龍口灣水動(dòng)力特征及其對人工島群建設(shè)的響應(yīng)

費(fèi)成鵬，胡日軍,2，雒敏義，姜?jiǎng)佥x,2，張曉東,2，朱龍海,2，劉波

1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266100

3. 青島市即墨區(qū)自然資源局，青島 266200

海灣具有獨(dú)特的自然環(huán)境和優(yōu)越的地理位置，對人類生存及社會(huì)發(fā)展具有極其重要的意義[1]，然而海灣是一個(gè)相對封閉的海洋環(huán)境，其水交換能力較差，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，對人工構(gòu)筑物建設(shè)等人類活動(dòng)的干擾較為敏感[2]。人工構(gòu)筑物的建設(shè)可以有效增加自然岸線、提高海洋資源利用效率，但人工構(gòu)筑物的建設(shè)會(huì)改變原有海域的地形條件，直接或間接地影響海洋生態(tài)環(huán)境[3]，導(dǎo)致所在海域潮流、潮位、波浪等水動(dòng)力條件發(fā)生變化[4-5]，甚至經(jīng)常引起更大程度的極端事件以及海平面上升現(xiàn)象[6]。因此，為了保護(hù)海灣環(huán)境實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究人工島建設(shè)等人類活動(dòng)對海灣環(huán)境的影響尤為重要[1,7]。

圍填海工程建設(shè)等人類活動(dòng)對水動(dòng)力環(huán)境的影響，一直以來吸引著國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。近岸潮汐的變化與圍填海工程的建設(shè)密切相關(guān)[8]，Byun 等[9]認(rèn)為在潮汐占主導(dǎo)地位、壅塞的河口或港灣環(huán)境中建造堤壩或海堤等圍填海工程，可能導(dǎo)致潮汐振幅顯著增加和水流速度下降。圍填海工程的建設(shè)不會(huì)導(dǎo)致潮流特征大范圍改變，僅在工程區(qū)域附近有較大變化[10]，流向受工程影響會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，工程防波堤等會(huì)引起挑流作用的區(qū)域流速增大，其余區(qū)域流速普遍減小[11-12]。法國蘭斯河口世界第二大潮汐電站[13]以及加拿大芬迪灣潮汐動(dòng)力潟湖工程[14]對附近潮流也產(chǎn)生了類似的影響。海岸的形態(tài)對于波浪能的耗散具有關(guān)鍵作用[15]，圍填海工程造成的海岸形態(tài)的改變往往會(huì)中斷與波浪條件相關(guān)聯(lián)的沿岸泥沙輸運(yùn)，同時(shí)會(huì)破壞海岸抵抗風(fēng)暴的能力[16]，但設(shè)計(jì)良好的防波堤會(huì)有效減小入港波浪的有效波高，從而達(dá)到保護(hù)港口的目的[17-18]。圍填海造成的海域面積減小會(huì)直接導(dǎo)致納潮量減少[19-20]，例如馬爾代夫國際機(jī)場擴(kuò)建工程[21]、雅加達(dá)灣巨型海堤[22]以及膠州灣圍填海工程[23]等。水交換也會(huì)受到圍填海工程的影響[24]，岸線大規(guī)模的改變會(huì)導(dǎo)致水交換能力減弱，通過修復(fù)岸線對水交換能力具有促進(jìn)作用[25]，岸線變遷引起的水動(dòng)力環(huán)境的改變是影響水交換率的主要因素[26]。此外，還有學(xué)者在水動(dòng)力環(huán)境變化的基礎(chǔ)上探討了沖淤環(huán)境以及地貌演變對海岸工程建設(shè)的響應(yīng)[27-29]，同時(shí)對于圍填海工程造成的水質(zhì)污染[30-31]、海洋生物受損[32-33]等方面的研究也有很多學(xué)者涉獵。然而，前人的研究多集中于河口或者較為開闊的海灣或海域中圍填海工程的建設(shè)，對于小海灣中大規(guī)模離岸人工島群建設(shè)對海洋環(huán)境影響的相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道，因此，本文針對龍口灣水動(dòng)力特征及其對人工島群建設(shè)的響應(yīng)進(jìn)行較為全面的研究。

