围填海对渤海湾水动力环境的影响

姚剑宇 ，丁 磊 ，王 刚，赵 亮

(1.海洋资源化学与食品技术教育部重点实验室，天津 300457；2.天津科技大学海洋与环境学院，天津 300457；3.中国水产科学研究院渔业工程研究所，北京 100141)

围填海是有效缓解沿海地区土地资源紧缺问题的重要途径，围填海在为人类提供更多发展空间和带来巨大经济效益的同时，也改变了自然岸线及其附近海域的地形地貌，影响了水动力环境[1].同时，围填海还会引发一系列的生态问题，对自然环境产生负面影响[2-3]，制约了海洋经济的可持续发展.环渤海地区作为我国经济发展的重要引擎，也开展了大规模的围填海活动.仅2000—2010年，渤海湾海岸大幅度向海推进，陆域面积增加了322km2，海岸线增长了331.6km[4].

国内外学者从不同方面研究围填海对水动力环境的影响.Park等[5]研究提出，围填海之后岸线变化改变了潮波的反射，会使围填后潮汐振幅减小.Yuan等[6]对胶州湾不同时期的水动力环境进行数值模拟，结果表明围填海减弱了湾内的水交换能力.曾相明等[7]应用POM(Princeton Ocean Model)模型模拟了围填前后象山港的水动力环境，结果显示工程区的水交换能力、纳潮量都明显减小.陈金瑞等[8]采用FVCOM模型分析胶州湾不同年代的水动力变化，研究结果表明围填活动导致胶州湾海域总面积不断缩小，纳潮量逐渐减小，流速呈减小趋势，湾内水交换能力趋弱.王蕊[9]基于FVCOM模型分析不同围填海方案对渤海地区水动力环境的影响，研究结果显示岸线变化对潮汐、潮流影响较大，变化影响最大的位置是天津港围填海工程附近.还有学者在围填海对波浪影响方面进行了研究.勾鸿量等[10]运用SWAN模型模拟分析了曹妃甸工程前后的代表性波浪场，表明工程区的港池、潮汐通道内波浪变化显著，周期和波高减小.赵鑫[11]应用SWAN模型模拟渤海湾风浪，结果显示围填海后有效波高呈减小趋势，在工程区附近变化显著.Song等[12]采用Delft3D模型模拟港口建设对渤海湾西南部风暴潮的影响，研究发现港口建设对海岸风暴潮的影响主要通过非线性潮波相互作用实现，波浪增水对风暴潮的最大贡献从2003年的5%～15%增加到2016年的8%～20%.

已有的研究为认识围填海对水动力环境的影响奠定了基础，然而大多数工作仅从潮流场或者波浪场的单一动力条件进行分析，对于波流共同作用的研究较少，有待深入探索.于是，本文采用基于MCT耦合器建立的FVCOM-SWAN双向耦合模型[13-15]，分析波流共同作用下围填海对渤海湾水动力环境的影响，并比较波流共同作用与否的差别.

1 模型设置

本文用2000年渤海湾岸线代表围填前的情况，用从2010年遥感数据中提取的岸线[4]叠加天津市和河北省海洋功能区划(2011—2020年)中的围填海部分代表围填后的情况.模型计算时，FVCOM和SWAN模型采用相同网格，计算区域包括渤海和北黄海部分海域，水平方向采用三角形网格离散，在渤海湾区域进行局部加密，最小网格尺寸为300m，自渤海湾向外网格分辨率逐渐降低，开边界处最大网格尺寸约为10000m.网格点上的水深数据由Choi 等[16]提供的1′×1′的东中国海水深数据插值得到.需要说明的是，为了突出岸线变化对水动力环境的影响，围填前后模型均采用上述水深数据.图1给出了计算区域围填前后岸线和水深分布，图1(a)还显示了下文用于模型验证的测站位置.

图1 计算区域围填前后水深图 Fig.1 Bathymetric map before and after land reclamation

开边界潮位数据通过OTPS计算得到[17]，考虑了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q18个主要分潮.由于文中计算时间段的不同，表面风场分别采用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的CFSR(1979年1月至2011年3月，时间分辨率为1h，空间分辨率为0.312°×0.312°)和CFSv2(2011年4月至今，时间分辨率为1h，空间分辨率为0.204°×0.204°)中的10m风速资料.

