渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟

董娇娇孙 健陈燕珍刘长根*马慧敏刘春宏

(1.天津大学 机械工程学院力学系,天津300350;2.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084;3.国家海洋局 天津海洋环境监测中心站,天津300457)

渤海是中国的内海,主要由北部辽东湾、西部渤海湾、南部莱州湾、渤海海峡和中央浅海盆地组成,总面积约7.7万km2,平均水深18 m。随着环渤海经济圈的发展,近20 a来,大规模的围海造地工程在渤海沿岸推进,渤海的几个主要港区如渤海湾西部的天津港、北部的曹妃甸港、西南部黄骅港和莱州湾的山东港等多是在淤泥质浅滩上吹填造陆建成的人工港。

一方面,大规模的围海造地会缓解日益增加的人口数量与土地不足之间的矛盾,推动沿岸城市经济的发展;另一方面,急剧缩减的自然岸线,随时间改变的水深会对渤海的水动力场产生影响,使得水交换能力更差,污染物停留时间更长,造成渤海海域内水质恶化,不利于经济可持续性发展。许多学者[1-4]就渤海的岸线和水深变化及其产生的影响展开了深入研究。孙百顺等[1]利用遥感和地理信息系统研究了近40 a来渤海湾岸线的变化过程并分析了变化因素,结果表明,岸线变化的主要原因是围填海工程和港口建设,变化主要集中于曹妃甸港区、天津港和黄骅港。Zhu等[2]利用MIKE3模型建立了渤海和黄海的三维潮流模型,对渤海和黄海潮波系统进行了模拟,结果表明,1987—2016年岸线及地形的变化对半日潮幅值的影响大于对全日潮的影响,岸线变化引起的半日潮幅值变化占幅值总变化的27.76%～99.07%,水深变化引起的半日潮幅值变化占幅值总变化的0.93%～72.24%。李秉天等[3]基于FVCOM 模型,分别使用1972年和2002年的岸线及地形对渤海的4个主要分潮(M2,S2,K1和O1)进行模拟,研究了岸线及地形对主要分潮的影响,发现渤海岸线及地形变化已明显影响到潮波系统;渤海湾湾顶潮波振幅明显减弱。

潮余流在水交换及海水中物质的输运方面发挥着极其重要的作用[4]。研究水深及岸线对潮余流的影响可以帮助我们更深入地了解污染物输移扩散规律的变化情况。在渤海的潮余流方面,已有学者[6-7]做了大量的研究工作,如Wei[6]基于HAMSOM 模拟了渤海湾潮致拉格朗日余流和欧拉余流,发现拉格朗日余流沿南岸流入渤海湾,在黄河口附近形成泥沙的沉积,这与实际观测结果一致。秦延文等[7]研究了2003—2011年渤海湾岸线变化对近岸海域水质的影响,研究表明,由于岸线改变导致的水动力变化致使渤海湾主要污染物的高值区向渤海湾东北方向偏移。

目前,关于岸线及水深变化对水动力的影响研究多限于渤海湾内,对莱州湾、辽东湾两个海湾的关注较少。本文将通过对比2003年和2015年渤海岸线及水深的变化,分析岸线及水深的改变对渤海潮波和潮余流场的影响,进而探讨水动力场的变化,以期为进一步研究渤海污染物输移扩散规律及计算渤海环境容量提供科学依据。

1 渤海三维水动力模型

1.1 模型简介

Delft3D 是由荷兰Delft大学WL Delft Hydraulics开发的一种开源的三维有限差分软件,是目前国际上最先进的三维水动力及水质模型之一。该模型的水动力模块(Delft3D-FLOW)在Boussinesq假设下求解不可压缩流体的Navier-Stokes方程,通过交替方向隐格式(Alternating Direction Implicit,ADI)方法对控制方程进行离散求解。该模型水平方向采用正交曲线网格,垂向采用Sigma坐标,其计算稳定且精度高,可以很好地贴合复杂的地形和自由表面。

1.2 岸线的变化

选用的2003年岸线和水深取自海军司令部航保部2003年渤海湾纸质版海图[9],经数字化仪采集等深线和散点完成;选用的2015 年岸线和水深取自海军司令部航保部电子海图:C1311500 辽东湾海图、C1311800歧河口至龙口港海图、C1311300外长山列岛至复州湾海图、C1311700秦皇岛港至歧河口海图、C1311900大连港至烟台港海图和C1411910渤海海峡海图,对六幅海图进行拼接,利用Arcgis提取等深线和散点。根据渤海周围各验潮站的水深基准面与1985国家高程基准面之间的关系将渤海水深统一到1985国家高程基准面。处理得到围填海前后,即2003年和2015年的岸线及水深,其中岸线如图1所示。

