張功瑾，羅小峰，路川藤，徐劉宇

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

人類活動(dòng)引起的岸線變遷直接導(dǎo)致海域面積的減少和海床地貌的改變，并進(jìn)一步影響附近水域和水動(dòng)力環(huán)境[1]。尤其海灣地區(qū)進(jìn)行圍填海工程后，海灣面積減小，納潮能力、水交換能力將有所下降[2-3]。因此，國內(nèi)外有眾多學(xué)者針對岸線變遷前后潮流動(dòng)力變化特征和機(jī)制進(jìn)行了研究[4-8]。Kang[9]通過數(shù)值計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)沿海海堤的建設(shè)導(dǎo)致區(qū)域流速降低而落潮流變強(qiáng)。Park等[10]認(rèn)為沿海地區(qū)在筑堤之前，潮流被海岸折射，堤壩建成后堤防移除了淺海岸帶，使潮波的傳播速度加快。婁迪[11]研究發(fā)現(xiàn)開場水域岸線的變化對大范圍內(nèi)海域的潮流動(dòng)力條件產(chǎn)生的影響很小，近岸海域受到岸線形態(tài)影響潮動(dòng)力變化較大。杜鵬等[12]分析發(fā)現(xiàn)膠州灣圍填海工程對附近海域的流場具有較大影響，余流以及潮流變化顯著。陸榮華[13]采用對廈門灣5個(gè)典型歷史時(shí)期潮流場進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)圍填海工程的建設(shè)對漲落潮潮流流態(tài)基本沒有影響，而由于工程建設(shè)減小了海域面積，海灣納潮能力減小，灣內(nèi)潮流流速也減小。

澳門位于廣東省珠江河口西側(cè)，北面是拱北經(jīng)濟(jì)特區(qū)；東面與香港隔海相望；西側(cè)大、小橫琴島(圖1)。澳門水域潮型為不規(guī)則半日潮，兩次高(低)潮潮位都不等，成明顯的日潮不等現(xiàn)象。漲落潮歷時(shí)相差不大，潮流屬往復(fù)式半日潮流。澳門東側(cè)水域漲潮流為西北走向，落潮流為東南、西南走向，轉(zhuǎn)流時(shí)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。澳門水道及十字門水域潮流呈不規(guī)則往復(fù)流，澳門水道以及上游洪灣水道漲落潮流為東西走向，十字門水道為南北走向，漲落潮流主要來自東側(cè)外海伶仃洋和上游洪灣水道下泄徑流等，洪灣水道對于澳門水域匯流區(qū)、十字門水道等起調(diào)節(jié)作用。澳門地理位置特殊，為尋求發(fā)展空間而通過圍填海工程不斷向海擴(kuò)展土地，岸線形態(tài)不斷發(fā)生變化(圖2)，澳門水域地形地貌及水動(dòng)力條件也因此發(fā)生變化。通過分析澳門岸線變遷的特征，根據(jù)實(shí)測地形資料探討圍填海工程對地形地貌和水動(dòng)力的影響有利于深入認(rèn)識地形地貌演變與潮流動(dòng)力間的互饋關(guān)系。同時(shí)，可為今后多種形式岸線變遷共同作用下潮流動(dòng)力變化的研究提供支撐。

圖1 澳門地理位置

圖2 澳門圍填海工程進(jìn)程

1 人類活動(dòng)對澳門海域潮波變形的影響

1.1 澳門海域潮汐調(diào)和分析

分潮的概念即將潮汐實(shí)際的運(yùn)動(dòng)劃分為一定數(shù)量的有規(guī)律的分振動(dòng)，分離出的分振動(dòng)具有一定的周期和振幅等要素，即為分潮。而潮汐調(diào)和分析的原理主要是基于強(qiáng)迫震動(dòng)和小震動(dòng)疊加來計(jì)算各個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)，包括振幅和遲角。海面在周期性外力作用下發(fā)生漲落潮,其震動(dòng)周期和引潮力周期相一致。潮汐理論把潮汐分成一系列簡諧振動(dòng)之和,每一個(gè)簡諧振動(dòng)稱為一個(gè)分潮,某時(shí)刻的潮高可以表示為:

(1)

式中：a0為觀測期的平均海面，Hj為分潮振幅，fj為分潮遲角因子，(V0+u)-gj為分潮的初位相，σj為角速度，m是分潮的個(gè)數(shù)。令fH=R，(V0+u)-gj=-θj，潮汐為多個(gè)分潮疊加而成，則有：

(2)

取a=Rcosθ,b=Rsinθ，得到：

(3)

