臺州灣淺海灘涂大規(guī)模圍墾下水動力變化分析

張琴，陶建峰，張長寬，戴瑋琦，徐凡

（1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

河口海岸地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達、灘涂資源豐富，沿海灘涂圍墾是增加土地資源的主要途徑，我國沿海進行了大量灘涂圍墾開發(fā)活動（徐承祥 等，2004；張長寬等，2011）。河口海灣的圍墾工程建設，改變海岸線輪廓，可能打破原有水動力和海床間的動態(tài)平衡，引起海灣內(nèi)納潮量的重新分配，繼而引起河口海岸水動力與泥沙沖淤變化 （李加林等，2007），并最終達到新的平衡狀態(tài)。陳道信等（2009） 針對溫州市近期、中期和遠期圍墾工程，分析探討了圍墾對溫州市近海和甌江等各河口潮位、流速和潮量的變化情況。陶建峰等（2011） 分析了江蘇近海大規(guī)模圍墾對M2分潮波、主要潮汐通道的納潮通量等的影響。王黎等（2013） 模擬了鰲江口江南圍墾工程對洪、枯水期納潮量、水位、流速及余流的影響。Song 等（2013） 模擬了渤海、黃河、東海灘涂圍墾對整個海域水動力、潮流能等方面的影響。還有一些學者從懸沙濃度變化（王林素 等，2008）、河床沖淤演變（彭世銀等，2002；倪勇強等，2003） 等角度開展了研究。水動力條件作為泥沙搬運和地形演變的基礎，清晰認識大規(guī)模灘涂圍墾前后的水動力條件變化十分必要。

臺州灣位于浙江省沿海中部，西起浙江第三大水系椒江入?？?，東至大陳島，包括椒江河口的口外海域和黃礁以南的淺海海域（圖1a）。椒江河口兩岸潮間帶發(fā)育，南岸有寬闊的臺州淺灘，北岸有南洋海涂和北洋海涂（圖1b）。建國以來為促進臺州市社會經(jīng)濟發(fā)展，對臺州灣淺海灘涂進行了大規(guī)模圍墾工程。1983年以前，灘涂圍墾工程主要集中在椒江口南部淺灘，岸線外移的平均速率約為23m/a（池云飛，2006）。自1984年起，近30年來，椒江口兩岸進行了大規(guī)模的淺海灘涂圍墾活動。通過不同年份遙感影像（各年份圍墾岸線見圖1b） 分析得到，1984-2013年間，南岸邊灘（臺州淺灘）岸線向海推進約5 000 m，平均速率達167 m/a，北部的南洋海涂、北洋海涂圍墾，其岸線外移的速率分別為67 m/a 和110 m/a。1984-2013年間臺州淺灘、南洋海涂及北洋海涂累計圍墾面積約10 600 hm2。如此大規(guī)模的灘涂圍墾，勢必引起椒江河口及臺州灣水動力變化。

本文利用基于有限單元法和有限體積法的開源模型TELEMAC-2D，計算了1984年和2013年臺州灣海域的潮汐、潮流，系統(tǒng)分析了大規(guī)模灘涂圍墾工程下，岸線大尺度推進所引起的水動力特征變化，以期為今后的圍墾工程決策提供參考。

1 數(shù)學模型

1.1 TELEMAC-2D 模型簡介

TELEMAC 系統(tǒng)是一套適用于模擬河流、河口和海岸二、三維水動力、泥沙、水質(zhì)和生態(tài)等問題的模型系統(tǒng)（EDF-DRD，2013），由法國國家水力學與環(huán)境實驗室開發(fā)，基于有限單元或有限體積數(shù)值求解。TELEMAC-2D 作為TELEMAC 系統(tǒng)中的一個二維模塊，可以用于研究水流、風暴潮、波浪、泥沙和污染物輸移等。模型功能包括：考慮非線性影響的波浪傳播、底摩阻、科氏力影響、氣壓和風、紊流、河流入流、水平溫鹽密度梯度、干濕網(wǎng)格判斷等。其網(wǎng)格劃分為不規(guī)則三角形網(wǎng)格，對于重要區(qū)域可進行局部加密，對復雜地形的適用性比較強。TELEMAC-2D 在西歐、加拿大和美國等地區(qū)與國家河流模擬中應用較為廣泛（Horritt et al， 2002； Nicolle et al， 2007； Villaret et al，2013），在中國的應用則比較少。張誠（2008） 應用TELEMAC-2D 對長江口鹽水入侵對青草沙水源地的影響進行了研究。童朝鋒等（2012） 應用TELEMAC-2D 系統(tǒng)建立長江口鹽水數(shù)值模型，計算了不同徑流、潮汐條件下，崇啟大橋橋墩區(qū)域的潮位和鹽度變化過程。

1.2 基本方程

TELEMAC-2D 基于二維淺水方程，對非線性項采用了相應的假定和近似（Hervouet et al，2007），其控制方程為：

式中：h=η+d 為全水深；d 為靜水深；η 為自由表面；t 為時間；u，v 分別為x，y 方向的流速分量；g 為重力加速度；vt為紊動渦粘系數(shù)；f 為科氏力系數(shù)。

