗證

對2003、2013年岸線地形對應的數(shù)值模型，分別進行潮位、流速和流向的驗證，從而評估模型的可靠性。用來驗證的實測水文數(shù)據(jù)為因建設某工程項目需要而現(xiàn)場采集的。圖3和圖4為(具體位置見圖2)2003年10月24日—2003年10月31日和2013年7月25日—2013年8月1日的潮位驗證圖，實測潮位與模擬計算的潮位值之間擬合得較好，最高、最低潮位的模擬誤差一般在10 cm以內，相位基本重合。

在灣內選取兩個站位對大潮流矢加以驗證。從驗證的情況看(見圖5，6)，單站潮流實測結果與摸擬結果相比較：大潮漲急、落急的流向一般差值在10°以內；大潮漲急、落急和漲潮平均、落潮平均的流速差值一般在20%以內。從圖5和圖6的流速對比圖中還可以發(fā)現(xiàn)，相比2003年，在2013兩個站位落潮流流速的實測值和模擬值優(yōu)勢均明顯減弱，在圖中，峰值趨向水平。

圖3 潮位驗證(1#)Fig.3 Tide verification(1#)

圖4 潮位驗證(2#)Fig.4 Tide verification(2#)

圖5 潮流驗證(1#)Fig.5 Current verification(1#)

圖6 潮流驗證(2#)Fig.6 Current verification(2#)

通過對兩個年份岸線和地形所對應的模型驗證比較可知，潮位、流速、流向的計算值與實測值基本吻合，說明模型采用的參數(shù)基本合理，計算方法可靠，能夠模擬三門灣內潮波運動特性，可用于進一步的預測和研究。

3 影響分析

圍墾對地形地貌有兩方面的影響，一是直接改變岸線形態(tài)和海域有效面積，二是進一步對周邊的海底地形產(chǎn)生影響。這些變化又會改變周邊的水動力環(huán)境。以下利用兩個不同年份的模型，計算同一時間段內的各水動力要素，其差異可以認為是水動力要素對圍涂作出的響應。

3.1 潮位和潮流

三門灣地區(qū)潮流的最大特點是漲落潮流速的不對稱現(xiàn)象，灣內普遍是落潮流速大于漲潮流速。三門灣的水動力條件與特殊地形直接相關，三門灣口窄內寬， 灣內灘涂寬廣，港漢密布，潮差又大。因此，有大量的納潮場所，漲潮時水流漫灘呈擴散狀態(tài)，故流速緩慢。反之, 落潮時水下地形為順比降，灘水歸槽競爭外瀉，加之注人灣內的河流流量甚微，沒有多大的輔助力量[11]。

圖7為計算所得的2003、2013年大潮落潮流的矢量分布圖(某時刻垂向平均，下同)，為了顯示清晰，對網(wǎng)格點進行了抽稀。由圖可知，10年間，三門灣的流態(tài)變化有如下特點：(1)總體而言，流速變化從內到外逐漸變?。?2)圍涂區(qū)周邊流速和流向變化都相對較大；(3)在7#站位附近的海灣口門處，流速的改變有一個匯聚效應，使得該海域流速變化也相對較大；(4)在汊道內，圍涂的束流作用無法補償因圍涂導致納潮量減小而造成的落潮流的減弱；(5)蛇盤涂和晏站涂圍涂隔斷了兩側汊道的水流交換。

圖8為2003、2013年大潮漲潮流的矢量分布圖，由圖可知，漲潮流總體比落潮流要弱，改變幅度相比也明顯要小。

圖7 2003、2013年大潮落潮流矢量圖Fig.7 2003 and 2013 spring ebb tide vector

圖8 2003、2013年大潮漲潮流矢量圖Fig.8 Spring flood tide vector in 2003 and 2013

為了進一步研究三門灣內圍涂對流速的整體影響，選取8個特征點，對在三門灣占主導優(yōu)勢的落潮流進行統(tǒng)計分析，其結果如表1所示。由表可知，灣內的落潮流都有所減小，而位置不同，其改變量差異較大。其中1#站位于汊道內，蛇盤涂圍涂附近(并未在圍堤邊上)，其改變量最大，達到-23%，2#站與1#站類似。3#、4#、5#、6#站位于海灣中部，流速改變量相對最小。三門灣口窄內寬，在7#、8#站海灣口門處，海水在此匯聚，流速減小可達15.9%。

表1 特征點大潮落潮流速對比

三門灣潮差大，且由灣口到灣頂逐步增大。表2為圍涂引起的大潮期間三門灣10年間水位變化情況。由表可知，圍涂使得灣內高潮水面上升，低潮水面下降。潮位的改變量也是由灣口到灣頂逐步增大?？傮w而言，高潮位的變化相較于低潮位的變化要大。在灣頂?shù)?#站水位抬升最多，為0.12cm，達3.3%。

表2 特征點潮位對比

注：“/”表示低潮時露灘 “/”means no water

3.2 納潮量

由于海洋的潮汐現(xiàn)象，把從低潮到高潮海灣所能容納海水的量稱為納潮量。納潮量的大小可以直接影響海灣與外海的交換程度，從而制約海灣的自凈能力，因此對維持海灣的良好生態(tài)環(huán)境至關重要。