基于澳門站(22°11.28′N，113°31.82′E)1986年至2017年逐年實(shí)測潮位資料進(jìn)行調(diào)和常數(shù)計(jì)算(圖2)，以主要淺水分潮與主要半日分潮振幅比HM4/HM2(淺水影響系數(shù))來分析澳門海域歷年潮波變形分析。HM4/HM2比值越大，說明海域漲落潮歷時(shí)差值越大，反之亦然。1986、2010和2018年澳門站各分潮振幅如圖3所示，各分潮振幅變化幅度較小，澳門附近海域正規(guī)半日潮特征受圍填海工程影響較小。澳門站淺水影響系數(shù)隨著圍填海強(qiáng)度的增大而逐漸增加(圖4)，說明圍填海強(qiáng)度越大，澳門附近海域漲落潮歷時(shí)差越大。

圖3 澳門站歷年分潮振幅

圖4 淺水影響系數(shù)與圍填海強(qiáng)度關(guān)系

1.2 澳門海域潮波突變分析

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。對于樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

可見秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下定義統(tǒng)計(jì)量：

式中：UF1=0，E(sk)和var(sk)是(sk)的均值和方差。

在x1，x2，……,xn相互獨(dú)立，且具有相同連續(xù)分布時(shí)，可由下式算出：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正太分布，它是按時(shí)間序列順序x1，x2，……,xn計(jì)算出來的統(tǒng)計(jì)量序列。再按時(shí)間序列逆序xn，xn-1，……,x1，重復(fù)上述過程，同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,……，1)，UB1=0。給定顯著性水平α，α=0.05，臨界值u0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±1.96兩條直線均繪在同一圖上。

統(tǒng)計(jì)分析澳門站1960—2016年潮位特征，分析澳門站歷時(shí)潮位特征變化和突變趨勢(如圖5～6)，經(jīng)過MK檢驗(yàn)分析，澳門站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年間主要成下降趨勢，在1970年左右下降趨勢明顯，在2000年以后成上升趨勢，尤其在2010年以后上升趨勢明顯；澳門站的年平均高、低潮位發(fā)生突變的時(shí)間均在2005—2008年間，經(jīng)分析這期間澳門岸線變化強(qiáng)度最大達(dá)到400%。說明人類活動(dòng)尤其是圍填海工程對海域潮波變形存在直接的影響。

圖5 澳門站年平均低潮位MK檢驗(yàn)

圖6 澳門站年平均高潮位MK檢驗(yàn)

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

2.1 模型建立

澳門水域受潮流、徑流共同作用，潮汐通道交錯(cuò)，水文條件復(fù)雜。通過CJK3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建澳門水域二維潮流數(shù)學(xué)模型，復(fù)演澳門水域的潮流運(yùn)動(dòng)過程。

1)基本方程

式中：z為潮位；h為水深；H為總水深；u和v分別為x和y方向上的流體速度；f=2Ωsinφ為Coriolis系數(shù)，其中Ω為地球自轉(zhuǎn)角速率，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；C為謝才系數(shù)；t為時(shí)間；Nx和Ny分別為x和y方向上的水流紊動(dòng)黏性系數(shù)。

采用有限體積法對水動(dòng)力泥沙方程進(jìn)行離散，其具體離散方法及邊界條件的處理參考文獻(xiàn)[14]。

2)模型范圍及參數(shù)

整體數(shù)學(xué)模型包括珠江口主要水系網(wǎng)，西側(cè)邊界至廣西陽江附近，東側(cè)邊界至廣東汕尾附近，南側(cè)邊界至珠江口以南250 km處的開闊水域(圖7左)。大模型外邊界通過全球潮汐預(yù)報(bào)模型Tide-Process提供。局部數(shù)學(xué)模型的北側(cè)邊界到達(dá)九州島，西側(cè)邊界設(shè)在磨刀門附近，東側(cè)邊界至桂山島西，南側(cè)邊界至工程區(qū)以南約30 km處(圖7右)。采用三角形網(wǎng)格剖分單元，模型網(wǎng)格199 045個(gè)，最小網(wǎng)格邊長25 m。開邊界設(shè)置為上游流量控制，下游水位控制。

圖7 模型范圍

2.2 模型驗(yàn)證及計(jì)算條件

數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證采用2017年10月6日—7日枯季大潮水情，包括3個(gè)潮位站(九州港、澳門外港、澳門南端)，6條潮流垂線，率定內(nèi)容包括潮位、潮流，驗(yàn)證點(diǎn)如圖8所示。計(jì)算方案及計(jì)算條件如圖9和表1所示。圖10為潮位驗(yàn)證圖，圖11為潮流驗(yàn)證圖。根據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果可見，潮位計(jì)算偏差值在0.1 m以內(nèi)，潮流流速偏差不超過10%，流向計(jì)算偏差基本不超過5°。

