海岸工程对渤海湾风暴潮高潮位影响分析

章卫胜，陈 晨，李 鑫，张金善

(1.南京水利科学研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210024;2.河海大学港口海岸及近海工程学院，江苏南京 210098)

海岸工程对渤海湾风暴潮高潮位影响分析

章卫胜1，陈 晨2，李 鑫2，张金善1

(1.南京水利科学研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210024;2.河海大学港口海岸及近海工程学院，江苏南京 210098)

渤海湾是全世界受风暴潮灾害最严重的地区之一。近年来渤海湾建设了大量的大型海岸工程，为研究其建设以后风暴潮可能发生的变化，采用大-中-小区域多重嵌套方法，建立渤海风暴潮二维数值模型。以对渤海海域影响最显著的9216、9711台风和2003年10月三次风暴潮为例，对渤海湾大型工程实施前、后的风暴潮过程进行模拟，分析工程实施后风暴潮高潮水位变化，为工程实施可能对风暴潮防护带来的影响提供基础。计算表明，由于沿岸围垦减小海域的纳潮受水面积，海水被挤压抬升，渤海湾海域工程后风暴潮高潮位普遍抬升。在特大风暴潮作用下，水位最大升高可达0.10 m以上，在堤防设计中需引起重视。

风暴潮;渤海湾;台风;寒潮;海岸工程

渤海湾位于渤海西部。海底地形大致自岸向海倾斜，平均水深12.5 m左右;沉积物主要为细颗粒的粉砂与淤泥。面积1.59万km2，约占渤海1/5。据资料统计，渤海湾是全球风暴潮灾害最严重的地区之一［1］，风暴潮一年四季均有发生。由于半封闭海域范围有限、水深较浅，风暴潮增减水影响十分明显，历史上渤海湾曾多次发生强风暴潮灾害，给社会经济和人民生命财产带来巨大损失［2］。

从风暴潮产生的天气原因一般可分为热带气旋引起的台风暴潮和由温带天气过程所引起的温带风暴潮［3］。渤海湾是我国少数同时受多种风暴潮影响的海区之一。受热带风暴北上影响在渤海湾产生的风暴潮，一般出现在7～9月份。在春、秋季节，我国渤海和黄海北部是冷暖空气频繁交汇的地方，冬季又频繁受冷空气和寒潮大风袭击，易形成温带风暴潮或风潮(因寒潮或冷空气不具有低压中心，这类风暴潮又称为风潮［3］)。据统计［1］，49 年(1950 ～1998)中，天津塘沽站共出现50 cm 以上的风暴增水3 833 d，平均每年78.2 d;这期间共出现1 m以上的温带风暴增水459 d，平均每年9.3 d。

从产生风暴潮的水域特征分类来看，渤海湾风暴潮为半封闭海湾中的风暴潮。其主要特征是大气扰动的水平尺度大于海域的水平尺度。区别于广阔大洋或大陆架上的风暴潮，半封闭海域中水体或多或少是以整体对大气挠动力进行反应［3］，同时风暴潮过程将受到岸边界的作用。事实上，很早研究者就关注海岸形态对近岸风暴潮的影响。Proudman［4］曾对狭长非均匀断面中的线性风暴潮传播进行理论分析，认为断面的缩窄将使得风暴潮高水位抬升、低水位降低。在理论上对边界和地形对风暴潮的影响进行了分析。Keulegan［5］曾通过考虑“形状因子”考虑海域形状对于迎风岸上风暴潮位的影响，并讨论极端的三角形收缩海域和扩散海域风暴潮值的差异。这些研究给出了岸边界对风暴潮的定性影响，所不足的是，他们的研究都基于线性理论，而非线性效应在近岸风暴潮传播过程中是不可忽视的。由于非线性效应给理论分析带来很大困难，后来研究者多采用数值模拟的方法对海岸风暴潮进行研究［6-11］，但研究主要关注对风暴潮过程模拟，没有涉及到岸线改变对风暴潮的影响;同时他们的模拟大多基于矩形或正交曲线网格，对岸线的拟合存在较大的误差。

