海岸带开发对葫芦山湾水交换能力的影响

摘 要：为评价2000年至2010年海岸带开发活动对葫芦山湾水交换能力的影响，本文通过数值模拟方法计算2000年、2005年和2010年葫芦山湾海域潮流场、纳潮量和海湾水交换率的情况。研究表明，2000年至2010年葫芦山湾岸线减少2.1 km，海域面积减少约14.8 km2；2000年至2005年纳潮量平均减少了0.21×108 m3，水交换率平均增大了3.15%；2005年至2010年纳潮量平均减小了0.11×108 m3，水交换率平均减小了0.05%，说明葫芦山湾海岸带开发活动造成海湾纳潮量减小，导致环境容量的逐年减少，是海湾污染日益加剧的主要原因之一。

关键词：海岸带开发 水交换 纳潮量 数值模拟

中图分类号：P748 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0137-03

近年来，辽宁省沿海经济带开发建设纳入国家战略，大连长兴岛沿海经济区作为辽宁省沿海经济带对外开放战略的重要区域，已进行大规模的开发利用。海岸带开发活动带来经济效益的同时，造成了海湾面积大量减少，生态功能退化，导致海湾资源的严重破坏[1]。如何在开发利用的同时减少对周边海域的影响，更有效的利用和保护海湾资源已显得十分重要。目前国内外学者对锦州湾、大连湾等区域开展专题研究较多，而针对葫芦山湾开展研究的较少，如鲍永恩[2]从沉积物重金属集散特征方面开展研究等，从海湾水动力角度探讨海岸带开发活动对葫芦山湾水交换能力影响方面未见报道。因此，本文选取2000年、2005年、2010年海岸带开发活动造成的海湾面积及海岸线的变化信息，通过数值模拟方法计算不同年份海湾水交换的变化情况，分析海岸带开发活动对葫芦山湾海域水动力的影响，为海湾资源能够得到有效整治修复及保护，海岸带资源得到有效的开发利用提供科学的基础。

1 数值模型概述

1.1 潮流场数学模型

葫芦山湾位于辽宁瓦房店市西南渤海海域，为基岩港湾岸。湾口朝向西略偏南，湾口以里呈葫芦形，水深较浅。本文采用平面二维潮流数学模型进行研究，其基本控制方程如下。

连续方程：

式中：u、v为平均流速在x、y方向的分量；H为水深，H=h+ζ；f为科氏力系数，f=2ωsinφ为地球地转角速度，φ为纬度；ve为有效粘性系数，ve=vt+v，vt为紊动粘性系数；τbx、τby分别为底部切应力在x、y方向分量。

海湾接纳潮水的体积就是该海湾的纳潮量[3]，其大小决定海湾与外海的交换强度，反应了海湾的自净能力。通过计算葫芦山湾内各个网格的面积以及网格点的高低潮时水位差，得到大潮和小潮高低潮时海湾内可以容纳海水的体积差，即可得到海湾的纳潮量。计算公式为P=h×S[4]。式中P为平均潮差条件下的纳潮量，h为平均潮差，S为平均水域面积（即平均高潮位与平均低潮位水域面积之均值）。

海水交换是衡量某一海域自净能力的一个主要指标，海水交换能力的强弱，直接决定水体的环境容量[5]。根据流出湾外水质点的个数近似地求出流出湾外的水体积。因此定义潮周期内某一水体与其相邻水体的净交换率为：R=（V出/V总）×100%。其中：R为交换率（%）；V总为所划定的水域的总体积；V出为在一个周期内流出水域之外的净体积。

1.2 边界条件

数值计算范围为葫芦山湾海域。网格设置为200个×150个；水深由海图读取并订正到平均海平面；时间步长为30 s；Manning系数取0.026；开边界条件由M2、S2、K1和O1四个分潮调和常数控制；初始水位和流速全部为零。

2 研究方法

本文选取并对比2000、2005和2010年海岸带开发活动造成的海湾面积及海岸线变化信息，通过数值模拟方法分别计算不同年份海湾潮流场，以说明海岸带开发活动对葫芦山湾海域的影响，本文构建两种研究方案：（1）2000年至2005年海岸带开发对葫芦山湾海域的影响（方案A）：采用2000年海湾岸线以及2005年海流边界计算海湾潮流场、纳潮量和水交换率；（2）2005年至2010年海岸带开发对葫芦山湾海域的影响（方案B）：采用2005年岸线以及2010年海流边界计算海湾流场、纳潮量和水交换率。

