圍填海工程對(duì)渤海灣水交換能力影響的數(shù)值模擬

袁德奎，李 廣，王道生，楊志斌

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

渤海灣位于渤海西部，是一個(gè)典型的半封閉緩坡淤泥底質(zhì)淺水海灣，波浪潮流作用下污染物沿岸輸移趨勢(shì)明顯[1]，水體交換能力較弱，陸源排放的污染物難以運(yùn)移到渤海中部或外海，從而造成灘涂和近岸海域的嚴(yán)重污染．隨著環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一方面，頻繁的人類活動(dòng)改變了近岸海域的動(dòng)力條件，進(jìn)而影響到渤海灣的水交換能力；另一方面，陸源污染物排放量的增加，使渤海灣的生態(tài)環(huán)境承受著巨大的壓力．為了保障該區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，對(duì)渤海灣的水交換開展深入的研究，認(rèn)識(shí)渤海灣的水交換特性是非常必要的．許多學(xué)者對(duì)渤海(含渤海灣)的水交換能力進(jìn)行了研究[2-4]．

縱觀前人的研究，多采用水質(zhì)模型來獲得區(qū)域的整體水交換特性，得到的整體半交換時(shí)間各不相同，原因可能是采用的地形各不相同，或是渤海灣開邊界的選取不同及考慮的分潮有所差異．隨著近年來渤海灣圍填海工程項(xiàng)目的相繼展開，渤海灣岸線和地形發(fā)生顯著變化，有必要進(jìn)一步研究渤海灣的水交換特性．對(duì)于渤海灣這樣的大型海灣，灣內(nèi)各處的水體難以在短時(shí)間內(nèi)混合均勻，因此，不僅需要分析其整體的水交換能力，也需要分析其局部水交換特性．此外，對(duì)于像渤海灣這樣以往復(fù)型潮汐為主要驅(qū)動(dòng)力的海灣，回流對(duì)水交換的影響可能較大，但目前關(guān)于此方面的研究較少．目前存在多種表征水交換能力的時(shí)間尺度，如半交換時(shí)間、駐留時(shí)間、曝光時(shí)間和生命等．不同時(shí)間尺度的計(jì)算基于的假設(shè)不盡相同，采用不合理的尺度可能導(dǎo)致低估或高估系統(tǒng)的水交換能力[5-6]，選擇一個(gè)合適的時(shí)間尺度來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的水交換能力是非常重要的．

本文采用拉格朗日粒子跟蹤方法，從整體和局部層面分析了渤海灣水交換特性：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析了渤海灣的整體水交換能力；通過統(tǒng)計(jì)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的曝光時(shí)間、駐留時(shí)間[7]以及返回系數(shù)，探討了水體返回對(duì)渤海灣水交換能力的影響；進(jìn)一步通過情景模擬分析了圍填海工程對(duì)渤海灣水交換能力的影響．

1 水交換時(shí)間尺度及計(jì)算方法

在研究水體的水交換能力時(shí)，需要考慮兩個(gè)問題：①該水體和外界水體的整體交換能力；②該水體各個(gè)子區(qū)域的水交換能力．對(duì)于前者，可用具有整體特性的時(shí)間尺度來表征，如半交換時(shí)間；對(duì)于后者，可用具有局部特性的時(shí)間尺度來表征，如駐留時(shí)間和曝光時(shí)間．

1.1 駐留時(shí)間和曝光時(shí)間

半交換時(shí)間作為綜合指標(biāo)，可以在一定程度上表征所研究區(qū)域的整體水交換能力．但對(duì)于水交換能力存在明顯的空間差異的水體，采用這樣的方法來評(píng)估系統(tǒng)的水交換能力并不充分，可以采用駐留時(shí)間或曝光時(shí)間來表征各點(diǎn)的水交換能力，同時(shí)也可以通過駐留時(shí)間和曝光時(shí)間相結(jié)合來評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)厮w的回流情況．

