集约用海对莱州湾水动力环境影响的数值模拟研究

李高阳，沈永明

(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.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

集约用海对莱州湾水动力环境影响的数值模拟研究

李高阳1,2，沈永明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.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

在考虑水体斜压的基础上利用MIKE3三维数值模型的HD和Ecolab模块，对莱州湾的水动力环境进行了数值模拟，并将验证良好的该模型用于分析预测集约用海工程的实施对莱州湾水动力环境造成的影响。研究结果表明：工程并不会大范围改变莱州湾海域的水动力特征，影响主要集中在工程区附近，距工程新岸线约20 km处，流速变化率在15%左右甚至更小；工程造成海湾纳潮量在大小潮期分别减小0.29%和1.07%，海湾与外海水交换能力被削弱，可能会导致湾内水体污染加剧；工程实施后海湾PO4-P平均浓度升高，DIN平均浓度降低，N/P比下降，海域磷限制作用被削弱。

莱州湾；三维斜压模型；围涂工程；水动力；营养盐

Abstract:Based on the consideration of baroclinic water,HD and Ecolab module of a three-dimensional numerical model MIKE3 have been used to simulate hydrodynamic environment and to predict the influences of a reclamation project in Laizhou Bay.The study shows that the project won’t change the hydrodynamic characteristics widely in Laizhou Bay,with affecton mainly concentrated in the vicinity of the project.At twenty kilometres from the new shoreline,the change rate of velocity is about 15%,or even less.Tidal prism of bay is reduced by 0.29% and 1.07% during spring and neap tide respectively after the project,and water exchange ability between the bay and the outer sea is also weakened,which may exacerbate water pollution.Besides these,the project leads to the increase of average PO4-P concentration and the decrease of average DIN concentration.The value of N/P decreases,which makes the phosphorus restriction effect weakened.

Keywords:Laizhou Bay; three-dimensional baroclinic model; reclamation projects; hydrodynamics; nutrients

海洋资源的开发利用和保护是当前社会的热点话题，作为我国的内海，渤海是我国开展海洋科学研究最密集的海区，其在国民经济和环境保护方面都具有重要的战略地位。渤海是一个半封闭的陆缘浅海，平均水深在20 m左右，由于仅通过渤海海峡与黄海相连，渤海水交换能力较弱，周边城市入海污染物的常年大量排放使得渤海部分水域的营养盐和重金属污染超标严重，水环境问题非常严峻[1]。莱州湾系渤海三大海湾之一，位于山东半岛北侧，海域面积近7 000 km2，作为黄河的出海口及我国重要的渔盐生产基地，莱州湾的水动力环境问题，一直是国内学者的研究重点。陈雄波等[2]对黄河的几种入海通道方案进行了比选；陈建等[3]借助遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等技术手段，探讨了1976年至2008年现代黄河三角洲湿地的变化特征；单志欣等[4]对莱州湾的富营养化问题进行了研究；周广镇等[5]利用波流耦合模型，对莱州湾东岸围填海工程实施后的冲淤趋势进行了预测。本文利用三维流体动力学数值模型(MIKE3)对莱州湾的水动力环境进行了数值模拟，并将该模型用于预测集约用海工程的实施对莱州湾水动力环境造成的影响，以对该海域的工程选址、环境保护及污染物排放控制提供决策依据。

1 模型设置及验证

1.1模型简介

MIKE是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)的产品，其是目前世界上领先，经过工程实践验证最多的，被广大水资源研究人员广泛使用的专业软件。利用MIKE3[6]三维数值模型，在考虑了水体斜压的基础上将开启了温盐(TS)模块的水动力模型(HD)和水质模型(Ecolab)耦合在一起，成功模拟了莱州湾的水动力环境变化，并将该模型用于分析围涂工程对莱州湾水动力环境造成的影响。

1.2模型设置

首先构建了大尺度渤海三维斜压水动力模型，之后依托此大模型成功构建了莱州湾三维水动力水质耦合模型。大尺度模型区域包括整个渤海及北黄海，模型计算网格、地形及站位布置如图1所示。重点研究小区域为莱州湾，利用大尺度模型给小尺度模型提供潮位、温盐等强迫边界条件，小尺度模型计算网格和地形如图2所示。为了能更好地拟合复杂的局部岸线变化，并对感兴趣的区域进行重点加密，模型采用渐变非结构化三角网格，平面网格单元数为6 580，节点数为3 472，垂向均分为10个Sigma分层，对应的垂向分辨率范围从近岸浅水到中部深水区为0.2～6 m左右，模型采用干湿动边界处理技术。