FVCOM模型垂向采用σ坐标系，共分11层，外模的计算时间步长为5s，内外模的计算时间步长比为3∶1，采用干湿网格处理，取最小水深为0.05m；SWAN模型的计算时间步长为15min.两模型各自运行，每30min进行一次数据交换，FVCOM模型将水位和垂向平均流速等参数传递给SWAN模型，而SWAN模型则向FVCOM模型提供有效波高、波向、谱峰周期、波长、破波率、底部水质点最大轨道速度，以及底部波周期等波浪要素.波流耦合模型中的底部切应力采用Soulsby给出的公式进行计算[18].

2 模型验证

分别选取渤海湾2003年7月13日21时至16日19时T1测站(118.2°E，38.4°N)和2012 年4月5日17时至6日15时T2测站(118.98°E，38.76°N)观测数据对模型潮位和流速结果进行验证.图2分别显示了T1测站垂向平均流速、流向实测值与计算值的比较结果，可见两者吻合较好.

图2 T1测站垂向平均流速、流向的实测值与计算值的比较 Fig.2 Comparison of measured and computed tide current speed and direction at T1 station

T2测站潮位、垂向各层的水平流速、任选的中间层潮流流向的实测值与计算值的比较结果如图3所示.其中，流速图中用背景颜色表示垂向各层水平流速的实测值，用圆圈中的颜色表示垂向各层水平流速的计算值.结果表明，涨落潮潮位变化过程与实测结果基本相符，各层流速分布和变化过程相近，各时刻流向也比较吻合.

图3 T2测站潮位、流速、流向的实测值与计算值的比较Fig.3 Comparison of measured and computed tide level，tide current speed and direction at T2 station

分别选取位于渤海湾口的A1测站(119°E，38.9°N)、渤海中部的A2测站(120.1°E，39°N)和莱州湾口的A3测站(119.9°E，38°N)的2011年11月22日0时至12月6日0时的实测数据[19]验证波浪结果.各测站有效波高、平均周期的实测值与计算值的比较结果如图4所示.由图4可知：有效波高的计算值和实测值具有较好的一致性.尽管平均周期的计算值均小于实测值，但是变化过程与实测值吻合度较好.同时，下文主要讨论围填前后平均周期计算值的差异，当两计算值相减时，实际上已消除计算值误差的影响，因而对分析结果影响较小.

图4 各测站有效波高、平均周期的实测值与计算值的比较 Fig.4 Comparison of measured and computed significant wave height and mean period at the selected stations

综上所述，本文所采用的模型能够较好地模拟渤海湾海域实际水动力环境，该模型将被应用于下文的研究.

3 结果分析

本文选取2000年2月开边界潮位和表面风场驱动FVCOM-SWAN双向耦合模型，分别计算渤海湾围填前后的水动力条件，分析围填海对水动力环境的影响.同时，在其他条件相同情况下，仅采用FVCOM模型对渤海湾围填后水动力条件进行模拟，比较波流相互作用与否的差别，并对波流共同作用下波浪对潮流的影响进行分析.

3.1 围填海对渤海湾水动力环境的影响

3.1.1 潮流场

分别对2000年2月中出现的所有高、低潮位时的水位以及涨急、落急时的垂向平均流速计算结果进行平均.高、低潮位时渤海湾围填前后月均水位差值图(围填后减去围填前的对应结果，下同)如图5所示.

图5 渤海湾围填前后月均水位变化图 Fig.5 Variation of monthly-averaged water level before and after land reclamation in the Bohai Bay

由图5可知：围填后，曹妃甸东北部的三港池附近海域高潮位时月均水位较围填前减小0.1～0.2m，低潮位时增加0.1～0.25m.曹妃甸附近其他海域在高、低潮位时月均水位较围填前变化均小于0.1m.天津港附近海域除了高潮位时在南港工业区附近出现月均水位增加0.15～0.2m的情况外，其余海域变化均在0.1m左右.黄骅港附近海域高潮位时月均水位增加0.1～0.2m，低潮位时减少在0.1m以内.渤海湾远离围填海域高、低潮位时月均水位变化均较小.

涨急、落急时渤海湾围填前后月均垂向平均流速变化图如图6所示.

图6 渤海湾围填前后月均垂向平均流速变化图 Fig.6 Variation of monthly-averaged and depthaveraged velocity before and after land reclamation in the Bohai Bay

从图6可以看出：围填后，曹妃甸一港池、二港池和三港池附近海域涨急、落急时流速较围填前均呈现不同程度的减小，减幅大多在0.1～0.3m/s.在围填外边界附近原潮流流向改变较大的海域出现流速增大的现象，增幅为0.1～0.2m/s.天津港附近海域涨急、落急时流速减小的范围较大，各功能区外边界附近海域减幅为0.1～0.3m/s.流速减幅为0.05～0.1m/s的影响范围进一步向外海扩展，且落急时的扩展范围比涨急时大.同时，在南港工业区附近海域也出现了流速增加0.1～0.2m/s的情况.黄骅港附近海域涨急、落急时流速变化幅度小于0.15m/s，渤海湾中部海域流速变化小于0.05m/s.

