環(huán)渤海集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)的影響研究*

黃 娟，高 松，連喜虎，李 杰

（山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室國家海洋局北海預報中心 青島 266100）

環(huán)渤海集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)的影響研究*

黃 娟，高 松，連喜虎，李 杰

（山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室國家海洋局北海預報中心 青島 266100）

文章基于挑選具有代表性的2000年、2008年、2010年和2012年的岸線，利用MIKE軟件建立渤海及渤海灣水動力模型。通過以上4種工況的模擬結(jié)果，進行集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)影響分析。分析結(jié)果表明：岸線的變化導致黃河海港附近海域的半日潮無潮點逐漸向東南方向偏移，致使渤海灣內(nèi)半日潮振幅增大，遲角發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)；萊州灣內(nèi)半日潮振幅減小，遲角發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)。秦皇島附近的半日潮無潮點逐漸向西南方向偏移。渤海海峽處的全日潮無潮點位置變化不明顯，但其在三大灣的振幅均有所增強。

集約用海；渤海；潮汐系統(tǒng)；MIKE21

渤海作為我國四大海域中唯一的內(nèi)海，經(jīng)濟戰(zhàn)略地位十分重要。遼寧、河北、山東、天津三省一市組成了環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)，是我國七大重要的經(jīng)濟區(qū)之一［1］。天津濱海新區(qū)規(guī)劃面積2 270 km2，其中2008年3月國務(wù)院批準填海造地規(guī)劃200 km2，涉及港口物流、臨海工業(yè)、濱海旅游、海洋新興產(chǎn)業(yè)等優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。河北曹妃甸工業(yè)區(qū)規(guī)劃用海面積310 km2，其中填海造地面積240 km2，用于發(fā)展港口物流、鋼鐵、石化和裝備制造等產(chǎn)業(yè)［2］。山東半島發(fā)展藍色經(jīng)濟，在萊州灣、黃河三角洲區(qū)域大力開發(fā)規(guī)劃集約用海項目，其中國務(wù)院發(fā)展和改革委員會2009年12月批準建設(shè)的黃河三角洲高效生態(tài)建設(shè)區(qū)，總規(guī)劃面積6 400 km2，涉海面積1 400 km2，屬于大規(guī)模的集約用海工程［3］。集中集約用海是尋求海洋開發(fā)與保護的結(jié)合點和平衡點，是促進海岸帶資源可持續(xù)利用的新理念，相對于單個圍填海項目與工程，集中集約用海是一種更為高效、生態(tài)和科學的用海方式［4］。但集約用海也不可避免會干擾海洋生態(tài)系統(tǒng)，因此如何將集約用海工程對海洋生態(tài)的影響降到最低，進行集約用海對生態(tài)影響評價是十分重要的。本研究挑選2000年、2008年、2010年和2012年的岸線，采用數(shù)值模擬的方法，通過對4個主要分潮（M2、S2、O1、K1）的振幅遲角的量化來分析研究集約用海工程對渤海潮汐系統(tǒng)的影響程度。

1 模型選擇與設(shè)置

1.1 模型簡介

水動力模擬采用MIKE21三維水動力軟件包，它適用于湖泊、河口、海岸和海灣的三維流體的水動力及相關(guān)現(xiàn)象的模擬。

1.1.1 模式基本控制方程

（1）連續(xù)性方程

1.1.2 邊界條件與初始條件

（1）邊界條件

在閉邊界處法向流速為零。開邊界處輸入潮波

這里σi是第i個分潮的角速度（共取4個分潮：M2、S2、O1、K1），fi、θi是第i個分潮的交點因子和遲角訂正，Hi和Gi是調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角，Vi是分潮的時角（東八區(qū)）。

（2）初始條件

計算開始時“冷態(tài)”起動，即：

1.2 模擬區(qū)域及計算參數(shù)