图1 渤海计算网格、地形及实测站位布置Fig.1 The grid and topography of Bohai Sea and locations of the observation stations

图2 莱州湾计算网格及地形Fig.2 The grid and topography of Laizhou Bay

大尺度模型选取成山角至小长山岛一线作为开边界，开边界采用潮位驱动，主要考虑了M2、S2、K1、O1四大分潮作用，由海洋图集[7]获取调和常数并插值，然后利用潮汐预报方法采用式(1)得到开边界潮位。

式中：n为分潮总数，ai、wi、φi分别代表第i个分潮的振幅、频率和迟角，Emean为该点相对于平均海平面的水位。

温盐边界数据由海洋图集[7]插值得到，海表边界考虑了大气温度、相对湿度、云量、降雨量和蒸发量因素，数据采用ECMWF(欧洲中期天气预报中心)资料，数据精度为0.75°×0.75°。径流边界考虑了黄河、辽河、海河、滦河等几条主要河流的输入，径流量数据采用月平均径流量[8]并加以修正。流场计算采取“冷启动”模式，初始水位和流速均取为0；为了让温盐结果更充分得稳定，温盐初始场采取冷启动下预算一年的结果作为初始条件。

莱州湾水动力水质耦合模型综合考虑了BOD、DO、叶绿素a、NH4-N、NO2-N、NO3-N、PO4-P七种状态变量，模拟了2005年莱州湾的水动力环境状况，模型潮位、温盐开边界由大模型提供，水质状态变量开边界BOD、NH4采用零梯度边界条件，其他变量开边界数据由渤海黄海东海海洋图集化学分册[9]插值得到，入海点污染源主要考虑了黄河和小清河两条河流的输入，数据主要由文献[10-11]整合得到。状态变量初始数据采用常数设置，取为渤海多年平均值[11-12]。

1.3模型验证

1.3.1 潮位和潮流验证

选取2003年8月的模拟结果，经与环渤海12个站点的潮位数据(取自潮汐表)和莱州湾内5个站点的实测潮流数据对比，可发现模拟结果和实测基本一致，模拟效果良好。限于篇幅，文中仅给出2个站点的潮位和1个站点的潮流验证结果，如图3所示。

图3 部分测站潮位、潮流验证Fig.3 The validation of elevation and tidal current at some measured stations

1.3.2 温盐场验证

由温盐时间序列图4、图5可知，四个海洋测站C1(大连)、C2(秦皇岛)、C3(塘沽)、C4(烟台)的温盐模拟结果和实测总体趋势一致，吻合较好。冬夏季温度和盐度场平面分布如图6所示，温度场冬季呈三湾低，中部渤海海峡附近及北黄海温度高的分布特点，其中辽东湾温度一般最低，常伴随有冰冻现象出现；而夏季温度场分布特点是三湾温度高，中部温度低。盐度场在冬夏两季基本特点都是中部及北黄海外海区域盐度高，三个海湾盐度相对较低；另外，对比冬夏季盐度场可发现夏季盐度较冬季整体偏低，这在辽河口和黄河口附近海域表现尤其明显，这主要是受夏季降水增多以及河流淡水入海量增大的影响。综上所述，模拟的渤海温盐场分布特点与实际观测结果及海洋图集[7]基本一致，温盐模拟基本合理。

1.3.3 莱州湾水质验证

一般来讲，叶绿素第一次峰值发生在3-4月份，称为春季水华，第二次发生在10月前后，称为秋季水华。莱州湾的这种浮游植物生物量的双峰现象是渤海特有的典型特征，分别对应了春季水华和秋季水华[13]。由图7莱州湾表层月平均营养盐和叶绿素浓度变化曲线可知，冬季过后，温度的升高有利于浮游植物的生长，所以浮游植物含量逐渐升高，在3月份达到春季水华的峰值，之后由于营养盐限制及浮游动物逐渐增强的捕食作用，叶绿素含量逐渐降低；春季之后随着河流挟带的营养盐输入的增大，从7月份开始CHLa含量又逐渐升高，于10月前后达秋季水华的峰值。无机氮基本上是一个先降后升的过程，春季水华后含量逐渐降低，之后随着河流挟带的营养盐的增加，含量又有所上升，从10月份开始，由于温度不断降低，藻类等浮游植物开始大量死亡，其尸体沉积降解后生成的无机氮又重新补充到水体中，使得秋冬季节无机氮含量处于上升态势，并在冬季保持在了一个较高的含量水平。磷酸盐浓度在全年各个季节的浓度变化不是十分明显[14]，这可能与该年内莱州湾氮磷实际浓度及浮游植物摄取营养盐比例有关。