圖10 潮位驗(yàn)證圖

圖11 潮流驗(yàn)證圖

表1 模型計(jì)算條件及方案說明

圖8 2017年水文測驗(yàn)測站布置示意

圖9 計(jì)算方案

計(jì)算選取洪季半月潮，根據(jù)2016年—2018年三年的大九洲潮位資料統(tǒng)計(jì)，根據(jù)該站三年高潮位、低潮位和潮差累積頻率計(jì)算，10%、50%、90%典型代表潮大潮、中潮、小潮的潮差為2.26 m、1.63 m、1.10 m。模擬年份中選取1986年為本底作為對照，對2010年和2019年進(jìn)行方案分析。

3 人類活動(dòng)對澳門海域水動(dòng)力的影響

3.1 圍填海工程對漲落潮歷時(shí)的影響

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，分別提取1986年、2010年、2019年采樣點(diǎn)處4個(gè)周期內(nèi)潮位歷時(shí)曲線并統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算時(shí)間內(nèi)的平均漲落潮歷時(shí)(見圖12)。1986年至2019年間澳門水域潮位變化幅度較小。

從空間上看，1#點(diǎn)位于十字門水道，由于采樣點(diǎn)靠近岸線，該處潮動(dòng)力受徑流和岸線形態(tài)影響比較明顯，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；靠近東側(cè)海域的3#采樣點(diǎn)處變化最小，而澳門水道兩側(cè)岸線變化后徑流動(dòng)力影響范圍擴(kuò)大，2#、4#點(diǎn)受潮流、徑流的共同作用潮位有所下降。根據(jù)歷年漲落潮歷時(shí)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)，澳門水道靠近外海處漲落潮歷時(shí)有減小趨勢，落潮流優(yōu)勢有所削弱，同時(shí)也說明潮波的淺水效應(yīng)較弱，潮波變化不明顯。另外，十字門處1#點(diǎn)漲落潮歷時(shí)比均大于1.1，2010年岸線變化后歷時(shí)比接近1.2，說明水道寬度的減小導(dǎo)致漲落潮不對稱現(xiàn)象，潮波發(fā)生較明顯的變形。整體來看，澳門水道以及東側(cè)近海水域漲落潮歷時(shí)比接近1，漲落潮歷時(shí)基本相當(dāng)，潮波變形程度不明顯。1986年至2010年期間十字門水道以及上游洪灣水道因整治工程岸線劇烈縮窄，可能產(chǎn)生涌潮現(xiàn)象，因此歷時(shí)比變化相對較大。從空間上看，澳門水域漲落潮不對稱現(xiàn)象由上游向外海逐漸減小。

表2 各采樣點(diǎn)漲落潮歷時(shí)

3.2 圍填海工程對流速的影響

從不同年份模擬的流場分布圖(如圖13和圖14)可見，澳門海域漲潮流分為三股，一股以北偏西然后沿正北方向進(jìn)入十字門水道，一股以北偏西方向進(jìn)入澳門水道，另外一股向北繼續(xù)上溯，在大九洲以北至淇澳島間水域與上游西灘下泄的水沙相遇，相互頂托形成徑潮相互作用的滯流、回流區(qū)。進(jìn)入十字門水道漲潮流在漲潮初期與澳門水道下泄徑流相互頂托，在十字門水道出口形成緩流區(qū)。澳門水道漲潮流流向與機(jī)場跑道走向一致。澳門海域落潮流也分為三股，一股是沿澳門水道下泄落潮流，一股是經(jīng)十字門水道下泄，另外一股是伶仃洋西灘下泄落潮流。其中澳門水道及伶仃洋西灘落潮流主要影響澳門東側(cè)水域，影響范圍較廣。

圖13 2010年漲急流態(tài)

圖14 2019年落急流態(tài)

圍填海工程后，澳門水域潮流的往復(fù)流特征不變，澳門水道潮量因斷面面積的減小而減小，漲落急流速普遍減小，澳門新城A區(qū)人工島及珠澳口岸工程附近產(chǎn)生雍水現(xiàn)象，流速亦呈減小趨勢。

如圖15，1986—2010年期間，圍填海工程前后十字門水道、澳門水道處潮流走向沒有變化，澳門機(jī)場人工島建設(shè)后截留的潮流被分成兩股，其中一股從機(jī)場東側(cè)進(jìn)出澳門水道，另一股潮流動(dòng)力較弱，在澳門機(jī)場西側(cè)海域流動(dòng)。潮流流向基本與主要水道的走向平行。

