海岸工程對(duì)渤海灣風(fēng)暴潮高潮位影響分析

章衛(wèi)勝，陳 晨，李 鑫，張金善

(1.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024;2.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

海岸工程對(duì)渤海灣風(fēng)暴潮高潮位影響分析

章衛(wèi)勝1，陳 晨2，李 鑫2，張金善1

(1.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024;2.河海大學(xué)港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

渤海灣是全世界受風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。近年來渤海灣建設(shè)了大量的大型海岸工程，為研究其建設(shè)以后風(fēng)暴潮可能發(fā)生的變化，采用大-中-小區(qū)域多重嵌套方法，建立渤海風(fēng)暴潮二維數(shù)值模型。以對(duì)渤海海域影響最顯著的9216、9711臺(tái)風(fēng)和2003年10月三次風(fēng)暴潮為例，對(duì)渤海灣大型工程實(shí)施前、后的風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬，分析工程實(shí)施后風(fēng)暴潮高潮水位變化，為工程實(shí)施可能對(duì)風(fēng)暴潮防護(hù)帶來的影響提供基礎(chǔ)。計(jì)算表明，由于沿岸圍墾減小海域的納潮受水面積，海水被擠壓抬升，渤海灣海域工程后風(fēng)暴潮高潮位普遍抬升。在特大風(fēng)暴潮作用下，水位最大升高可達(dá)0.10 m以上，在堤防設(shè)計(jì)中需引起重視。

風(fēng)暴潮;渤海灣;臺(tái)風(fēng);寒潮;海岸工程

渤海灣位于渤海西部。海底地形大致自岸向海傾斜，平均水深12.5 m左右;沉積物主要為細(xì)顆粒的粉砂與淤泥。面積1.59萬km2，約占渤海1/5。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，渤海灣是全球風(fēng)暴潮災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一［1］，風(fēng)暴潮一年四季均有發(fā)生。由于半封閉海域范圍有限、水深較淺，風(fēng)暴潮增減水影響十分明顯，歷史上渤海灣曾多次發(fā)生強(qiáng)風(fēng)暴潮災(zāi)害，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失［2］。

從風(fēng)暴潮產(chǎn)生的天氣原因一般可分為熱帶氣旋引起的臺(tái)風(fēng)暴潮和由溫帶天氣過程所引起的溫帶風(fēng)暴潮［3］。渤海灣是我國(guó)少數(shù)同時(shí)受多種風(fēng)暴潮影響的海區(qū)之一。受熱帶風(fēng)暴北上影響在渤海灣產(chǎn)生的風(fēng)暴潮，一般出現(xiàn)在7～9月份。在春、秋季節(jié)，我國(guó)渤海和黃海北部是冷暖空氣頻繁交匯的地方，冬季又頻繁受冷空氣和寒潮大風(fēng)襲擊，易形成溫帶風(fēng)暴潮或風(fēng)潮(因寒潮或冷空氣不具有低壓中心，這類風(fēng)暴潮又稱為風(fēng)潮［3］)。據(jù)統(tǒng)計(jì)［1］，49 年(1950 ～1998)中，天津塘沽站共出現(xiàn)50 cm 以上的風(fēng)暴增水3 833 d，平均每年78.2 d;這期間共出現(xiàn)1 m以上的溫帶風(fēng)暴增水459 d，平均每年9.3 d。

從產(chǎn)生風(fēng)暴潮的水域特征分類來看，渤海灣風(fēng)暴潮為半封閉海灣中的風(fēng)暴潮。其主要特征是大氣擾動(dòng)的水平尺度大于海域的水平尺度。區(qū)別于廣闊大洋或大陸架上的風(fēng)暴潮，半封閉海域中水體或多或少是以整體對(duì)大氣撓動(dòng)力進(jìn)行反應(yīng)［3］，同時(shí)風(fēng)暴潮過程將受到岸邊界的作用。事實(shí)上，很早研究者就關(guān)注海岸形態(tài)對(duì)近岸風(fēng)暴潮的影響。Proudman［4］曾對(duì)狹長(zhǎng)非均勻斷面中的線性風(fēng)暴潮傳播進(jìn)行理論分析，認(rèn)為斷面的縮窄將使得風(fēng)暴潮高水位抬升、低水位降低。在理論上對(duì)邊界和地形對(duì)風(fēng)暴潮的影響進(jìn)行了分析。Keulegan［5］曾通過考慮“形狀因子”考慮海域形狀對(duì)于迎風(fēng)岸上風(fēng)暴潮位的影響，并討論極端的三角形收縮海域和擴(kuò)散海域風(fēng)暴潮值的差異。這些研究給出了岸邊界對(duì)風(fēng)暴潮的定性影響，所不足的是，他們的研究都基于線性理論，而非線性效應(yīng)在近岸風(fēng)暴潮傳播過程中是不可忽視的。由于非線性效應(yīng)給理論分析帶來很大困難，后來研究者多采用數(shù)值模擬的方法對(duì)海岸風(fēng)暴潮進(jìn)行研究［6-11］，但研究主要關(guān)注對(duì)風(fēng)暴潮過程模擬，沒有涉及到岸線改變對(duì)風(fēng)暴潮的影響;同時(shí)他們的模擬大多基于矩形或正交曲線網(wǎng)格，對(duì)岸線的擬合存在較大的誤差。

