金塘島北部海域地形變化對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響

蘇毓，紀(jì)棋嚴(yán)*，左軍成，蔡云霞，孫永釗，彭騰騰，張潔

（1.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江 舟山 316022；2.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306）

金塘島是舟山群島的第四大島，東臨舟山本島，北接杭州灣，西側(cè)和南側(cè)通過金塘水道分別與寧波的鎮(zhèn)海、北侖相接。金塘島岸線長(zhǎng)且順直、周邊海域水深變化不大、有眾多島嶼作為天然屏障，通航條件非常優(yōu)越[1]。金塘島西南側(cè)是金塘水道，該水道狹窄，水深條件優(yōu)良，是大型船舶進(jìn)出寧波—舟山港的重要通道[2]；東側(cè)為西堠門水道，呈狹長(zhǎng)形狀且寬窄不一，水深呈中間深兩側(cè)淺分布。除這兩大水道外，金塘島和大鵬山之間還有一條較小的瀝港水道。這些水道不僅是重要航道，也是連接杭州灣與外海的潮汐通道，水道內(nèi)的潮流較強(qiáng)，具有豐富的潮流能資源。此外，金塘島也是大陸和舟山連島工程的第一站。獨(dú)特的地理位置和區(qū)域優(yōu)勢(shì)，使得金塘島及其周邊海域在航運(yùn)、交通、海洋能源開發(fā)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展方面起著重要的作用，故對(duì)該海域水動(dòng)力環(huán)境現(xiàn)狀及演變規(guī)律的監(jiān)測(cè)、模擬和分析具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圍填海是當(dāng)前我國(guó)海岸開發(fā)利用的主要形式[3]，它能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面影響也不可忽視。圍填海工程會(huì)改變海域原有的自然屬性使其岸線結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響海域潮波反射的位置和方向，導(dǎo)致潮流的流速、流向及潮汐振幅、遲角產(chǎn)生變化[4]。圍填海工程引起的潮流各項(xiàng)要素的變化也會(huì)導(dǎo)致泥沙運(yùn)動(dòng)變化，造成海床泥沙淤積且不易擴(kuò)散，繼而造成航道堵塞，影響航運(yùn)[5]。圍填海工程對(duì)潮致余流也有影響，而潮余流的變化會(huì)影響海域的泥沙沖淤，圍填海工程對(duì)工程區(qū)臨近海域的潮余流影響較大，對(duì)離工程區(qū)較遠(yuǎn)的其他海域影響較小[6]。除圍填海工程之外，人工岬灣的建造也會(huì)改變近岸波浪場(chǎng)，繼而影響沿岸泥沙輸運(yùn)，對(duì)岸灘穩(wěn)定有重要影響[7]。

金塘島周邊海域的泥沙沖淤特征受自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)共同影響，但后者的影響要大于前者[8]。研究表明，人類活動(dòng)已經(jīng)對(duì)金塘島周邊海域泥沙沖淤、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生了一些影響。韓海騫等[9]利用水槽模型對(duì)金塘大橋橋墩附近的海床沖刷做了模擬研究，發(fā)現(xiàn)在受工程影響的局部沖刷最大可達(dá)14.4 m，明顯大于自然沖刷幅度的平均值1.1 m，為金塘大橋的工程建設(shè)、運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性提供了技術(shù)支撐。邵卓等[10]以金塘島為研究對(duì)象，基于岸線開發(fā)類型、岸線開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響分析、岸線開發(fā)飽和程度和岸線生態(tài)敏感性及生態(tài)效應(yīng)相關(guān)性的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，計(jì)算出金塘島北部及大鵬山島的岸線開發(fā)生態(tài)壓力指數(shù)可達(dá)1.16，遠(yuǎn)大于金塘島西南部0.15。戴路等[11]研究了金塘大橋的350 個(gè)橋墩及其建設(shè)的非通航孔攔阻設(shè)置對(duì)金塘水道內(nèi)泥沙分布影響。何微等[8]利用 GIS（ Geographic Information System）技術(shù)分析了1996—2016 年金塘島周邊海域的岸線和水下岸坡沖淤變化，發(fā)現(xiàn)金塘島及附近島嶼主要受人類活動(dòng)影響，在局部的圍填海工程區(qū)的岸線變化較大，其10 a 的淤積量可達(dá)78 598.03 萬 m3，10 a 的沖刷量為45 162.82 萬 m3，其凈沖淤速率為12.21 cm/a，在工程區(qū)及其附近海域普遍呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。人類活動(dòng)引起的水動(dòng)力環(huán)境的變化是金塘島及周邊海域產(chǎn)生泥沙沖淤、生態(tài)環(huán)境問題的重要原因，但前人的研究很少定量分析人類活動(dòng)比如圍填海工程對(duì)金塘島周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響。