1.3 計算區(qū)域及模型設置

臺州灣二維水動力模型計算域包含椒江以及臺州灣近海海域（圖1a），北至象山縣，南至溫州市，南北范圍為27.8°N-29.6°N，東至123°E，避免岸線變化對邊界潮位的影響。模型采用三角形網(wǎng)格，考慮到近岸水流、地形梯度的差異，對河口區(qū)域進行網(wǎng)格加密，最小空間步長為50 m。為滿足穩(wěn)定性要求，時間步長取10 s。模型水平渦動粘性系數(shù)采用k-ε 模型計算。初始條件以零啟動的形式給出。閉邊界采用不可入條件。椒江上游給定流量作為邊界輸入，外海開邊界給定潮位邊界，由東中國海潮波數(shù)學模型提供（張東生等，1996）。

圖1 模型計算區(qū)域、岸線變化及模型驗證點位置

最近，王震等（2014） 分析了椒江河口灣海床演變，得到：1970-1998年臺州淺灘微淤，1998-2006年，臺州淺灘微沖，而2006-2013年，臺州淺灘灘面基本不變，椒江航道深泓基本不變、略有沖刷，趨于床面基本穩(wěn)定。可見臺州灣海域1984年和2013年的水下地形相差不大。為了準確估計岸線推進對水動力的影響，圍墾前后模型的水下地形均采用2013年實測地形，灘涂地形通過線性插值給出。

1.4 模型驗證

模型計算了2011年11月7日至21日的大、中、小潮連續(xù)潮流場，并采用同步實測資料的海門站、瑯磯山站為潮位驗證點，同期實測流速測點T1、T2、T3為潮流驗證點（點位見圖1b）。限于篇幅，本文只列出大潮期的驗證結果，潮位驗證過程見圖2，潮流驗證過程見圖3。由圖可見，計算值與實測值整體吻合良好?，槾壣秸境蔽宦杂衅?，分析其原因可能是該站位于椒江口外南側，緊貼2013年圍墾岸線外緣，模型并未很好反映圍墾堤塘對水流的阻滯所帶來影響，但其漲落趨勢與實測一致。

圖2 潮位驗證過程

圖4 給出了大潮漲落急流場圖。臺州灣海域的漲潮流向基本為NNW-WNW 之間，其主要方向為NW 向，落潮流向為SE-ESE，灣內(nèi)往復流特征明顯，灣外呈現(xiàn)旋轉流的特征，整體流態(tài)與實測資料及文獻（王高陽，2007） 模擬結果一致。因此，模型基本能復演計算區(qū)域水動力特征。

圖3 大潮垂線平均流速流向驗證過程

圖4 模型計算海域漲落急流場圖

2 灘涂圍墾對水動力環(huán)境影響

2.1 M2 分潮波變化特征

臺州灣海域潮波來自西太平洋，由東海陸架傳入，控制本區(qū)潮波運動的是以M2分潮為主的東海前進潮波系統(tǒng)。為了研究圍墾工程對整個海域潮波動力系統(tǒng)的影響，以M2分潮為例，模擬了大規(guī)模灘涂圍墾前（1984年）和圍墾后（2013年）的潮波分布，分析大規(guī)模圍墾后M2分潮潮波的變化情況。

圖5 M2 分潮同潮圖

圖5（a） 和圖5（b） 分別為臺州灣大規(guī)模灘涂圍墾前后M2分潮波的等振幅線和等遲角線。由圖可見，圍墾區(qū)域附近海域的等振幅線和等遲角線均發(fā)生了一定變化：（a） 下大陳島以西、擴塘山以南、尖山頭以北海域M2分潮等振幅線向岸推移了一定距離，即圍墾后潮波上溯到同一區(qū)域時振幅減小，而下大陳島以東、擴塘山以北、尖山頭以南海域基本沒有變化。（b） 圍墾區(qū)域附近海域的等遲角線向岸推移了一定距離，即潮波傳播到該海域時傳播速度減慢，潮波傳播到同一區(qū)域時達到最大潮位的時間稍有所推遲，下大陳島以東海域基本沒有變化。因此，大規(guī)模圍墾使得圍墾區(qū)域附近海域潮波振幅減小，傳播速度減慢，而圍墾工程對大陳島以外海域潮波系統(tǒng)幾乎沒有影響。

2.2 流場變化特征

圖6 給出了灘涂圍墾前后的漲落急流速變化分布。灘涂圍墾后，圍墾區(qū)域附近海域漲落急流速大幅度降低，且離圍墾區(qū)域愈近流速減小幅度越大，遠離圍墾區(qū)域流速減小幅度逐漸降低，圍墾對落急流速的影響范圍大于對漲急流速的影響范圍。圍墾區(qū)域附近漲急流速降低幅度在0.15～0.20 m/s 之間，落急流速在圍墾區(qū)域附近變化幅度較大，在0～0.25 m/s 之間。另外，潮流達到椒江河口后，漲、落急流速減小的幅度均有所降低，到達海門港附近后流速基本不變。