駐留時(shí)間通常定義為自關(guān)心時(shí)刻起，水團(tuán)第1次離開感興趣的區(qū)域所需要的時(shí)間，每個(gè)水團(tuán)的駐留時(shí)間都是唯一的．由定義可知，駐留時(shí)間能體現(xiàn)出空間的差異性，但沒有考慮到水團(tuán)的回流對(duì)水體交換的影響．而曝光時(shí)間包括了回流．若水團(tuán)離開感興趣的區(qū)域后性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化，顯然駐留時(shí)間更適合來描述區(qū)域內(nèi)的水交換特性；但是，若區(qū)域的邊界是人為劃分的，并沒有顯著的理化特性的區(qū)別，則曝光時(shí)間更為可取，因?yàn)檫@時(shí)駐留時(shí)間會(huì)低估污染物在區(qū)域內(nèi)的影響．

1.2 返回系數(shù)

返回系數(shù)[8]b（x, y ）可表示為

式中：τ（ x , y） 為曝光時(shí)間；τ0（ x, y ）為駐留時(shí)間．

由式(1)可以看出，返回系數(shù)為 0表示曝光時(shí)間等于駐留時(shí)間，即粒子一旦離開感興趣的區(qū)域就不再返回；返回系數(shù)大于 0表示曝光時(shí)間大于駐留時(shí)間，即粒子在第1次離開感興趣區(qū)域后曾返回；返回系數(shù)接近于1表示曝光時(shí)間遠(yuǎn)大于駐留時(shí)間，即粒子曾多次返回感興趣區(qū)域．可見，返回系數(shù)可以用來表征水團(tuán)離開區(qū)域后返回能力的強(qiáng)弱，進(jìn)而可以說明區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)對(duì)整體水交換的貢獻(xiàn)．返回系數(shù)越大，表示該區(qū)域?qū)φw水交換能力貢獻(xiàn)越?。?/p>

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 水動(dòng)力學(xué)及隨機(jī)游動(dòng)模型

渤海灣水交換時(shí)間的計(jì)算模型由兩部分組成，分別是水動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)游動(dòng)模型，前者為后者提供基本的流場(chǎng)信息，后者用于計(jì)算粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)出渤海灣的水交換時(shí)間尺度．

對(duì)于渤海這樣的淺水系統(tǒng)，垂向運(yùn)動(dòng)的尺度遠(yuǎn)小于水平尺度，采用沿水深積分的二維模型不僅可以獲得較滿意的結(jié)果，還可以提高計(jì)算效率．沿水深積分的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的控制方程[4]如下所述．

連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

式中：t為時(shí)間；ζ為水位；ui為沿水深平均的流速在i方向的分量；pi為流體在i方向的單寬通量；H為總水深，H=ζ+h，h為相對(duì)于基準(zhǔn)面的水深；Sm、ui分別為單位水平面積上的源項(xiàng)強(qiáng)度和該源項(xiàng)初始速度在i方向的分量；β為動(dòng)量修正系數(shù)；f為科氏力系數(shù)；g為重力加速度；ρ為水體密度；τi為自由水面剪切應(yīng)力在i方向的分量；σi為水體底部剪切應(yīng)力在i方向的分量；ε為水深平均渦黏系數(shù)．

在空間交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)上用 ADI方法對(duì)控制方程進(jìn)行差分求解，其中對(duì)流項(xiàng)用二階迎風(fēng)格式處理．

在每個(gè)計(jì)算步，用隨機(jī)游動(dòng)模型[9]求解粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡．

2.2 模型設(shè)置

為了分析粒子回流的影響，模型的開邊界取在遠(yuǎn)離渤海灣的大連和煙臺(tái)連線．模型的計(jì)算區(qū)域覆蓋117.5°E～123°E，37°N～41°N，如圖 1所示．

圖1 渤海地形、水位開邊界及渤海灣邊界Fig.1 Topography of Bohai Sea with open boundary and boundary of Bohai Bay

在經(jīng)度和緯度方向的空間步長分別為 0.025°和0.020°，時(shí)間步長為 60,s．用大連和煙臺(tái)兩個(gè)驗(yàn)潮站的 8 個(gè)主要分潮(M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2 和Q1)的調(diào)和常數(shù)來插值生成開邊界上各計(jì)算節(jié)點(diǎn)上的水位，以驅(qū)動(dòng)整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的潮流運(yùn)動(dòng)．模型計(jì)算采用冷啟動(dòng)，初始水位和流速均為零．