圖1 渤海灣海岸工程示意Fig.1 Schematic diagram of coastal engineering in Bohai Bay

近年來渤海西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，特別是天津和河北地區(qū)，相繼有濱海新區(qū)和曹妃甸港區(qū)建設(shè)，對(duì)沿海地區(qū)的土地開發(fā)日益加強(qiáng)，海岸地區(qū)的圍海工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得海岸岸線不斷改變。渤海灣沿海在最近幾年進(jìn)行了大規(guī)模的海岸工程建設(shè)如曹妃甸基地、天津港擴(kuò)建、南港、天津?yàn)I海旅游區(qū)等(圖1)。海岸工程的建設(shè)會(huì)引起海岸動(dòng)力、生態(tài)、泥沙運(yùn)動(dòng)等近岸環(huán)境的變化，已經(jīng)引起科研人員和政府部門的重視［12-14］，然而海岸工程建設(shè)對(duì)于風(fēng)暴潮防護(hù)的影響，國(guó)內(nèi)外鮮有研究，而海岸工程通過改變海域形態(tài)、動(dòng)力環(huán)境對(duì)風(fēng)暴潮將造成一定的影響是顯而易見的。采用大-中-小模型相結(jié)合方法，利用大模型提供邊界條件、局部模型利用相對(duì)精細(xì)的三角形網(wǎng)格對(duì)海岸和工程進(jìn)行高精度的模擬，對(duì)渤海灣歷史上的三次典型風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬，并與渤海灣海岸工程實(shí)施以后相同風(fēng)暴潮模擬結(jié)果進(jìn)行比較，研究海岸工程建設(shè)改變岸線形態(tài)以后風(fēng)暴潮增減水和風(fēng)暴潮位的變化。

1 風(fēng)暴潮模型的建立

風(fēng)暴潮模型采用大、中、小三層嵌套模型方法。其中大模型范圍包括東中國(guó)海和南中國(guó)海(圖2)，模型采用球面坐標(biāo)系下方程，網(wǎng)格尺度為2'×2';離散方法采用DSI法［15］，模型邊界采用8個(gè)主要調(diào)和常數(shù)(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)預(yù)報(bào)潮位。計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)作用。中模型范圍渤海、北黃海，采用貼體正交網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸在300～1 000 m之間，采用ADI方法計(jì)算［16］。中模型利用大模型提供邊界條件，計(jì)算域考慮風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)作用。小模型計(jì)算范圍為渤海，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度在30～1 000 m之間(圖3);利用中模型提供潮位邊界條件，同時(shí)考慮風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)作用，離散方法采用通量差分裂格式(FDS)-Roe黎曼近似解［17］。

下面給出小模型直角坐標(biāo)系下二維潮流運(yùn)動(dòng)控制方程。

連續(xù)性方程:

運(yùn)動(dòng)方程:

式中:ζ為潮位，即以參考基面為準(zhǔn)的水面位置;H為總水深，H=ζ+h，h為海底到參考基面的距離;HU≈

分別為 x、y 方向垂線平均流速，u，v為分層流速;pa為大氣壓強(qiáng);τsx，τsy為海面風(fēng)應(yīng)

力分量;f為柯氏力參數(shù);ρ為海水密度;g為重力加速度;τsx，τsy表面風(fēng)應(yīng)力分量。

其中，ρa(bǔ)為空氣密度為海面上10 m處的風(fēng)速大小，wx，wy為x、y方向的分量，CD為風(fēng)拖曳力系數(shù)，取以下形式［18］:

τbx，τby為底摩擦應(yīng)力分量，底摩擦應(yīng)力采用如下形式:

