三沙灣潮流特征數(shù)值模擬研究

林建偉，游遠新，劉國昕

(福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013)

三沙灣形狀似伸展的右手掌，海灣被羅源、東沖半島環(huán)抱，僅在東南方向有一個狹口——東沖口與東海相通，口門寬約3 km，是個半封閉的海灣；其是寧德市的重要港灣，也是福建省規(guī)劃建設的四大港口之一，還是全國最大的大黃魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖地區(qū)。然而，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，近40年來，環(huán)三沙灣地區(qū)對土地的需求較為旺盛。據(jù)報道，1974至2013年間，三沙灣共實施圍填海19 514.97 hm2[1-2]。圍填海活動一方面緩解了當?shù)赝恋刭Y源緊缺的局面，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了一定的作用，另一方面隨著圍填活動的進行，潮灘面積不斷減少，造成灣內(nèi)水動力環(huán)境改變、岸灘沖淤平衡被破壞、漁業(yè)資源減少、污染物滯留和海水自凈能力減弱等問題，給海灣生態(tài)環(huán)境造成不可逆的破壞。據(jù)報道[3-4]，珠江口近40年來圍填總面積達62 224 hm2，導致河口區(qū)伶仃洋西部淺灘擴大、深槽萎縮；深圳河口灣潮灘濕地被大片圍填造陸，導致深圳灣西部港區(qū)淺灘-5 m等深線以上面積從1987年的55 800 hm2擴展為62 400 hm2，深槽水道向海退縮，寬度變窄，近岸水域污染嚴重，赤潮頻發(fā)[5]。

為了解40年來，三沙灣圍填?；顒訉硟?nèi)水動力的影響，本文選用目前廣泛應用的開源模式ROMS[6]來研究三沙灣的潮流特征。目前，有關三沙灣水動力學方面的研究，僅見林航[7]根據(jù)霞浦東沖、寧德城澳、福安白馬三個海洋站的長期潮位觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了三沙灣的潮汐特征；《福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究——三沙灣》對三沙灣各圍填工況進行了水動力環(huán)境研究[1]；而對三沙灣不同邊界條件下的潮汐、潮流數(shù)模研究迄今尚未見報道，本文運用二維水動力數(shù)值模型，分別對1974年和2014年三沙灣區(qū)域的潮流場進行模擬計算，探討了三沙灣不同年度岸線條件下的潮流場分布特征，并對兩個年度的潮流特征進行對比分析，旨在了解多年來的圍填?；顒訉θ碁乘畡恿Νh(huán)境的累積性影響程度。本結(jié)果對今后科學地指導、優(yōu)化圍填海方案和規(guī)模具有重要的意義，同時，也為海域管理部門提供技術參考。

1 研究區(qū)域與方法

本文的研究區(qū)域為東沖半島至鑒江半島以北，與現(xiàn)行法定海岸線[注]福建省人民政府.福建省海洋功能區(qū)劃2011—2020年(文本)[R].福州：2012.所圍成的海域。

根據(jù)1987年版研究區(qū)域海圖(圖號為13975)，本文采用的1974年岸線和水深地形由該版海圖數(shù)字化與插值處理得到圖1。由圖1可見，20世紀70年代，三沙灣海域?qū)掗?，灣?nèi)岸線曲折多變，無明顯的圍填取直痕跡；從0 m等深線來看，潮灘范圍較大；其次，灣內(nèi)大部分海域的水深小于20 m，灣口及青山島、東安島附近海域水深較大，一般超過20 m。

圖2是本文收集到2015年版海圖(圖號為13971)和2014年版鹽田港及白馬港海圖(圖號：13975)數(shù)字化后，采用GIS技術，對其進行插值處理，得到的水深地形圖。圖中橙色區(qū)域為40年來圍填形成的墾區(qū)與陸域。由圖2可見，經(jīng)過多年的圍填活動，三沙灣海域的岸線、地形發(fā)生了較大的變化，特別是在灣塢鄉(xiāng)東南側(cè)、下白石鎮(zhèn)東南側(cè)以及漳灣東側(cè)等海域都進行過大面積的圍填?；顒?，占用較長的自然岸線，形成較為規(guī)則的人工岸線；這些行為占用大范圍的潮灘地區(qū)，使得三沙灣內(nèi)淺灘面積變少，從0 m等深線來看，潮灘范圍較1974年小；但灣內(nèi)水深較大的區(qū)域分布與1974年大體較為一致，主要分布在灣口附近區(qū)域。

