潮汐驱动下的辽东湾水动力及入海污染物输移特征

李东辉，晁雷，赵丰泽，雷坤，李原仪

（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168；2.天津大学机械工程学院,天津 300072；3.中国环境科学研究院,北京 100012；4.天津大学海洋科学与技术学院,天津 300072）

辽东湾位于我国渤海北部，为典型的半封闭型海湾，其三面环陆，南接渤海中央海盆，东西较窄，南北狭长，与外海水交换困难[1-2]。随着社会和经济的快速发展，大量污染物随入海径流进入辽东湾，对其海洋环境造成了巨大影响[2-3]。辽东湾等近岸海域是陆海相互作用强烈的区域，陆源排放的污染物对近岸海域水质产生显著影响，研究辽东湾入海物质的输移扩散特征对认识辽东湾海水自净能力和改善辽东湾水环境具有重要意义[4-8]。

潮流是驱动近海物质输运的关键性因素，近海的潮流特征决定了海域物质输运的主要路径及其分布特征[9-11]。目前，对辽东湾潮流和物质输运特征已开展了大量研究。赵保仁等[11]基于早期综合调查资料对该海域环流和潮余流进行分析认为辽东湾南部海域的潮余流方向是顺时针，徐珊珊等[12]利用海上浮标数据对辽东湾湾口附近的海流进行分析得出了相似的结论。而Shang等[13]基于数值模拟认为辽东湾南部海域的潮余流是逆时针的。魏皓等[14]通过数值模拟发现辽东湾北部海域存在自封闭的环流而导致北部海域与外海水交换较弱。孔祥鹏[15]通过数值模拟的方法研究发现辽东湾北部海域的环流主要为逆时针方向，这与胡雪明[16]在夏季辽东湾北部海域研究结果基本一致。由此可知，目前对辽东湾潮致环流特征的认识存在一定分歧，对辽东湾海域环流影响范围与河流入海水体的输运路径也需要深入研究。由于辽东湾复杂的环流结构，仅从潮致本身研究物质输运可能得不到清晰明确的结论，有必要通过具有明确物理意义的参量对辽东湾的水交换和物理自净能力进行定量描述。本研究采用平均年龄理论呈现出入海水体在时空上的运动趋势，从而实现对辽东湾物质输运特征的全面认识。

本文采用数值模拟的方法对辽东湾潮汐驱动下的水动力条件和物质输运进行了研究，使用基于欧拉观点的示踪物质输运模型研究了辽东湾海域余环流特征和辽东湾不同海区的水交换特性，将基于欧拉观点的年龄模型应用于物质输运的时间尺度研究，分析潮汐驱动下的辽东湾水交换和物理自净能力，以期为辽东湾环境承载力评估提供科学依据。

1 研究区域、数据和方法

1.1 研究区域

辽东湾所属岸线西起六股河口，东到辽东半岛西侧的长兴岛（图1），沿岸有辽河、大辽河、复州河、六股河等河流流入。湾内平均水深约18 m，最深处约32 m，受不正规半日潮控制，平均潮差约2.7 m，水动力条件较弱[17-18]。为全面研究辽东湾海域的物质输运特征及其与渤海中央盆地北部海域间的水交换过程，本文将研究区域扩大至图1 中虚线位置（唐山市乐亭县至大连市旅顺口）以北区域。

图1 研究区域（虚线以北区域）及沿岸径流入海位置Fig.1 Study area (north of dotted line) and locations of rivers entering the Liaodong Bay

1.2 入海流量数据

本研究考虑了位于辽东湾湾顶地区的辽河和大辽河、位于辽东湾西岸的六股河与辽东湾东岸的复州河等辽东湾入海径流（图2）。4 条河流的入海流量数据来自1988—2016 年《中华人民共和国水文年鉴》[19]，搜集整理了上述4 条河流入海控制水文站的逐日平均流量数据（部分年份数据缺失）。选取12 月、1 月和2月作为冬季，3 月、4 月和5 月作为春季，6 月、7 月和8 月作为夏季，9 月、10 月和11 月作为秋季，计算出各条河流不同季节的平均入海流量（图2），并将其用于数值模拟计算。由图2 可见，辽东湾海域入海径流表现出显著的干枯季特征，夏季流量最大，冬季流量最小甚至断流，春秋两季流量居中且差别不大。4 条河流中，大辽河和辽河流量较大，六股河流量较小，复州河在全年的入海流量均为最小。

