岸線變遷對(duì)大連灣內(nèi)灣海域納潮量的影響

陳靜，王永學(xué)

（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）

岸線變遷對(duì)大連灣內(nèi)灣海域納潮量的影響

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）

根據(jù)海圖資料統(tǒng)計(jì)了1979年、1988年、1998年和2009年大連灣及3個(gè)內(nèi)灣岸線和海域面積變化情況，并運(yùn)用MIKE21軟件建立這4年的潮流場(chǎng)模型。然后，基于潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)計(jì)算了1979年和2009年大連灣及3個(gè)內(nèi)灣動(dòng)態(tài)納潮量，并與用潮差和面積計(jì)算的靜態(tài)納潮量比較，明確對(duì)于水位與潮灘面積關(guān)系復(fù)雜、海域面積較小的海灣應(yīng)選用動(dòng)態(tài)納潮量方法。最后，計(jì)算了1988年和1998年3個(gè)內(nèi)灣的動(dòng)態(tài)納潮量，發(fā)現(xiàn)近30年間的圍填海工程使得大連灣納潮量減少15%，3個(gè)內(nèi)灣納潮量均減少50%。

大連灣；潮流場(chǎng)；數(shù)值模擬；灣口；動(dòng)態(tài)納潮量

納潮量是一個(gè)潮周期內(nèi)海灣的最大海水交換量，喬貫宇等（2008）定義為海灣接納潮水的體積。它的大小直接反應(yīng)了海灣與外海的水體交換強(qiáng)度和污染物的遷移擴(kuò)散能力，是海灣的自?xún)裟芰铜h(huán)境容量的量化指標(biāo)，也是海灣水動(dòng)力、水質(zhì)、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。目前海灣納潮量的計(jì)算方法陳紅霞等（2009）做了歸納，多采用靜態(tài)計(jì)算公式。但由于高低潮時(shí)水域面積的計(jì)算較為困難，尤其是在形態(tài)變化劇烈或水域邊線不規(guī)則情況下存在很大的不確定性。喬貫宇等（2008，2009）通過(guò)在半封閉海灣的灣口設(shè)計(jì)一個(gè)封閉斷面與潮周期同步觀測(cè)直接得到動(dòng)態(tài)的納潮量，該方法需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)工作，除了費(fèi)用高之外，因海灣繁忙的通航以及較差的海況經(jīng)常難于實(shí)施，即便實(shí)施測(cè)得的納潮量結(jié)果也因難以做到同步而失真，需做一定的數(shù)據(jù)修正工作。數(shù)值模擬技術(shù)是計(jì)算海灣動(dòng)態(tài)納潮量的基礎(chǔ)，從模擬結(jié)果中得到封閉灣口斷面的流速，通過(guò)計(jì)算得到灣口截面的流量變化時(shí)間序列，將這些流量值按漲、落潮的時(shí)間累計(jì)可得到海灣的納潮量，此方法計(jì)算出來(lái)的納潮量是漲潮期或落潮期流進(jìn)和流出海灣的水量差，具有較強(qiáng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，同時(shí)便于分析納潮量的時(shí)空配置。

大連灣是位于遼東半島南端的一個(gè)半封閉型的天然海灣，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，海岸是典型的基巖構(gòu)造。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等深線以下水域面積約為164 km2，曲折岸線長(zhǎng)約125 km。近些年來(lái)，大連灣填?；顒?dòng)十分的劇烈，岸線人工化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)以1979年海域面積為基準(zhǔn)，2009年大連灣海域面積已經(jīng)減少了13.56%，填海方式以平推為主，主要填海區(qū)域?yàn)?個(gè)內(nèi)灣，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。本文在潮流場(chǎng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上計(jì)算了同潮條件下大連灣及3個(gè)內(nèi)灣的動(dòng)態(tài)納潮量，并將計(jì)算結(jié)果與用潮差和面積計(jì)算的靜態(tài)納潮量進(jìn)行了比較與分析，并討論了近30年間的大連灣和3個(gè)內(nèi)灣圍填海工程對(duì)海灣納潮量的影響。

