圍填海工程對渤海灣風浪場的影響

趙 鑫, 孫 群,2,3, 魏 皓

(1. 天津科技大學 海洋科學與工程學院, 天津 300457; 2. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071;3. 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071)

渤海灣位于渤海西部, 是一個向西凹入的弧形淺水海灣。渤海灣東以灤河口至黃河口的連線為界,與渤海中部相通[1]。渤海灣水下地形平緩, 波浪運動是其主要的動力過程之一, 對灣內(nèi)泥沙輸運、污染物的擴散和分布及生態(tài)環(huán)境等有著重要的影響。

近年來環(huán)渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟, 掀起大規(guī)模圍海造地活動。依據(jù)海域使用管理統(tǒng)計數(shù)據(jù), 從2000年至2010年的10年時間內(nèi), 渤海圍填海面積已多達600 km2, 主要用于建設臨海工業(yè)、濱海旅游區(qū)和大型港口等。大規(guī)模圍填海工程導致濱海天然濕地面積縮減, 破壞其自然屬性和生態(tài)環(huán)境, 造成渤海灣岸線和近岸海區(qū)地形地貌發(fā)生重大變化(圖 1),影響了渤海水動力場的分布變化, 如潮流[2-3], 波浪[4-5]等。

本文采用波浪數(shù)值模型 SWAN(Simulating Waves Nearshore, V 40.81), 分別對2000年和2010年岸線分布情況下的渤海灣風浪場進行模擬, 分析了10年間渤海灣岸型變化對3個重點港口海域風浪場的影響。

1 計算區(qū)域和模型設置

荷蘭Delft理工大學基于第三代波浪WAM模型,增加了描述淺水波浪變形的源項, 建立了適用于海岸、湖泊和河口地區(qū)的SWAN海浪預報模型[6-7]。本文采用 V40.81版本的 SWAN 模型, 考慮了波浪折射、繞射、底摩擦及破碎等非線性效應, 能夠準確地模擬潮流、地形等復雜環(huán)境下的波浪場。

模 擬 海 域 為 整 個 渤 海 (117°～122.375°E, 37°～41.25°N), 采用矩形網(wǎng)格, 空間水平分辨率為0.0125°×0.0125°, 網(wǎng)格點數(shù)為 341×431。

渤海灣的海岸線變化數(shù)據(jù)是利用美國陸地資源衛(wèi)星 Landsat的傳感器 TM/ETM 遙感信息, 采用Canny算子半自動提取獲得的(李秀梅提供)。2000年的水深資料采用的是 1′×1′的東中國海水深數(shù)據(jù)[8],根據(jù)渤海灣長期岸線變化, 對水深數(shù)據(jù)進行修改得到2010年的水深數(shù)據(jù)。渤海灣兩個年份的岸線和水深分布如圖1所示。10年來圍海造港工程導致渤海灣海岸線發(fā)生巨大改變, 岸線向灣中央推進, 尤其在曹妃甸、天津港和黃驊港附近海域。岸形變化顯著的3個海域選取如圖1中的A, B和C區(qū), 分別是曹妃甸區(qū)域(118.25°～ 118.75°E, 38.75°～ 39.25°N)、天津港區(qū)域(117.6°～ 118.1°E, 38.75°～ 39.25°N)和黃驊區(qū)域(117.6°～ 118.2°E, 38°～ 38.6°N)。

SWAN模型選擇二維的非定常模式, 物理過程包括淺水破碎、底摩擦、三波相互作用等過程。利用海浪觀測站實測風場數(shù)據(jù)驅(qū)動模型, 對模型進行驗證, 有效波高結(jié)果回歸分析表明, 計算和觀測有效波高相關系數(shù)為 0.75, 有效波高較大時, 模擬結(jié)果偏差較大。

模型經(jīng)過驗證后, 選用2000年歐洲氣象中心(ECMWF)的風場資料[9]強迫模型, 強迫數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°, 計算時間間隔為6 h。模式計算時間步長與風場時間間隔一致, 計算時間為1 a。分別對2000年和2010年的岸線形式進行模擬。

