大连湾岸线变迁对海域水动力环境的影响

陈静，王永学（.大连理工大学　海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁　大连　6024；2.南昌工程学院　水利与生态工程学院，江西　南昌　330099）

大连湾岸线变迁对海域水动力环境的影响

陈静1，2，王永学1
（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024；2.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西南昌330099）

基于1979-1988年、1989-1998年、1999-2009年3个时段的数据资料，对大连湾海域面积和岸线长度的变化进行了统计，给出了30年间大连湾海域面积和岸线长度的变化速率。采用MIKE21软件的HD模块建立了潮流场模型，得到了对应不同时段的潮流场。通过对模拟结果的对比分析得出30年间的围填海工程对大连湾湾口水动力条件的影响很小但对湾顶的水动力条件的影响十分显著。湾顶潮流流速的明显减小，不利于湾顶的水质交换。

大连湾；围填海；水动力；数值模拟

大连湾位于辽东半岛南端，其地理坐标为38° 54′12″-39°03′18″N，121°34′48″-121°49′41″E。大连湾是一个半封闭型的天然海湾，三面为陆地所环抱，仅东南面与黄海相通。据中国海湾志编篡委员会（1991）的资料，全湾总面积174 km2，其中0 m等深线以下水域面积约为164 km2，曲折岸线长约125 km，是典型的基岩港湾式海岸。湾口有三山岛屏障，湾顶从西南往东北方向分布有3个内湾，分别是臭水套、甜水套和红土堆子湾。

大连湾作为东北地区重要的金融和商务中心，近年来因城市发展空间的拓展，在湾内开展了大面积的围填海工程，使得湾内海域面积减小，尤其是自然岸线大量消失。狄乾斌等（2010）统计了大连市围填海工程1990-2000年和2000-2005年新增填海面积和岸线改变情况；马军（2009）统计了2005-2007年大连市围填海面积；王伟伟等（2010）通过提取遥感图像的围填海信息统计了辽宁省1990-2009年围填海面积和海岸线变化情况，指出锦州湾、普兰店湾、大小窑湾和大连湾是主要填海区，其中大连湾海域面积 1990年为166.99 km2，2009年减小为154.55 km2。目前王诺等（2012），丁冉（2012），刘仲军（2012）等学者研究填海工程对周边海域水动力环境的影响大多是针对某一个项目实施前后进行模拟和对比分析，单一项目填海面积小，影响的范围也相对较小。大连湾海域30多年以来，湾内进行了数十个单一项目填海工程，这种长期累积的填海活动对水动力条件的影响尚未得到定量的研究。本文从海湾面积减少量，岸线变化情况和海域水动力环境3个方面定性和定量的分析了大连湾30年间围填海工程带来的海域环境变化。

1　大连湾海域岸线变迁

图1　1979-2009年间大连湾围填海范围与分布示意图

本文研究范围以图1中线段AB为湾口的大连湾海域，其中：A点的地理坐标为121°43′6″E，38°54′2″N，B点的地理坐标为121°50′16″E，38° 59′34″N，湾口线段AB长度约为11 664 m，与N向夹角64°。数据资料来源主要有1984年、1992年、2000年、2010年、2013年编号11381的海图，比例1∶40 000。其中1984年版海图测量时间以1979年为主，1992年版海图测量时间以1988年为主，2000年版海图测量时间以1998年为主，2010年版海图测量时间以2009年为主，最新的2013年版海图中对岸线附近未展开新的测量工作。根据历年海图资料更新时间以10年左右为时长设定了3个时段来研究海域岸线变迁：1979-1988年，1989-1998年，1999-2009年时段。