图2 各河流季节平均入海流量Fig.2 Seasonal average discharge of rivers into the sea

1.3 模型简介

1.3.1 水动力学模型

Delft3D 为荷兰Deltare 公司开发的用于模拟近海、湖泊、水库及河流环境水动力学过程的开源软件包。该软件采用有限差分法对控制方程进行离散求解，可以对三维环境水动力学过程进行数值模拟。本研究基于Delft3D 建立辽东湾环境水动力学模型，对潮汐和入海径流共同作用下的辽东湾流场和水动力过程进行数值模拟。

由于水深较浅，在潮汐作用下辽东湾垂向混合较好[20-21]，而海水和污染物输运主要由水平方向的运动决定。因此，本文采用垂向平均的水平二维模式对辽东湾海水和物质的水平运动进行数值模拟（见Delft3D 用户手册[22]）。Delft3D 采用大涡模拟方法对水平方向的综合扩散系数进行计算，可以较好地反映水平方向的湍流扩散对流场和物质输运的影响。

1.3.2 物质输运和年龄模型

本研究将入海水体作为示踪物质，设定各入海径流的示踪物质浓度为1（质量比，无量纲量），其他区域示踪物质浓度设为0。本文还对辽东湾及渤海中央盆地北部海域进行分区，对各个分区内的水体看作示踪物质分别进行标记，研究各海区水体输移扩散路径。在初始时刻设定海区j的标记示踪物质浓度为1（质量比，无量纲量），其他区域设为0，统计不同时刻各海区标记海水量占海区j初始总量的比例，其计算公式为：

式中：rij(t)为t时刻、海区i的标记海水量占海区j标记海水总量的比例，称作剩余函数值；Vj0和Cj0分别为初始时刻海区j的总体积和示踪物质浓度，Cj0指的是在0 时刻，海区j中的示踪物质浓度，Cj0=1；Vik为海区i中的第k个控制单元的体积；Cijk为海区j的标记示踪物质在海区i的第k个控制单元中的平均浓度。

Delhez等[23]和Deleersnijder等[24]提出了基于欧拉观点的平均年龄理论。该理论利用代表水体组分的保守物质的浓度计算水体质点进入某一区域后所经历的平均时间（年龄），该理论将年龄定义为2 个标量的比值：

式中：a为水深平均的年龄；为水平面内的坐标(x,y)；为水深平均的保守物质浓度；为该保守物质的年龄密度。按照平均年龄理论[23-24]，分别满足保守物质输运模型的控制方程（对流扩散方程）：

式（5）中：λ为无量纲参数；H为水深；U和V分别为x和y方向的流速分量。

1.4 模型设置

为消除开边界对研究区域内计算结果的不利影响，将数值模型的开边界设置在我国山东成山头与韩国仁川之间，模型计算区域包含渤海及黄海北部海域（图3）。采用空间交错网格系统对计算区域进行离散，经向和纬向网格尺度均约为2 km。水下地形数据由中国海军出版社出版的海图[25]获得，并通过空间线性插值得到网格角点上的水深数据。

图3 数值模型计算区域及观测站位Fig.3 The model area and of observations stations

水陆边界设为无渗透滑移边界，海水到边界处的垂直岸线方向速度为0 m/s。为考虑潮汐涨落引起的岸线位置变化，采用干湿判断法确定每一计算时间步长的水陆交界线位置。开边界处给定水位时间序列。为保证开边界条件的准确性，将开边界分为6 段，确保每段内水位在空间上近似呈线性变化。各段端点处的水位时间序列采用OSU Tidal Prediction 软件[26]给出的8 个主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1分潮）的调和常数进行计算得到，开边界各网格点的水位时间序列由各段两端点相应时刻的水位进行空间线性插值获得。