本文通過計算高、低潮時三門灣容納海水的體積差得到納潮量值，并給出2013年納潮量相對于2003年的變化率。從表3可以看出，圍填海工程使得三門灣內水域面積減少，進而導致整個海灣納潮量減少。納潮量變化量在大潮時最大，但是變化率在中潮時最大，其減小量達到6.94%。

納潮量的變化直接影響海灣的潮流特性，關系海灣潮汐汊道的盛衰，影響港區(qū)航道的維持，還可能破壞水動力條件與海灣形態(tài)之間的動態(tài)平衡，使海灣槽灘形態(tài)隨之進行調整。

表3 納潮量對比

3.3 粒子追蹤軌跡

對三門灣粒子追蹤軌跡的研究，可以粗略了解灣內外物質交換，污染物擴散等規(guī)律。粒子追蹤的混沌特性，對初始狀態(tài)、外力和參數(shù)誤差非常敏感[12]，軌跡具有一定偶然性，投放點相鄰的幾個粒子最終會有截然不同的運動軌跡。

圖9、圖10為模擬的不同位置釋放粒子一個月內軌跡對比。由圖可知，釋放位置不同，其軌跡截然不同。圖9中，粒子釋放位置靠近灣頂，在2003年，蛇盤涂還尚未圍墾，水流在高潮時可以自由通過，利于兩側汊道的水流交換，因此，粒子軌跡相對比較雜亂，范圍大。而在2013年，蛇盤涂圍涂和晏站圖圍涂已完工，阻礙了兩側水流交換，粒子軌跡基本在汊道內來回，并且更加深入汊道深處。圖10中，粒子釋放位置位于三門灣中部，離汊道尚有一定距離，軌跡活動范圍更大，下洋涂圍涂對周邊水流的流向改變較大，對粒子的軌跡有較大的影響。在2003年，落潮流優(yōu)勢更加明顯，因此，粒子在更短時間內到達灣外，擴散開去。

圖9 粒子軌跡對比(1)Fig.9 Comparison of Buoy trajectory(1)

圖10 粒子軌跡對比(2)Fig.10 Comparison of Buoy trajectory(2)

4 結論

為了研究2003—2013年間圍涂工程對三門灣水動力環(huán)境造成的影響，本文分別以2003、2013年兩個年份的地形和岸線資料為基礎建立數(shù)值模型。計算同一時間段內的水動力各要素，比較分析后認為：

(1) 大規(guī)模的圍涂工程對灣內的水流產(chǎn)生影響。漲落潮流均有所減弱，其中又以占優(yōu)勢的落潮流變化更加明顯，在對特征點的統(tǒng)計中，最大的減小幅度達到23%；圍涂使得灣內潮差變大，變化幅度由灣口到灣頂逐漸增大，并且高潮位的變化相較于低潮位的變化要大。根據(jù)特征點的統(tǒng)計，在灣頂水位抬升最多，為0.12 cm，達3.3%。

(2) 圍涂直接減小納潮空間，使納潮量下降，納潮量變化在大潮時最大，但是變化率在中潮時最大，其減小量達到6.94%。

(3) 模擬的粒子追蹤軌跡試驗表明，水流的改變也使得同一位置釋放的粒子軌跡發(fā)生較大的變化，圍墾通過阻斷汊道間的水流交換、減弱落潮流等原因，使得軌跡的擴散相對滯后。這會對灣內外物質交換、污染物擴散等過程產(chǎn)生一定影響。

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Abstract: Sanmenwan Bay, located in the middle of Zhejiang coast，is a semi-enclosed bay which develops a number of muddy tongue-shape shoal with branching streams in good water depth. The shoal and inlet morphology forms a particular coastal landform in the coastal area of Zhejiang and Fujian Province. As large scaled shoals opened the way for reclamation, reclamation projects significantly increased in Sanmenwan Bay since 2000, with gradually increased cumulative effects on hydrodynamic environment. In this study, high resolution depth and coastal data in 2003 and 2013 were used to establish a numerical model, and hydrodynamics responses to reclamation projects during the 10 years were evaluated. The results indicated that the tidal prism was reduced by nearly 7% during the 10-year period, which significantly weakened the overall flood current advantage while only slight impact was observed on ebb current. It was also showed that reclamation projects slightly increased tidal range. Besides, buoy tracking test results suggested that release location had great influence on trajectory change, as well as the exchange of substances inside and outside the Bay.

Key words: sanmenwan Bay; reclamation; hydrodynamics; mathematical model

責任編輯 徐 環(huán)

Hydrodynamics Response to Reclamation Projects in Sanmenwan Bay During 2003—2013

HUANG Pan-Yang, CHEN Pei-Xiong, LAI Xiang-Hua, GUO Fen-Fen

(Key Laboratory of Engineering Oceanography, the Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)

P76

A

1672-5174(2017)10-091-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160472

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國家自然科學基金項目(51179169);國家海洋局第二海洋研究所科研業(yè)務費專項項目(JG1307)資助 Supported by the National Science Foundation of China(51179169); Fundamental Research Funds for the Second Institute of Oceanography,SOA(JG1307)

2017-05-10；

2017-07-12

黃潘陽(1986-)，男，工程師。E-mail：syhjjhpy@163.com