台州湾浅海滩涂大规模围垦下水动力变化分析

张琴，陶建峰，张长宽，戴玮琦，徐凡

（1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

河口海岸地区经济发达、滩涂资源丰富，沿海滩涂围垦是增加土地资源的主要途径，我国沿海进行了大量滩涂围垦开发活动（徐承祥 等，2004；张长宽等，2011）。河口海湾的围垦工程建设，改变海岸线轮廓，可能打破原有水动力和海床间的动态平衡，引起海湾内纳潮量的重新分配，继而引起河口海岸水动力与泥沙冲淤变化 （李加林等，2007），并最终达到新的平衡状态。陈道信等（2009） 针对温州市近期、中期和远期围垦工程，分析探讨了围垦对温州市近海和瓯江等各河口潮位、流速和潮量的变化情况。陶建峰等（2011） 分析了江苏近海大规模围垦对M2分潮波、主要潮汐通道的纳潮通量等的影响。王黎等（2013） 模拟了鳌江口江南围垦工程对洪、枯水期纳潮量、水位、流速及余流的影响。Song 等（2013） 模拟了渤海、黄河、东海滩涂围垦对整个海域水动力、潮流能等方面的影响。还有一些学者从悬沙浓度变化（王林素 等，2008）、河床冲淤演变（彭世银等，2002；倪勇强等，2003） 等角度开展了研究。水动力条件作为泥沙搬运和地形演变的基础，清晰认识大规模滩涂围垦前后的水动力条件变化十分必要。

台州湾位于浙江省沿海中部，西起浙江第三大水系椒江入海口，东至大陈岛，包括椒江河口的口外海域和黄礁以南的浅海海域（图1a）。椒江河口两岸潮间带发育，南岸有宽阔的台州浅滩，北岸有南洋海涂和北洋海涂（图1b）。建国以来为促进台州市社会经济发展，对台州湾浅海滩涂进行了大规模围垦工程。1983年以前，滩涂围垦工程主要集中在椒江口南部浅滩，岸线外移的平均速率约为23m/a（池云飞，2006）。自1984年起，近30年来，椒江口两岸进行了大规模的浅海滩涂围垦活动。通过不同年份遥感影像（各年份围垦岸线见图1b） 分析得到，1984-2013年间，南岸边滩（台州浅滩）岸线向海推进约5 000 m，平均速率达167 m/a，北部的南洋海涂、北洋海涂围垦，其岸线外移的速率分别为67 m/a 和110 m/a。1984-2013年间台州浅滩、南洋海涂及北洋海涂累计围垦面积约10 600 hm2。如此大规模的滩涂围垦，势必引起椒江河口及台州湾水动力变化。

本文利用基于有限单元法和有限体积法的开源模型TELEMAC-2D，计算了1984年和2013年台州湾海域的潮汐、潮流，系统分析了大规模滩涂围垦工程下，岸线大尺度推进所引起的水动力特征变化，以期为今后的围垦工程决策提供参考。

1 数学模型

1.1 TELEMAC-2D 模型简介

TELEMAC 系统是一套适用于模拟河流、河口和海岸二、三维水动力、泥沙、水质和生态等问题的模型系统（EDF-DRD，2013），由法国国家水力学与环境实验室开发，基于有限单元或有限体积数值求解。TELEMAC-2D 作为TELEMAC 系统中的一个二维模块，可以用于研究水流、风暴潮、波浪、泥沙和污染物输移等。模型功能包括：考虑非线性影响的波浪传播、底摩阻、科氏力影响、气压和风、紊流、河流入流、水平温盐密度梯度、干湿网格判断等。其网格划分为不规则三角形网格，对于重要区域可进行局部加密，对复杂地形的适用性比较强。TELEMAC-2D 在西欧、加拿大和美国等地区与国家河流模拟中应用较为广泛（Horritt et al， 2002； Nicolle et al， 2007； Villaret et al，2013），在中国的应用则比较少。张诚（2008） 应用TELEMAC-2D 对长江口盐水入侵对青草沙水源地的影响进行了研究。童朝锋等（2012） 应用TELEMAC-2D 系统建立长江口盐水数值模型，计算了不同径流、潮汐条件下，崇启大桥桥墩区域的潮位和盐度变化过程。

1.2 基本方程

TELEMAC-2D 基于二维浅水方程，对非线性项采用了相应的假定和近似（Hervouet et al，2007），其控制方程为：

式中：h=η+d 为全水深；d 为静水深；η 为自由表面；t 为时间；u，v 分别为x，y 方向的流速分量；g 为重力加速度；vt为紊动涡粘系数；f 为科氏力系数。

