规划工程建设对渤海湾水交换能力的影响

张 云

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

渤海是我国唯一的内海，近年来随着人类活动的加剧，渤海有一半的海域都受到严重污染，其作为天然渔场的功能已经基本丧失［1］。严重污染海域主要分布在人口密度大、工业区集中的大中城市沿海地区。渤海湾是一个典型的半封闭型海湾，临近京津等工业城市，陆源排污量大，海洋污染严重，随着“环渤海经济圈”战略计划的推进，越来越多的人类活动参与到海洋中来，影响海域的海洋动力条件，进而影响到海湾的水交换能力。许多学者对渤海湾的水交换能力进行了研究［2-3］，但近年来多项已建、在建及将建工程使得该海域的潮流性质发生变化［4］。

渤海湾内主要有3个港区：天津港、黄骅港和唐山港。于2004年提出修编的《天津市滨海新区总体规划（2005～2020）》进一步加大了造陆面积，其中天津港南北疆港区之间的水域保持不变，北疆港区在现状基础上向北发展，东疆由填海造陆形成大型人工岛，面积约33.5 km2，南疆港区为狭长型人工岛，陆域面积为14.7～20 km2，临港工业区远期向南向东扩展至79 km2。黄骅港计划2009～2011年建设综合港区起步工程，包括码头、港池、内航道及后方陆域；2011年后根据需要，陆续建设综合港区的其他泊位。综合港区用海面积39.43 km2，其中陆域用海面积21.02 km2，港池、航道等水域用海面积18.41 km2。规划唐山港将形成以曹妃甸港区和京唐港区为支柱的总体发展格局。京唐港区岸线范围从湖林口至湖林新口，岸线长约11 km；曹妃甸港区岸线范围从青龙河口至双龙河嘴东口，岸线长21.5 km。

本文分别对该海域原岸线与远期规划（2020年）的海洋动力条件进行模拟分析，并在此基础上预测分析了渤海湾水交换能力及规划工程建设后渤海湾水交换能力的变化，对渤海湾沿海污染物排放的控制和优化决策提供科学依据和技术支持。

1 数学模型的建立

1.1 模型控制方程

式中：h为水位，m；H为水深，m；u、v分别为x、y（即东、北）方向的流速分量，m/s；f为柯氏力系数，s-1（f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，φ为计算区域平均纬度）；C为谢才系数，m1/2/s，C=H1/6/n，n为曼宁系数；t为时间，s；g为重力加速度，m/s2。

式（1）～式（3）构成了求解潮流场的基本控制方程。为了求解这样一个初边值问题，必须给定适当的初始条件和边界条件。

1.2 初边值条件

在本文采用的数值模式中，需给定水动力与水质模型的边界条件。

（1）水动力初边值条件。初始潮位取计算开始时的平均潮位，初始流速取0。开边界条件即水域边界条件，开边界给定潮位，即

所谓闭边界条件即水陆交界条件。在该边界上，水质点的法向流速为0，即

（2）水质模型初边值条件。岸界和垂直边界采用无通量条件。开边界选为：出流，辐射条件；入流，无梯度条件。初始浓度根据渤海湾内部劣于外部的实际情况，采用渤海湾内为1单位，渤海其余部分为0.5单位的分布。

1.3 数值求解

本文采用等间距网格的差分方法求解，利用ADI（Alternating Direction Implicit）法，在矩形域中，分别于x方向和y方向求解，使问题转化为求解2个三对角矩阵，具体的离散方程不再叙述。

1.4 计算域、网格设置

渤海潮流场的计算范围包括了整个渤海（图1）。模型的开边界定在远离研究区域的122°经线上，边界水位由南北2个验潮站（大连和烟台）的调和常数（M2、S2、K1、O1）计算后插值得到，计算网格取 1 000 m×1 000 m，总计算网格数为 390×480，面积约187 200 km2，模型选取时间步长为180 s。