表1　大連灣及內(nèi)灣岸線和海域面積統(tǒng)計(jì)匯總表

1　研究范圍與數(shù)據(jù)資料

本文研究范圍為圖1中以線段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，灣口線段AB長(zhǎng)度約為11 664 m，與正北方向夾角64°。大連灣灣頂從西南往東北方向分布有3個(gè)內(nèi)灣，是圍填海工程的主要區(qū)域：其中，臭水套灣以線段CD為灣口，長(zhǎng)度約為2 633 m，與正北方向夾角3°：C點(diǎn)坐標(biāo)38°55′52″N，121° 38′37″E，D點(diǎn)坐標(biāo)38°57′17″N，121°38′43″E；甜水套灣以線段EF為灣口，長(zhǎng)度約為3 780 m，與正北方向夾角70°：E點(diǎn)坐標(biāo)38°59′25″N，121°40′4″E，F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)39°00′08″N，121°42′31″E；紅土堆子灣以線段GH為灣口，長(zhǎng)度約為3 472 m，與正北方向夾角89°，G點(diǎn)坐標(biāo)39°00′35″N，121°44′45″E，H點(diǎn)坐標(biāo)39°00′39″N，121°27′16″E。

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)為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)岸線附近未展開(kāi)新的測(cè)量工作。近30年間因圍填海工程的實(shí)施，大連灣海域面積不斷縮小。圖1中的綠顏色填充區(qū)域是1979-1989年時(shí)段新增的陸域面積；粉顏色填充區(qū)域是1988-1998年時(shí)段新增的陸域面積；藍(lán)顏色填充區(qū)域是1998-2009年時(shí)段新增的陸域面積。

2　動(dòng)態(tài)納潮量計(jì)算方法

2.1潮流數(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)。

圖1　1979-2009年大連灣及內(nèi)灣圍填海工程分布圖

圖2　1989年大連灣潮流模型計(jì)算區(qū)域示意圖

圖3　1998年大連灣潮流模型計(jì)算區(qū)域示意圖

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。模型計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖2和圖3，選取的NW邊界點(diǎn)位于121°34′E，38°52′35″N，SW邊界點(diǎn)位于121°34′E，38°48′24″N，NE邊界點(diǎn)位于122°2′E，39°5′N(xiāo)，SE邊界點(diǎn)位于122°2′E，38°48′24″N。區(qū)域南北距45 km，東西距30 km。潮流場(chǎng)模型在2010年海圖地形的基礎(chǔ)上建立，并通過(guò)2009年的水文資料進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的校對(duì)驗(yàn)證見(jiàn)陳靜等（2016），確定邊界和五個(gè)調(diào)和常數(shù)，并在1984年、1992年、2000年海圖地形上建立相同邊界的模型。其中2009年和1979年模型見(jiàn)陳靜等（2016），1989年模型見(jiàn)圖2，模型三角形單元總數(shù)為32 034個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為61 934個(gè)，1998年模型見(jiàn)圖3，模型三角形單元總數(shù)為33 323個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為63 835個(gè)。4個(gè)模型供在同潮條件下因岸線和地形變化產(chǎn)生的潮流納潮量計(jì)算。圖4和圖5是提取的1979年大連灣內(nèi)漲急和落急潮流流場(chǎng)矢量圖。

圖4　1979年大連灣內(nèi)漲急潮流流場(chǎng)矢量圖（9∶00時(shí)）

圖5　1979年大連灣內(nèi)落急潮流流場(chǎng)矢量圖（次日3∶30時(shí)）

2.2動(dòng)態(tài)納潮量計(jì)算方法

納潮量的計(jì)算數(shù)據(jù)從潮流場(chǎng)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)中提取，主要包括水深、流速、流向3個(gè)方面。在海灣灣口分別布設(shè)M個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為ΔLi（m），提取數(shù)據(jù)設(shè)N個(gè)時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間間隔為Δt（s）。從潮流場(chǎng)模擬結(jié)果中可直接得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻的流向數(shù)據(jù)（°），水深數(shù)據(jù)（m），流速數(shù)據(jù)（m/s），其中：i代表第i個(gè)測(cè)點(diǎn)，n代表第然后，計(jì)算n時(shí)刻兩相鄰測(cè)點(diǎn)間的平均流量為：

