錦州灣圍填海工程對海灣水交換能力的影響

劉明，席小慧，雷利元，張笑，畢遠(yuǎn)溥

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連116023)

近年來，遼寧海岸帶圍填海工程項(xiàng)目不斷開發(fā)，在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時，海灣面積大量減少，截灣取直、灣口束狹改變了海灣的潮流系統(tǒng)，海底淤積嚴(yán)重，生態(tài)功能退化，環(huán)境惡化、資源衰退，造成海灣資源嚴(yán)重破壞［1］。研究海岸帶開發(fā)建設(shè)過程中對海域環(huán)境的影響，對如何合理開發(fā)錦州灣海岸帶資源、有效保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。

目前，有學(xué)者對錦州灣海域開展了不同領(lǐng)域的專題研究，如對重金屬特性［2-3］、沉積環(huán)境變化趨勢［4］、沉積物生態(tài)風(fēng)險評價［5-6］、懸浮物分布特性［7］、近岸海域富營養(yǎng)化趨勢［8］、浮游生物分布規(guī)律［9］以及重金屬對海域生物的影響［10］等方面進(jìn)行了研究。在水動力方面，對水文特征與泥沙狀況［11-12］、波浪和海流特征［13］進(jìn)行了初探;在環(huán)境容量方面，僅對其他海灣如膠州灣［14-15］等進(jìn)行了研究。但目前尚未見從水動力方面研究圍填海工程對海灣水環(huán)境影響的報道。為此，本研究中作者選取2000、2005、2010年錦州灣圍填海工程引起的海灣面積及海岸線的變化信息，通過數(shù)值模擬方法計算近年來海灣納潮量、海灣水交換指標(biāo)的變化情況，分析海岸帶圍填海工程對錦州灣海域水動力的影響，并結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對海灣水環(huán)境變化趨勢進(jìn)行分析，以期為海灣資源能夠得到有效治理修復(fù)和保護(hù)以及海岸帶資源得到有效的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立與研究方法

1.1 數(shù)值模型的建立

1.1.1 潮流場數(shù)學(xué)模型 考慮到研究區(qū)域的范圍，且水深相比于平面尺度較小，因此，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

運(yùn)動方程

其中:u、v 為x、y 方向的平均流速分量;H 為水深，H=h+ζ;f 為科氏力系數(shù)，f=2ωsin φ，ω 為地轉(zhuǎn)角速度，φ 為緯度;ve為效黏性系數(shù)，ve=vt+v，vt為紊動黏性系數(shù);τbx、τby分別為底部切應(yīng)力在x、y方向的分量;τsx、τsy分別為表層切應(yīng)力在x、y 方向的分量。本研究計算中暫不考慮表面風(fēng)應(yīng)力的影響。

1.1.2 納潮量模型 納潮量是海灣潮流特征變化的總體反映，其大小決定海灣與外海的交換強(qiáng)度，反映了海灣的自凈能力。對納潮量的研究對于海灣整體規(guī)劃、合理開發(fā)利用和資源修復(fù)及保護(hù)具有重要意義。海灣接納潮水的體積就是該海灣的納潮量［16-17］。通過計算錦州灣各個網(wǎng)格的面積以及網(wǎng)格點(diǎn)的高低潮時水位差，得到灣內(nèi)可容納海水的體積差，從而計算錦州灣的納潮量。計算公式［18］為

其中: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)。

1.1.3 水交換模型 水交換數(shù)學(xué)模型的基本控制方程［19］為

其中:C 為深度平均的示蹤染料濃度;u、v 分別為x、y 方向的流速(m/s);Dx、Dy 分別為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)，可根據(jù)Elder 公式計算;S、E 分別代表源和匯，即單位時間內(nèi)污染物的排放量和轉(zhuǎn)移量。

1.1.4 模型范圍及邊界條件 數(shù)值計算范圍為錦州灣海域(圖1)。模擬范圍在25 km，網(wǎng)格設(shè)置為200 ×150 個;水深由海圖讀取并訂正到平均海平面，時間步長為30 s，Manning 系數(shù)取0.026，開邊界條件由M2、S2、K1和O1 四個分潮調(diào)和常數(shù)控制，初始水位和流速全部為零。

本計算中采用交錯式矩形網(wǎng)格對方程進(jìn)行離散，在離散過程中采用隱式方向交替差分格式(ADI 法)［20］。根據(jù)ADI 的差分運(yùn)算規(guī)則，得到動力學(xué)方程的差分公式。在平流項(xiàng)的處理中采用迎風(fēng)格式離散。