初始時(shí)刻在渤海灣內(nèi)根據(jù)當(dāng)?shù)厮畈荚O(shè)示蹤粒子，每1,m深度布置1層粒子，小于1,m的地方只布置1層，新地形下共布置19,941個(gè)粒子，舊地形下布置 19,773個(gè)粒子．文獻(xiàn)[10]的研究表明，在不同的時(shí)刻(潮相位)釋放示蹤粒子，統(tǒng)計(jì)得到的水交換特征時(shí)間存在一定差異．為了分析潮相位對(duì)水交換時(shí)間的影響，設(shè)計(jì)了表1所示的8個(gè)算例，數(shù)值模擬中分別在4個(gè)特征時(shí)刻釋放示蹤粒子，粒子跟蹤的計(jì)算時(shí)間為 3年．為了進(jìn)一步說明渤海灣內(nèi)新舊地形下各處的水交換路徑，選取10個(gè)代表點(diǎn)(選取的理由在后文有具體分析)來描繪粒子在 1年內(nèi)的輸移軌跡，各代表點(diǎn)的初始位置見圖 2(新舊岸線條件下粒子初始位置相同)．

表1 算例描述Tab.1 Description of simulation cases

圖 2為本文所對(duì)比的新舊地形(分別是根據(jù)2010年和 2003年海圖數(shù)字化得到)，其中黑色區(qū)域?yàn)?2003年的岸線邊界，灰色區(qū)域?yàn)?2010年的岸線邊界．

圖2 岸線變化及代表點(diǎn)初始位置分布Fig.2 Changes of coastal line and initial locations of representative points

3 結(jié)果及討論

3.1 模型驗(yàn)證

本文所用水動(dòng)力學(xué)模型已多次用于渤海流場(chǎng)的模擬，結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合良好，模型的具體驗(yàn)證可參見文獻(xiàn)[3，11-12]．為保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，本文采用2003年7月13日14時(shí)至16日12時(shí)的71,h對(duì)B2站位的實(shí)測(cè)資料以及2012年11月15日16時(shí)至16日16時(shí)一晝夜A1站位的實(shí)測(cè)潮位和流速資料對(duì)模型在新舊地形下的模擬結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證，測(cè)點(diǎn)位置如圖 2所示，對(duì)比結(jié)果如圖 3所示．總體來看，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合良好，模型能較好地模擬出渤海灣的流場(chǎng)．

圖3 計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.3 Comparison between calculated results and measured data

3.2 圍填海工程導(dǎo)致的渤海灣余流場(chǎng)變化

為了分析渤海灣水交換特性的內(nèi)在機(jī)制，統(tǒng)計(jì)了新舊地形下渤海灣的余流場(chǎng)，即

式中：Q為各點(diǎn)的水深積分流量；rQ為各點(diǎn)的余流流量；aT為統(tǒng)計(jì)時(shí)間(1年)．

圖4給出了新舊地形下渤海灣的余流場(chǎng)，可以看出地形變化對(duì)余流的影響主要體現(xiàn)在：天津港北部的逆時(shí)針環(huán)流消失；天津港南部圍海造地和黃驊港北部工程的擴(kuò)建，導(dǎo)致該地區(qū)的沿岸流減??；由于黃驊港的阻隔作用，流線發(fā)生變形向深水?dāng)U張；曹妃甸淺灘處的余流基本消失，只有西南角的順時(shí)針環(huán)流依然存在．以上結(jié)果與秦延文等[13]的結(jié)論基本一致．無論新舊地形，大沽口以北、曹妃甸以南為順時(shí)針環(huán)流，大沽口以南存在一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流；灣口北部水域有一支流入渤海灣的余流，但是深入渤海灣不遠(yuǎn)即左轉(zhuǎn)向東南偏轉(zhuǎn)，與渤海灣南岸的順時(shí)針環(huán)流匯集從渤海灣中部流出；即存在一個(gè)雙渦旋結(jié)構(gòu)，這與已有的研究結(jié)果[4]基本一致．

圖4 渤海灣余流場(chǎng)Fig.4 Residual current field of Bohai Bay

3.3 岸線變化對(duì)渤海灣整體水交換的影響

圖5 (算例描述見表1)給出了渤海灣內(nèi)剩余的粒子數(shù)與初始時(shí)刻釋放的粒子數(shù)的比例(本文將該比例稱為無量綱剩余平均濃度)隨時(shí)間的變化過程，實(shí)線和虛線分別為新舊岸線條件下的情況．可以看出不同時(shí)刻釋放的粒子的無量綱剩余平均濃度都隨著時(shí)間的推移而減?。?2給出了根據(jù)無量綱剩余平均濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算出的渤海灣水體的半交換時(shí)間．顯然，粒子釋放時(shí)刻的不同對(duì)半交換時(shí)間的計(jì)算結(jié)果有一定影響．在舊岸線條件下，渤海灣整體的半交換時(shí)間在 300,d左右，這與已有的研究結(jié)果[2-3]吻合；在新岸線條件下，渤海灣整體的半交換時(shí)間超過600,d．