龍口灣面積約84.13 km2，龍口人工島面積約35.23 km2，約占龍口灣面積的41%，因此，在龍口灣這類小海灣中建設(shè)大規(guī)模的圍填海工程，勢必對其海洋生態(tài)環(huán)境造成明顯影響。劉星池[34]等通過建立龍口灣水沙數(shù)值模型來預(yù)測人工島建設(shè)對海洋環(huán)境的影響，人工島建設(shè)會(huì)導(dǎo)致龍口灣潮流流速流向均發(fā)生不同程度的變化，沖淤特征表現(xiàn)為人工島北側(cè)和西南側(cè)海域以沖淤為主，西側(cè)海域以侵蝕為主[35]，人工島外懸浮泥沙濃度和懸沙通量大于島內(nèi)水道[36]，同時(shí)表層沉積物組合特征也產(chǎn)生了重要變化[37]。但是，目前對于人工島群建設(shè)對龍口灣水環(huán)境的影響研究主要集中在潮流場變化，缺乏其對水動(dòng)力環(huán)境的系統(tǒng)研究；同時(shí)，龍口人工島的實(shí)際建設(shè)方案與設(shè)計(jì)方案存在明顯差異，導(dǎo)致前人對于該區(qū)域的研究存在誤差，不能完全反映人工島群建設(shè)對龍口灣水動(dòng)力特征的影響。因此，本文利用龍口灣以及附近海域的水深地形、潮汐潮流等實(shí)測資料，利用Mike21 數(shù)學(xué)模型，分析了人工島建設(shè)前后龍口灣的水動(dòng)力特征，并在此基礎(chǔ)上探討了人工島群建設(shè)對龍口灣潮流、波浪、潮位、納潮量以及水交換的影響。

1 研究區(qū)概況

龍口灣為萊州灣的一個(gè)附屬海灣，灣廓呈半圓形，是典型的連島壩成因的次生海灣[38]。20 世紀(jì)90 年代以來龍口灣海岸開發(fā)活動(dòng)不斷增多，極大地改變了龍口灣的海岸形態(tài)和地形地貌[39]，其中以龍口人工島規(guī)模最大。除航道外，灣內(nèi)水深不足10 m，灣外水深一般為10～20 m（圖1）。屺坶島以南的連島海岸以基巖海岸或人工岸線為主，人工島群以南主要為砂質(zhì)海岸。表層沉積物主要以粉砂和砂為主，灣外沉積物粒徑較粗[40]。潮汐性質(zhì)為不規(guī)則半日潮，潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日潮流為主，潮流運(yùn)動(dòng)形式主要為往復(fù)流[41]。波浪以風(fēng)浪為主，灣內(nèi)常浪向?yàn)镾W 向，強(qiáng)浪向?yàn)閃SW 向，灣外常浪和強(qiáng)浪向均為NE 向[42]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 潮流場數(shù)值模擬

本文潮流場模擬采用Mike21 中的Flow Model FM HD 模塊[43]進(jìn)行，模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，計(jì)算域范圍如圖2 所示，坐標(biāo)范圍為36°59′15.743″～40°59′21.417″N、117°32′22.881″～122°39′30.992″E，覆蓋整個(gè)渤海海域及部分北黃海海域[44]。人工島群建設(shè)前后除工程區(qū)域外其他位置的網(wǎng)格一致，增強(qiáng)了前后對比的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2 研究區(qū)計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 Gridding of the study area

對位于潮灘區(qū)的干、濕網(wǎng)格采用動(dòng)邊界的方法進(jìn)行處理。為能清楚了解研究區(qū)所在海域潮流場特征，對該海域網(wǎng)格作局部加密處理。水深資料采用中國人民解放軍海軍航海保證部制作的海圖1∶100 萬（10011 號）、1∶15 萬（11370 號、11570 號、11710 號、11840 號、11910 號、11932 號）水深資料及研究區(qū)附近海域最新實(shí)測水深資料。