圖15 1986—2010年漲急和落急時(shí)刻流速差值圖

圍填海工程后，澳門水域的流速整體下降，從變化幅度來看落急流速受到的影響更大，這也說明澳門水道以及東側(cè)海域落潮流優(yōu)勢減弱，漲落潮趨于平衡。

如圖16，2010—2019年期間，人工島建設(shè)后對南北走向潮流產(chǎn)生阻擋，局部地區(qū)產(chǎn)生雍水和繞流，因此流速有所減??；珠澳口岸南北走向的岸線則對潮流產(chǎn)生引導(dǎo)作用，東側(cè)流速有所增大。落急時(shí)刻澳門水道出口處流速有所增大。

圖16 2010—2019年漲急和落急時(shí)刻流速差值圖

3.3 圍填海工程對余流的影響

澳門在進(jìn)行大規(guī)模圍填海工程前，澳門半島以及路氹兩島岸線曲折，1986年余流分布比較復(fù)雜(圖17～圖19)。澳門水道的余流成東西走向往東側(cè)海面行進(jìn)，在氹仔島東北端進(jìn)入路氹兩島之間形成順時(shí)針流場分布；路環(huán)島南側(cè)余流由南向北行進(jìn)至路氹東側(cè)后形成逆時(shí)針流動(dòng)。澳門水道的東西流和路氹公路東側(cè)的南北流在交匯區(qū)方向相反、對沖流動(dòng)，因此在路氹東側(cè)間的海域出現(xiàn)較明顯的低流速區(qū)。

圖17 1986年澳門水域余流場分布

圖18 2010年澳門水域余流場分布

圖19 2019年澳門水域余流場分布

從空間分布來看，水道內(nèi)余流流速大于東側(cè)海域，余流流速整體較小。2010年與1986年相比，澳門水道處余流流速減小，靠近主槽的3#點(diǎn)處水深增大，流速減小0.07 m/s(圖20和圖21)；1#、7#點(diǎn)余流流速小幅增加，這與洪灣水道束窄后徑流影響范圍增加有關(guān)。機(jī)場建設(shè)后，形成西側(cè)半封閉水域，潮動(dòng)力進(jìn)一步減弱，8#采樣點(diǎn)余流減小0.02 m/s左右，且受到路氹連島圍填的影響，余流偏轉(zhuǎn)角度較大達(dá)37°。2019年余流流速則基本不變，靠近岸線的2#點(diǎn)處減小幅度最大為0.02 m/s。從3#、4#點(diǎn)的余流變化來看，澳門新城A區(qū)填海和珠澳口岸人工島對澳門水域余流的影響有限。

圖20 余流采樣點(diǎn)示意

圖21 采樣點(diǎn)余流流速統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語

基于長序列潮位資料，采用調(diào)和分析和MK檢驗(yàn)方法分析了澳門水域及附近海域歷史潮波特性，并建立大范圍二維潮流數(shù)學(xué)模型，以珠澳人工島及澳門新城A區(qū)等大型工程為研究對象，研究人類活動(dòng)影響下的澳門及附近海域水動(dòng)力變化特征。

1)澳門站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年間主要成下降趨勢，在1970年左右下降趨勢明顯，在2000年以后成上升趨勢，尤其在2010年以后上升趨勢明顯；澳門站的年平均高、低潮位發(fā)生突變的時(shí)間均在2005—2008年間，這期間澳門岸線變化強(qiáng)度最大達(dá)到400%。說明人類活動(dòng)尤其是圍填海工程對海域潮波變形存在直接的影響。

2)澳門在1986年以后圍填海工程規(guī)模較大，岸線形態(tài)變化劇烈。1986年至2010年期間是澳門圍填海工程發(fā)展的黃金時(shí)期，岸線變化也最為明顯。2010年至2019年期間澳門圍填海工程從澳門本島逐漸轉(zhuǎn)移至澳門半島東側(cè)新城A區(qū)以及珠澳口岸等人工島的建設(shè)。

3)1986、2010和2018年澳門站各分潮振幅變化幅度較小，澳門附近海域正規(guī)半日潮特征受圍填海工程影響較小。圍填海強(qiáng)度越大，澳門附近海域漲落潮歷時(shí)差越大。

4)澳門水道以及東側(cè)近海水域潮波變形程度不明顯。1986年至2010年期間十字門水道以及上游洪灣水道漲落潮歷時(shí)比變化相對較大。從空間上看，澳門水域漲落潮不對稱現(xiàn)象由上游向外海逐漸減小。

5)圍填海工程使得澳門岸線由曲折變?yōu)槠骄?，?dǎo)致澳門水域內(nèi)余流略微減小。