式中：ΔLi每個(gè)灣口取值不同。

最后，由式（6）計(jì)算出動(dòng)態(tài)納潮量：

式中：TP代表漲潮或者落潮期海灣的動(dòng)態(tài)納潮量（m3）。n個(gè)時(shí)刻。

首先，通過(guò)式（4）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的單寬流量Qni。

式中：γ代表灣口線與N向夾角（°）。

3　納潮量的計(jì)算與結(jié)果分析

3.1大連灣灣口斷面流速分布

本文模擬了同潮條件下1979年、1988年、1998年和2009年大連灣潮流場(chǎng)。從模擬的潮流場(chǎng)數(shù)值中提取數(shù)據(jù)，在大連灣灣口等距離布設(shè)M= 101個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距ΔLi=116.64 m；提取數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔Δt=1 800 s，大潮漲、落潮期包含N= 13個(gè)時(shí)間點(diǎn)，小潮漲、落潮期包含N=11個(gè)時(shí)間點(diǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)大潮期和小潮期這4個(gè)年份大連灣灣口中點(diǎn)的潮位變化都不大。表2為1979年的大連灣灣口中點(diǎn)特征潮位匯總表，大潮平均潮差為2.949 m；小潮期平均潮差為1.245 m。圖6是大連灣大潮、小潮期灣口中點(diǎn)潮位歷時(shí)曲線，大潮漲潮歷時(shí)為6個(gè)小時(shí)（15∶30-21∶30），落潮歷時(shí)6 h（22∶00-次日4∶00）；小潮漲潮歷時(shí)為5 h（9∶00-2∶00），落潮歷時(shí)5 h（3∶00-次日8∶00）。

表2　大連灣灣口中點(diǎn)特征潮位匯總表（單位：m）

圖6　大連灣大潮期

圖7為將海圖基準(zhǔn)面作為零點(diǎn)的大連灣灣口斷面（圖1中的AB連線）的水深圖，圖中縱坐標(biāo)為各點(diǎn)水深，橫坐標(biāo)為各點(diǎn)編號(hào)，其中“1號(hào)點(diǎn)”是圖1中的A點(diǎn)，“101號(hào)點(diǎn)”是圖1中的B點(diǎn)。圖8是大連灣灣口斷面大潮漲急與大潮落急時(shí)刻，各點(diǎn)的法向流速值（定義為垂直于灣口斷面AB連線的流速分量），其中正值代表流進(jìn)大連灣灣口斷面法向流速，負(fù)值代表流出大連灣灣口斷面的法向流速。通過(guò)對(duì)比圖4和圖5的流場(chǎng)模擬結(jié)果，可反映出圖7中的流速正負(fù)值與圖4和圖5中灣口斷面AB連線上的流入流出情況保持一致。

圖7　大連灣灣口斷面水深圖（海圖基準(zhǔn)面為零點(diǎn)）

圖8　大連灣大潮漲急與落急時(shí)刻期灣口斷面各點(diǎn)法向流速值

式中：W為納潮量；S1，S2分別為平均高、低潮潮位的水域面積；h1，h2分別為S1，S2所對(duì)應(yīng)的潮高。海圖上的岸線是根據(jù)大潮平均高潮位得到，岸線即是平均高潮位與陸地的交線，所以大潮平均高潮位時(shí)海灣的面積S1容易得到。海圖中理論深度基準(zhǔn)面是保證了為90%的低潮位，S2可選取海圖中0 m等深線對(duì)應(yīng)的海灣面積。高、低潮潮位h1，h2可從測(cè)站的平均潮位資料中獲得。