2.2 波浪場數(shù)值模擬

波浪場模擬采用Mike21 中的SW 淺水波浪數(shù)值模塊，該模型廣泛適用于大范圍或者局部區(qū)域的波浪預(yù)報(bào)和分析以及不同歷史條件下近海、海岸和港口結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)過程中的波浪情況預(yù)報(bào)[45]。

波浪數(shù)值模擬的計(jì)算域及網(wǎng)格、岸界和水深資料與本文潮流場數(shù)值模擬設(shè)置一致，分別模擬了研究區(qū)N 向和SW 向六級風(fēng)（12 m/s）作用24 小時(shí)下的波浪場狀況，以此來探討人工島群建設(shè)對龍口灣波浪場的影響。

2.3 納潮量計(jì)算

納潮量是一個(gè)水域可以接納潮水的體積，海灣的納潮量不僅是衡量海灣開發(fā)價(jià)值的一個(gè)水文指標(biāo)，而且也是反映灣內(nèi)外水交換的一個(gè)重要參數(shù)[46]，本文對納潮量的計(jì)算采用葉海桃[47]等對三沙灣納潮量的算法，其公式如下：

式中：P為納潮量，單位：m3；

ΔH為潮差，單位：m；

A0為最低潮位下水域面積，單位：m2；

ΔHi′為潮灘上第i個(gè)網(wǎng)格高潮位時(shí)的水深，單位：m；

Ai為第i個(gè)網(wǎng)格上最低潮位時(shí)的水域面積，單位：m2。

由于龍口人工島最西側(cè)填海區(qū)域超出了龍口灣界線（37°32′15.982″～37°40′12.993″N、120°13′26.819″～120°13′43.580″E），無法采用原龍口灣的界線來計(jì)算納潮量，因此本文選取從屺坶島至石虎咀斷面和海岸線封閉的區(qū)域?yàn)楸疚挠?jì)算區(qū)域（圖1），以下簡稱“計(jì)算區(qū)域”。

2.4 水交換計(jì)算

水交換是海洋環(huán)境科學(xué)研究的一個(gè)基本命題，水交換率的計(jì)算是研究海灣自凈能力的重要指標(biāo)和手段[48]。本文對水交換率的計(jì)算采用保守污染物濃度擴(kuò)散的方法[49]，在Mike21 水動(dòng)力數(shù)值模型中，初始時(shí)刻將計(jì)算區(qū)域內(nèi)示蹤劑濃度設(shè)為1，外海域設(shè)為0，其他水動(dòng)力條件保持不變，得到水交換率等于（1-濃度值）×100%。水交換計(jì)算區(qū)域與納潮量計(jì)算區(qū)域一致，計(jì)算時(shí)長30 d。

3 結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

本文收集了大連、旅順、鲅魚圈、曹妃甸、大口河、濰坊港、北隍城、八角、煙臺港、龍口港等10 個(gè)潮位站歷史觀測資料并采用傅氏分析方法[50]進(jìn)行調(diào)和分析，選用M2、S2、K1、O1四個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)預(yù)報(bào)出大潮期的潮位變化，同時(shí)結(jié)合中國海洋大學(xué)2017 年5 月10—11 日在工程附近進(jìn)行的2 個(gè)站位的潮位觀測資料進(jìn)行潮位驗(yàn)證；采用2017 年5 月10— 11 日（大潮）6 個(gè)站位27 小時(shí)海流同步連續(xù)觀測資料進(jìn)行流向流速驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，模擬結(jié)果和實(shí)測值吻合較好。限于篇幅限制，本文僅列出研究區(qū)周邊的潮位驗(yàn)證曲線（C4 站位和龍口港）和潮流驗(yàn)證曲線（C4、C5 和C6 站位），見圖3 和圖4。

