海岸帶開(kāi)發(fā)對(duì)葫蘆山灣水交換能力的影響

摘 要：為評(píng)價(jià)2000年至2010年海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)葫蘆山灣水交換能力的影響，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算2000年、2005年和2010年葫蘆山灣海域潮流場(chǎng)、納潮量和海灣水交換率的情況。研究表明，2000年至2010年葫蘆山灣岸線(xiàn)減少2.1 km，海域面積減少約14.8 km2；2000年至2005年納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%；2005年至2010年納潮量平均減小了0.11×108 m3，水交換率平均減小了0.05%，說(shuō)明葫蘆山灣海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)造成海灣納潮量減小，導(dǎo)致環(huán)境容量的逐年減少，是海灣污染日益加劇的主要原因之一。

關(guān)鍵詞：海岸帶開(kāi)發(fā) 水交換 納潮量 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：P748 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0137-03

近年來(lái)，遼寧省沿海經(jīng)濟(jì)帶開(kāi)發(fā)建設(shè)納入國(guó)家戰(zhàn)略，大連長(zhǎng)興島沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)作為遼寧省沿海經(jīng)濟(jì)帶對(duì)外開(kāi)放戰(zhàn)略的重要區(qū)域，已進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，造成了海灣面積大量減少，生態(tài)功能退化，導(dǎo)致海灣資源的嚴(yán)重破壞[1]。如何在開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)減少對(duì)周邊海域的影響，更有效的利用和保護(hù)海灣資源已顯得十分重要。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)錦州灣、大連灣等區(qū)域開(kāi)展專(zhuān)題研究較多，而針對(duì)葫蘆山灣開(kāi)展研究的較少，如鮑永恩[2]從沉積物重金屬集散特征方面開(kāi)展研究等，從海灣水動(dòng)力角度探討海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)葫蘆山灣水交換能力影響方面未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文選取2000年、2005年、2010年海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)造成的海灣面積及海岸線(xiàn)的變化信息，通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算不同年份海灣水交換的變化情況，分析海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)葫蘆山灣海域水動(dòng)力的影響，為海灣資源能夠得到有效整治修復(fù)及保護(hù)，海岸帶資源得到有效的開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)的基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型概述

1.1 潮流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

葫蘆山灣位于遼寧瓦房店市西南渤海海域，為基巖港灣岸。灣口朝向西略偏南，灣口以里呈葫蘆形，水深較淺。本文采用平面二維潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，其基本控制方程如下。

連續(xù)方程：

式中：u、v為平均流速在x、y方向的分量；H為水深，H=h+ζ；f為科氏力系數(shù)，f=2ωsinφ為地球地轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度；ve為有效粘性系數(shù)，ve=vt+v，vt為紊動(dòng)粘性系數(shù)；τbx、τby分別為底部切應(yīng)力在x、y方向分量。

海灣接納潮水的體積就是該海灣的納潮量[3]，其大小決定海灣與外海的交換強(qiáng)度，反應(yīng)了海灣的自?xún)裟芰ΑＭㄟ^(guò)計(jì)算葫蘆山灣內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格的面積以及網(wǎng)格點(diǎn)的高低潮時(shí)水位差，得到大潮和小潮高低潮時(shí)海灣內(nèi)可以容納海水的體積差，即可得到海灣的納潮量。計(jì)算公式為P=h×S[4]。式中P為平均潮差條件下的納潮量，h為平均潮差，S為平均水域面積（即平均高潮位與平均低潮位水域面積之均值）。

海水交換是衡量某一海域自?xún)裟芰Φ囊粋€(gè)主要指標(biāo)，海水交換能力的強(qiáng)弱，直接決定水體的環(huán)境容量[5]。根據(jù)流出灣外水質(zhì)點(diǎn)的個(gè)數(shù)近似地求出流出灣外的水體積。因此定義潮周期內(nèi)某一水體與其相鄰水體的凈交換率為：R=（V出/V總）×100%。其中：R為交換率（%）；V總為所劃定的水域的總體積；V出為在一個(gè)周期內(nèi)流出水域之外的凈體積。

1.2 邊界條件

數(shù)值計(jì)算范圍為葫蘆山灣海域。網(wǎng)格設(shè)置為200個(gè)×150個(gè)；水深由海圖讀取并訂正到平均海平面；時(shí)間步長(zhǎng)為30 s；Manning系數(shù)取0.026；開(kāi)邊界條件由M2、S2、K1和O1四個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)控制；初始水位和流速全部為零。

