規(guī)劃工程建設(shè)對(duì)渤海灣水交換能力的影響

張 云

（天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072）

渤海是我國(guó)唯一的內(nèi)海，近年來(lái)隨著人類(lèi)活動(dòng)的加劇，渤海有一半的海域都受到嚴(yán)重污染，其作為天然漁場(chǎng)的功能已經(jīng)基本喪失［1］。嚴(yán)重污染海域主要分布在人口密度大、工業(yè)區(qū)集中的大中城市沿海地區(qū)。渤海灣是一個(gè)典型的半封閉型海灣，臨近京津等工業(yè)城市，陸源排污量大，海洋污染嚴(yán)重，隨著“環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈”戰(zhàn)略計(jì)劃的推進(jìn)，越來(lái)越多的人類(lèi)活動(dòng)參與到海洋中來(lái)，影響海域的海洋動(dòng)力條件，進(jìn)而影響到海灣的水交換能力。許多學(xué)者對(duì)渤海灣的水交換能力進(jìn)行了研究［2-3］，但近年來(lái)多項(xiàng)已建、在建及將建工程使得該海域的潮流性質(zhì)發(fā)生變化［4］。

渤海灣內(nèi)主要有3個(gè)港區(qū)：天津港、黃驊港和唐山港。于2004年提出修編的《天津市濱海新區(qū)總體規(guī)劃（2005～2020）》進(jìn)一步加大了造陸面積，其中天津港南北疆港區(qū)之間的水域保持不變，北疆港區(qū)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上向北發(fā)展，東疆由填海造陸形成大型人工島，面積約33.5 km2，南疆港區(qū)為狹長(zhǎng)型人工島，陸域面積為14.7～20 km2，臨港工業(yè)區(qū)遠(yuǎn)期向南向東擴(kuò)展至79 km2。黃驊港計(jì)劃2009～2011年建設(shè)綜合港區(qū)起步工程，包括碼頭、港池、內(nèi)航道及后方陸域；2011年后根據(jù)需要，陸續(xù)建設(shè)綜合港區(qū)的其他泊位。綜合港區(qū)用海面積39.43 km2，其中陸域用海面積21.02 km2，港池、航道等水域用海面積18.41 km2。規(guī)劃唐山港將形成以曹妃甸港區(qū)和京唐港區(qū)為支柱的總體發(fā)展格局。京唐港區(qū)岸線范圍從湖林口至湖林新口，岸線長(zhǎng)約11 km；曹妃甸港區(qū)岸線范圍從青龍河口至雙龍河嘴東口，岸線長(zhǎng)21.5 km。

本文分別對(duì)該海域原岸線與遠(yuǎn)期規(guī)劃（2020年）的海洋動(dòng)力條件進(jìn)行模擬分析，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)分析了渤海灣水交換能力及規(guī)劃工程建設(shè)后渤海灣水交換能力的變化，對(duì)渤海灣沿海污染物排放的控制和優(yōu)化決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 模型控制方程

式中：h為水位，m；H為水深，m；u、v分別為x、y（即東、北）方向的流速分量，m/s；f為柯氏力系數(shù)，s-1（f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，φ為計(jì)算區(qū)域平均緯度）；C為謝才系數(shù)，m1/2/s，C=H1/6/n，n為曼寧系數(shù)；t為時(shí)間，s；g為重力加速度，m/s2。

式（1）～式（3）構(gòu)成了求解潮流場(chǎng)的基本控制方程。為了求解這樣一個(gè)初邊值問(wèn)題，必須給定適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件。

1.2 初邊值條件

在本文采用的數(shù)值模式中，需給定水動(dòng)力與水質(zhì)模型的邊界條件。

（1）水動(dòng)力初邊值條件。初始潮位取計(jì)算開(kāi)始時(shí)的平均潮位，初始流速取0。開(kāi)邊界條件即水域邊界條件，開(kāi)邊界給定潮位，即

所謂閉邊界條件即水陸交界條件。在該邊界上，水質(zhì)點(diǎn)的法向流速為0，即

（2）水質(zhì)模型初邊值條件。岸界和垂直邊界采用無(wú)通量條件。開(kāi)邊界選為：出流，輻射條件；入流，無(wú)梯度條件。初始濃度根據(jù)渤海灣內(nèi)部劣于外部的實(shí)際情況，采用渤海灣內(nèi)為1單位，渤海其余部分為0.5單位的分布。

