围填海工程对澳门及附近海域水动力影响研究

张功瑾，罗小峰，路川藤，徐刘宇

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)

人类活动引起的岸线变迁直接导致海域面积的减少和海床地貌的改变，并进一步影响附近水域和水动力环境[1]。尤其海湾地区进行围填海工程后，海湾面积减小，纳潮能力、水交换能力将有所下降[2-3]。因此，国内外有众多学者针对岸线变迁前后潮流动力变化特征和机制进行了研究[4-8]。Kang[9]通过数值计算的结果发现沿海海堤的建设导致区域流速降低而落潮流变强。Park等[10]认为沿海地区在筑堤之前，潮流被海岸折射，堤坝建成后堤防移除了浅海岸带，使潮波的传播速度加快。娄迪[11]研究发现开场水域岸线的变化对大范围内海域的潮流动力条件产生的影响很小，近岸海域受到岸线形态影响潮动力变化较大。杜鹏等[12]分析发现胶州湾围填海工程对附近海域的流场具有较大影响，余流以及潮流变化显著。陆荣华[13]采用对厦门湾5个典型历史时期潮流场进行模拟发现围填海工程的建设对涨落潮潮流流态基本没有影响，而由于工程建设减小了海域面积，海湾纳潮能力减小，湾内潮流流速也减小。

澳门位于广东省珠江河口西侧，北面是拱北经济特区；东面与香港隔海相望；西侧大、小横琴岛(图1)。澳门水域潮型为不规则半日潮，两次高(低)潮潮位都不等，成明显的日潮不等现象。涨落潮历时相差不大，潮流属往复式半日潮流。澳门东侧水域涨潮流为西北走向，落潮流为东南、西南走向，转流时作顺时针旋转。澳门水道及十字门水域潮流呈不规则往复流，澳门水道以及上游洪湾水道涨落潮流为东西走向，十字门水道为南北走向，涨落潮流主要来自东侧外海伶仃洋和上游洪湾水道下泄径流等，洪湾水道对于澳门水域汇流区、十字门水道等起调节作用。澳门地理位置特殊，为寻求发展空间而通过围填海工程不断向海扩展土地，岸线形态不断发生变化(图2)，澳门水域地形地貌及水动力条件也因此发生变化。通过分析澳门岸线变迁的特征，根据实测地形资料探讨围填海工程对地形地貌和水动力的影响有利于深入认识地形地貌演变与潮流动力间的互馈关系。同时，可为今后多种形式岸线变迁共同作用下潮流动力变化的研究提供支撑。

图1 澳门地理位置

图2 澳门围填海工程进程

1 人类活动对澳门海域潮波变形的影响

1.1 澳门海域潮汐调和分析

分潮的概念即将潮汐实际的运动划分为一定数量的有规律的分振动，分离出的分振动具有一定的周期和振幅等要素，即为分潮。而潮汐调和分析的原理主要是基于强迫震动和小震动叠加来计算各个分潮的调和常数，包括振幅和迟角。海面在周期性外力作用下发生涨落潮,其震动周期和引潮力周期相一致。潮汐理论把潮汐分成一系列简谐振动之和,每一个简谐振动称为一个分潮,某时刻的潮高可以表示为:

(1)

式中：a0为观测期的平均海面，Hj为分潮振幅，fj为分潮迟角因子，(V0+u)-gj为分潮的初位相，σj为角速度，m是分潮的个数。令fH=R，(V0+u)-gj=-θj，潮汐为多个分潮叠加而成，则有：

(2)

取a=Rcosθ,b=Rsinθ，得到：

(3)

基于澳门站(22°11.28′N，113°31.82′E)1986年至2017年逐年实测潮位资料进行调和常数计算(图2)，以主要浅水分潮与主要半日分潮振幅比HM4/HM2(浅水影响系数)来分析澳门海域历年潮波变形分析。HM4/HM2比值越大，说明海域涨落潮历时差值越大，反之亦然。1986、2010和2018年澳门站各分潮振幅如图3所示，各分潮振幅变化幅度较小，澳门附近海域正规半日潮特征受围填海工程影响较小。澳门站浅水影响系数随着围填海强度的增大而逐渐增加(图4)，说明围填海强度越大，澳门附近海域涨落潮历时差越大。

图3 澳门站历年分潮振幅

图4 浅水影响系数与围填海强度关系

1.2 澳门海域潮波突变分析

Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数统计检验方法。对于样本个数为n的时间序列x，构造一秩序列：

可见秩序列sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下定义统计量：

式中：UF1=0，E(sk)和var(sk)是(sk)的均值和方差。

在x1，x2，……,xn相互独立，且具有相同连续分布时，可由下式算出：

UFk为标准正太分布，它是按时间序列顺序x1，x2，……,xn计算出来的统计量序列。再按时间序列逆序xn，xn-1，……,x1，重复上述过程，同时使UBk=-UFk(k=n,n-1,……，1)，UB1=0。给定显著性水平α，α=0.05，临界值u0.05=±1.96，将UFk和UBk两个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘在同一图上。

