围垦工程群对杭州湾南岸累积水动力影响分析

方 强，黄赛花，许雪峰，王继保，李东风，谢华伟

(1.浙江水利水电学院水利与环境工程学院，杭州 310018；2.三峡大学水利与环境学院，宜昌 443000；3.自然资源部第二海洋研究所海洋工程重点研究室，杭州 310012)

浙江省滩涂资源丰富，开发利用率较高，其中杭州湾滩涂开发利用率尤为显著。杭州湾位于浙江东北部，西接绍兴市，东连宁波市，北接嘉兴市和上海市，具有海域宽阔、潮差大、流速急等特点，为典型的喇叭口海湾。围垦工程不仅满足了浙江省日益紧张的土地资源问题，而且有利于浙江经济快速发展[1]。20世纪70年代至2014年，杭州湾共围垦851.03 km2，其中20世纪70年代围垦面积最大，占总围垦面积的21.33%[2]。

国内外多位学者已运用数值模拟、半理论半经验等方法从不同角度分析围垦工程对杭州湾水动力水环境的影响。邵明明等[3]运用FVCOM结合Landsat遥感数据分析2005—2015年围垦工程对杭州湾潮位、潮流和余流的影响。李莉等[4]建立杭州湾三维水动力数值模型，分析岸线变化对其水动力特征的影响，结果表明岸线缩窄影响分潮振幅、相位及潮汐不对称等。郜会彩等[5]通过浓度示踪数学模型分析钱塘江河口水体交换能力，结果表明岸线变化会影响水体交换时间，但不明显。宋立松[6]根据河床变形方程、最小能耗原理和灰色理论进行钱塘江河口围垦回淤过程预测。邹志年等[7]分析围涂工程建设前后杭州湾无机氮和叶绿素的变化情况。韩曾萃等[8]运用咸水入侵一维数学模型分析大型水库修建及治江缩窄后咸水入侵的时空变化。叶涛焱等[9]分析潮滩减少对杭州湾悬沙输移的影响，并基于反演模型探讨近30 a岸线变化下杭州湾最大浑浊带(TMZ)的时空变化特征[10]。潘存鸿等[11]分析围涂工程对湾内潮差变化影响的内在机理，并以围涂面积作为定量化指标探讨其与海平面上升间的关系。此外，Guo等[12]、谢亚力等[13-14]研究岸线变迁和海床变形对杭州湾风暴潮的影响。曹颖[15]浅析治江缩窄后钱塘江河口下移特性变化。

上述研究主要分析围垦工程对杭州湾的整体影响程度，而关于累积的围垦工程对局部区域影响的详细研究较少。浙江省政府规划的浙江大湾区“四大新区”中的宁波前湾新区和绍兴滨海新区均位于杭州湾南岸。大面积围垦导致湾内河床束窄，杭州湾水动力条件发生变化，进而影响杭州湾水体交换能力，不利于污染物的扩散，尤其是杭州湾南岸。相关资料表明，南岸沿岸海域水质受围涂工程等人类活动的影响较大[16]。因此，研究累积的围垦工程对杭州湾南岸水动力的影响是十分有必要的。本文在前人的基础上，首次重点分析了近20 a来杭州湾南岸沿岸海域水动力的累积变化。研究结果可为宁波前湾新区和绍兴滨海新区的规划提供参考价值。

1 模型建立及验证

1.1 水动力控制方程

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

式中：h=η+d，为总水深；η为水位；d为静止水深；u、v为流速分量；f为科氏力，f=2Ωsinφ；sxx、sxy、syy为波浪辐射应力分量；τsx、τsy为风应力分量；τbx、τby为底部摩擦应力分量；Txx、Txy、Tyy为黏性分量；S为源汇项。

1.2 计算区域及网格

模型上边界取在钱塘江西兴大桥附近，下边界为芦潮港-镇海一线，如图1所示。1997—2015年间杭州湾岸线复杂多变，采用非结构三角形网格剖分计算域。围垦区附近海域进行网格加密，远离工程区海域网格相对稀疏，不同尺度网格之间通过设置实现平滑过渡。计算域内共有19 789个三角形网格单元，10 429个节点，网格大小为0.004～3.3 km2。1997年、2007年和2015年网格数量、大小相同。