2003年至2015年期间渤海海域累计填海面积达到1806.91 km2[9]。其中,渤海湾天津滨海新区累计填海造地面积约320 km2,河北曹妃甸区域完成填海造地210 km2,黄骅港沿岸陆域面积增长约75.6 km2[10],人工岸线增长551 km[1]。辽东湾围填海面积约360 km2,辽宁省人工岸线增长499 km[11]。莱州湾围填海面积371.46 km2[12],人工岸线增长135.1 km。随着围填海面积的增加,沿岸生态环境问题愈发严重,因而国家逐步叫停新增围填海工程。

图1 2003年和2015年岸线对比Fig.1 Shoreline comparison in 2003 and 2015

1.3 水深的变化

2003年和2015年水深分别如图2 a和图2 b所示,将2015年的水深值减去2003年的水深值得到的水深差值如图2c所示,水深差为负值表示2015年与2003年相比水深变浅,地形有所抬升。由图2 c可知,2015年与2003年相比,水深变化较大处位于天津港附近、曹妃甸南部、黄骅港附近、辽河口及黄河口处。天津港附近海域因建设用地进行围填海[13],导致海域面积明显减小;曹妃甸南部深槽处于冲刷环境中,冲淤速率较大[14],导致深槽西南部水深增加约2 m;由于填海造地工程,黄骅港东部浅滩被填成陆地;辽东湾辽河口附近受河口三角洲冲淤的影响[15],水深增加1～2 m;莱州湾黄河口附近由于黄河三角洲的迁移变化,泥沙淤积,水深减少4～6 m。

图2 2003年和2015年水深及二者的差值Fig.2 Bathymetry in 2003 and 2015 and their difference

1.4 模型计算配置

分别构建2003 年和2015 年岸线与水深条件下的水动力模型,以大连(121°39′E,39°56′N)与烟台(121°23′E,37°33′N)连线为边界以西的整个渤海海域作为模型计算区域。模型水平方向,使用Delft3D 自带的RGFGRID 网格模块生成正交网格;垂向,采用Sigma坐标均匀地分为10层,计算时间步长为5 min。为更好地研究岸线变化最大的渤海湾水动力的变化情况,在渤海湾地区局部加密,使得最小网格分辨率约为300 m,进而分辨天津港附近复杂岸线。2003年和2015年模型水平方向网格数分别为483个×386个和483个×384个。

模型开边界设置在大连和烟台两个验潮站的连线,为天文潮驱动的水位开边界,给定大连和烟台两个站长期观测所得8个主要天文分潮(M2,S2,K1,O1,P1,K2,Q1和N2)的调和常数,合成潮位作为边界驱动。模型计算采用冷启动,域内水位和流速初始值均设为零。模型运行时间为一年。

1.5 模型验证

图3 B1,B2和B3监测站水动力模拟结果与观测点实测数据对比Fig.3 Comparison between hydrodynamic simulation results and observation data at B1,B2 and B3 stations

利用天津大学力学系计算流体力学课题组现场观测的2003-07-13T14:00—16T12:00全潮水文资料验证模型计算结果。对比验证3个同步连续观测站位B1(117°44′E,38°53′N),B2(118°07′E,38°51′N)和B3(118°07′E,38°35′N)的观测数据与2003年模型的计算结果,结果如图3所示。可以看出,除B1站位的流向因计算中未考虑天津港当时已存在防波堤的影响而导致稍有差异外,其他由模型模拟的水位、流速和流向与实测资料整体较为符合,这表明模型能较准确地模拟渤海的流场。

为进一步验证模型模拟潮波的准确性,本文在渤海沿岸选择了10个主要验潮站[16],将模拟得到的10个验潮站水位进行准调和分析,即可得到这些验潮站的调和常数。表1为渤海沿岸验潮站的主要分潮即M2分潮的振幅和迟角模拟值,并将其与长期观测值进行比较,可以看出:M2分潮振幅差最大值为10.13 cm,迟角差最大为7.99°,模拟值与长期观测值吻合较好。

表1 M 2 分潮模型与验潮站潮汐调和常数结果对比Table 1 Comparison between M 2 moisture model and tidal harmonic constant at tidal stations