统计分析澳门站1960—2016年潮位特征，分析澳门站历时潮位特征变化和突变趋势(如图5～6)，经过MK检验分析，澳门站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年间主要成下降趋势，在1970年左右下降趋势明显，在2000年以后成上升趋势，尤其在2010年以后上升趋势明显；澳门站的年平均高、低潮位发生突变的时间均在2005—2008年间，经分析这期间澳门岸线变化强度最大达到400%。说明人类活动尤其是围填海工程对海域潮波变形存在直接的影响。

图5 澳门站年平均低潮位MK检验

图6 澳门站年平均高潮位MK检验

2 模型构建与验证

2.1 模型建立

澳门水域受潮流、径流共同作用，潮汐通道交错，水文条件复杂。通过CJK3D数值模拟软件构建澳门水域二维潮流数学模型，复演澳门水域的潮流运动过程。

1)基本方程

式中：z为潮位；h为水深；H为总水深；u和v分别为x和y方向上的流体速度；f=2Ωsinφ为Coriolis系数，其中Ω为地球自转角速率，φ为当地纬度；g为重力加速度；C为谢才系数；t为时间；Nx和Ny分别为x和y方向上的水流紊动黏性系数。

采用有限体积法对水动力泥沙方程进行离散，其具体离散方法及边界条件的处理参考文献[14]。

2)模型范围及参数

整体数学模型包括珠江口主要水系网，西侧边界至广西阳江附近，东侧边界至广东汕尾附近，南侧边界至珠江口以南250 km处的开阔水域(图7左)。大模型外边界通过全球潮汐预报模型Tide-Process提供。局部数学模型的北侧边界到达九州岛，西侧边界设在磨刀门附近，东侧边界至桂山岛西，南侧边界至工程区以南约30 km处(图7右)。采用三角形网格剖分单元，模型网格199 045个，最小网格边长25 m。开边界设置为上游流量控制，下游水位控制。

图7 模型范围

2.2 模型验证及计算条件

数学模型验证采用2017年10月6日—7日枯季大潮水情，包括3个潮位站(九州港、澳门外港、澳门南端)，6条潮流垂线，率定内容包括潮位、潮流，验证点如图8所示。计算方案及计算条件如图9和表1所示。图10为潮位验证图，图11为潮流验证图。根据模型验证结果可见，潮位计算偏差值在0.1 m以内，潮流流速偏差不超过10%，流向计算偏差基本不超过5°。

图10 潮位验证图

图11 潮流验证图

表1 模型计算条件及方案说明

图8 2017年水文测验测站布置示意

图9 计算方案

计算选取洪季半月潮，根据2016年—2018年三年的大九洲潮位资料统计，根据该站三年高潮位、低潮位和潮差累积频率计算，10%、50%、90%典型代表潮大潮、中潮、小潮的潮差为2.26 m、1.63 m、1.10 m。模拟年份中选取1986年为本底作为对照，对2010年和2019年进行方案分析。

3 人类活动对澳门海域水动力的影响

3.1 围填海工程对涨落潮历时的影响

根据模型计算结果，分别提取1986年、2010年、2019年采样点处4个周期内潮位历时曲线并统计模型计算时间内的平均涨落潮历时(见图12)。1986年至2019年间澳门水域潮位变化幅度较小。

从空间上看，1#点位于十字门水道，由于采样点靠近岸线，该处潮动力受径流和岸线形态影响比较明显，涨潮历时大于落潮历时；靠近东侧海域的3#采样点处变化最小，而澳门水道两侧岸线变化后径流动力影响范围扩大，2#、4#点受潮流、径流的共同作用潮位有所下降。根据历年涨落潮历时比统计结果(表2)，澳门水道靠近外海处涨落潮历时有减小趋势，落潮流优势有所削弱，同时也说明潮波的浅水效应较弱，潮波变化不明显。另外，十字门处1#点涨落潮历时比均大于1.1，2010年岸线变化后历时比接近1.2，说明水道宽度的减小导致涨落潮不对称现象，潮波发生较明显的变形。整体来看，澳门水道以及东侧近海水域涨落潮历时比接近1，涨落潮历时基本相当，潮波变形程度不明显。1986年至2010年期间十字门水道以及上游洪湾水道因整治工程岸线剧烈缩窄，可能产生涌潮现象，因此历时比变化相对较大。从空间上看，澳门水域涨落潮不对称现象由上游向外海逐渐减小。