依據(jù)動(dòng)態(tài)納潮量計(jì)算方法，計(jì)算了大連灣1979年和2009年大、小潮期的動(dòng)態(tài)平均納潮量（平均納潮量是漲潮和落潮納潮量的平均值）列于表3。表3中同時(shí)列出了靜態(tài)平均納潮量、動(dòng)態(tài)平均納潮量及兩者的比較?？傮w上看，大連灣大小潮動(dòng)態(tài)與靜態(tài)平均納潮量的的計(jì)算結(jié)果差別較小，分析其原因主要有兩點(diǎn)：（1）大連灣為典型的基巖海岸，加上近年來(lái)的圍填海工程導(dǎo)致岸線嚴(yán)重人工化，使得大連灣3個(gè)內(nèi)灣的干出灘基本消失，因此在高潮與低潮潮位時(shí)的海域面積相差不大；（2）動(dòng)態(tài)納潮量存在時(shí)效性，本文在計(jì)算靜態(tài)納潮量時(shí)選用的水位差（h1-h2）是通過(guò)數(shù)值模擬出來(lái)的平均水位差，這種選取方式比選用大連港潮位觀測(cè)站得到的多年平均漲、落潮潮差計(jì)算的結(jié)果更存在可比性。

3.2大連灣及內(nèi)灣大小潮期動(dòng)態(tài)納潮量與靜態(tài)納潮量比較分析

基于大連灣潮流場(chǎng)數(shù)值模擬得到的灣口斷面處各測(cè)點(diǎn)的流速、流向分布，應(yīng)用本文提出的方法對(duì)大連灣的動(dòng)態(tài)納潮量進(jìn)行了計(jì)算，并與靜態(tài)納潮量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。靜態(tài)納潮量計(jì)算采用以下公式（9）：

表3　大連灣大小潮期動(dòng)態(tài)納潮量與靜態(tài)納潮量比較（單位：107m3）

臭水套、甜水套和紅土堆子3個(gè)內(nèi)灣相對(duì)大連灣來(lái)說(shuō)海域面積較小，而這3個(gè)區(qū)域又是大連灣圍填海工程實(shí)施的主要區(qū)域，故這3個(gè)內(nèi)灣的納潮量變化研究顯得尤為重要。但是這3個(gè)海灣都存在干出淺灘，從表4中大連灣3個(gè)內(nèi)灣的大、小潮動(dòng)態(tài)平均納潮量與靜態(tài)平均納潮量相差較大。這是因?yàn)槌羲?、甜水套和紅土堆子3個(gè)內(nèi)灣是大連灣圍填海工程實(shí)施的主要區(qū)域，1979年與2009年相比較其計(jì)算靜態(tài)納潮量時(shí)潮位與對(duì)應(yīng)的海域面積發(fā)生了較大的變化：從1979年海圖中大連灣內(nèi)的3個(gè)內(nèi)灣高、低潮之間都存在淺灘干出，其中臭水套灣干出灘面積為3.681 km2，甜水套灣干出灘面積為3.171 km2，紅土堆子灣干出灘面積為4.803 km2，而2009年大連灣因填海工程的實(shí)施，大部分干出淺灘都已被圍填成陸地，這種干出灘的存在是靜態(tài)納潮量計(jì)算結(jié)果存在誤差的主要原因。此外，靜態(tài)納潮量計(jì)算方法雖然簡(jiǎn)單，但由于水域面積的準(zhǔn)確提取是非常困難的，因而降低了其計(jì)算結(jié)果的精度。由此可見(jiàn)，水域面積比較小，潮灘情況復(fù)雜的小海灣，應(yīng)選用動(dòng)態(tài)納潮量計(jì)算方法比較合理。

