大連灣岸線(xiàn)變遷對(duì)海域水動(dòng)力環(huán)境的影響

陳靜，王永學(xué)（.大連理工大學(xué)　海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　6024；2.南昌工程學(xué)院　水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西　南昌　330099）

大連灣岸線(xiàn)變遷對(duì)海域水動(dòng)力環(huán)境的影響

陳靜1，2，王永學(xué)1
（1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西南昌330099）

基于1979-1988年、1989-1998年、1999-2009年3個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)資料，對(duì)大連灣海域面積和岸線(xiàn)長(zhǎng)度的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，給出了30年間大連灣海域面積和岸線(xiàn)長(zhǎng)度的變化速率。采用MIKE21軟件的HD模塊建立了潮流場(chǎng)模型，得到了對(duì)應(yīng)不同時(shí)段的潮流場(chǎng)。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比分析得出30年間的圍填海工程對(duì)大連灣灣口水動(dòng)力條件的影響很小但對(duì)灣頂?shù)乃畡?dòng)力條件的影響十分顯著。灣頂潮流流速的明顯減小，不利于灣頂?shù)乃|(zhì)交換。

大連灣；圍填海；水動(dòng)力；數(shù)值模擬

大連灣位于遼東半島南端，其地理坐標(biāo)為38° 54′12″-39°03′18″N，121°34′48″-121°49′41″E。大連灣是一個(gè)半封閉型的天然海灣，三面為陸地所環(huán)抱，僅東南面與黃海相通。據(jù)中國(guó)海灣志編篡委員會(huì)（1991）的資料，全灣總面積174 km2，其中0 m等深線(xiàn)以下水域面積約為164 km2，曲折岸線(xiàn)長(zhǎng)約125 km，是典型的基巖港灣式海岸。灣口有三山島屏障，灣頂從西南往東北方向分布有3個(gè)內(nèi)灣，分別是臭水套、甜水套和紅土堆子灣。

大連灣作為東北地區(qū)重要的金融和商務(wù)中心，近年來(lái)因城市發(fā)展空間的拓展，在灣內(nèi)開(kāi)展了大面積的圍填海工程，使得灣內(nèi)海域面積減小，尤其是自然岸線(xiàn)大量消失。狄乾斌等（2010）統(tǒng)計(jì)了大連市圍填海工程1990-2000年和2000-2005年新增填海面積和岸線(xiàn)改變情況；馬軍（2009）統(tǒng)計(jì)了2005-2007年大連市圍填海面積；王偉偉等（2010）通過(guò)提取遙感圖像的圍填海信息統(tǒng)計(jì)了遼寧省1990-2009年圍填海面積和海岸線(xiàn)變化情況，指出錦州灣、普蘭店灣、大小窯灣和大連灣是主要填海區(qū)，其中大連灣海域面積 1990年為166.99 km2，2009年減小為154.55 km2。目前王諾等（2012），丁冉（2012），劉仲軍（2012）等學(xué)者研究填海工程對(duì)周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響大多是針對(duì)某一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施前后進(jìn)行模擬和對(duì)比分析，單一項(xiàng)目填海面積小，影響的范圍也相對(duì)較小。大連灣海域30多年以來(lái)，灣內(nèi)進(jìn)行了數(shù)十個(gè)單一項(xiàng)目填海工程，這種長(zhǎng)期累積的填?；顒?dòng)對(duì)水動(dòng)力條件的影響尚未得到定量的研究。本文從海灣面積減少量，岸線(xiàn)變化情況和海域水動(dòng)力環(huán)境3個(gè)方面定性和定量的分析了大連灣30年間圍填海工程帶來(lái)的海域環(huán)境變化。

1　大連灣海域岸線(xiàn)變遷

圖1　1979-2009年間大連灣圍填海范圍與分布示意圖

本文研究范圍以圖1中線(xiàn)段AB為灣口的大連灣海域，其中：A點(diǎn)的地理坐標(biāo)為121°43′6″E，38°54′2″N，B點(diǎn)的地理坐標(biāo)為121°50′16″E，38° 59′34″N，灣口線(xiàn)段AB長(zhǎng)度約為11 664 m，與N向夾角64°。數(shù)據(jù)資料來(lái)源主要有1984年、1992年、2000年、2010年、2013年編號(hào)11381的海圖，比例1∶40 000。其中1984年版海圖測(cè)量時(shí)間以1979年為主，1992年版海圖測(cè)量時(shí)間以1988年為主，2000年版海圖測(cè)量時(shí)間以1998年為主，2010年版海圖測(cè)量時(shí)間以2009年為主，最新的2013年版海圖中對(duì)岸線(xiàn)附近未展開(kāi)新的測(cè)量工作。根據(jù)歷年海圖資料更新時(shí)間以10年左右為時(shí)長(zhǎng)設(shè)定了3個(gè)時(shí)段來(lái)研究海域岸線(xiàn)變遷：1979-1988年，1989-1998年，1999-2009年時(shí)段。

