萊州灣岸線變遷對渤海潮波影響的數值研究

朱金龍，朱淑香，張翠敏，徐艷東，魏 瀟，孫 偉*，孫貴芹，劉 寧

(1. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室，山東 煙臺 264006；2. 青島衡立環(huán)境技術研究院有限公司，山東 青島 266400；3. 煙臺市福山區(qū)尚德中學，山東 煙臺 265500)

引 言

海灣為凹入陸地明顯的水曲，在特定的水沙動力條件下，海灣沿岸常發(fā)育有粉砂淤泥質海岸，該類型海岸的岸線比較平直，岸坡極緩、灘涂寬廣，加之具有優(yōu)越地理區(qū)位和豐富的自然資源，是圍填?；顒虞^為適宜的區(qū)域。隨著海岸帶經濟的快速發(fā)展，人類對土地的需求持續(xù)高漲，利用灘涂圍填成為人類擴展生存發(fā)展空間，緩解土地供求矛盾的有效途徑[1-2]。長期的灘涂圍填不僅侵占了重要的濕地資源，直接改變了原始岸灘的幾何形態(tài)，同時也引起了周邊海域潮差、分潮振幅和潮汐性質等潮波系統(tǒng)的改變，進而影響灘涂的演變趨勢[3-5]。東中國海區(qū)沿岸灘涂面積寬廣，該區(qū)域潮波系統(tǒng)研究始于上個世紀三十年代[6]，早期手段主要為潮汐調和分析和數值推算[7-8]；隨著計算機技術及應用的快速發(fā)展，對潮波系統(tǒng)的形成機制、主要分潮分布和潮波系統(tǒng)演變等進行了模擬研究[9-12]；后期隨著數值計算精度的提高，調和分析得到的分潮數量更多[13-14]；近期則更多關注人類活動對潮波系統(tǒng)的影響[1,15-17]。此類研究對于海岸帶開發(fā)管理、海岸工程建設和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

萊州灣位于山東省渤海南部，和渤海灣、遼東灣并稱為渤海三大海灣。灣口東起屺姆島高角，西至黃河新入?？赱18-19]。截至到2000年，灣口寬101.6 km，海岸線長445.8 km，海灣面積6895.7 km2，居山東海灣之冠。萊州灣東部為沙質海岸，西部是現代黃河三角洲，灣頂為粉砂淤泥質海岸。灣周沿岸灘涂多廣闊，灣內水深變化不大，最大水深位于海灣東北屺姆島高角附近，水深可達22 m，大部分水深在10 m以內。萊州灣水淺泥沙多，建港條件很不理想，尤其是海灣的西南部灘寬坡緩，缺乏深水岸線，該處港口布置多采用雙堤環(huán)抱的平面形式，如濰坊港和廣利港，且將堤頭延伸到含沙量較低的深水區(qū)，以盡量減少進港泥沙數量，從而減小港口回淤量。為了滿足建港的深水條件，需向海一側大規(guī)模填海造地，使得海岸線持續(xù)向海推進，港口的發(fā)展也帶動了周邊圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用?；顒?，圍填海面積的持續(xù)增加，勢必引起渤海潮波系統(tǒng)的改變。針對渤海潮波系統(tǒng)的研究，過去主要模擬了其現代分布特征[13,20-21]，從黃河口演變角度對比分析了20世紀40年間的潮波系統(tǒng)變化[22]。近期雖有研究涉及岸線地形變化對渤海潮波系統(tǒng)的影響[15,23-24]，但鮮有渤海潮波系統(tǒng)對萊州灣岸線變遷響應的報道。本文利用遙感影像和海圖資料，選擇萊州灣作為研究區(qū)域，通過潮波數學模型計算，分析渤海潮波系統(tǒng)對萊州灣岸線變遷的響應，旨在為渤海潮波系統(tǒng)的變化機制、藍色海灣整治行動和渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)提供科學依據，并為研究渤海潮波系統(tǒng)演變提供典型案例和參考。

1 資料和方法

1.1 數據來源和處理

萊州灣自20世紀80年代以來，海灣岸線和形態(tài)變化逐漸趨于復雜，尤其是2000年以后，沿岸灘涂經歷了大規(guī)模圍填且開發(fā)利用強度極大，根據已有的研究結果統(tǒng)計，2002—2015年萊州灣岸線長度的增加占近半個世紀海灣岸線增加值的53%[19]。因此，文中重點關注2000年以后的萊州灣岸線變遷對渤海潮波系統(tǒng)的影響。岸線數據分別提取自2000年和2020年萊州灣歷史遙感影像，渤海及黃海北部其他區(qū)域的岸線數據保持不變。2000年的岸線資料提取自美國陸地衛(wèi)星Landsat-5 TM，空間分辨率為30 m；2020年的岸線資料提取自中國高分衛(wèi)星GF-1，空間分辨率為2.0 m。黃海北部及渤海的水深資料取自航保部2006年出版的編號為10011海圖及搜集到的近岸海域水深測量資料。渤海是一個近似封閉的內海，沿岸灘寬水淺，平均水深為18 m，北隍城島北部的老鐵山水道最深，水深可達86 m(圖1)。

