海岸围垦工程对三门湾内潮汐振幅的影响与研究

杨万康，尹宝树，杨青莹，宋泽坤

（1.中国科学院海洋研究所，山东 青岛266071；2.中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛266071；3.中国科学院大学，北京100049；4.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州310012）

近年来三门湾内建设了大量的围垦工程，岸线和水深地形有了显著改变，水动力特征和纳潮量相应的也发生了变化。黄潘阳等（2017）研究发现最近10 a以来的围垦工程大大缩减了三门湾内的滩涂面积，使得纳潮量减小可达7%［1］。宋文杰等（2017）借助GIS和卫星图像分析得到三门湾海岸线由内陆向沿海不断迁移，围垦工程是三门湾岸线变化的主导因素［2］。陈晓英等（2015）通过多种卫星图像比较发现1973—2013年间三门湾岸线总长度减少40.18 km，海岸人为开发是岸线变化的主导因素［3］。围垦工程会对工程区域附近的水动力条件、泥沙输运及生态环境产生较大的影响［4-6］。

针对围垦工程对周围水动力环境的影响，许多学者做了大量研究，其中既包含实测数据分析，又有数值模拟计算方法。陶建峰等（2011）分析了江苏沿海大规模围垦对近海潮汐、潮流的影响，结果表明由于围垦工程的实施，无潮点位置向NE向略有平移，沿岸潮波传播速度加快，潮波辐聚有所增加［7］。张琴等（2015）建立了台州湾近海潮汐、潮流数值模型，从主要分潮潮波分布、潮流场、高低潮位和椒江河口纳潮量等4个方面探讨了台州湾浅海滩涂围垦对周边水动力特征的影响［8］。吴慧琴等（2014）通过建立平面二维潮流泥沙数学模型，预测分析了钓梁二期围垦南堤建设后对螺门渔港码头附近海域潮流的影响及冲淤变化情况［9］。吴玮等（2012）基于ADCIRC模型通过设计假想台风路径，结果表明温州近岸的围垦工程实施后增大了风暴潮漫滩淹没风险［10］。章卫胜等（2012）对渤海湾大型工程实施前后的风暴潮过程进行模拟，计算表明：由于沿岸围垦导致海域的纳潮受水面积减小，渤海湾海域工程实施后风暴潮的高潮位普遍抬升［11］。谢亚力等（2007）就钱塘江河口围垦工程对杭州湾风暴潮的影响进行了数值模拟，其结果表明围垦引起的平面边界改变是影响杭州湾风暴潮的主要因素，地形抬升为次要因素［12］。总之，围垦工程的实施不仅会直接改变三门湾内的岸线状态，也会导致海湾内地形的改变。根据浅水运动方程可知，岸线和地形水深等边界条件的改变会导致潮汐和风暴潮水位振幅的变化［13-14］，这种变化不仅会导致工程设计水位等参数的偏差，也会对周边的海洋生态环境造成影响。综上所述，三门湾内围海工程规模不断扩大，使得海岸线不断外延，而针对三门湾围垦工程对潮汐特征影响的研究却较少，因此本研究基于ADCIRC建立高分辨率的二维数学模型，对三门湾围垦工程实施后的潮汐振幅变化进行研究，重点分析了岸线变化和地形改变对天文分潮振幅的影响，以期为三门湾沿岸的海洋环境保护和工程建设提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域围垦概况

随着经济的发展，三门湾沿线对土地的需求日益增加。尤其是在2003年以后，分别完成了蛇蟠岛、下洋涂、晏站涂、双盘、三山涂等围垦工程，具体围垦范围如图1所示，代表性围垦工程的施工时间和占地面积如表1所示。

图1 三门湾围垦工程示意Fig.1 Reclamation projects in Sanmen Bay

表1 三门湾主要围垦工程统计Tab.1 Statistics for important land reclamation projects in Sanmen Bay

1.2 模型简介

本研究采用的潮汐模型为ADCIRC模型。ADCIRC模型采用非结构网格，并基于有限元方法进行数值计算。非结构网格可以更好的拟合复杂岸线，保证了在河口海岸区域的计算精度。此外，ADCIRC模型还具有精度高，计算效率快的特点，在海洋数值模拟领域得到了广泛的应用［15-18］。

ADCIRC包含二维和三维模型，本研究采用ADCIRC二维模型进行数值研究。在直角坐标系下，沿水深积分的二维连续方程和动量方程如下：

式（1～3）中：H=h+ζ代表总水位（m）；ζ为水位值（m）；h为静水深（m）；U和V分别为x和y方向的垂向平均速度（m/s）；f为科氏参数；g为重力加速度（m/s2）；Ps为海表面的大气压强（Pa）；ρ0为海水密度（kg/m3）；τsx和τsy分别为在x和y方向的表面风应力（N/m2），τbx和 τby分别为底摩擦力在x和y方向的两个分量（N/m2）；D为水平动量耗散项；底摩擦力计算公式采用速度的二次方公式，具体如下：