1.3 计算区域及模型设置

台州湾二维水动力模型计算域包含椒江以及台州湾近海海域（图1a），北至象山县，南至温州市，南北范围为27.8°N-29.6°N，东至123°E，避免岸线变化对边界潮位的影响。模型采用三角形网格，考虑到近岸水流、地形梯度的差异，对河口区域进行网格加密，最小空间步长为50 m。为满足稳定性要求，时间步长取10 s。模型水平涡动粘性系数采用k-ε 模型计算。初始条件以零启动的形式给出。闭边界采用不可入条件。椒江上游给定流量作为边界输入，外海开边界给定潮位边界，由东中国海潮波数学模型提供（张东生等，1996）。

图1 模型计算区域、岸线变化及模型验证点位置

最近，王震等（2014） 分析了椒江河口湾海床演变，得到：1970-1998年台州浅滩微淤，1998-2006年，台州浅滩微冲，而2006-2013年，台州浅滩滩面基本不变，椒江航道深泓基本不变、略有冲刷，趋于床面基本稳定。可见台州湾海域1984年和2013年的水下地形相差不大。为了准确估计岸线推进对水动力的影响，围垦前后模型的水下地形均采用2013年实测地形，滩涂地形通过线性插值给出。

1.4 模型验证

模型计算了2011年11月7日至21日的大、中、小潮连续潮流场，并采用同步实测资料的海门站、琅矶山站为潮位验证点，同期实测流速测点T1、T2、T3为潮流验证点（点位见图1b）。限于篇幅，本文只列出大潮期的验证结果，潮位验证过程见图2，潮流验证过程见图3。由图可见，计算值与实测值整体吻合良好。琅矶山站潮位略有偏低，分析其原因可能是该站位于椒江口外南侧，紧贴2013年围垦岸线外缘，模型并未很好反映围垦堤塘对水流的阻滞所带来影响，但其涨落趋势与实测一致。

图2 潮位验证过程

图4 给出了大潮涨落急流场图。台州湾海域的涨潮流向基本为NNW-WNW 之间，其主要方向为NW 向，落潮流向为SE-ESE，湾内往复流特征明显，湾外呈现旋转流的特征，整体流态与实测资料及文献（王高阳，2007） 模拟结果一致。因此，模型基本能复演计算区域水动力特征。

图3 大潮垂线平均流速流向验证过程

图4 模型计算海域涨落急流场图

2 滩涂围垦对水动力环境影响

2.1 M2 分潮波变化特征

台州湾海域潮波来自西太平洋，由东海陆架传入，控制本区潮波运动的是以M2分潮为主的东海前进潮波系统。为了研究围垦工程对整个海域潮波动力系统的影响，以M2分潮为例，模拟了大规模滩涂围垦前（1984年）和围垦后（2013年）的潮波分布，分析大规模围垦后M2分潮潮波的变化情况。

图5 M2 分潮同潮图

图5（a） 和图5（b） 分别为台州湾大规模滩涂围垦前后M2分潮波的等振幅线和等迟角线。由图可见，围垦区域附近海域的等振幅线和等迟角线均发生了一定变化：（a） 下大陈岛以西、扩塘山以南、尖山头以北海域M2分潮等振幅线向岸推移了一定距离，即围垦后潮波上溯到同一区域时振幅减小，而下大陈岛以东、扩塘山以北、尖山头以南海域基本没有变化。（b） 围垦区域附近海域的等迟角线向岸推移了一定距离，即潮波传播到该海域时传播速度减慢，潮波传播到同一区域时达到最大潮位的时间稍有所推迟，下大陈岛以东海域基本没有变化。因此，大规模围垦使得围垦区域附近海域潮波振幅减小，传播速度减慢，而围垦工程对大陈岛以外海域潮波系统几乎没有影响。

2.2 流场变化特征

图6 给出了滩涂围垦前后的涨落急流速变化分布。滩涂围垦后，围垦区域附近海域涨落急流速大幅度降低，且离围垦区域愈近流速减小幅度越大，远离围垦区域流速减小幅度逐渐降低，围垦对落急流速的影响范围大于对涨急流速的影响范围。围垦区域附近涨急流速降低幅度在0.15～0.20 m/s 之间，落急流速在围垦区域附近变化幅度较大，在0～0.25 m/s 之间。另外，潮流达到椒江河口后，涨、落急流速减小的幅度均有所降低，到达海门港附近后流速基本不变。