圖1 渤海灣水深(m)及2000, 2010年岸線Fig. 1 The topography and shoreline of the Bohai Bay in 2000 and 2010

2 結(jié)果

2.1 渤海灣波浪場的季節(jié)變化特征

渤海灣為三面環(huán)陸的半封閉海灣, 受東亞季風的影響, 風浪場具有顯著的季節(jié)變化特征[10]。利用渤海灣 SWAN海浪模型的數(shù)值模擬結(jié)果, 對波浪要素進行月平均, 分析了渤海灣風浪場的季節(jié)變化規(guī)律。

渤海灣春季(3 ～5月份)為季風過渡季節(jié), 風場較復雜, 風向從西北風向西南風轉(zhuǎn)變。4月份平均風速全年最大[11], 以西風為主, 平均風速達到 8.0 m/s,模擬結(jié)果表明有效波高從灣口向灣內(nèi)形成舌狀分布,呈西北-東南分布(圖2)。受風時和風區(qū)影響, 沿灣口中線有效波高較大, 近岸兩側(cè)較小, 最大值位于灣口, 為2.4 m。5月份風浪場明顯減小, 灣口位置最大有效波高為 1.4 m。春季常浪向為 ESE向, 頻率為25%, 次常浪向為E向, 頻率為20%。

渤海灣夏季(6～8月份)以西南風為主, 風速逐漸變小, 平均風速為4.7 m/s。8月份只有3.9 m/s, 整個灣內(nèi)有效波高不超過0.5 m, 灣口海域最大有效波高為1.2 m。夏季常浪向為ENE向, 頻率為37%, 次常浪向為E向, 頻率為21%。

渤海灣秋季(9～11月份)是東亞夏季風和冬季風轉(zhuǎn)換時期, 秋季平均風速為 5.9 m/s, 隨著風速的增加,有效波高較夏季有所增長, 平均值為0.4 m。由于渤海灣三面環(huán)陸, 受海陸風作用, 9月份灣口位置風向發(fā)生近 90°的偏轉(zhuǎn), 由西風轉(zhuǎn)向為北風, 該海區(qū)風速很小。受此影響, 與8月份相比, 灣口附近0.35 m有效波高等值線最西端向東退后約0.25°, 0.3 m等值線東退則較少。秋季常浪向為E向, 頻率為21%, 次常浪向為ENE向, 頻率為20%。

渤海灣冬季(12, 1, 2月份)盛行西北風, 灣內(nèi)風速較大, 風向穩(wěn)定, 平均風速為 6.6 m/s。相對秋季,有效波高明顯增大, 0.5 m等值線大幅度向灣內(nèi)推進(圖2)。常浪向也變?yōu)镋SE向, 出現(xiàn)頻率為30%, 次常浪向為E向, 出現(xiàn)頻率為20%。

2.2 圍海造港工程對波浪要素的影響

對比整個渤海灣在 2000年和2010年的計算結(jié)果, 圍海造港工程對波浪要素的影響主要表現(xiàn)在港口工程附近海域, 本文針對岸線變化顯著的 3個主要港口(曹妃甸、天津港和黃驊港)海域, 分別討論工程前后岸線變化對3個海域波浪場的影響。

2.2.1 曹妃甸海域波浪場的變化

曹妃甸位于渤海灣東北部, 與 2000年相比, 圍海造港工程導致其岸線形狀發(fā)生顯著變化(圖1中A區(qū))。目前, 曹妃甸港區(qū)東南端緊臨渤海灣深槽, 水深超過 30 m, 也是渤海灣最深處。這一地理優(yōu)勢讓該港區(qū)成為天然優(yōu)良深水港。曹妃甸港區(qū)靠近灣口位置, 其周邊海域風浪成長充分, 有效波高較其他兩個港口要大。

圖2 渤海灣有效波高(m)的季節(jié)分布Fig. 2 The seasonal distributions of the effective wave heights in the Bohai Bay

春季該海域主要為西南風, 平均風速為9.2 m/s。常浪向為 E向, 頻率 27.9%; 次常浪向為ENE向, 頻率為22.6%。風向的改變導致曹妃甸工程東北部海區(qū)有效波高的影響程度大, S向海浪有效波高增加0.1 m, 增大為50%, 常浪向上有效波高變化較小(圖 3)。