图4 4个海洋站表层温度验证Fig.4 The validation of surface temperature at four oceanographic stations

图5 4个海洋站表层盐度验证Fig.5 The validation of surface salinity at four oceanographic stations

图6 冬夏季渤海表层温盐平面分布Fig.6 Distribution of temperature and salinity at the surface layer in winter and summer

图7 莱州湾表层月平均营养盐和叶绿素浓度变化过程验证Fig.7 The validation of monthly mean change process of surface nutrients and chlorophyll concentration in Laizhou Bay

N/P比是考察海域营养盐结构的重要指标，也能反映所研究海域富营养化程度，Redfield[15]研究发现浮游植物元素组成的N/P比约为16，与一般正常海域的N/P比相同，并且浮游植物元素组成的N/P比也大概在16左右，习惯上常把研究海域中实际的N/P比值与Redfield数进行比较，以此来研究目标海域的营养盐组成。实测数据表明，21世纪的前十年莱州湾内磷酸盐浓度不断降低，而DIN浓度则不断升高[16]，所以21世纪初莱州湾内营养盐水平整体开始呈现出磷限制状态。张继民等[17]、李广楼等[18]根据21世纪初莱州湾海域实测资料得出春、秋季磷酸盐为该区域浮游植物生长的限制因子，莱州湾海域基本处于磷限制中等水平营养状态。由表1莱州湾海域营养盐组成分析可知，春秋季莱州湾N/P均超过16，海域平均营养盐水平处于磷限制状态，与实测结果一致。综上，本文模拟的莱州湾营养盐和叶绿素水平与观测及其他学者研究成果基本吻合，构建的水质模型基本合理。

表1 莱州湾海域营养盐组成Tab.1 Nutrient composition of Laizhou Bay

2 围填海的水环境效应

根据山东半岛蓝色经济区集中集约用海规划和文献[5]，在莱州湾内主要有四大在建或拟建集约用海工程：东营石油产业集聚区、潍坊海上新城、莱州湾新能源产业集聚区和龙口海洋装备制造业集聚区，工程示意图如图8所示。在验证良好的莱州湾水动力水质模型的基础上，主要分析该四大工程的实施给莱州湾海域水动力环境造成的影响，以为后续的围垦开发工程以及海域水环境保护提供科学依据。

2.1流速影响

图8 莱州湾围填海工程示意Fig.8 Reclamation projects in Laizhou Bay

图9 流速代表点及湾口断面位置Fig.9 The location of representative velocity points and bay mouth section

表2 代表点流速变化Tab.2 Velocity change of representative points

2.2盐度影响

实测数据表明，除了个别时段盐度的异常现象以外，莱州湾夏季盐度分布的大趋势是自西向东递增，从湾内向湾外递增，黄河口附近海域为盐度低值区，北部和东部为盐度高值区[19]。本文选取了夏季大潮涨憩时的盐度来分析工程对盐度场的影响，由图10可知，模拟的莱州湾盐度除了在湾口东北部海区有一很小的低值区出现外，整体分布特征与观测相符。前后对比可以看出工程后盐度等值线较工程前明显回退，尤其湾内27、28 psu等值线回退明显，黄河口附近低盐区海水面积扩大，这主要是因为工程实施后湾内大潮高潮位较工程前降低明显，工程前为1.26 m，工程后为1.14 m，减小了0.12 m，降幅达9.5%，造成海水向湾顶的上溯能力也在减弱，而湾口外工程对潮位影响不大，各盐度等值线前后变化也不明显。

图10 夏季大潮涨憩潮位和盐度分布Fig.10 Distribution of tide elevation and salinity at flood slack time during spring tide in summer

2.3纳潮量影响

海湾的生命活力与纳潮量密切相关，一个海湾可以接纳的潮水的体积就是该海湾的纳潮量[20]，其数值主要取决于海湾高、低潮时潮位及面积的变化，它的改变是海湾水动力特性的总体反应，其大小直接影响到海湾与外海水体交换强度，制约着海湾自净能力，对底床冲刷及海域环境保护和治理意义重大。一般情况下，采用以下公式计算纳潮量：

式中：W表示纳潮量，S1、S2表示平均高低潮时水域面积，h1、h2表示平均高低潮位。

本数值计算结果表3表明，工程前海域平均纳潮量为6.17×109m3，这个结果与叶小敏等[21]利用遥感卫星数据得到的莱州湾纳潮量基本一致(5.4×109m3)，证明了本数值模拟的可靠性。四大集约用海工程实施后大小潮期纳潮量分别由工程前的10.47×109m3、1.87×109m3减小为10.44×109m3、1.85×109m3，变率分别达0.29%和1.07%，可见填海造陆直接造成的海域面积减小造成海湾纳潮量有一定程度的减小，削弱了海水自净能力，从而可能会加剧湾内水体污染程度。

