圍墾工程群對(duì)杭州灣南岸累積水動(dòng)力影響分析

方 強(qiáng)，黃賽花，許雪峰，王繼保，李東風(fēng)，謝華偉

(1.浙江水利水電學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，杭州 310018；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌 443000；3.自然資源部第二海洋研究所海洋工程重點(diǎn)研究室，杭州 310012)

浙江省灘涂資源豐富，開發(fā)利用率較高，其中杭州灣灘涂開發(fā)利用率尤為顯著。杭州灣位于浙江東北部，西接紹興市，東連寧波市，北接嘉興市和上海市，具有海域?qū)掗煛⒊辈畲?、流速急等特點(diǎn)，為典型的喇叭口海灣。圍墾工程不僅滿足了浙江省日益緊張的土地資源問題，而且有利于浙江經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展[1]。20世紀(jì)70年代至2014年，杭州灣共圍墾851.03 km2，其中20世紀(jì)70年代圍墾面積最大，占總圍墾面積的21.33%[2]。

國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者已運(yùn)用數(shù)值模擬、半理論半經(jīng)驗(yàn)等方法從不同角度分析圍墾工程對(duì)杭州灣水動(dòng)力水環(huán)境的影響。邵明明等[3]運(yùn)用FVCOM結(jié)合Landsat遙感數(shù)據(jù)分析2005—2015年圍墾工程對(duì)杭州灣潮位、潮流和余流的影響。李莉等[4]建立杭州灣三維水動(dòng)力數(shù)值模型，分析岸線變化對(duì)其水動(dòng)力特征的影響，結(jié)果表明岸線縮窄影響分潮振幅、相位及潮汐不對(duì)稱等。郜會(huì)彩等[5]通過濃度示蹤數(shù)學(xué)模型分析錢塘江河口水體交換能力，結(jié)果表明岸線變化會(huì)影響水體交換時(shí)間，但不明顯。宋立松[6]根據(jù)河床變形方程、最小能耗原理和灰色理論進(jìn)行錢塘江河口圍墾回淤過程預(yù)測(cè)。鄒志年等[7]分析圍涂工程建設(shè)前后杭州灣無機(jī)氮和葉綠素的變化情況。韓曾萃等[8]運(yùn)用咸水入侵一維數(shù)學(xué)模型分析大型水庫(kù)修建及治江縮窄后咸水入侵的時(shí)空變化。葉濤焱等[9]分析潮灘減少對(duì)杭州灣懸沙輸移的影響，并基于反演模型探討近30 a岸線變化下杭州灣最大渾濁帶(TMZ)的時(shí)空變化特征[10]。潘存鴻等[11]分析圍涂工程對(duì)灣內(nèi)潮差變化影響的內(nèi)在機(jī)理，并以圍涂面積作為定量化指標(biāo)探討其與海平面上升間的關(guān)系。此外，Guo等[12]、謝亞力等[13-14]研究岸線變遷和海床變形對(duì)杭州灣風(fēng)暴潮的影響。曹穎[15]淺析治江縮窄后錢塘江河口下移特性變化。

上述研究主要分析圍墾工程對(duì)杭州灣的整體影響程度，而關(guān)于累積的圍墾工程對(duì)局部區(qū)域影響的詳細(xì)研究較少。浙江省政府規(guī)劃的浙江大灣區(qū)“四大新區(qū)”中的寧波前灣新區(qū)和紹興濱海新區(qū)均位于杭州灣南岸。大面積圍墾導(dǎo)致灣內(nèi)河床束窄，杭州灣水動(dòng)力條件發(fā)生變化，進(jìn)而影響杭州灣水體交換能力，不利于污染物的擴(kuò)散，尤其是杭州灣南岸。相關(guān)資料表明，南岸沿岸海域水質(zhì)受圍涂工程等人類活動(dòng)的影響較大[16]。因此，研究累積的圍墾工程對(duì)杭州灣南岸水動(dòng)力的影響是十分有必要的。本文在前人的基礎(chǔ)上，首次重點(diǎn)分析了近20 a來杭州灣南岸沿岸海域水動(dòng)力的累積變化。研究結(jié)果可為寧波前灣新區(qū)和紹興濱海新區(qū)的規(guī)劃提供參考價(jià)值。

1 模型建立及驗(yàn)證

1.1 水動(dòng)力控制方程

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

式中：h=η+d，為總水深；η為水位；d為靜止水深；u、v為流速分量；f為科氏力，f=2Ωsinφ；sxx、sxy、syy為波浪輻射應(yīng)力分量；τsx、τsy為風(fēng)應(yīng)力分量；τbx、τby為底部摩擦應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyy為黏性分量；S為源匯項(xiàng)。