其中，n 為曼寧系數(shù);εx，εy為 x、y 方向紊動(dòng)粘性系數(shù)，按 Smagorinsky 公式［19］計(jì)算。

圖2 渤海風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型范圍Fig.2 Models of the Bohai Sea storm surge

圖3 渤海灣工程局部網(wǎng)格布置Fig.3 Local grid layout near the Bohai Bay project

模型中氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)模型，由大氣模型MM5經(jīng)過實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證計(jì)算得到(圖4)。MM5是美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)/國(guó)家大氣研究中心(PSU/NCAR)從20世紀(jì)80年代以來共同開發(fā)的第5代區(qū)域中尺度數(shù)值模式，該模式是具有數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能和天氣過程機(jī)理研究功能的綜合系統(tǒng)［20］。

2 風(fēng)暴潮過程模擬

根據(jù)渤海風(fēng)暴潮資料統(tǒng)計(jì)，對(duì)1980年以后對(duì)渤海灣影響典型的三次風(fēng)暴潮:9216、9711臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮和2003年10月溫帶風(fēng)暴潮(表1)進(jìn)行模擬。圖5為9216和9711臺(tái)風(fēng)路徑示意圖;圖6為2003年10月寒潮大風(fēng)風(fēng)暴潮最大增水時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)圖。

圖7(a)、(b)和(c)分別為模型計(jì)算9216、9711臺(tái)風(fēng)和2003年10月寒潮大風(fēng)期間渤海灣測(cè)站的風(fēng)暴潮潮位和風(fēng)暴潮增減水驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果來看，模型計(jì)算的最大增水分別為1.58 m、2.06 m、2.04 m，與實(shí)測(cè)值相比誤差分別為0.04 m、0.10 m、0.06 m;模擬的增減水發(fā)生的時(shí)刻也對(duì)應(yīng)較好;表明風(fēng)暴潮模型在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)暴潮過程的模擬具有較高的精度。

圖4 模擬風(fēng)速和氣壓與實(shí)測(cè)資料對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated wind speed and air pressure with the measured data

表1 塘沽站三次典型的風(fēng)暴潮特征Tab.1 Characteristics in three typical storm surges of Tanggu station

圖5 9216和9711臺(tái)風(fēng)路徑Fig.5 Typhoon tracks of 9216 and 9711 tropical cyclone

圖6 2003年10月風(fēng)暴潮最大增水時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)Fig.6 Wind field in time of the largest storm surge in Oct.2003

圖7 計(jì)算風(fēng)暴潮過程與實(shí)測(cè)過程對(duì)比Fig.7 Calculated and measured values of storm surge

3 渤海灣圍墾規(guī)劃工程實(shí)施以后風(fēng)暴潮的變化

為了比較渤海灣規(guī)劃工程實(shí)施以后對(duì)風(fēng)暴潮潮位造成的影響，以擬建工程包括周邊規(guī)劃的工程建設(shè)實(shí)施以后的岸線邊界建立起數(shù)值模型，將經(jīng)驗(yàn)證后的模型邊界和臺(tái)風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)計(jì)算，模擬岸邊變化以后的風(fēng)暴潮過程。

圖8為渤海灣工程實(shí)施后和原岸線情況下9216、9711以及2003年10月風(fēng)暴潮期間最高潮位值的比較?？梢钥闯?，擬建的泰達(dá)工程及周邊規(guī)劃工程建設(shè)以后，海域在同樣風(fēng)暴潮作用下的最高潮位有明顯增加趨勢(shì)，其中9216臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮最高潮位增幅一般在0.05～0.09 m左右，局部達(dá)0.12 m，主要在渤海灣南岸;9711臺(tái)風(fēng)期間最高潮位的變化相類似，2003年10月寒潮風(fēng)暴潮最高潮位的變化略小，一般在0.04～0.08 m左右。表2為模型中取點(diǎn)工程前后風(fēng)暴潮高潮位比較(點(diǎn)位見圖1)。由表2可知:

1)9216臺(tái)風(fēng)作用下，規(guī)劃工程實(shí)施以后天津港北邊的北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口工程后最高潮位增加0.05～0.06 m，天津港內(nèi)最高潮位增加0.04 m左右。海河口增加0.01～0.04 m;臨港工業(yè)區(qū)港池、獨(dú)立減河口、南港內(nèi)增加0.01～0.02 m。黃驊港增加0.04～0.11 m，幅度較大。

2)9711臺(tái)風(fēng)作用下，北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口、天津港內(nèi)最高潮位增加0.04～0.05 m;海河口增加0.04 ～0.08 m，臨港工業(yè)港增加0.06 ～0.0.7 m，獨(dú)立減河和南港增加0.07 ～0.08 m 左右。黃驊港內(nèi)最高潮位增加0.01 ～0.09 m。

