胶莱运河的修建对莱州湾水交换及海洋环境影响初探

苏 博朱金龙王佳莹赵玉庭王立明马元庆*

(1.山东省海洋资源与环境研究院,山东 烟台264006;2.山东省海洋生态修复重点实验室,山东 烟台264006)

莱州湾位于山东半岛西北、渤海南部,与辽东湾和渤海湾并称为渤海三大海湾。莱州湾的海湾面积占据山东各海湾面积之首,其湾口西起黄河新入海口,东至屺姆岛高角,口门宽约96 km[1]。受渤海半封闭型内海地理区位特点的影响,莱州湾内海水交换能力差,沿岸排入污染物总量远超海域海水的自净能力,导致水体质量不断恶化[2-3]。近年来,有学者和社会舆论提出修建胶莱运河[4](胶莱人工海河),运河可使胶州湾海水输入莱州湾,增强莱州湾水交换,同时缓解莱州湾乃至渤海的海洋生态环境污染现状[5]。然而,胶莱运河是在胶莱河基础上从胶州湾到莱州湾开挖航道贯穿山东半岛的,该工程体量和修建耗资都很庞大,须对其修建可行性和效果做充分、科学的研究。此前相关学者做过初步论证,如左军成等[6]分析了两湾的潮流和环流结构以及胶莱运河对胶州湾和莱州湾之间的水交换的贡献,认为胶莱运河的开通将极大改善胶莱两湾的水环境条件,不足的是其未采用数学模型进一步论证说明;王佳等[7]通过一、二维耦合模式模拟分析认为工程的实施对渤海水质影响效果不显著,但其模型模拟网格分辨率较低。

以往研究成果未能明确修建胶莱运河对莱州湾海洋环境的具体影响,所以,本文利用渤海、黄海、莱州湾地形地形及海洋环境资料,选择莱州湾作为重点研究区域,建立二维平面潮流和对流扩散模型,结合2018年莱州湾海水水质监测结果,研究胶莱运河修建对莱州湾水交换及海洋环境的影响,旨在为此重大项目的可行性及必要性进行初步的研究。

1 材料与方法

1.1 数据与资料来源

模型岸线提取自中国“高分一号”卫星,影像地面分辨率为2 m,成像时间为2015年。应用ArcGIS软件对遥感影像进行校正和配准,经校正配准后的遥感影像依据多年平均大潮高潮时的海陆分界线所具备的光谱特征,采用人机交互解译获取岸线分布信息。模型水深选取中国人民解放军海军航海保证部10011号海图的地形水深测量资料,该数据基于中国人民解放军海军海道测量局长期测量结果。以莱州湾水深为例,莱州湾水深自湾口向湾内递减,最大水深位于屺姆岛高角附近,超过20 m,湾内水深一般在10 m 以内(图1)。

图1 模型区域的岸线与水深Fig.1 Coastline and water depth in the modeling area

1.2 数值模型

1.2.1 水动力控制方程

水动力模型的数值解基于二维浅水方程所得,原始方程的空间离散采用的是单元中心有限体积法[8],正交笛卡尔坐标系。平面二维连续性方程和动量方程:

式中,h为总水深,η为水位,t为时间,分别为x和y向的水深平均流速,x和y为笛卡尔坐标,S为源强,f为科氏系数,g为重力加速度,τsx和τsy分别为x和y向的风剪切力,τbx和τby分别为x和y向的底床剪切力,ρ为水的密度,A为水平涡黏系数。

1.2.2 定解条件

数学模型计算域岸线、水深及范围见图1。胶莱运河横跨胶东半岛,连通黄、渤两海,研究尺度较大,故本近海数值模型采用水位控制开边界(AB连线),使得潮波传播到研究区域时与实际情况相符。考虑到胶莱运河修建的经济性和施工难度,河道参数设置为河宽1 km,水深5 m。模型中海域采用非结构三角形网格,运河河道采用四边形网格。模型最大网格面积为100 000 m2,最小网格面积为500 m2。为了能够精确地分析运河工程对周边海域水动力环境的影响,模拟过程中,将工程附近海域进行网格加密,加密区域确定为整个莱州湾和胶州湾,工程附近计算网格见图2。

