从水交换角度探讨钦州湾口围填控制线

汪 昱，黄惠明，王义刚，华 厦，李逸聪

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

钦州湾位于广西北部湾沿岸湾顶的中部，广西沿海中段，即108°28′20″～108°45′30″E，21°33′20″～21°54′30″N。该湾由内湾(茅尾海)和外湾(钦州湾)组成，中间狭窄，两端宽阔，是一个半封闭型天然海湾。全湾海岸线总长约336 km，海湾面积约380 km2，其中滩涂面积约为200 km2。它也是广西沿海三大港湾中海域面积最大、岸线资源最丰富的海湾。

近些年来,随着环钦州湾地区各行政区域经济发展的提速，钦州湾的环境问题也得到了更多的重视。与此同时，钦州湾两岸都正在进行或规划进行围填活动,以满足经济发展对土地资源的需求。钦州市方面，进行了三墩作业区一期围填工程，并在此基础上进行了三墩二期作业区的规划；防城港市方面，则以企沙半岛为基础，进行了一系列港口和工业用地围填规划。这些围填工程对海域的进潮断面宽度产生一定的收缩效应，迫使海湾纳潮量下降，影响了海湾的水交换能力，最终对钦州湾的海湾环境容量造成负面影响。可见钦州湾的围填开发与环境保护，存在着一定矛盾。

目前，针对钦州湾的研究，主要集中在三个方面：(1)分析钦州湾的原始水动力条件[1-2]；(2)模拟钦州湾对围填工程的响应[3]；(3)依据实测资料推测钦州湾的污染物时空分布[4]。总体上来看，这些研究大多基于实测资料或者已完成的围填项目。随着对海洋环境重视程度的不断提高，湾口围填控制线的研究是一个很重要的方面。本文基于钦州湾实测地形及水文资料，选取湾口围填方案，建立二维潮流数学模型及物质输运模型，研究工程实施后，钦州湾地区的断面潮通量及水体半交换周期的变化。并在计算结果的基础上，以《湾口围填海规划环境影响评价导则》(GB-T 29726-2013)[5]的标准，对湾口围填控制线的设置提出建议。

1 平面二维数学模型

1.1 研究区域自然条件

根据已有研究，钦州湾潮汐性质比为4.6，属于正规全日潮[6]。径流泥沙方面，在钦州湾内湾茅尾海北侧有茅岭江和钦江两条径流，在东侧则有大风江注入。

1.2 计算区域网格及参数设置

参照已有研究[7]，为避免开边界受到拟建工程的影响，将西侧开边界设置在蝴蝶岭处，东侧开边界位于大风江东侧，外海南边界取到-20 m等深线，确保模型覆盖了钦州湾，防城湾以及大风江。模型计算采用无结构三角网格，从而可以较好地贴合岸线，时间步长为30 s。外海潮流边界考虑了M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1八个分潮。此外，茅岭江，钦江的开边采用年径流量换算。具体计算网格见图1。

1.3 模型验证

本模型采用2009年7月钦州湾水文实测资料进行验证。测站具体位置见图2。这里仅列出果子山、乌雷潮位站以及东水道入口附近L4测流站的验证曲线。图3所示的验证曲线表明计算值与实测值吻合较好，说明模型能够较好反映钦州湾附近海域的真实情况，可以在此基础上，对水动力条件进行进一步的研究。

图1 模型计算网格Fig.1 Grid of calculation图2 钦州湾测站位置Fig.2 Location of observation station

3-a 果子山潮位3-b 乌雷潮位3-c L4流速3-d L4流向图3 实测大潮部分潮位、潮流验证曲线Fig.3 Validation of tidal level and tidal current process

2 以水交换率为指标评价钦州湾湾口围填方案

随着钦州湾沿岸地区经济建设不断加速，土地资源的供需逐渐失衡。因此，近些年来，钦州市及防城港市都展开了围填作业。目前，对于如何选取钦州湾地区的围填控制线，还缺乏相关研究。只有选取合适的围填控制线，才能将围填工程给该地区环境带来的影响，控制在一个合理范围内。

4-a 工况F04-b 工况F14-c 工况F24-d 工况F3图4 工况设置Fig.4 Different reclamation plans

2.1 工况介绍

(1)F0：天然岸线，即没有进行围填工程时自然状态下的岸线；(2)F1：钦州湾口两侧的港口规划，包括已建工程与拟建工程；(3)F2：在目前规划基础上，钦州湾两侧围填控制线向外扩展，之间最短距离为8.8 km；(4)F3：在F2的基础上，将东、西控制线均适当扩展，之间最短距离为8 km。

图4为上述4种工况的具体设置图。

2.2 潮通量计算

潮通量是海湾纳潮量概念的延伸。海湾纳潮量是指海湾在一个潮周期内接纳的海水体积，而潮通量则是在海湾某处设置断面后，统计在一个潮周期内通过某一断面的海水体积。本文中，将断面布置在企沙镇至三娘湾一线，具体位置见图5。