夏季曹妃甸海域盛行風仍為西南風, 平均風速為6.6 m/s。由波向分布可知, 由于夏季風向較春季穩(wěn)定, 常浪向為 ENE向, 頻率為 36.3%, 波向主要集中在常浪向正負30°之間的方向范圍內(nèi)。工程前后各個方向波浪頻率變化很小, 最大有效波高增加值在0.05 m以下。

秋季是季風轉(zhuǎn)向的過渡季節(jié), 風向由西南風轉(zhuǎn)向為西北風, 平均風速為7.6 m/s。常浪向為ENE向,次常浪向為 E向, 由于風向的變化, 導致波浪傳播方向范圍較大。曹妃甸港口工程對波高的影響主要集中在港池和東北側(cè)海域, 甸頭南端海域受影響很小。

冬季, 曹妃甸附近海域盛行西北風, 平均風速為8.3 m/s。常浪向為ESE向, 頻率為27.3%; 次常浪向為 E向, 頻率為 26.1%。由圖 4波向玫瑰圖可知, 該海域圍海造港工程對常浪向與次常浪向沒有影響, 但沿常浪向出現(xiàn)頻率在 2000年為 27.3%,2010年為 25.9%, 出現(xiàn)頻率有所減小。次常浪向 E向的海浪出現(xiàn)頻率減小2%,

曹妃甸港口工程南部海區(qū)有效波高減小 0.1 m;港池和潮汐通道內(nèi)的波浪要素受影響較大, 波高顯著減小, 有效波高減小范圍在 0.05～0.2 m, 減小幅度約為20%～40%。SSE向最大有效波高增加比例最大, 達到22.9%。西南側(cè)海域波浪要素變化較小, 東北海域變化較大。

2.2.2 天津港海域波浪場的變化

天津港地處華北水陸交通樞紐, 經(jīng)過近10年的圍海造港工程, 海岸線明顯向東拓展。該海域受季風影響較大, 冬季盛行西北風, 夏季多為偏南風。影響本海區(qū)的主波向為 NNE～SE向, 冬春季常浪向為ESE向, 頻率分別為32.2%, 14.4%, 夏秋季常浪向為ENE向, 頻率分別為26.6%, 17.8%, 強浪向為NNW向, 大于1.0 m的波浪頻率為16%[12-13]。

圖3 曹妃甸2010年與2000年不同季節(jié)的波高差和波高差相對變化Fig. 3 The seasonal distributions of the differences of the wave height and the relative wave height between in 2010 and 2000 for Caofeidian

由于天津港位于渤海灣的最西端, 受風浪成長的風時和風區(qū)限制, 天津港西側(cè)海域波高較小, 年平均有效波高為 0.26 m, 變化范圍較小, 集中在0.05～0.39 m范圍內(nèi), 表明該海區(qū)波浪屬于弱浪區(qū)(圖2)。平均周期為1.5 s, 周期變化范圍較小, 主要是由風生成的短周期波, 這與已有研究結(jié)果一致[14-15]。

圖4 曹妃甸不同季節(jié)的波向玫瑰圖Fig. 4 The seasonal distributions of the rose diagrams of the wave directions of Caofeidian

天津港區(qū)域波浪較小, 由于工程建筑物的形狀,港口建筑物只影響其東部海區(qū)的波高分布。從全年來看, 該海區(qū)平均有效波高減小在0.1 m左右, 最大有效波高增加最大是出現(xiàn)在6月份(圖5), 沿SE向傳播的波浪最大有效波高增加0.2 m, 該方向波高出現(xiàn)頻率為10%。其他季節(jié), 天津港建筑工程對該海區(qū)風浪要素分布的影響相對較小。此處只給出天津港附近海域 6月份有效波高差及相對差分布圖和波向玫瑰圖。

圖5 天津港2010年與2000年6月份的波高差和波高差相對變化以及波向玫瑰圖Fig. 5 The June distributions of the differences of the wave height and the relative wave height,and the rose diagrams of the wave directions between 2010 and 2000 year of Tianjin Harbor