图1 渤海湾海岸工程示意Fig.1 Schematic diagram of coastal engineering in Bohai Bay

近年来渤海西部经济发展较快，特别是天津和河北地区，相继有滨海新区和曹妃甸港区建设，对沿海地区的土地开发日益加强，海岸地区的围海工程建设规模不断扩大，使得海岸岸线不断改变。渤海湾沿海在最近几年进行了大规模的海岸工程建设如曹妃甸基地、天津港扩建、南港、天津滨海旅游区等(图1)。海岸工程的建设会引起海岸动力、生态、泥沙运动等近岸环境的变化，已经引起科研人员和政府部门的重视［12-14］，然而海岸工程建设对于风暴潮防护的影响，国内外鲜有研究，而海岸工程通过改变海域形态、动力环境对风暴潮将造成一定的影响是显而易见的。采用大-中-小模型相结合方法，利用大模型提供边界条件、局部模型利用相对精细的三角形网格对海岸和工程进行高精度的模拟，对渤海湾历史上的三次典型风暴潮过程进行模拟，并与渤海湾海岸工程实施以后相同风暴潮模拟结果进行比较，研究海岸工程建设改变岸线形态以后风暴潮增减水和风暴潮位的变化。

1 风暴潮模型的建立

风暴潮模型采用大、中、小三层嵌套模型方法。其中大模型范围包括东中国海和南中国海(图2)，模型采用球面坐标系下方程，网格尺度为2'×2';离散方法采用DSI法［15］，模型边界采用8个主要调和常数(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)预报潮位。计算时考虑风场和气压场作用。中模型范围渤海、北黄海，采用贴体正交网格，网格尺寸在300～1 000 m之间，采用ADI方法计算［16］。中模型利用大模型提供边界条件，计算域考虑风场和气压场作用。小模型计算范围为渤海，采用非结构三角形网格，网格尺度在30～1 000 m之间(图3);利用中模型提供潮位边界条件，同时考虑风场、气压场作用，离散方法采用通量差分裂格式(FDS)-Roe黎曼近似解［17］。

下面给出小模型直角坐标系下二维潮流运动控制方程。

连续性方程:

运动方程:

式中:ζ为潮位，即以参考基面为准的水面位置;H为总水深，H=ζ+h，h为海底到参考基面的距离;HU≈

分别为 x、y 方向垂线平均流速，u，v为分层流速;pa为大气压强;τsx，τsy为海面风应

力分量;f为柯氏力参数;ρ为海水密度;g为重力加速度;τsx，τsy表面风应力分量。

其中，ρa为空气密度为海面上10 m处的风速大小，wx，wy为x、y方向的分量，CD为风拖曳力系数，取以下形式［18］:

τbx，τby为底摩擦应力分量，底摩擦应力采用如下形式:

其中，n 为曼宁系数;εx，εy为 x、y 方向紊动粘性系数，按 Smagorinsky 公式［19］计算。

图2 渤海风暴潮数学模型范围Fig.2 Models of the Bohai Sea storm surge

图3 渤海湾工程局部网格布置Fig.3 Local grid layout near the Bohai Bay project

模型中气压场和风场模型，由大气模型MM5经过实测资料验证计算得到(图4)。MM5是美国宾夕法尼亚州立大学/国家大气研究中心(PSU/NCAR)从20世纪80年代以来共同开发的第5代区域中尺度数值模式，该模式是具有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统［20］。

2 风暴潮过程模拟

根据渤海风暴潮资料统计，对1980年以后对渤海湾影响典型的三次风暴潮:9216、9711台风风暴潮和2003年10月温带风暴潮(表1)进行模拟。图5为9216和9711台风路径示意图;图6为2003年10月寒潮大风风暴潮最大增水时刻风场图。

图7(a)、(b)和(c)分别为模型计算9216、9711台风和2003年10月寒潮大风期间渤海湾测站的风暴潮潮位和风暴潮增减水验证。从验证结果来看，模型计算的最大增水分别为1.58 m、2.06 m、2.04 m，与实测值相比误差分别为0.04 m、0.10 m、0.06 m;模拟的增减水发生的时刻也对应较好;表明风暴潮模型在对现场风暴潮过程的模拟具有较高的精度。

图4 模拟风速和气压与实测资料对比Fig.4 Comparison of simulated wind speed and air pressure with the measured data

表1 塘沽站三次典型的风暴潮特征Tab.1 Characteristics in three typical storm surges of Tanggu station

图5 9216和9711台风路径Fig.5 Typhoon tracks of 9216 and 9711 tropical cyclone

图6 2003年10月风暴潮最大增水时刻风场Fig.6 Wind field in time of the largest storm surge in Oct.2003