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

模型上邊界取在錢塘江西興大橋附近，下邊界為蘆潮港-鎮(zhèn)海一線，如圖1所示。1997—2015年間杭州灣岸線復(fù)雜多變，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域。圍墾區(qū)附近海域進(jìn)行網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離工程區(qū)海域網(wǎng)格相對(duì)稀疏，不同尺度網(wǎng)格之間通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)平滑過渡。計(jì)算域內(nèi)共有19 789個(gè)三角形網(wǎng)格單元，10 429個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格大小為0.004～3.3 km2。1997年、2007年和2015年網(wǎng)格數(shù)量、大小相同。

圖1 計(jì)算區(qū)域及測(cè)站位置

1.3 初始條件

研究不考慮溫鹽因素影響，因此模型初始條件僅包含水位和流速條件。初始條件對(duì)最終計(jì)算結(jié)果影響不大，但初始條件越精確，模型達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短。由于缺乏相關(guān)資料，初始水位和流速均設(shè)為0。

(4)

式(4)中：z為水位，m；u、v為流速分量，m/s。

1.4 邊界條件

上游設(shè)定流量邊界，下游設(shè)定潮位邊界。根據(jù)富春江水電站年平均數(shù)據(jù)，設(shè)定上邊界流量為 952 m3/s。根據(jù)蘆潮港、鎮(zhèn)海實(shí)測(cè)潮位，運(yùn)用差分器差分得到下邊界潮位值。固壁邊界采用法向零通量條件。不考慮表層風(fēng)場(chǎng)對(duì)杭州灣水動(dòng)力的影響。

1.5 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1.5.1 干濕水深判別

杭州灣南岸淺灘分布廣，跨度大。漲潮時(shí)漫灘，落潮時(shí)露灘。干濕水深判別對(duì)計(jì)算結(jié)果和模型穩(wěn)定性至關(guān)重要。采用干濕網(wǎng)格法進(jìn)行判別，即干水深0.005 m，淹沒水深0.05 m，濕水深0.1 m。

1.5.2 底床糙率

謝才系數(shù)、曼寧系數(shù)、粗糙高度均可表征底床糙率。選取曼寧系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行多次率定，取0.017。

圖3 流速、流向驗(yàn)證

1.5.3 水平渦黏系數(shù)

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky公式計(jì)算水平渦粘系數(shù)，其值一般為0.25～1.0。經(jīng)多次率定，取0.28。

1.5.4 科氏力

科氏力取所在海域平均緯度，即φ=27.50°。

1.6 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

選取2012年10—11月杭州灣實(shí)測(cè)潮位和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，測(cè)站位置如圖1所示，其中 H1～H9為潮流測(cè)站，#1～#3為潮位測(cè)站。如圖2所示為潮位驗(yàn)證結(jié)果(2012年10月27日—2012年11月1日)，如圖3所示為H1、H2、H3、H7潮流驗(yàn)證結(jié)果(2012年11月1—2日)。由于篇幅有限，只給出潮位測(cè)站#3和潮流測(cè)站H1、H2、H3、H7的驗(yàn)證結(jié)果。總體來說，潮位、潮流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，所建數(shù)學(xué)模型能較好反映杭州灣水動(dòng)力情況，可用于杭州灣海域相關(guān)問題的研究。

圖2 潮位驗(yàn)證

2 工程前后杭州灣南岸水動(dòng)力變化分析

2.1 高潮位變化

杭州灣水位高低主要受天文潮、徑流豐枯、河槽平面擺動(dòng)和人類活動(dòng)等條件影響[17]。因此研究單因素變化對(duì)高低潮位的影響更具可比性。本數(shù)值模型中未圍墾海域水深并未改變，能較好地反映因圍墾工程引起的岸線變化對(duì)潮位的影響。一般情況下，河口地區(qū)圍填海工程建設(shè)后單寬流量增加，高潮位有所抬升[18]。

為了更直觀地分析累積的圍墾工程建設(shè)前后杭州灣南岸高潮位的變化特征，研究沿杭州灣南岸自西向東依次選取T1～T6共6個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 特征點(diǎn)位置示意圖

1997年、2007年和2015年杭州灣南岸特征點(diǎn)天文大潮期間高潮位及其變化如表1所示。從表1可以看出，1997—2015年杭州灣圍墾工程的實(shí)施會(huì)使杭州灣內(nèi)高潮位抬升，高潮位自西向東呈降低趨勢(shì)。特征點(diǎn)T6離灣口較近，該處海域開闊，高潮位變化受圍墾工程影響最小，高潮位最大抬升 0.04 m。1997—2007年間，尖山和上虞圍墾面積較大，其中尖山一側(cè)圍墾約52.2 km2，上虞一側(cè)圍墾約45.9 km2，尖山至上虞斷面間距收縮劇烈，高潮位抬升尤為顯著。因此1997—2007年間特征點(diǎn)T1、T2高潮位抬升均超過0.3 m，特征點(diǎn)T1高高潮抬升最大。其中2007年特征點(diǎn)T1、T2高高潮與1997年相比分別抬升0.60、0.43 m，高低潮與1997年相比分別抬升0.52、0.31 m。2007—2015年間，圍墾區(qū)域主要集中在上虞、余姚和慈溪一側(cè)，面積約為260.8 km2。慈溪段岸線向?yàn)硟?nèi)過于凸出，南北兩岸河床斷面距離驟減，特征點(diǎn)T3高潮位抬升最大，2015年特征點(diǎn)T3高高潮與2007年相比抬升0.23 m，高低潮與2007年相比抬升0.19 m。此外，除特征點(diǎn)T5外，高高潮受累積的圍墾工程的影響程度大于高低潮。