表3 工程前后纳潮量统计Tab.3 Tidal prism statistics before and after reclamation project

2.4水质影响

利用验证良好的莱州湾水质模型对工程前后莱州湾的水质进行对比，结果如图11所示。由计算结果知，工程实施前，海域叶绿素全年平均浓度为1.314 mg/m3，工程实施后为1.33 mg/m3，增幅为1.2%，工程后浮游植物含量略有增加。PO4-P含量在工程后显著增加，而DIN含量则明显减小，这在全年的12个月份都表现的比较明显，这是因为工程实施后，莱州湾海域纳潮量减小，湾内水体与外海的水交换减弱，导致PO4-P含量增加，又由表1海域营养盐评价分析知，莱州湾平均营养盐水平处于磷限制状态，所以工程实施后PO4-P的增加将引起浮游植物含量升高，浮游植物生长又会消耗掉大量的DIN，所以DIN含量反而整体下降。表4给出了工程前后春季和秋季代表月份的N/P比计算结果，由表中数据可以看出，工程后N/P比普遍下降，海域磷限制作用被削弱。

图11 工程前后莱州湾表层月平均营养盐和叶绿素浓度变化曲线Fig.11 Monthly mean change curve of surface nutrients and chlorophyll concentration in Laizhou Bay before and after reclamation project

表4 工程前后莱州湾海域营养盐组成变化Tab.4 Nutrient composition change of Laizhou Bay before and after reclamation project

2.5水交换能力

在验证良好的水动力及水质模型的基础上，以图9中的湾口断面A为界，对莱州湾内水体加以溶解态保守性示踪物质，建立保守物质对流扩散模型，利用保守物质的稀释快慢来表征海水的交换能力，计算水体半交换时间。模型中，将湾内初始浓度设为1 kg/m3，湾外浓度设为0 kg/m3，当湾内平均浓度降至0.5 kg/m3，认为水体完成了半交换。

图12 莱州湾保守物质浓度变化曲线Fig.12 Conservative substance concentration curve in Laizhou Bay before reclamation(left) and after reclamation(right)

图12即工程前后莱州湾保守物质平均浓度变化曲线。工程前莱州湾水体半交换时间为167天，这与魏皓等[22]关于渤海水交换的数值模拟结果接近，证明了本数值模拟的可靠性。工程后莱州湾保守物质浓度变化曲线较工程前明显变缓，工程后莱州湾水体半交换时间增大为212天，较工程前增大45天，海湾水交换能力明显减弱。另外，保守物质浓度随时间递减过程中有半月周期的震荡，这与研究海域大小潮的周期相同，潮汐的月不等现象会对海域纳潮量造成影响，大潮时纳潮量增大，海湾水体体积增加，从而造成浓度减小，小潮时则相反。

3 结 语

在验证良好的莱州湾水动力水质模型的基础上，对四大集约用海工程前后莱州湾的水动力环境进行了数值模拟，通过对比分析工程前后的计算结果，得出以下主要结论：

1)工程对莱州湾全场流场造成的影响有限，影响主要集中在工程附近，距工程区越远影响越小，在工程新岸线20 km处，流速变化率在15%甚至更小。

2)由于工程后大潮涨憩时刻高潮位的降低，盐水向湾顶的上溯能力减弱，工程后盐度等值线有一定的回退，这在湾内表现尤其明显，黄河口附近低盐区面积增大。

3)填海造陆直接造成的海域面积减小导致海湾纳潮量有一定程度的减小；海湾保守物质的对流扩散模型表明工程后海湾水体半交换时间较工程前增大45天，增幅达23.9%，海湾水交换能力明显减弱，可能会加剧湾内水体污染程度。

4)工程实施后海湾PO4-P含量升高，DIN含量减少，N/P比普遍降低，海域磷限制作用被削弱。

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Numerical simulation on hydrodynamic environment effects of reclamation projects in Laizhou Bay

LI Gaoyang1,2,SHEN Yongming1

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.CCCC-FHDI Engineering Co.,LTD.,Guangzhou 510230,China)

U659;X52

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.01.013

1005-9865(2016)01-0094-10

2015-03-02

国家自然科学基金项目(51579030)；国家重点基础研究发展计划项目(2013CB430403)

李高阳(1990-),男,江苏徐州人,硕士。 E-mail:ligaoyang0904@163.com