1.2 研究方法

選取并對比2000、2005、2010年圍填海工程引起的海灣面積及海岸線的變化信息(圖1)，通過數(shù)值模擬方法分別計算不同年份相鄰大小潮時的潮流場?？紤]到潮流場受不同分潮潮波疊加影響，不同時間的潮汐海流不同，本研究中設(shè)計方案A和方案B 兩種模擬方案。

1)方案A(現(xiàn)狀模擬):采用同年岸線邊界條件和潮汐海流邊界分別模擬錦州灣2000、2005、2010年海域潮流場現(xiàn)狀。

2)方案B(方案模擬):假設(shè)2000—2005年岸線未發(fā)生變化，即采用2000年岸線和2005年潮汐海流邊界，以模擬說明2005年錦州灣岸線變化對海域潮流場的影響;假設(shè)2005—2010年岸線未發(fā)生變化，即采用2005年岸線和2010年潮汐海流邊界，以模擬說明2010年錦州灣岸線變化對海域潮流場的影響。

2 結(jié)果

2.1 錦州灣岸線和海域面積變化

從表1可見:2000—2005年錦州灣岸線長度、灣口寬度和海域面積均有所減少;2005—2010年錦州灣岸線長度有增加，而灣口寬度和海域面積均有所減少。而2000—2010年自然岸線長度由19.16 km 減少到16.99 km，圍海養(yǎng)殖面積增加1.48 km2，城鎮(zhèn)建設(shè)面積增加2.02 km2，臨海工業(yè)區(qū)面積增加3.06 km2，港口面積增加15.8 km2［21］。

表1 錦州灣岸線和面積變化Tab.1 The coastline and area information in Jinzhou Bay

2.2 錦州灣海域潮流場模擬

通過對2000—2010年錦州灣海域潮流場的模擬，可以發(fā)現(xiàn)海灣流場整體趨勢并未產(chǎn)生明顯變化。圖2 為錦州灣海流實(shí)測數(shù)據(jù)與計算值的驗(yàn)證圖，說明具有較好的吻合性。

圖3 為2010年模擬一個潮周期漲急時刻和落急時刻的流場圖，表明了錦州灣海域的潮流分布特征及其演變規(guī)律。

2.3 海灣納潮量的變化趨勢

從表2可見:2000年錦州灣納潮量現(xiàn)狀模擬平均納潮量為2.48 ×108m3;2005年平均納潮量為2.12 ×108m3;2010年平均納潮量為1.47 ×108m3?？梢钥闯觯?000—2005年平均納潮量減少了14.52%，2005—2010年平 均 納 潮 量 減 少 了30.66%，錦州灣納潮量呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢。

2.4 海灣水交換率的變化趨勢

根據(jù)水交換率公式計算錦州灣海域水交換模擬結(jié)果如表3所示，2000年錦州灣大潮現(xiàn)狀模擬水交換率平均為8.02%;2005年交換率平均為7.52%;2010年水交換率平均為7.15%。可以看出，2000—2005年平均水交換率減少了6.58%，2005—2010年平均水交換率減少了4.92%，錦州灣水交換率呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢。

圖1 錦州灣2000、2005、2010年海岸線圖Fig.1 The coastline of Jinzhou Bay in 2000，2005 and 2010

圖2 錦州灣海流數(shù)據(jù)驗(yàn)證圖Fig.2 The current verification diagram in Jinzhou Bay

表2 2000—2010年錦州灣的納潮量Tab.2 Storage capacity of tidal water in Jinzhou Bay from 2000 to 2010 108m3

圖3 錦州灣海域漲急時刻和落急時刻的潮流場Fig.3 The critical moment of tide current in Jinzhou Bay

表3 2000—2010年錦州灣的水交換率Tab.3 The rate of water exchange in Jinzhou Bay from 2000 to 2010 %

3 討論

3.1 圍填海工程對海灣的整體影響

錦州灣海流表現(xiàn)為較強(qiáng)的往復(fù)性流動，海流主流向?yàn)槠玈 -N 向，其中偏S 向?yàn)闈q潮流向，偏N向?yàn)槁涑绷飨?。本研究中通過模擬對照站位的潮流變化數(shù)據(jù)，說明圍填海工程造成的岸線變化對錦州灣潮流場的影響。由模擬結(jié)果(表4)可知，2000—2005年圍填海工程造成錦州灣各站位流速減小，流向呈順時針變化;2005—2010年，由于受灣口北側(cè)位置的圍填海工程影響，造成北側(cè)灣口處(P1)流速變大，流向呈逆時針變化，而其他站位(P2和P3)流速均減小，流向呈順時針變化。

