溫州鰲江近海建設工程環(huán)境影響潮汐潮流數(shù)值模擬

單慧潔，張釗，汪一航，呂和娜，申偉杰

（1.寧波大學 理學院，浙江 寧波 315211；2.國家海洋局溫州海洋環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 溫州 325027）

海洋是溫州經(jīng)濟發(fā)展的優(yōu)勢和潛力，圍填海對發(fā)展溫州經(jīng)濟起著積極重要的作用，圍填海是緩解土地資源、空間資源短缺矛盾的重要途徑之一。根據(jù)《溫臺沿海產(chǎn)業(yè)帶發(fā)展規(guī)劃》，溫州沿海至2020年規(guī)劃灘涂圍墾有34項總面積約370 km2，其中鰲江就是溫州沿海產(chǎn)業(yè)帶圍填海建設的典型區(qū)域之一。溫州海域大規(guī)模、較快速的圍填海為沿海產(chǎn)業(yè)升級提供了發(fā)展空間，同時也導致溫州海岸所承受的壓力日益增大，產(chǎn)生了許多負面效益，圍填海一般會降低水交換能力，減弱海水自凈能力，導致淤積，加劇海水污染，帶來許多海洋環(huán)境和生態(tài)等問題，從而影響溫州海洋經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。由有關溫州各圍填海工程對海洋環(huán)境的影響研究可知，單個圍填海工程對溫州海域的影響不大，因典型圍填海工程群和有價值的海洋監(jiān)測資料的缺失等，多個工程累積起來的影響的研究較少，圍填海工程對海洋環(huán)境疊加影響后評價的相關研究還處于初步探討階段。因此，圍填海對溫州鰲江海域海洋環(huán)境的疊加影響后評價是一個現(xiàn)實而又前沿的課題。潮汐潮流特征是反映海洋生態(tài)環(huán)境的重要特性，關注多個已建的圍填海工程對潮汐潮流疊加影響的評價，以期能提供具有參考價值的實例。

國內(nèi)外已有學者對圍填海的潮汐潮流疊加影響進行研究。目前，已經(jīng)有關于溫州近海建設工程環(huán)境影響潮汐潮流的一些相關研究，如建立包括甌江、飛云江和鰲江在內(nèi)的大范圍平面二維潮流及懸沙輸運數(shù)學模型，研究遠期圍墾工程對溫州市三大主要入海河流及近岸水域的懸沙場分布、斷面輸沙率、海床沖淤演變等影響（王林素等，2008）；建立溫州近海及河口二維潮流數(shù)值計算模式和水交換數(shù)學模型，對溫州市圍墾工程對甌江、飛云江和鰲江河口水交換能力的影響進行了模擬（沈林杰等，2009）。這些研究尺度較大，不利于準確評估近岸的海洋動力環(huán)境的變化。在國內(nèi)有一些學者對圍填海工程的潮汐潮流疊加影響后評價進行研究，如對巴艚港水沙和沖淤特性進行分析（蔣國俊等，2005）；利用Delft3d模擬了鰲江口江南圍墾工程對徑流下泄及余流的影響（王黎等，2013）；回顧性評價了深圳圍填海造地工程對潮流、納潮量、海洋環(huán)境等的影響（郭偉等，2005）；用POM模型針對1963、2003及2010年3個不同時期的岸線與地形進行模擬，研究了象山港多年圍填海對水動力影響的累積效應（曾相明等，2011）；以溫州靈霓北堤工程為例，初次探討了海洋環(huán)境影響的后評價（王勇智等，2010）；也有一些學者通過建立其他數(shù)學模型來研究圍填海工程對海洋環(huán)境的影響（王學昌等，2000；王萱等，2010）。以上學者或者是對鰲江徑流或者是其他區(qū)域進行研究，本文收集了鰲江口海域的潮汐潮流資料，采用實測資料對比法，結(jié)合不規(guī)則三角形網(wǎng)格和有限體積方法的FVCOM模式對鰲江近海海域各工況的疊加效應和影響過程進行對比和模擬，揭示圍填?；顒訉刂蓥椊３绷鬟\動的疊加效應、影響過程及對周邊海域影響的范圍和程度，以期為圍填海疊加影響后評價提供范例，對擬定圍填海疊加影響的減緩措施是極具參考價值的。