图1 计算区域及测站位置

1.3 初始条件

研究不考虑温盐因素影响，因此模型初始条件仅包含水位和流速条件。初始条件对最终计算结果影响不大，但初始条件越精确，模型达到稳定的时间越短。由于缺乏相关资料，初始水位和流速均设为0。

(4)

式(4)中：z为水位，m；u、v为流速分量，m/s。

1.4 边界条件

上游设定流量边界，下游设定潮位边界。根据富春江水电站年平均数据，设定上边界流量为 952 m3/s。根据芦潮港、镇海实测潮位，运用差分器差分得到下边界潮位值。固壁边界采用法向零通量条件。不考虑表层风场对杭州湾水动力的影响。

1.5 相关参数设置

1.5.1 干湿水深判别

杭州湾南岸浅滩分布广，跨度大。涨潮时漫滩，落潮时露滩。干湿水深判别对计算结果和模型稳定性至关重要。采用干湿网格法进行判别，即干水深0.005 m，淹没水深0.05 m，湿水深0.1 m。

1.5.2 底床糙率

谢才系数、曼宁系数、粗糙高度均可表征底床糙率。选取曼宁系数，根据实测水文资料对模型进行多次率定，取0.017。

图3 流速、流向验证

1.5.3 水平涡黏系数

采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky公式计算水平涡粘系数，其值一般为0.25～1.0。经多次率定，取0.28。

1.5.4 科氏力

科氏力取所在海域平均纬度，即φ=27.50°。

1.6 数学模型验证

选取2012年10—11月杭州湾实测潮位和流速数据进行模型验证，测站位置如图1所示，其中 H1～H9为潮流测站，#1～#3为潮位测站。如图2所示为潮位验证结果(2012年10月27日—2012年11月1日)，如图3所示为H1、H2、H3、H7潮流验证结果(2012年11月1—2日)。由于篇幅有限，只给出潮位测站#3和潮流测站H1、H2、H3、H7的验证结果。总体来说，潮位、潮流计算值与实测值基本吻合，所建数学模型能较好反映杭州湾水动力情况，可用于杭州湾海域相关问题的研究。

图2 潮位验证

2 工程前后杭州湾南岸水动力变化分析

2.1 高潮位变化

杭州湾水位高低主要受天文潮、径流丰枯、河槽平面摆动和人类活动等条件影响[17]。因此研究单因素变化对高低潮位的影响更具可比性。本数值模型中未围垦海域水深并未改变，能较好地反映因围垦工程引起的岸线变化对潮位的影响。一般情况下，河口地区围填海工程建设后单宽流量增加，高潮位有所抬升[18]。

为了更直观地分析累积的围垦工程建设前后杭州湾南岸高潮位的变化特征，研究沿杭州湾南岸自西向东依次选取T1～T6共6个特征点，特征点位置如图4所示。

图4 特征点位置示意图

1997年、2007年和2015年杭州湾南岸特征点天文大潮期间高潮位及其变化如表1所示。从表1可以看出，1997—2015年杭州湾围垦工程的实施会使杭州湾内高潮位抬升，高潮位自西向东呈降低趋势。特征点T6离湾口较近，该处海域开阔，高潮位变化受围垦工程影响最小，高潮位最大抬升 0.04 m。1997—2007年间，尖山和上虞围垦面积较大，其中尖山一侧围垦约52.2 km2，上虞一侧围垦约45.9 km2，尖山至上虞断面间距收缩剧烈，高潮位抬升尤为显著。因此1997—2007年间特征点T1、T2高潮位抬升均超过0.3 m，特征点T1高高潮抬升最大。其中2007年特征点T1、T2高高潮与1997年相比分别抬升0.60、0.43 m，高低潮与1997年相比分别抬升0.52、0.31 m。2007—2015年间，围垦区域主要集中在上虞、余姚和慈溪一侧，面积约为260.8 km2。慈溪段岸线向湾内过于凸出，南北两岸河床断面距离骤减，特征点T3高潮位抬升最大，2015年特征点T3高高潮与2007年相比抬升0.23 m，高低潮与2007年相比抬升0.19 m。此外，除特征点T5外，高高潮受累积的围垦工程的影响程度大于高低潮。