模型采用冷启动，初始时刻计算域内的海流流速为0 m/s，水位为渤海平均海平面高度（水位为0 m）。水动力学模型和物质输运模型的计算时间步长均设为4 min。计算结果表明，水动力学模型启动10 d 后的结果接近物理真实值，因此水动力学模型开始运行10 d 后启动物质输运模型和年龄模型。水动力学模型的运行时间为2010 年1 月1 日00:00 至2017 年12 月31 日24:00，共8 a。

1.5 水动力学模型验证

采用天津大学于2003 年7 月海洋调查获得的位于渤海湾中部海域的B2、B3 站的实测水位、流速和流向数据[21]与Guo等[27]2007 年1 月、4 月分别获得的位于辽东湾西北部海域T2 站的水位、位于大辽河口附近海域C1 站的流速数据[27]（图3）对本研究建立的水动力学模型进行验证。由于C1 站位于河口附近海域，海水流向受到河流入海水干扰较大，故未收集C1 站流向数据。图4 和图5分别为渤海各站位模型计算结果与实测结果的对比情况。

图4 渤海湾B2 和B3 站水位、流速和流向模拟与实测结果对比Fig.4 Comparison of simulated and measured results of water level,flow velocity and flow direction at B2 and B3 stations in Bohai Bay

图5 辽东湾T2 站水位和C1 站流速模拟与实测结果对比Fig.5 Comparison of simulated and measured results of water level at T2 station and flow velocity at C1 station in Liaodong Bay

统计分析表明，B2 和B3 站的水位、流速和流向计算结果与实测结果的相对误差均控制在5%以内，吻合度较高。T2 站的水位计算结果与实测结果的相对误差均控制在12%以内，这可能是由于1 月辽东湾海域存在的海冰对潮汐产生了一定影响[28]；C1 站的流速计算结果与实测结果的相对误差控制在7%以内，吻合度较高。总体上看，本文建立的水动力学模型可以较好地模拟渤海湾与辽东湾水位、流速和流向的变化，具有较高的计算精度。

2 结果与讨论

2.1 辽东湾入海水体输运特征

由图2 可知，辽东湾沿岸各条入海河流的流量存在显著的季节变化，本研究将辽河、大辽河、六股河与复州河在春、夏、秋三个季节的入海水体分别作为示踪物质，用河流入海水季节平均浓度研究入海水体的输运情况和辽东湾内的水交换特征，得到模型计算结果如图6 和图7 所示（图中示踪物质浓度为质量比，是无量纲量）。因冬季辽东湾沿岸的海冰影响物质输运[28]，故本文不讨论冬季入海水体的输运状况。

图6 为辽河与大辽河入海水体（示踪物质）季度平均浓度分布，可以看出辽河与大辽河入海水体具有相似的输运特征。在这2 条河流的河口附近海域，入海水体代表的示踪物质在空间上的浓度分布呈现出由东北至西南递减的分布特征，表明由这2 条河流入海的水体主要向西南方向输移，这与李卫卫等[18]的数值模拟结果类似。在远离河口后，2 条河流的入海水体显现向东南输移的趋势，在辽东湾的葫芦岛—大望山一线，水体沿西南方向扩散速度减慢，而沿东南方向输运趋势更加明显（图6）。入海水体的输运趋势由西南方向转向东南，表明在辽东湾北部海域存在逆时针环流，且该环流阻碍了辽东湾北部海域和南部海域之间的水交换，是造成辽东湾湾顶污染物聚集和水质较差状况的重要因素。

如图7a 至图7c 所示，由六股河入海的水体向河口外东南方向扩散的同时，还沿辽东湾西岸向西南漂移，这表明六股河口及附近海域海水具有沿海岸向西南流动的趋势。如图7d 至图7f 所示，复州河入海水体主要沿西北方向输运至六股河口以北海域。到达辽东湾西岸后，其向西南方向的输运过程与六股河入海水体相似，由此可见，辽东湾湾口与渤海中央盆地北部存在一个逆时针的环流。Shang等[13]的研究也表明由渤海海峡进入的外海水在潮汐的作用下沿辽东半岛东岸向辽东湾湾口流动，大部分在辽东湾湾口附近转向西南，然后沿西岸流向渤海湾，在辽东湾湾口形成了逆时针环流；董娇娇等[29]使用2003 年和2015 年的海洋资料研究渤海潮余流场发现，在六股河口附近海域存在逆时针环流。这些结论与本研究的计算分析结果基本一致。