渤海潮汐數(shù)值模擬計算范圍為整個渤海（117．6°E—122．75°E，36．931°N—40．874°N），網(wǎng)格距為1 200 m，網(wǎng)格數(shù)為370×365，開邊界設(shè)在122．75°E。模式進行45 d／h的潮汐計算，采用后30 d／h的水位結(jié)果，進行調(diào)和分析。渤海潮汐模式進行了2000年、2008年、2010年和2012年4種工況的模擬試驗，分析由岸線變化引起的渤海潮汐系統(tǒng)的變化。

2 模式結(jié)果驗證

圖1為2000年模擬工況，渤海M2、S2、K1和O1分潮同潮圖。從圖1中可以看出，太陰半日分潮在渤海占絕對優(yōu)勢，比全日分潮強得多。半日潮的兩個無潮點分別位于黃河海港和秦皇島附近海域，M2和S2無潮點位置有所差異，是因為他們的波長不同和不同分潮在淺海的耗散不同造成的。全日分潮K1和O1的無潮點位于蓬萊站附近海域，且O1的無潮點位于K1無潮點東，是因為O1分潮的波長比K1分潮長［5］。

為進一步驗證模式的模擬效果，選取環(huán)渤海14個海洋站2000年（個別站點數(shù)據(jù)不完整，取附近年份）實測數(shù)據(jù)與模式結(jié)果的調(diào)和常數(shù)進行對比分析，從表1可以看出，絕大部分的模擬結(jié)果與實測十分接近，4個主要分潮振幅誤差基本都小于5 cm。而止錨灣、秦皇島和孤東3站S2分潮相位偏差相對較大，這可能與無潮點計算的位置與實際存在的一些差異有關(guān)［6］。

圖1 2000年模擬工況，渤海M2、S2、K1和O1分潮同潮圖（振幅單位：cm，遲角單位：°）

表1 2000年觀測與模擬的4個主要調(diào)和常數(shù)比較

3 渤海潮汐特征變化分析

圖2為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海M2分潮振幅和遲角對比。從圖2中可以看出，岸線變化對M2分潮的影響主要表現(xiàn)在渤海灣和萊州灣，遼東灣的潮波分布變化相對較小。位于黃海海港附近海域的M2無潮點向東南方向略有偏移數(shù)千米，致使渤海灣內(nèi)M2分潮振幅有所增大，遲角發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)。萊州灣內(nèi)M2分潮振幅有所減小遲角發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)。

圖2 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖3為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海K1分潮振幅和遲角對比。從圖3中可以看出，岸線變化對K1分潮的影響主要表現(xiàn)在從無潮點向渤海內(nèi)K1分潮振幅有所增大，最大增加值在遼東灣和渤海灣頂部。

圖3 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

3.1 渤海灣潮汐變化特征分析

圖4和圖5為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。從圖4和圖5中可以看出，4個主要分潮的振幅都有所增加，增加幅度從灣口向灣頂加大。其中2008年（2010年、2012年）M2分潮振幅增加值在3～3．5（6～6．5、9～9．5）cm之間，2008年（2010年、2012年）S2分潮振幅增加值在0．5（1、2）cm左右，2008年（2010年、2012年）K1和O1分潮振幅增加值均小于0．5 cm。4個主要分潮的遲角均發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，其中M2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為2（5、11）°，S2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（2、4、9）°，K1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（0．5、1、2）°，O1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為（0、1、2）°。

圖4 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖5 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，渤海灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

3.2 萊州灣潮汐變化特征分析

圖6和圖7為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。從圖6和圖7中可以看出，4個主要分潮中M2和S2分潮振幅降低，K1和O1分潮振幅增加，且幅度從灣口向灣頂加大。其中2008年（2010年、2012年）M2分潮振幅減小值在0．5（3．5、8．5）cm左右，2008年（2010年、2012年）S2分潮振幅減小值在1（2、3）cm左右，2008年（2010年、2012年）K1分潮振幅增加值在0．5（1、2）cm左右。2008年（2010年、2012年）O1分潮振幅增加值均小于0．5 m。