初始条件:当开始计算时,采用计算初始时刻相对应的边界条件。

边界条件:将研究区域的陆地边界作为固定边界,假定垂直于固定边界的法向速度为零。随涨、落潮交替出现的边滩,采用“干、湿”动边界技术[9-10];开边界水位根据MIKE Tidal工具箱提供的全球潮汐分潮数据(the global tide model data)推算,全球潮汐分潮数据来源于潮汐模型同化Topex/Poseidon卫星的测高数据(altimetry data),是由全球10个主要天文分潮(日分潮5个,为S1,K1,O1,P1和Q1;半日分潮4个,为M2,S2,K2和N2;浅水分潮1个,为M4)[11-12]组成,分潮数据空间分辨率为0.125°×0.125°。

图2 工程附近计算网格Fig.2 Computing grids in the areas near the project

1.3 模型验证

底床阻力系数由曼宁阻力系数来确定。随水深的增加,曼宁阻力系数取值为0.015～0.022[13]。采用Smagorinsky公式[8]计算水平涡流黏度,Smagorinsky系数Cs取值为0.24。风场的时序资料来自美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)。风力拖曳系数ca=1.255×10-3。

利用黄、渤海海域内潍坊港和青岛港等24个潮位站(图3)的潮汐调和常数计算得到的潮位值与模型计算得到的潮位预测值进行对比验证,限于篇幅,潮位验证结果仅展示接近胶莱运河河口位置的潍坊港和青岛港站(图4)。验证结果表明,所有潮位站潮汐相位误差不超过0.25 h,潮位峰谷值误差不超过0.10～0.15 m,这说明模型潮位能够反映实际的潮汐特征。

利用大潮期莱州湾内潍坊港、刁龙咀和屺姆岛三个潮流观测站以及胶州湾内象头东和青岛港两个潮流观测站(图3)与模型计算得到的潮流预测值进行对比验证,限于篇幅,潮流验证仅展示运河河口位置的潍坊港和象头东站(图5)。验证结果分析,所有潮流观测站位流速峰谷值的绝对误差不大于涨落潮最大流速值绝对值之和的20%,流速相位差一般也不超过0.25 h,说明模型潮流能够反映实际的潮流特征。

图3 黄渤海海域内24个潮位站的分布Fig.3 Distribution of 24 tide stations in the Yellow Sea and the Bohai Sea

图4 潍坊港和青岛港两潮位站验证结果Fig.4 Verifications of tide level at two stations:Weifang Port and Qingdao Port

图5 潍坊港和象头东两潮位站流速、流向验证结果Fig.5 Verifications of flow velocity and direction at two tide Stations:Weifang Port and Xiangtoudong

1.4 水交换计算

建立水交换模式采用的是保守物质的对流-扩散方程:

式中,为保守物质的垂向平均浓度,Dh为水平扩散系数。初始时刻,莱州湾内水体保守物质的相对浓度设为1,湾外水体的相对浓度为0。模拟海湾某一时刻平均浓度的计算公式为:

式中,n为海湾所占网格数,C i为第i个网格的污染物浓度,H i为第i个网格的即时深度,A i为第i个网格的面积。湾内某一时刻水交换率的计算公式为。根据半水交换[14]的概念,半交换周期为湾内的平均浓度降为初始浓度一半所需的时间。

2 结果与讨论

图6 莱州湾和胶州湾河口处潮位过程线Fig.6 Tidal level process in the estuary areas of the Laizhou Bay and the Jiaozhou Bay

