围填海工程对福建东山湾潮汐潮流动力特征的累积影响研究

宋泽坤，张俊彪，施伟勇，张 峰，3

（1.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州国海海洋工程勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316012）

海湾作为地球四大圈层交汇地带，是陆海相互作用最为活跃的区域，它不仅通过为海洋生物提供重要的栖息场所而在生态过程中发挥重要作用，而且还在河口环流等物理和生物地球化学过程中发挥重要作用。为了满足人口增长和经济发展的需要，自20 世纪50 年代开始，大量围填海、航道开挖、跨海大桥等区域人类活动在海湾实施[1-6]。这些区域活动扰乱了原本天然的潮流和泥沙平衡关系，导致沉积物的输运发生变化。除此之外，泥沙颗粒是有机物和营养盐的承载体，对物质的迁移和循环具有重要作用，这些区域人类活动也带来了不少环境问题。例如，截至1990 年，旧金山湾约有800 km2的填海湿地，其水交换能力和潮汐通量急剧下降，导致生物多样性下降[7]。ZHU L 等[8]研究发现，在过去30 年里渤海湾围填海导致潮汐通量减少，水交换能力下降，对渤海湾生态环境造成了不利影响。随着海湾区域人类活动引起的环境问题日益受到重视，海湾的环境问题已成为海洋学领域的热门话题[9-12]。

东山湾位于福建省沿海的半封闭海湾，近年来区域人类开发活动频繁。迄今为止，众多学者对东山湾开发活动的影响进行了大量研究。梁群峰等[13]分析了东山湾1954—2008 年海底冲淤变化，认为人类活动是50 年间东山湾局部冲淤变化的控制因素。陆志强等[14]基于可变模糊评价模型的海湾生态系统健康评价方法，对东山湾生态系统健康状况进行了评价。龚旭东等[15]采用平面二维数学模型探讨湾内围填海对东山湾水动力环境的影响。在以往的研究成果中，一般侧重于单一工程项目对东山湾潮流动力影响的模拟，然而区域人类活动整体对潮汐特征和潮汐不对称影响的研究仍有待深入开展。

本文通过FVCOM 数值模式建立东山湾潮动力过程数值模型，并利用实测资料对模型进行率定和验证，最后采用该模型研究了区域人类活动对东山湾潮汐特征和潮汐不对称的影响。本文有助于加强对东山湾潮汐过程和未来变化趋势的理解，并为我国海湾的可持续发展和综合管理提供技术支持。

1 研究区域概况

本文研究区域东山湾位于福建省东南沿海（图1），其西临云霄县和东山县，北邻漳浦县，东与东海台湾海峡相隔古雷半岛。海湾呈南北走向，湾口位于海湾最南端，湾顶位于海湾西北端，是在构造型河口海湾基础上发育的半封闭性海湾。湾内海域面积约248 km2，海岸线长约110 km。整个海湾呈不规则布袋状伸入陆地，口门和湾顶狭窄，口门宽度仅5 km，最大水深36 m，海湾腹部宽浅，湾内水域宽广，腹部宽度约15.5 km，水深10 m 左右。湾内刺仔尾站最大潮差约为3.6 m。根据文献[15]，东山湾口门外东海海域属不正规半日潮，湾内则属于正规半日潮。东山湾上游湾顶西岸以弱侵蚀基岩海岸为主，北岸为淤泥质海岸，东岸主要为砂质海岸（图1）。为响应福建省经济发展需求，东山湾自2013 年起进行了多次大规模的围填海造陆活动，面积最大的3 次围海分别是古雷半岛中部围海、刺仔尾围海和湾口东侧围海，三次围海的面积分别为6.77 km2、0.83 km2和4.17 km2。本文则主要基于无结构数值模式评价人类围海造陆活动对区域潮动力特征的影响。

图1 东山湾位置及围填海概况

2 数值模式构建与验证

2.1 东山湾潮动力数值模式构建

东山湾及福建沿海岸线曲折，岛屿众多，地貌条件复杂，故本研究中选用无结构数值模式FVCOM 构建福建东山湾潮动力数学模型。该模式具有干湿边界模拟功能，能够模拟湾内潮滩的高潮淹没及低潮露出过程。模式中采用通量有限体积积分的方式对动量方程、质量连续方程进行离散求解，模式离散方法简单、计算效率高，同时也能保证复杂几何结构的海湾及海洋计算中的质量、动量的守恒性。FVCOM 在垂向上使用滓坐标系对不规则底部地形进行拟合，在水平上利用无结构三角形网格对水平计算区域进行空间离散。目前该模式已被广泛应用于海湾及近岸海洋动力模拟，详细的控制方程组及求解方法可参考文献[16]。

