威海张家埠新港建设对附近海域潮流影响预测分析
2013-11-12冯秀丽
刘 潇，冯秀丽，刘 杰，魏 飞
(中国海洋大学 海洋地球科学学院， 山东 青岛 266100)
靖海湾、五垒岛湾位于山东半岛东侧、威海市南侧海域，在行政区划上属于威海市(121°50′～122°10′E，36°45′～37°00′N)，文登泽库半岛位于靖海湾和五垒岛湾之间。靖海湾是浪控和潮控复合型海湾；五垒岛湾原来是一干出型海湾，高潮时海水淹没，低潮时海底干出，全为滩地，由于近30 a来海水养殖的发展，海湾大部分已被开辟为养殖池。
张家埠老港是文登市唯一的港口，由于长会口口门处的拦门沙浅滩影响，进出港航道水深最小处仅-1.1 m，千吨级的船舶需乘潮进港，已经远远满足不了陆域经济发展的要求。为了提升张家埠港区的竞争力，优化沿海产业结构，带动文登市及周边区域的经济发展，文登市在结合现有岸线资源及海域自然条件的基础上，在靖海湾和五垒岛湾之间、泽库半岛南侧海域建设张家埠新港区。
在自然状态下，近岸海域的水动力和泥沙输运会处于一个动态平衡的状态，而大规模的海洋工程建设会对周边海域的水动力产生重要影响，从而打破这个平衡，使工程附近海域的动力环境趋于另外的一种动态平衡[1]。张家埠新港一期引堤和二期防波堤总长度约9 km，本研究拟在实测海流的基础上，运用MIKE21 Flow Model FM对工程建设前后海流特征进行分析对比，同时研究了大规模的海洋工程对海洋水动力环境的影响。
1 研究区域概况
1.1 地形地貌及张家埠新港概况
研究区位于靖海湾、五垒岛湾及附近海域。里子岛以北海域，包括牛心岛周围地形复杂，岛屿近岸海域坡降较大(2‰～6‰)，海底凹凸不平，常有暗礁突出海底；里子岛以东、牛心岛以南3.0～5.0 m等深线间坡降比较平缓，坡降为1.3‰；5.0～7.0 m之间坡降为0.67‰。泽库半岛东南部、靖海湾西南部海域，地形比较平缓，2.0～5.0 m之间的海底坡降为0.5‰。泽库半岛西侧海域海底地形较陡，该海域有数处礁石出露，-5.0 m等深线离岸最近处为3.5 km，0～-5 m之间最大坡降为3‰，-2～-3 m之间坡降为2.7‰，-3～-5 m之间坡降为4‰，-5.0 m等深线向陆侧突出。
张家埠新港位于靖海湾和五垒岛湾的中间、文登市泽库镇南侧，港区目前主要包括引堤工程和防波堤工程(图1)。主要建设长5 300 m的引堤和长3 677 m的防波堤及5万t级通用泊位，引堤及防波堤均采用斜坡式实堤结构。
图1 张家埠新港位置及概况(m)Fig.1 Location and general situation of the new port in Zhangjiabu (m)
1.2 潮汐特征
根据2009-09-18-19大潮期的潮位过程实测曲线可知：1个太阴日内有2次比较规则的高(低)潮，2次高潮或2次低潮的潮高相差不大；受地形及浅水等因素的影响，平均涨潮历时略大于平均落潮历时。
由于研究区处于南黄海和北黄海两支左旋潮波系统的交界范围[2]，地形又较复杂，致使研究海区的潮汐性质随地域的变化比较急剧：研究区北部海域多为正规半日潮，而靖海角附近则为不规则半日潮。
1.3 实测海流特征
研究区潮流属于规则半日潮流，涨潮流速大于落潮流速，表层流速大于底层流速。最大流速不超过100 cm/s；研究区余流较小，受岸线及地形影响，近岸处为往复流；离岸较远处表现为旋转流的特征[3]。
为了解本海区的水动力状况，2009-09-18-19在研究区海域布设7个海流观测点，进行了连续25 h的现场观测(观测间隔1 h)。海流观测使用SLC9-2智能型直读式海流计，为确保资料的可靠准确，同时加挂AANDERAA-RCM9 声学海流计(挪威)进行复测。各点实测潮流玫瑰图如图2所示，典型站位表中底层的海流过程曲线如图3所示。
图2 各站位实测潮流玫瑰图Fig.2 The tidal current roses measured at different stations
图3 A2号站各层流速随时间变化曲线Fig.3 Time-series of current speeds at A2 station
根据实际潮流测量资料，各站位最大流速均不大于112 cm/s，最大流速均出现在涨落潮流的主流向上，潮流的旋转方向为逆时针，涨潮流速与落潮流速相差不大；垂向上，流速由表层至底层呈递减趋势。《海港水文规范》中规定，依据K=(WK1+Wq)/WM2划分潮流性质：如果K≤0.5，则为正规半日潮流;如果0.5