1.3 數(shù)值求解

本文采用等間距網(wǎng)格的差分方法求解，利用ADI（Alternating Direction Implicit）法，在矩形域中，分別于x方向和y方向求解，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解2個(gè)三對(duì)角矩陣，具體的離散方程不再敘述。

1.4 計(jì)算域、網(wǎng)格設(shè)置

渤海潮流場(chǎng)的計(jì)算范圍包括了整個(gè)渤海（圖1）。模型的開(kāi)邊界定在遠(yuǎn)離研究區(qū)域的122°經(jīng)線上，邊界水位由南北2個(gè)驗(yàn)潮站（大連和煙臺(tái)）的調(diào)和常數(shù)（M2、S2、K1、O1）計(jì)算后插值得到，計(jì)算網(wǎng)格取 1 000 m×1 000 m，總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為 390×480，面積約187 200 km2，模型選取時(shí)間步長(zhǎng)為180 s。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 模型驗(yàn)證

渤海潮流計(jì)算結(jié)果與渤海沿岸10個(gè)驗(yàn)潮站位的分潮振幅與遲角進(jìn)行了比較，計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果均基本吻合（表1）?？梢?jiàn)該模型所模擬的潮流運(yùn)動(dòng)基本能夠反映渤海海域的水流狀況，可作為進(jìn)一步分析計(jì)算的基礎(chǔ)資料。此模型在蓬萊港、天津港、營(yíng)口港等海區(qū)的潮流計(jì)算中也得到了較好的驗(yàn)證［5-7］。圖2、圖3分別為渤海漲落急時(shí)刻潮流場(chǎng)圖，漲潮中間時(shí)海水由渤海中部海域流入計(jì)算域，計(jì)算域中部潮流流速大于岸邊附近的流速。而落潮中間時(shí)海水由渤海灣內(nèi)向東流出計(jì)算域，進(jìn)入渤海中部海域，其趨勢(shì)與漲潮流對(duì)應(yīng)時(shí)刻相同，但方向相反。

調(diào)和分析后得到的渤海各分潮的等振幅與同潮時(shí)線圖亦與DOU、XIE［8-10］等人的計(jì)算結(jié)果相一致。

表1 渤海潮汐觀測(cè)站各分潮調(diào)和常數(shù)與計(jì)算結(jié)果比較Tab.1 Simulated and observed tide harmonic constant

2.2 交換能力分析

在以上初邊值設(shè)置情況下，通過(guò)對(duì)渤海海域全年流場(chǎng)、濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬，可以得到1 a內(nèi)污染物的運(yùn)動(dòng)狀況。圖4為渤海灣規(guī)劃工程前的年交換率等值線圖，由圖4可以看出，渤海灣西南部地區(qū)的水交換能力最差。圖5為渤海灣規(guī)劃工程實(shí)施后的年交換率等值線圖。圖6給出了規(guī)劃工程實(shí)施前后的年交換率變化等值線圖?？梢钥闯觯こ虒?shí)施后渤海灣內(nèi)的交換率分布發(fā)生了明顯變化，渤海灣灣口至灣頂?shù)闹胁繀^(qū)域交換率表現(xiàn)為增大，增幅為1%的范圍由灣口的15 km寬度增大為天津港主航道口門(mén)外邊緣的45 km寬度，最大增幅達(dá)50%以上；曹妃甸與黃驊港附近的局部區(qū)域交換率也有所增大，但影響范圍不大。渤海灣西北部海域交換率減小，減幅為10%～20%，天津市的排污口多分布在此區(qū)域內(nèi)，這不利于排污口污染物的輸移擴(kuò)散。

3 結(jié)論

本文所建立的數(shù)學(xué)模型經(jīng)驗(yàn)證可以較好地模擬渤海的潮流場(chǎng)。通過(guò)對(duì)渤海灣內(nèi)規(guī)劃工程建設(shè)前后的交換率進(jìn)行計(jì)算分析，可以看出，渤海灣內(nèi)規(guī)劃工程的建設(shè)使得渤海灣灣口至灣頂?shù)闹胁繀^(qū)域交換率增大，其余大部分區(qū)域交換能力減小，將不利于排污口排放的污染物向外遷移擴(kuò)散。

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