2.2.3 黃驊港附近海域波浪場變化

黃驊港是我國主要煤炭輸出港之一, 但由于位于古黃河河口沖積區(qū), 與上述兩個港口不同, 該港口附近海域水淺坡緩, 10 m等深線距岸約32 km, 港口建筑物沿東北方向延伸, 前端到達 5 m等深線位置, 屬于典型的人工大港。

冬春季節(jié), 該海域風速逐漸減小, 風向由西北風轉(zhuǎn)向西南風, 常浪向均為 ESE向, 冬季頻率為29.9%, 春季頻率為 27.9%。受港口工程的影響, 冬季沿常浪向 ESE和次常浪向 SE方向的頻率顯著增加, 2000年 ESE向頻率為 27.9%, 2010年頻率為28.9%(圖6)。黃驊港附近夏季盛行西南風, 常浪向為ENE, 頻率為 36.1%, 浪向穩(wěn)定。秋季風向多變, 浪向分布范圍較大。

由于黃驊港引起岸線變化, 對附近海域有效波高的影響主要集中在港口東北端, 該海區(qū)有效波高減小0.1 m, 出現(xiàn)頻率為 20%～40%(圖 7), 波向頻率無明顯變化。而與盛行浪向垂直方向(NW、WNW 向)上傳播的風浪有效波高變化較大, 減小幅度達50%以上。

黃驊港海區(qū)水淺坡緩, 波浪在由外海向岸傳播的過程中衰減緩慢, 尤其在港區(qū)東南側(cè), 有效波高等值線向岸呈舌狀分布(圖 2)。同時, 該海區(qū)水淺平坦, 波浪易發(fā)生破碎, 破波帶范圍寬闊[16], 應進一步開展岸線變化對波浪破碎位置影響的分析。

3 結(jié)語

本文采用海浪SWAN模型對渤海灣風浪場進行了數(shù)值模擬, 分析了環(huán)灣圍填海工程竣工前(2000年)后(2010年)的波浪場, 探討了岸線變化最顯著的3個港口工程——曹妃甸、天津港和黃驊港附近海域波浪分布變化。

圖6 黃驊港不同季節(jié)的波向玫瑰圖Fig. 6 The seasonal distributions of the rose diagrams of the wave directions of Huanghua harbor

圖7 黃驊港2010年與2000年不同季節(jié)的波高差和波高差相對變化Fig. 7 The seasonal distributions of the differences of the wave height and the relative wave height between 2010 and 2000 of Huanghua harbor

從整個渤海灣來說, 圍填海工程對波浪有效波高及周期影響的程度不大, 工程建筑物存在后, 有效波高呈減小趨勢, 減小值在0.2 m以下, 周期幾乎不變; 波浪要素變化顯著的區(qū)域主要在港口工程周邊海域, 港池和潮汐通道內(nèi)的有效波高減小幅度較大。距港口區(qū)較遠海域, 波高變化不明顯。同時, 港口工程建成之后, 會改變波浪傳播方向, 導致某波向頻率增加, 這種改變一般不沿著盛行波向; 不同季節(jié)主波向上有效波高變化較小, 雖呈減小趨勢,但減小幅度在5%以下; 而與主波向垂直方向上的最大有效波高增加幅度較大(20%以上), 該方向出現(xiàn)頻率一般在5%以下。

從 3個港口工程的影響來說, 曹妃甸位于渤海灣北部灣口, 波浪場成長較充分, 有效波高最大, 港口工程的存在對波浪場的影響最大, 有效波高減小值最大可達 0.19 m, 港口東北海域有效波高減小幅度在 20%～40%之內(nèi), 冬春季有效波高減小程度較夏秋季顯著。天津港由于地理位置的原因, 其附近海域風浪較小, 平均有效波高為 0.26 m, 波浪要素變化不大, 該工程對波浪場的影響較小。黃驊港受工程建筑形狀和海區(qū)地形的雙重影響, 沿西北和東南向傳播的風浪受港口工程的影響, 有效波高減小幅度較大,減小0.1 m左右, 減小幅度在40%～60%范圍內(nèi)。

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