2 潮流场数值模拟
2.1 数值模拟方法及潮流验证
MIKE21非结构网格模型是丹麦水力学研究所开发的比较成熟的二维水动力数值模拟软件，在国内有大量成功的实际应用实例，是目前国际上较为先进的水动力数值模型[4-5]，尤其适用于岸线状况比较复杂、需要非结构化灵活性的近海、河口区等。陈雪峰[4]、王万战[5]、许婷[6]对模型的原理及计算方法已做详细阐述。
本研究建立了研究区海域的MIKE21二维潮流模型，为了验证数值模拟结果的真实性，利用在研究区海域内的测流点和验潮站实测资料，对模型模拟和实测的潮位、流速、流向进行对比验证。从总的对比验证结果来看，潮流验证结果较好。以潮位验证点及2号站为例，给出数值模拟与实测潮流的验证结果，验证结果表明，模型基本上反映了实测流速的涨急落急状态，在流向上模拟值与实测值也相差不大，无论是潮位、流速还是流向，计算结果与实测结果基本吻合，说明模型采用的参数及计算方法可靠，能够模拟研究区海域的潮流运动特性，满足预测和研究的需要(图4)。
图4 验潮站、2号测流站大潮期潮位、流速、流向验证对比图Fig.4 Verification of tide level, current speed and current directionat the gaging station and the tidal station 2 during spring tide
2.2 现状岸线下海流及潮汐特征
利用MIKE21二维潮流模型模拟张家埠新港建设前(现状岸线条件下)大潮期涨急、落急时刻的流场及大潮高潮位、低潮位特征。从流场模拟结果可以看出(图5)，现状岸线条件下涨急时刻流向在整体上表现为WNW向，流速在0.15～1.2 m/s之间，在研究区靖海湾侧、文登半岛东侧岸线附近海域流速最大，可以达到1.2 m/s左右，流向近N向，在靖海角附近海域流速可以达到0.9 m/s以上；在靖海湾和五垒岛湾的湾顶海域、南海旅游度假区南侧附近海域流速较小，最小流速均处于0.15 m/s以下，流向近N向；落急时刻各处流速均较涨急时刻流速稍小，最大处流速为1 m/s，在靖海角附近流速在0.9 m/s以下，湾顶附近最小流速在0.1 m/s以下。潮位预测结果表明，现状岸线下高潮潮位整体上在1.3～1.6 m之间，潮位等值线呈扇形分布，呈北高南低的趋势，在靖海湾和五垒岛湾的湾顶海域附近海域潮位较高，可以达到1.6 m以上，越往南侧开阔海域高潮潮位值越低；低潮潮位整体上在-0.6～-1.2 m之间，总体上呈现西北低、东南高，湾内较高、湾外较低的趋势，靖海湾和五垒岛湾部分海域海底出露，潮位在文登半岛东侧附近海域较高，可以达到-0.6 m，在南海旅游度假区南侧附近海域较低，约为-1.44 m。
图5 现状岸线下潮流场图Fig.5 The tidal current field under the present-day coastline
2.3 工程实施后海流及潮汐特征
从工程建成后的流场模拟结果可以看出(图6)，涨急时刻流向整体上与工程实施前基本一致，仅在引堤和防波堤工程的两侧发生了明显变化，工程西侧附近海域流速变化不大，但流向由WNW向变为了近N向，引堤东侧、防波堤北侧防护海域的流速均小于0.4 m/s，防波堤西南侧拐角附近海域流速较工程实施前明显增大，最大流速可以达到1 m/s，其它海域流速变化不大；工程实施前后落急时刻流场的变化也主要发生在工程附近海域，变化与涨急时刻基本一致，防波堤西南侧拐角附近最大流速大于1 m/s，引堤东侧、防波堤北侧防护海域的流速均减小到0.4 m/s以下。潮位预测结果表明，工程建设对大潮期高潮潮位的影响主要体现在工程附近的1.525 m等值线附近海域，工程建设后明显向北移动；工程建设对大潮期低潮潮位的影响主要体现在引堤东侧、防波堤北侧海域附近的-1.38 m等值线附近海域，工程建设后，该处海域的低潮潮位较工程前更低。
图6 工程建设后潮流场图Fig.6 The tidal current field after the construction of new port
3 港口建设对潮汐、海流影响分析