图7 绘出了涨、落急时刻围垦工程前后的流矢量。围垦后，潮流受新的岸线及水下地形约束有不同程度的改变。围垦工程实施较大幅度地改变了湾口以西的海岸线，原滩地成陆阻断了漫滩的涨、落潮流，潮流通道缩窄。围垦新岸线前沿流态有所归顺，台州浅滩区域附近涨潮流较工程前向北偏转进入椒江口，落潮流向南偏转；北洋海涂区域附近涨潮流较工程前向北偏转最高可达10°，落潮流流向基本不变。湾内其余海域流态均较平顺，涨、落潮流主流向为往复流的特性没有改变，头门、白沙、江山、下大陈等涨、落潮流向基本不变。分析原因为大规模围垦后，由于椒江喇叭形河口缩窄，涨潮流受阻，涨、落潮流向发生改变，导致涨潮流速减小，同时由于大面积的围垦导致的纳潮量减少使得落潮流速也有呈现一定程度的降低。

图6 涨落急流速变化

图7 涨落急流向变化

2.3 围垦对高低潮位的影响

图8 给出了围垦前后海域大潮高、低潮位变化。由图8（a） 可以看出，围垦后海域大潮高潮位在围垦区域附近有所降低。靠近围垦区域处变幅最大，最大高潮位降低约0.12 m，并向外海递减。至下大陈岛以南及北洋海涂以北海域，基本不变。围垦区域附近的大潮低潮位（图8b） 亦有所降低，但幅度极小，在0～0.02 m 之间，可视为基本无变化。之所以得到上述结果，笔者认为，在围垦前，东海前进潮波由东南方向往椒江河口传播时，潮波峰首先抵达河口南部的台州浅滩，使潮流漫滩，而主流顶冲点位于河口白沙附近。大规模滩涂围垦后，涨潮时，由于正对围垦区域的东海涨潮流受阻，潮流往北疏散，导致涨潮量减小。落潮时，纳潮水流回落，原本涨潮漫滩的水量消失，落潮水量整体减小，但由于受围垦工程影响，落潮流速减小。而对于大潮低潮位，由于潮位降至最低，基本不再受浅海滩涂的影响，因此其量值基本不变。图9 给出的单宽流量也说明了这一点。这与浙江温州瓯飞滩围涂工程引起的高、低潮位的变化类似（穆锦斌等，2013），但与一般河口边滩围垦后涨潮动力有所增加，引起高程位抬升的结果不同（宋泽坤等，2013），在以后的滩涂开发中需引起重视。

图8 大潮高、低潮位变化

图9 单宽流量变化

2.4 围垦对纳潮量的影响

海湾的纳潮量不仅是衡量海湾开发价值的一个水文指标，也是反映湾内外海水交换的一个重要参数。纳潮量的大小对海洋环境、海湾水体的交换以及航道水深的维持都具有十分重要的意义。在台州湾湾口设置纳潮量计算断面（见图1b 虚线所示），计算断面南至大港湾，北至台州湾北洋海涂，连接江山岛和头门岛。结合潮流数值模拟的结果，得到计算网格节点的潮差与其代表面积相乘，然后累加得到计算断面以上海域的纳潮量。表1 给出了围垦前后台州湾计算断面内纳潮量的变化对比。

表1 围涂工程前后纳潮量对比表

由表1 可以看出，大潮纳潮量减少了33.81%左右，小潮纳潮量减少35.35%左右，平均纳潮量减少34.85%左右。这主要是由于围垦面积过大，约达到纳潮量计算区域总面积的13.87%，导致水域面积减小。

3 结论

运用了TELEMAC-2D 水动力模型对台州湾浅海滩涂围垦前后潮汐潮流进行了模拟，模型结果能良好反映台州湾水动力情况。以此为基础模拟了台州湾1984年和2013年的潮流场，分析了滩涂大规模围垦引起的水动力特征变化。结果表明：滩涂围垦工程对水动力特征的影响局限于围垦区附近海域。大规模滩涂围垦后，河口缩窄，水域面积大面积减少，使得围垦区域附近海域分潮波振幅减小、潮波向岸传播的速度减慢。围垦区域附近海域涨落急流速大幅度降低，流向发生变化；海域大潮高潮位和河口纳潮量呈现一定程度的降低，在以后的滩涂资源开发和管理中需引起注意。

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