本文收集了2007-2013年溫州鰲江近海的5個站點的在3個典型圍填海工程期間的潮位資料以及相應的海流觀測資料，在對鰲江海域的潮汐潮流特征進行了分析的基礎上，用FVCOM模型建立了鰲江近海的潮汐潮流模型，利用實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行了驗證；然后針對各個典型的圍填海工程合攏時間節(jié)點進行工程疊加影響的分析。

1 研究區(qū)域概況

圖1 鰲江主要圍填海工程示意圖

本文以鰲江口及其近海海域作為研究區(qū)域，具體范圍：120.52°E-120.89°E， 27.42°N-27.78°N（圖1）。研究區(qū)域東西長約36 km，南北長約為40 km，溫州鰲江近海海域岸線十分復雜。鰲江全長90 km，河口寬達1 000m，是典型的喇叭型，鰲江海域?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L氣候，氣候溫和濕潤，四季分明，降水充沛。全年降水高峰期有3-4月春雨期、5-6月梅雨期、7-9月熱帶風暴暴雨期，鰲江年降水量的分布大致是自陸地向海島遞減（李孟國等，2012）；鰲江口外有四嶼、三嶼、上頭嶼、蒜嶼和鐵圢島等島嶼，鰲江口北面有饅頭山礁和鳳凰蛋礁，鰲江河口及海岸，由于上游水流挾帶泥沙，致使逐年淤泥，同時受大陸架海域泥沙運動的影響送來別處泥沙，擴大淤積面，以致形成了河口及海岸一帶廣闊的海涂（姚炎明等，1998；蔡德迪等，2013；南京水利科學研究院，2005）。自1064年（北宋治平元年）至1979年，海岸線共向東海推移2～7 km，平均每年的速度為2.2～7.7m。而中華人民共和國成立后，平均每年以10～20m的速度向東海延伸。南岸蒼南縣江南地區(qū)已圍墾1.7萬畝。北岸平陽縣小南地區(qū)已圍墾2 000畝，且有待圍墾的海涂面積尚很廣闊。其北與飛云江海涂連接，其南至琵琶山基巖海岸，共有25.5萬畝。其中，已露出水面的面積為12萬畝，江南地區(qū)可圍墾的海涂就有5萬畝；還有理論基準面以上的海涂面積13.5萬畝。隨著溫州經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的增加，為了緩解土地資源的匱乏，為了溫州的可持續(xù)發(fā)展，在鰲江口海域已建或擬建的圍填海工程（圖1）。從1999年開始施工到2002年合龍的西灣南片圍涂，位于鰲江入?？诒眰?cè)，圍填海面積3.48 km2（5 220畝），圍堤長5 116 m；江南海涂圍墾位于鰲江口入?？谀蟼?cè)蒼南東海岸，該工程從2007年開工至2010年合攏，圍填海面積4.69 km2（約7 031畝），用?？偯娣e29.57 km2；華潤蒼南電廠圍填海（含擋沙防波堤），該工程從2008年開工至2011年合攏，位于江南海涂圍墾南側(cè)。