表2 各采样点涨落潮历时

3.2 围填海工程对流速的影响

从不同年份模拟的流场分布图(如图13和图14)可见，澳门海域涨潮流分为三股，一股以北偏西然后沿正北方向进入十字门水道，一股以北偏西方向进入澳门水道，另外一股向北继续上溯，在大九洲以北至淇澳岛间水域与上游西滩下泄的水沙相遇，相互顶托形成径潮相互作用的滞流、回流区。进入十字门水道涨潮流在涨潮初期与澳门水道下泄径流相互顶托，在十字门水道出口形成缓流区。澳门水道涨潮流流向与机场跑道走向一致。澳门海域落潮流也分为三股，一股是沿澳门水道下泄落潮流，一股是经十字门水道下泄，另外一股是伶仃洋西滩下泄落潮流。其中澳门水道及伶仃洋西滩落潮流主要影响澳门东侧水域，影响范围较广。

图13 2010年涨急流态

图14 2019年落急流态

围填海工程后，澳门水域潮流的往复流特征不变，澳门水道潮量因断面面积的减小而减小，涨落急流速普遍减小，澳门新城A区人工岛及珠澳口岸工程附近产生雍水现象，流速亦呈减小趋势。

如图15，1986—2010年期间，围填海工程前后十字门水道、澳门水道处潮流走向没有变化，澳门机场人工岛建设后截留的潮流被分成两股，其中一股从机场东侧进出澳门水道，另一股潮流动力较弱，在澳门机场西侧海域流动。潮流流向基本与主要水道的走向平行。

图15 1986—2010年涨急和落急时刻流速差值图

围填海工程后，澳门水域的流速整体下降，从变化幅度来看落急流速受到的影响更大，这也说明澳门水道以及东侧海域落潮流优势减弱，涨落潮趋于平衡。

如图16，2010—2019年期间，人工岛建设后对南北走向潮流产生阻挡，局部地区产生雍水和绕流，因此流速有所减小；珠澳口岸南北走向的岸线则对潮流产生引导作用，东侧流速有所增大。落急时刻澳门水道出口处流速有所增大。

图16 2010—2019年涨急和落急时刻流速差值图

3.3 围填海工程对余流的影响

澳门在进行大规模围填海工程前，澳门半岛以及路氹两岛岸线曲折，1986年余流分布比较复杂(图17～图19)。澳门水道的余流成东西走向往东侧海面行进，在氹仔岛东北端进入路氹两岛之间形成顺时针流场分布；路环岛南侧余流由南向北行进至路氹东侧后形成逆时针流动。澳门水道的东西流和路氹公路东侧的南北流在交汇区方向相反、对冲流动，因此在路氹东侧间的海域出现较明显的低流速区。

图17 1986年澳门水域余流场分布

图18 2010年澳门水域余流场分布

图19 2019年澳门水域余流场分布

从空间分布来看，水道内余流流速大于东侧海域，余流流速整体较小。2010年与1986年相比，澳门水道处余流流速减小，靠近主槽的3#点处水深增大，流速减小0.07 m/s(图20和图21)；1#、7#点余流流速小幅增加，这与洪湾水道束窄后径流影响范围增加有关。机场建设后，形成西侧半封闭水域，潮动力进一步减弱，8#采样点余流减小0.02 m/s左右，且受到路氹连岛围填的影响，余流偏转角度较大达37°。2019年余流流速则基本不变，靠近岸线的2#点处减小幅度最大为0.02 m/s。从3#、4#点的余流变化来看，澳门新城A区填海和珠澳口岸人工岛对澳门水域余流的影响有限。

图20 余流采样点示意

图21 采样点余流流速统计

4 结 语

基于长序列潮位资料，采用调和分析和MK检验方法分析了澳门水域及附近海域历史潮波特性，并建立大范围二维潮流数学模型，以珠澳人工岛及澳门新城A区等大型工程为研究对象，研究人类活动影响下的澳门及附近海域水动力变化特征。

1)澳门站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年间主要成下降趋势，在1970年左右下降趋势明显，在2000年以后成上升趋势，尤其在2010年以后上升趋势明显；澳门站的年平均高、低潮位发生突变的时间均在2005—2008年间，这期间澳门岸线变化强度最大达到400%。说明人类活动尤其是围填海工程对海域潮波变形存在直接的影响。

2)澳门在1986年以后围填海工程规模较大，岸线形态变化剧烈。1986年至2010年期间是澳门围填海工程发展的黄金时期，岸线变化也最为明显。2010年至2019年期间澳门围填海工程从澳门本岛逐渐转移至澳门半岛东侧新城A区以及珠澳口岸等人工岛的建设。

3)1986、2010和2018年澳门站各分潮振幅变化幅度较小，澳门附近海域正规半日潮特征受围填海工程影响较小。围填海强度越大，澳门附近海域涨落潮历时差越大。

4)澳门水道以及东侧近海水域潮波变形程度不明显。1986年至2010年期间十字门水道以及上游洪湾水道涨落潮历时比变化相对较大。从空间上看，澳门水域涨落潮不对称现象由上游向外海逐渐减小。

5)围填海工程使得澳门岸线由曲折变为平缓，导致澳门水域内余流略微减小。