围填海工程对莱州湾水动力条件的影响*

姜胜辉，朱龙海*，胡日军，张 伟，刘爱江

（1.中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；3.青岛海洋地质工程勘察院，山东 青岛 266071）

莱州湾为渤海三大海湾之一，为一半封闭性海湾，由于其位置的独特性，生物资源丰富，经济发达，生态环境相对较脆弱。近年来，海岸资源开发利用的强度、密度大幅增加，产生了自然岸线资源缩减、海湾属性弱化、海湾污染加剧等一系列问题［1］。

随着莱州湾周边的开发建设，科研工作者在这一区域进行了大量的研究。利用ECOM模型研究了黄河口改道对莱州湾潮流场造成的影响［2］；利用卫星遥感图像和观测资料，得出底质中细颗粒物质含量较高的海域容易在潮流作用下再悬浮，有助于了解悬浮物在渤海中的运输状态［3］；最近50年来，莱州湾西、南海岸在地貌演变上存在显著的差异性，这种差异主要与自然环境条件和海洋沉积动力过程有关［4］。前人对莱州湾的水动力条件、泥沙输运有了大量的研究，但莱州湾水动力变化的研究相对匮乏。本文在前人水动力研究的基础上通过对比莱州湾2003和2013年两个时间段的潮流场、纳潮量和水交换变化，分析围填海工程建设对水动力的影响。

1 研究区概况

莱州湾西起现代黄河口，东迄屺姆岛高角，本文研究区域为黄河口至刁龙嘴所围海域（见图1），为莱州湾的内湾。莱州湾内湾水深较浅，最大水深15m，大部分区域水深在10m以内；莱州湾的潮汐主要受黄河口外半日无潮点的影响，潮汐类型属不规则的混合半日潮海区；受海湾形状影响，莱州湾的强浪向和常浪向以北向浪（NE-NW）为主［5］。2003年内湾的海域面积约4 376.24km2，近年来由于大规模填海造地、围海养殖、盐田围海、港口开发等开发活动，海湾面积有所减小。

图1 地理位置图Fig.1 Geographical position

2 资料与方法

本文运用MIKE21模拟软件，采用数值模拟的方法，分别模拟了2003和2013年莱州湾的潮流场、纳潮量、水交换情况，通过对比分析，研究近十年来围填海工程建设对莱州湾水动力影响。

2.1 水深地形和岸线

水深数据主要采用中国航海图书出版社出版发行的莱州湾1∶15万海图，同时结合近岸港口建设实测的大比例尺水深地形测量数据。

研究区海岸线采用平均大潮高潮线，本文收集了莱州湾2003年5月Landsat-7ETM＋影像数据和2013年5月landsat8影像数据，其空间分辨率均可达到15m。其中，自然岸线区从海图中提取岸线，人工岸线区通过两期卫星图像配准后解译。由于人工海岸是由水泥和石块构筑，在图像上具有较高的光谱反射率，与光谱反射率很低的海域区分明显，能够准确的确定其海岸线［6－7］。

2.2 潮位和潮流

潮位资料收集了潍河口和弥河口2个潮汐站历史观测资料经调和分析后，选用 M2、S2、K1、O14个分潮的调和常数预报出大潮期的潮位与计算结果进行验证；潮流资料利用长江委水文局长江下游水文水资源勘测局2007年3月6—8日（大潮期）进行的2个站位（C3、C4）和交通运输部天津水运工程科学研究所2011年3月12—13日进行的2个站位（C1、C2）海流观测资料进行潮流验证，验证点位置如图2所示。

图2 网格分布及验证点位置图Fig.2 Grid distribution and verification point

2.3 数值模型

数值模拟采用MIKE21模型，该模型适用于模拟河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境，国内外众多学者采用该模型进行海湾研究。模型采用非结构网格剖分计算域，标准Galerkin有限元法进行水平空间离散，在时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程和输运方程［8］。论文采用模型中水动力模块和对流扩散模块，进行潮流场、水交换和纳潮量模拟。模型采用潮汐驱动的方式，开边界潮位由北黄海及渤海大模型提取，采用三角网格，计算域为黄河口和莱州港连线及岸线所围海域，最小空间步长约10m，由于莱州湾水深较浅，垂向上不分层。模拟了K1、O1、M2、S2 4个主要分潮驱动下潮流场状况，经潮位、潮流验证，模拟结果与实测结果吻合度较好。计算域及网格划分见图2。

2.4 计算方法

2.4.1 纳潮量计算方法 纳潮量是一个水域可以接纳的潮水的体积，是表征半封闭海湾生存能力的重要指标。纳潮量的计算采用传统的算法，假定潮滩为坡度均匀的斜面，进行大潮期纳潮量的推算［9］。