3 结果与讨论

3.1 海岸带开发活动对葫芦山湾整体影响

统计分析表明2000年至2005年葫芦山湾岸线长度由72.3 km增加到73.2 km，面积由78.4 km2减少到71.7 km2；2005年至2010年葫芦山湾岸线长度由73.2 km减小到70.2 km，面积由71.7 km2减少到63.6 km2。

葫芦山湾模拟站海流均表现为较强的往复性。湾口海流主流向为偏S-N向，湾内主流向为顺岸方向。为了详细说明海岸带开发活动对海湾潮流场的影响，设定模拟站位（P1位于北侧湾口；P2位于南侧湾口；P3位于湾内中部；P4位于湾顶中部），根据模拟结果可以发现（表1），2005年P1和P3站位流速增大，P2和P4站位流速减小。其中P3和P4站位流速变化较大的原因是岸线的变化造成流速最大值发生时刻提前了一个小时；2010年各模拟站位均呈现减小的趋势。

3.2 海岸带开发活动对海湾纳潮量和水交换的影响

葫芦山湾纳潮量和水交换率计算结果见表2，可以发现2005年葫芦山湾现状模拟和方案模拟纳潮量分别为144.77×106 m3和166.1×106 m3，平均水交换率分别为33.5%和30.35%；2010年葫芦山湾现状模拟和方案模拟纳潮量分别为134.85×106 m和145.6×106 m，平均水交换率为34.05%和34.1%。

统计结果表明2000年至2005年岸线的变化导致葫芦山湾纳潮量平均减少了0.21×108 m3，水交换率平均增大了3.15%。主要是由于近年岸线变化造成海湾面积的减小，直接导致纳潮量的减小。而海岸带的开发主要倾向于截弯取直，造成海湾北侧以及湾口与湾内衔接处流速增大，而南侧及湾内流速减小。海湾流速总体增大，故而造成海湾水交换率略微增大；2005年至2010年岸线的变化导致葫芦山湾纳潮量平均减少了0.11×108 m3，高潮时水交换率增大1.9%，而低潮时水交换率减小2%，平均减小了0.05%。主要是由于近年岸线的变化，尤其是海湾北侧近湾口处，围填海工程造成海湾湾口减小，从而造成整个海湾流速均呈现减小的趋势，故而导致纳潮量减小，海湾水交换率减小。

4 结论

近十年海岸带开发活动带来的经济效益和发展空间吸引了更多的人们投资并开展生产活动，同时也造成海湾水质环境污染情况日益加剧。根据本文对葫芦山湾2000至2010年的海岸带开发活动对海湾影响分析，葫芦山湾面积在10年内减少了近14.8 km2，岸线减少了2.1 km，其变化在一定程度上改变了葫芦山湾的海域潮流场。根据2000年、2005年和2010年海域潮流场的模拟结果表明，纳潮量呈逐年递减的趋势，水交换率略有波动。2000至2005年纳潮量平均减少了0.21×108 m3，水交换率平均增大了3.15%。2005至2010年纳潮量平均减少了0.11×108 m3，水交换率平均减小了0.05%。表明了海岸带开发活动造成海湾纳潮量的减小，海湾的环境容量相应减小；虽然2000年至2005年海湾内因截弯取直方式的围填海工程导致水交换率略有增大，但对海湾生态造成了一定的影响，而2005年至2010年湾口的围填海工程导致了水交换率降低，海湾整体面积减小，造成与湾外海水交换能力减弱，即降低了葫芦山湾的自净能力，减少了海湾环境容量，是造成葫芦山湾水质环境污染逐年加剧的重要原因之一。

参考文献

[1] 刘伟，刘百桥.我国围填海现状、问题及调控对策[J].广州环境科学，2008，23（2）：26-30.

[2] 鲍永恩，刘娟.葫芦山湾沉积物中重金属集散特征及环境背景值[J].海洋环境科学，1995，14（1）：1-8.

[3] 叶海桃，王义刚，曹兵.三沙湾纳潮量及湾内外的水交换[J].河海大学学报，2007，35（1）：96-98

[4] 季小梅，张永战，朱大奎.乐清湾近期海岸演变研究[J].海洋通报，2006，25（1）：44-53.

[5]沈林杰，陈道信，黄惠明.温州围垦工程对河口水交换能力的影响[J].海洋学研究，2009，27（4）：72-76.