圍填海工程對天津海域水動力環(huán)境影響的數(shù)值分析

劉仲軍，劉愛珍，于可忱

（1.天津港口集團(tuán)有限公司，天津300456；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室,天津300456；3.河海大學(xué) 河口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

近岸海域位于海洋與陸地最接近的區(qū)域，是海洋中各類資源最豐富的海域，同時也是人類優(yōu)先開發(fā)的區(qū)域，港口建設(shè)、海洋開發(fā)和海洋運(yùn)輸，尤其是圍填海工程，給近岸海域的水動力環(huán)境帶來了很大的影響。

天津近岸海域水動力狀況與岸線的變化是密切相關(guān)的，天津近岸海域的海岸線長度約153 km，海域面積3 000 km2。根據(jù)天津市濱海新區(qū)空間的發(fā)展特征，南港工業(yè)區(qū)是重要的產(chǎn)業(yè)功能區(qū)之一。近年來，天津近岸海域填海規(guī)模和總量增長較快，填海造陸對于土地、水文、生態(tài)及氣候等均產(chǎn)生多方面的環(huán)境效應(yīng)［1-3］，圍填海造陸工程實施一方面可以增加土地面積，在一定程度上緩解建設(shè)用地緊張，滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展用地的需求，另一方面圍填海工程的實施也會對周圍的泥沙環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生眾多不利影響［4-7］，當(dāng)海岸形狀、水域面積等條件發(fā)生變化時，必將導(dǎo)致周圍海洋動力條件的變化，從而對這些海區(qū)的物理自凈能力及水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

南港工業(yè)區(qū)作為天津海域的新建港區(qū)，其填海方式采用貼岸多突堤式填海造陸方案［8］，工程的實施必將對本海域已建的天津港主航道、臨港工業(yè)區(qū)及大沽沙航道、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)及其航道等其他港區(qū)產(chǎn)生不同程度的影響，本文采用數(shù)值模擬的方法，研究圍填海工程導(dǎo)致的岸線變化對工程海域以及天津港附近水動力的影響規(guī)律，以及相應(yīng)的影響范圍，為天津近岸海域海域使用與資源的可持續(xù)利用提供參考依據(jù)。

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 為時間，s；g 為重力加速度，m/s2；式（1）～式（3）構(gòu)成了求解潮流場的基本控制方程。為了求解這樣一個初邊值問題，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

在本研究采用的數(shù)值模式中，需給定水動力與水質(zhì)模型的邊界條件。

（1）水動力初邊值條件。在本研究中，初始潮位取計算開始時的平均潮位，初始流速取為0。開邊界條件即水域邊界條件，本研究中開邊界給定潮位，即：η=η（x，y，t）。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：Vn=0。

（2）水質(zhì)模型初邊值條件。岸界和垂直邊界采用無通量條件。開邊界選為：出流，輻射條件；入流，無梯度條件。初始濃度根據(jù)渤海灣內(nèi)部劣于外部的實際情況，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，分別在x方向和y 方向進(jìn)行求解，使問題轉(zhuǎn)化為求解2 個三對角矩陣，具體的離散方程不再敘述。

1.4 計算域、網(wǎng)格設(shè)置

潮流場的計算采用三層嵌套方式進(jìn)行計算，3 個模型分別為渤海、渤海灣和天津港及附近區(qū)域，在潮流計算模型的開邊界采用潮位控制，其中渤海大區(qū)域的邊界水位由煙臺港和大連港2 個驗潮站的潮位資料插值得到。在渤海潮流計算后，渤海灣、天津港附近區(qū)域的潮流場計算中潮位邊界條件均由上一層模型的計算結(jié)果提供。天津海域的計算范圍北界曹妃甸，西南至歧河口，取為80 km×83 km 的南北向矩形區(qū)域，總面積約6 640 km2，計算網(wǎng)格尺度采用120 m×120 m 的固定網(wǎng)格，模型選取的時間步長為40 s。

圖1 天津海域模型計算范圍及驗證點(diǎn)位置Fig.1 Computed area and observed position of tidal current in Tianjin sea

2 計算結(jié)果

2.1 模型驗證

模型驗證資料采用2008 年7 月大、小潮的現(xiàn)場實測資料，對潮位、流速和流向進(jìn)行了驗證。其中共有6個潮流站（圖1 中#1～#6）和一個潮位站（圖1 中SW）。驗證曲線見圖2。從驗證結(jié)果看，各測站計算值與實測值基本一致，潮位、流速和流向的變化過程也基本吻合，可見該模型所模擬的潮流運(yùn)動基本能夠反映出天津海域的水流狀況。

