海洋開發(fā)活動對萊州灣水動力條件的影響研究?

于曉霞, 王占金, 冷 星， 劉德龍, 楊雪娜, 張啟超， 李愛華

(1．山東省生態(tài)環(huán)境規(guī)劃研究院， 山東 濟(jì)南 250000； 2.中國海洋大學(xué)， 山東 青島 266100)

萊州灣是渤海三大海灣之一，三面環(huán)陸，緊鄰黃河口，位于渤海南部。萊州灣南部近岸海域緊鄰東營市、濰坊市的壽光市、寒亭區(qū)、昌邑市等行政區(qū)，港口、鹽田密布，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，存在多個自然保護(hù)區(qū)和海洋保護(hù)區(qū)，是山東省內(nèi)重要自然資源地。

近年來，圍填海、防波堤、擋沙潛堤、海底投石等海洋開發(fā)活動強(qiáng)度、密度大幅增加，產(chǎn)生了自然岸線資源縮減、海灣屬性弱化、海灣污染加劇等一系列問題[1]。呂婷等[2]應(yīng)用MIKE21FM數(shù)值模型建立2000和2014年濰坊港及其附近海域的平面二維潮流模型，研究萊州灣海域的水動力環(huán)境變化特征；蘇博等[3]通過建立二維平面潮流和對流擴(kuò)散模型，研究膠萊運(yùn)河修建對萊州灣水交換及海洋環(huán)境的影響；孫欽幫等[4]通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究了萊州灣表層沉積物的石油烴污染狀況和空間分布特征；王衛(wèi)遠(yuǎn)等[5]利用MIKE21FM數(shù)值模型搭建包括萊州灣在內(nèi)的整個渤海水動力模型，對海上風(fēng)電場工程建設(shè)引起的局部潮流場變化進(jìn)行了研究；劉功鵬等[6]基于MIKE21SW波浪數(shù)值模型，對萊州灣海域的設(shè)計波浪要素進(jìn)行了模擬和分析；姜勝輝等[7]采用數(shù)值模擬的方法研究了2003—2013年10年前后圍填海工程建設(shè)對萊州灣水動力環(huán)境的影響。但這些研究有的時間比較久，有的僅研究某種特定海洋活動對局部水動力的影響，而近十年來萊州灣圍填海、海水養(yǎng)殖等各類海洋開發(fā)活動強(qiáng)度不斷增大，范圍不斷擴(kuò)展、影響更加廣泛。因此，有必要對近期海洋開發(fā)活動對萊州灣水動力條件影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文采用Mike21 HD數(shù)值模擬軟件模擬了2002和2020年萊州灣的潮流場變化，計算了水交換能力，分析研究了海洋開發(fā)活動對萊州灣水動力條件和水交換能力的影響。

本研究區(qū)域為萊州灣區(qū)域，即西起黃河清水溝廢棄河口，東迄屺姆島高角(見圖1)，萊州灣內(nèi)灣水深較淺，最大水深15 m，大部分區(qū)域水深在10 m以內(nèi)；萊州灣的潮汐主要受黃河口外半日無潮點的影響，潮汐類型屬不規(guī)則的混合半日潮海區(qū)，受海灣形狀影響，萊州灣的強(qiáng)浪向和常浪向以北向浪(NE-NW)為主。

圖1 研究區(qū)域

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用Mike21 HD模擬軟件，利用海洋工程位置、用海類型、用海方式及用海范圍等海洋開發(fā)活動現(xiàn)狀資料，以及BIGEMAP、美國地質(zhì)勘探局(USGS)等不同分辨率的衛(wèi)星遙感影像，模擬了2002和2020年萊州灣的潮流場、納潮量、水交換情況，對比分析了近二十年來海洋開發(fā)活動對萊州灣水動力影響。

1.2 數(shù)值模擬

(1)計算域設(shè)置

所建立的海域數(shù)學(xué)模型計算域范圍為圖2中A(遼寧登沙河)、B(山東雞鳴島)兩點以及岸線圍成的北黃海及渤海海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，模擬區(qū)內(nèi)潮位潮流驗證點見圖2(a)，計算域模擬網(wǎng)格分布見圖2(b)。

圖2 模擬計算域和驗證點位置圖(a)及大海域計算域網(wǎng)格圖(b)

(2)網(wǎng)格設(shè)置

2002年整個模擬區(qū)域內(nèi)由42 169個節(jié)點和80 516個三角單元組成；2020年，整個模擬區(qū)域內(nèi)由38 532個節(jié)點和70 065個三角單元組成，最小網(wǎng)格間距約20 m。為了更好地對比2002和2020年潮流場變化，除萊州灣外的其他海域網(wǎng)格保持一致。同時，為更加細(xì)致研究萊州灣近岸附近海域的潮流狀況，對萊州灣近岸海域，特別是近岸港口附近海域網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理(見圖3)。