本文主要從海域面積計(jì)算與岸線(xiàn)提取兩個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并分時(shí)間段統(tǒng)計(jì)。以1979年海圖中岸線(xiàn)為比較的基礎(chǔ)，將岸線(xiàn)總長(zhǎng)度L分為自然岸線(xiàn)長(zhǎng)度Z和人工岸線(xiàn)長(zhǎng)度R。其中，人工岸線(xiàn)長(zhǎng)度R的統(tǒng)計(jì)主要包括六段：大連港一段、臭水套灣內(nèi)三段、紅土堆子灣內(nèi)一段、大孤山灣內(nèi)一段，其余岸線(xiàn)為自然岸線(xiàn)長(zhǎng)度Z。將1979年海圖岸線(xiàn)與1988年海圖岸線(xiàn)疊加，得到由圍填海工程所產(chǎn)生新的陸域面積A（圖1中的綠顏色填充區(qū)域）；將1988年海圖岸線(xiàn)與1998年海圖岸線(xiàn)疊加，得到由圍填海工程所產(chǎn)生新的陸域面積B（圖1中的粉顏色填充區(qū)域）以1979-1988年的時(shí)段為例，將1998年海圖岸線(xiàn)與2009年海圖岸線(xiàn)疊加，得到由圍填海工程所產(chǎn)生新的陸域面積C（圖1中的藍(lán)顏色填充區(qū)域）。在確定了不同時(shí)段由圍填海工程所產(chǎn)生新的陸域面積的基礎(chǔ)上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到不同時(shí)段因圍填海工程所導(dǎo)致的岸線(xiàn)變化情況。以1979-1988年的時(shí)段為例，在新增了陸域面積A的同時(shí)，原有岸線(xiàn)減小了L1，新增人工岸線(xiàn)R2。其中：減少的岸線(xiàn)L1包括減少的自然岸線(xiàn)Z1和減小的人工岸線(xiàn)R1兩部分（L1=Z1+R1）。分別統(tǒng)計(jì)L、Z、R（1979年的數(shù)據(jù)）和L1、Z1、R1、L2 （1988年的數(shù)據(jù)），可計(jì)算1988年自然岸線(xiàn)長(zhǎng)度Z'=Z-Z1，人工岸線(xiàn)長(zhǎng)度R'=R-R1+R2。依次可計(jì)算出1998年、2009年新增海域面積和岸線(xiàn)變化，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　大連灣海域面積與岸線(xiàn)統(tǒng)計(jì)匯總表

圖2為依據(jù)表1的綜合統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果繪制的1979-2009年間大連灣海域面積與海岸線(xiàn)長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)。由圖2可見(jiàn)：大連灣海域面積呈現(xiàn)不斷減少的趨勢(shì)，并且減少速度不斷加快。以1979年海域面積和岸線(xiàn)長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，2009年海域面積已經(jīng)減少了13.56%，海岸線(xiàn)減少了10.79%。1979-1988 年10年間，圍填海工程集中在臭水套灣內(nèi)，基本以平推填海形式為主（見(jiàn)圖1中的綠顏色填充區(qū)域，海岸線(xiàn)略有減少）；1988-1998年10年間甜水套灣內(nèi)的棉花島角與黃娘角間填海工程、紅土堆子灣內(nèi)兩處填海工程和大孤山灣附近的填海工程產(chǎn)生了向海突起的平面形式（見(jiàn)圖1中的粉顏色填充區(qū)域），海岸線(xiàn)增加了近10 km；1998-2009年10年間在甜水套和紅土堆子灣內(nèi)的圍填海工程基本采用平推形式（見(jiàn)圖1中的藍(lán)顏色填充區(qū)域），海岸線(xiàn)減少了21 km。大連灣自然岸線(xiàn)的減小速度卻十分的驚人，在1979年自然岸線(xiàn)占整個(gè)岸線(xiàn)的70.06%，到了2009年自然岸線(xiàn)長(zhǎng)度減少了66.15 km，只有1979年岸線(xiàn)長(zhǎng)度的17.84%；此次統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果說(shuō)明：大連灣填海活動(dòng)近年來(lái)十分的劇烈；岸線(xiàn)人工化已十分嚴(yán)重。

圖2　1979-2009年間大連灣海域面積與海岸線(xiàn)長(zhǎng)度變化曲線(xiàn)