為了研究金塘島北部圍填海工程引起的地形變化對(duì)其周邊海域水動(dòng)力環(huán)境的影響，本文利用三維海洋模型SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)對(duì)該海域圍填海工程前后的潮汐潮流進(jìn)行了模擬。在模型驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，分析圍填海工程引起的地形變化對(duì)該海域潮汐、潮流和潮致余流的影響，以及潮流要素變化對(duì)泥沙淤積可能產(chǎn)生的影響，為今后該海域的維護(hù)發(fā)展和開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文收集了金塘島北部附近海域1 個(gè)驗(yàn)潮站（T01）和5 個(gè)潮流觀測(cè)站（S01、S02、S03、S04 和S05 站）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（表1），用于分析該海域的潮汐潮流特征，并用于驗(yàn)證模型模擬的潮位和潮流的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步分析金塘島北部附近海域的水動(dòng)力變化特征和趨勢(shì)，在潮流變化較明顯處選取了4 個(gè)潮流分析特征點(diǎn)（A、B、C 和D 點(diǎn)）（圖1）。驗(yàn)潮站在西堠門水道的西側(cè)，觀測(cè)時(shí)段為2020 年3 月27 日00:00 至4 月12 日23:00，時(shí)間間隔為1 h；5 個(gè)潮流觀測(cè)站分布在金塘圍填海區(qū)周邊海域，垂向按各點(diǎn)水深H均勻分為6 層（0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和H層），觀測(cè)時(shí)段為大潮時(shí)段（2020 年4 月7 日10:00 至4 月8 日10:00）和小潮時(shí)段（2020 年3 月31 日10:00 至4 月1 日10:00），時(shí)間間隔為1 h。

圖1 研究區(qū)域和觀測(cè)站位Fig.1Study area and observation stations

表1 潮位站和潮流觀測(cè)站位置信息Table 1 Location information of tide gauge station and tidal current stations

1.2 模型簡(jiǎn)介

本文使用SCHISM (Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)模型模擬該海域工程前后的潮汐潮流，用于研究圍填海工程引起的地形變化對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響。SCHISM 是一個(gè)基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的開源社區(qū)支持的模型系統(tǒng)，旨在無縫模擬跨溪-湖泊-河流-河口-大陸架-海洋尺度的三維斜壓環(huán)流。該模型采用高效且準(zhǔn)確的半隱式有限元/有限體積方法和歐拉-拉格朗日算法來求解納維-斯托克斯方程（流體靜力學(xué)形式），以模擬各種物理和生態(tài)過程。該模型混合使用高階與低階數(shù)值算法，能夠有效求得穩(wěn)定準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。SCHISM 模型具有模擬海洋環(huán)流、海嘯危害、波流相互作用、風(fēng)暴潮、沉積物運(yùn)輸、生態(tài)、生物地球化學(xué)、水質(zhì)和溢油的模塊。

SCHISM 模型是基于原始SELFE 模型（Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite-Element model）的衍生發(fā)展的模型[12-13]。和SELFE 相比，該模型具有以下特點(diǎn)：水平方向可以采用非結(jié)構(gòu)的三角形和四邊形混合網(wǎng)格，一方面可以擬合復(fù)雜岸線，另一方面可以加密重點(diǎn)海域，平衡分辨率與計(jì)算量之間的矛盾，對(duì)低質(zhì)量的網(wǎng)格包容性強(qiáng)；垂直方向可以采用混合SZ坐標(biāo)系或者LSC2（Localized Sigma Coordinates with Shaved Cells）坐標(biāo)系，有利于處理復(fù)雜地形變化，不需要對(duì)海底地形進(jìn)行平滑；采用半隱式算法求解，無CFL（Courant-Friedrichs-Lewy condition）穩(wěn)定性約束，可以提高數(shù)值效率。基本動(dòng)力方程和連續(xù)方程如下：