东山湾潮动力模型网格如图2 所示，模型东到119.6°E，北到24.6°N，南到24.8°N，模型范围覆盖整个东山湾、浮山湾、台湾海峡及邻近海域。总三角单元数为108 868 个，节点数为56 486 个，网格在东山湾内进行加密处理，空间分辨率最高约100 m，外海开边界分辨率约2 000 m，在垂向上均匀分为6 个滓层计算。东山湾内水深主要采用2015 年期间的地形测量资料，外海水深变化较小，采用最新海图数字化得到。外海开边界潮位由8 个主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1 和Q1）计算得到，这些调和常数资料来自NAOTIDE（https://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html）全球潮动力模型。

图2 模型计算区域和网格展示

为研究该区域人类围垦活动对东山湾潮动力特征的影响，本文选取2013 年的海岸线作为工程前岸线，在此基础上增加3 个区域围填海工程后的海岸线作为工程后岸线。工程前后2 个工况除了岸线不同以外，其余初始、边界条件和模型参数均不变。模型计算起始时间为2013 年12 月18 日，终止时间为2014 年1 月20 日，取后一个月计算结果（即2013 年12 月20 日至2014 年1 月20 日）共31天作为分析数据。

2.2 数值模型结果验证

模型采用东山湾内刺仔尾和东山2 个潮位站，以及1#至4#潮流站实测的整点潮位和潮流数据进行验证，刺仔尾站位于东山湾内，东山位于东山湾内附近，测站具体位置分布如图1 所示。图3 显示了2 个站实测数据与潮位模拟数据的对比结果，图4（a）分别1#至4#潮流站在大潮时段的对比拟合结果，图4（b）分别1#至4#潮流站在小潮时段的对比拟合结果。整体上两个潮位站的水位及4 个潮流站流速流向模拟结果较好。此外本文采用模型评价系数（SS）来定量评价模型的准确性。

式中，Xmod、Xobs分别表示模型模拟结果和实测结果；为实测结果的平均值。根据ZHU L 等[17]研究，模型评价系数SS小于0.2 时认为模型的可信度较差或不可信，当SS值大于0.65 时，模型的可信度达到良好水平。本模型计算结果中，刺仔尾和东山站的评价系数分别达到0.94 和0.88，表明模型就具有较高的可信度，可用于东山湾潮流研究使用。

3 围海前后潮动力特征分析

3.1 围填前后流场结构特征分析

东山湾围海工程前后的流场结构如图5 和图6所示。涨急时刻潮流由东山湾口门两个汊道分别进入湾内，湾口平均流速约1.5 m/s，最大流速可达2.1 m/s（图5（a））。湾内由于其横断面面积较大，平均流速较小，湾内中部主流区域平均流速约1.0 m/s，随着向两侧区域靠近，平均流速逐渐降低，两侧靠岸区域平均流速仅约0.2 m/s（图5（a））。湾内的主流受湾口两个岛屿的影响，明显分为两个主流区域，其中西侧主流区域流速较大，东侧主流区域流速略小。从流速大小分布图来看，两主流之间的差值在工程前最为显著，工程后受湾内东侧古雷半岛围海工程的影响，东侧主流区域流速受挤压明显增强（图5（c））。上游湾口的流速在狭岛效应的影响下进一步增强，增加至约2.0 m/s，且围海工程前后无显著变化。对比围海工程前后东山湾的涨急时刻流速差值和流场结构（图6（a））可知，在流场结构上，整个海湾的流场方向工程前后没有显著区别，但围海工程附近区域的流场方向受工程影响发生显著区别，主要表现在工程后水流方向受工程影响，更多的指向湾内，例如古雷半岛中部围海工程附近，工程后水流明显偏向湾内，是导致湾内东侧主流增强的主要原因。在流速大小上，亦呈现与流场结构类似的影响特征，即整个海湾的流速影响并不大，但围垦附近区域的流速影响较大。以流速差是否超过0.05 m/s 为界，可大致区分围海工程对涨急时刻流速影响的范围，该范围在南侧（即涨潮方向上游）较大，在北侧（即涨潮方向下游）较小，以刺仔尾附近海域围垦工程为例，在上游方向影响范围可达约5.8 km，在下游方向影响范围约2.6 km，不足上游的50%。其余两个围海工程的影响半径类似（图6（a））。从流速影响结果来看，涨急时刻则明显呈现围垦区域南北两侧（即上下游）流速降低，其中以南侧降低效果最为显著，3 个围垦工程南侧附近区域流速降低可达0.40 m/s，北侧附近区域流速降低仅约0.25 m/s。在靠近湾内一侧，围海工程后流速显著增强，最大增强幅度约0.35 m/s，且均发生在围海工程的北侧靠近湾内一角（图6（a））。