表4 錦州灣模擬方案計算結(jié)果Tab.4 The estimated result of the tide in Jinzhou Bay

3.2 圍填海工程對海灣納潮量的影響

根據(jù)模擬方案對比表明，2000—2005年岸線變化導(dǎo)致錦州灣納潮量平均減少了11.92%，2005—2010年岸線變化導(dǎo)致錦州灣納潮量平均減少了29.74%。近年來，納潮量減小的主要原因是由于海灣圍填海工程直接導(dǎo)致了海灣面積的減小，而納潮量的減少意味著減少了海灣海水的容量，即降低了錦州灣的環(huán)境容量，減少了容納水質(zhì)污染物的能力，將對錦州灣內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

3.3 圍填海工程對海灣水交換率的影響

統(tǒng)計結(jié)果表明，2000—2005年岸線變化導(dǎo)致錦州灣水交換率平均減少了17.51%，2005—2010年岸線變化導(dǎo)致錦州灣水交換率平均減少了9.28%。近年來海灣水交換率減小的原因:一是由于灣口的寬度逐漸縮短，2000—2005年灣口寬度由10.1 km 減小到9.6 km，2005—2010年灣口寬度由9.6 km 減小到9.4 km;二是由于錦州灣的平均水交換率較低，圍填海工程造成海灣面積減小，海水受灣頂?shù)摹绊斖小弊饔迷斐伤粨Q活躍區(qū)整體向?yàn)晨谄?。水交換率的減少意味著海灣海水與灣外海水交換能力減弱，即降低了海灣的自凈能力，將對錦州灣內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

3.4 圍填海工程對海灣水質(zhì)的影響趨勢

由表5可以看出，研究水域的化學(xué)耗氧量(COD)的質(zhì)量濃度為1.13 ～2.10 mg/L，2006年和2010年，COD 含量均超過二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);無機(jī)氮的質(zhì)量濃度為0.16 ～1.07 mg/L，超二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要在2006、2008、2010年;磷酸鹽的質(zhì)量濃度為0.0030 ～0.0389 mg/L，超三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)主要在2006年，其他年份未超標(biāo);油類質(zhì)量濃度為0.05 ～0.39 mg/L，2004年超過三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他年份均在三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。表明錦州灣受到COD、無機(jī)氮、磷酸鹽和石油類不同程度的污染。

圍填海工程帶來的經(jīng)濟(jì)效益和新的發(fā)展空間將吸引更多的人們投資并開展生產(chǎn)活動，增大污染物的排放量，將造成水質(zhì)進(jìn)一步污染。根據(jù)對錦州灣近幾年海域水動力的模擬，納潮量和水交換率都在逐年減小，灣內(nèi)環(huán)境容量和自凈能力均逐年降低，從水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢分析看，各種污染物濃度逐年加強(qiáng)，證實(shí)了本研究的模擬結(jié)果。

表5 錦州灣水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.5 The data of water quality in Jinzhou Bay

4 建議

為充分、合理地利用海灣資源，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，作者提出以下幾點(diǎn)建議:

1)海灣開發(fā)利用應(yīng)充分考慮到圍填海工程對海域水動力、海灣納潮量、環(huán)境容量指標(biāo)的影響;禁止在灣口岬角附近建立海岸工程。

2)限期整治和關(guān)閉污染嚴(yán)重的入海排污口;嚴(yán)格控制陸源污染物的入海總量，如有必要逐步采取并實(shí)施排污權(quán)交易方式，實(shí)施對海灣污染物的總量控制。

3)開展海灣綜合治理與環(huán)境建設(shè)，保育自然岸線，修復(fù)已受損的海岸帶和海灣生態(tài)系統(tǒng)，充分利用生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控能力和采取必要的修復(fù)措施并舉，逐步恢復(fù)海灣典型的自然生態(tài)系統(tǒng)。

4)針對具有重要意義的海岸帶工程項(xiàng)目進(jìn)行合理開發(fā)，并使其嚴(yán)格符合海洋功能區(qū)劃，嚴(yán)格評價其影響，建議在環(huán)境影響評價和海域使用論證中除了要考慮工程對周邊海域的影響，還應(yīng)考慮工程對海灣容量的影響。

5)結(jié)合錦州灣的實(shí)際情況，建立海灣保護(hù)和管理?xiàng)l例，實(shí)現(xiàn)錦州灣海域的可持續(xù)發(fā)展。

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