由于大潮情况下，潮通量要远大于小潮，所以本文仅针对大潮情况，分别统计三种工况在涨、落潮情况下，通过断面的潮量。表1中列出了涨、落潮情况下潮通量的计算结果，以及各种工况相较于工况F0的潮通量减少量。由计算结果可见，在工况F0情形下，断面1的涨潮潮通量可以达到近13.9亿m3，落潮时达近13.8亿m3。工况F1情形下，涨潮潮通量减少至13.18.亿m3，落潮潮通量减少至13.08亿m3，较工况F0均有近5%的衰减；工况F2及F3情形下，涨、落潮潮通量继续发生小幅衰减。

表1 潮通量计算统计表Tab.1 The calculation result of tidal flux

2.3 水交换分析

水交换能力的强弱，与研究海域的水体自净能力强弱直接相关。在水交换分析中，常采用半交换时间[8]来表征水交换率。在设置初始条件时，添加一种溶解态的保守物质，将关注区域内初始浓度设置为1，将其他区域设置浓度设置为0。在模型开始运算后，保守物质会在潮流作用下，在关注区域内外发生交换。关注区域内浓度最终下降到0.5所用时间，即为半交换时间。

过往针对钦州湾的研究中，通常将茅尾海设置为关注区域。本文所考虑的工况，主要是在湾口处进行围填，且围填范围较大，为了能够更为充分地考虑围填作业对水交换的影响，将青菜头——盐田港断面以北设置为关注区域，区域位置见图6。同时将大潮设置为计算的起始时刻。得到的计算结果见图7和表2。

图5 断面设置图Fig.5 Location of section图6 水体半交换关注区域Fig.6 The region of water exchange图7 各工况下关注区域水交换曲线Fig.7 The curve of water change in different projects

从浓度曲线中可以看出，随着时间的推移，三种工况下，污染物的浓度总体上都呈现出震荡减小的趋势，在某些时段，平均浓度会出现一定幅度的上升，通过对比三种工况下，水交换曲线的变化趋势，可见原始工况下，水体半交换周期达到10.16 d。工况F1情形下，水体半交换周期延长至10.50 d。从工况示意图中可以看出，相较于工况F0，工况F1主要在湾口外进行围填规划，其中，西侧围填规划的北边界靠近防城港核电站取水口，南边界接近外海；东侧围填规划则直接与陆地相连，从岸线向外延伸进行围填；同时，工况F1情形下，口门断面的潮通量发生了一定程度的衰减，从而对水体交换速率产生了负面影响；而且由于围填规划面积较大，且靠近岸线，对附近区域的水动力及流场都产生了影响，也会在一定程度上延缓水体交换速率。工况F2情形下，水体半交换时间达到了10.58 d，较工况F1的水体半交换周期有小幅增加，这是因为工况F2中，东、西两侧围填控制线的距离缩短至8.8 km，湾口断面的潮通量进一步减小，控制线对水道束窄作用也在增加，从而影响了水体交换速率。工况F3情形下，水体交换能力进一步下降，半交换时间延长至10.68 d。

表2 关注区域半交换周期Tab.2 The result of half-exchange period

2.4 方案评价

采用《湾口围填海规划环境影响评价导则》(GB-T 29726-2013)，从潮通量以及水体交换率两方面对两套围填方案评价。具体指标见表3。

表3 水交换评价指标赋分表Tab.3 Marks for water exchange indexs

将各项目所得分数加权平均，可知工况F1所得分数为19.5，工况F2所得分数为16，F3所得分数为9.5。依据《湾口围填海规划环境影响评价导则》，当得分值大于19时，属于拟选工况；当得分值在10～19之间时，可作为慎选工况；当得分值小于10时，应当考虑放弃该工况。因此，从水交换角度进行评价，工况F1即钦州湾两侧港口规划完全满足相关要求；工况F2条件下，湾口两侧围填控制线之间的最短距离为8.8 km，各项指标基本达标，且根据已有研究[8]，该方案中，水动力指标的改变量，也符合《导则》中相关评价标准；工况F3对相关指标影响较大，应当放弃。

3 结论

(1)在钦州湾湾口处进行围填，由于围填面积较大，且东、西两侧围填控制线距离较近，对水道产生了束窄作用，会使得整个口门断面的潮通量出现一定程度的下降。

(2)在湾口围填作业后，钦州湾内部的水体半交换周期出现一定程度的增加。三种围填工况下，污染物浓度的变化趋势基本一致，而水体半交换周期存在一定差异，可以认为是控制线对水道的束窄作用逐渐加强，对水动力条件产生了影响，从而降低了污染物的扩散速率。

(3)根据计算结果，结合《湾口围填海规划环境影响评价导则》及已有研究成果可知，从水交换角度来考量，目前的钦州三墩作业区和防城港港企沙作业区的港口规划的布置满足导则的要求，湾口两侧围填控制线之间的最短距离不宜小于8.8 km。