温州鳌江近海建设工程环境影响潮汐潮流数值模拟

2014-08-14单慧洁张钊汪一航吕和娜申伟杰

海洋通报 2014年3期

单慧洁，张钊，汪一航，吕和娜，申伟杰

（1.宁波大学理学院，浙江宁波 315211；2.国家海洋局温州海洋环境监测中心，浙江温州 325027）

海洋是温州经济发展的优势和潜力，围填海对发展温州经济起着积极重要的作用，围填海是缓解土地资源、空间资源短缺矛盾的重要途径之一。根据《温台沿海产业带发展规划》，温州沿海至2020年规划滩涂围垦有34项总面积约370 km2，其中鳌江就是温州沿海产业带围填海建设的典型区域之一。温州海域大规模、较快速的围填海为沿海产业升级提供了发展空间，同时也导致温州海岸所承受的压力日益增大，产生了许多负面效益，围填海一般会降低水交换能力，减弱海水自净能力，导致淤积，加剧海水污染，带来许多海洋环境和生态等问题，从而影响温州海洋经济的可持续发展。由有关温州各围填海工程对海洋环境的影响研究可知，单个围填海工程对温州海域的影响不大，因典型围填海工程群和有价值的海洋监测资料的缺失等，多个工程累积起来的影响的研究较少，围填海工程对海洋环境叠加影响后评价的相关研究还处于初步探讨阶段。因此，围填海对温州鳌江海域海洋环境的叠加影响后评价是一个现实而又前沿的课题。潮汐潮流特征是反映海洋生态环境的重要特性，关注多个已建的围填海工程对潮汐潮流叠加影响的评价，以期能提供具有参考价值的实例。

国内外已有学者对围填海的潮汐潮流叠加影响进行研究。目前，已经有关于温州近海建设工程环境影响潮汐潮流的一些相关研究，如建立包括瓯江、飞云江和鳌江在内的大范围平面二维潮流及悬沙输运数学模型，研究远期围垦工程对温州市三大主要入海河流及近岸水域的悬沙场分布、断面输沙率、海床冲淤演变等影响（王林素等，2008）；建立温州近海及河口二维潮流数值计算模式和水交换数学模型，对温州市围垦工程对瓯江、飞云江和鳌江河口水交换能力的影响进行了模拟（沈林杰等，2009）。这些研究尺度较大，不利于准确评估近岸的海洋动力环境的变化。在国内有一些学者对围填海工程的潮汐潮流叠加影响后评价进行研究，如对巴艚港水沙和冲淤特性进行分析（蒋国俊等，2005）；利用Delft3d模拟了鳌江口江南围垦工程对径流下泄及余流的影响（王黎等，2013）；回顾性评价了深圳围填海造地工程对潮流、纳潮量、海洋环境等的影响（郭伟等，2005）；用POM模型针对1963、2003及2010年3个不同时期的岸线与地形进行模拟，研究了象山港多年围填海对水动力影响的累积效应（曾相明等，2011）；以温州灵霓北堤工程为例，初次探讨了海洋环境影响的后评价（王勇智等，2010）；也有一些学者通过建立其他数学模型来研究围填海工程对海洋环境的影响（王学昌等，2000；王萱等，2010）。以上学者或者是对鳌江径流或者是其他区域进行研究，本文收集了鳌江口海域的潮汐潮流资料，采用实测资料对比法，结合不规则三角形网格和有限体积方法的FVCOM模式对鳌江近海海域各工况的叠加效应和影响过程进行对比和模拟，揭示围填海活动对温州鳌江近海潮流运动的叠加效应、影响过程及对周边海域影响的范围和程度，以期为围填海叠加影响后评价提供范例，对拟定围填海叠加影响的减缓措施是极具参考价值的。

本文收集了2007-2013年温州鳌江近海的5个站点的在3个典型围填海工程期间的潮位资料以及相应的海流观测资料，在对鳌江海域的潮汐潮流特征进行了分析的基础上，用FVCOM模型建立了鳌江近海的潮汐潮流模型，利用实测数据对数值模型进行了验证；然后针对各个典型的围填海工程合拢时间节点进行工程叠加影响的分析。