其中：H2－H1为潮差；S1为高潮时海湾的面积；S2为低潮时海湾的面积。

2.4.2 水交换计算方法 假定在口门附近海域有同样的溶解态保守污染物，使水体中污染物质的浓度达到某一个特定的量值Wc，且初始时刻均匀分布在附近水域内，假设水边界入流时给定这种物质在开边界的浓度为0，计算出不同时刻此种物质的浓度值W，进而通过以下公式计算不同时刻被区外海水置换的比率（也即水体交换率），来比较规划方案实施后附近海域的水体净化能力［10－11］。

式中：n为水体交换率，WC为原有的污染物浓度值，W为每一时刻水体中的污染物浓度值。

3 莱州湾变化

通过对2003和2013年莱州湾遥感影像对比发现，2003—2013年间莱州湾西侧东营市海域围填海工程较少，中部潍坊市海域开展了较大规模的围填海，特别是潍坊港垂直岸线垂直岸边防波堤向湾内延伸长度达17.3km，大幅改变了莱州湾的水动力环境；东侧莱州市海域围填海工程主要位于岸线附近，对水动力环境影响较小。至2013年莱州湾内湾的面积减小至4 053.13km2，面积减小了323.11km2，莱州湾减小的面积占整个海湾面积的7.38%。

4 结果

4.1 模型验证

4.1.1 潮位验证 利用潍河口、弥河口的潮位观测资料与计算结果进行验证。潮位验证曲线如图3a、b所示。潮位验证结果表明，对应观测点上模拟得到的潮位值与实测潮位基本吻合。

4.1.2 潮流验证 利用潮流模型模拟莱州湾2007年3月6—8日的潮流场，提取C3、C4站位的流速流向与实测潮流进行对比，潮流验证曲线如图4c～d所示。然后，在不改变曼宁系数等参数的情况下，利用潮流模型分别模拟莱州湾2011年3月12—13日和2014年5月28—29日的潮流场，提取C1、C2站位的流速流向与2011年实测潮流进行对比，潮流验证曲线如图4a～b所；提取C5、C6站位的流速流向与2014年实测潮流进行对比，潮流验证曲线如图4e～f所示。

潮流验证结果表明，对应观测点上模拟得到的潮流流速流向与实测潮流基本吻合，能够较好地反映规划周边海域潮流状况。

4.2 数值模拟结果

本文分别对莱州湾2003和2013年潮流场、纳潮量和水交换情况进行数值模拟。

4.2.1 潮流场模拟结果 本文中给出研究区潮流场潮时变化是以潍坊港中港区口门处的潮汐变化为参照时间。

2003 年潮流场的模拟结果：图5a是涨急时潮流场，莱州湾内的潮流由湾外向湾内流动，潮流流速一般在30～50cm/s之间。北部海域潮流流向为南西向，莱州浅滩处流速达到最大值，为106cm/s。绕过莱州浅滩，潮流转向南流动，进入太平湾后，向偏东方向流动。莱州浅滩以西至黄河口之间海域，潮流由东北往西南流，至湾顶附近逐渐转为近西向流，在黄河口南侧近岸海域潮流由东南往西北流。图5b为落急时潮流场，潮流分布情况与涨急时潮流场相似，只是流向与涨急时潮流场大致相反。潮流整体由莱州湾内向湾外流动，潮流流速一般在30～50cm/s之间，在莱州浅滩处流速最大值可达119cm/s。

图3 潮位验证曲线Fig.3 Tidal level validation curve

图4 潮流验证曲线Fig.4 Tidal current validation curve

图5 a 涨急时潮流场Fig.5a Tidal current field during flood tide

图5 b 落急时潮流场Fig.5b Tidal current field during ebb tide

2013 年潮流场的模拟结果：2013年潮流场与2003年潮流趋势基本一致，涨急时莱州湾内的潮流由湾外向湾内流动，落急时潮流整体由莱州湾内向湾外流动，海湾外部流速潮流场变化不大，靠近岸边区域整体呈不同程度的减小。

4.2.2 纳潮量计算结果 本文分别模拟了2003和2013年莱州湾大潮期和小潮期的纳潮量，纳潮量模拟结果见表1，2003年莱州湾大潮期纳潮量为63.94×108m3，小潮期纳潮量为45.44×108m3，纳潮量平均为54.69×108m3；2013年莱州湾大潮期纳潮量为60.08×108m3，小潮期纳潮量为43.22×108m3，纳潮量平均为51.65×108m3；大潮期纳潮量减小了约6.05%，小潮期减小了4.90%，平均减小了5.57%。由对比可知，十年来莱州湾的纳潮量发生变化，呈现减小的趋势。

表1 2003—2013年莱州湾纳潮量Table 1 Storage capacity of tidal water in Laizhou Bay from 2003to 2013

