岸线变迁对大连湾内湾海域纳潮量的影响

陈静，王永学

（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）

岸线变迁对大连湾内湾海域纳潮量的影响

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）

根据海图资料统计了1979年、1988年、1998年和2009年大连湾及3个内湾岸线和海域面积变化情况，并运用MIKE21软件建立这4年的潮流场模型。然后，基于潮流场数值模拟的数据计算了1979年和2009年大连湾及3个内湾动态纳潮量，并与用潮差和面积计算的静态纳潮量比较，明确对于水位与潮滩面积关系复杂、海域面积较小的海湾应选用动态纳潮量方法。最后，计算了1988年和1998年3个内湾的动态纳潮量，发现近30年间的围填海工程使得大连湾纳潮量减少15%，3个内湾纳潮量均减少50%。

大连湾；潮流场；数值模拟；湾口；动态纳潮量

纳潮量是一个潮周期内海湾的最大海水交换量，乔贯宇等（2008）定义为海湾接纳潮水的体积。它的大小直接反应了海湾与外海的水体交换强度和污染物的迁移扩散能力，是海湾的自净能力和环境容量的量化指标，也是海湾水动力、水质、生态环境评价的重要指标。目前海湾纳潮量的计算方法陈红霞等（2009）做了归纳，多采用静态计算公式。但由于高低潮时水域面积的计算较为困难，尤其是在形态变化剧烈或水域边线不规则情况下存在很大的不确定性。乔贯宇等（2008，2009）通过在半封闭海湾的湾口设计一个封闭断面与潮周期同步观测直接得到动态的纳潮量，该方法需要进行现场实测工作，除了费用高之外，因海湾繁忙的通航以及较差的海况经常难于实施，即便实施测得的纳潮量结果也因难以做到同步而失真，需做一定的数据修正工作。数值模拟技术是计算海湾动态纳潮量的基础，从模拟结果中得到封闭湾口断面的流速，通过计算得到湾口截面的流量变化时间序列，将这些流量值按涨、落潮的时间累计可得到海湾的纳潮量，此方法计算出来的纳潮量是涨潮期或落潮期流进和流出海湾的水量差，具有较强的时效性和准确性，同时便于分析纳潮量的时空配置。

大连湾是位于辽东半岛南端的一个半封闭型的天然海湾，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，海岸是典型的基岩构造。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。近些年来，大连湾填海活动十分的剧烈，岸线人工化。根据统计以1979年海域面积为基准，2009年大连湾海域面积已经减少了13.56%，填海方式以平推为主，主要填海区域为3个内湾，具体统计数据见表1。本文在潮流场数值模拟的基础上计算了同潮条件下大连湾及3个内湾的动态纳潮量，并将计算结果与用潮差和面积计算的静态纳潮量进行了比较与分析，并讨论了近30年间的大连湾和3个内湾围填海工程对海湾纳潮量的影响。

表1　大连湾及内湾岸线和海域面积统计汇总表

1　研究范围与数据资料

本文研究范围为图1中以线段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，与正北方向夹角64°。大连湾湾顶从西南往东北方向分布有3个内湾，是围填海工程的主要区域：其中，臭水套湾以线段CD为湾口，长度约为2 633 m，与正北方向夹角3°：C点坐标38°55′52″N，121° 38′37″E，D点坐标38°57′17″N，121°38′43″E；甜水套湾以线段EF为湾口，长度约为3 780 m，与正北方向夹角70°：E点坐标38°59′25″N，121°40′4″E，F点坐标39°00′08″N，121°42′31″E；红土堆子湾以线段GH为湾口，长度约为3 472 m，与正北方向夹角89°，G点坐标39°00′35″N，121°44′45″E，H点坐标39°00′39″N，121°27′16″E。

数据资料来源主要有1984年、1992年、2000年、2010年、2013年编号为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。近30年间因围填海工程的实施，大连湾海域面积不断缩小。图1中的绿颜色填充区域是1979-1989年时段新增的陆域面积；粉颜色填充区域是1988-1998年时段新增的陆域面积；蓝颜色填充区域是1998-2009年时段新增的陆域面积。

2　动态纳潮量计算方法

2.1潮流数学模型

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。

图1　1979-2009年大连湾及内湾围填海工程分布图

图2　1989年大连湾潮流模型计算区域示意图

图3　1998年大连湾潮流模型计算区域示意图

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。模型计算区域见图2和图3，选取的NW边界点位于121°34′E，38°52′35″N，SW边界点位于121°34′E，38°48′24″N，NE边界点位于122°2′E，39°5′N，SE边界点位于122°2′E，38°48′24″N。区域南北距45 km，东西距30 km。潮流场模型在2010年海图地形的基础上建立，并通过2009年的水文资料进行数学模型的校对验证见陈静等（2016），确定边界和五个调和常数，并在1984年、1992年、2000年海图地形上建立相同边界的模型。其中2009年和1979年模型见陈静等（2016），1989年模型见图2，模型三角形单元总数为32 034个，网格节点总数为61 934个，1998年模型见图3，模型三角形单元总数为33 323个，网格节点总数为63 835个。4个模型供在同潮条件下因岸线和地形变化产生的潮流纳潮量计算。图4和图5是提取的1979年大连湾内涨急和落急潮流流场矢量图。

