三沙湾潮流特征数值模拟研究

林建伟，游远新，刘国昕

(福建省水产研究所，福建 厦门 361013)

三沙湾形状似伸展的右手掌，海湾被罗源、东冲半岛环抱，仅在东南方向有一个狭口——东冲口与东海相通，口门宽约3 km，是个半封闭的海湾；其是宁德市的重要港湾，也是福建省规划建设的四大港口之一，还是全国最大的大黄鱼网箱养殖地区。然而，随着社会经济的发展，近40年来，环三沙湾地区对土地的需求较为旺盛。据报道，1974至2013年间，三沙湾共实施围填海19 514.97 hm2[1-2]。围填海活动一方面缓解了当地土地资源紧缺的局面，对国民经济的发展起到了一定的作用，另一方面随着围填活动的进行，潮滩面积不断减少，造成湾内水动力环境改变、岸滩冲淤平衡被破坏、渔业资源减少、污染物滞留和海水自净能力减弱等问题，给海湾生态环境造成不可逆的破坏。据报道[3-4]，珠江口近40年来围填总面积达62 224 hm2，导致河口区伶仃洋西部浅滩扩大、深槽萎缩；深圳河口湾潮滩湿地被大片围填造陆，导致深圳湾西部港区浅滩-5 m等深线以上面积从1987年的55 800 hm2扩展为62 400 hm2，深槽水道向海退缩，宽度变窄，近岸水域污染严重，赤潮频发[5]。

为了解40年来，三沙湾围填海活动对湾内水动力的影响，本文选用目前广泛应用的开源模式ROMS[6]来研究三沙湾的潮流特征。目前，有关三沙湾水动力学方面的研究，仅见林航[7]根据霞浦东冲、宁德城澳、福安白马三个海洋站的长期潮位观测数据，统计分析了三沙湾的潮汐特征；《福建省海湾数模与环境研究——三沙湾》对三沙湾各围填工况进行了水动力环境研究[1]；而对三沙湾不同边界条件下的潮汐、潮流数模研究迄今尚未见报道，本文运用二维水动力数值模型，分别对1974年和2014年三沙湾区域的潮流场进行模拟计算，探讨了三沙湾不同年度岸线条件下的潮流场分布特征，并对两个年度的潮流特征进行对比分析，旨在了解多年来的围填海活动对三沙湾水动力环境的累积性影响程度。本结果对今后科学地指导、优化围填海方案和规模具有重要的意义，同时，也为海域管理部门提供技术参考。

1 研究区域与方法

本文的研究区域为东冲半岛至鉴江半岛以北，与现行法定海岸线[注]福建省人民政府.福建省海洋功能区划2011—2020年(文本)[R].福州：2012.所围成的海域。

根据1987年版研究区域海图(图号为13975)，本文采用的1974年岸线和水深地形由该版海图数字化与插值处理得到图1。由图1可见，20世纪70年代，三沙湾海域宽阔，湾内岸线曲折多变，无明显的围填取直痕迹；从0 m等深线来看，潮滩范围较大；其次，湾内大部分海域的水深小于20 m，湾口及青山岛、东安岛附近海域水深较大，一般超过20 m。

图2是本文收集到2015年版海图(图号为13971)和2014年版盐田港及白马港海图(图号：13975)数字化后，采用GIS技术，对其进行插值处理，得到的水深地形图。图中橙色区域为40年来围填形成的垦区与陆域。由图2可见，经过多年的围填活动，三沙湾海域的岸线、地形发生了较大的变化，特别是在湾坞乡东南侧、下白石镇东南侧以及漳湾东侧等海域都进行过大面积的围填海活动，占用较长的自然岸线，形成较为规则的人工岸线；这些行为占用大范围的潮滩地区，使得三沙湾内浅滩面积变少，从0 m等深线来看，潮滩范围较1974年小；但湾内水深较大的区域分布与1974年大体较为一致，主要分布在湾口附近区域。

此外，为了便于分析三沙湾海域航道和敏感水域流速在不同岸线地形条件下的变化情况，本文在研究区域内设置了34个特征点(1#～34#)进行对比分析，如图3所示。各个特征点主要分布于主航道、主潮流通道上。