式（4～6）中：Cf为底拖曳力系数，C为谢才系数，数值取为90。

1.3 模型设置

本次计算区域包含浙江沿岸及部分东海区域，模型构建时，围垦工程前的岸线采用2003年的数据，并重点提高了三门湾内的网格精度，网格分辨率达到了50～100 m，计算区域网格如图2所示。三门湾内海域水深采用最新的海图数据进行插值得到，外海水深采用全球海陆数据库（GEBCO）的数据（https：//www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/），分辨率为30″×30″。外海开边界则采用从OTPS数据集提取的潮汐调和常数（http：//volkov.oce.orst.edu/tides/），包含了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4等9个分潮。模型采用冷启动，初始水位和流速都设为0，浅滩区域采用动边界干湿网格技术。

图2 计算区域与网格划分示意Fig.2 Model calculation domain and grid

1.4 模型验证

首先评估模型计算结果的准确性，模型计算时间为2003年4月1日至6月1日，并提取后一个月的潮位数据进行调和分析，与长期潮位站健跳站、石浦站及临时观测站L1的实测潮位调和分析结果进行对比分析。主要分潮M2、S2、K1、O1的计算结果及误差如表2所示。从表2可以看出，与实测潮位调和分析结果相比较，各分潮振幅的误差在0.04 m以内，而迟角结果的误差则在8°以内，误差占比均小于5%。验证结果表明模型对于潮汐的计算较为准确。

2 结果与讨论

2.1 三门湾内潮汐振幅分布

三门湾海域水动力较强，湾内平均潮差超过了4.2 m，尤其是湾顶处最大潮差超过了7.7 m。三门湾潮汐属于正规半日潮性质，三门湾涨、落潮时相当，涨、落潮平均流速大小也比较接近［19］。为了更加全面的分析三门湾内的潮汐特征，基于模型结果，提取了湾内网格格点的潮位数据，并进行潮汐调和分析，得到了4个主要分潮M2、S2、K1、O1的振幅，结果如图3所示。由图3可知，三门湾内半日潮振幅占主导地位，M2、S2分潮振幅要远大于K1、O1振幅，尤其是M2分潮振幅最为显著。此外，M2分潮振幅由海湾湾口向湾顶处递增，海湾内不同区域振幅值差异较大，湾口和湾顶处振幅相差0.4～0.5 m；S2分潮变化幅度要小于M2，湾口和湾顶处振幅差为0.1～0.2 m左右。K1分潮和O1分潮振幅在海湾内分布较为一致，K1分潮振幅平均为0.3 m，O1分潮振幅平均为0.2 m。

表2 调和常数的计算值与观测值的比较Tab.2 Comparison between simulated and observed harmonic constants

图3 各天文潮分潮的振幅分布Fig.3 Distribution of four main tidal constituent amplitudes

2.2 岸线变化对潮汐振幅的影响

首先只考虑围垦工程岸线变化对潮汐振幅的影响，将围垦工程实施以后的新岸线代入模型中进行计算，并与围垦工程实施前的自然状态结果进行比较，各分潮振幅变化如图4所示。由图4可知，岸线变化对半日潮分潮影响较为明显，对全日分潮基本无影响。只考虑岸线变化时，由于海湾内纳潮量的减少，分潮振幅普遍有所减小，M2分潮在三门湾顶部振幅减小0.08～0.10 m，振幅减小幅度由湾口向湾顶递增；S2分潮振幅仅在湾顶处有所减小，减小幅度为0.04～0.05 m，海湾中部及湾口区域基本无变化。因此，在只考虑围垦工程的岸线变化时，与工程前相比，三门湾内的潮位振幅整体呈现降低趋势。

图4 岸线改变对天文潮各分潮振幅的影响Fig.4 Effects of coastline change on four main tidal constituent amplitudes

2.3 地形改变对潮汐振幅的影响

围垦工程不仅可以通过直接改变岸线等边界条件来影响潮汐振幅，还会产生其他附加影响。围垦工程实施后，由于水动力的改变，导致水沙运行环境也随之发生改变，产生回淤现象。目前为止，针对泥沙运动机制的研究尚不够完善，因此一般采用经验公式对回淤进行预测计算。本研究采用在浙江沿岸应用广泛的经验回淤公式［20］，公式如下：