2.2 浅滩漫滩流变化

纵观整个涨落潮流过程可知，涨潮时，东海潮波从计算域东边界传入，并沿杭州湾水域向西传播，落潮时相反。由于尖山下游杭州湾水域相对开阔，潮流表现为旋转流形式，旋转方向为逆时针，但旋转形态相对较弱，旋转椭圆短轴较小。受岸线及水下地形引导与约束的影响，杭州湾南、北岸流场差异较大。图5～图7为1997年、2007年和2015年杭州湾海域天文大潮期间涨、落急流场图。杭州湾南岸主要以余姚浅滩和庵东浅滩为主，空间跨度大，面积广。由图可知，1997年余姚浅滩和庵东浅滩漫滩流特性显著。1997—2015年间，尖山一侧及余姚、庵东浅滩面积变化明显，对浅滩漫滩流的动力影响较大，漫滩流特性有所减弱。整体来说，近20 a的围垦工程对杭州湾南岸浅滩漫滩流影响明显，离南岸较远海域流场影响不大。

表1 天文大潮期高潮位及其变化

图5 1997年涨急流场和落急流场

图6 2007年涨急流场和落急流场

图7 2015年涨急流场和落急流场

2.3 流速变化

1997—2015年杭州湾围垦区域主要为浅滩，湾内海域面积骤减，纳潮量大大减小，势必会对杭州湾潮流流速产生影响。研究选取天文大潮期间涨、落急时刻分析累积的围垦工程对杭州湾南岸近岸海域流速的影响。为便于比较，将年际间的涨、落急流速变化统一呈现于1997年岸线下。如图8所示，分别为各年份间涨、落急流速对比图，其中正值表示流速增大，反之则减小。从图8可知，围垦区前沿及河道断面收缩剧烈的河段流速变化较大，其余区域流速变化较小，至湾口处已无显著影响。由涨急流速变化图可知，2007年与1997年相比，南岸近岸海域流速有所减小，大部分区域流速减小 0.1～0.4 m/s，极个别区域流速减小超过0.8 m/s以上；2015年与2007年相比，南岸近岸海域流速继续减小，慈溪-余姚近岸区域减小幅度以0.2～0.4 m/s 为主，而宁波北仑-镇海近岸海域流速减小甚微。整体来看，1997—2015年杭州湾南岸涨急流速有较为明显的累积效应。由落急流速变化图可知，2007年与1997年相比，杭州湾南岸近岸海域流速有所降低，宁波北仑-镇海近岸稍远海域流速略微增加，但不明显；2015年与2007年相比，南岸近岸海域流速继续减小。整体来看，1997—2015年杭州湾南岸落急流速呈现出大面积累积减小的趋势。

图8 涨、落急时刻流速变化

3 结论

运用数值模型模拟1997—2015年杭州湾围垦前后水动力场，重点分析围垦工程对杭州湾南岸水动力场的影响，得出以下结论。

(1)1997—2015年间的围垦工程对杭州湾南岸高潮位影响显著，特征点高潮位均有显著抬升。自湾顶往湾口方向，河床断面间距增大，海域逐渐开敞宽阔，特征点高潮位自西向东呈降低趋势。

(2)杭州湾南岸以浅滩为主，涨潮时漫滩流显著。1997—2015年间的围垦工程对南岸漫滩流影响较大，漫滩流特性有所减弱。

(3)1997—2015年间的围垦工程导致杭州湾海域面积骤减，对杭州湾南岸近岸海域流速影响较为明显。南岸大部分近岸海域涨、落急流速均有不同程度的降低，并且南岸近岸海域涨急流速有较为明显的累积效应。