圖3 加密區(qū)域網(wǎng)格分布圖

1.3 計算方法

(1)潮通量

通量(Flux)是指在單位時間內(nèi)通過某一給定面積(通常指垂直水流方向)的某物質(zhì)(水、污染物、懸浮泥沙等)的質(zhì)量或濃度，其具有方向性，可進(jìn)行矢量計算。水體是泥沙、污染物等輸運(yùn)的動力和載體，揭示水體的輸移規(guī)律能夠更好的揭示灣內(nèi)物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散特征，本次采用垂直口門方向的潮通量表征水沙的輸運(yùn)特征，計算2002和2020年萊州灣口屺坶島高角至黃河清水溝廢棄河口口門處一個月的漲、落潮通量，分析研究岸線變化對萊州灣潮通量的影響。

(2)水體交換率

預(yù)測分析是在潮流場計算基礎(chǔ)之上，加入如下方程：

(1)

式中：P為污染物濃度；M為源項，此處為0；Kx、Ky分別是x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)。

(2)

(3)

為分析比較2002、2020年萊州灣海域的水體凈化能力，建立污染物擴(kuò)散數(shù)據(jù)模型，假定在萊州灣海域有同樣的溶解態(tài)保守污染物，使水體中污染物質(zhì)的濃度達(dá)到某一個特定的量值Wc，且初始時刻均勻分布在附近水域內(nèi)，假設(shè)水邊界入流時給定這種物質(zhì)在開邊界的濃度為0，計算出不同時刻此種物質(zhì)的濃度值W，進(jìn)而通過以下公式計算不同時刻被區(qū)外海水置換的比率(也即水體交換率)，來比較2002、2020年附近海域的水體凈化能力。

n=(Wc-W)/Wc。

(4)

式中:n為水體交換率；Wc為原有污染物濃度值；W為每一時刻水體中污染物濃度值。

(3)半交換周期

半交換周期為灣內(nèi)的平均濃度降為初始濃度一半所需的時間，亦是海灣水交換率達(dá)到50%時所需的時間。

1.4 模型驗證

(1)潮位驗證

利用大連、羊頭洼、鲅魚圈、秦皇島、大清河口、塘沽、小清河口、蓬萊、煙臺芝罘島、威海、北隍城等11個潮位站歷史觀測資料經(jīng)調(diào)和分析后，預(yù)報出大潮期的潮位與計算結(jié)果進(jìn)行驗證；利用萊州灣多個站位(T2，T3，T4，如圖2所示)實測潮位觀測資料與大潮期的潮位計算結(jié)果進(jìn)行驗證。潮位驗證曲線如圖4(a)和圖4(b),其余圖不在此一一列出。潮位驗證結(jié)果表明，對應(yīng)觀測點上模擬得到的潮位值與實測潮位基本吻合。

圖4 潮位驗證曲線(大連) (a)及潮位驗證曲線(T2) (b)

(2)潮流驗證

于2020年4月27日10:00時至4月28日11:00時(中潮期)和2020年5月24日10:00時至5月25日11:00時(農(nóng)歷七月初一至初二，大潮期)在萊州灣海域進(jìn)行的C1—C9共9個站位海流觀測資料進(jìn)行潮流驗證，驗證點位置如圖2所示。利用潮流模型模擬萊州灣2020年4月至5月的潮流場，提取C1—C9站位的流速流向與實測潮流進(jìn)行對比，潮流驗證曲線如圖5(a)和圖5(b)所示，其余圖不在此一一列出。潮流驗證結(jié)果表明，對應(yīng)觀測點上模擬得到的潮流流速流向與實測潮流基本吻合，能夠較好地反映規(guī)劃周邊海域潮流狀況。

圖5 潮流驗證曲線(C1站位中潮、大潮) (a)及潮流驗證曲線(C2站位中潮、大潮)(b)

2 結(jié)果和討論

2.1 潮流場模擬結(jié)果

萊州灣海域潮流場是以濰坊港的潮汐變化為參照時間。低平潮瞬時的潮位最低，萊州灣海域為弱的漲潮流；此后，隨著潮位的升高，落潮流逐漸減弱，外海引起的漲潮流逐漸增強(qiáng)；在漲急瞬時，漲潮流速達(dá)到最大，此時計算海域均為漲潮流；隨著潮位的繼續(xù)抬高，漲潮流速逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)高平潮瞬時，潮位最高，萊州灣海域轉(zhuǎn)變?yōu)槁涑绷?；此后，隨著潮位的降低，落潮流逐漸增強(qiáng)；在落急瞬時，落潮流速最大，計算海域均為落潮流；隨著潮位的繼續(xù)降低，潮流場又到達(dá)低平潮瞬時。如此周而復(fù)始，就形成了萊州灣海域的潮流場變化。