图7 计算风暴潮过程与实测过程对比Fig.7 Calculated and measured values of storm surge

3 渤海湾围垦规划工程实施以后风暴潮的变化

为了比较渤海湾规划工程实施以后对风暴潮潮位造成的影响，以拟建工程包括周边规划的工程建设实施以后的岸线边界建立起数值模型，将经验证后的模型边界和台风场、气压场对模型进行驱动计算，模拟岸边变化以后的风暴潮过程。

图8为渤海湾工程实施后和原岸线情况下9216、9711以及2003年10月风暴潮期间最高潮位值的比较。可以看出，拟建的泰达工程及周边规划工程建设以后，海域在同样风暴潮作用下的最高潮位有明显增加趋势，其中9216台风风暴潮最高潮位增幅一般在0.05～0.09 m左右，局部达0.12 m，主要在渤海湾南岸;9711台风期间最高潮位的变化相类似，2003年10月寒潮风暴潮最高潮位的变化略小，一般在0.04～0.08 m左右。表2为模型中取点工程前后风暴潮高潮位比较(点位见图1)。由表2可知:

1)9216台风作用下，规划工程实施以后天津港北边的北疆电厂港池、汉沽渔港、永定河口工程后最高潮位增加0.05～0.06 m，天津港内最高潮位增加0.04 m左右。海河口增加0.01～0.04 m;临港工业区港池、独立减河口、南港内增加0.01～0.02 m。黄骅港增加0.04～0.11 m，幅度较大。

2)9711台风作用下，北疆电厂港池、汉沽渔港、永定河口、天津港内最高潮位增加0.04～0.05 m;海河口增加0.04 ～0.08 m，临港工业港增加0.06 ～0.0.7 m，独立减河和南港增加0.07 ～0.08 m 左右。黄骅港内最高潮位增加0.01 ～0.09 m。

3)2003年10寒潮大风作用下，北疆电厂港池内水位抬升0.07～0.09 m，汉沽渔港内抬升0.06 m左右;永定河口最高潮位抬升0.01～0.03 m，天津港抬升0.05 m左右，海河口抬升0.00～0.02 m。临港工业港区、独立减河口、南港最高潮位变化－0.03～0.02m之间。黄骅港内最高潮位变化在0.05～0.07 m左右。

可以看出，渤海湾海域工程后高潮位普遍有所抬升。虽然风暴潮潮位与台风路径或寒潮路径关系十分密切，但由于工程建设使得海域面积缩小，海水被挤压抬升，局部影响在0.10 m以上。《海堤工程设计规范》中对规定对风暴潮影响严重的区域应对设计潮位进行分析研究。由于海岸工程多为近年或未来建设，没有足够实测潮位资料反映，这是海堤设计时需要注意的地方。

图8 工程前后风暴潮最高潮位比较(实线表示规划工程后，虚线表示工程前;单位:m，85国家高程基面)Fig.8 The highest water level with and without planned projects in Bohai Bay(solid line for planned project;dotted line for current;in m，National Height Datum 1985)

表2 工程前后风暴潮最高水位变化(85国家高程基面)Tab.2 Variations of the highest water level of storm surges with and without planned projects(the base surface elevation 1985)

4 结语

大型海岸工程的建设是我国近年海岸工程建设的特点，针对影响渤海海域显著的9216、9711和2003年10月三次风暴潮，建立渤海风暴潮模型对渤海湾规划工程实施前、后的风暴潮过程进行模拟，重点分析工程实施后三次风暴潮可能造成渤海湾高潮水位变化，研究探讨工程建设可能对防灾减灾和海堤堤防带来的影响。

研究显示由于沿岸围垦减小海域的纳潮受水面积，海水被挤压抬升，渤海湾海域近岸工程后风暴潮高潮位普遍抬升。在几次特大风暴潮大风作用下，规划工程实施以后天津港北部的北疆电厂港池、汉沽渔港、永定河口工程后最高潮位增加0.01～0.09 m，天津港内增加0.04～0.05 m;海河口最高潮位最大增幅0.08 m左右;临港工业区港池、独立减河口、南港内增加0.01～0.08 m，黄骅港增加0.04～0.11 m左右。

研究分析认为，海岸工程建设改变了岸线形态，对海岸高水位影响明显，在海岸工程建设和堤防设计时必须考虑水位抬升对海堤堤防防护的不利影响。

［1］吴少华，王喜年，宋 珊，等.天津沿海风暴潮灾害概述及统计分析［J］.海洋预报.2002，19(1):29-34.