圖6 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖7 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，萊州灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

4個主要分潮的遲角均發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)，M2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況為4（9、19）°，S2分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為3（5．5、12．5）°，K1分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為1．5（2．5、4．5）°，O1分潮偏移角度2008年（2010年、2012年）工況為1．5（2、4）°。

3.3 遼東灣潮汐變化特征分析

圖8和圖9為2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣M2、S2、K1和O1分潮振幅和遲角對比圖（文中省略S2和K1）。以2000年各分潮振幅為基礎(chǔ)，從圖8和圖9中可以看出，M2分潮振幅有所增加，2008年（2010年、2012年）增加值為1（1．5、3．5）cm左右且增幅由灣口向灣頂增大；S2分潮2008年和2010年振幅都略有減小，整體幅度變化小于1 cm，而2012年振幅增加，增幅由無潮點處向灣內(nèi)減小，但靠近灣頂處增幅變大，在灣頂處達到最大值約3 cm。K1和O1分潮振幅增加值均小于1 cm，且增加幅度呈現(xiàn)灣口向灣頂增大趨勢。

圖8 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣M2分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

圖9 2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，遼東灣K1分潮振幅和遲角對比圖（振幅單位：cm；遲角單位：°）

4個主要分潮的遲角均發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度向近無潮點處增大。M2分潮的偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為3（6、11）°，S2分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況約為3（4、8）°，K1和O1分潮偏轉(zhuǎn)角度2008年（2010年、2012年）工況均小于1°。

4 主要結(jié)論與成果

渤海岸線的變化能夠引起渤海超波系統(tǒng)的變化［7］，本研究挑選的有代表性的2000年、2008年、2010年和2012年4年岸線的模擬結(jié)果表明：

（1）渤海灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，4個主要分潮的振幅都有所增加，且增加幅度從灣口向灣頂增大，遲角均發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)。從數(shù)值上可以看出，隨著集約用海工程的增加，振幅和遲角的變化值均有明顯的疊加現(xiàn)象。

（2）萊州灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，4個主要分潮中M2和S2分潮振幅降低，K1和O1分潮振幅增加，且幅度從灣口向灣頂增大，遲角均發(fā)生逆時針偏轉(zhuǎn)。隨著集約用海工程的增加，振幅和遲角的變化值也有明顯的疊加現(xiàn)象。

（3）遼東灣2000年、2008年、2010年和2012年4種工況下，M2分潮振幅增加，增幅由灣口向灣頂增大。S2分潮2008年和2010年振幅略有減小，2012年振幅增加。K1和O1分潮振幅增加值小于1 cm。遲角均發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)。

［1］ 張麗麗．沿海工業(yè)園區(qū)用地用海布局評價［D］．大連：遼寧師范大學，2010．

［2］ 王勇．集中集約用海：引領(lǐng)山東半島實現(xiàn)“藍色”飛躍．中國科學院煙臺海岸帶研究所．2010．

［3］ 梁麗．山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)集約用海方式研究［D］．青島：中國海洋大學，2012．

［4］ 朱永貴．集約用海對海洋生態(tài)影響的評價研究［D］．青島：中國海洋大學，2012．

［5］ 黃大吉，陳宗鏞．三維陸架海模式在渤海中的應用：Ⅰ．潮流，風生環(huán)流及其相互作用［J］．海洋學報，1996，18（5）：1－13．

［6］ 張占海，吳輝碇．渤海潮汐和潮流數(shù)值計算［J］．海洋預報，1994，11（1）：48－54．

［7］ 黃祖珂．渤海的潮波系統(tǒng)及其變遷［J］．青島海洋大學學報，1991，21（2）：1－12．

基于生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)渤海區(qū)域開發(fā)集約用海研究（201005009－06）；典型海域水母災害監(jiān)測預警技術(shù)業(yè)務(wù)化應用與示范研究（201005018）．