2　潮流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1數(shù)學(xué)模型

潮流模型的控制方程為垂向平均的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程：

式中，z為水位，即自由海面到靜水面的距離；u，v分別是x，y方向上的垂線(xiàn)平均流速分量；h為水深，即靜水面到海底的距離；H為總水深，即自由海面到海底的距離，H=h+z；f為柯氏系數(shù)，f=2ωsin φ，ω為地轉(zhuǎn)角速度，φ為地理緯度；g為重力加速度；τbx和τby為x，y方向的底床剪切應(yīng)力；Ax和Ay為渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

2.2模型邊界與驗(yàn)證

潮流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算采用丹麥DHR研發(fā)的MIKE21軟件中的HD模塊進(jìn)行。計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖3，計(jì)算區(qū)域邊界的4個(gè)角點(diǎn)的地理坐標(biāo)分別為：NW邊界點(diǎn)（121°34′E，38°52′35″N），SW邊界點(diǎn)（121°34′E，38°48′24″N），NE邊界點(diǎn)（122°2′E，39°4′12″N），SE邊界點(diǎn)（122°2′E，38°48′24″N）。區(qū)域南北距離45km，東西距離30km。潮流場(chǎng)模型在2010年海圖地形（以2009年測(cè)量地形為主）的基礎(chǔ)上建立，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，三角形單元總數(shù)為32 035個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為61 827個(gè)。灣外網(wǎng)格尺度控制在250m以?xún)?nèi)，灣內(nèi)網(wǎng)格控制在150 m以?xún)?nèi)。圖4為圖3所示矩形框位置的模型網(wǎng)格剖分圖。圍填海工程使得大連灣的內(nèi)陸河口全部填實(shí)無(wú)徑流流出，故進(jìn)行模型邊界條件設(shè)定時(shí)忽略徑流量。通過(guò)2009年的水文資料進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的校對(duì)驗(yàn)證，確定計(jì)算區(qū)域開(kāi)邊界處的S2、M2、N2、K1、O1，5個(gè)調(diào)和常數(shù)。模型驗(yàn)證采用圖5所示大連灣灣內(nèi)1#、2#、3#驗(yàn)證點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證。模型驗(yàn)證以3#為例，潮位、流速、流向驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖6，模擬的2009年大連灣大潮漲潮時(shí)的流速矢量場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖3　2009年大連灣潮流模型計(jì)算區(qū)域示意圖

圖4　模型網(wǎng)格剖分圖

圖5　驗(yàn)證點(diǎn)位置示意圖

圖6　3#大潮時(shí)段潮位（a）、流速（b）、流向（c）對(duì)比結(jié)果

圖7　2009年大連灣大潮漲潮流速矢量場(chǎng)示意圖

基于1984年海圖地形（測(cè)量時(shí)間以1979年為主）建立相同區(qū)域的模型，見(jiàn)圖8。模型三角形單元總數(shù)為34 376個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為66 502個(gè)，并采用與2009年相同的調(diào)和常數(shù)來(lái)模擬同潮條件下因岸線(xiàn)和地形變化產(chǎn)生的潮流變化并做對(duì)比分析。

3　潮流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖8　1979年大連灣潮流模型計(jì)算區(qū)域示意圖

本次研究針對(duì)1979年與2009年份不同海底與陸域的邊界條件，選取相同的海域邊界點(diǎn)，對(duì)相同大潮期24 h潮流場(chǎng)進(jìn)行模擬，進(jìn)而得出30年的圍填海工程對(duì)潮流場(chǎng)的影響。圖9為1979年與2009年的海域范圍及潮位/潮流對(duì)比點(diǎn)示意圖，圖中的黑色區(qū)域?yàn)?979年至2009年大連灣填海區(qū)域，圖中的P1點(diǎn)-P4點(diǎn)為選取的潮位/潮流對(duì)比點(diǎn)位置，其地理坐標(biāo)為P1（121°46′42″E，38°55′27″N）；P2 （121°41′35″E，38°59′32″N）；P3（121°36′58″E，38°56′43″N）；P4（121°39′18″E，39°0′14″N）。鑒于紅土堆子灣人工圍填海過(guò)程中產(chǎn)生了一條長(zhǎng)2 000 m，寬300~500 m左右的“瓶頸”，使得原岸線(xiàn)改變很大，故增加了P5-P14號(hào)點(diǎn)如圖9所示，其中灣頂?shù)腜14的地理坐標(biāo)為P14（121°43′14″E，39°1′38″N）。

