围填海工程对半封闭海湾水动力环境影响分析——以大鹏湾内围填海工程为例

岳青华，丁 聪

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引 言

21世纪以来，我国沿海地区通过围填海形成大量土地以缓解土地资源稀缺和经济快速发展之间的矛盾。但由于长期以来的大规模围填海活动，滨海湿地大面积减少，自然岸线锐减，对海洋和陆地生态系统造成损害。随着“生态用海、集约用海”等科学用海理念的推广，近年来，国家采取了一系列围填海管控措施，旨在杜绝一切违法违规使用海域的行为，减轻围填海的负面影响。国内外众多学者也进行了一系列研究，从岸线变化[1]、潮流形态[2,3]、纳潮量、水交换、湿地环境及生态环境[4,5]等多角度分析围填海活动对海陆的影响。

半封闭海湾是指海湾口门宽度与岸线长度之比在0.01～0.1之间的海湾[6,7]。围填海工程对半封闭海湾的直接影响是海湾的纳潮量减小[8]，带来的间接影响为该海湾水动力环境减弱，污染物输移扩散速度减慢，泥沙淤积加剧等不利因素。因此，国内学者对半封闭海湾的冲淤演变、水动力[9-14]、水交换[15,16]等方面较为关注。

本文以大鹏湾为研究对象，在实测地形资料和水文测验资料的基础上，采用二维潮流数学模型，探讨在半封闭海湾内进行围填海工程对海湾水动力的影响，对大鹏湾的开发利用具有一定的参考价值。

1 二维潮流数学模型

1.1 控制方程

采用MIKE 21 Flow Model_FM HD模块搭建二维潮流数学模型。该模型采用的潮流控制方程为垂向平均的二维浅水方程[17]：

(1)

(2)

(3)

1.2 边界条件

本次外层模型南边界和东边界为开边界，给定潮位过程，边界潮位来自MIKE中模块自带的全球潮汐预报模型里的潮位。内层模型为大鹏湾模型，该模型南边界采用外层模型提供的潮位过程。

1.3 计算范围及地形

本次外层模型西至越南，东至台湾省和菲律宾，南至中沙群岛。内层模型范围包括整个大鹏湾，其南边界位于大鹏湾湾口，长约10 km，其边界条件可由外层模型提供。模型网格逐层加密，工程区外网格尺寸较大，单元格边长约500 m，工程区网格较密，单元格边长约50 m。模型网格节点数为16 561 个，单元总数为31 486个，工程位置、计算范围、网格划分及地形分别见图1、图2。

图1 工程位置图Fig.1 Location of the project

图2 大鹏湾模型计算范围Fig.2 Calculating scope of the Mirs Bay model

2 模型验证

利用工程海域临时潮位站L1、L2和盐田潮位站的实测潮位资料对模型进行率定，利用工程海域6个潮流测点(1号～6号)的实测潮流资料对模型进行率定，验证时间：大潮时段为2017年9月21日(农历八月初二)15时至9月22日(农历八月初三)17时。模型潮位和潮流验证结果见图3和图4。由验证结果可得，该水动力数学模型和实测值基本吻合，数学模型能够反映计算区域的水动力特征，能够用于工程前后水动力变化计算。

图3 各潮位站大潮潮位验证图(2017年9月22日)Fig.3 Verification of tidal level of spring tide

图4 各潮流测点大潮流速流向验证图(2017年9月22日)Fig.4 Verification of current velocity and direction of spring tide

3 水动力环境影响分析

3.1 潮流场影响分析

根据数模计算结果，由于围填海工程尺度相对大鹏湾水域面积来说较小，与工程实施前相比，工程实施后，大鹏湾内大、小潮流态整体没有发生明显变化，即本工程实施对大范围流场影响甚微，对流场的影响仅局限于工程局部范围内。提取工程及附近海域工程实施前后大潮期间涨、落潮急时刻流速，并用工程后流速减去工程前流速，得到工程实施前后工程海域及附近涨、落潮急时刻流速变化图(图5)。由图5可见，大潮段，涨急时刻流速变化幅度较大，最大变幅为0.10 m/s左右。流速减幅较大的范围主要发生在围填海工程的北侧，涨潮期从大梅沙湾汇入港区口门的潮流由于受到围填海工程的阻流作用，围填海工程北侧发生较大程度的流速减小，流速减幅在0.01～0.10 m/s之间，越接近围填海工程，流速减小越为明显。由于工程北侧的阻流，潮流绕流沿渔港防波堤与工程东侧进入口门的潮流汇合，流速加大，流速增幅最大位于渔港防波堤东侧，达到0.10 m/s。落急时刻，流速变化较涨潮时段变幅小，最大变幅仅为0.06 m/s左右。由于围填海工程的存在，对流出港区口门的潮流有阻碍作用，使进入大梅沙湾的水流流速减缓，一定程度上阻隔了港区与大梅沙湾水体之间的直接交换。