本文主要从海域面积计算与岸线提取两个方面进行数据处理，并分时间段统计。以1979年海图中岸线为比较的基础，将岸线总长度L分为自然岸线长度Z和人工岸线长度R。其中，人工岸线长度R的统计主要包括六段：大连港一段、臭水套湾内三段、红土堆子湾内一段、大孤山湾内一段，其余岸线为自然岸线长度Z。将1979年海图岸线与1988年海图岸线叠加，得到由围填海工程所产生新的陆域面积A（图1中的绿颜色填充区域）；将1988年海图岸线与1998年海图岸线叠加，得到由围填海工程所产生新的陆域面积B（图1中的粉颜色填充区域）以1979-1988年的时段为例，将1998年海图岸线与2009年海图岸线叠加，得到由围填海工程所产生新的陆域面积C（图1中的蓝颜色填充区域）。在确定了不同时段由围填海工程所产生新的陆域面积的基础上，通过统计分析得到不同时段因围填海工程所导致的岸线变化情况。以1979-1988年的时段为例，在新增了陆域面积A的同时，原有岸线减小了L1，新增人工岸线R2。其中：减少的岸线L1包括减少的自然岸线Z1和减小的人工岸线R1两部分（L1=Z1+R1）。分别统计L、Z、R（1979年的数据）和L1、Z1、R1、L2 （1988年的数据），可计算1988年自然岸线长度Z'=Z-Z1，人工岸线长度R'=R-R1+R2。依次可计算出1998年、2009年新增海域面积和岸线变化，数据统计见表1。

表1　大连湾海域面积与岸线统计汇总表

图2为依据表1的综合统计分析结果绘制的1979-2009年间大连湾海域面积与海岸线长度变化曲线。由图2可见：大连湾海域面积呈现不断减少的趋势，并且减少速度不断加快。以1979年海域面积和岸线长度为基准，2009年海域面积已经减少了13.56%，海岸线减少了10.79%。1979-1988 年10年间，围填海工程集中在臭水套湾内，基本以平推填海形式为主（见图1中的绿颜色填充区域，海岸线略有减少）；1988-1998年10年间甜水套湾内的棉花岛角与黄娘角间填海工程、红土堆子湾内两处填海工程和大孤山湾附近的填海工程产生了向海突起的平面形式（见图1中的粉颜色填充区域），海岸线增加了近10 km；1998-2009年10年间在甜水套和红土堆子湾内的围填海工程基本采用平推形式（见图1中的蓝颜色填充区域），海岸线减少了21 km。大连湾自然岸线的减小速度却十分的惊人，在1979年自然岸线占整个岸线的70.06%，到了2009年自然岸线长度减少了66.15 km，只有1979年岸线长度的17.84%；此次统计分析结果说明：大连湾填海活动近年来十分的剧烈；岸线人工化已十分严重。

图2　1979-2009年间大连湾海域面积与海岸线长度变化曲线

2　潮流场数值模拟

2.1数学模型

潮流模型的控制方程为垂向平均的连续方程和运动方程：

式中，z为水位，即自由海面到静水面的距离；u，v分别是x，y方向上的垂线平均流速分量；h为水深，即静水面到海底的距离；H为总水深，即自由海面到海底的距离，H=h+z；f为柯氏系数，f=2ωsin φ，ω为地转角速度，φ为地理纬度；g为重力加速度；τbx和τby为x，y方向的底床剪切应力；Ax和Ay为涡动粘滞系数。

2.2模型边界与验证

潮流场数值计算采用丹麦DHR研发的MIKE21软件中的HD模块进行。计算区域见图3，计算区域边界的4个角点的地理坐标分别为：NW边界点（121°34′E，38°52′35″N），SW边界点（121°34′E，38°48′24″N），NE边界点（122°2′E，39°4′12″N），SE边界点（122°2′E，38°48′24″N）。区域南北距离45km，东西距离30km。潮流场模型在2010年海图地形（以2009年测量地形为主）的基础上建立，采用非结构化网格，三角形单元总数为32 035个，网格节点总数为61 827个。湾外网格尺度控制在250m以内，湾内网格控制在150 m以内。图4为图3所示矩形框位置的模型网格剖分图。围填海工程使得大连湾的内陆河口全部填实无径流流出，故进行模型边界条件设定时忽略径流量。通过2009年的水文资料进行数学模型的校对验证，确定计算区域开边界处的S2、M2、N2、K1、O1，5个调和常数。模型验证采用图5所示大连湾湾内1#、2#、3#验证点的实测资料进行验证。模型验证以3#为例，潮位、流速、流向验证结果见图6，模拟的2009年大连湾大潮涨潮时的流速矢量场见图7。