圖9　1979年與2009年海域范圍及潮位/潮流對(duì)比點(diǎn)示意圖

3.1潮位變化分析

圖10為同潮條件下1979與2009年大連灣漲急水位對(duì)比圖，圖例顯示顏色間的水位差值是0.015 m；圖11為同潮條件下1979與2009年大連灣落急水位對(duì)比圖，圖例顯示顏色間的水位差值是0.02 m，圖12為1979-2009大連灣灣口-灣頂水位變化對(duì)比圖。通過(guò)圖10至圖12的對(duì)比分析得30年間的灣口的潮位變化幅度在0.15~0.02 m范圍內(nèi)，圍填海工程對(duì)大連灣灣口的潮位變化產(chǎn)生影響較小。

3.2潮流流速變化分析

圖13為同潮條件下1979與2009年灣口P1點(diǎn)與灣內(nèi)P2點(diǎn)的流速/流向?qū)Ρ葓D。在同潮條件下，由P1點(diǎn)潮流流速、流向的對(duì)比可得出大連灣灣口1979年與2009年潮流模擬的結(jié)果基本相同；由P2點(diǎn)潮流流速、流向的對(duì)比可得出離開(kāi)填海區(qū)域一定距離的大連灣內(nèi)的潮流流速、流向的變化也比較小，說(shuō)明近30年間大連灣的圍填海工程對(duì)灣口的潮流場(chǎng)基本沒(méi)有影響，對(duì)灣中影響也不大。

圖10　同潮條件下1979與2009年大連灣漲急水位對(duì)比圖

圖11　同潮條件下1979與2009年大連灣落急水位對(duì)比圖

圖12　1979年與2009年大連灣灣口-灣頂水位變化對(duì)比圖

圖13　1979年與2009年灣口P1點(diǎn)與灣內(nèi)P2點(diǎn)的流速/流向?qū)Ρ葓D

大連灣的3個(gè)內(nèi)灣是圍填海工程的集中區(qū)域，也是潮流場(chǎng)變化最大的區(qū)域。通過(guò)同潮模擬的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，這3個(gè)內(nèi)灣的平均流速都有大幅度減少，并且從內(nèi)灣灣口向內(nèi)灣灣頂流速逐漸降低。從圖14中的模擬結(jié)果可以看出2009年臭水套灣內(nèi)點(diǎn)P3、甜水套灣內(nèi)點(diǎn)P4、紅土堆子灣內(nèi)點(diǎn)P14流速比1979年同點(diǎn)小很多。經(jīng)統(tǒng)計(jì)得1979年3個(gè)點(diǎn)的平均流速分別為=0.079，=0.056，=0.097；2009年3個(gè)點(diǎn)的平均流速分別=0.016，= 0.019，=0.025；3個(gè)灣頂?shù)钠骄魉俜謩e縮小為1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。說(shuō)明3個(gè)內(nèi)灣灣頂?shù)乃w交換能力減弱，污染物不易擴(kuò)散，會(huì)在很大的程度上影響到灣頂?shù)乃|(zhì)環(huán)境。

圖14　1979年與2009年灣內(nèi)P3、P4、P14點(diǎn)的流速/流向?qū)Ρ葓D

此外，需要指出的是圖9中紅土堆子灣灣頂P14處流向變化明顯，這是現(xiàn)有的圍填海工程平面形態(tài)對(duì)灣內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾的結(jié)果：詳見(jiàn)圖9紅土堆子灣內(nèi)水域范圍縮小，原有寬敞水域變成瓶頸型通道，故潮流流向改變明顯。從紅土堆子灣內(nèi)測(cè)點(diǎn)平均流速變化圖15中知P5到P8點(diǎn)2009年的平均流速比1979年減小的比例不斷增加，表明該區(qū)圍填海工程對(duì)灣內(nèi)流速影響大于灣口；2009年模擬結(jié)果中“瓶頸”處P9到P12點(diǎn)間的平均流速遠(yuǎn)大于灣頂和灣口等其他區(qū)域的平均流速，該處易產(chǎn)生沖刷同時(shí)會(huì)造成周邊小流速區(qū)域泥沙的淤積。

圖15　1979年與2009年紅土堆子灣內(nèi)P5-P14點(diǎn)流速對(duì)比圖

4　結(jié)論

（1）大連灣海域面積與海岸線(xiàn)在近30多年間減少速度不斷加快。以1979年的海域面積與海岸線(xiàn)長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，至2009年的30年間海域面積已減少了13.56%，自然岸線(xiàn)長(zhǎng)度減少了66.15 km，從占整個(gè)岸線(xiàn)的70.06%減小到17.84%，岸線(xiàn)人工化已十分嚴(yán)重。