图4　1979年大连湾内涨急潮流流场矢量图（9∶00时）

图5　1979年大连湾内落急潮流流场矢量图（次日3∶30时）

2.2动态纳潮量计算方法

纳潮量的计算数据从潮流场数值模拟数据中提取，主要包括水深、流速、流向3个方面。在海湾湾口分别布设M个测点，两个测点间距为ΔLi（m），提取数据设N个时间点，时间间隔为Δt（s）。从潮流场模拟结果中可直接得到每个测点不同时刻的流向数据（°），水深数据（m），流速数据（m/s），其中：i代表第i个测点，n代表第然后，计算n时刻两相邻测点间的平均流量为：

式中：ΔLi每个湾口取值不同。

最后，由式（6）计算出动态纳潮量：

式中：TP代表涨潮或者落潮期海湾的动态纳潮量（m3）。n个时刻。

首先，通过式（4）计算各测点的单宽流量Qni。

式中：γ代表湾口线与N向夹角（°）。

3　纳潮量的计算与结果分析

3.1大连湾湾口断面流速分布

本文模拟了同潮条件下1979年、1988年、1998年和2009年大连湾潮流场。从模拟的潮流场数值中提取数据，在大连湾湾口等距离布设M= 101个测点，测点间距ΔLi=116.64 m；提取数据的时间间隔Δt=1 800 s，大潮涨、落潮期包含N= 13个时间点，小潮涨、落潮期包含N=11个时间点。经过对比分析，发现大潮期和小潮期这4个年份大连湾湾口中点的潮位变化都不大。表2为1979年的大连湾湾口中点特征潮位汇总表，大潮平均潮差为2.949 m；小潮期平均潮差为1.245 m。图6是大连湾大潮、小潮期湾口中点潮位历时曲线，大潮涨潮历时为6个小时（15∶30-21∶30），落潮历时6 h（22∶00-次日4∶00）；小潮涨潮历时为5 h（9∶00-2∶00），落潮历时5 h（3∶00-次日8∶00）。

表2　大连湾湾口中点特征潮位汇总表（单位：m）

图6　大连湾大潮期

图7为将海图基准面作为零点的大连湾湾口断面（图1中的AB连线）的水深图，图中纵坐标为各点水深，横坐标为各点编号，其中“1号点”是图1中的A点，“101号点”是图1中的B点。图8是大连湾湾口断面大潮涨急与大潮落急时刻，各点的法向流速值（定义为垂直于湾口断面AB连线的流速分量），其中正值代表流进大连湾湾口断面法向流速，负值代表流出大连湾湾口断面的法向流速。通过对比图4和图5的流场模拟结果，可反映出图7中的流速正负值与图4和图5中湾口断面AB连线上的流入流出情况保持一致。

图7　大连湾湾口断面水深图（海图基准面为零点）

图8　大连湾大潮涨急与落急时刻期湾口断面各点法向流速值

式中：W为纳潮量；S1，S2分别为平均高、低潮潮位的水域面积；h1，h2分别为S1，S2所对应的潮高。海图上的岸线是根据大潮平均高潮位得到，岸线即是平均高潮位与陆地的交线，所以大潮平均高潮位时海湾的面积S1容易得到。海图中理论深度基准面是保证了为90%的低潮位，S2可选取海图中0 m等深线对应的海湾面积。高、低潮潮位h1，h2可从测站的平均潮位资料中获得。

依据动态纳潮量计算方法，计算了大连湾1979年和2009年大、小潮期的动态平均纳潮量（平均纳潮量是涨潮和落潮纳潮量的平均值）列于表3。表3中同时列出了静态平均纳潮量、动态平均纳潮量及两者的比较。总体上看，大连湾大小潮动态与静态平均纳潮量的的计算结果差别较小，分析其原因主要有两点：（1）大连湾为典型的基岩海岸，加上近年来的围填海工程导致岸线严重人工化，使得大连湾3个内湾的干出滩基本消失，因此在高潮与低潮潮位时的海域面积相差不大；（2）动态纳潮量存在时效性，本文在计算静态纳潮量时选用的水位差（h1-h2）是通过数值模拟出来的平均水位差，这种选取方式比选用大连港潮位观测站得到的多年平均涨、落潮潮差计算的结果更存在可比性。

3.2大连湾及内湾大小潮期动态纳潮量与静态纳潮量比较分析

基于大连湾潮流场数值模拟得到的湾口断面处各测点的流速、流向分布，应用本文提出的方法对大连湾的动态纳潮量进行了计算，并与静态纳潮量的计算结果进行了比较。静态纳潮量计算采用以下公式（9）：