3.2 纳潮量影响分析

为了分析工程实施对相关海域纳潮量的影响，特选取4个典型断面(图6)，即黄竹角咀-秤头角断面1、吉澳岛-背仔角断面2、正角咀-背仔角断面3和吉澳岛-中港区断面4，分别分析计算工程前后大范围、中等范围、大小梅沙和沙头角海潮量变化情况。

由数模计算可得，工程实施后，吉澳岛-背仔角断面2大潮涨潮量减小147.13 万m3，减幅约2.82%，大潮落潮量减小143.33 万m3，减幅约2.85%，小潮涨潮量减小123.31 万m3，减幅约2.89%，小潮落潮量减小135.87 万m3，减幅约2.90%；吉澳岛-中港区断面4大潮涨潮量减小58.41 万m3，减幅约2.08%，大潮落潮量减小61.26 万m3，减幅约2.16%，小潮涨潮量减小35.97 万m3，减幅约1.90%，小潮落潮量减小36.88 万m3，减幅约1.65%。由以上分析可以看出，工程实施后，导致本海域纳潮量减小，降低了本海域的水体自净能力。

图5 工程实施前后大潮涨、落急时刻流速变化图Fig.5 Change of current velocity before and after the implementation of the project

图6 断面位置示意图Fig.6 Location of the sections

3.3 水交换影响分析

在MIKE 21 Flow Model_FM HD模块中加入TR模块搭建二维水质数学模型。由二维水质数学模型结果分析得到，区域Ⅰ西部沙头角及邻近海域和区域Ⅱ大、小梅沙海域(图7)污染物平均浓度随时间的变化过程见图8。

图7 区域I和区域II研究区位置图Fig.7 Location of research area

图8 区域Ⅰ、区域Ⅱ污染物平均浓度随时间变化过程线Fig.8 Time-varying process of average pollutant concentration

从图8可以看出，工程实施前、后关注区域污染物平均浓度都随着时间的推移呈现出整体下降趋势。从平均浓度变化过程线可知，西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)内工程前污染物平均浓度在905 h(约37.7 d)后恒小于0.5，可以认为西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)水体工程前的半交换周期为37.7 d；西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)内工程后污染物平均浓度在932 h(约38.8 d)后恒小于0.5，可以认为西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)水体工程后的半交换周期为38.8 d。大、小梅沙海域(区域Ⅱ)水体工程前的半交换周期为9.2 d；大、小梅沙海域(区域Ⅱ)水体工程后的半交换周期为11.3 d。由此可知，工程实施后，西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)和大、小梅沙海域(区域Ⅱ)水体交换能力有所减弱，水体半交换周期分别增加约27和49 h。

4 结 语

通过模型计算结果分析，盐田港东港区围填海工程实施后，对大鹏湾海域及工程周边海域水动力环境造成的影响主要包括以下几个方面。

(1)工程实施后，大潮段，涨急时刻的流速变化幅度较大，最大变幅为0.10 m/s左右。流速减幅较大的范围主要发生在围填海工程的北侧，涨潮期从大梅沙湾汇入港区口门的潮流由于受到围填海工程的阻流作用，围填海工程北侧发生较大程度的流速减小，流速减幅在0.01～0.10 m/s之间，越接近围填海工程，流速减小越为明显。由于围填海工程的存在，对流出港区口门的潮流有阻碍作用，使进入大梅沙湾的水流流速减缓，一定程度上阻隔了港区水体与大梅沙湾水体 之间的直接交换。

(2)工程实施将会导致工程及附近海域纳潮量减小。吉澳岛-中港区断面4大潮涨潮量减幅约2.08%，大潮落潮量减幅约2.16%，小潮涨潮量减幅约1.90%，小潮落潮量减幅约1.65%，降低了本海域的水体自净能力。

(3)大鹏湾属于弱潮海湾，水动力较弱，水体半交换周期长，特别是港区及西部的沙头角海域水体交换能力更弱，西部沙头角及邻近海域(区域Ⅰ)水体工程前的半交换周期为37.7 d，工程后半交换周期为38.8 d，工程实施会该海域水体半交换周期增加约27 h；大、小梅沙海域(区域Ⅱ)水体工程前的半交换周期为9.2 d，工程后半交换周期为11.3 d，工程实施会该海域水体半交换周期增加约49 h。