圖5 新舊岸線條件下不同時(shí)刻釋放的粒子的無量綱剩余平均濃度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of dimensionless average remaining concentration of particles released at different tide phases with time under new and old coastal line respectively

表2 渤海灣水體半交換時(shí)間及交換率的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Numerical results of semi-exchange time and exchange rate of Bohai Bay

圖6為新舊岸線條件下高潮時(shí)刻(表1中的算例1和算例5)釋放的示蹤粒子運(yùn)動(dòng)1年后的分布，其余算例的整體分布形式與之類似．粒子的分布與余流場(chǎng)有很強(qiáng)的相關(guān)性：渤海灣中部和西北部的環(huán)流是造成這兩處大量粒子駐留在灣內(nèi)的主要原因；有兩股粒子流出了渤海灣，其中一支沿黃驊港南部流出渤海灣的余流流向膠州灣方向，另一支由于與渤海中部相連的灣口處環(huán)流作用則徘徊在渤海中部．渤海中部徘徊的粒子在渤海灣外平均停留了1年以上，水體已得到凈化，因此不會(huì)對(duì)渤海灣整體的自凈能力產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響．

對(duì)比新舊岸線條件下粒子的遷移擴(kuò)散范圍以及對(duì)新舊岸線條件下的余流場(chǎng)，可以推斷出，由于曹妃甸圍填海工程的建設(shè)使得渤海灣北部沿岸余流消失，加之渤海灣灣口中部環(huán)流的作用，新岸線條件下灣口北部粒子更多地向南輸移，沿南部余流流出渤海灣，而不是直接通過北部流出，降低了該處水體的水交換能力．而黃驊港的阻隔作用，使渤海灣西岸的沿岸余流有所減弱，造成南部沿岸流出渤海灣的粒子遷移擴(kuò)散能力變?nèi)酰瑥亩剐掳毒€條件下渤海灣整體的半交換時(shí)間變長．

圖6 高潮時(shí)刻釋放的粒子1年后的分布Fig.6 Distributions of particles released at high tide after one year

3.4 地形變化對(duì)渤海灣局部水交換的影響

為進(jìn)一步討論岸線變化對(duì)渤海灣局部水交換的影響，引入無量綱駐留時(shí)間和曝光時(shí)間來定量評(píng)價(jià)渤海灣各處水體對(duì)整體水交換的貢獻(xiàn)．定義無量綱駐留時(shí)間R和無量綱曝光時(shí)間E為

式中T為總的計(jì)算時(shí)間，1年．

圖 7給出了在新舊地形下渤海灣內(nèi)各點(diǎn)高潮時(shí)刻釋放的粒子的無量綱駐留時(shí)間、無量綱曝光時(shí)間和返回系數(shù)的分布．與粒子的分布類似，粒子釋放時(shí)刻的不同對(duì)駐留時(shí)間、曝光時(shí)間和返回系數(shù)分布的細(xì)節(jié)雖有一定影響，但對(duì)其整體分布形式影響不大，故僅給出了高潮時(shí)刻釋放粒子的計(jì)算結(jié)果．