2 實測資料對比分析

2.1 潮汐特征分析

本文采用在鰲江近海海域5個驗潮站（圖2）的不同年份調(diào)和常數(shù)進行對比（表1）。利用各驗潮站調(diào)和分析結(jié)果，根據(jù)公式（HK1+HO1）/HM2計算了各驗潮站的潮型系數(shù)。該海區(qū)潮型系數(shù)值在0.21～0.35之間，所以鰲江近海海域為半日潮海區(qū)。由HM4/HM2的比值顯示，在北麂島和南麂島為0.007和0.01，在鰲江站增到0.13，表明潮汐特性由北麂島的正規(guī)半日潮變?yōu)轹椊涌诘姆钦?guī)半日淺海潮（方國洪等，1986）。根據(jù)實測潮位分析，鰲江海域平均潮差達到4m以上，潮汐日不等現(xiàn)象顯著，表現(xiàn)為明顯的半日潮特征；鰲江口外海域漲、落潮歷時基本一致，進入河口之后，漲潮歷時減少，落潮歷時增加，漲潮歷時小于落潮歷時。

圖2 計算區(qū)域及驗潮站位置

表1是收集的鰲江口海域5個臺站在圍填海工程期間的潮汐調(diào)和分析結(jié)果，由表1可知，M2分潮在鰲江海區(qū)占絕對優(yōu)勢。從各測站調(diào)和分析結(jié)果各年份主要分潮的比較來看，絕大多數(shù)分潮振幅均有小幅下降，但是其下降幅度十分有限：鰲江附近海域各分潮振幅的變化均在5 cm之內(nèi)，遲角的最大變化為8.3°，變化范圍介于1.5%～3.0%之間，變化幅度較小。同時，該海區(qū)的主要分潮M2在鰲江、石砰和北麂潮位站相鄰年份之間振幅的最大變化值分別為1.6 cm、2.7 cm和4.4 cm，最大變化率分別為0.85%、1.39%和2.46%，遲角的最大變化值分別為5.4°、2.3°和4.2°，可以認為M2分潮基本無影響。其他主要分潮中，K1、O1、S2和N2分潮振幅和遲角的變化與M2分潮類似，它們的振幅和遲角變化均很小。淺水分潮M4，MS4在鰲江口、石砰處比較明顯，在銅盤山、北麂不明顯，振幅變化最高可達5 cm，但它們的變化相對穩(wěn)定，M6分潮的特性不明顯。通過5個年份的主要分潮的對比，觀察到各個圍填海工程對鰲江口海域的潮汐的疊加改變量很小，該海區(qū)的潮汐性質(zhì)沒有大的改變。

表1 鰲江海域各潮位站歷年調(diào)和常數(shù)

2.2 潮流特征分析

從眾多海流站點中選取位于溫州鰲江附近海域的A01-A05（圖2）共5個連續(xù)潮流觀測站作為特征點進行分析，本海域的潮流性質(zhì)是規(guī)則半日潮流。潮流流速由表層到底層逐漸減小，分潮流方向變化幅度較小，潮流呈往復流特征。鰲江附近海域漲潮流流向主要為NW向，落潮流流向以SE向為主，潮流往復的方向平行于岸線；位于蒼南的個別站點帶有旋轉(zhuǎn)性；鰲江口河口段漲、落潮流速主要受上游徑流的影響，枯水期徑流很小，鰲江河口處漲潮流流速充分大于落潮流流速；汛期徑流變大，漲潮流流速減小、漲潮歷時縮短，落潮流流速增大、落潮歷時延長，漲、落潮流速比值減小。

從漲落潮流速和漲落潮歷時來看，從鰲江口至口外，由于受上游徑流的影響，落潮流速由大于漲潮流速逐漸減小，落潮歷時大于漲潮歷時不等現(xiàn)象也逐漸減弱，鰲江河口屬于典型的受徑流與潮流共同作用的強潮山溪性河口。鰲江口海域?qū)儆诘湫偷耐鶑土餍再|(zhì)，旋轉(zhuǎn)性不強；因為鰲江口海域為規(guī)則半日潮流，M2分潮為主要分潮，故分析了5個連續(xù)測流站不同年份的M2分潮流橢圓率K值和橢圓長軸。通過對比發(fā)現(xiàn)，M2分潮流橢圓率K值2011年與2010年、2007年相比變化微小，各個實測站位的M2分潮流橢圓率K值在0.01～0.03之間變化；橢圓長軸方向代表了潮波的傳播方向，其大小代表了相應分潮的最大流速，2011年M2分潮流橢圓長軸平均略小于2007年，流速平均減小0.05 m/s。因此可知，鰲江附近海域圍填海工程對其周邊的海域潮流運動的疊加影響不顯著。