表4　大連灣內(nèi)灣大小潮期動(dòng)態(tài)納潮量與靜態(tài)納潮量比較（單位：107m3）

4　大連灣內(nèi)灣動(dòng)態(tài)納潮量變化分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)納潮量方法計(jì)算大連灣3個(gè)內(nèi)灣的納潮量繪于圖9。由計(jì)算結(jié)果可看出1979-2009年間3個(gè)內(nèi)灣的大、小潮動(dòng)態(tài)納潮量呈減小的趨勢(shì)，尤其是1999-2009的10年間，其動(dòng)態(tài)納潮量急劇減小。由表3和表4中數(shù)據(jù)可計(jì)算出從1979年到2009年大連灣大潮納潮量減少了14.24%，小潮納潮量減少了15.54%；臭水套灣大潮納潮量減少了47.80%，小潮納潮量減少了58.91%；甜水套灣大潮納潮量減少了52.32%，小潮納潮量減少了55.67%；紅土堆子灣大潮納潮量減少了50.71%，小潮納潮量減少了56.22%。大連灣納潮量平均減少15%，3個(gè)內(nèi)灣納潮量均減少了50%左右。為分析圍填海工程對(duì)大連灣內(nèi)灣動(dòng)態(tài)納潮量變化的影響，根據(jù)現(xiàn)有的海圖資料，從海域面積和岸線兩個(gè)方面按時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1與圖10。1979-2009年間3個(gè)內(nèi)灣的海域面積呈明顯減小的趨勢(shì)，尤其是1999-2009年10年間，其海域面積的急劇減小，說(shuō)明近30年間的圍填海工程是導(dǎo)致大連灣內(nèi)灣納潮量急劇減小的一個(gè)主要原因。

圖9　1979-2009年大連灣內(nèi)灣大、小潮動(dòng)態(tài)納潮量變化曲線

圖10　1979-2009年大連灣內(nèi)灣海域面積變化曲線

5　結(jié)論

（1）本文基于潮流場(chǎng)模擬得到的海灣灣口處的各時(shí)刻流場(chǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)納潮量的計(jì)算方法，對(duì)大連灣及其3個(gè)內(nèi)灣1979年和2009年的動(dòng)態(tài)平均納潮量計(jì)算結(jié)果與靜態(tài)平均納潮量進(jìn)行比較，結(jié)果表明對(duì)于面積比較小、潮灘情況復(fù)雜的海灣，選用動(dòng)態(tài)納潮量計(jì)算方法更為合理。

（2）大連灣1979年和2009年的動(dòng)態(tài)平均納潮量計(jì)算結(jié)果分析可得，從1979年到2009年，大連灣的納潮量減少了15%，而大連灣的3個(gè)內(nèi)灣臭水套灣、甜水套灣和紅土堆子灣的納潮量均減少了50%左右，表明近30年的圍填海工程對(duì)大連灣內(nèi)灣納潮量影響已十分嚴(yán)重，隨之而來(lái)的海域環(huán)境問(wèn)題不容忽視。

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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：袁澤軼）

Effect of the coastline changes on the tidal prism water quality of Dalian inner bays

CHEN Jing1,2,WANG Yong-xue1
（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China; 2.Department of Hydraulic and Eco-engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang330099,China）

In this paper,maritime area and coastline length changes of the Dalian Bay and three inner bays are calculated based on charts in 1979,1988,1998 and 2009,and tidal numerical simulation models are built using MIKE21.Then,the dynamic tidal prism water quality of the Dalian Bay and inner bays in 1979 and 2009 is calculated,and the calculation results are compared with the static tidal prism which is calculated by the tidal range and maritime area.When the relationship between the water level and tidal flat area is complex,or when the bay area is smaller,the dynamic tidal prism calculation method is more suitable for the use.In the end,the dynamic tidal prism of 3 inner bays in 1988 and 1998 is calculated,and the results show that the tidal prism water quality of the Dalian Bay decreases by 15%and those of its 3 inner bays decrease by 50%,which are resulted from the reclamation in the past three decades.

Dalian bay;tidal field;numerical simulation;bay mouth;dynamic tidal prism

P731.27；TV 143

A

1001-6932（2016）04-0390-06

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.04.005

2015-07-07；

2015-08-03

中國(guó)自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體基金 （51221961）；南昌工程學(xué)院青年基金（2014KJ004）。

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。