在原岸線條件下，渤海灣中部、西部地區(qū)以及黃驊港東側(cè)的近岸區(qū)域?qū)Σ澈痴w的水交換貢獻(xiàn)較?。畯膱D 4的余流場(chǎng)中可以看出，渤海灣中部環(huán)流一方面導(dǎo)致大量粒子在此處徘徊，另一方面阻礙西部粒子離開渤海灣；南部余流較弱，加之有一股支流沿岸從萊州灣流向渤海灣，阻擋粒子沿岸東移路徑，所以粒子難以流出渤海灣，造成以上地區(qū)駐留時(shí)間和曝光時(shí)間都較長，且二者相近，返回系數(shù)較低．而黃驊港東北部近岸區(qū)域?qū)Σ澈痴w水交換的貢獻(xiàn)較大，其原因是該區(qū)域存在一股向東方向的余流，使得該區(qū)域的粒子可以比較順利地沿灣口南部流出渤海灣，并且很少返回，因此，該區(qū)域的駐留時(shí)間和曝光時(shí)間并不太長，且返回系數(shù)較小．渤海灣灣口南部駐留時(shí)間和曝光時(shí)間都短，表明這里的粒子在釋放后很快會(huì)流出渤海灣且基本不再返回，對(duì)渤海灣整體的水交換貢獻(xiàn)大．在灣口北部，雖然駐留時(shí)間也短，但曝光時(shí)間很長，表明粒子在流出渤海灣后很快被帶回渤海灣，并在灣內(nèi)長期徘徊，因此，灣口北部的水體對(duì)渤海灣整體水交換的貢獻(xiàn)小，這主要是曹妃甸南岸的回流所致.

對(duì)比圖4中新舊岸線條件下的余流場(chǎng)可以看出，岸線變化對(duì)渤海灣中部環(huán)流以及南部余流的影響較小，因此，在新地形下，渤海灣中部、西岸以及南岸水體對(duì)渤海灣整體水交換的貢獻(xiàn)依然較?。黠@不同的是：①在天津港和曹妃甸建設(shè)以前，渤海灣西北部及曹妃甸沿岸處水體的駐留時(shí)間短，在1年時(shí)間內(nèi)至少有 1次離開過渤海灣，與外界水體交換通暢；在新岸線條件下，雖然天津港北部的逆時(shí)針環(huán)流消失，但是西北部的環(huán)流依然存在，加之曹妃甸甸頭的阻隔作用以及曹妃甸東向余流的消失，導(dǎo)致駐留時(shí)間和曝光時(shí)間都較長，返回系數(shù)小，表明該處水體不易流出渤海灣，對(duì)渤海灣整體的水交換貢獻(xiàn)??；②灣口北部水體的駐留時(shí)間和曝光時(shí)間變長、返回系數(shù)變小，說明該處水體對(duì)渤海灣整體水交換的貢獻(xiàn)減弱，原因是北部沿岸淺灘處余流因?yàn)椴苠榈慕ㄔO(shè)而消失，使該處的水體難以直接從灣口北部離開渤海灣；在灣口南部，駐留時(shí)間和曝光時(shí)間變短，返回系數(shù)變小，而且作用范圍變大，說明岸線變化加強(qiáng)了灣口南部水體的水交換能力，該處水體更快地離開渤海灣，且不再返回．

對(duì)返回系數(shù)做進(jìn)一步的討論．從圖 7可以看出：在灣口南部的粒子，離開渤海灣后基本不再返回，駐留時(shí)間和曝光時(shí)間相近，返回系數(shù)較低，對(duì)區(qū)域的整體水交換貢獻(xiàn)較大；而對(duì)于灣口北部的粒子，其返回系數(shù)也較低，但粒子并未離開過渤海灣，對(duì)區(qū)域的整體水交換貢獻(xiàn)?。@然同樣的返回系數(shù)對(duì)應(yīng)著兩種截然相反的情況，不能單獨(dú)依靠返回系數(shù)正確地評(píng)價(jià)各處粒子對(duì)整個(gè)區(qū)域水交換的貢獻(xiàn)，而需結(jié)合駐留時(shí)間和曝光時(shí)間進(jìn)行分析．若返回系數(shù)為 0，則用駐留時(shí)間就足以描述水交換時(shí)間；但是若返回系數(shù)不為0，則需綜合考慮駐留時(shí)間和曝光時(shí)間來評(píng)價(jià)水交換能力．

圖7 高潮時(shí)刻釋放的粒子的無量綱駐留時(shí)間、無量綱曝光時(shí)間和返回系數(shù)(算例1和算例5)Fig.7 Dimensionless residence time，exposure time and return coefficient of particles released at high tide (case 1 and case 5)

圖8 2003年與2010年地形條件下粒子1年內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.8 Particle trajectories in a year under bathymetry of 2003 and 2010，respectively