此外，為了便于分析三沙灣海域航道和敏感水域流速在不同岸線地形條件下的變化情況，本文在研究區(qū)域內(nèi)設置了34個特征點(1#～34#)進行對比分析，如圖3所示。各個特征點主要分布于主航道、主潮流通道上。

有關ROMS模型的詳細介紹與驗證請參見文獻[6]，在此不再贅述。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 1974年三沙灣潮流場數(shù)值模擬結(jié)果

圖4～7是1974年三沙灣在大潮(指12月份的大潮期，下同)四個典型潮時的垂直平均流場分布圖。由圖4可見，在漲潮過程中，外海潮流以0.7 m/s左右的流速由外海穿過三沙灣口門沿著灣內(nèi)主潮流通道進入三沙灣海域；由于過水斷面減小，漲潮流在灣口的流場最強，流速最大，漲潮流速最大可達2.0 m/s；漲潮流在三沙灣內(nèi)主潮流通道保持較強的流場，如在東吾洋主航道上的最大漲潮流速約為0.9 m/s左右，在白馬河主航道上的最大漲潮流速可達1.0 m/s左右，在三都鎮(zhèn)北側(cè)海域的漲潮流速約為0.9 m/s，在三都鎮(zhèn)南側(cè)海域的漲潮流速約為1.0 m/s，在漳灣鎮(zhèn)東側(cè)近岸海域漲潮流速最大為0.9 m/s，在八都鎮(zhèn)南側(cè)流速一般為0.2～0.7 m/s(海島與大陸之間水道流速較大)；而在水深較淺的海域流場較弱，流速小至0.1 m/s左右。由圖5可見，高潮時，整個三沙灣基本處于憩流狀態(tài)，除主潮流通道上的流場較強外(流速約為0.9 m/s)，大部分海域的流場很弱。由圖6可見，在落潮過程中，來自白馬河、鹽田港、漳灣近岸和東吾洋的落潮流迅速向三沙灣內(nèi)深槽匯聚，在深槽區(qū)域以較強的流場沿著漲潮流的反方向流向灣外，并開始在八都鎮(zhèn)附近、漳灣東側(cè)近岸、三都鎮(zhèn)、沙江鎮(zhèn)和鹽田港東西兩側(cè)等淺灘地區(qū)潮流開始減弱，而且在三沙灣口門處會形成一個渦流。由圖7可見，落潮流退出灣外后，在東吾洋頂、溪南鎮(zhèn)西南側(cè)、鹽田港東西兩側(cè)、白馬河兩岸、漳灣鎮(zhèn)附近海域的淺灘地區(qū)有大面積的灘涂露出，這基本上反映了研究區(qū)域的地形特征。由以上各圖可見，1974年三沙灣內(nèi)海域流場流態(tài)較均勻，高、低平潮流速較小，漲、落潮時流速較大；潮流場分布受地形的影響較大。