图3　2009年大连湾潮流模型计算区域示意图

图4　模型网格剖分图

图5　验证点位置示意图

图6　3#大潮时段潮位（a）、流速（b）、流向（c）对比结果

图7　2009年大连湾大潮涨潮流速矢量场示意图

基于1984年海图地形（测量时间以1979年为主）建立相同区域的模型，见图8。模型三角形单元总数为34 376个，网格节点总数为66 502个，并采用与2009年相同的调和常数来模拟同潮条件下因岸线和地形变化产生的潮流变化并做对比分析。

3　潮流场模拟结果分析

图8　1979年大连湾潮流模型计算区域示意图

本次研究针对1979年与2009年份不同海底与陆域的边界条件，选取相同的海域边界点，对相同大潮期24 h潮流场进行模拟，进而得出30年的围填海工程对潮流场的影响。图9为1979年与2009年的海域范围及潮位/潮流对比点示意图，图中的黑色区域为1979年至2009年大连湾填海区域，图中的P1点-P4点为选取的潮位/潮流对比点位置，其地理坐标为P1（121°46′42″E，38°55′27″N）；P2 （121°41′35″E，38°59′32″N）；P3（121°36′58″E，38°56′43″N）；P4（121°39′18″E，39°0′14″N）。鉴于红土堆子湾人工围填海过程中产生了一条长2 000 m，宽300~500 m左右的“瓶颈”，使得原岸线改变很大，故增加了P5-P14号点如图9所示，其中湾顶的P14的地理坐标为P14（121°43′14″E，39°1′38″N）。

图9　1979年与2009年海域范围及潮位/潮流对比点示意图

3.1潮位变化分析

图10为同潮条件下1979与2009年大连湾涨急水位对比图，图例显示颜色间的水位差值是0.015 m；图11为同潮条件下1979与2009年大连湾落急水位对比图，图例显示颜色间的水位差值是0.02 m，图12为1979-2009大连湾湾口-湾顶水位变化对比图。通过图10至图12的对比分析得30年间的湾口的潮位变化幅度在0.15~0.02 m范围内，围填海工程对大连湾湾口的潮位变化产生影响较小。

3.2潮流流速变化分析

图13为同潮条件下1979与2009年湾口P1点与湾内P2点的流速/流向对比图。在同潮条件下，由P1点潮流流速、流向的对比可得出大连湾湾口1979年与2009年潮流模拟的结果基本相同；由P2点潮流流速、流向的对比可得出离开填海区域一定距离的大连湾内的潮流流速、流向的变化也比较小，说明近30年间大连湾的围填海工程对湾口的潮流场基本没有影响，对湾中影响也不大。

图10　同潮条件下1979与2009年大连湾涨急水位对比图

图11　同潮条件下1979与2009年大连湾落急水位对比图

图12　1979年与2009年大连湾湾口-湾顶水位变化对比图

图13　1979年与2009年湾口P1点与湾内P2点的流速/流向对比图

大连湾的3个内湾是围填海工程的集中区域，也是潮流场变化最大的区域。通过同潮模拟的测点数据分析，这3个内湾的平均流速都有大幅度减少，并且从内湾湾口向内湾湾顶流速逐渐降低。从图14中的模拟结果可以看出2009年臭水套湾内点P3、甜水套湾内点P4、红土堆子湾内点P14流速比1979年同点小很多。经统计得1979年3个点的平均流速分别为=0.079，=0.056，=0.097；2009年3个点的平均流速分别=0.016，= 0.019，=0.025；3个湾顶的平均流速分别缩小为1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。说明3个内湾湾顶的水体交换能力减弱，污染物不易扩散，会在很大的程度上影响到湾顶的水质环境。

图14　1979年与2009年湾内P3、P4、P14点的流速/流向对比图

此外，需要指出的是图9中红土堆子湾湾顶P14处流向变化明显，这是现有的围填海工程平面形态对湾内流场产生强烈干扰的结果：详见图9红土堆子湾内水域范围缩小，原有宽敞水域变成瓶颈型通道，故潮流流向改变明显。从红土堆子湾内测点平均流速变化图15中知P5到P8点2009年的平均流速比1979年减小的比例不断增加，表明该区围填海工程对湾内流速影响大于湾口；2009年模拟结果中“瓶颈”处P9到P12点间的平均流速远大于湾顶和湾口等其他区域的平均流速，该处易产生冲刷同时会造成周边小流速区域泥沙的淤积。