圖3 潮位驗(yàn)證曲線Fig.3 Tide verification curve

圖4 流速流向驗(yàn)證曲線Fig.4 Current velocity and direction validation curve

3.2 潮流場特征

3.2.1 人工島建設(shè)前潮流場

潮流場數(shù)值模擬結(jié)果表明，在漲急時(shí)刻，灣外潮流流向整體上為西南向，受地形影響較小，流向變化較小，灣內(nèi)潮流方向主要為西南向和南向，在屺坶島西南側(cè)潮流轉(zhuǎn)為東南向，進(jìn)入灣內(nèi)則變?yōu)闁|向，向南逐漸轉(zhuǎn)為西南向；流速在屺坶島西側(cè)最大，可達(dá)0.68 m/s，龍口灣內(nèi)流速較小，整體小于0.2 m/s，且越靠近岸線流速越小。落急時(shí)刻的整體規(guī)律與漲急時(shí)刻相反，潮流帶為明顯的往復(fù)流形式，灣外潮流流向整體上為東北向，灣內(nèi)潮流流向在龍口灣內(nèi)受地形影響發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)為西北向至屺坶島流向?yàn)惩?；流速在屺坶島西北側(cè)最大，可達(dá)0.8 m/s，龍口灣內(nèi)流速分布與漲急時(shí)刻類似（圖5）。

圖5 人工島建設(shè)前漲急和落急時(shí)刻潮流場分布圖（大潮期）Fig.5 Current fields during flood and ebb of tide before construction of artificial island (spring tide)

3.2.2 人工島建設(shè)后潮流場

人工島建設(shè)后，龍口灣潮流場特征發(fā)生了明顯的改變。漲急時(shí)刻，灣外潮流流向整體上為西南向，流向變化較小，灣內(nèi)潮流流向較為復(fù)雜，整體上圍繞人工島外側(cè)流出灣內(nèi)，小部分進(jìn)入島內(nèi)水道，在人工島防波堤內(nèi)存在一個(gè)漩渦；灣外流速較大，為0.2～0.8 m/s，流速由北向南逐漸減小，灣內(nèi)流速整體小于0.1 m/s。落急時(shí)刻潮流流向整體上與漲急時(shí)刻相反，灣外潮流流向整體上為東北向，灣內(nèi)潮流在人工島南部逆時(shí)針轉(zhuǎn)為西北向，在人工島防波堤處一部分向北流出灣內(nèi)，一部分轉(zhuǎn)為東方向進(jìn)入龍口港圍繞岸線流向?yàn)惩猓粸惩饬魉贋?.2～0.8 m/s，灣內(nèi)流速整體上小于0.1 m/s（圖6）。

圖6 人工島建設(shè)后漲急和落急時(shí)刻潮流場分布圖（大潮期）Fig.6 Current fields during flood and ebb of tide after construction of artificial island (spring tide)

3.3 波浪場特征

3.3.1 SW 向6 級風(fēng)作用下波浪場特征

人工島建設(shè)前，SW 向6 級風(fēng)（風(fēng)速12 m/s）作用12 小時(shí)情況下，灣外有效波高較大，大部分區(qū)域有效波高大于1.2 m，受SW 向風(fēng)和地形的影響，波高等值線形態(tài)向南凸出。灣內(nèi)有效波高整體小于1.2 m，近岸人工構(gòu)筑物的掩蔽作用[51]較為明顯，在龍口港內(nèi)以及屺坶島南側(cè)部分半封閉區(qū)域形成波影區(qū)，有效波高小于0.4 m；受灣內(nèi)水深影響，波高等值線變化率較快，且逐漸趨于與岸線平行（圖7）。

圖7 SW 向6 級風(fēng)下人工島建設(shè)前后波浪場分布圖Fig.7 Wave fields before and after construction of artificial island under southwest wind

人工島建設(shè)后，SW 向6 級風(fēng)作用12 小時(shí)情況下，灣外的波浪特征并未發(fā)生明顯的變化，有效波高整體上大于1.2 m，波高等值線形態(tài)向南凸出。灣內(nèi)有效波高整體減小，屺坶島南側(cè)局部區(qū)域有效波高能達(dá)到1.3 m 左右，其他區(qū)域有效波高小于1.1 m。人工島的建設(shè)使得龍口灣的地形變得更為復(fù)雜，除龍口港內(nèi)和屺坶島附近形成波影區(qū)外，人工島水道內(nèi)也形成波影區(qū)，波影區(qū)有效波高小于0.4 m。