［2］刘安国，张德山.环渤海的历史风暴潮探讨［J］.青岛海洋大学学报，1991，21(2):21-36.

［3］冯士筰.风暴潮导论［M］.北京:科学出版社，1982:2-4，203-204.

［4］Proudman J.The effect of friction on a progressive wave of tide and surge in an estuary［J］.Proc.Roy.Soc.Lond，1955，233(1194):407-418.

［5］Keulegan G H.The form factor in wind-tide formulas［R］.National Burean of standards Report，1952:No.1835.

［6］孙文心，秦曾灏，冯士筰.超浅海风暴潮的数值模拟(Ⅱ)——渤海风潮的一阶模型［J］;中国海洋大学学报:自然科学版，1980(2):7-19.

［7］吴少华，王喜年，戴明瑞，等.渤海风暴潮概况及温带风暴潮数值模拟［J］.海洋学报，2002，24(3):28-34.

［8］于福江，王喜年，宋 珊，等.渤海“9216”特大风暴潮过程的数值模拟［J］.海洋预报，2000，17(4):9-15.

［9］李 鑫，张金善，章卫胜.风暴潮耦合数值模式在渤海海域中的应用［J］.水运工程，2009(10):25-31.

［10］王培涛，董剑希，赵联大，等.黄渤海精细化温带风暴潮数值模式研究及应用［J］.海洋预报，2010，27(4):1-8.

［11］Zhang Yangting，Wang Yijiao.Numerical simulations of coupling effects between storm surge and astronomical tide，sea level and current fields in the Bohai Sea，Storm surges observations and modeling［C］//Proceedings of the International Symposium on Storm Surge.Beijing:China Ocean Press，1987:71-82

［12］刘 育.关注填海造陆的生态危害［J］.环境科学动态，2004(4):25-27.

［13］孙连成.塘沽围海造陆工程对周边泥沙环境影响的研究［J］.水运工程，2003(3):1-5.

［14］郭 伟，朱大奎.深圳围海造地对海洋环境影响的分析［J］.南京大学学报:自然科学版，2005，41(3):286-296.

［15］Maa J P Y.An efficient horizontal two-dimensional hydrodynamic model［J］.Coastal Eng.，1990，14:1-18.

［16］Peaceman D W，Rachford H H.The numerical solution of parabolic and elliptic differential equations［J］.Applied Mathematics，1955，3(1):28-41.

［17］赵棣华，姚 琪，蒋 艳，等.通量向量分裂格式的二维水流-水质模拟［J］.水科学进展，2002，13(6):701-706.

［18］WU Jin.Wind-stress coefficients over sea surface near neutral conditions a revisit［J］.Journal of Physical Oceanography，1980，10:727-740.

［19］Smagorinsky J.General circulation experiment with the primitive Equations［J］.Monthly Weather Review，1963，91(3):99-164.

［20］张金善，钟 中，黄 瑾.中尺度大气模式MM5简介［J］.海洋预报，2005，22(1):31-40.

The impact of coastal engineering on high water level of storm surges in Bohai Bay

ZHANG Wei-sheng1，CHEN Chen2，LI Xin2，ZHANG Jin-shan1
(1.Key Laboratory of Port，Waterway and Sedimentation Engineering，Ministry of Communications，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China;2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The analyses and investigations indicate that the storm surge disaster in Bohai Bay is one of the most severe ones in the world.To study changes of storm surge after construction of large-scale coastal engineering in Bohai Bay at present，a 2D numerical storm surge model is established with large-medium-small model nested approach.The three most typical storms surges:9216，9711 and by cold wave in October 2003 are simulated in the condition with and without implementation of planned projects in Bohai Bay.Changes of storm surge water level due to implementation of artificial projects are analyzed in this paper.The results show that because of water storage reducing，high level of storm surge is uplift after reclamation.The increase of maximum water level is about 0.10 m under larger storm surge，which needs to be taken into consideration in dike design.

storm surge;Bohai Bay;typhoon;cold wave;coastal engineering

TV148

A

1005-9865(2012)02-0072-07

2011-04-25

水利部公益性行业科研专项经费资助项目(2009010601，200801001);交通运输部西部科技项目经费资助(200632800003-03)

章卫胜(1979－)，男，安徽青阳人，工程师，主要从事海岸水动力研究。E-mail:weisheng_zhang@163.com

张金善