圍填海工程對半封閉海灣水動力環(huán)境影響分析
——以大鵬灣內圍填海工程為例

岳青華，丁 聰

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

21世紀以來，我國沿海地區(qū)通過圍填海形成大量土地以緩解土地資源稀缺和經濟快速發(fā)展之間的矛盾。但由于長期以來的大規(guī)模圍填?；顒?，濱海濕地大面積減少，自然岸線銳減，對海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)造成損害。隨著“生態(tài)用海、集約用?！钡瓤茖W用海理念的推廣，近年來，國家采取了一系列圍填海管控措施，旨在杜絕一切違法違規(guī)使用海域的行為，減輕圍填海的負面影響。國內外眾多學者也進行了一系列研究，從岸線變化[1]、潮流形態(tài)[2,3]、納潮量、水交換、濕地環(huán)境及生態(tài)環(huán)境[4,5]等多角度分析圍填?；顒訉ｊ懙挠绊?。

半封閉海灣是指海灣口門寬度與岸線長度之比在0.01～0.1之間的海灣[6,7]。圍填海工程對半封閉海灣的直接影響是海灣的納潮量減小[8]，帶來的間接影響為該海灣水動力環(huán)境減弱，污染物輸移擴散速度減慢，泥沙淤積加劇等不利因素。因此，國內學者對半封閉海灣的沖淤演變、水動力[9-14]、水交換[15,16]等方面較為關注。

本文以大鵬灣為研究對象，在實測地形資料和水文測驗資料的基礎上，采用二維潮流數學模型，探討在半封閉海灣內進行圍填海工程對海灣水動力的影響，對大鵬灣的開發(fā)利用具有一定的參考價值。

1 二維潮流數學模型

1.1 控制方程

采用MIKE 21 Flow Model_FM HD模塊搭建二維潮流數學模型。該模型采用的潮流控制方程為垂向平均的二維淺水方程[17]：

(1)

(2)

(3)

1.2 邊界條件

本次外層模型南邊界和東邊界為開邊界，給定潮位過程，邊界潮位來自MIKE中模塊自帶的全球潮汐預報模型里的潮位。內層模型為大鵬灣模型，該模型南邊界采用外層模型提供的潮位過程。

1.3 計算范圍及地形

本次外層模型西至越南，東至臺灣省和菲律賓，南至中沙群島。內層模型范圍包括整個大鵬灣，其南邊界位于大鵬灣灣口，長約10 km，其邊界條件可由外層模型提供。模型網格逐層加密，工程區(qū)外網格尺寸較大，單元格邊長約500 m，工程區(qū)網格較密，單元格邊長約50 m。模型網格節(jié)點數為16 561 個，單元總數為31 486個，工程位置、計算范圍、網格劃分及地形分別見圖1、圖2。

圖1 工程位置圖Fig.1 Location of the project

圖2 大鵬灣模型計算范圍Fig.2 Calculating scope of the Mirs Bay model

2 模型驗證

利用工程海域臨時潮位站L1、L2和鹽田潮位站的實測潮位資料對模型進行率定，利用工程海域6個潮流測點(1號～6號)的實測潮流資料對模型進行率定，驗證時間：大潮時段為2017年9月21日(農歷八月初二)15時至9月22日(農歷八月初三)17時。模型潮位和潮流驗證結果見圖3和圖4。由驗證結果可得，該水動力數學模型和實測值基本吻合，數學模型能夠反映計算區(qū)域的水動力特征，能夠用于工程前后水動力變化計算。

圖3 各潮位站大潮潮位驗證圖(2017年9月22日)Fig.3 Verification of tidal level of spring tide

圖4 各潮流測點大潮流速流向驗證圖(2017年9月22日)Fig.4 Verification of current velocity and direction of spring tide

3 水動力環(huán)境影響分析

3.1 潮流場影響分析

根據數模計算結果，由于圍填海工程尺度相對大鵬灣水域面積來說較小，與工程實施前相比，工程實施后，大鵬灣內大、小潮流態(tài)整體沒有發(fā)生明顯變化，即本工程實施對大范圍流場影響甚微，對流場的影響僅局限于工程局部范圍內。提取工程及附近海域工程實施前后大潮期間漲、落潮急時刻流速，并用工程后流速減去工程前流速，得到工程實施前后工程海域及附近漲、落潮急時刻流速變化圖(圖5)。由圖5可見，大潮段，漲急時刻流速變化幅度較大，最大變幅為0.10 m/s左右。流速減幅較大的范圍主要發(fā)生在圍填海工程的北側，漲潮期從大梅沙灣匯入港區(qū)口門的潮流由于受到圍填海工程的阻流作用，圍填海工程北側發(fā)生較大程度的流速減小，流速減幅在0.01～0.10 m/s之間，越接近圍填海工程，流速減小越為明顯。由于工程北側的阻流，潮流繞流沿漁港防波堤與工程東側進入口門的潮流匯合，流速加大，流速增幅最大位于漁港防波堤東側，達到0.10 m/s。落急時刻，流速變化較漲潮時段變幅小，最大變幅僅為0.06 m/s左右。由于圍填海工程的存在，對流出港區(qū)口門的潮流有阻礙作用，使進入大梅沙灣的水流流速減緩，一定程度上阻隔了港區(qū)與大梅沙灣水體之間的直接交換。