图15　1979年与2009年红土堆子湾内P5-P14点流速对比图

4　结论

（1）大连湾海域面积与海岸线在近30多年间减少速度不断加快。以1979年的海域面积与海岸线长度为基准，至2009年的30年间海域面积已减少了13.56%，自然岸线长度减少了66.15 km，从占整个岸线的70.06%减小到17.84%，岸线人工化已十分严重。

（2）潮流场数值模拟结果显示，大连湾的潮位并未受到海域面积减小的影响。在大连湾湾口附近潮流流速流向没有变化；离填海区域有一定距离的湾内的流速流向变化不明显。

（3）大连湾湾顶的臭水套、甜水套和红土堆子湾是填海工程的密集区，流场改变显著。同潮模拟条件下，现阶段3个湾顶的平均流速分别缩小为1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。3个湾顶的流速减小，减弱了水体的交换能力，污染物不易扩散，会在很大的程度上影响到湾顶的水质环境。关于水体交换问题，魏庆菲（2009）曾做了大连湾水体交换能力的计算，流速减小对水质环境变化的影响需要进一步定量化研究。

（4）红土堆子湾湾内的围填海工程产生了一个“瓶颈”型通道，湾内的水动力环境发生了明显改变。“瓶颈”处的平均流速远大于红土堆子湾内其他区域平均流速，流速大的地方易产生冲刷，同时周围流速小的区域易造成泥沙的淤积，人为的使海底泥沙处于不稳定状态，大连湾内泥沙的输移情况可参见孙丽（2014）研究结果。在进行围填海工程平面设计时应避免产生“瓶颈”形态，将围填海工程对水沙环境的影响降到最低。

狄乾斌，韩增林，2010.大连市围填海活动的影响及对策研究，海洋开发与管理，25（10）：122-126.

丁冉，2012.大连凌水湾填海工程对海洋环境的影响研究，硕士论文，大连：大连海事大学：19-29.

刘仲军，2012.围填海工程对天津海域水动力环境影响的数值分析，水道港口，33（4）：310-314.

马军，2009.大连围填海工程对周边海洋环境影响研究.硕士论文.大连：大连海事大学：31-34.

施野，张国安，2015.近50年长江口南、北港及附近分汊型河槽的演变，海洋通报，34（3）：260-266.

孙丽，2014.波流共同作用下大连湾海床冲淤变化的数值研究，中国水运，14（4）：91-93.

王诺等，2012.大连海上机场人工岛建设对区域水动力及海床冲淤影响分析，水运工程，4：5-11.

王伟伟，2010.辽宁省围填海海洋开发活动对海岸带生态环境的影响，海洋环境科学，29（6）：927-929.

魏庆菲，2011.岸线变化对近岸水环境影响的研究，硕士论文，大连：大连理工大学：58-63.

中国海湾志编篡委员会，1991.中国海湾志-第一分册（辽东半岛东部海湾），北京：海洋出版社：250.

（本文编辑：岳心阳）

Effects of the coastline changes on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay

CHEN Jing1，2,WANG Yong-xue1
（1.StateKey Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China）

This paper has done maritime area and coastline length statistics and presented the rate of maritime area and coastline length change in the thirty years,based on the data of the Dalian Bay during three sections,including 1979-1988, 1989-1998,1999-2009.Using HD modules of MIKE21,it has built tidal numerical simulation models to obtain the tidal current field corresponding to different periods.Through the contrast analysis of the result of numerical simulation,we conclude that the land reclamation has little impact on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay,but at the top of the bay,the impact is significant.The tidal current velocity has been reduced obviously at the top of the bay,which is not conducive to the water exchange at the top of the bay.

Dalian Bay;reclamation;hydrodynamic;numerical simulation

陈静（1980-），女，博士生,讲师，主要从事海岸工程与海洋环境科学方面的研究。电子邮箱：3026490@qq.com。

TV143；O242.1

A

1001-6932（2016）03-0351-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.014

2015-04-09；

2015-06-29

中国自然科学创新研究群体基金 (51221961)。