图5 围海工程前后典型时刻流场

图6 围海工程前后涨急和落急时刻流场结构变化

落急时刻湾内流场结构与涨急时刻类似（图5（b）和图5（d）），但是流速方向相反，且流速大小上也明显低于涨急时刻，其主要原因是落潮期间是自由出流，涨潮期间是强迫入流，不过落潮时长也略大于涨潮时长。在湾内靠北小岛和湾口汊道的影响下，落急时刻的流场在湾内同样分为东西两个主流，且以东部主流为主，平均流速约0.9 m/s，略低于涨急时刻流速（图5（b）和图5（d））。3 个围海工程对落急时刻流场结构的影响与涨潮类似。首先在流场结构上，围海工程仅影响工程附近区域的流场结构，在围海工程附近，工程前后的流速方向发生显著变化，不过整个海湾的主流区域，流速结构影响较小（图6）。采用流速差是否超过0.05 m/s 来衡量影响范围的话，以刺仔尾围海工程为例，落急时刻围海工程的影响范围在工程北侧的影响长度约3.2 km，略大于涨急时刻，在工程南侧的影响长度约4.8 km，略小于涨急时刻，不过受海湾岸线东北-西南方向的影响，工程附近区域南侧的影响长度仍然略高于工程北侧，其余两个岛屿的影响范围及与涨急时刻的差值类似。在流速差值上，落急时刻仍然呈现工程附近南侧的流速均小于工程前，但靠近海湾一侧的流速大于工程前，这一点与涨急时刻的影响类似，不过流速增大的区域从涨急时刻的湾内北角移动至湾内南角，主要是落潮方向相反的缘故（图7）。在流速差值上，落急时刻流速在工程后的增加量最大可达0.30 m/s（工程附近湾内方向南侧），减小量最大约0.4 m/s（工程附近北侧岸线），两个值均略小于涨急时刻的情况，其主要原因是落急时刻流速略小于涨急时刻。

图7 围海工程前后流速差

3.2 围海前后潮波振幅特征分析

已有研究和本次数值模拟均表明，本文研究区域东山湾以半日分潮为主，全日潮较小，但由于海湾水深较浅，而且湾内岛屿众多，水深变化复杂，因此浅水分潮也较大。为此本文选取主太阴半日分潮M2 和其衍生的浅水分潮M4 进行分析。论文采用T_tide 对潮位结果进行调和分析得到各个分潮的调和常数。图8 和图9 中显示了围海工程前后海域M2 分潮和M4 分潮的分布及变化特征。湾内潮波是由外海传入的潮波所引起的胁迫振动，在水深等因素的影响下潮波振幅在湾内分布具有显著差异，各潮波振幅从湾口至湾顶潮差呈现出逐渐增大的趋势。从潮差的角度来讲，湾口为最大潮差约为3.3 m，湾顶可以增大至3.9 m 左右。