3.2 納潮量影響分析

為了分析工程實施對相關海域納潮量的影響，特選取4個典型斷面(圖6)，即黃竹角咀-秤頭角斷面1、吉澳島-背仔角斷面2、正角咀-背仔角斷面3和吉澳島-中港區(qū)斷面4，分別分析計算工程前后大范圍、中等范圍、大小梅沙和沙頭角海潮量變化情況。

由數模計算可得，工程實施后，吉澳島-背仔角斷面2大潮漲潮量減小147.13 萬m3，減幅約2.82%，大潮落潮量減小143.33 萬m3，減幅約2.85%，小潮漲潮量減小123.31 萬m3，減幅約2.89%，小潮落潮量減小135.87 萬m3，減幅約2.90%；吉澳島-中港區(qū)斷面4大潮漲潮量減小58.41 萬m3，減幅約2.08%，大潮落潮量減小61.26 萬m3，減幅約2.16%，小潮漲潮量減小35.97 萬m3，減幅約1.90%，小潮落潮量減小36.88 萬m3，減幅約1.65%。由以上分析可以看出，工程實施后，導致本海域納潮量減小，降低了本海域的水體自凈能力。

圖5 工程實施前后大潮漲、落急時刻流速變化圖Fig.5 Change of current velocity before and after the implementation of the project

圖6 斷面位置示意圖Fig.6 Location of the sections

3.3 水交換影響分析

在MIKE 21 Flow Model_FM HD模塊中加入TR模塊搭建二維水質數學模型。由二維水質數學模型結果分析得到，區(qū)域Ⅰ西部沙頭角及鄰近海域和區(qū)域Ⅱ大、小梅沙海域(圖7)污染物平均濃度隨時間的變化過程見圖8。

圖7 區(qū)域I和區(qū)域II研究區(qū)位置圖Fig.7 Location of research area

圖8 區(qū)域Ⅰ、區(qū)域Ⅱ污染物平均濃度隨時間變化過程線Fig.8 Time-varying process of average pollutant concentration

從圖8可以看出，工程實施前、后關注區(qū)域污染物平均濃度都隨著時間的推移呈現出整體下降趨勢。從平均濃度變化過程線可知，西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)內工程前污染物平均濃度在905 h(約37.7 d)后恒小于0.5，可以認為西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)水體工程前的半交換周期為37.7 d；西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)內工程后污染物平均濃度在932 h(約38.8 d)后恒小于0.5，可以認為西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)水體工程后的半交換周期為38.8 d。大、小梅沙海域(區(qū)域Ⅱ)水體工程前的半交換周期為9.2 d；大、小梅沙海域(區(qū)域Ⅱ)水體工程后的半交換周期為11.3 d。由此可知，工程實施后，西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)和大、小梅沙海域(區(qū)域Ⅱ)水體交換能力有所減弱，水體半交換周期分別增加約27和49 h。

4 結 語

通過模型計算結果分析，鹽田港東港區(qū)圍填海工程實施后，對大鵬灣海域及工程周邊海域水動力環(huán)境造成的影響主要包括以下幾個方面。

(1)工程實施后，大潮段，漲急時刻的流速變化幅度較大，最大變幅為0.10 m/s左右。流速減幅較大的范圍主要發(fā)生在圍填海工程的北側，漲潮期從大梅沙灣匯入港區(qū)口門的潮流由于受到圍填海工程的阻流作用，圍填海工程北側發(fā)生較大程度的流速減小，流速減幅在0.01～0.10 m/s之間，越接近圍填海工程，流速減小越為明顯。由于圍填海工程的存在，對流出港區(qū)口門的潮流有阻礙作用，使進入大梅沙灣的水流流速減緩，一定程度上阻隔了港區(qū)水體與大梅沙灣水體 之間的直接交換。

(2)工程實施將會導致工程及附近海域納潮量減小。吉澳島-中港區(qū)斷面4大潮漲潮量減幅約2.08%，大潮落潮量減幅約2.16%，小潮漲潮量減幅約1.90%，小潮落潮量減幅約1.65%，降低了本海域的水體自凈能力。

(3)大鵬灣屬于弱潮海灣，水動力較弱，水體半交換周期長，特別是港區(qū)及西部的沙頭角海域水體交換能力更弱，西部沙頭角及鄰近海域(區(qū)域Ⅰ)水體工程前的半交換周期為37.7 d，工程后半交換周期為38.8 d，工程實施會該海域水體半交換周期增加約27 h；大、小梅沙海域(區(qū)域Ⅱ)水體工程前的半交換周期為9.2 d，工程后半交換周期為11.3 d，工程實施會該海域水體半交換周期增加約49 h。