为便于进一步分析，在主要围填海区选择3个特征点C1、C2、C3，具体位置如图5(a)所示.图7分别给出了围填前后3个特征点24h水位、垂向平均流速及其流向变化过程(其他周期的变化过程类似，这里不再重复显示).

图7 渤海湾主要围填海区特征点围填前后水位、垂向平均流速、流向变化过程 Fig.7 Variation of water level，depth-averaged velocity and direction before and after land reclamationat characteristic points of main reclamation areas in the Bohai Bay

如图7(a)所示C1位置处，围填后水位、垂向平均流速及其流向的变化较围填前均滞后1h，而且涨落潮流向也发生较大改变，由围填前的WNW-ESE向变为围填后的SW-NE向；可见曹妃甸三港池附近形成的半封闭区域阻挡了涨落潮的原有路径，围填后主要通过东北方向的口门进出.路径的延长导致涨落潮出现滞后，使得围填外海域分别先于港池达到高潮位和低潮位，从而港池内涨潮水位升幅和落潮水位降幅均较围填前小，因此，高潮位较围填前减小，低潮位较围填前增加.位于天津南港工业区附近海域的C2位置处〔图7(b)〕，围填前后水位、垂向平均流速及其流向变化过程同步，涨落潮流向也一致，说明围填海并未改变该海域的涨落潮路径.同时，围填前后水位在高潮位时差别较明显，低潮位时差别较小.垂向平均流速在涨急时的差别要大于落急时的差别.位于黄骅港口门附近海域的C3位置处〔图7(c)〕，围填前后水位、垂向平均流速及其流向在大部分变化过程中同步，在落潮过程有个别时刻有所差别，特别是围填后落急时刻较围填前提前2h出现.围填前后涨落潮流向也一致.同时，围填前后水位在高潮位时差别较明显，低潮位时差别较小.

3.1.2 波浪场

分别对2000年2月的波浪有效波高和平均周期计算结果进行平均.渤海湾围填前后月均有效波高和平均周期变化图如图8所示.结果表明：渤海湾内远离围填区的大部分海域波浪场变化并不显著，围填后，曹妃甸在一港池、二港池及围填外边界附近海域月均有效波高较围填前减小0.1m以内，月均周期在一港池、二港池内较其他附近海域减小明显，减幅在0.4s以内.天津港各港池内海域有效波高减幅在0.05～0.15m，月均周期减幅为0.1～0.5s，各功能区外边界附近海域减幅在0.05m以下，月均周期减幅在0.1s以内.黄骅港附近海域有效波高也减小，较为明显区域的变化幅度在0.05～0.1m，月均周期的变化幅度在0.1s以内.综上所述，由于围填后建筑物阻碍波浪原有传播路径，与围填前相比，只有部分波浪能量可以通过口门进入港池，从而导致各港池内海域波高较围填前有不同程度的减小.同时，对波浪场的影响局限在围填海域附近，渤海湾其他海域波浪变化很小.

图8 渤海湾围填前后月均有效波高、周期变化图 Fig.8 Variation of monthly-averaged significant wave height and mean period before and after land reclamation in the Bohai Bay

3.2 波流共同作用下波浪对潮流的影响

除了讨论围填海对渤海湾潮流场和波浪场影响外，本文还分析了波流共同作用下波浪对潮流的影响.先分别对采用FVCOM-SWAN双向耦合模型计算的2000年2月渤海湾围填后所有时刻的水位、垂向平均流速和底部切应力与仅采用FVCOM模型计算的对应结果进行比较，计算两者的差值，然后再取其差值极值.

水位差极值结果如图9所示.由图9可知：与不考虑波浪作用时相比，在波流共同作用下，曹妃甸东北部三港池附近海域水位增幅为0.01～0.03m，曹妃甸附近其他海域水位减幅为0.01～0.03m.天津港附近海域除个别港区内水位有所增加外，其余大部分区域水位减幅为0.02～0.05m.黄骅港附近海域水位减幅为0.02～0.08m，而渤海湾西南沿岸海域水位增幅为0.02～0.07m，这与Song等[20]在该区域的研究结果一致.同时，渤海湾中部海域水位差值很小，说明波浪的影响效果较小.