2 模拟结果分析

2.1 潮波分析

建立2003年和2015年岸线及水深条件下的水动力模型,将其计算时间均设定为一年。为更深入地探究岸线及水深变化对潮汐的影响,分别对2个模型模拟的水位结果进行进一步准调和分析,并比较分析结果(图4)。由图4可知,2003年和2015年的M2分潮同潮时线和等振幅线具有相似的分布规律,但是随着岸线及水深的变化,尤其是曹妃甸围填海工程以及秦皇岛以北海域水深的变化,位于秦皇岛附近的M2分潮无潮点向西北方向偏移。为进一步了解各海湾内潮波变化规律,利用2015年M2分潮振幅减去2003年M2分潮振幅得到振幅差(图4c),可以看出:2015年M2分潮振幅比2003年整体减小,表明渤海潮动力有所减弱;莱州湾黄河口附近M2分潮振幅变化较大,最大振幅差能达到12 cm,且振幅差自渤海中部向黄河口呈逐渐增大的趋势,这是由黄河口南侧水深减小所致;在渤海湾和辽东湾内,M2分潮振幅差较小,为2～4 cm,并呈现从湾口到湾顶增大趋势。

图4 2003年和2015年M2 分潮同潮图及二者的振幅差Fig.4 Cotidal charts of M2 tidal constituent in 2003 and 2015 and their amplitude difference

2.2 潮余流分析

流场空间定点潮流的一个或数个潮周期时均向量称为“欧拉(Euler)潮余流”,其表达式为

式中,u=u(x,y,z),v=v(t,x,y,z),分别为空间点(x,y,z)上某时刻(t)流动速度的东分量和北分量;T为统计时间,通常为一个或数个潮周期,本文取代表该空间点东方向和北方向的欧拉潮余流。

2003年和2015年的渤海表层潮余流如图5a和图5b所示。由图5a可知:渤海海域整体上余流较小,渤海中部余流只有1～2 cm/s;余流较大处出现在渤海海峡、辽东湾北部、渤海湾南部和莱州湾黄河口附近,余流平均大小为5～10 cm/s,其中渤海海峡北部老铁山水道附近余流最大,达20 cm/s,这是由老铁山水道附近岛屿多、地形复杂所致。

2015年渤海表层潮余流(图5b)与2003年渤海表层潮余流(图5a)相比可以看出:围填海前后渤海表层潮余流的流向及流速分布结构总体相似。为进一步得到余流大小变化量,将2015年余流减去2003年余流得到的余流差值如图5c所示。由图5c可以看出:整体上看,渤海潮余流改变不大,但岸线和水深变化较大的局部海域余流变化较大,如渤海海峡由于局部水深的变化,余流大小增加了约10 cm/s。由于天津近岸海域大规模的围填海及黄骅港防波堤的修建,渤海湾西侧沿岸潮余流有小幅度增加,而黄骅港南部余流减小;黄河口附近和辽东湾湾顶处由于地形冲淤的影响致使余流减小2～5 cm/s。同时,由图5c可以看出渤海中部余流变化量不到1 cm/s,这是因为各湾内岸线和水深变化对余流的影响多限制在邻近海域,对较远海域及其它海湾影响较小。由此可知:局部区域的岸线及水深变化才是影响水动力变化的主要因素。

图5 2003和2015年渤海表层潮余流场及余流差Fig.5 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015 and their difference of the Bohai Sea

由2003年渤海湾潮余流场可知,天津港北部至曹妃甸为顺时针沿岸余流,大小为2～6 cm/s(图6a),此结论与秦延文等[7]的模拟结果一致;而天津港南部至黄骅港为逆时针沿岸余流;渤海湾口南北分别有一较小顺时针环流和一较大逆时针环流,2个环流构成一个双环结构,这与袁德奎等[5]结果一致;曹妃甸南部有较大的余流,大小为5～10 cm/s;黄骅港南部浅滩处余流流入湾内,余流大小为5～10 cm/s。

渤海湾2015年的余流场(图6b)与渤海湾2003年余流场(图6a)相比:天津港南部至黄骅港的逆时针沿岸余流几乎不发生变化,但由于黄骅港防波堤的修建及其南部岸线的变化,在黄骅港南部形成一逆时针环流;天津港及曹妃甸港附近海域余流发生不规则变化;渤海湾口附近的较大逆时针环流结构在曹妃甸港附近也发生了不规则变化,但整体上仍是一个双环结构。对比渤海湾余流差(图6c)与渤海湾水深差(图6d)可知:天津港至黄骅港北部沿岸余流增加了3～5 cm/s,这是由天津近岸的围填海工程所致;黄骅港东南侧余流减小2～5 cm/s,这是由于修建了黄骅港及防波堤;此外,由于曹妃甸深槽西南部水深增加了2～4 m,所以余流减小了1～2 cm/s,但整体而言,曹妃甸港附近海域余流增大1～3 cm/s;渤海湾南部沿岸海域余流向湾口流出,围填海后增大2～5 cm/s。