1 研究区域概况

图1 鳌江主要围填海工程示意图

本文以鳌江口及其近海海域作为研究区域，具体范围：120.52°E-120.89°E， 27.42°N-27.78°N（图1）。研究区域东西长约36 km，南北长约为40 km，温州鳌江近海海域岸线十分复杂。鳌江全长90 km，河口宽达1 000m，是典型的喇叭型，鳌江海域属亚热带海洋性季风气候，气候温和湿润，四季分明，降水充沛。全年降水高峰期有3-4月春雨期、5-6月梅雨期、7-9月热带风暴暴雨期，鳌江年降水量的分布大致是自陆地向海岛递减（李孟国等，2012）；鳌江口外有四屿、三屿、上头屿、蒜屿和铁圢岛等岛屿，鳌江口北面有馒头山礁和凤凰蛋礁，鳌江河口及海岸，由于上游水流挟带泥沙，致使逐年淤泥，同时受大陆架海域泥沙运动的影响送来别处泥沙，扩大淤积面，以致形成了河口及海岸一带广阔的海涂（姚炎明等，1998；蔡德迪等，2013；南京水利科学研究院，2005）。自1064年（北宋治平元年）至1979年，海岸线共向东海推移2～7 km，平均每年的速度为2.2～7.7m。而中华人民共和国成立后，平均每年以10～20m的速度向东海延伸。南岸苍南县江南地区已围垦1.7万亩。北岸平阳县小南地区已围垦2 000亩，且有待围垦的海涂面积尚很广阔。其北与飞云江海涂连接，其南至琵琶山基岩海岸，共有25.5万亩。其中，已露出水面的面积为12万亩，江南地区可围垦的海涂就有5万亩；还有理论基准面以上的海涂面积13.5万亩。随着温州经济的高速发展和人口的增加，为了缓解土地资源的匮乏，为了温州的可持续发展，在鳌江口海域已建或拟建的围填海工程（图1）。从1999年开始施工到2002年合龙的西湾南片围涂，位于鳌江入海口北侧，围填海面积3.48 km2（5 220亩），围堤长5 116 m；江南海涂围垦位于鳌江口入海口南侧苍南东海岸，该工程从2007年开工至2010年合拢，围填海面积4.69 km2（约7 031亩），用海总面积29.57 km2；华润苍南电厂围填海（含挡沙防波堤），该工程从2008年开工至2011年合拢，位于江南海涂围垦南侧。

2 实测资料对比分析

2.1 潮汐特征分析

本文采用在鳌江近海海域5个验潮站（图2）的不同年份调和常数进行对比（表1）。利用各验潮站调和分析结果，根据公式（HK1+HO1）/HM2计算了各验潮站的潮型系数。该海区潮型系数值在0.21～0.35之间，所以鳌江近海海域为半日潮海区。由HM4/HM2的比值显示，在北麂岛和南麂岛为0.007和0.01，在鳌江站增到0.13，表明潮汐特性由北麂岛的正规半日潮变为鳌江河口的非正规半日浅海潮（方国洪等，1986）。根据实测潮位分析，鳌江海域平均潮差达到4m以上，潮汐日不等现象显著，表现为明显的半日潮特征；鳌江口外海域涨、落潮历时基本一致，进入河口之后，涨潮历时减少，落潮历时增加，涨潮历时小于落潮历时。

图2 计算区域及验潮站位置

表1是收集的鳌江口海域5个台站在围填海工程期间的潮汐调和分析结果，由表1可知，M2分潮在鳌江海区占绝对优势。从各测站调和分析结果各年份主要分潮的比较来看，绝大多数分潮振幅均有小幅下降，但是其下降幅度十分有限：鳌江附近海域各分潮振幅的变化均在5 cm之内，迟角的最大变化为8.3°，变化范围介于1.5%～3.0%之间，变化幅度较小。同时，该海区的主要分潮M2在鳌江、石砰和北麂潮位站相邻年份之间振幅的最大变化值分别为1.6 cm、2.7 cm和4.4 cm，最大变化率分别为0.85%、1.39%和2.46%，迟角的最大变化值分别为5.4°、2.3°和4.2°，可以认为M2分潮基本无影响。其他主要分潮中，K1、O1、S2和N2分潮振幅和迟角的变化与M2分潮类似，它们的振幅和迟角变化均很小。浅水分潮M4，MS4在鳌江口、石砰处比较明显，在铜盘山、北麂不明显，振幅变化最高可达5 cm，但它们的变化相对稳定，M6分潮的特性不明显。通过5个年份的主要分潮的对比，观察到各个围填海工程对鳌江口海域的潮汐的叠加改变量很小，该海区的潮汐性质没有大的改变。