2.2 淺灘漫灘流變化

縱觀整個(gè)漲落潮流過程可知，漲潮時(shí)，東海潮波從計(jì)算域東邊界傳入，并沿杭州灣水域向西傳播，落潮時(shí)相反。由于尖山下游杭州灣水域相對(duì)開闊，潮流表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流形式，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，但旋轉(zhuǎn)形態(tài)相對(duì)較弱，旋轉(zhuǎn)橢圓短軸較小。受岸線及水下地形引導(dǎo)與約束的影響，杭州灣南、北岸流場(chǎng)差異較大。圖5～圖7為1997年、2007年和2015年杭州灣海域天文大潮期間漲、落急流場(chǎng)圖。杭州灣南岸主要以余姚淺灘和庵東淺灘為主，空間跨度大，面積廣。由圖可知，1997年余姚淺灘和庵東淺灘漫灘流特性顯著。1997—2015年間，尖山一側(cè)及余姚、庵東淺灘面積變化明顯，對(duì)淺灘漫灘流的動(dòng)力影響較大，漫灘流特性有所減弱。整體來說，近20 a的圍墾工程對(duì)杭州灣南岸淺灘漫灘流影響明顯，離南岸較遠(yuǎn)海域流場(chǎng)影響不大。

表1 天文大潮期高潮位及其變化

圖5 1997年漲急流場(chǎng)和落急流場(chǎng)

圖6 2007年漲急流場(chǎng)和落急流場(chǎng)

圖7 2015年漲急流場(chǎng)和落急流場(chǎng)

2.3 流速變化

1997—2015年杭州灣圍墾區(qū)域主要為淺灘，灣內(nèi)海域面積驟減，納潮量大大減小，勢(shì)必會(huì)對(duì)杭州灣潮流流速產(chǎn)生影響。研究選取天文大潮期間漲、落急時(shí)刻分析累積的圍墾工程對(duì)杭州灣南岸近岸海域流速的影響。為便于比較，將年際間的漲、落急流速變化統(tǒng)一呈現(xiàn)于1997年岸線下。如圖8所示，分別為各年份間漲、落急流速對(duì)比圖，其中正值表示流速增大，反之則減小。從圖8可知，圍墾區(qū)前沿及河道斷面收縮劇烈的河段流速變化較大，其余區(qū)域流速變化較小，至灣口處已無顯著影響。由漲急流速變化圖可知，2007年與1997年相比，南岸近岸海域流速有所減小，大部分區(qū)域流速減小 0.1～0.4 m/s，極個(gè)別區(qū)域流速減小超過0.8 m/s以上；2015年與2007年相比，南岸近岸海域流速繼續(xù)減小，慈溪-余姚近岸區(qū)域減小幅度以0.2～0.4 m/s 為主，而寧波北侖-鎮(zhèn)海近岸海域流速減小甚微。整體來看，1997—2015年杭州灣南岸漲急流速有較為明顯的累積效應(yīng)。由落急流速變化圖可知，2007年與1997年相比，杭州灣南岸近岸海域流速有所降低，寧波北侖-鎮(zhèn)海近岸稍遠(yuǎn)海域流速略微增加，但不明顯；2015年與2007年相比，南岸近岸海域流速繼續(xù)減小。整體來看，1997—2015年杭州灣南岸落急流速呈現(xiàn)出大面積累積減小的趨勢(shì)。

圖8 漲、落急時(shí)刻流速變化

3 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模型模擬1997—2015年杭州灣圍墾前后水動(dòng)力場(chǎng)，重點(diǎn)分析圍墾工程對(duì)杭州灣南岸水動(dòng)力場(chǎng)的影響，得出以下結(jié)論。

(1)1997—2015年間的圍墾工程對(duì)杭州灣南岸高潮位影響顯著，特征點(diǎn)高潮位均有顯著抬升。自灣頂往灣口方向，河床斷面間距增大，海域逐漸開敞寬闊，特征點(diǎn)高潮位自西向東呈降低趨勢(shì)。

(2)杭州灣南岸以淺灘為主，漲潮時(shí)漫灘流顯著。1997—2015年間的圍墾工程對(duì)南岸漫灘流影響較大，漫灘流特性有所減弱。

(3)1997—2015年間的圍墾工程導(dǎo)致杭州灣海域面積驟減，對(duì)杭州灣南岸近岸海域流速影響較為明顯。南岸大部分近岸海域漲、落急流速均有不同程度的降低，并且南岸近岸海域漲急流速有較為明顯的累積效應(yīng)。