圍填海工程對渤海寒潮風(fēng)暴潮能量場的影響

劉 欣，鄧曉卓，鄭欣田，王敬烜，李泉杰，丁玉梅

（天津科技大學(xué)，天津 300457）

風(fēng)暴潮是由熱帶氣旋、溫帶氣旋以及寒潮大風(fēng)等大氣擾動引起的局地海平面異常升高或降低的現(xiàn)象[1]。風(fēng)暴潮災(zāi)害是全球范圍內(nèi)最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，在西北太平洋沿岸國家中，我國是風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多、損失最嚴(yán)重的國家之一[2-3]。渤海地處中國大陸東部北端，屬于半封閉淺海，平均水深只有18 m，在春、秋季節(jié)，我國渤海和黃海北部容易遭受寒潮風(fēng)暴潮的影響[1,4]。近年來，渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，興起圍填海造地、海堤和港口的熱潮。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2000 年到2010 年的10 年間，渤海海域的圍填海面積多達(dá)600 km2，岸線增加了331.6 km[5]，其中天津?yàn)I海新區(qū)共圍墾灘涂108 km2，曹妃甸新區(qū)共圍墾灘涂110 km2。大規(guī)模的圍填海工程在產(chǎn)生巨大社會經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給海洋生態(tài)環(huán)境造成了深遠(yuǎn)的影響[6]。海堤建設(shè)改變局地海岸岸線和地形，改變不同深度的海域面積和岸線長度，對于潮波和風(fēng)暴潮等重力長波的傳播、折射、反射和底能量耗散等產(chǎn)生很大影響，圍填海工程能夠改變波動的相位和能量空間分布，直接影響到海域的水動力環(huán)境，并對風(fēng)暴潮過程造成一定的影響[7-8]。

Xie Y 等[9]利用Mike 軟件建立了風(fēng)暴潮模型，指出圍填海引起的海平面邊界改變是影響杭州灣風(fēng)暴潮的主要因素，岸線變化使杭州灣風(fēng)暴潮增水在增加。Guo Y 等[10]指出，海岸工程使杭州灣灣口局部變得狹窄，海底地形發(fā)生改變，限制了流場的運(yùn)動，使風(fēng)暴潮水位升高。趙鑫等[11]利用SWAN 模型，研究了岸線變化對渤海灣風(fēng)浪場的影響，指出圍填海工程對波浪有效波高及波周期的影響程度不大。Ding Y 等[12]研究了圍填海工程對渤海風(fēng)暴潮增水的影響，使塘沽港等站位的風(fēng)暴潮增水增加明顯。本文利用FVCOM 淺海動力模型[13],對渤海寒潮風(fēng)暴潮過程進(jìn)行數(shù)值模擬和動力機(jī)制分析，研究圍填海工程對渤海寒潮風(fēng)暴潮能量場的影響。

1 模型設(shè)置與評價(jià)

基于FVCOM 淺海動力模型，建立了渤海潮汐和風(fēng)暴潮模型，對2003 年10 月的渤海潮汐過程和寒潮風(fēng)暴潮過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模型采用2000 年渤海岸線和圍填海工程后的2010 年岸線數(shù)據(jù)，模型中的水深數(shù)據(jù)采用 Choi B H 等[14]提供的東中國海水深數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格點(diǎn)上。渤海灣地區(qū)的岸線數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星反演獲得高分辨率岸線[5]，分辨率為0.001°。

模型的研究區(qū)域?yàn)檎麄€渤海海域，開邊界設(shè)在渤海海峽的東部。模型研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍為北緯 37°～41°，東經(jīng) 117°～123°。研究區(qū)域的地形及水深見圖1。

利用渤海2000 年海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐和風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，并對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。首先利用SMS 軟件，對模型研究海域進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分。在渤海灣塘沽港沿岸附近，模型設(shè)置的網(wǎng)格分辨率為300 m，隨著離岸距離的增加，分辨率依次變化為 1 000 m、2 000 m、4 000 m 和 8 000 m，到渤海海峽開邊界區(qū)域，達(dá)到10 000 m。三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 040 個，網(wǎng)格單元個數(shù)為129 710 個，開邊界節(jié)點(diǎn)個數(shù)為27 個。在開邊界，利用OTPS 軟件預(yù)報(bào)得到實(shí)時(shí)水位驅(qū)動，對M2、S2和K1等8 個主要分潮進(jìn)行調(diào)和分析，提供海洋水邊界條件。模型使用的風(fēng)場數(shù)據(jù)來自中尺度氣象預(yù)報(bào)模型WRF 風(fēng)場數(shù)據(jù)[15]，時(shí)間分辨率是每3 小時(shí)一次，空間分辨率是0.1°×0.1°，利用潮汐和風(fēng)場共同驅(qū)動 FVCOM 模型。

圖1 模型研究的渤海海域地形和水深圖

結(jié)合渤海潮汐模型的輸出數(shù)據(jù)，利用T-tide 軟件對渤海各個主要分潮進(jìn)行了調(diào)和分析，調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)與驗(yàn)潮站的觀測數(shù)據(jù)基本一致（表1）。