表1 鳌江海域各潮位站历年调和常数

2.2 潮流特征分析

从众多海流站点中选取位于温州鳌江附近海域的A01-A05（图2）共5个连续潮流观测站作为特征点进行分析，本海域的潮流性质是规则半日潮流。潮流流速由表层到底层逐渐减小，分潮流方向变化幅度较小，潮流呈往复流特征。鳌江附近海域涨潮流流向主要为NW向，落潮流流向以SE向为主，潮流往复的方向平行于岸线；位于苍南的个别站点带有旋转性；鳌江口河口段涨、落潮流速主要受上游径流的影响，枯水期径流很小，鳌江河口处涨潮流流速充分大于落潮流流速；汛期径流变大，涨潮流流速减小、涨潮历时缩短，落潮流流速增大、落潮历时延长，涨、落潮流速比值减小。

从涨落潮流速和涨落潮历时来看，从鳌江口至口外，由于受上游径流的影响，落潮流速由大于涨潮流速逐渐减小，落潮历时大于涨潮历时不等现象也逐渐减弱，鳌江河口属于典型的受径流与潮流共同作用的强潮山溪性河口。鳌江口海域属于典型的往复流性质，旋转性不强；因为鳌江口海域为规则半日潮流，M2分潮为主要分潮，故分析了5个连续测流站不同年份的M2分潮流椭圆率K值和椭圆长轴。通过对比发现，M2分潮流椭圆率K值2011年与2010年、2007年相比变化微小，各个实测站位的M2分潮流椭圆率K值在0.01～0.03之间变化；椭圆长轴方向代表了潮波的传播方向，其大小代表了相应分潮的最大流速，2011年M2分潮流椭圆长轴平均略小于2007年，流速平均减小0.05 m/s。因此可知，鳌江附近海域围填海工程对其周边的海域潮流运动的叠加影响不显著。

3 叠加效应模拟及影响评价

3.1 模型建立与验证

3.1.1 FVCOM简介

由于实测资料在时间和空间上的限制，只凭借实测资料很难系统的进行后评价。而在大量实测资料的基础上进行数值模型可以较为准确地进行全海域，长时间连续模拟，并且可以进行相关数值验证，对后评价来说是一种既省时又高效的评价方法。本项目将分别采用2007年、2010年和2011年的地形和岸界资料构建三维水动力模型FVCOM（An Unstructured Grid，Finite-Volume CoastalOcean Mode）l（Chen etal，2006）对鳌江海域各工况的叠加效应和影响过程进行数值模拟。FVCOM模式的主要特点有：数值方法采用有限体积法（finitevolume），能很好的结合有限元法和有限差分法的优点，对于具有复杂的地形岸界的计算问题可以更好的保证质量、动量和能量的守恒性；在垂直方向上采用了σ坐标变换，能够使网格很好地适应地形的变化；水平方向采用无结构化非重叠的三角形网格，可以更好地拟合边界，并可针对关注区域进行局部加密；模式具有自由表面，可以模拟水位的变化；垂直混合系数是由Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合模式计算；使用Smagorinsky湍流闭合模式计算水平混合；采用将处理快速移动的外重力波的外模态从处理慢速移动的内重力波的内模态中分离出来的方法等。因此，对于鳌江海域这样海岸线复杂，港湾众多，滩涂面积大且分布不均匀等特点的海区，本研究选用FVCOM模式，并利用2007年、2010年和2011年的资料分别对模型模拟的水位、流速、流向进行校验。

3.1.2 模型设置

本研究计算区域为鳌江海域，数值建模区域南北长约155 km，东西长约134 km。水平网格最小50m，最大2 000m（图3），垂向分6层。经调试本模式中内模态时间步长取30 s，外模态时间步长6 s，整个区域内共有168 307单元，网格节点数88 363。本模型的网格设计较好地刻画了海洋工程建设所造成的曲折复杂的海岸线。