1.2 潮波數學模型

本文二維潮波模型的控制方程為沿水深積分的N—S方程[25]，控制方程的空間離散采用單元中心有限體積法，時間積分采用顯示歐拉格式[26]。模型運行時間為2019年1月1日至2019年12月31日，時長為1年。對潮波結果采用最小二乘法進行調和分析，計算各分潮的調和常數，進而作出分潮同潮圖、潮汐類型分布圖和最大可能潮差分布圖。

1.2.1 定解條件

模型范圍的選取以研究區(qū)域未影響開邊界處的進出潮量為準，經反復調試確定模型的計算區(qū)域是自江蘇淮河口—韓國靈光的連線以及岸線所圍成的黃海及渤海海域(圖1)。由于風和河流入海徑流對潮波的影響很小，因而模型中沒有考慮河流入海徑流、風以及風吹流的影響[17]。針對岸線曲折和地形復雜特點，模型采用邊界擬合較好的非結構三角形網格，網格東西最大跨度約617 km，南北最大跨度約760 km，網格數為137 229個，網格節(jié)點數為72 723個，最大網格面積3080 m2。

模型的初始條件：采用前期水深和流速模擬結果的“熱起動”方式。邊界條件：垂直于陸地邊界的法向速度為零；隨漲、落潮交替出現的潮灘，采用“干、濕”動邊界技術[27]，其中濕水深為0.1 m，淹沒水深為0.05 m，干水深為0.005 m；開邊界水位驅動來自于Topex8.0全球潮汐預報模型[28]，是由全球十個主要天文分潮(日分潮：S1，K1，O1，P1，Q1；半日分潮：M2，S2，K2，N2；淺水分潮：M4)組成，分潮數據空間精度為0.125°×0.125°。

1.2.2 模型驗證

模型的底床糙率由曼寧系數確定，曼寧系數隨水深h取值為0.015+0.01/h[29]；水平渦流粘度采用Smagorinsky公式計算[30]，Smagorinsky系數Cs取值為0.28；變動時間步長取值介于0.01～120 s；科氏力根據模型所在區(qū)域的地理緯度進行計算。

潮波計算結果與黃渤海沿岸26個驗潮站(圖1)的調和常數進行比較，M2分潮振幅和遲角的絕對誤差分別小于4.32 cm和6.32°，K1分潮振幅和遲角的絕對誤差分別小于2.12 cm和5.64°。M2和K1分潮振幅、遲角分布與已有的研究結果基本一致[10,24]，其中M2分潮在遼東灣西南側和渤海灣東南側各形成一個繞無潮點按逆時針方向旋轉的駐波系統(tǒng)，K1分潮在渤海海峽附近形成一個繞無潮點按逆時針方向旋轉的駐波系統(tǒng)(圖3～圖4)。本文驗證是以前研究成果基礎上的繼續(xù)與完善[31]，文中選取與岸線年份相近的實測水文資料進行驗證，各站位驗證結果表明(表1)，除了個別點和個別時刻外，模型計算的潮位過程與現場實測值基本一致，其中高、低潮位的最大絕對誤差不超過10 cm，高、低潮時的相位最大絕對誤差不超過15 min，模型的驗證精度符合有關數值模擬技術規(guī)程的要求[32]，說明模型采用的計算參數合理，能夠較好的模擬渤海的潮波系統(tǒng)。

表1 潮位過程驗證

2 結果與討論

2.1 萊州灣幾何形態(tài)變化

本文萊州灣幾何形態(tài)變化從岸線長度、海灣面積和海灣重心三個方面分析。在二維幾何空間中，海灣重心的位移方向、路徑和距離能夠反映海灣形態(tài)變化的基本特征。海灣重心坐標(x，y)、重心位移距離L計算公式[33]：

(1)

(2)