動(dòng)量方程：

式中：u為 水平速度；t為時(shí)間；x為水平方向距離；v為垂直渦動(dòng)黏性系數(shù)；z為垂直方向距離；g為重力加速度；為梯度算子；f為動(dòng)量的其他強(qiáng)迫項(xiàng)(斜壓梯度、水平黏性、科氏力、地球潮汐勢(shì)、大氣壓力和輻射應(yīng)力等)；u和 υ分別為水平速度u在東西和南北方向的分量；ξ為水深變化高度；η為自由表面高度；ψ為引潮勢(shì)；Fm為水平黏度；Fother為輻射應(yīng)力。

2D、3D 深度積分形式的連續(xù)方程：

式中：w為垂向速度；h為垂直方向水深。

模型在垂向上可以采用SZ坐標(biāo)。S到Z的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化公式：

1.3 模型設(shè)置

本文重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域?yàn)榻鹛翇u北部圍填海周邊海域，為了較好地模擬該海域的潮汐潮流特征，模擬區(qū)域范圍設(shè)置為(120°06′～125°18′E，28°27′～32°48′N)，包括舟山群島、杭州灣、長(zhǎng)江口以及部分東海海域，如圖2 所示。采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的工程區(qū)附近海域進(jìn)行網(wǎng)格加密，非重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域進(jìn)行稀疏處理，三角形網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)約為10 m，最大邊長(zhǎng)約為10 000 m。根據(jù)圍填海工程前后的岸線差異，分別構(gòu)建工程前后的兩套網(wǎng)格（圖2），這兩套網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的岸線只在圍填海工程區(qū)域有差別。兩套網(wǎng)格均使用了11 個(gè)分潮（M2、S2、K2、N2、O2、K1、P1、Q1、Mf、M4、MS4）作為模型的潮汐驅(qū)動(dòng)條件，這個(gè)11 個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)（振幅、遲角）由水平分辨率為1/16°的FES_2014 模式結(jié)果插值得到[14]。垂向采用S坐標(biāo)，分為21 層。模式采用冷啟動(dòng)，模擬時(shí)間自2020 年3 月25 日00:00 起至4 月25 日23:00，模擬時(shí)長(zhǎng)為1個(gè)月，模式結(jié)果1 h 輸出一次。

圖2 模式網(wǎng)格和水深分布Fig.2 Bathymetry and grid of the numerical model

2 結(jié)果分析

2.1 觀測(cè)結(jié)果分析

2.1.1 潮汐特征

對(duì)工程區(qū)內(nèi)潮位站15 d 潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，得到了17 個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)。采用分潮振幅的比值來確定潮汐類型[15]，計(jì)算得到分潮振幅的比值為0.45，由此可判定本海區(qū)的潮汐類型為正規(guī)半日潮。

2.1.2 潮流特征

根據(jù)5 個(gè)潮流觀測(cè)站數(shù)據(jù)，對(duì)各站大、小潮期間垂向平均漲、落潮的最大流速、平均流速和流向等潮流特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。為便于與金塘島周邊大面積海域的流場(chǎng)作對(duì)比分析，本文以大面積海域內(nèi)潮波的傳播方向來判定漲落潮方向。漲潮時(shí)，潮波大致呈SE—NW 方向傳播，指向杭州灣；落潮時(shí)，潮波大致呈NW—SE 方向傳播，遠(yuǎn)離杭州灣。

表2 各觀測(cè)站大、小潮期間最大潮流和平均潮流的統(tǒng)計(jì)特征Table 2 Statistics of the maximum and mean tidal currents during spring and neap tides at each station

大潮期間，除S01 站外，其他4 個(gè)站的最大流速和平均流速，均表現(xiàn)為落潮流流速大于漲潮流流速。小潮期間，S01 站、S02 站和S05 站的最大流速和平均流速，表現(xiàn)為落潮流流速大于漲潮流流速，但S03 站和S04 站的漲潮流流速大于落潮流流速。總體而言，小潮期間各測(cè)站的最大流速要弱于大潮。S04 站在大潮期間出現(xiàn)最大漲潮流速和最大落潮流速，分別為2.02 m/s 和2.52 m/s。