2 计算结果

2.1 模型验证

渤海潮流计算结果与渤海沿岸10个验潮站位的分潮振幅与迟角进行了比较，计算值与实测结果均基本吻合（表1）。可见该模型所模拟的潮流运动基本能够反映渤海海域的水流状况，可作为进一步分析计算的基础资料。此模型在蓬莱港、天津港、营口港等海区的潮流计算中也得到了较好的验证［5-7］。图2、图3分别为渤海涨落急时刻潮流场图，涨潮中间时海水由渤海中部海域流入计算域，计算域中部潮流流速大于岸边附近的流速。而落潮中间时海水由渤海湾内向东流出计算域，进入渤海中部海域，其趋势与涨潮流对应时刻相同，但方向相反。

调和分析后得到的渤海各分潮的等振幅与同潮时线图亦与DOU、XIE［8-10］等人的计算结果相一致。

表1 渤海潮汐观测站各分潮调和常数与计算结果比较Tab.1 Simulated and observed tide harmonic constant

2.2 交换能力分析

在以上初边值设置情况下，通过对渤海海域全年流场、浓度场的数值模拟，可以得到1 a内污染物的运动状况。图4为渤海湾规划工程前的年交换率等值线图，由图4可以看出，渤海湾西南部地区的水交换能力最差。图5为渤海湾规划工程实施后的年交换率等值线图。图6给出了规划工程实施前后的年交换率变化等值线图。可以看出，工程实施后渤海湾内的交换率分布发生了明显变化，渤海湾湾口至湾顶的中部区域交换率表现为增大，增幅为1%的范围由湾口的15 km宽度增大为天津港主航道口门外边缘的45 km宽度，最大增幅达50%以上；曹妃甸与黄骅港附近的局部区域交换率也有所增大，但影响范围不大。渤海湾西北部海域交换率减小，减幅为10%～20%，天津市的排污口多分布在此区域内，这不利于排污口污染物的输移扩散。

3 结论

本文所建立的数学模型经验证可以较好地模拟渤海的潮流场。通过对渤海湾内规划工程建设前后的交换率进行计算分析，可以看出，渤海湾内规划工程的建设使得渤海湾湾口至湾顶的中部区域交换率增大，其余大部分区域交换能力减小，将不利于排污口排放的污染物向外迁移扩散。

［1］王书明，周艳，李岩.渤海污染及其治理研究回顾［J］.中国海洋大学学报，2009（4）：27-31.

［2］何磊.海湾水交换数值模拟方法研究［D］.天津：天津大学，2004.

［3］魏皓，田恬，周锋，等.海湾水交换的数值研究——水质模型对半交换时间的模拟［J］.青岛海洋大学学报，2002，32（4）：519-525.WEI H，TIAN T，ZHOU F，et al.Numerical Study on the Water Exchange of the Bohai Sea：Simulation of the Half-Life Time by Dispersion Model［J］.Journal of Ocean University of Qingdao，2002，32（4）：519-525.

［4］刘爱珍.天津港规划工程对渤海湾 M2 分潮的影响［J］.水道港口，2008（S1）：55-59.

［5］周斌，王连湘，刘爱珍，等.蓬莱港通用码头环境影响报告书［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2006.

［6］李欣，刘爱珍.辽宁龙德船业海洋环境影响报告书［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2006.

［7］张光玉，李亚娟，刘爱珍，等.天津港总体规划环境影响报告书［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2006.

［8］窦振兴，罗远诠，黄克辛.渤海潮流与潮余流的计算［J］.海洋学报，1981，3（3）：355-369.DOU Z X，LUO Y Q，HUANG K X.Numerical Computation of Tidal Current and Tide-Induced Residual Circulation of the Bohai［J］.Sea Acta Oceanologica Sinica，1981，3（3）：355-369.

［9］Dou Zhengxing，Yang Lianwu，Jose Ozer.Numerical simulation of three-dimensional tidal current in the Bohai Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica，1994，13（2）：155-172.

［10］Xie Liusen，William W H，James A H.A Tidal Model of Bohai［J］.Continental Shelf Research，1990，10（8）：707-712.