2.2 2014年三沙灣潮流場數(shù)值模擬結(jié)果

圖8～11是2014年三沙灣在大潮的四個典型潮時研究區(qū)域的垂直平均流場分布圖。由圖8可見，在漲潮過程中，外海潮流以0.7 m/s左右的流速由外海穿過三沙灣口門沿著灣內(nèi)主潮流通道進入三沙灣海域；在灣內(nèi)主潮流通道依然保持較強的流場，如在鹽田港主航道上的最大漲潮流速可達0.8 m/s左右，在白馬河主航道上的最大漲潮流速可達1.0 m/s左右，在三都鎮(zhèn)北側(cè)海域的漲潮流速約為0.9 m/s，在三都鎮(zhèn)南側(cè)海域的漲潮流速約為1.0 m/s，在東吾洋主航道上的漲潮流速約為1.0 m/s；而在水深較淺的海域流場較弱，流速小至0.1 m/s左右。由圖9可見，高潮時，除主潮流通道上的流場較強外(流速約為0.5 m/s)，大部分海域的流場很弱，整個三沙灣基本處于憩流狀態(tài)。由圖10可見，在落潮過程中，落潮流沿著漲潮流的反方向向灣內(nèi)深槽匯聚、流向灣外，并開始在八都鎮(zhèn)附近、漳灣東側(cè)近岸、三都鎮(zhèn)、沙江鎮(zhèn)和鹽田港東西兩側(cè)等淺灘地區(qū)有大面積的灘涂露出(圖11中灰色區(qū)域)，而且在三沙灣口門處會形成一個渦流，這反映了研究區(qū)域的地形特征，反映了三沙灣潮流場特征現(xiàn)狀。由以上各圖可見，在白馬河東西兩側(cè)、八都鎮(zhèn)和漳灣鎮(zhèn)周邊海域表現(xiàn)出與1974年不同的流場分布情況。

2.3 流場變化分析

表1是各個特征點在不同岸線條件下的漲、落潮平均流速與最大流速變化情況表。由表1可見，1974年與2014年，大潮時，在灣口進港航道右側(cè)1#～7#中，除3#與7#漲潮流有所增強外，其余各點的漲、落潮流速均有一定程度的減小，最大減幅達28%，這是由于該處經(jīng)過40年的發(fā)展，航道功能增強，水深變大，水動力強度減弱。在灣口進港航道左側(cè)8#～12#中，除8#站的漲、落潮流速變大外，其余各點的漲、落潮流速均有所減小，平均減幅約為20%；最大漲、落潮流速也有相應的變化，流向變化不大；這與該水域南側(cè)近些年來的開發(fā)圍填活動有關，使得8#站所處的海域成為主要的落潮通道。在灣內(nèi)中間13#～19#中，各個特征點的漲、落潮流速均發(fā)生了不同程度的減小，平均減幅約為20%，這與鹽田港口、溪南鎮(zhèn)西南近岸海域多年來的圍墾緩流影響， 以及鹽田港主航道水深變大有關。在白馬河20#～25#中，除21#漲、落潮流速變小外，其余各點的漲、落潮流速整體上均有所變大，這是因為21#處于東側(cè)圍填區(qū)域前沿海域，受到緩流影響，而其余各站則由于白馬河東側(cè)近些年圍填區(qū)域較大，人工岸線取直，加上上游徑流的下泄影響，致使前沿海域流場有所增強，落潮流速增幅較大。在三都鎮(zhèn)北側(cè)海域26#～31#中，除26#與27#漲潮平均流速有所減弱外，平均減幅約為10%，其余各點的漲、落潮流速均有不同程度的變大，平均增幅約為20%，這是因為多年來，該區(qū)域內(nèi)大片淺灘海域的圍墾活動大大減小了海域潮灘面積、減小了過水斷面，提高了主潮流通道的納潮量，增強了潮流場；在三都鎮(zhèn)西側(cè)海域32#～34#中，各點的漲潮流速基本上呈減小的趨勢，而落潮流速則相反，這是因為1974年，漲潮流除經(jīng)三都鎮(zhèn)南側(cè)、北側(cè)主潮流通道上溯至八都鎮(zhèn)與飛鸞鎮(zhèn)的灣頂外，來自三都鎮(zhèn)南側(cè)海域的一部分漲潮流也經(jīng)其西側(cè)海域，匯同北側(cè)漲潮流漲入八都鎮(zhèn)東側(cè)海域，而落潮時，落潮流則主要經(jīng)三都鎮(zhèn)南、北兩側(cè)的主潮流通道退潮；經(jīng)過多年變化，該區(qū)域的漲、落潮流路發(fā)生了較大的變化；至2014年，三都鎮(zhèn)南、北兩側(cè)是其西側(cè)海域主要的漲潮流通道，而落潮時，來自八都鎮(zhèn)東側(cè)海域的落潮流一部分沿著三都鎮(zhèn)北側(cè)潮流通道下泄，一部分則通過三都鎮(zhèn)西側(cè)海域繞向南側(cè)，同南側(cè)落潮流一同退向灣口；該區(qū)域的漲、落潮平均流場分布情況也清晰地表現(xiàn)了這個現(xiàn)象。