式中：xi，yi(i= 1，2，…，n)為海灣平面離散點坐標；xj，yj為j時相的海灣重心坐標；xk，yk為k時相的海灣重心坐標。

自21世紀以來，萊州灣幾何形態(tài)受自然變遷和人類活動影響變化顯著(圖2)。岸線的自然淤進和蝕退主要位于黃河口附近，由于河口改道斷流缺少沙源補給，老黃河口岸線持續(xù)向陸侵蝕后退，而新黃河口岸線則由于長期的沙源供給不斷向海淤進。黃河口以外的海灣岸線主要受人類用海活動影響，普遍出現了背陸向海曲折運動，人工岸線長度急劇增長，海灣面積逐年縮減，2000—2020年20年間，萊州灣面積減少了8.02%，海灣岸線增長了77.65%。海灣沿岸開發(fā)利用活動長期以圍填海為主，尤其是海灣西南部岸線變化最為劇烈，由此導致海灣重心向東北向方移動了2.21 km，港口用海、圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用海為主的圍填?；顒邮菍е潞承螒B(tài)變化的主要原因。

圖2 萊州灣岸線與重心變化Fig.2 Change of coastline and centroid in Laizhou Bay

2.2 渤海潮波系統(tǒng)整體變化

東中國海區(qū)潮汐性質以半日潮為主，因此文中潮波選取半日分潮M2為主要研究對象，同時涉及到日分潮K1。黃海潮波經由渤海海峽進入渤海，繼續(xù)向西傳播過程中，受到渤海灣和遼東灣的阻擋而形成反射波，在入射波和反射波的相互作用下形成駐波，由于地轉偏向力的作用駐波波節(jié)線消失，最終形成了波峰線繞無潮點按逆時針方向旋轉的潮波系統(tǒng)[34]。以2020年分潮振幅為例，對于M2分潮而言(圖3)，無潮點分別位于黃河口和秦皇島附近海域，分潮振幅最大值位于遼東灣灣頂，其值可達1.3 m，渤海灣灣頂次之，振幅值接近1.1 m，萊州灣分潮振幅最小，振幅值不足0.5 m，海灣以外海域振幅介于0.2～0.6 m；對于K1分潮而言(圖4)，其無潮點位于渤海海峽偏南部，極值分布與M2分潮振幅相似，分潮振幅最大值位于遼東灣灣頂，其值可達0.42 m，渤海灣灣頂次之，振幅值接近0.37 m，萊州灣分潮振幅最小，振幅值不足0.28 m，海灣以外海域振幅介于0.05～0.25 m。

圖3 M2分潮同潮圖

圖4 K1分潮同潮圖Fig.4 Co-tidal charts for K1 constituent tide

根據潮波原理由潮能分布角度分析，灘涂區(qū)潮波能量分布受底摩擦和水平擴散影響，漲潮時灘涂儲存能量，落潮時灘涂釋放能量，且存儲于灘涂區(qū)的潮波能量遠高于因底摩擦等在灘涂損耗的能量[35]。隨著圍填海開發(fā)活動的進行，20年間萊州灣灘涂面積不斷減少，由于岸線變遷并未影響數值計算開邊界處的進出潮量，因此原先存儲于灘涂區(qū)的那部分潮波能量，隨著灘涂的消失將在灘涂以外的海區(qū)重新分布，由此使得整個受影響海區(qū)分潮振幅增大、無潮點背離萊州灣等一系列潮波系統(tǒng)變化。從而導致黃河口附近M2分潮無潮點向西北移動1.4 km，秦皇島附近M2分潮無潮點向東北移動1.7 km，渤海海峽偏南部的K1分潮無潮點向東移動2.1 km。由此可見，秦皇島附近M2分潮無潮點受圍填海的影響要大于黃河口附近M2分潮無潮點所受的影響，這主要是由于新黃河口持續(xù)向海發(fā)育，潮波傳播受到河口岸線的阻礙而損耗掉一部分潮波能量，使得黃河口附近M2分潮無潮點移動距離小于秦皇島附近M2分潮無潮點移動距離。與秦皇島附近海域相比，渤海海峽距離萊州灣較近，因此K1分潮無潮點移動距離要大于秦皇島附近M2分潮無潮點移動距離。受萊州灣岸線變遷的影響，2000—2020年20年間，渤海M2分潮振幅整體呈現增大趨勢，其中萊州灣、渤海灣和遼東灣M2分潮振幅是自灣口向灣頂逐漸增大，遼東灣和渤海灣M2分潮振幅增加最大值位于灣頂，其值可達4.2 cm，圍填海發(fā)生區(qū)域的萊州灣振幅變化尤為顯著，增加最大值可達6.5 cm，海灣以外海域M2分潮振幅增大值小于4.1 cm；K1分潮振幅變化主要發(fā)生在渤海海峽以東的海域，海峽以東K1分潮等振幅線整體向東移動，振幅值變化不足1 cm，其他海區(qū)K1分潮振幅變化很小，也由此說明了岸線變遷對潮波的影響主要為半日分潮。