3.3.2 N 向6 級風(fēng)作用下波浪場特征

人工島建設(shè)前，N 向6 級風(fēng)（12 m/s）作用12 小時(shí)情況下，灣外有效波高整體較大，大部分區(qū)域有效波高大于1.65 m，受N 向風(fēng)和地形的影響，波高等值線形態(tài)向南凸出。灣內(nèi)有效波高整體小于1.2 m，波高等值線形態(tài)向東凸出，受灣內(nèi)水深影響，波高等值線變化率較快，且逐漸趨于與岸線平行（圖8）。

圖8 N 向6 級風(fēng)下人工島建設(shè)前后波浪場分布圖Fig.8 Wave fields before and after construction of artificial island under north wind

人工島建設(shè)后，N 向6 級風(fēng)作用12 小時(shí)情況下，灣外的波浪特征并未發(fā)生明顯的變化，有效波高整體上大于1.65 m。灣內(nèi)有效波高整體減小，在人工島防波堤處波高驟減，形成波影區(qū)，灣內(nèi)有效波高整體小于1.35 m，人工島建設(shè)區(qū)域有效波高形態(tài)變化較大，人工島北側(cè)區(qū)域有效波高形態(tài)變化較小。

3.4 納潮量

本文分別計(jì)算了人工島建設(shè)前后大潮期和小潮期的納潮量，結(jié)果如表1 所示，人工島建設(shè)前大潮期納潮量1.3620×108m3，小潮期納潮量9.1227×107m3，平均納潮量1.1371×108m3；人工島建設(shè)后大潮期納潮量1.1749×108m3，小潮期納潮量7.8660×107m3，平均納潮量9.8075×107m3。相比工程建設(shè)前后，大潮期納潮量減小了13.74%，小潮期納潮量減小了13.78%，平均減小了13.75%，可見人工島的建設(shè)對計(jì)算區(qū)域納潮量的影響很大。

表1 人工島建設(shè)前后納潮量Table 1 Tidal prism before and after construction of artificial island

3.5 水交換

根據(jù)計(jì)算區(qū)域30 d 的水交換率計(jì)算結(jié)果（圖9），人工島建設(shè)前，30 d 平均水交換率為62.58%，在計(jì)算邊界附近水交換能力最強(qiáng)，水交換率為80%～90%，水交換率由邊界處向?yàn)硟?nèi)依次遞減，越靠近岸線減小速率越快，在龍口港附近最弱，水交換率小于20%。人工島建設(shè)后，30 d 平均水交換率59.82%，在計(jì)算邊界附近水交換率在80%左右，在龍口港附近及人工島內(nèi)部水域水交換率迅速減小，龍口灣內(nèi)水交換率小于20%，局部區(qū)域小于5%，人工島內(nèi)部水道水交換率為0～80%，南部和西部區(qū)域可達(dá)80%，中間水道局部區(qū)域水交換率小于5%。

圖9 人工島建設(shè)前后30 d 水交換率分布圖Fig.9 30 days water exchange rate before and after construction of artificial island

4 討論

4.1 人工島的建設(shè)對潮流場的影響

（1）潮流流向變化

人工構(gòu)筑物的建設(shè)會(huì)引起潮流流向的偏轉(zhuǎn)[52]，本文中將人工島建設(shè)前后的流場進(jìn)行了疊加并將變化明顯的區(qū)域進(jìn)行了局部放大（圖10、圖11）?？梢娙斯u建設(shè)后，在漲急時(shí)刻人工島西北側(cè)（A區(qū)域）流向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，人工島北側(cè)區(qū)域（B 區(qū)域）由原來的開放海域變成半封閉海域，潮流流向在此變化較為復(fù)雜，整體上順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，人工島西側(cè)（C 區(qū)域）由于人工島防波堤的挑流作用形成了一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦，人工島南側(cè)（D 區(qū)域）潮流流向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（圖10）。在落急時(shí)刻人工島西北側(cè)（A 區(qū)域）流向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，人工島北側(cè)（B 區(qū)域）流向整體上逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，人工島西側(cè)（C 區(qū)域）和人工島南側(cè)（D 區(qū)域）流向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)（圖11）。