3 疊加效應模擬及影響評價

3.1 模型建立與驗證

3.1.1 FVCOM簡介

由于實測資料在時間和空間上的限制，只憑借實測資料很難系統(tǒng)的進行后評價。而在大量實測資料的基礎上進行數(shù)值模型可以較為準確地進行全海域，長時間連續(xù)模擬，并且可以進行相關數(shù)值驗證，對后評價來說是一種既省時又高效的評價方法。本項目將分別采用2007年、2010年和2011年的地形和岸界資料構(gòu)建三維水動力模型FVCOM（An Unstructured Grid，F(xiàn)inite-Volume CoastalOcean Mode）l（Chen etal，2006）對鰲江海域各工況的疊加效應和影響過程進行數(shù)值模擬。FVCOM模式的主要特點有：數(shù)值方法采用有限體積法（finitevolume），能很好的結(jié)合有限元法和有限差分法的優(yōu)點，對于具有復雜的地形岸界的計算問題可以更好的保證質(zhì)量、動量和能量的守恒性；在垂直方向上采用了σ坐標變換，能夠使網(wǎng)格很好地適應地形的變化；水平方向采用無結(jié)構(gòu)化非重疊的三角形網(wǎng)格，可以更好地擬合邊界，并可針對關注區(qū)域進行局部加密；模式具有自由表面，可以模擬水位的變化；垂直混合系數(shù)是由Mellor-Yamada2.5階湍流閉合模式計算；使用Smagorinsky湍流閉合模式計算水平混合；采用將處理快速移動的外重力波的外模態(tài)從處理慢速移動的內(nèi)重力波的內(nèi)模態(tài)中分離出來的方法等。因此，對于鰲江海域這樣海岸線復雜，港灣眾多，灘涂面積大且分布不均勻等特點的海區(qū)，本研究選用FVCOM模式，并利用2007年、2010年和2011年的資料分別對模型模擬的水位、流速、流向進行校驗。

3.1.2 模型設置

本研究計算區(qū)域為鰲江海域，數(shù)值建模區(qū)域南北長約155 km，東西長約134 km。水平網(wǎng)格最小50m，最大2 000m（圖3），垂向分6層。經(jīng)調(diào)試本模式中內(nèi)模態(tài)時間步長取30 s，外模態(tài)時間步長6 s，整個區(qū)域內(nèi)共有168 307單元，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)88 363。本模型的網(wǎng)格設計較好地刻畫了海洋工程建設所造成的曲折復雜的海岸線。

圖3 計算網(wǎng)格圖

海底摩擦系數(shù)表達式為：

式中：z0是海底粗糙度，經(jīng)調(diào)試在本模擬中取值為0.01，k為卡門常數(shù)，取值為0.4，這里底摩擦系數(shù)取為0.004，zab為離海底最近網(wǎng)格與海底的距離。

模式由開邊界潮位驅(qū)動：

式中：ζ為潮位，i取 1-8，代表 M2，S2，K1，O1，N2，K2，M4，MS4分潮，ωi為潮汐角速率；fi，ui分別為分潮的交點因子和交點訂正角；Hi和gi為分潮的調(diào)和常數(shù)，用收集到的溫州近海臺站潮汐調(diào)和常數(shù)并參考前人的結(jié)果（陳倩等，2003）調(diào)整得到的。模式由靜止海洋啟動，在獲得穩(wěn)定的潮波后繼續(xù)計算1個月，利用最小二乘法對潮汐和潮流進行調(diào)和分析，進行潮汐潮流的特征分析。