图8 围海工程前后M2 和M4 分潮同潮图

图9 围海工程前后M2 和M4 分潮振幅差值和相位变化

由图8（a）和图8（b）围海工程前M2 和M4 分潮的同潮图可知，东海的前进波由东山湾南侧湾口进入东山湾，等相位线基本垂直于海湾两侧岸线，因此，从等相位线分布来看，东山湾内潮波由南向北方向传播。初始进入东山湾湾口的M2 分潮振幅大小与外海相差不大，约1.05 m 左右，潮波由湾口向湾顶传播过程中，海湾缩窄和水深变浅导致能量辐聚、振幅增加显著。M2 分潮传播至海湾中心大霜岛附近时振幅增加至1.18 m。而传播至湾顶M2 振幅可达1.25 m，相对于湾口增幅约25%左右。从M2 分潮的等相位线分布来看（图8（a），实线），该分潮的等相位线基本平行于等振幅线，而且越向湾顶其等相位线间距越小，说明潮波传播速度越来越慢，这主要是由于潮波由湾口向湾顶传播过程中水深减小导致浅水波波速减小而致。M2 分潮的相位在湾口处约为358°，在港顶处约为9°，随着离湾口距离的增大而增大。最终东山湾潮波从湾口传播至湾顶附近相位迟滞约11°，历时约为0.34 h。同M2分潮类似，M4 分潮的振幅沿湾口向湾顶也有非常明显的增长，潮波在向湾顶传播过程中随着岸线和水深的剧烈变化，M4 分潮从M2 分潮流摄取能量增加，导致浅水分潮M4 振幅增大（图8（b））。浅水分潮M4 振幅在湾口仅约为0.02 m，大霜岛附近振幅增加至0.11 m，由于东山湾大霜岛以北至湾顶岸线收缩明显，因此M4 振幅增速明显，湾顶M4 振幅可达0.22 m，增幅较大霜岛之前更为明显。M4分潮的相位在湾口处约为198°，在湾顶处约为230°（图8（b），实线）。

图8（c）和图8（d）显示了围海工程后东山湾M2和M4 分潮的同潮图，整体看来分布模式与工程前相差不大，比较显著的是工程后两个分潮的传播相位有显著变化，特别是在刺仔尾围海工程附近。从图9 中围海工程前后两个分潮的振幅差值和相位对比更能够反映变化情况。从振幅变化来看，围填海后东山湾内M2 和M4 分潮振幅增减不一。围填海后湾内下寨至湾顶区域，以及古雷和刺仔尾以南至湾口的区域M2 分潮振幅下降明显，尤其是古雷围填海南侧，M2 分潮振幅下降最大为0.12 m，降幅约11%。湾内仅有中部大霜岛以北至下寨的小部分区域内振幅略有增大，增幅也较小，最大增大仅为0.02m，增幅约2%左右（图9（a））。围填海后湾内大部分区域内M4 分潮振幅变化不明显，仅在刺仔尾和古雷填海区域周边的局部区域发生了变化，整体上呈现南侧减小北侧增大的规律。刺仔尾和古雷填海区域南侧局部M4 分潮振幅最大分别减小0.006 m和0.008 m，降幅分别为6%和10%左右。刺仔尾和古雷填海区域北侧局部M4 分潮振幅最大分别增大0.003 m 和0.010 m，增幅分别为3%和11%左右（图9（b））。从围填海后M2 分潮相位变化来看（图9（a），线条），古雷和刺仔尾以南至湾口的区域（358°~360°）相位有所提前，中部大霜岛以北至下寨的区域（1°~4°）内相位有所延迟，下寨至湾顶的区域（5°~9°）相位变化不明显。从围填海后M4 分潮相位变化来看（图9（b），线条），古雷以南至湾口的区域（198°~228°）及下寨至湾顶的区域（252°~230°）相位变化不明显。相位变化不明显，中部大霜岛以北至下寨的区域（234°~246°）内相位有所延迟。

3.3 围海工程对海湾潮汐不对称结构特征的影响分析

在海湾和河口地区，潮汐不对称性反映了涨潮和落潮在幅度和持续时间上的差异。这种现象主要是由于半日潮汐之间相互作用，水位上升和下降的持续时间不对称引起的。潮汐不对称性作为海湾和河口重要的潮汐动力特征之一，会影响海湾和河口物质的输运和沉积。由于本文研究区域东山湾以M2 分潮和M4 分潮分别为主要天文分潮和主要浅水分潮，因此本文采用M2-M4 分潮组合来研究东山湾的潮汐不对称特征，根据SONG D 等[18]的研究，海湾地区潮汐不对称性指标（γ）的计算公式如下。