圖10 人工島建設(shè)前后漲急時(shí)刻流向?qū)Ρ葓D（大潮期）Fig.10 Current direction during flood of tide before and after construction of artificial island (spring tide)

圖11 人工島建設(shè)前后落急時(shí)刻流向?qū)Ρ葓D（大潮期）Fig.11 Current direction during ebb of tide before and after construction of artificial island (spring tide)

（2）潮流流速變化

本文分別選取了工程建設(shè)前后大潮期漲急時(shí)刻和落急時(shí)刻的潮流場進(jìn)行了流速對比（圖12）。通過對比分析，龍口人工島建設(shè)前后，研究區(qū)的潮流場特征發(fā)生了較為明顯的變化，尤其是在人工島附近區(qū)域變化更為明顯，具體表現(xiàn)在：人工島西部靠近防波堤的區(qū)域由于挑流作用[53]流速增大，最大流速變化超過0.4 m/s，變化率可達(dá)60%，漲急時(shí)刻流速變化相比落急時(shí)刻變化較大，距離防波堤越遠(yuǎn)，流速變化越小。李池鴻[54]等基于Mike21 模型對新建的洋浦神頭港區(qū)南港區(qū)碼頭工程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明工程后防波堤口門附近漲、落潮都會(huì)因挑流的影響局部流速會(huì)變大。人工島的建設(shè)阻擋了部分區(qū)域原有潮流的流動(dòng)，致使潮流流速減小，在人工島北部，流速整體減小，漲急時(shí)刻減小范圍大多為0.08～0.16 m/s（變化率30%～70%），極少數(shù)區(qū)域超過0.16 m/s；落急時(shí)刻流速變化較大，流速減小超過0.16 m/s（變化率約70%）的區(qū)域大幅增加；在人工島內(nèi)部水道以及人工島南部區(qū)域，流速減小，漲落急時(shí)刻變化較為相似，流速減小范圍整體上為0.08～0.16 m/s（變化率30%～70%），在界河口的一小部分區(qū)域流速減小范圍超過0.16 m/s。潮流流速的變化可能是引起人工島北側(cè)、西南側(cè)和內(nèi)部水道產(chǎn)生淤積以及人工島西側(cè)發(fā)生沖刷[35]的主要原因。

圖12 人工島建設(shè)前后漲急和落急時(shí)刻流速對比圖（大潮期）Fig.12 Current velocity during flood and ebb of tide before and after construction of artificial island (spring tide)

（3）余流場變化

為了分析人工島建設(shè)對龍口灣余流場的影響，本文選取了潮流數(shù)模結(jié)果中一個(gè)完整大小潮周期（15 天）的流速流向計(jì)算了人工島建設(shè)前后研究區(qū)的歐拉余流（圖13），并進(jìn)行了差值對比（圖14）。人工島建設(shè)前，龍口灣灣外除屺坶島附近區(qū)域外余流流向整體上為北向，流速普遍在0.05 m/s 左右，在屺坶島西北側(cè)和西南側(cè)分別形成一個(gè)順時(shí)針漩渦和逆時(shí)針漩渦，流速為0.05～0.15 m/s，龍口灣西側(cè)存在一個(gè)順時(shí)針漩渦，其流速在0.05 m/s 左右；灣內(nèi)余流流向較為復(fù)雜，余流從龍口灣西北側(cè)進(jìn)入后分為兩支，一支整體呈逆時(shí)針運(yùn)移在龍口灣北側(cè)流出，另一支呈順時(shí)針運(yùn)移在龍口灣南側(cè)流出。

圖13 人工島建設(shè)前后余流特征Fig.13 Residual current characteristics before and after the construction of artificial island

圖14 人工島建設(shè)前后余流流速對比圖Fig.14 Comparison of residual flow velocity before and after the construction of artificial island

人工島建設(shè)后，灣外余流場未發(fā)生明顯變化，灣內(nèi)余流場變化較為明顯，具體表現(xiàn)在人工島西側(cè)形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的新漩渦，且流速增大，增大范圍為0.03～0.4 m/s，人工島北部余流整體上分為兩支，一支逆時(shí)針運(yùn)移在屺坶島附近流出龍口灣，流速較人工島建設(shè)前減小，另一支順時(shí)針運(yùn)移在人工島防波堤處流出，流速略有增大，人工島西南側(cè)區(qū)域余流整體上向西南方向運(yùn)移，流速較人工島建設(shè)前減小。