為分析各站的潮流矢量特征，繪制了各站大、小潮期間的潮流圖（圖3）。S04 站和S05 站位于大鵬山西側(cè)，潮流受附近島嶼影響較小，大小潮的潮流流速均比另外3 個(gè)站的要大。S04 站遠(yuǎn)離大鵬山岬角，受島嶼岸線影響較小，潮流流向變化較大，呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流的特征。S05 站漲潮和落潮的潮流方向大致相反，往復(fù)流的特征較為顯著，大鵬山岸線對(duì)該站的潮流流向有一定影響。S03 站位于瀝港水道中，受該水道地形的影響，大潮和小潮的流速均較弱，呈明顯的往復(fù)流特征。S01 站的漲落潮潮流的方向與工程后的岸線基本平行，表明該站的潮流受到了圍填海工程的影響。S02 站位于金塘島北部的岬角處，受到流經(jīng)瀝港水道和西堠門水道的潮流共同影響，漲落潮潮流的方向與S01 站、S03 站漲落潮潮流的方向都有一定的角度差。

圖3 各潮流觀測(cè)站大、小潮期間潮流矢量圖Fig.3 Current roses during spring and neap tides at stations S01-S05

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 模型潮位驗(yàn)證

圖4 給出了驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)潮位資料與對(duì)應(yīng)時(shí)段模型模擬潮位的對(duì)比結(jié)果，可以看出大潮和小潮期間模式計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值基本吻合。潮位的平均絕對(duì)誤差在0.16 m 以內(nèi)，均方根誤差為0.20 m。潮位誤差分析結(jié)果表明，與該點(diǎn)的潮差相比，模型可以較好反映金塘島北部圍填海工程區(qū)海域的潮位變化特征。

圖4 大、小潮期間模擬與實(shí)測(cè)潮位對(duì)比Fig.4 Comparison of tidal elevation between observation and simulation during spring and neap tides

2.2.2 模型潮流驗(yàn)證

圖5 和圖6 給出了5 個(gè)潮流站的實(shí)測(cè)潮流資料與對(duì)應(yīng)時(shí)段模型模擬潮流的過程曲線，由于篇幅限制，本文只給出了0.2H層的大、小潮潮流驗(yàn)證結(jié)果，表3 給出了流速、流向的誤差統(tǒng)計(jì)特征。流向的平均絕對(duì)誤差的平均值約為17.46°，均方根誤差的平均值為30.50°。流速平均絕對(duì)誤差的平均值為0.17 m/s，均方根誤差的平均值為0.22 m/s。其中，S03 站流向的均方根誤差最大，模擬效果相對(duì)較差，該站位于瀝港水道中央，水道狹窄，潮流觀測(cè)數(shù)據(jù)受來往船只影響較大，存在不規(guī)則波動(dòng)變化，而模型模擬的潮流較為規(guī)律，因此與實(shí)測(cè)相比有一定差異。總體來看，除了流速的擬合效果稍有差異，模型模擬的水位和流向均擬合較好，表明模型較為準(zhǔn)確地模擬了該海域的流場(chǎng)。

表3 大、小潮期間0.2H 層模式潮流結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析Table 3 Error analysis of tidal current between observation and simulation during the spring and neap tides at 0.2H layer of all the stations

圖5 各潮流觀測(cè)站0.2H 層在小潮期間模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of tidal currents between observation and simulation at 0.2H layer of all the stations during neap tide

圖6 各潮流觀測(cè)站0.2H 層大潮期間模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of tidal currents between observation and simulation at 0.2H layer of all the stations during spring tide

2.2.3 模型潮流結(jié)果分析

為詳細(xì)分析此海域的水動(dòng)力變化特征和趨勢(shì)，根據(jù)岸線特征提取了4 個(gè)特征點(diǎn)（A、B、C 和D 點(diǎn)）（圖1），特征點(diǎn)A（121°48′54″E，30°05′22″N）位于大鵬山西側(cè)的岬角附近，比S04 站更靠近工程后的海岸，可以較好地反映流場(chǎng)的轉(zhuǎn)向特征；特征點(diǎn)B（121°49′30″E，30°06′00″N）與特征點(diǎn)A 的連線平行于大鵬山北側(cè)新增的岸線，位于工程后漲潮流匯流處，可以反映地形變化對(duì)流場(chǎng)的影響；特征點(diǎn)C（121°50′42"E，30°04′37″N）位于瀝港水道的岬灣口處，在工程后形成的新岸線和原始岸線的交界處，可以反映新增岸線對(duì)水道的影響；特征點(diǎn)D（121°52′48″E，30°05′20″N）位于金塘島北部東側(cè)新生成的岬灣里，可以反映該區(qū)域的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)變化。