有关ROMS模型的详细介绍与验证请参见文献[6]，在此不再赘述。

2 结果分析与讨论

2.1 1974年三沙湾潮流场数值模拟结果

图4～7是1974年三沙湾在大潮(指12月份的大潮期，下同)四个典型潮时的垂直平均流场分布图。由图4可见，在涨潮过程中，外海潮流以0.7 m/s左右的流速由外海穿过三沙湾口门沿着湾内主潮流通道进入三沙湾海域；由于过水断面减小，涨潮流在湾口的流场最强，流速最大，涨潮流速最大可达2.0 m/s；涨潮流在三沙湾内主潮流通道保持较强的流场，如在东吾洋主航道上的最大涨潮流速约为0.9 m/s左右，在白马河主航道上的最大涨潮流速可达1.0 m/s左右，在三都镇北侧海域的涨潮流速约为0.9 m/s，在三都镇南侧海域的涨潮流速约为1.0 m/s，在漳湾镇东侧近岸海域涨潮流速最大为0.9 m/s，在八都镇南侧流速一般为0.2～0.7 m/s(海岛与大陆之间水道流速较大)；而在水深较浅的海域流场较弱，流速小至0.1 m/s左右。由图5可见，高潮时，整个三沙湾基本处于憩流状态，除主潮流通道上的流场较强外(流速约为0.9 m/s)，大部分海域的流场很弱。由图6可见，在落潮过程中，来自白马河、盐田港、漳湾近岸和东吾洋的落潮流迅速向三沙湾内深槽汇聚，在深槽区域以较强的流场沿着涨潮流的反方向流向湾外，并开始在八都镇附近、漳湾东侧近岸、三都镇、沙江镇和盐田港东西两侧等浅滩地区潮流开始减弱，而且在三沙湾口门处会形成一个涡流。由图7可见，落潮流退出湾外后，在东吾洋顶、溪南镇西南侧、盐田港东西两侧、白马河两岸、漳湾镇附近海域的浅滩地区有大面积的滩涂露出，这基本上反映了研究区域的地形特征。由以上各图可见，1974年三沙湾内海域流场流态较均匀，高、低平潮流速较小，涨、落潮时流速较大；潮流场分布受地形的影响较大。

2.2 2014年三沙湾潮流场数值模拟结果

图8～11是2014年三沙湾在大潮的四个典型潮时研究区域的垂直平均流场分布图。由图8可见，在涨潮过程中，外海潮流以0.7 m/s左右的流速由外海穿过三沙湾口门沿着湾内主潮流通道进入三沙湾海域；在湾内主潮流通道依然保持较强的流场，如在盐田港主航道上的最大涨潮流速可达0.8 m/s左右，在白马河主航道上的最大涨潮流速可达1.0 m/s左右，在三都镇北侧海域的涨潮流速约为0.9 m/s，在三都镇南侧海域的涨潮流速约为1.0 m/s，在东吾洋主航道上的涨潮流速约为1.0 m/s；而在水深较浅的海域流场较弱，流速小至0.1 m/s左右。由图9可见，高潮时，除主潮流通道上的流场较强外(流速约为0.5 m/s)，大部分海域的流场很弱，整个三沙湾基本处于憩流状态。由图10可见，在落潮过程中，落潮流沿着涨潮流的反方向向湾内深槽汇聚、流向湾外，并开始在八都镇附近、漳湾东侧近岸、三都镇、沙江镇和盐田港东西两侧等浅滩地区有大面积的滩涂露出(图11中灰色区域)，而且在三沙湾口门处会形成一个涡流，这反映了研究区域的地形特征，反映了三沙湾潮流场特征现状。由以上各图可见，在白马河东西两侧、八都镇和漳湾镇周边海域表现出与1974年不同的流场分布情况。