3)2003年10寒潮大風(fēng)作用下，北疆電廠港池內(nèi)水位抬升0.07～0.09 m，漢沽漁港內(nèi)抬升0.06 m左右;永定河口最高潮位抬升0.01～0.03 m，天津港抬升0.05 m左右，海河口抬升0.00～0.02 m。臨港工業(yè)港區(qū)、獨(dú)立減河口、南港最高潮位變化－0.03～0.02m之間。黃驊港內(nèi)最高潮位變化在0.05～0.07 m左右。

可以看出，渤海灣海域工程后高潮位普遍有所抬升。雖然風(fēng)暴潮潮位與臺(tái)風(fēng)路徑或寒潮路徑關(guān)系十分密切，但由于工程建設(shè)使得海域面積縮小，海水被擠壓抬升，局部影響在0.10 m以上?！逗５坦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)規(guī)定對(duì)風(fēng)暴潮影響嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)潮位進(jìn)行分析研究。由于海岸工程多為近年或未來建設(shè)，沒有足夠?qū)崪y(cè)潮位資料反映，這是海堤設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的地方。

圖8 工程前后風(fēng)暴潮最高潮位比較(實(shí)線表示規(guī)劃工程后，虛線表示工程前;單位:m，85國(guó)家高程基面)Fig.8 The highest water level with and without planned projects in Bohai Bay(solid line for planned project;dotted line for current;in m，National Height Datum 1985)

表2 工程前后風(fēng)暴潮最高水位變化(85國(guó)家高程基面)Tab.2 Variations of the highest water level of storm surges with and without planned projects(the base surface elevation 1985)

4 結(jié)語

大型海岸工程的建設(shè)是我國(guó)近年海岸工程建設(shè)的特點(diǎn)，針對(duì)影響渤海海域顯著的9216、9711和2003年10月三次風(fēng)暴潮，建立渤海風(fēng)暴潮模型對(duì)渤海灣規(guī)劃工程實(shí)施前、后的風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析工程實(shí)施后三次風(fēng)暴潮可能造成渤海灣高潮水位變化，研究探討工程建設(shè)可能對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和海堤堤防帶來的影響。

研究顯示由于沿岸圍墾減小海域的納潮受水面積，海水被擠壓抬升，渤海灣海域近岸工程后風(fēng)暴潮高潮位普遍抬升。在幾次特大風(fēng)暴潮大風(fēng)作用下，規(guī)劃工程實(shí)施以后天津港北部的北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口工程后最高潮位增加0.01～0.09 m，天津港內(nèi)增加0.04～0.05 m;海河口最高潮位最大增幅0.08 m左右;臨港工業(yè)區(qū)港池、獨(dú)立減河口、南港內(nèi)增加0.01～0.08 m，黃驊港增加0.04～0.11 m左右。

研究分析認(rèn)為，海岸工程建設(shè)改變了岸線形態(tài)，對(duì)海岸高水位影響明顯，在海岸工程建設(shè)和堤防設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮水位抬升對(duì)海堤堤防防護(hù)的不利影響。

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The impact of coastal engineering on high water level of storm surges in Bohai Bay

ZHANG Wei-sheng1，CHEN Chen2，LI Xin2，ZHANG Jin-shan1
(1.Key Laboratory of Port，Waterway and Sedimentation Engineering，Ministry of Communications，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China;2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The analyses and investigations indicate that the storm surge disaster in Bohai Bay is one of the most severe ones in the world.To study changes of storm surge after construction of large-scale coastal engineering in Bohai Bay at present，a 2D numerical storm surge model is established with large-medium-small model nested approach.The three most typical storms surges:9216，9711 and by cold wave in October 2003 are simulated in the condition with and without implementation of planned projects in Bohai Bay.Changes of storm surge water level due to implementation of artificial projects are analyzed in this paper.The results show that because of water storage reducing，high level of storm surge is uplift after reclamation.The increase of maximum water level is about 0.10 m under larger storm surge，which needs to be taken into consideration in dike design.

storm surge;Bohai Bay;typhoon;cold wave;coastal engineering

TV148

A

1005-9865(2012)02-0072-07

2011-04-25

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(2009010601，200801001);交通運(yùn)輸部西部科技項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助(200632800003-03)

章衛(wèi)勝(1979－)，男，安徽青陽人，工程師，主要從事海岸水動(dòng)力研究。E-mail:weisheng_zhang@163.com

張金善