图9 渤海湾围填后FVCOM-SWAN模型与FVCOM模型计算水位差极值图 Fig.9 Peak value of computed water level difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

分别从FVCOM-SWAN模型和FVCOM模型中获得图5(a)所示的C1—C3位置处水位结果，图10分别给出了C1—C3位置处在以上两者取差值极值时刻(记为0)前后各12h的水位变化过程.由图10可见：C1—C3处在波流共同作用和不考虑波浪作用时的水位过程差别很小，局部放大图显示了两者差别的幅度.同时，两者差别主要发生在落潮过程.

图10 渤海湾主要围填海区特征点FVCOM-SWAN模型与FVCOM模型计算水位变化过程的比较 Fig.10 Comparison of computed water level seriesfrom FVCOM-SWAN and FVCOM model at characteristic points of main reclamation areas in the Bohai Bay

垂向平均流速差极值结果如图11所示.从图11可以看出，与不考虑波浪作用时相比，在波流共同作用下，渤海湾中部海域垂向平均流速的变化幅度小于沿岸海域.渤海湾中部海域流速减幅在0.01m/s左右，曹妃甸东北部三港池附近海域流速减幅为0.05～0.13m/s，在围填外边界附近原潮流流向改变较大的深槽海域流速增加0.05～0.1m/s.天津港附近海域流速变化幅值为－0.05～0.05m/s.黄骅港口门附近流速增大0.05～0.1m/s，而渤海湾西南沿岸大部分海域流速减幅为0.08～0.12m/s.

图11 渤海湾围填后FVCOM-SWAN模型与FVCOM模型计算垂向平均流速差极值图 Fig.11 Peak value of computed vertically averaged velocity difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

综上所述，与不考虑波浪作用的情况相比，在波流共同作用下，在渤海湾大部分区域水位和流速均减小，这一结果的主要原因为波流共同作用导致底部粗糙度增加[21]；而且，两者减小的幅值呈现渤海湾中部海域小于沿岸海域的现象，可见波流共同作用对渤海湾沿岸海域的影响更为显著.

底部切应力差极值结果如图12所示.从图12可以看出：渤海湾沿岸海域波流共同作用下底部切应力较不考虑波浪作用时增幅为0.05～0.15Pa，由于底部切应力是海床泥沙运动的主要原因，因而该变化会直接影响该海域床面泥沙的起悬和输移.渤海湾中部海域底部切应力变化较小，减幅在0.02Pa以内，从而进一步说明了波流共同作用对渤海湾沿岸海域的影响较为显著，因此考虑波流共同作用可以更加完整地反映沿岸海域的水动力环境.

图12 渤海湾围填后FVCOM-SWAN模型与FVCOM模型计算底部切应力差极值图 Fig.12 Peak value of computed bottom shear stress difference between FVCOM-SWAN and FVCOM model after land reclamation in the Bohai Bay

4 结 语

本文基于FVCOM-SWAN双向耦合模型，对渤海湾围填前后潮流场和波浪场进行模拟，分析了围填海对渤海湾水动力环境的影响，并比较了是否考虑波浪作用对潮流的影响.结果表明：围填海对其附近海域水动力环境的影响较为显著，而对远离其海域的影响较小.在主要围填海区，大部分海域高潮位时月均水位较围填前增加，低潮位时月均水位较围填前减小.由于曹妃甸东北部三港池附近形成的半封闭区域阻挡了涨落潮原有路径，导致涨落潮出现滞后，使得围填外海域分别先于港池达到高潮位和低潮位，从而月均水位变化与其他海域相反.涨急、落急时，月均垂向平均流速在曹妃甸围填外边界附近原潮流流向改变较大的海域、天津南港工业区和黄骅港口门附近海域增加，在其他主要围填海区减小.对波浪场的影响局限在围填海域附近，月均有效波高和周期均减小，渤海湾其他海域波浪变化很小.

分别从水位、垂向平均流速和底部切应力差极值方面分析了波流共同作用下波浪对潮流的影响.波流共同作用与不考虑波浪作用的情况相比，曹妃甸东北部三港池附近海域、天津港个别港区以及渤海湾西南沿岸海域水位增加，垂向平均流速减小，其余大部分沿岸海域水位减小，垂向平均流速增加.底部切应力在大部分沿岸海域增加.鉴于波流共同作用对发生围填海的沿岸海域水动力环境的影响，因此在关于围填海区域的研究中建议考虑波流共同作用.