图6 2003和2015年渤海湾潮余流场、余流差及水深差Fig.6 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Bohai Bay

由图7a可知,辽东湾2003年余流自湾顶流入,在辽东湾湾口处沿东南方向流出,湾顶辽河口处和娘娘庙站附近余流较大,约为5 cm/s;娘娘庙站南部形成顺时针环流;鲅鱼圈站附近有一流速较小顺时针环流;长兴岛北部有顺时针环流,大小约4 cm/s;辽东湾中部余流整体较小,小于3 cm/s。对比图7a和图7b可知:与2003年相比,2015年余流流向与流速分布结构变化不大。对比图7c与图7d可以得到:辽东湾辽河口附近岸线向湾内收缩,加上由于河口三角洲的冲淤导致的局部水深变化,共同造成了辽河口附近余流改变较大,辽河口附近余流减小量达2～7 cm/s。

2003年岸线及水深条件下的莱州湾余流分布如图8a所示,可以看出,黄河口附近凸出的岸线会对余流的大小和方向造成较大影响。余流在黄河口处分叉,在黄河口以北,形成一个逆时针环流;在黄河口以南,形成顺时针环流。这一结果与黄大吉和苏纪兰[17]模拟结果一致。莱州湾余流在黄河口附近出现最大值,约为5 cm/s。在莱州湾东南海域刁龙嘴及龙口附近,因岸线向湾内凸起,分别在其附近产生了流速为3～5 cm/s的环流。与2003年余流(图8a)相比,莱州湾2015年的余流场(图8b)主要变化有:黄河口以北的逆时针环流向东南方向偏移,与莱州湾水深差值(图8d)所示的黄河三角洲的推移方向相同;黄河口南部环流遭破坏,形成了流向为黄河口至刁龙嘴的余流,且黄河口附近余流大于3 cm/s的区域增大,余流最大值可达到11 cm/s。由图8c的莱州湾余流差值可以看出:相较于2003年,2015年黄河口南北两侧余流减小1～3 cm/s,但东南部余流流速明显增大,增加量最大达到9 cm/s;刁龙嘴南侧顺时针环流减小,北侧顺时针环流增大,增加量的范围为4～9 cm/s。

图7 2003和2015年辽东湾潮余流场、余流差及水深差Fig.7 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Liaodong Bay

图8 2003和2015年莱州湾潮余流场、余流差及水深差Fig.8 Surface tide-induced residual current in 2003 and 2015,and their difference as well as bathymetry difference in the Laizhou Bay

3 结 论

本文建立了基于Delft3D 的渤海三维水动力学模型,在验证良好的基础上,分别对围填海前后渤海的水动力场进行了模拟。对比分析了围填海前后潮波和潮余流的变化特征及其与岸线和水深变化的响应关系,得到结论:

1)渤海岸线及水深变化会对潮波系统产生较大的影响。渤海M2分潮2015年的振幅整体上比2003年振幅减小;在渤海湾和辽东湾湾顶处减小量约为2～4 cm;莱州湾振幅减小量约为8～12 cm,且自渤海中部至黄河口振幅减小量逐步递增;秦皇岛附近无潮点向西北方向偏移。

2)各海湾岸线及水深变化对其附近海域的潮余流影响较大。渤海湾内曹妃甸港南部由于水深增加导致余流发生了不规则的变化,曹妃甸近岸海域整体余流增大1～3 cm/s;天津港大规模围填海导致天津港至黄骅港北部近岸海域余流增加了3～5 cm/s;而黄骅港由于防波堤的修建在其南部附近海域形成了一个逆时针环流,余流减小2～5 cm/s。此外,辽东湾辽河口附近局部冲淤导致余流减小2～7 cm/s。莱州湾也因黄河三角洲的变迁致使黄河口北部余流略有减小,而东南部余流明显增大,增加量最多能达到9 cm/s,同时黄河口南部海域的逆时针环流向东南方向偏移;刁龙嘴南侧的顺时针环流减小,北侧的顺时针环流增大4～9 cm/s。

3)各海湾岸线及水深变化对余流的影响范围限于临近海域,距离变化的岸线与水深较远的海域和其他海湾受到岸线及水深变化影响的程度较小,影响水动力的主要因素是局部区域范围内的岸线及水深变化。

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