圖12～13分別是1974年與2014年大潮漲、落潮垂直平均流場對比圖。由圖12可見，漲潮時，漲潮流均通過狹小的灣口進入灣內(nèi)，并向灣頂上漲；兩個年度的漲潮流受地形的影響較為明顯，流向基本一致；但在漳灣鎮(zhèn)東側(cè)周邊海域以及下白石鎮(zhèn)東南側(cè)周邊海域的流場變化較大，除了圍填區(qū)的漲潮流場消失外，流向也有所變化，變化幅度約為5°。由圖13可見，落潮時，兩個年度的落潮流均沿著漲潮流的反方向，由灣頂向灣口匯聚，流出灣外；除了部分圍填區(qū)的落潮流場消失外，流向變化較小，變化幅度一般小于5°?？傊?，三沙灣經(jīng)過多年的圍填海活動之后，整個海域的流態(tài)變化不大，這主要是因為圍填?；顒佣际抢酶呶怀睘┻M行圍填開發(fā)。

表1 1974年與2014年岸線條件下各個特征點的大潮流速變化情況

續(xù)表1

3 結(jié)論

本文運用ROMS模型，在同時考慮溫度、鹽度和流場以及海表的凈熱通量、水氣通量、動量通量和地表徑流的基礎上，結(jié)合1974年與2014年三沙灣及周邊海域圍填岸線和水深地形現(xiàn)狀，模擬了不同年份三沙灣的潮流場，并分析了處于敏感水域航道上的特征點的變化情況，得出了以下結(jié)論：

1)根據(jù)數(shù)字化海圖得到，40年來，三沙灣的岸線發(fā)生了較大變化；岸線變化較大的地方主要發(fā)生在灣內(nèi)的東吾洋頂、鹽田港東西兩側(cè)、白馬河口和漳灣東側(cè)近岸海域；水深條件也發(fā)生了變化。這幾個圍填區(qū)域是40年來三沙灣海域開發(fā)利用的重要組成部分，這與改革開放后環(huán)三沙灣地區(qū)經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展有關。

2)三沙灣內(nèi)潮流為往復流，受地形的影響較為明顯，流速分布反映了三沙灣的地形特征，灣內(nèi)深槽流速較大，淺灘流速較小，口門及深槽流速一般大于1.0 m/s，其余海域一般小于0.5 m/s；大潮流速較大，小潮流速較小；落潮流整體上大于漲潮流。由于漳灣鎮(zhèn)和下白石周邊在不同年份的岸線差別較大，所以該區(qū)域的潮流場在不同年份差異顯著。

3)40年來，整個三沙灣海域的水動力環(huán)境發(fā)生了較大的變化。流速變大的區(qū)域發(fā)生在岸線取直和水深變淺的地方，流速變小的區(qū)域發(fā)生在部分圍墾前沿海域；大部分區(qū)域流速變緩，流速變化率在±30%以內(nèi)；三沙灣主潮流通道基本不變，灣內(nèi)深槽的功能地位不變，除局部岸線開發(fā)強度較大外，整個三沙灣的潮流走向變化不大。

4)40年來，隨著時間的推移，圍填海工程占用了大片海域空間，海域面積變小，經(jīng)過長期的累積影響，改變了局部海域的水動力環(huán)境與沖淤環(huán)境，這種影響經(jīng)過長期的疊加，影響到了海域的水深地形條件，并將會減少海灣納潮量和減弱海灣水體更換能力。建議今后有必要對海灣納潮量與水體交換能力做進一步的對比研究。