3.1.3 潮位驗證

下面對鰲江和北麂2個站位（圖2）的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比檢驗，對比檢驗時間為1個月，圖4為各站位的潮位驗證曲線，進行誤差分析2個站位上模擬潮位與實測值的均方根誤差分別為0.18m（2007年4月）和0.19m（2011年4月）、0.11m（2007年7月）和0.15m（2007年7月），可以說模擬結(jié)果是較為準確的。驗證結(jié)果表明，模型能夠很好的反應溫州鰲江附近海域的潮位變化情況。

圖4 鰲江站和北麂站模擬水位（紅線）與實測水位（藍點）的比較

3.1.4 潮流驗證

鰲江附近海域A02和A05 2個站位在大潮期間表層和底層的模擬和觀測潮流的對比情況如圖5所示，2個站點的潮流均屬于正規(guī)半日潮流，模擬結(jié)果也反映了這一特征。從流速和流向的對比情況來看，模擬值與實測值基本吻合，潮流的流向的吻合程度更佳。通過誤差統(tǒng)計分析，A02和A052個站點上表層和底層的流速模擬值與實測值的均方根誤差分別為9.8 cm/s、8.9 cm/s、7.8 cm/s和5.7 cm/s，流向模擬值與實測值的均方根誤差為17.3°、22.4°、19.1°和21.2°。可見計算結(jié)果與實測值接近，模擬所得的潮流的流速流向過程與實測資料擬合良好，模擬結(jié)果較好地反映了鰲江附近海域潮流場的分布特征。

3.2 流場變化

通過比較不同年份的漲、落潮流流場圖可以看出，圍填海工程基本沒有影響鰲江附近海域的流態(tài)疊加效應，鰲江附近海域潮流場的總體構(gòu)架是沒有改變的。流向受地形的影響，主要為NW-SE向，漲潮時海水基本由東南向西北方向流，落潮時海水基本由西北向東南方向流，2007年、2011年落潮時流場見圖6，2007年、2011年漲潮時流場見圖7。

圖5 A02和A05站位模擬流速流向與實測流速流向的對比

圖6 鰲江附近海域2007（左）、2011（右）年落潮時流場圖

圖7 鰲江2007（左）、2011（右）年漲潮時流場圖

圖6顯示，鰲江口海域落潮時江南圍涂及蒼南電廠圍填海工程前后總體流場變化不大，在圍填海工程的邊緣上，潮流有較小的變化，流向基本是順著圍堤向東南方向流動，大小略有變化。圖7顯示，漲潮時工程前后在蒼南電廠以南潮流基本是一致的，在江南圍涂外側(cè)，潮流流向在工程前的西北方向略有偏北，而流速稍有增加，別的區(qū)域基本沒有變化?？傮w來講，鰲江口海域的流場在工程前后無顯著變化。

4 結(jié)論

通過對鰲江附近海域?qū)崪y數(shù)據(jù)分析及模型的計算結(jié)果，得出圍填海對潮汐潮流疊加影響的后評價的成果如下：

（1）通過2007年、2010年和2011年鰲江附近海域?qū)崪y數(shù)據(jù)比較，不同年份鰲江附近海域的水位變化不大，M2、S2、N2、K1、O1、M4、MS4、及M6等8個分潮的振幅和遲角相差分別在1.8～4.4 cm和3°～7°之間，可見圍填海對潮汐的疊加影響很小。

（2）與實測資料分析對比顯示，主要分潮M2分潮流橢圓率K值2011年與2010年、2007年相比無明顯變化，橢圓長軸2011年M2分潮流流速略小于2007年。因此可知，鰲江附近海域圍填海工程對其周邊的海域潮流運動的疊加影響不顯著。

（3）數(shù)值模擬與實測資料驗證，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合良好，比較不同年份的漲、落潮流流場圖可知，鰲江附近海域潮流場無顯著變化。

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