4.2 人工島建設(shè)對波浪場的影響

海域波浪場的分布特征與水深、地形和風(fēng)速風(fēng)向等要素密切相關(guān)，在岸線走向、海底地形、風(fēng)速風(fēng)向的影響下，波浪在傳播過程中會(huì)發(fā)生一定的折減、繞射等衰減現(xiàn)象[55-56]。本文為了更好地分析人工島的建設(shè)對波浪場的影響，將人工島建設(shè)前后的有效波高做了差值對比（圖15），在SW 向6 級風(fēng)作用下，灣外有效波高未發(fā)生明顯變化；灣內(nèi)變化主要集中在人工島北部及內(nèi)部水道區(qū)域，其中人工島內(nèi)部區(qū)域有效波高變化最為明顯，人工島對該區(qū)域的掩蔽作用較強(qiáng)，導(dǎo)致有效波高在此明顯減小，有效波高減小范圍為0.3～1.2 m（變化率24%～96%）；人工島北部海域人工島的掩蔽作用較小，該區(qū)域有效波高減小，減小范圍為0.15～0.6 m（變換率12%～48%）。在N 向6 級風(fēng)作用下，灣外有效波高未發(fā)生明顯變化，灣內(nèi)變化主要集中在人工島水道及人工島西南側(cè)區(qū)域，人工島的掩蔽作用導(dǎo)致該區(qū)域的有效波高相對人工島建設(shè)前整體減小，在人工島防波堤處有效波高減小可達(dá)1.2 m，變化率可達(dá)96%。

圖15 人工島建設(shè)前后波浪場對比圖Fig.15 Comparison of wave field before and after the construction of artificial island

波浪對比結(jié)果表明，龍口人工島的建設(shè)導(dǎo)致工程附近區(qū)域的波浪有效波高整體減小，其影響范圍主要集中在人工島周邊。顧杰[57]等研究結(jié)果也表明工程實(shí)施前后的波高變化僅集中在工程區(qū)域附近，工程的建設(shè)使該區(qū)域波高顯著減小。

4.3 人工島的建設(shè)對潮位的影響

圍填海的建設(shè)會(huì)導(dǎo)致潮位產(chǎn)生一定的變化[58]，為此，我們在人工島北部、西部、南部以及人工島內(nèi)部共選取了12 個(gè)代表點(diǎn)（圖1）分別計(jì)算了大潮期一個(gè)潮周期內(nèi)的最大潮差變化，計(jì)算結(jié)果如表2所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在人工島北部潮差減小，最大潮差變化在-0.017 m 左右，這主要是由于人工島的建設(shè)使得該區(qū)域的潮汐動(dòng)力減弱，致使潮差變小[59]；在人工島西側(cè)潮差變化較小，呈現(xiàn)出離人工島越遠(yuǎn)變化越小的趨勢；人工島南部潮差增大，距人工島1000 m 的位置潮差增大約0.014 m，遠(yuǎn)離人工島變化逐漸變?。蝗斯u內(nèi)部水道由于壅水作用[60]潮差變化最為明顯，最大潮差變化可達(dá)0.047 m。膠州灣跨海大橋的建設(shè)對膠州灣潮差的影響普遍小于0.01 m[61]，相比龍口人工島建設(shè)引起的潮差變化較小，其主要原因是龍口人工島占據(jù)的過水面積比例更大，對水流特征的影響更明顯。

表2 人工島建設(shè)前后代表點(diǎn)潮位變化Table 2 Tide changes before and after construction ofartificial island (spring tide)