图7 六股河与复州河入海水体季节平均浓度分布Fig.7 Seasonal mean concentrations of the water discharged from the Liugu River and the Fuzhou River

如图6 和图7 所示，这4 条河流的入海水体在各季节的输运路径基本相同，表明在潮汐的影响下，流场特征基本没有发生明显变化。这4 条河流春季流量较小，水体平均浓度较高的区域仅存在于河口附近海域；进入夏季后，随着流量增加，水体平均浓度较高的区域明显扩大；秋季流量下降，河口附近水体平均浓度较高区域（如辽河C> 0.300 0，大辽河C> 0.500 0，六股河C> 0.010 0，复州河C> 0.003 5 的区域）减小，但在距离河口较远海域，平均浓度较低的区域（如辽河C> 0.100 0，大辽河C> 0.300 0，六股河C> 0.003 0，复州河C> 0.001 5 的区域）变化不大，这表明辽东湾入海径流的流量季节性变化对海域的影响主要位于河口附近，辽东湾及渤海中央盆地北部海域的环流主要是潮致流。

2.2 辽东湾水交换特性

按照地理位置和水动力特征将辽东湾及渤海中央盆地北部海域分成辽东湾西北部（海区1）、辽东湾东北部（海区2）、辽东湾西南部（海区3）、辽东湾东南部（海区4）和渤海中央盆地北部海域（海区5）五个海区（图8）。图9 为设定各海区在0 时刻（2010年1 月1 日00:00）的海水总量作为标记水体总量（即示踪物质），在不同时刻各海区标记水体量占标记水体总量的剩余函数曲线，见式（1），北部海域为海区1 和海区2 范围之和，南部海域为海区3 和海区4范围之和。水体在潮汐的驱动下流动的同时，水体质点还与相邻区域的水体进行掺混，因此本研究考虑水体扩散作用，对流扩散方程的综合扩散系数K根据聂红涛[30]的率定结果换算得到。

图8 海域分区Fig.8 Divided zones in the study area

图9 各海区标记水体剩余函数曲线Fig.9 Curves of residual functions of the marked water bodies in the divided zones

如图9a 所示，海区1 在0.1 年时已有超过总量50%的标记水体流出，是5 个海区中向外迁移速度最快的海区，说明海区1 与其他海区之间的水交换能力较强；海区2 和海区3 内的标记水体的比重迅速上升，在0.4 年时达到峰值，分别占海区1 标记水体总量的21%和32%。由图9b 可知，在计算开始后，海区2 的标记水体向海区1 和海区4 输移扩散的速度较快，在0.4 年和0.9 年时，海区1 和海区4 分别达到占比为19%和29%的峰值。结合图9a 和图9b 可知，在计算开始阶段，标记海区与其他海区存在较高浓度差，驱动标记水体向其他海区迅速迁移，一段时间后，浓度差减小，南部海域内标记水体比重仍在以较快速率上升达到峰值；虽然海区1 和海区2 之间存在的环流促进了这2 个海区的物质交换，但入海水体示踪的研究结果表明，海区1 和海区2 存在一个相对独立的逆时针环流，这2 个海区通过对流作用与其他海区进行水交换的能力较弱，海区1 和海区2 的水体均向位于其南部的邻近海区迁移速度最快、迁移的水体量较多，表明北部海域水体主要向南输移扩散。

由图9c 可知，计算开始后，海区3 的标记海水迅速向海区4 和海区5 输移扩散，且在相同时间内向海区4 输运量最大；由图9d 可知，海区4 的标记海水向海区5 迁移速度最快，其次为海区3，结合图7d 至图7f，在六股河北部海域，复州河入海水体的季节平均浓度存在由西北向东南递减的趋势，可以推断在辽东湾南部海域存在一个顺时针潮致环流。如图9c 和图9d 所示，海区3 和海区4 的标记海水向海区1 和海区2 的迁移量较少，表明辽东湾南部海域水体主要向南输运，向北输运趋势较弱。图9e 可知，由海区5 进入辽东湾海域的标记海水量占比较小，说明渤海中央盆地北部海域主要向南输运，该海域的海水主要通过扩散作用向辽东湾迁移。