2.3 流场变化分析

表1是各个特征点在不同岸线条件下的涨、落潮平均流速与最大流速变化情况表。由表1可见，1974年与2014年，大潮时，在湾口进港航道右侧1#～7#中，除3#与7#涨潮流有所增强外，其余各点的涨、落潮流速均有一定程度的减小，最大减幅达28%，这是由于该处经过40年的发展，航道功能增强，水深变大，水动力强度减弱。在湾口进港航道左侧8#～12#中，除8#站的涨、落潮流速变大外，其余各点的涨、落潮流速均有所减小，平均减幅约为20%；最大涨、落潮流速也有相应的变化，流向变化不大；这与该水域南侧近些年来的开发围填活动有关，使得8#站所处的海域成为主要的落潮通道。在湾内中间13#～19#中，各个特征点的涨、落潮流速均发生了不同程度的减小，平均减幅约为20%，这与盐田港口、溪南镇西南近岸海域多年来的围垦缓流影响， 以及盐田港主航道水深变大有关。在白马河20#～25#中，除21#涨、落潮流速变小外，其余各点的涨、落潮流速整体上均有所变大，这是因为21#处于东侧围填区域前沿海域，受到缓流影响，而其余各站则由于白马河东侧近些年围填区域较大，人工岸线取直，加上上游径流的下泄影响，致使前沿海域流场有所增强，落潮流速增幅较大。在三都镇北侧海域26#～31#中，除26#与27#涨潮平均流速有所减弱外，平均减幅约为10%，其余各点的涨、落潮流速均有不同程度的变大，平均增幅约为20%，这是因为多年来，该区域内大片浅滩海域的围垦活动大大减小了海域潮滩面积、减小了过水断面，提高了主潮流通道的纳潮量，增强了潮流场；在三都镇西侧海域32#～34#中，各点的涨潮流速基本上呈减小的趋势，而落潮流速则相反，这是因为1974年，涨潮流除经三都镇南侧、北侧主潮流通道上溯至八都镇与飞鸾镇的湾顶外，来自三都镇南侧海域的一部分涨潮流也经其西侧海域，汇同北侧涨潮流涨入八都镇东侧海域，而落潮时，落潮流则主要经三都镇南、北两侧的主潮流通道退潮；经过多年变化，该区域的涨、落潮流路发生了较大的变化；至2014年，三都镇南、北两侧是其西侧海域主要的涨潮流通道，而落潮时，来自八都镇东侧海域的落潮流一部分沿着三都镇北侧潮流通道下泄，一部分则通过三都镇西侧海域绕向南侧，同南侧落潮流一同退向湾口；该区域的涨、落潮平均流场分布情况也清晰地表现了这个现象。

图12～13分别是1974年与2014年大潮涨、落潮垂直平均流场对比图。由图12可见，涨潮时，涨潮流均通过狭小的湾口进入湾内，并向湾顶上涨；两个年度的涨潮流受地形的影响较为明显，流向基本一致；但在漳湾镇东侧周边海域以及下白石镇东南侧周边海域的流场变化较大，除了围填区的涨潮流场消失外，流向也有所变化，变化幅度约为5°。由图13可见，落潮时，两个年度的落潮流均沿着涨潮流的反方向，由湾顶向湾口汇聚，流出湾外；除了部分围填区的落潮流场消失外，流向变化较小，变化幅度一般小于5°。总之，三沙湾经过多年的围填海活动之后，整个海域的流态变化不大，这主要是因为围填海活动都是利用高位潮滩进行围填开发。

表1 1974年与2014年岸线条件下各个特征点的大潮流速变化情况

续表1

3 结论

本文运用ROMS模型，在同时考虑温度、盐度和流场以及海表的净热通量、水气通量、动量通量和地表径流的基础上，结合1974年与2014年三沙湾及周边海域围填岸线和水深地形现状，模拟了不同年份三沙湾的潮流场，并分析了处于敏感水域航道上的特征点的变化情况，得出了以下结论：

1)根据数字化海图得到，40年来，三沙湾的岸线发生了较大变化；岸线变化较大的地方主要发生在湾内的东吾洋顶、盐田港东西两侧、白马河口和漳湾东侧近岸海域；水深条件也发生了变化。这几个围填区域是40年来三沙湾海域开发利用的重要组成部分，这与改革开放后环三沙湾地区经济持续快速发展有关。

2)三沙湾内潮流为往复流，受地形的影响较为明显，流速分布反映了三沙湾的地形特征，湾内深槽流速较大，浅滩流速较小，口门及深槽流速一般大于1.0 m/s，其余海域一般小于0.5 m/s；大潮流速较大，小潮流速较小；落潮流整体上大于涨潮流。由于漳湾镇和下白石周边在不同年份的岸线差别较大，所以该区域的潮流场在不同年份差异显著。

3)40年来，整个三沙湾海域的水动力环境发生了较大的变化。流速变大的区域发生在岸线取直和水深变浅的地方，流速变小的区域发生在部分围垦前沿海域；大部分区域流速变缓，流速变化率在±30%以内；三沙湾主潮流通道基本不变，湾内深槽的功能地位不变，除局部岸线开发强度较大外，整个三沙湾的潮流走向变化不大。

4)40年来，随着时间的推移，围填海工程占用了大片海域空间，海域面积变小，经过长期的累积影响，改变了局部海域的水动力环境与冲淤环境，这种影响经过长期的叠加，影响到了海域的水深地形条件，并将会减少海湾纳潮量和减弱海湾水体更换能力。建议今后有必要对海湾纳潮量与水体交换能力做进一步的对比研究。