表3　大连湾大小潮期动态纳潮量与静态纳潮量比较（单位：107m3）

臭水套、甜水套和红土堆子3个内湾相对大连湾来说海域面积较小，而这3个区域又是大连湾围填海工程实施的主要区域，故这3个内湾的纳潮量变化研究显得尤为重要。但是这3个海湾都存在干出浅滩，从表4中大连湾3个内湾的大、小潮动态平均纳潮量与静态平均纳潮量相差较大。这是因为臭水套、甜水套和红土堆子3个内湾是大连湾围填海工程实施的主要区域，1979年与2009年相比较其计算静态纳潮量时潮位与对应的海域面积发生了较大的变化：从1979年海图中大连湾内的3个内湾高、低潮之间都存在浅滩干出，其中臭水套湾干出滩面积为3.681 km2，甜水套湾干出滩面积为3.171 km2，红土堆子湾干出滩面积为4.803 km2，而2009年大连湾因填海工程的实施，大部分干出浅滩都已被围填成陆地，这种干出滩的存在是静态纳潮量计算结果存在误差的主要原因。此外，静态纳潮量计算方法虽然简单，但由于水域面积的准确提取是非常困难的，因而降低了其计算结果的精度。由此可见，水域面积比较小，潮滩情况复杂的小海湾，应选用动态纳潮量计算方法比较合理。

表4　大连湾内湾大小潮期动态纳潮量与静态纳潮量比较（单位：107m3）

4　大连湾内湾动态纳潮量变化分析

根据动态纳潮量方法计算大连湾3个内湾的纳潮量绘于图9。由计算结果可看出1979-2009年间3个内湾的大、小潮动态纳潮量呈减小的趋势，尤其是1999-2009的10年间，其动态纳潮量急剧减小。由表3和表4中数据可计算出从1979年到2009年大连湾大潮纳潮量减少了14.24%，小潮纳潮量减少了15.54%；臭水套湾大潮纳潮量减少了47.80%，小潮纳潮量减少了58.91%；甜水套湾大潮纳潮量减少了52.32%，小潮纳潮量减少了55.67%；红土堆子湾大潮纳潮量减少了50.71%，小潮纳潮量减少了56.22%。大连湾纳潮量平均减少15%，3个内湾纳潮量均减少了50%左右。为分析围填海工程对大连湾内湾动态纳潮量变化的影响，根据现有的海图资料，从海域面积和岸线两个方面按时间进行数据处理，统计结果见表1与图10。1979-2009年间3个内湾的海域面积呈明显减小的趋势，尤其是1999-2009年10年间，其海域面积的急剧减小，说明近30年间的围填海工程是导致大连湾内湾纳潮量急剧减小的一个主要原因。

图9　1979-2009年大连湾内湾大、小潮动态纳潮量变化曲线

图10　1979-2009年大连湾内湾海域面积变化曲线

5　结论

（1）本文基于潮流场模拟得到的海湾湾口处的各时刻流场数据，运用动态纳潮量的计算方法，对大连湾及其3个内湾1979年和2009年的动态平均纳潮量计算结果与静态平均纳潮量进行比较，结果表明对于面积比较小、潮滩情况复杂的海湾，选用动态纳潮量计算方法更为合理。

（2）大连湾1979年和2009年的动态平均纳潮量计算结果分析可得，从1979年到2009年，大连湾的纳潮量减少了15%，而大连湾的3个内湾臭水套湾、甜水套湾和红土堆子湾的纳潮量均减少了50%左右，表明近30年的围填海工程对大连湾内湾纳潮量影响已十分严重，随之而来的海域环境问题不容忽视。

陈红霞，2009.不同方式的纳潮量计算比较_以胶州湾2006年秋季小潮为例，海洋科学进展，27（1）：12-15.

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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：袁泽轶）

Effect of the coastline changes on the tidal prism water quality of Dalian inner bays

CHEN Jing1,2,WANG Yong-xue1
（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang330099,China）

In this paper,maritime area and coastline length changes of the Dalian Bay and three inner bays are calculated based on charts in 1979,1988,1998 and 2009,and tidal numerical simulation models are built using MIKE21.Then,the dynamic tidal prism water quality of the Dalian Bay and inner bays in 1979 and 2009 is calculated,and the calculation results are compared with the static tidal prism which is calculated by the tidal range and maritime area.When the relationship between the water level and tidal flat area is complex,or when the bay area is smaller,the dynamic tidal prism calculation method is more suitable for the use.In the end,the dynamic tidal prism of 3 inner bays in 1988 and 1998 is calculated,and the results show that the tidal prism water quality of the Dalian Bay decreases by 15%and those of its 3 inner bays decrease by 50%,which are resulted from the reclamation in the past three decades.

Dalian bay;tidal field;numerical simulation;bay mouth;dynamic tidal prism

P731.27；TV 143

A

1001-6932（2016）04-0390-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.04.005

2015-07-07；

2015-08-03

中国自然科学创新研究群体基金 （51221961）；南昌工程学院青年基金（2014KJ004）。

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。