图3 计算网格图

海底摩擦系数表达式为：

式中：z0是海底粗糙度，经调试在本模拟中取值为0.01，k为卡门常数，取值为0.4，这里底摩擦系数取为0.004，zab为离海底最近网格与海底的距离。

模式由开边界潮位驱动：

式中：ζ为潮位，i取 1-8，代表 M2，S2，K1，O1，N2，K2，M4，MS4分潮，ωi为潮汐角速率；fi，ui分别为分潮的交点因子和交点订正角；Hi和gi为分潮的调和常数，用收集到的温州近海台站潮汐调和常数并参考前人的结果（陈倩等，2003）调整得到的。模式由静止海洋启动，在获得稳定的潮波后继续计算1个月，利用最小二乘法对潮汐和潮流进行调和分析，进行潮汐潮流的特征分析。

3.1.3 潮位验证

下面对鳌江和北麂2个站位（图2）的计算结果与实测数据进行对比检验，对比检验时间为1个月，图4为各站位的潮位验证曲线，进行误差分析2个站位上模拟潮位与实测值的均方根误差分别为0.18m（2007年4月）和0.19m（2011年4月）、0.11m（2007年7月）和0.15m（2007年7月），可以说模拟结果是较为准确的。验证结果表明，模型能够很好的反应温州鳌江附近海域的潮位变化情况。

图4 鳌江站和北麂站模拟水位（红线）与实测水位（蓝点）的比较

3.1.4 潮流验证

鳌江附近海域A02和A05 2个站位在大潮期间表层和底层的模拟和观测潮流的对比情况如图5所示，2个站点的潮流均属于正规半日潮流，模拟结果也反映了这一特征。从流速和流向的对比情况来看，模拟值与实测值基本吻合，潮流的流向的吻合程度更佳。通过误差统计分析，A02和A052个站点上表层和底层的流速模拟值与实测值的均方根误差分别为9.8 cm/s、8.9 cm/s、7.8 cm/s和5.7 cm/s，流向模拟值与实测值的均方根误差为17.3°、22.4°、19.1°和21.2°。可见计算结果与实测值接近，模拟所得的潮流的流速流向过程与实测资料拟合良好，模拟结果较好地反映了鳌江附近海域潮流场的分布特征。

3.2 流场变化

通过比较不同年份的涨、落潮流流场图可以看出，围填海工程基本没有影响鳌江附近海域的流态叠加效应，鳌江附近海域潮流场的总体构架是没有改变的。流向受地形的影响，主要为NW-SE向，涨潮时海水基本由东南向西北方向流，落潮时海水基本由西北向东南方向流，2007年、2011年落潮时流场见图6，2007年、2011年涨潮时流场见图7。

图5 A02和A05站位模拟流速流向与实测流速流向的对比

图6 鳌江附近海域2007（左）、2011（右）年落潮时流场图

图7 鳌江2007（左）、2011（右）年涨潮时流场图

图6显示，鳌江口海域落潮时江南围涂及苍南电厂围填海工程前后总体流场变化不大，在围填海工程的边缘上，潮流有较小的变化，流向基本是顺着围堤向东南方向流动，大小略有变化。图7显示，涨潮时工程前后在苍南电厂以南潮流基本是一致的，在江南围涂外侧，潮流流向在工程前的西北方向略有偏北，而流速稍有增加，别的区域基本没有变化。总体来讲，鳌江口海域的流场在工程前后无显著变化。

4 结论

通过对鳌江附近海域实测数据分析及模型的计算结果，得出围填海对潮汐潮流叠加影响的后评价的成果如下：

（1）通过2007年、2010年和2011年鳌江附近海域实测数据比较，不同年份鳌江附近海域的水位变化不大，M2、S2、N2、K1、O1、M4、MS4、及M6等8个分潮的振幅和迟角相差分别在1.8～4.4 cm和3°～7°之间，可见围填海对潮汐的叠加影响很小。

（2）与实测资料分析对比显示，主要分潮M2分潮流椭圆率K值2011年与2010年、2007年相比无明显变化，椭圆长轴2011年M2分潮流流速略小于2007年。因此可知，鳌江附近海域围填海工程对其周边的海域潮流运动的叠加影响不显著。

（3）数值模拟与实测资料验证，计算结果与实测数据符合良好，比较不同年份的涨、落潮流流场图可知，鳌江附近海域潮流场无显著变化。

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