式中，AM2、AM4分别为M2和M4分潮的振幅；φM2、φM4分别为M2、M4分潮的相位；M2和M4的振幅和相位由模型的潮位模拟结果进行调和分析得到。根据式（2），M2和M4振幅和相位的变化导致潮汐不对称性的变化，由γ代表其不对称度。若计算结果γ<0，表示涨潮历时短于落潮历时，落潮占优；若γ> 0，表示涨潮历时长于落潮历时，涨潮占优[19]。

根据式（2）计算得到了东山湾围填海前（图10（a））和围填海后（图10（b））的潮汐不对称性γ值平面分布，以及东山湾围填海实施对海湾内γ值影响的平面分布（图10（c））。从东山湾围填海前后γ值分布来看（图10（a）和图10（b）），整个湾内γ值均大于0，这表明整个东山湾内的潮汐过程中涨潮优势强于落潮。在横向上γ值变化不明显，其等值线基本垂直于海湾两侧岸线。纵向分布来看，γ值从湾口向湾顶增大明显，湾口的γ值与外海相当基本为0，而到达海湾中部大霜岛附近海域时γ值增大到0.3 左右，湾顶附近海域时γ值可达0.54。不对称性表现出从湾口向湾顶潮汐的涨潮优势逐渐加强的特征，主要由于潮波向湾顶传播过程中，水深变浅、底摩擦增大、潮波变形严重导致。

图10 潮汐不对称γ平面分布

从γ值变化来看（图10（c）），整个湾口、湾顶及海湾中部内侧大部分水域基本没有变化，仅在海湾内部东侧、海湾内部西侧的围填海周边约5 km范围内的近岸局部水域产生了一定的变化。在海湾内部γ值均呈现出围填海北侧区域增大，南侧区域减小的整体规律。例如刺仔尾和古雷填海北侧γ值分别增大约0.029 和0.052，增幅为12%和19%；刺仔尾和古雷填海南侧γ值分别减小约0.020 和0.031，降幅为8%和15%。即东山湾内围填海以北的局部范围内涨潮优势增强，围填海以南的局部范围内涨潮优势减弱。

4 结 论

本文基于有限体积海洋数值模式FVCOM 建立了东山湾潮动力数学模型，以此研究区域人类活动对东山湾潮汐动力结构的影响。模型计算结果与实测数据拟合较好，具有较高的可信度。基于数值模型，本文进一步讨论了东山湾3 次围垦工程影响下，流速、潮波振幅和潮汐不对称性3 个方面的变化，主要研究结论如下。

从涨落急时刻流场结构上，东山湾围海工程对整个海湾的急流时刻影响较小，但对工程附近约5 km 范围内区域的影响较显著，主要体现在工程附近上下游流速降低，最大降低值约0.4 m/s，工程靠近海湾一侧流速增强，最大增加值约0.35 m/s。从两个主要分潮振幅变化的角度上，东山湾围海工程造成湾内M2 分潮振幅整体以下降为主，古雷围填海南侧附近下降最大为0.12 m，降幅约11%；M4分潮振幅整体变化不明显，仅在刺仔尾和古雷填海区域周边发生变化，整个海湾分潮振幅基本上呈现“南侧减小-北侧增大”的规律。东山湾内整体呈现出涨潮优势强于落潮的潮汐动力特征，潮汐不对称性γ值从湾口向湾顶增大明显，湾口的γ值接近于0，中部大霜岛附近海域时增大到0.3 左右，湾顶附近海域可达0.54，表现出从湾口向湾顶潮汐的涨潮优势逐渐加强的特征。围海造陆工程造成东山湾内γ值改变仅发生在围填海周边的局部水域，均呈现出围填海北侧区域增大，南侧区域减小的整体规律，表明东山湾内围填海以北的局部范围内涨潮优势增强，围填海以南的局部范围内涨潮优势减弱。

本文所建立的东山湾水动力数值模型仅考虑了潮波动力，没有考虑风场及波浪作用，研究结果存在局限性。同时，围填海后动力的改变最终势必会对东山湾的泥沙动力、海床演变产生影响，因此下阶段将综合考虑潮流、波浪、季风等多种动力因素，建立东山湾泥沙数值模型，对围填海影响下东山湾泥沙动力特征、海床冲淤环境的变化展开研究。