2002年萊州灣大潮期漲急時和落急時的潮流場如圖6所示，2020年大潮期漲急時和落急時的潮流場如圖7所示。

2.1.1 2002年 漲急時，計算域內(nèi)的潮流由萊州灣外向灣內(nèi)流動，潮流流速一般在10～95 cm/s之間。東側(cè)海域灣頂附近潮流流向為南向，至萊州淺灘處流向轉(zhuǎn)為西南向，且流速達(dá)到最大值，為126 cm/s；繞過萊州淺灘，潮流轉(zhuǎn)向南流動。西側(cè)海域灣頂附近潮流流向為南向，在黃河口南側(cè)海域潮流由東南往西北流；萊州淺灘以西至黃河口之間海域，潮流由東北往西、西南流，如圖6(a)所示。

落急時，潮流分布情況與漲急時潮流場相似，只是流向與漲急時潮流場剛好相反。潮流整體由萊州灣內(nèi)向灣外流動，潮流流速一般在10～90 cm/s之間，在萊州淺灘處流速最大值可達(dá)124 cm/s，如圖6(b)所示。

圖6 2002年計算潮流場(大潮期，漲急時) (a)及2002年計算潮流場(大潮期，落急時) (b)

2.1.2 2020年 漲急時，計算域內(nèi)的潮流由萊州灣外向灣內(nèi)流動，潮流流速一般在10～95 cm/s之間。東側(cè)海域灣頂附近潮流流向為南向，至萊州淺灘處流向轉(zhuǎn)為西南向，且流速達(dá)到最大值，為123 cm/s；繞過萊州淺灘，潮流轉(zhuǎn)向南流動。西側(cè)海域灣頂附近潮流流向為南向，在黃河口南側(cè)海域潮流由東南往西北流；萊州淺灘以西至黃河口之間海域，潮流由東北往西、西南流，如圖7(a)所示。

落急時，潮流分布情況與漲急時潮流場相似，只是流向與漲急時潮流場剛好相反。潮流整體由萊州灣內(nèi)向灣外流動，潮流流速一般在10～85 cm/s之間，在萊州淺灘處流速最大值可達(dá)116 cm/s，如圖7(b)所示。

圖7 2020年計算潮流場(大潮期，漲急時) (a)and 2020年計算潮流場(大潮期，落急時) (b)

2.2 潮流流速變化分析

運(yùn)用潮流數(shù)值模擬結(jié)果，將2020年與2002年萊州灣最大潮流流速進(jìn)行對比分析，如圖8所示，結(jié)果表明，相較于2002年，2020年萊州灣中部流速變化較小，西部流速略有增加、東部流速略有減小，變化值介于0～0.05 m/s之間。

圖8 萊州灣最大潮流流速變化圖(2002—2020年)

近岸附近海域，受圍填海等工程建設(shè)影響，潮流流速變化較大。其中，廣利港和濰坊港防波堤堤頭、裕龍島2號島防波堤西側(cè)海域流速增加較為明顯，增加值介于0.24～0.46 m/s之間；黃河口南側(cè)、濰坊港東側(cè)、膠萊河口兩側(cè)鹽田附近海域流速明顯減小，減小值介于0.25～0.5 m/s之間。

2.3 潮通量變化分析

(1)萊州灣海域水體體積變化

由于萊州灣沿岸工程的建設(shè)，萊州灣海域面積有所減小，2020年萊州灣海域面積較2002年減小了464.39 km2。對比姜勝輝等[7]研究結(jié)論：2013年萊州灣海域面積較2003年減小了323.11 km2。本次研究顯示2013年以來海洋開發(fā)活動使得萊州灣海域面積進(jìn)一步縮減。根據(jù)萊州灣水深地形資料，按照平均海平面計算，2002年萊州灣海域水體體積約4.82×1010m3，2020年萊州灣海域水體體積約4.76×1010m3，2020年萊州灣體積較2002年減小了1.4%。

(2)萊州灣潮通量變化

萊州灣潮通量計算結(jié)果見表1，對比發(fā)現(xiàn)，2020潮通量較2002年呈減少趨勢，其中，落潮通量減小約1.70×109m3(變化率約0.43%)，漲潮通量減小約1.47×109m3(變化率約0.38%)，凈通量減小約2.30×108m3(變化率約6.85%)。呂婷等[2]采用數(shù)值模擬方法計算萊州灣納潮量的結(jié)果表明：2014年萊州灣納潮量較2000年減小了3.2%。其萊州灣納潮量變化趨勢與本研究潮通量變化趨勢結(jié)果一致，而圍填海工程對海域空間占用都被認(rèn)為是造成萊州灣總體潮通量減小的主要原因。