（2）潮流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，大連灣的潮位并未受到海域面積減小的影響。在大連灣灣口附近潮流流速流向沒(méi)有變化；離填海區(qū)域有一定距離的灣內(nèi)的流速流向變化不明顯。

（3）大連灣灣頂?shù)某羲?、甜水套和紅土堆子灣是填海工程的密集區(qū)，流場(chǎng)改變顯著。同潮模擬條件下，現(xiàn)階段3個(gè)灣頂?shù)钠骄魉俜謩e縮小為1979年平均流速的1/5，1/3和1/4。3個(gè)灣頂?shù)牧魉贉p小，減弱了水體的交換能力，污染物不易擴(kuò)散，會(huì)在很大的程度上影響到灣頂?shù)乃|(zhì)環(huán)境。關(guān)于水體交換問(wèn)題，魏慶菲（2009）曾做了大連灣水體交換能力的計(jì)算，流速減小對(duì)水質(zhì)環(huán)境變化的影響需要進(jìn)一步定量化研究。

（4）紅土堆子灣灣內(nèi)的圍填海工程產(chǎn)生了一個(gè)“瓶頸”型通道，灣內(nèi)的水動(dòng)力環(huán)境發(fā)生了明顯改變?！捌款i”處的平均流速遠(yuǎn)大于紅土堆子灣內(nèi)其他區(qū)域平均流速，流速大的地方易產(chǎn)生沖刷，同時(shí)周?chē)魉傩〉膮^(qū)域易造成泥沙的淤積，人為的使海底泥沙處于不穩(wěn)定狀態(tài)，大連灣內(nèi)泥沙的輸移情況可參見(jiàn)孫麗（2014）研究結(jié)果。在進(jìn)行圍填海工程平面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生“瓶頸”形態(tài)，將圍填海工程對(duì)水沙環(huán)境的影響降到最低。

狄乾斌，韓增林，2010.大連市圍填?；顒?dòng)的影響及對(duì)策研究，海洋開(kāi)發(fā)與管理，25（10）：122-126.

丁冉，2012.大連凌水灣填海工程對(duì)海洋環(huán)境的影響研究，碩士論文，大連：大連海事大學(xué)：19-29.

劉仲軍，2012.圍填海工程對(duì)天津海域水動(dòng)力環(huán)境影響的數(shù)值分析，水道港口，33（4）：310-314.

馬軍，2009.大連圍填海工程對(duì)周邊海洋環(huán)境影響研究.碩士論文.大連：大連海事大學(xué)：31-34.

施野，張國(guó)安，2015.近50年長(zhǎng)江口南、北港及附近分汊型河槽的演變，海洋通報(bào)，34（3）：260-266.

孫麗，2014.波流共同作用下大連灣海床沖淤變化的數(shù)值研究，中國(guó)水運(yùn)，14（4）：91-93.

王諾等，2012.大連海上機(jī)場(chǎng)人工島建設(shè)對(duì)區(qū)域水動(dòng)力及海床沖淤影響分析，水運(yùn)工程，4：5-11.

王偉偉，2010.遼寧省圍填海海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境的影響，海洋環(huán)境科學(xué)，29（6）：927-929.

魏慶菲，2011.岸線(xiàn)變化對(duì)近岸水環(huán)境影響的研究，碩士論文，大連：大連理工大學(xué)：58-63.

中國(guó)海灣志編篡委員會(huì)，1991.中國(guó)海灣志-第一分冊(cè)（遼東半島東部海灣），北京：海洋出版社：250.

（本文編輯：岳心陽(yáng)）

Effects of the coastline changes on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay

CHEN Jing1，2,WANG Yong-xue1
（1.StateKey Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China）

This paper has done maritime area and coastline length statistics and presented the rate of maritime area and coastline length change in the thirty years,based on the data of the Dalian Bay during three sections,including 1979-1988, 1989-1998,1999-2009.Using HD modules of MIKE21,it has built tidal numerical simulation models to obtain the tidal current field corresponding to different periods.Through the contrast analysis of the result of numerical simulation,we conclude that the land reclamation has little impact on the hydrodynamic condition in the Dalian Bay,but at the top of the bay,the impact is significant.The tidal current velocity has been reduced obviously at the top of the bay,which is not conducive to the water exchange at the top of the bay.

Dalian Bay;reclamation;hydrodynamic;numerical simulation

陳靜（1980-），女，博士生,講師，主要從事海岸工程與海洋環(huán)境科學(xué)方面的研究。電子郵箱：3026490@qq.com。

TV143；O242.1

A

1001-6932（2016）03-0351-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.014

2015-04-09；

2015-06-29

中國(guó)自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金 (51221961)。