2.2 計算結(jié)果

圖3 為天津海域漲落急時刻潮流場圖，該海域的潮流具有往復(fù)流性質(zhì)。在外海水流基本呈向岸和離岸運(yùn)動，在近岸由于受到港口建筑物的影響，水流呈現(xiàn)沿岸或沿建筑物邊緣流動的特點(diǎn)。圖4 為南港工業(yè)區(qū)建設(shè)后的潮流場圖，南港圍填海工程的建設(shè)不會使渤海灣的潮流性質(zhì)發(fā)生變化。

3 影響分析

在工程海域附近，漲急時，北側(cè)流速增大，防波堤堤頭以西4.5 km 范圍內(nèi)流速增幅超過0.1 m/s；港池及航道內(nèi)流速基本表現(xiàn)為減?。辉礻憛^(qū)東側(cè)流速減小，造陸區(qū)邊緣處流速減幅最大為0.4～0.5 m/s，減幅大于0.1 m/s 的范圍最大為造陸區(qū)以東7.5 km 范圍內(nèi)，造陸區(qū)以東15 km 范圍內(nèi)流速減幅超過10%，且渤海灣中部大范圍內(nèi)流速均表現(xiàn)為減??；造陸區(qū)東南角外側(cè)流速增大，增幅大于0.1 m/s 的范圍基本處于半徑3 km 的半圓內(nèi)。

圖2 代表測站實測與計算潮位、流速、流向比較Fig.2 Comparison between observed and computed data of water level，speed and direction

圖3 工程前流場Fig.3 Tidal current field before the project

工程建設(shè)后水流改變?yōu)檠亟ㄖ镞吘壛鲃拥奶攸c(diǎn)，造陸區(qū)東側(cè)水流分成兩股：一股向北側(cè)順時針偏轉(zhuǎn)后流入臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)與南港工業(yè)區(qū)之間的水域內(nèi)；一股向南側(cè)水流逆時針偏轉(zhuǎn)，繞過東南角后呈順時針偏轉(zhuǎn)的向岸流動。落急時流速、流向的變化趨勢與漲急時相同，變化幅度及范圍小于漲急時。對工程海域周邊的臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)及其航道的影響表現(xiàn)為流速減小，減幅為0.1～0.2 m/s，產(chǎn)業(yè)區(qū)口門以東11 km 范圍內(nèi)流速減幅達(dá)10%以上。工業(yè)區(qū)東側(cè)外海流速表現(xiàn)為減小，根部最大減幅達(dá)10%～20%，約為0.05 m/s，大沽沙航道流速減幅最大為0.01 m/s，約為南港填海造陸實施前的3%～4%。對于天津港主航道的影響表現(xiàn)為流速減小，減幅最大為0.01 m/s，約為南港填海造陸實施前的1%～2%。

圖4 工程后流場Fig.4 Tidal current field after the project

圖5 工程實施前后流速變化率等值線（單位：%）Fig.5 Variation curves for flow velocity change rate of Tianjin area

4 結(jié)論

本文建立了數(shù)值分析模型，研究了圍填海工程導(dǎo)致的岸線變化前后，天津近岸海域的水動力變化以及影響范圍，在此基礎(chǔ)上，分析了圍填海工程對天津港海域的影響程度，通過數(shù)值分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）通過對南港填海造陸工程建設(shè)前后的潮流場對比分析，可以看出，工程建設(shè)后天津海域乃至渤海灣的潮流動力條件有所減弱，影響程度隨著距離的增大而減小，影響程度由大到小依次為：臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)及航道、臨港工業(yè)區(qū)及大沽沙航道、天津港主航道、北塘港區(qū)。

（2）根據(jù)岸線變化對天津近岸海域的水動力影響分析表明，圍填海工程導(dǎo)致的岸線變化對天津近岸海域的水動力條件的變化，將會導(dǎo)致天津海域產(chǎn)生相應(yīng)的沖淤變化，導(dǎo)致工程海域附近的泥沙、污染物的運(yùn)移規(guī)律發(fā)生變化，可能增加港區(qū)與航道的維護(hù)性清淤工作以及污染物的累積，需要在工程建成后及時監(jiān)測相應(yīng)參數(shù)，并制定相應(yīng)的防治措施與對策。

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