2.1 水动力计算结果与分析

由于缺乏观测数据,在此给出莱州湾和胶州湾胶莱运河河口处(图2中1#点、5#点)大潮同时期的潮位过程模拟结果如图6所示。由图6可知,胶州湾河口为正规半日潮,莱州湾河口为不正规半日潮,胶州湾河口的潮差远大于莱州湾河口的潮差。两湾河口处的潮位位相几乎相反,即当莱州湾河口涨潮时胶州湾河口落潮,当莱州湾河口涨急时胶州湾河口落急,反之亦然。

由大潮期莱州湾河口涨急、胶州湾河口落急时刻潮流场(图7a)可知:涨急时刻潮流由莱州湾外向湾内运动,流速一般为0.10～0.78 m/s;最大流速出现在黄河口、莱州浅滩处,最小流速出现在湾顶附近;湾内流速整体呈现西部流速略大于东部流速的空间特征。流向整体上呈现偏SW 向,在黄河口南部海域,潮流流向偏NW 向;在刁龙咀南部海域,潮流流向偏SE向。胶州湾河口落急时刻海水流向与涨急时刻相反,海水由湾内经湾口流向湾外,湾口流速大于湾内,最大流速出现在湾口附近,流速最大值约1.4 m/s,最小流速均出现在湾顶,流速约0.2 m/s。湾内涨潮流向由湾顶指向湾口。

由大潮期莱州湾河口落急、胶州湾河口涨急时刻潮流场(图7b)可知:大潮期间落急时刻莱州湾潮流分布情况与涨急时刻潮流场相似,只是流向与涨急时刻潮流场刚好相反,落急时刻潮流流速一般介于0.10～1.12 m/s,最大流速出现在黄河口、莱州浅滩处,最小流速出现在湾顶附近,湾内流速整体呈现西部流速略大于东部流速的空间特征。流向整体上呈现偏NE向,在黄河口南部海域,潮流流向偏SE向;在刁龙咀南部海域,潮流流向偏NW 向。胶州湾河口涨急时刻海水经湾口由湾外流入湾内,湾口流速大于湾内,最大流速出现在湾口附近,流速最大值约1.5 m/s,最小流速均出现在湾顶,流速约0.2 m/s。湾内涨潮流向由湾口指向湾顶。

图7 莱州湾和胶州湾的落急和涨急流场Fig.7 The flood and ebb flow fields in the Laizhou Bay and the Jiaozhou Bay

图8 河道特征点流速与流向过程线Fig.8 Process of flow velocity and direction at character points in the river channel

为分析河道水动力环境特征,鉴于胶莱河沿线较长,选择胶莱河两端口门内河段5个典型位置(图2),绘制其48 h的流速与流向过程曲线图,见图8,其中1#点位于莱州湾河口、5#点位于胶州湾河口。胶州湾口门的5#点最大流速为1.1 m/s左右,其他各特征点最大流速不超过0.5 m/s。1#～5#点的流向每隔一天存在1 h左右由胶州湾至莱州湾的单向流动,并且每一转流周期,1#点莱州湾入流历时大于出流历时约7 h。模型统计了胶州湾河口与莱州湾河口断面海水进、出的累计流量。海水经胶州湾河口断面进入河道的累计流量与海水经莱州湾河口断面进入莱州湾的累计流量随时间变化的量值一致,胶莱运河年径流总量约为7.2×109m3,净流方向由胶州湾流向莱州湾。

2.2 水交换能力影响分析

为研究胶莱运河工程实施对莱州湾纳潮量的影响,在湾口断面计算流量获得整个断面的流量时间序列,然后按涨潮期或落潮期进行流量累计可得海湾潮量。运河工程实施前后莱州湾海域大潮期和小潮期纳潮量计算结果显示,工程实施后莱州湾大小潮期纳潮量均有所减少,其中大潮期纳潮量减少3.2×107m3,小潮期纳潮量减少1.7×107m3,大潮期纳潮量减少值大于小潮期。