表1 M2 分潮調(diào)和常數(shù)觀測值和模擬值的比較

圖2 和圖3 分別是模擬得到的曹妃甸港和黃驊港的潮汐流速分量，圖中顯示潮汐最大流速在0.4～0.6 m/s 之間，流向?yàn)槊黠@的往復(fù)流，呈現(xiàn)明顯的不正規(guī)半日潮特征，模擬的流速和流向數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。對2003 年10 月渤海寒潮風(fēng)暴潮過程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算塘沽站風(fēng)暴潮增水和風(fēng)速時(shí)間序列，二者的相關(guān)系數(shù)為0.95，成顯著相關(guān)。氣壓場對渤海風(fēng)暴潮的影響效應(yīng)不明顯。在渤海海域，和風(fēng)場相比氣壓場是一個小量，可以不予考慮，風(fēng)應(yīng)力是渤海風(fēng)暴潮的主要強(qiáng)迫動力[1]。對塘沽站等站位的風(fēng)暴潮增水和實(shí)測增水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行了對比，模型數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)在增水極值、過程、趨勢都基本一致[12,16]。這說明本文建立的潮汐模型和風(fēng)暴潮模型可以用來研究渤海海域的寒潮風(fēng)暴潮過程及其動力學(xué)特征。

2 模擬結(jié)果分析

圖2 模擬的曹妃甸港潮汐流速和流向與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

圖3 模擬的黃驊港潮汐流速和流向與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

圍填海工程對岸線影響較大的是渤海灣，其次是萊州灣，最后是遼東灣。為了進(jìn)行對比，選取渤海灣海域的曹妃甸港、塘沽港和黃驊港以及萊州灣的羊角溝港、遼東灣的葫蘆島港作為五個主要站位（圖1），考察各站位能量密度的分布，研究岸線變化對渤海寒潮風(fēng)暴潮能量場的影響。

風(fēng)暴潮能量密度是指單位面積的水柱體所具有的動能能量密度與勢能能量密度之和，自海底到海面單位面積水柱體所包含的能量密度如下[17-18]，

式中：E表示總能量密度；Ke表示動能能量密度，Pe表示勢能能量密度；ρ=1.025×103kg/m3表示海水密度；g=9.8 m/s2表示重力加速度；H表示海底到海面的總水深；ζ 表示水位；u和 ν 分別表示垂向平均的關(guān)于x方向和y方向的流速分量。

2.1 圍填海工程對曹妃甸港能量密度的影響

曹妃甸港位于渤海灣灣口東北部, 與 2000 年岸線相比, 圍填海工程使其岸線形狀發(fā)生顯著變化。圖4-a 顯示，寒潮風(fēng)暴潮期間，岸線變化使曹妃甸港風(fēng)暴潮水位有少量增加，增幅大約在0.2 m 左右。岸線變化后，曹妃甸港海域的風(fēng)暴潮流速明顯減少，特別是沿岸海域，風(fēng)暴潮流速減幅在0.2～0.6 m/s左右（圖 4-b）。

根據(jù)能量密度方程，計(jì)算了曹妃甸港圍填海工程前后風(fēng)暴潮期間的能量密度變化。如圖5 顯示，如果不考慮岸線變化，在風(fēng)暴潮中期，風(fēng)暴潮能量密度有明顯增加的趨勢，這是由于風(fēng)暴潮期間風(fēng)應(yīng)力的作用，使風(fēng)暴潮流速和水位都有明顯增加?？紤]岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，由于曹妃甸港水位較低，因此勢能能量密度較小，岸線變化前后勢能能量密度變化不大。隨著風(fēng)暴潮水位逐漸增加，曹妃甸港的勢能能量密度逐漸增加，特別是在風(fēng)暴潮中期，勢能能量密度最大增加幅度大約是2×103kg/s2（圖5-a），在風(fēng)暴潮期間，勢能能量密度有明顯的震蕩，分析這與潮汐振幅的周期性有關(guān)。岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，曹妃甸港動能能量密度變化不大。在風(fēng)暴潮中期，相比2000 年，由于受圍填海工程阻水效應(yīng)的影響，風(fēng)暴潮流速有明顯減少的趨勢，水動力明顯減弱直接導(dǎo)致曹妃甸港風(fēng)暴潮動能能量密度顯著減少（圖5-b）。圖5-c 顯示，由于曹妃甸港沿岸水位較淺，勢能能量密度與動能能量密度量階相同，而動能能量密度變化較大，曹妃甸港的總能量密度變化受動能能量密度變化的影響，因此總能量密度相對有減弱的趨勢。

總之，圍填海工程后，在風(fēng)暴潮初期，曹妃甸港能量密度變化不大。在風(fēng)暴潮中期，在寒潮大風(fēng)以及潮汐和風(fēng)暴潮的相互作用下，曹妃甸港的勢能能量密度有增加的趨勢，由于港口建筑物的阻水效應(yīng)和岸線形態(tài)的約束作用，水動力明顯減弱，動能能量密度有減弱的趨勢，曹妃甸港總能量密度受動能能量密度的影響，有明顯減少的趨勢。