2.3 潮汐性質和最大可能潮差變化

根據各海區(qū)潮位隨時空變化情況將潮汐性質分為規(guī)則半日潮、不規(guī)則半日潮、規(guī)則日潮和不規(guī)則日潮四種類型。潮汐類型判別依據下式：

F=(HK1+HO1)/HM2

(3)

式中：HK1為日分潮K1的振幅；HO1為日分潮O(jiān)1的振幅；HM2為半日分潮M2的振幅。

潮汐類型判別標準：0 < F ≤ 0.5為規(guī)則半日潮；0.5 < F ≤ 2.0為不規(guī)則半日潮；2.0 < F ≤ 4.0為不規(guī)則全日潮；F > 4.0為規(guī)則全日潮。

根據研究海域潮汐性質，依據公式(5)和公式(6)計算最大可能潮差，取兩者中的最大值，最大可能潮差計算公式[36]：

mptr=max(mptr1,mptr2)

(4)

mptr1=2(1.68HK1+1.46HO1+HM2+HS2)

(5)

mptr2=2(1.29HM2+1.23HS2+HK1+HO1)

(6)

渤海潮汐以不規(guī)則半日潮為主(圖5)，由于M2分潮駐波波腹和K1分潮駐波波節(jié)出現在渤海海峽，因此該海區(qū)為規(guī)則半日潮類型；而黃河口外和秦皇島附近海域為K1分潮波駐波波腹和M2分潮駐波波節(jié)所在區(qū)域，因此該海區(qū)為不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮類型。受萊州灣圍填海影響，黃河口外和秦皇島附近海域不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮所占海區(qū)范圍呈現減小趨勢，通過章節(jié)2.2的分析，這可能是由于萊州灣圍填海導致該海區(qū)M2分潮振幅增大，而日分潮振幅基本不變，導致公式(3)的比值減小，從而造成不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮范圍縮小。

渤海最大可能潮差最大值位于遼東灣灣頂，以2020年最大可能潮差為例，其值可達5.71 m，渤海灣灣頂次之，最大可能潮差值接近4.79 m，萊州灣內最大可能潮差最小，最大可能潮差值不足2.9 m，渤海海灣以外海域最大可能潮差介于2～3 m。

萊州灣岸線變遷引起的渤海最大可能潮差變化和M2分潮振幅變化趨勢基本一致(圖6)，萊州灣、渤海灣和遼東灣最大可能潮差是自灣口向灣頂逐漸增大，最大可能潮差增加最大值位于萊州灣灣頂，其值可達17.5 cm，遼東灣灣頂次之，增加最大值接近11 cm，渤海灣灣頂最小，增加最大值不足9.5 cm，海灣以外海域最大可能潮差增大值小于9 cm。萊州灣圍填海相當于增加了潮波傳播阻力，使得進入渤海的潮波勢能增加，潮波勢能即潮差，由此引起了渤海潮差的增大[1,35]。

圖6 最大可能潮差分布

3 結論

(1)2000年以來，萊州灣幾何形態(tài)變化顯著，海灣面積不斷縮減，海岸線持續(xù)向海曲折運動，港口用海、圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用海為主的圍填海是引起海灣形態(tài)變化的主要原因。2000—2020年20年間，萊州灣面積減少了8.02%，海灣岸線增長了77.65%，尤其是海灣西南部岸線變化最為劇烈，由此導致海灣重心向東北向方移動了2.21 km。

(2)受萊州灣20年間岸線變遷影響，黃河口附近M2分潮無潮點向西北移動了1.4 km，秦皇島附近M2分潮無潮點向東北移動了1.7 km，渤海海峽偏南部的K1分潮無潮點向東移動了2.1 km；渤海M2分潮振幅整體呈現增大趨勢，其中萊州灣振幅增大最為明顯，增加最大值可達6.5 cm；K1分潮振幅變化主要發(fā)生在渤海海峽東側，岸線變遷對潮波的影響主要為半日分潮。

(3)渤海潮汐以不規(guī)則半日潮為主，部分海區(qū)如渤海海峽為規(guī)則半日潮類型，黃河口外和秦皇島附近海域為不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮類型。受萊州灣岸線變遷影響，黃河口外和秦皇島附近海域不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮所占海區(qū)范圍縮小，渤海海域最大可能潮差增大，尤其是圍填海發(fā)生區(qū)域的萊州灣潮差變化最為顯著，增加最大值可達17.5 cm。圍填海造成的潮差增大使得沿岸低洼區(qū)域有被淹沒的風險，因此海灣沿岸大規(guī)模圍填海的實施需要經過全面的科學論證。