2 研究方法

本文選取并對(duì)比2000、2005和2010年海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)造成的海灣面積及海岸線(xiàn)變化信息，通過(guò)數(shù)值模擬方法分別計(jì)算不同年份海灣潮流場(chǎng)，以說(shuō)明海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)葫蘆山灣海域的影響，本文構(gòu)建兩種研究方案：（1）2000年至2005年海岸帶開(kāi)發(fā)對(duì)葫蘆山灣海域的影響（方案A）：采用2000年海灣岸線(xiàn)以及2005年海流邊界計(jì)算海灣潮流場(chǎng)、納潮量和水交換率；（2）2005年至2010年海岸帶開(kāi)發(fā)對(duì)葫蘆山灣海域的影響（方案B）：采用2005年岸線(xiàn)以及2010年海流邊界計(jì)算海灣流場(chǎng)、納潮量和水交換率。

3 結(jié)果與討論

3.1 海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)葫蘆山灣整體影響

統(tǒng)計(jì)分析表明2000年至2005年葫蘆山灣岸線(xiàn)長(zhǎng)度由72.3 km增加到73.2 km，面積由78.4 km2減少到71.7 km2；2005年至2010年葫蘆山灣岸線(xiàn)長(zhǎng)度由73.2 km減小到70.2 km，面積由71.7 km2減少到63.6 km2。

葫蘆山灣模擬站海流均表現(xiàn)為較強(qiáng)的往復(fù)性。灣口海流主流向?yàn)槠玈-N向，灣內(nèi)主流向?yàn)轫槹斗较?。為了詳?xì)說(shuō)明海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)海灣潮流場(chǎng)的影響，設(shè)定模擬站位（P1位于北側(cè)灣口；P2位于南側(cè)灣口；P3位于灣內(nèi)中部；P4位于灣頂中部），根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（表1），2005年P(guān)1和P3站位流速增大，P2和P4站位流速減小。其中P3和P4站位流速變化較大的原因是岸線(xiàn)的變化造成流速最大值發(fā)生時(shí)刻提前了一個(gè)小時(shí)；2010年各模擬站位均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

3.2 海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)海灣納潮量和水交換的影響

葫蘆山灣納潮量和水交換率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可以發(fā)現(xiàn)2005年葫蘆山灣現(xiàn)狀模擬和方案模擬納潮量分別為144.77×106 m3和166.1×106 m3，平均水交換率分別為33.5%和30.35%；2010年葫蘆山灣現(xiàn)狀模擬和方案模擬納潮量分別為134.85×106 m和145.6×106 m，平均水交換率為34.05%和34.1%。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明2000年至2005年岸線(xiàn)的變化導(dǎo)致葫蘆山灣納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%。主要是由于近年岸線(xiàn)變化造成海灣面積的減小，直接導(dǎo)致納潮量的減小。而海岸帶的開(kāi)發(fā)主要傾向于截彎取直，造成海灣北側(cè)以及灣口與灣內(nèi)銜接處流速增大，而南側(cè)及灣內(nèi)流速減小。海灣流速總體增大，故而造成海灣水交換率略微增大；2005年至2010年岸線(xiàn)的變化導(dǎo)致葫蘆山灣納潮量平均減少了0.11×108 m3，高潮時(shí)水交換率增大1.9%，而低潮時(shí)水交換率減小2%，平均減小了0.05%。主要是由于近年岸線(xiàn)的變化，尤其是海灣北側(cè)近灣口處，圍填海工程造成海灣灣口減小，從而造成整個(gè)海灣流速均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，故而導(dǎo)致納潮量減小，海灣水交換率減小。

4 結(jié)論

近十年海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展空間吸引了更多的人們投資并開(kāi)展生產(chǎn)活動(dòng)，同時(shí)也造成海灣水質(zhì)環(huán)境污染情況日益加劇。根據(jù)本文對(duì)葫蘆山灣2000至2010年的海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)海灣影響分析，葫蘆山灣面積在10年內(nèi)減少了近14.8 km2，岸線(xiàn)減少了2.1 km，其變化在一定程度上改變了葫蘆山灣的海域潮流場(chǎng)。根據(jù)2000年、2005年和2010年海域潮流場(chǎng)的模擬結(jié)果表明，納潮量呈逐年遞減的趨勢(shì)，水交換率略有波動(dòng)。2000至2005年納潮量平均減少了0.21×108 m3，水交換率平均增大了3.15%。2005至2010年納潮量平均減少了0.11×108 m3，水交換率平均減小了0.05%。表明了海岸帶開(kāi)發(fā)活動(dòng)造成海灣納潮量的減小，海灣的環(huán)境容量相應(yīng)減?。浑m然2000年至2005年海灣內(nèi)因截彎取直方式的圍填海工程導(dǎo)致水交換率略有增大，但對(duì)海灣生態(tài)造成了一定的影響，而2005年至2010年灣口的圍填海工程導(dǎo)致了水交換率降低，海灣整體面積減小，造成與灣外海水交換能力減弱，即降低了葫蘆山灣的自?xún)裟芰?，減少了海灣環(huán)境容量，是造成葫蘆山灣水質(zhì)環(huán)境污染逐年加劇的重要原因之一。

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