根據(jù)圍填海工程對(duì)局部水交換能力的影響，本文選取分布在天津港、黃驊港、渤海灣中部及渤海灣灣口的示蹤粒子，進(jìn)一步分析圍填海對(duì)渤海灣各處的水交換路徑的影響．圖 8給出了新舊地形下不同區(qū)域高潮時(shí)刻釋放的粒子1年內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖中數(shù)字及連線代表粒子運(yùn)動(dòng)的先后順序及軌跡．可以發(fā)現(xiàn)岸線的變化使北塘口附近的 1號(hào)粒子在西北部順時(shí)針徘徊．2號(hào)粒子布置在新地形下的天津港出?？诟浇?，雖然粒子向東南方向徑直運(yùn)動(dòng)，但至少在灣內(nèi)停留了1年．從3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)粒子在新地形下的運(yùn)動(dòng)軌跡也可以看出新地形下渤海灣南岸沿岸余流減弱，粒子離開渤海灣受阻，在渤海灣灣口輸移路徑變短．雖然渤海灣中部的 7號(hào)粒子的輸移路徑有所改變，但是長期停留在灣內(nèi)，且運(yùn)動(dòng)路徑較短，說明地形變化對(duì)這些地區(qū)的水交換影響不大．而在舊地形下，位于黃驊港東部的 4號(hào)粒子沿岸向北曲折前進(jìn)，在新地形下可能受到黃驊港的阻隔作用，轉(zhuǎn)而向東北方向運(yùn)動(dòng)，朝灣口輸移．8號(hào)粒子向?yàn)晨谶\(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)更加明顯，運(yùn)動(dòng)軌跡變長，原因可能是受新地形影響灣口北部原東向余流轉(zhuǎn)而向南流動(dòng)以及南部西向余流受到黃驊港的阻隔而轉(zhuǎn)回東向，兩者共同作用加強(qiáng)了灣口南部的余流強(qiáng)度．從 10號(hào)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡也可以看出灣口南部的水交換能力在新地形下變強(qiáng).而位于灣口北部的 9號(hào)粒子，雖然可能離開過渤海灣，但是整體向南運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)更加明顯，最后由南部灣口離開，所以在新地形下北部的水交換能力變?nèi)?，原因可能是北部曹妃甸淺灘處余流的消失，使北部水體向南輸移，需要更長的時(shí)間才能與外界進(jìn)行交換.

4 結(jié) 論

根據(jù)拉格朗日粒子跟蹤法計(jì)算的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出了大規(guī)模圍填海前后渤海灣水體的半交換時(shí)間，從整體層面上評(píng)估了圍填海工程對(duì)渤海灣水交換能力的影響；進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了渤海灣各處水質(zhì)點(diǎn)的駐留時(shí)間、曝光時(shí)間和返回系數(shù)，從局部層面上分析了渤海灣各處水體對(duì)其整體水交換的貢獻(xiàn)；結(jié)合新舊地形下余流場(chǎng)的變化分析了水交換能力變化的內(nèi)在機(jī)理；為進(jìn)一步闡釋地形變化對(duì)渤海灣水交換特性的影響，選取典型位置的粒子作為標(biāo)志點(diǎn)，分析了地形變化對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響．

(1) 渤海灣海岸帶圍填海工程的建設(shè)引起的岸線變化，使得天津港北部的逆時(shí)針環(huán)流消失，曹妃甸西南角的順時(shí)針環(huán)流依然存在，但是淺灘處的沿岸余流消失，由于受到黃驊港的阻隔，渤海灣西岸沿岸向東南方向余流有所減弱．

(2) 圍填海工程使渤海灣整體水交換能力變?nèi)酰虢粨Q時(shí)間由原先的300,d左右變?yōu)槌^600,d．

(3) 渤海灣西部、中部和南部沿岸地區(qū)對(duì)渤海灣整體水交換的貢獻(xiàn)??；黃驊港東北部水體對(duì)渤海灣整體水交換的貢獻(xiàn)較大，且以上地區(qū)的水交換能力受地形變化的影響較?。凰粨Q能力受地形影響變化較大的地區(qū)有渤海灣西北部及灣口，西北部水體對(duì)整體的水交換貢獻(xiàn)更小，灣口北部的水交換能力變?nèi)?，南部的水交換能力增強(qiáng)．

(4) 對(duì)于渤海灣灣口這樣人為劃定的邊界，由于存在明顯的余環(huán)流，該處粒子的返回系數(shù)可能較高，用返回系數(shù)分析其局部水交換特性及其對(duì)整體水交換的貢獻(xiàn)時(shí)需結(jié)合駐留時(shí)間和曝光時(shí)間．

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