圖4 圍填海工程前后曹妃甸港風(fēng)暴潮水位和平均流速的比較

圖5 圍填海工程前后曹妃甸港風(fēng)暴潮能量密度的比較

2.2 圍填海工程對黃驊港能量密度的影響

黃驊港位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中部，是古黃河河口沖積區(qū)，港口附近水淺坡緩，是典型的人工大港，也是我國的主要煤炭輸出港之一，港口建筑物向東北方向延伸，其形狀和寒潮東北風(fēng)向大致相同。圍填海工程后，黃驊港南北兩側(cè)海域的風(fēng)暴潮水位有少量增加，增幅在 0.1～0.3m 之間（圖 6-a）。岸線變化后風(fēng)暴潮流速有相對減少的趨勢，模擬的風(fēng)暴潮平均流速相對減少了 0.1～0.3 m/s（圖 6-b）。

不考慮岸線的變化，在風(fēng)暴潮中期，由于東北向寒潮大風(fēng)的作用，黃驊港的風(fēng)暴潮水位和流速都明顯增加，因此對應(yīng)的勢能、動能和總能量密度有明顯增加的趨勢（圖7）。岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，由于風(fēng)暴潮水位較小，因此黃驊港勢能能量密度變化不大。在風(fēng)暴潮中期，隨著風(fēng)暴潮水位的增加，黃驊港勢能能量密度逐漸增加，在峰值處增加較大，出現(xiàn)最大增幅大約在6×103kg/s2，最大增加量出現(xiàn)的時(shí)間和趨勢與風(fēng)暴潮水位增加相一致（圖7-a）。在風(fēng)暴潮初期和后期，黃驊港動能能量密度較小而且變化不大，這是由于風(fēng)暴潮流速變化較小的原因。在風(fēng)暴潮中期，由于受岸線變化和港口建筑物的影響，黃驊港海域南北兩側(cè)的風(fēng)暴潮平均流速相對有減少的趨勢，因此黃驊港風(fēng)暴潮動能能量密度有相對減弱的趨勢，最大減幅大約在3×103kg/s2（圖7-b）。從總體趨勢來看，由于黃驊港勢能能量密度比動能能量密度相對較大，因此總能量密度受勢能能量密度的影響較大，有相對增加的趨勢，最大增幅大約在5×103kg/s2（圖7-c）。

總之，圍填海工程后，在寒潮風(fēng)暴潮期間，由于寒潮大風(fēng)的作用，黃驊港水位上升，風(fēng)暴潮勢能能量密度有所增加，由于港口建筑物的阻水效應(yīng)，風(fēng)暴潮流速有所減弱，對應(yīng)的動能能量密度有相對減少的趨勢，計(jì)算顯示黃驊港的總能量密度受勢能能量密度的影響較大，因此總能量密度有增加的趨勢。

圖6 圍填海工程前后黃驊港風(fēng)暴潮水位和平均流速的比較

圖7 圍填海工程前后黃驊港風(fēng)暴潮能量密度的比較

3 分析與結(jié)論

圍填海工程改變渤海局地的岸線形態(tài)，改變波動傳播過程，使渤海風(fēng)暴潮能量場發(fā)生改變。在寒潮風(fēng)暴潮期間，岸線變化后曹妃甸港和黃驊港等站位的風(fēng)暴潮増水有增加的趨勢，風(fēng)暴潮流速有相對減弱的趨勢，因此風(fēng)暴潮勢能能量密度有相對增加的趨勢，其動能能量密度有相對減少的趨勢。在曹妃甸港，由于岸線的變化和建筑物的影響，寒潮風(fēng)暴潮期間的水位不高，動能能量密度相對減少，總能量密度受動能能量密度影響較大，有相對減弱的趨勢。在黃驊港等站位，勢能能量密度大于動能能量密度，因此岸線變化使風(fēng)暴潮總能量密度受勢能能量密度影響較大，總能量有增加的趨勢。風(fēng)暴潮能量密度的變化，將直接影響到能量通量輸運(yùn)和耗散過程。圍填海工程后，風(fēng)暴潮增水和風(fēng)暴潮勢能能量密度的增加，使風(fēng)暴潮災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性有所增加，也對海堤防護(hù)產(chǎn)生不利的影響；同時(shí)，由于岸線變化，導(dǎo)致了風(fēng)暴潮水動力的減弱和動能能量密度相對較少，會對近岸海域附近的泥沙沖淤、污染物輸運(yùn)造成不利影響。因此，建議相關(guān)部門應(yīng)該保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，適度評估和規(guī)范圍填海工程，減少圍填海工程對海洋環(huán)境的不利影響，構(gòu)建自然化和生態(tài)化的海岸線。本文僅局限于風(fēng)暴潮個例的研究，模擬結(jié)果也有待于進(jìn)一步改進(jìn)。后續(xù)將會繼續(xù)研究黃渤海風(fēng)暴潮能量通量變化以及能量耗散規(guī)律，對風(fēng)暴潮災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)測研究。