4.4 人工島的建設(shè)對納潮量的影響

人工島群的建設(shè)直接占用了計(jì)算區(qū)域的海域面積，改變了原有水動(dòng)力環(huán)境，龍口人工島建設(shè)后，本文計(jì)算區(qū)域的海域面積減少20.68%，大潮期納潮量減少13.74%，小潮期納潮量減少13.78%，平均納潮量減少13.75%。本文整理了前人對于不同海灣納潮量的研究成果（表3），通過對比發(fā)現(xiàn)，萊州灣和羅源灣圍填海造成的海域面積減少對納潮量的影響相對較小[62-63]（納潮量變化率小于海域面積變化率），錦州灣、芝罘灣、湛江灣以及象山港海域面積減小引起的納潮量變化較大[64-67]（納潮量變化率大于海域面積變化率），可見，本文計(jì)算區(qū)域納潮量的變化與萊州灣和羅源灣較為相似?？傮w而言，人工島群的建設(shè)是造成計(jì)算區(qū)域納潮量減少的主要原因，這與諸多海灣受圍填海影響導(dǎo)致納潮量減小的結(jié)果是相符的。

表3 不同海灣納潮量變化對比Table 3 Variation of tide prism in different bays

4.5 人工島的建設(shè)對水交換的影響

人工島群建設(shè)后，本文研究區(qū)域的地形岸線變得更為復(fù)雜，對原有的水交換能力產(chǎn)生了一定的影響，尤其是在人工島群附近及其內(nèi)部水道，水交換率有了明顯的改變，我們將人工島建設(shè)后的30 d 水交換率做了差值對比（圖16），在人工島建設(shè)后，計(jì)算區(qū)域30 d 平均水交換率減小2.76%，具體表現(xiàn)在人工島北部靠近屺坶島的區(qū)域和人工島南部界河附近區(qū)域水交換率明顯變大，在人工島內(nèi)部水道及北部附近區(qū)域水交換率明顯減小。本文收集了其他海灣水交換率的變化情況[62,66-68]（表4），通過對比發(fā)現(xiàn)，水交換率的變化與海域面積的變化并無明顯相關(guān)關(guān)系，尤其是湛江灣和錦州灣，在減少更多面積的情況下，平均水交換率變化幅度反而減小。因此，圍填海造成的海域面積減小對水交換率的直接影響不大，其引起的水動(dòng)力環(huán)境的改變是影響水交換率變化的主要原因[66]。

表4 不同海灣水交換率變化對比Table 4 Variation of water exchange rate in different bays

圖16 人工島建設(shè)前后30 d 水交換率對比圖Fig.16 Variation of 30 days water exchange rate before and after construction of artificial island

5 結(jié)論

（1）人工島建設(shè)顯著改變了龍口灣潮流場特征，灣內(nèi)受到人工島的阻擋，流速普遍減小，局部區(qū)域潮流運(yùn)動(dòng)形式由往復(fù)流變?yōu)樾D(zhuǎn)流，流向變化較大，余流形成多個(gè)渦旋；灣外由于堤頭挑流作用導(dǎo)致局部區(qū)域流速增大和余流流速增大的特征，潮流運(yùn)動(dòng)形式未發(fā)生明顯改變。

（2）受人工島的掩蔽作用，人工島及附近區(qū)域的波浪有效波高普遍減小，減小幅度主要為0.3～1.2 m，其中在西南向6 級風(fēng)作用下，人工島北部有效波高減小明顯，在北向6 級風(fēng)作用下，人工島西南部有效波高減小明顯。

（3）龍口灣潮位出現(xiàn)北部最大潮差變小、南部最大潮差增大的格局，壅水作用導(dǎo)致人工島內(nèi)部水道潮差變化最為明顯，最大潮差變化可達(dá)0.047 m。

（4）人工島建設(shè)直接占據(jù)了龍口灣海域面積，導(dǎo)致其納潮量明顯減小。人工島建設(shè)導(dǎo)致龍口灣水交換率整體減小，呈現(xiàn)出南部和北部增大、人工島北側(cè)以及內(nèi)部水道減小的特征，人工島造成的水動(dòng)力環(huán)境的改變是影響水交換率變化的主要原因。

（5）人工島建設(shè)顯著改變了龍口灣水深地形及海灣形態(tài)，導(dǎo)致龍口灣內(nèi)納潮量減小、潮流、波浪以及水交換等水動(dòng)力條件普遍減弱，是引起龍口灣水動(dòng)力條件變化的根本因素。