圍填海工程改變了金塘島北部海域的地形特征，從表4 中可以看出：S01 站和S03 站工程后漲急和落急時(shí)的流速均增大，S01 站漲急流速增強(qiáng)21%，落急流速增強(qiáng)32%，S03 站工程后的流速變化更明顯，漲急流速由0.5 m/s 增加為0.92 m/s，增強(qiáng)了84%，落急流速由0.3 m/s 增加為0.53 m/s，增強(qiáng)了77 %；S02 站工程前后流速幾乎不變；S04 和S05 站工程前后流速變化不大，S04 站漲急流速增強(qiáng)4.06%，落急流速增強(qiáng)10.17%，S05 站漲落急流速減弱5%左右。

A 站在S04 站附近，A 站更靠近工程后的海岸，A 站漲急流速增強(qiáng)14%，落急流速增強(qiáng)28%，漲、落急流速變化比S01 站小。B 站在S02 與S04 站之間，工程后B 站漲急流速減弱86%，落急流速增強(qiáng)4%。C 站在原瀝港河道中，靠近S03 站，相較于S03 站流速變化不大，漲急流速增強(qiáng)31%，落急流速減弱46%。西堠門水道附近的D 站在工程后流速明顯減弱，漲急流速由0.46 m/s 減小至0.14 m/s，減弱了69%，落急流速由0.61 m/s 減小至0.17 m/s，減弱了72%。

2.3 工程影響分析

2.3.1 潮流變化分析

金塘島周邊海域的潮汐潮流受東海潮波和舟山群島地形的共同影響，漲潮流和落潮流的方向與島嶼間的水道密切相關(guān)。漲潮時(shí)，東南外海的潮流經(jīng)過西堠門水道和金塘水道流向西北方向的灰鱉洋；落潮時(shí)，灰鱉洋的潮流經(jīng)過西堠門水道和金塘水道流向東南方向的外海。為了分析金塘島北部海域工程前后潮流場(chǎng)變化特征，本文對(duì)工程前后漲急時(shí)刻（圖7）、落急時(shí)刻（圖8）表層流場(chǎng)進(jìn)行了比較分析，選取了4 個(gè)變化特征較明顯的區(qū)域：大鵬山西側(cè)為區(qū)域1(121°48′54.0″～121°49′26.4″E，30°04′04.8″～30°04′51.6″N)、大鵬山北側(cè)為區(qū)域2(121°48'54.0"～121°55'22.8 ″E，30°05 ′06.0 ″～30°06 ′36.0 ″N)、瀝港水道為區(qū)域3(30°04′04.8″～30°06′18.0″E，121°50′24.0″～121°51′00.0″N)和金塘北東側(cè)岬灣為區(qū)域4(30°04′37.2″～30°06′00.0″E，121°52′22.8″～121°53′34.8″N)（圖7c）。

1）漲急時(shí)刻潮流變化

圍填海工程前，漲急時(shí)刻大鵬山北側(cè)潮流為西北向，金塘島東北海域潮流受岸線影響，流向主要為西北和正西方向，流速較小，為0.2～0.6 m/s。大鵬山和金塘島以北的大髻山島、魚龍山島、大菜花山島和橫檔山島的復(fù)雜岸線會(huì)造成整體潮流動(dòng)能大幅度衰減，導(dǎo)致潮流流速較金塘東北側(cè)水道大幅下降，均低于0.4 m/s；同時(shí)由于潮流受地形作用，水質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量變化復(fù)雜，導(dǎo)致流向錯(cuò)綜復(fù)雜，其中魚龍山東南側(cè)出現(xiàn)西南流，橫檔山北側(cè)出現(xiàn)東北流，但整體潮波運(yùn)動(dòng)仍以西北向傳播為主，并不會(huì)因該處小尺度動(dòng)能損耗造成整體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)改變，因此，該處潮流仍為西北向流動(dòng)，僅在魚龍山東南側(cè)近岸小范圍海域潮流存在相反流動(dòng)趨勢(shì)。瀝港水道流速在水道拐彎處較大，可以達(dá)到1.0～1.6 m/s，流向沿著岸線由東北流向變?yōu)闁|南流向后進(jìn)入灰鱉洋。