4.2.3 莱州湾水体交换预测结果 本文分别模拟了2003和2013年莱州湾15和30d的水交换情况，由模拟结果可知：水交换15d，水交换率大于10%的面积均大于63%，水交换率大于30%的面积均大于40%，水交换大于50%的面积占整个海湾面积25%左右；水交换30天，莱州湾内所有海域水交换率基本上均大于10%，水交换率大于30%的面积均大于58%，水交换大于50%的面积占整个海湾面积30%左右。2003和2013年莱州湾水交换率情况见表2。

5 讨论

5.1 围填海工程对潮流场的影响

为了研究2003—2013年间围填海工程建设对莱州湾潮流影响，选取大潮时涨急时和落急时潮流场进行流速对比，涨急时流速变化见图6a、落急时流速变化见图6b。

表2 2003年和2013年莱州湾水交换率情况Table 2 The rate of water exchange in Laizhou Bay form 2003to 2013

由对比结果可知，近十年围填海工程的建设对莱州湾潮流场产生了一定的影响，其中对近岸区域和莱州湾中部影响较大，主要是由于近岸工程的建设改变了近岸区的水动力环境，潍坊港防波堤向莱州湾内延伸较长，对莱州湾水动力影响较大。围填海工程使莱州湾流速整体减小，减小较大的区域集中于潍坊港东北侧，流速减小超过4cm/s（变化率约10%）的区域涨急和落急时平均面积达760km2，约占整个海湾面积的24.3%；流速增大区的面积和增加量均较小，流速增大大于4cm/s区域仅占海湾面积的4.0%。根据流向对比结果，流向变化主要位于靠近岸边区域，湾内流向变化一般小于5°，流向变化整体较小。

5.2 围填海工程对纳潮量的影响

对比2003年和2013年纳潮量结果可知，2003—2013年莱州湾大量围填海工程的建设导致了莱州湾纳潮量平均减小了5.57%。分析莱州湾的纳潮量减小的原因主要有以下2个方面：围填海工程的建设直接占用了海域面积，影响海湾纳潮的空间；围填海工程建设使莱州湾内的水动力减弱，潮差有所减小，根据数值模拟结果，大潮期莱州湾潮差减小了约15.3mm，小潮期潮差减小了5.4mm，潮差的减小导致了纳潮量的减小。

5.3 围填海工程对海湾水交换率的影响

统计结果表明，2013年较2003年各交换率各时间段的水交换均有不同程度的减小；交换15d相同交换率面积减小量在0.87%～1.30%之间，30d的相同交换率面积减小量在0.55%～7.02%之间，2013年水交换面积大于10%的减小量为7.02%，减小较大是由于围填海区直接占用了2003年水交换率大于10%的区域。2003—2013年围填海工程一定程度上减小了莱州湾的水交换率，莱州湾的自净能力有所减弱。由于围填海工程主要沿岸边建设，围填海工程大部分位于湾顶、没有改变口门的宽度，围填海工程建设对莱州湾水交换影响相对较小。

5.4 对比分析水动力变化

2000—2010 年围填海工程导致锦州湾海域面积减小了31.0%，特征点流速变化量在7.99%～15.13%之间，纳潮量减少了11.92%，水交换率减少了17.51%［12］。与围填海工程建设较多的锦州湾相比，莱州湾的水动力变化不明显；但十年来海湾面积减小7.38%，莱州湾水动力的变化远超自然演变速率，围填海工程对水动力的影响不容忽视。近年来，厦门湾等开展了综合整治工程，水动力条件有了较大改善［13］。相关部门应科学编制莱州湾围填海规划，实现莱州湾海域的可持续发展［14］。

图6 a 2003—2013年涨急时潮流流速变化Fig，6a Tidal current velocity variation during flood tide from 2003to 2013

图6 b 2003—2013年落急时潮流流速变化图Fig.6b Tidal current velocity variation during ebb tide from 2003to 2013

6 结论

（1）2003—2013年莱州湾大面积的围填海建设导致莱州湾海域面积减小了7.38%。

（2）围填海工程使莱州湾流速整体减小，流速减小超过4cm/s（变化率约10%）约占整个海湾面积的24.3%，集中在潍坊港周边；流速增加大于4cm/s区域仅占海湾面积的4.0%，湾内流向变化一般小于5°，流向变化整体较小。

（3）围填海工程的建设使莱州湾的纳潮量减小，大小潮期平均减小了5.57%。

（4）由于围填海工程主要沿岸边建设且没有改变口门的宽度，围填海工程建设对莱州湾水交换影响相对较小。与2003年相比，2013年15天水体交换率减小0.87%～1.30%，30天水体交换率减小0.55%～7.02%。

（5）2003—2013年围填海工程的建设使莱州湾潮流场、纳潮量、水交换不同程度的减小，海湾属性弱化，将会对莱州湾的资源和环境带来一系列不良影响。

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