圖7 繪出了漲、落急時刻圍墾工程前后的流矢量。圍墾后，潮流受新的岸線及水下地形約束有不同程度的改變。圍墾工程實施較大幅度地改變了灣口以西的海岸線，原灘地成陸阻斷了漫灘的漲、落潮流，潮流通道縮窄。圍墾新岸線前沿流態(tài)有所歸順，臺州淺灘區(qū)域附近漲潮流較工程前向北偏轉進入椒江口，落潮流向南偏轉；北洋海涂區(qū)域附近漲潮流較工程前向北偏轉最高可達10°，落潮流流向基本不變。灣內(nèi)其余海域流態(tài)均較平順，漲、落潮流主流向為往復流的特性沒有改變，頭門、白沙、江山、下大陳等漲、落潮流向基本不變。分析原因為大規(guī)模圍墾后，由于椒江喇叭形河口縮窄，漲潮流受阻，漲、落潮流向發(fā)生改變，導致漲潮流速減小，同時由于大面積的圍墾導致的納潮量減少使得落潮流速也有呈現(xiàn)一定程度的降低。

圖6 漲落急流速變化

圖7 漲落急流向變化

2.3 圍墾對高低潮位的影響

圖8 給出了圍墾前后海域大潮高、低潮位變化。由圖8（a） 可以看出，圍墾后海域大潮高潮位在圍墾區(qū)域附近有所降低。靠近圍墾區(qū)域處變幅最大，最大高潮位降低約0.12 m，并向外海遞減。至下大陳島以南及北洋海涂以北海域，基本不變。圍墾區(qū)域附近的大潮低潮位（圖8b） 亦有所降低，但幅度極小，在0～0.02 m 之間，可視為基本無變化。之所以得到上述結果，筆者認為，在圍墾前，東海前進潮波由東南方向往椒江河口傳播時，潮波峰首先抵達河口南部的臺州淺灘，使潮流漫灘，而主流頂沖點位于河口白沙附近。大規(guī)模灘涂圍墾后，漲潮時，由于正對圍墾區(qū)域的東海漲潮流受阻，潮流往北疏散，導致漲潮量減小。落潮時，納潮水流回落，原本漲潮漫灘的水量消失，落潮水量整體減小，但由于受圍墾工程影響，落潮流速減小。而對于大潮低潮位，由于潮位降至最低，基本不再受淺海灘涂的影響，因此其量值基本不變。圖9 給出的單寬流量也說明了這一點。這與浙江溫州甌飛灘圍涂工程引起的高、低潮位的變化類似（穆錦斌等，2013），但與一般河口邊灘圍墾后漲潮動力有所增加，引起高程位抬升的結果不同（宋澤坤等，2013），在以后的灘涂開發(fā)中需引起重視。

圖8 大潮高、低潮位變化

圖9 單寬流量變化

2.4 圍墾對納潮量的影響

海灣的納潮量不僅是衡量海灣開發(fā)價值的一個水文指標，也是反映灣內(nèi)外海水交換的一個重要參數(shù)。納潮量的大小對海洋環(huán)境、海灣水體的交換以及航道水深的維持都具有十分重要的意義。在臺州灣灣口設置納潮量計算斷面（見圖1b 虛線所示），計算斷面南至大港灣，北至臺州灣北洋海涂，連接江山島和頭門島。結合潮流數(shù)值模擬的結果，得到計算網(wǎng)格節(jié)點的潮差與其代表面積相乘，然后累加得到計算斷面以上海域的納潮量。表1 給出了圍墾前后臺州灣計算斷面內(nèi)納潮量的變化對比。

表1 圍涂工程前后納潮量對比表

由表1 可以看出，大潮納潮量減少了33.81%左右，小潮納潮量減少35.35%左右，平均納潮量減少34.85%左右。這主要是由于圍墾面積過大，約達到納潮量計算區(qū)域總面積的13.87%，導致水域面積減小。

3 結論

運用了TELEMAC-2D 水動力模型對臺州灣淺海灘涂圍墾前后潮汐潮流進行了模擬，模型結果能良好反映臺州灣水動力情況。以此為基礎模擬了臺州灣1984年和2013年的潮流場，分析了灘涂大規(guī)模圍墾引起的水動力特征變化。結果表明：灘涂圍墾工程對水動力特征的影響局限于圍墾區(qū)附近海域。大規(guī)模灘涂圍墾后，河口縮窄，水域面積大面積減少，使得圍墾區(qū)域附近海域分潮波振幅減小、潮波向岸傳播的速度減慢。圍墾區(qū)域附近海域漲落急流速大幅度降低，流向發(fā)生變化；海域大潮高潮位和河口納潮量呈現(xiàn)一定程度的降低，在以后的灘涂資源開發(fā)和管理中需引起注意。

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