圍填海工程后，區(qū)域1 的漲急流速比工程前的流速增加約0.1 m/s，流向向西偏轉(zhuǎn)5 °左右；區(qū)域2 東西兩側(cè)的潮流沿工程后的岸線向中間靠攏，交匯后向北流，該區(qū)域流速明顯變緩，平均減少約0.4 m/s；區(qū)域3的流速流向變化最大，流向向東偏轉(zhuǎn)約30 °，流速最大增加約0.6 m/s；區(qū)域4 新形成的岬灣使該海域的流速整體減小約0.2 m/s，流向由原來的西北向變?yōu)槟鏁r(shí)針方向在岬灣中流轉(zhuǎn)（區(qū)域1、2、3、4 見圖7c、圖7d 紅框處）。

2）落急時(shí)刻潮流變化

圍填海工程前，落急時(shí)刻的大鵬山北側(cè)海域潮流為東南向，金塘島東北海域潮流受岸線影響流向主要為東南向、東向與南向，流速較小，為0.2～0.8 m/s，略大于漲急時(shí)刻。大鵬山和金塘島以北海域，受大髻山、魚龍山、大菜花山、橫檔山地形阻擋作用，流速整體降低，但橫檔山西側(cè)海域流速較大，為1.2～1.4 m/s；流向整體為東南向，在橫檔山東南側(cè)海域出現(xiàn)東北流；瀝港水道流速在水道拐彎處較大，最大為2.0 m/s，潮水沿著岸線流入金塘水道。

圍填海工程后，金塘島北部西側(cè)海域的區(qū)域1 流速變化稍大，西側(cè)靠北位置的流速減小了0.2～0.6 m/s，流向由原西南方向向南偏轉(zhuǎn)了30 °左右，呈現(xiàn)正南流向，西側(cè)靠南位置的流速增大了0.2～0.4 m/s，流向變化不大，稍向西偏轉(zhuǎn)了10 °左右；金塘島西北部區(qū)域2 西側(cè)的潮流在島嶼近岸分成兩股，分別向西和向東流，此區(qū)域流速明顯變緩，平均減少了0.4 m/s；金塘北東側(cè)的區(qū)域4 流速稍微減小，約為0.2 m/s，但流向變明顯，此區(qū)域的兩個(gè)岬角使潮水在落潮時(shí)呈順時(shí)針方向流動(dòng)，與原流向比最大偏轉(zhuǎn)了180 °；位于瀝港水道的區(qū)域3 流速變化最大，在水道入口處流速最多增加了0.6 m/s，在水道拐彎處減小了0.4～0.6 m/s（區(qū)域1、2、3、4 見圖8c、圖8d 紅框處）。

圖8 落急時(shí)刻工程前后流速、流向變化對(duì)比Fig.8 Comparison of current fields during ebb tide between pre- and post-reclamation

2.3.2 潮余流的變化分析

圍填海工程引起的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)、漲潮匯流和落潮分流等潮流要素變化對(duì)余流強(qiáng)弱有較大影響，進(jìn)而可能影響沖淤變化。工程區(qū)海域水深較淺平均水深不足10 m，且研究表明浙江近海大部分區(qū)域各層余流方向一致性較好[16]，故對(duì)模擬得到的圍填海前后2020 年3 月25 日至4 月25 日的垂向平均潮流進(jìn)行調(diào)和分析，去除周期性潮流以計(jì)算歐拉余流。

圖9 給出了何微等計(jì)算得到的2011—2016 年金塘島附近海域的沖淤變化特征[8]，圖10 為本文計(jì)算得到的工程前后余流變化圖，兩者分布特征較為相似，余流顯著減小區(qū)域也是淤積顯著的區(qū)域。其中，金塘島西側(cè)大鵬山海域（圖9b）和金塘島東北側(cè)（圖9c）是淤積最明顯的地方，淤積在3～4 m，同時(shí)這兩個(gè)區(qū)域的余流（圖10b、10c）在地形變化后流速減小最為明顯，總體變化趨勢(shì)一致，工程前后余流的變化與沖淤變化有一定的相關(guān)性。

圖9 金塘島2011—2016 年沖淤變化Fig.9 Changes in erosion and deposition near the Jintang Island from 2011 to 2016