为了更好的了解工程建设对附近海域水动力环境的影响程度和范围，分别在工程的东侧、南侧和西侧附近海域不同距离处(50，500，2 000，4 000 m)设置3条流速流向对比点，以讨论工程建设对流场的影响。根据大潮涨急时刻和落急时刻各对比点(A0，A1，A2，A3，B0，B1，B2，B3，C0，C1，C2，C3，位置见图7)的流速和流向对比结果(表1、表2)可以看出：张家埠新港工程建成后，流速整体上呈现在工程的东西两侧减小，而在工程南侧流速明显增大。其中流速改变最大处发生在引堤工程东侧的A1点，在涨急时刻流速减小了0.55 m/s，在落急时刻减小了0.45 m/s；相对来说，在其西侧流速改变相对较小， C1点在涨急时刻流速减小幅度可以达到0.21 m/s，在落急时刻可以减小0.13 m/s；在工程南侧海域流速均呈增大的趋势，其中B0和B1点涨急流速增幅达0.23 m/s，B0点落急时刻流速增幅可以达到0.19 m/s。随着对比点与工程间距离的增加，工程所造成的流场的改变越来越小，在距工程4 000 m处，流场变化较小，除引堤和防波堤防护区域内的A3点流速减小幅度在0.1 m/s左右外，大部分对比点流速增减幅度均在0.05 m/s以下。
表1 工程前后大潮涨急时刻流速对比Table 1 Contrast of current velocities at peak flood in spring tide beforeand after the construction of new port
表2 工程前后大潮落急时刻流速对比Table 2 Contrast of current velocities at peak ebb in spring tide beforeand after the construction of new port
图7 潮流对比点位置图Fig.7 Positions of the points for contrasting the current velocity
4 结 论
1)根据实测资料，研究区潮流属于正规半日潮流，涨潮流速与落潮流速相差不大，流速由表层至底层呈递减趋势。最大流速不超过112 cm/s，潮流的旋转方向为逆时针；受岸线及地形影响，近岸处为往复流，离岸较远处表现为旋转流的特征。
2)从流场模拟结果可以看出，现状岸线下涨急时刻流向在整体上表现为WNW向，流速在0.15～1.2 m/s之间，在南辛庄东侧附近海域流速最大，在湾顶、南海旅游度假区南侧海域流速较小；落急时刻各处流速均较涨急时刻稍小，流向基本相反。潮位预测结果表明，高潮潮位在靖海湾和五垒岛湾的湾顶海域附近海域较高，南侧开阔海域较低；低潮潮位整体上呈现西北低、东南高，湾内高、湾外低的趋势。
3)根据工程建成后的模拟结果，工程建设对大潮期高潮潮位的影响主要体现在1.525 m等值线在工程附近明显向北移动；对大潮期低潮潮位的影响主要体现在引堤两侧、防波堤北侧海域附近的低潮潮位较工程前更低。
4)张家埠新港工程建成后，流速整体上呈现在工程的东西两侧减小、南侧增大的趋势，随着与工程间距离的增加，工程所造成流场的改变逐渐减小。工程东侧涨急时刻流速最大减小了0.55 m/s，落急时刻最大减小了0.45 m/s；西侧流速改变相对较小，涨急时刻流速最大减小幅度为0.21 m/s，在落急时刻减小幅度可以达到0.13 m/s；在工程南侧海域流速均呈增大的趋势，涨急时刻流速增幅达0.23 m/s，落急时刻流速增幅可以达到0.19 m/s。
参考文献：
[1] FANOS A M, KHAFAGY A A, DEAN R G. Protective works on the nile delta coast[J]. Journal Coastal Research, 1995,11(2):516-528.
[2] 崔金瑞,王文海.山东半岛南岸潮汐汊道式海湾海洋环境特征及开发功能探讨[J].海岸工程,1991,10(2):44-49.
[3] 冯秀丽,隋倩倩,林霖,等.威海靖海湾港区张家埠新港建设对泥沙冲淤影响预测分析[J].海洋科学,2011,35(3):72-76.
[4] 陈雪峰,王桂萱.MIKE21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用[J].大连大学学报,2007,28(8):93-98.
[5] 王万战,董利瑾.渤海流场基本特性的Mike21模拟研究[J].人民黄河,2007,29(10):32-33.
[6] 许婷.MIKE21 HD计算原理及应用实例[J].港工技术,2010,47(5):1-5.