表1 2002年和2020年萊州灣口一個月潮通量計算結(jié)果

2.4 萊州灣水體交換率變化分析

采用以上污染物擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，計算萊州灣海域污染物的輸移擴(kuò)散規(guī)律，得到萊州灣內(nèi)30天的水體交換率曲線，2002年曲線如圖9(a)，2020年曲線圖9(b)，2002年和2020年水體交換率對比圖見圖9(c)。

圖9 30天水體交換率等值線圖 (2002) (a)，30天水體交換率等值線圖 (2020) (b)及30天水體交換率對比圖(c)

根據(jù)2002年和2020年水體交換率對比圖可以看出， 2020年萊州灣大部分區(qū)域水交換能力有所下降，下降幅度介于0～15.5%之間。而姜勝輝等[7]研究表明：2013年萊州灣30 d水體交換率較2003年減小0.55%～7.02%。通過對比可知：2020年萊州灣水體交換能力較2013年進(jìn)一步下降。其中濰坊港和廣利港區(qū)防波堤堤頭、老黃河口南側(cè)、萊州灣灣口中部及裕龍島2號島防波堤堤頭附近海域水交換率減小較為明顯。黃河口南部、龍口港南側(cè)、裕龍島及濰坊港防波堤和廣利港防波堤之間海域水交換能力增強(qiáng)，介于0～28%之間；其中濰坊港和廣利港防波堤之間的小清河河口處水交換率明顯增加，增加值介于7%～28%。

2.5 半交換周期計算結(jié)果

半交換周期為灣內(nèi)的平均濃度降為初始濃度一半所需的時間，亦是海灣水交換率達(dá)到50%時所需的時間，萊州灣海域2002年和2020年半交換周期分布，見圖10(a)和10(b)。

萊州灣海域水交換是自灣口向灣內(nèi)進(jìn)行，近岸交換速度慢于外海。在萊州灣灣口附近半交換周期最短，半交換周期約為105 d；萊州灣東南部刁龍嘴附近海域水交換周期最長，最大值可達(dá)150 d。

2002和2020年海域半交換周期變化對比如圖10(c)所示，濰坊港防波堤堤頭處和萊州灣中部海域半交換周期呈增大趨勢，增加值最大可達(dá)25 d；萊州灣西部廣利港附近海域、東部萊州港附近海域呈下降趨勢，減小值可達(dá)20 d。因此，半交換周期變化顯著海域多位于防波堤、港口附近海域。

圖10 2002年半交換周期分布圖(單位：d)(a), 2020年半交換周期分布圖(單位：d) (b)及2002/2020半交換周期變化對比圖(單位：d)(c)

3 結(jié)論

(1)相較于2002年潮流數(shù)值模擬結(jié)果，2020年萊州灣中部、西部、東部流速變化較小，變化值介于0～0.05 m/s之間。近岸附近海域，受海洋開發(fā)活動影響，潮流流速變化較大。其中，廣利港和濰坊港防波堤堤頭、裕龍島2號島防波堤西側(cè)海域流速增加較為明顯，增加值介于0.24～0.46 m/s之間；黃河口南側(cè)、濰坊港東側(cè)、膠萊河口兩側(cè)鹽田附近海域流速明顯減小，減小值介于0.25～0.5 m/s之間。

(2)由于萊州灣海洋開發(fā)活動，海域面積有所減小，2020年萊州灣海域面積較2002年減小了464.39 km2，潮通量隨之減少。與2002年相比，2020年萊州灣口門一個月的落潮通量減小約1.70×109m3(變化率約0.43%)，漲潮通量減小約1.47×109m3(變化率約0.38%)，凈通量減小約2.30×108m3(變化率約6.85%)。

(3)與2002年相比，2020年萊州灣東部海域30 d的水體交換率有所減小，減小值約2%～10%。萊州灣海域水交換是自灣口向灣內(nèi)進(jìn)行，近岸交換速度慢于外海。在萊州灣灣口附近半交換周期最短，半交換周期約為105 d；萊州灣東南部刁龍嘴附近海域水交換周期最長，最大值可達(dá)150 d。濰坊港防波堤堤頭處和萊州灣中部海域半交換周期呈增大趨勢，增加值最大可達(dá)25 d。

綜上，海洋開發(fā)活動導(dǎo)致萊州灣潮通量減小，海域整體水體交換率減小，半交換周期增大，不利于污染物的擴(kuò)散，降低了萊州灣水環(huán)境承載力。