圖10 金塘島工程前后余流流速變化Fig.10 Change in residual current near the Jintang Island pre- and post-reclamation

余流的量值雖不大，但它直接指示著水體的運(yùn)移和交換情況，對(duì)海水中懸浮物質(zhì)和可溶性物質(zhì)的輸運(yùn)、稀釋及擴(kuò)散等都起十分重要的作用[16]，通常余流弱易淤積，余流強(qiáng)易沖刷。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知（表5），S01 站余流流速由0.17 m/s 增大為0.27 m/s，增強(qiáng)了59%，沖刷作用增強(qiáng)；S02 站余流流速變化較小；S03 站工程后的余流流速由0.05 m/s 增大為0.12 m/s，增強(qiáng)了140%，沖刷作用顯著增強(qiáng)；S04 站余流流速由0.03 m/s 增大為0.05 m/s，增強(qiáng)了67%，沖刷作用較為明顯；S05 站余流流速由0.06 m/s 減小為0.05 m/s，減弱了?17%，有利于淤積。

表5 各特征點(diǎn)在不同情況下余流流速對(duì)比Table 5 Comparison of residual current velocity at typical locations in different scenarios

A 點(diǎn)在S04 站附近，更靠近工程后的海岸，其余流的變化比S01 站大得多，流速由0.04 m/s 增大至0.11 m/s，增強(qiáng)了175%，沖刷作用顯著增強(qiáng)。B 點(diǎn)在S02 與S04 站之間，工程后B 點(diǎn)余流流速由0.95 m/s 減小為0.22 m/s，減弱了77%，此處形成淤積。C 點(diǎn)在原瀝港水道中，靠近S03 站，余流流域由0.03 m/s 增加至0.06 m/s，增強(qiáng)了100%，此處呈現(xiàn)一定程度的沖刷現(xiàn)象。D 點(diǎn)在工程后余流流速由0.55 減小為0.04 m/s，減弱了93%，此區(qū)域形成明顯淤積。

3 結(jié)論

本文基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了金塘島北部海域工程區(qū)的潮流潮汐特征，利用SCHISM 模式對(duì)金塘島北部海域進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬，根據(jù)驗(yàn)證后的數(shù)模結(jié)果對(duì)地形變化前后的水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行分析，并根據(jù)前人研究的沖淤分布情況進(jìn)行比對(duì)，得到如下結(jié)論。

1）圍填海工程區(qū)海域?qū)儆谝?guī)則半日潮類型，近岸潮流受地形影響流速流向差異明顯，但基本都沿著海岸線呈往復(fù)流形態(tài)，工程后流場(chǎng)流速大小整體變化不大，除工程海域外，大鵬山西北側(cè)海域流速、瀝港水道和金塘島北部的東側(cè)岬角處流速和流向變化明顯，漲、落急時(shí)刻的流速變化率均超過20%，其中瀝港水道、東側(cè)岬角處的流速變化率均超過65%。

2）由于圍填海工程改變了岸線和地形，破壞了周邊海域的沖淤平衡，根據(jù)工程前后余流變化和淤積分布比對(duì)發(fā)現(xiàn)，兩者整體分布具有相關(guān)性，且在淤積明顯的海域，余流在工程后明顯變小，表明受地形變化影響的余流變化分布與沖淤分布有密切的關(guān)聯(lián)。

3）在不考慮陸地的泥沙溢流及來往船只泥沙泄漏的情況下，因圍填海工程而導(dǎo)致的地形變化對(duì)金塘島北部海域的潮汐動(dòng)力環(huán)境和沖淤情況有較大影響。瀝港水道內(nèi)和金塘島西北側(cè)岬角附近的余流增強(qiáng)，沖刷作用增強(qiáng)，而金塘島東側(cè)岬灣處余流減弱，容易產(chǎn)生淤積。建議對(duì)余流減弱顯著區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)控。

本文僅基于觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模型分析了圍填海工程造成的地形變化對(duì)潮流和潮致余流的影響，對(duì)泥沙輸運(yùn)及沖淤特征未展開詳細(xì)的分析和研究，后續(xù)擬在本文水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，加入波浪以及泥沙沖淤模塊，進(jìn)一步探討圍填海工程對(duì)該海域泥沙沖淤的影響。