以位于119°24′E经线附近、垂直于莱州湾湾口连线的直线为界将莱州湾分为西部和东部两个部分(图2),根据水交换率计算公式及半交换周期的概念表述,模拟得到工程前后莱州湾整体、西部、东部的海水水交换率随时间变化与工程前后莱州湾半交换周期(图9、表1),工程后整个莱州湾水交换能力有略微增强趋势,全年平均与现状相比增强约2.0%,工程后半交换周期(113 d)比现状(127 d)缩短14 d;西部莱州湾水交换能力基本没有变化,略微增强约0.5%;东部莱州湾受胶莱河入水口的影响,水交换比西部强,增强约2.7%。由图10可见,莱州湾水体整体上是自西向东交换,湾内运河处出水口交换率最高。运河工程实施后,潍坊港防波堤至刁龙咀海域水交换能力略有增强,潍坊港防波堤以西海域水交换能力基本未发生变化,即运河工程的实施对莱州湾水交换能力影响范围主要位于潍坊港防波堤至刁龙咀之间海域。

图9 水交换率随时间变化Fig.9 Changes of water exchange rate with time

表1 莱州湾水交换率变化Table 1 Variations of the water exchange rate in the Laizhou Bay %

续表 %

图10 工程前后在160 d莱州湾水交换物质浓度分布(初始值为1)Fig.10 Concentration distribution of water exchange substances in 160 days before and after the project(initial value:1)

2.3 莱州湾海水质量状况的影响分析

2018年山东省海洋生态环境公报①山东省生态环境厅.山东省海洋生态环境状况公报.2018.中指出,山东省主要的水质污染(低于二类水质标准)区域在渤海沿岸,其中莱州湾的海水水质尤其差,相对应的,胶州湾内虽有部分区域水质较差,但总体相对于莱州湾水质要好(图11)。从海水水质分布趋势来看,莱州湾东部海水质量普遍高于西部,莱州湾西部陆源污染强度要比东部大,主要是因为黄河及小清河入海径流大,携带陆源污染较多,另外莱州湾西部水交换效率也明显低于东部。从胶莱河工程前后160 d水交换物质浓度差异(图11a)来看,工程前后莱州湾入流口水交换物质浓度差最大为0.5(初始为1),但是影响范围较小,仅仅影响河口向海5 km 的扇面海域。通过数模计算出年输送海水量,约为7.2×109m3(南胶莱河年入海径流量为2.49×108m3,北胶莱河年入海径流量为4.96×108m3),黄海海水经胶州湾由胶莱运河输送至莱州湾,冲淡莱州湾内非优良水体,可减少水质污染面积约1.5 km2,在一定程度上可缓解莱州湾东部河流入海口附近小范围海域中的海水水质污染现状。

图11 2018年莱州湾及胶州湾海域水质等级及工程前、后160 d水交换物质浓度差异Fig.11 Seawater quality grades in the Laizhou Bay and the Jiaozhou Bay in 2018 and difference in concentration of water exchange substances in 160 days before and after the project

3 结 论

建立了二维潮流和对流扩散模型,结合海水水质现状,初步模拟分析了胶莱运河的贯通对莱州湾水动力条件及海洋环境现状的影响,得到结论:胶莱运河开通后年径流总量约为7.2×109m3,净流方向为胶州湾流向莱州湾。莱州湾水体交换整体上是自西向东,湾内运河河口附近水交换率最高。工程后莱州湾整体年平均水交换能力与现状相比增强约2.0%,半交换周期缩短11.0%;其中莱州湾西部水交换能力变化较小,增强约0.5%;莱州湾东部水交换能力变化较大,增强约2.7%。运河工程的实施对莱州湾水交换能力提升主要位于潍坊港防波堤至刁龙咀之间海域,作用范围仅为河口向海5 km 的扇面海域。

需要指出的是,黄海海水经由胶州湾、运河进入到莱州湾的海水水质优良,同时保证运河两侧无陆源污染物汇入的前提下,以目前设计的工况贯通运河,莱州湾东部运河河口附近水质污染会略有缓解,但无法从根本上解决海洋生态环境问题,莱州湾污染治理的关键应该是污染源头的控制和管理。