式（7）中：P为淤积厚度（m），α为淤积概率，ω为泥沙沉降速度（m/s），γ′为泥沙干容重（kg/m3），S为含沙量（kg/m3），v1和v2分别为工程前后流速（m/s），h1和h2分别为工程前后水深（m）。当冲淤达到平衡后，公式可变为

式（8）中：根据三门湾历年水文测验数据，在本次计算中，泥沙干容重γ′取为735.5 kg/m3，平均含沙量S取为0.28 kg/m3，沉降速度ω取为0.000 5 m/s，α取为0.5，结合数学模型流速结果，计算得到了三门湾内围垦工程实施后的最终冲淤分布如图5所示。由图5可知，围垦工程实施后，三门湾内大部分以淤积为主，但是在局部区域如湾顶处的蛇蟠水道、毛屿水道等位置，由于水道变窄，流速增强，会形成一定的冲刷，冲刷范围在0.5～1.2 m。蛇蟠岛、双盘、三山涂围垦工程附近的淤积量在1.5～2.5 m左右，猫头山深水区附近淤积较为严重，淤积量在6.0～7.5 m，下洋涂前沿及石浦水道淤积量为0.7～0.8 m，白礁水道和健跳水道处淤积较小。由回淤计算结果可知，围垦工程实施后会对三门湾内的水深地形造成较大的影响，因此有必要考虑地形变化对潮汐振幅的影响。

图5 围垦工程实施后最终冲淤变化Fig.5 Final distribution of erosion and deposition after reclamation projects

将预测的回淤结果代入模型原始地形中进行修正，计算了围垦工程实施后岸线变化叠加地形变化时的分潮振幅变化。与工程实施前相比，各分潮振幅变化如图6所示。

图6 考虑地形改变时围垦工程对天文分潮振幅的影响Fig.6 Effects of reclamation projects on tidal amplitudes due to bathymetry change

由图6可知：当考虑了回淤引起的地形变化后，围垦工程造成的振幅变化普遍以减小为主，其中M2分潮振幅减小幅度最为显著，尤其是在围垦工程的前沿，振幅减小幅度超过0.30 m，双盘、三山涂围垦和下洋涂围垦处振幅减小程度最为显著，三门湾湾顶其他区域普遍减小0.08～0.12 m，白礁水道湾顶处振幅减小0.05 m左右，其他区域则不明显。S2分潮振幅减小趋势与M2分潮比较相似，但是减小幅度和范围都有所降低，围垦前沿振幅减小的幅度超过0.20 m，其他区域平均减小0.05～0.08 m。与半日潮相比，全日分潮振幅影响程度则偏小许多，K1分潮振幅减小范围集中在围垦工程区附近，振幅平均减小幅度在0.15 m左右，O1分潮影响范围更是有限，基本可以忽略。

总而言之，当考虑了围垦工程导致的回淤后，围垦工程区附近的潮汐振幅会有显著的减小，半日分潮减小幅度要远大于全日分潮。与单纯考虑岸线改变引起的潮汐振幅变化相比，水深地形改变导致的潮汐振幅变化幅度要远大于前者。

3 结论

基于ADCIRC建立了三门湾内高精度的潮汐模型，对三门湾围垦工程实施前后的潮汐振幅变化规律进行了研究。主要结论如下：

（1）三门湾内半日潮振幅占主导地位，M2、S2分潮振幅要远大于K1、O1分潮振幅，且半日潮振幅由湾口向湾顶处增加显著；K1和O1振幅则在海湾内变化较小。

（2）单纯考虑围垦工程引起的岸线变化时，半日潮振幅受到的影响较为明显，振幅以减小为主，M2分潮减小幅度为0.08～0.10 m，S2分潮减小幅度为0.04～0.05 m，湾顶处减小幅度要大于湾口。

（3）采用经验公式对围垦工程实施后的回淤量进行了预测，围垦工程实施后，三门湾内大部分区域以淤积为主，猫头山深水区附近淤积最为严重，局部小范围有冲刷。

（4）当考虑了围垦工程导致的水深地形改变后，围垦工程区附近的潮汐振幅会有显著的减小，半日分潮减小幅度要远大于全日分潮，在围垦区域前沿，M2分潮振幅减小幅度较为明显，然后向外侧逐步减小。与单纯考虑岸线改变引起的潮汐振幅变化相比较，水深地形改变导致的潮汐振幅变化幅度要远大于前者。研究结果表明围垦工程对潮汐振幅的影响较为明显，会造成工程区附近潮汐振幅显著下降，会对海湾内的水交换及生态环境造成一定的影响，因此需要加以重视。