综上所述，辽东湾内部复杂的环流结构阻碍了辽东湾南北海域的水交换进程，但辽东湾及渤海中央盆地北部海域水体仍表现出向南输移扩散的总趋势，而向北输移扩散的趋势较弱。由图9 可知，辽东湾各海区（海区1−4）标记水体在辽东湾海域的半交换时间（即一半的标记水体流出辽东湾所需的时间）可达3.1 a、3.2 a、2.3 a 和1.8 a，表明辽东湾与渤海中央盆地之间的水交换能力较弱，导致辽东湾内的污染物将对其自身水生态环境产生较大负担。

2.3 河流入海水体平均年龄

由图10a 至图10c 可知，辽河入海水体的平均年龄在空间上呈现由东北向西南递增的特征。辽东湾西北部海域平均年龄比东北部海域平均年龄小，体现出北部海域逆时针的环流特征。辽河口入海水体输运至葫芦岛—大望山一线需800 d 以上，表明辽河入海水及污染物会长期在辽东湾北部海域停留聚集，这有可能使该区域承受较大的环境压力。由于夏季辽河入海流量大于春、秋两季，河口附近海域的夏季平均年龄较春、秋两季平均年龄小，这表明在辽河口附近入海物质输移扩散能力会受到河流流量的影响。然而，辽东湾湾口和渤海中央海盆北部海域的平均年龄变化不大，在春、夏、秋三季，1 400 d 的年龄等值线基本位于辽东湾湾口附近，1 600 d 和1 800 d 的年龄等值线也均未发生明显位移，表明入海水体和污染物在辽东湾海域输移扩散主要受潮流驱动。

由图10d 至图10f 可知，在六股河河口附近，六股河入海水体的平均年龄随季节变化而不断变化，这表明在河口附近海域入海水体输移扩散受河流流量影响较为明显。但辽东湾北部及渤海中央盆地北部海域的平均年龄分布变化并不明显，在辽东湾北部海域，六股河入海水体的平均年龄约为1 400 d。考虑到污染物输运过程中的物理的、化学的和生物的降解作用，六股河入海水体中的污染物对辽东湾北部海域的环境影响较小。六股河入海水体的年龄等值线向南和西南方向延伸较明显，表明由六股河入海的物质有向南和西南两个方向输移扩散的趋势。

由图10 可知，辽河、六股河等辽东湾河流的入海水体在河口附近停留时间较长，向远区输移扩散需要较长的时间，所以入海水体所带来的污染物的影响区域主要集中在其河口及其邻近海域。

图10 辽河与六股河入海污染物季节平均时间（d）分布Fig.10 Seasonal mean time (d) distribution of pollutants entering the sea from the Liaohe River and the Liuguhe River

3 结语

本文利用Delft3D 建立了辽东湾水动力学模型和物质输运模型，在此基础上进一步建立了辽东湾河流入海物质的年龄模型，对潮汐驱动下的辽东湾流场和物质输运路径及其时间尺度进行了研究，主要得到以下结论。

辽东湾海域入海径流对其流场和水交换的作用主要集中在河口附近，不同季节流量变化会对河口附近海域的水动力及物质的输移速度产生较明显的影响，但对距离河口较远的海域影响较弱，不影响辽东湾整体的环流结构。

以葫芦岛—大望山一线作为辽东湾南北海域分界线，辽东湾南北海域分别存在顺时针、逆时针环流，湾口附近又存在逆时针环流，虽然复杂的环流结构削弱了辽东湾内部以及它与外海的水交换能力，但辽东湾海域内物质仍可通过扩散过程与外海进行交换。

复杂的环流结构减缓了北部河流入海水体向外海的迁移速率，这些物质在北部海域停留时间超过2.2 a，对辽东湾北部的水质状况和生态环境产生不利影响。位于辽东湾西南湾口位置的六股河入海水体呈现出向南迁移趋势，到达辽东湾北部和东南海域所需时间较长，对辽东湾整体环境质量影响较小。