山东裕龙岛跨河道工程对沉积动力环境影响研究

2024-02-22王超姜胜辉王世臣李春川

海洋地质与第四纪地质 2024年1期

王超，姜胜辉，王世臣，李春川

1. 中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心，青岛 266100

2. 中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

3. 中国科学院海洋研究所，青岛 266071

工程建设对海洋环境的影响一直备受国内外学者的关注。海岸工程建设往往会改变海岸形态，引起海域水动力环境的改变。Kassas[1]认为海岸工程的建设会导致所在海域潮流、潮位、波浪等水动力条件发生变化。Byun 等[2]认为韩国海岸工程的建设导致附近海域潮汐特征发生显著变化。Rtimi 等[3]探讨了世界第二大潮汐电站的建设对法国兰斯河口水动力特征的影响，认为工程建设不会导致潮流特征大范围改变，仅在工程附近水域有较大变化，防波堤堤头水域由于挑流作用流速增大，其余区域流速普遍减小。海岸工程建设会阻隔沿岸泥沙输运，破坏海岸抵抗海洋灾害的能力[4]。Ranasinghe 等[5]认为海岸防波堤的建设对岸线附近海域的冲淤环境和地貌演变产生了较大影响。Neumann 等[6]认为过多的海洋工程建设甚至会引起全球海平面上升和其他重大极端事件。规划建设良好的海岸工程又会有效地减小波浪效能，保护港口和海岸[7-8]。围填海工程的建设会造成海域面积减小，直接导致纳潮量减少[9-10]，影响水交换[11]，进而影响海洋生态环境。Rusdiansyah 等[12]利用数值模拟研究了雅加达湾海堤的建设对海湾纳潮量的影响。Barnes 等[13]认为人工岛的建设会改变原有海域的地形条件，直接影响附近海域的海洋生态环境。人工修复岸线会增强水交换能力[14]，减轻海洋污染。

裕龙岛位于山东省龙口市龙口湾南部海域[15]（图1），填海面积35.23 km2，建设7 个离岸式人工岛。前人对裕龙岛也做了很多研究，刘金鹏等[16]运用MIKE21 软件对裕龙岛及附近海域的波浪场和水动力场进行了模拟研究；费成鹏等[17]利用MIKE21数学模型模拟了裕龙岛建设前后的潮流、波浪、纳潮量及水交换率等水动力特征，探讨了人工岛群建设对龙口湾水动力环境的影响；刘星池等[18]利用MIKE21 软件模拟了裕龙岛不同建设方案对龙口湾潮流变化和海底冲淤演变的影响。然而，前人的研究多集中于较大型的海湾或者开阔区域的大型工程，研究方向也主要集中于潮流场、波浪场等水动力方面，对于人工岛等大型工程内部跨河道工程建设对沉积动力环境影响的系统研究很少。因此，本文针对山东裕龙岛内部跨河道工程的建设对沉积动力环境的影响进行了较为全面的研究。

图1 裕龙岛地理位置图Fig.1 Location of the Yulong Island

裕龙岛内部各人工岛之间有多条水道与外侧海域相通，为了裕龙岛项目的后续发展，需要建设跨河道工程，解决各人工岛之间的连接问题。跨河道工程建设方案分为桥梁方案和管涵方案两种。建设桥梁对区域海洋环境影响较小，但是建设成本高，施工难度较大；建设管涵成本低，难度小，但是对海洋环境影响较大。基于工程建设实际考虑，在环境可接受范围内，尽可能建设管涵。因此，需要对比分析不同建设方案对沉积动力环境的影响。本文利用研究区附近海域的潮位潮流、水深地形、表层沉积物、卫星影像、海图等资料，运用数值模拟的方法，主要从水动力、地形地貌冲淤、水交换等方面研究了裕龙岛内部12 个跨河道工程不同组合方案对沉积动力环境的影响，为跨河道工程建设提供技术支撑，为裕龙岛工程的后续建设和海洋环境保护提供理论依据[19-20]。

1 研究区及工程概况

龙口湾是屺坶岛连岛沙坝围成的一个次生海湾，为莱州湾的一个附属海湾[21]，整体地势东南高、西北低，地貌主要为冲洪积平原或浅海平原，海岸类型主要为基岩海岸或砂砾质海岸[22]，湾内水深除航道外普遍小于10 m[23]。湾内表层沉积物粒径较细，主要以粉砂和砂为主[24]。潮流性质以不规则半日潮流为主，潮流运动形式主要为往复流[25]。

裕龙岛内部3 条主水道分别为纬一河、经一河、经二河，水道宽度为40～400 m，平均水深约4 m，共需要建设12 个跨河道工程，即纬一河跨河道工程1、2、3，经一河跨河道工程4、5、6、7、8，经二河跨河道工程9、10、11、12（图2）。截止2021 年底，纬一河通道3、经一河通道6 和经二河通道10 均已建成临时道路，并且埋设管涵。桥梁方案建成桥面宽度约15 m，桥墩直径约1 m，根据水道宽度建设桥墩数量不等；管涵方案建成路面宽度约15 m，管涵直径约1 m，统一埋设4 根管涵。

图2 跨河道工程位置图Fig.2 Location of the cross-river project

2 建设方案

基于工程建设对沉积动力环境和水交换等方面产生的影响[26-27]，选取4 种不同组合建设方案进行数值模拟。

方案1：所有跨河道工程全部建设管涵；

方案2：经一河跨河道工程建设桥梁，其余建设管涵，即通道1、2、3、9、10、11、12 建设管涵，通道4、5、6、7、8 建设桥梁；

方案3：现有工程基础上，纬一河跨河道工程1、2 建设管涵，其余建设桥梁，即通道1、2、3、6、10 建设管涵，通道4、5、7、8、9、11、12 建设桥梁；

方案4：经一河、经二河跨河道工程建设桥梁，纬一河跨河道工程建设管涵，即通道1、2、3 建设管涵，通道4、5、6、7、8、9、10、11、12 建设桥梁。

3 研究方法

3.1 数学模型

本研究采用MIKE21 模型中的水动力模块、泥沙输运模块和对流扩散模块，对研究区海域的潮流场、地形地貌冲淤和水交换进行数值模拟[28-31]，共进行两个时间段的模拟计算，分别为2017 年5 月1—31 日和2018 年5 月1—31 日。模型采用非结构三角网格剖分计算域，采用标准Galerkin 有限元法进行水平空间离散，时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程[32]。模型计算域范围为辽宁登沙河和山东鸡鸣岛两点以及岸线围成的北黄海及渤海海域，并对裕龙岛附近海域进行局部加密（图3），最小空间步长约6 m。

图3 网格分布及验证点位置Fig.3 Grid distribution and tidal verification sites on tidal level (red dots) and tidal current (blue triangles)

水深地形选取2005 年以来中国人民解放军海军航海保证部制作的1∶100 万海图（10011 号），1∶15 万海图（ 11370 号、 11570 号、 11710 号、11770 号、 11840 号、 11910 号）， 1∶2.5 万海图（11891 号）及2018 年中国海洋大学在裕龙岛附近调查的水深地形测量资料，岸界依据2014—2017 年的卫星影像资料确定。根据中国海洋大学2018 年在裕龙岛附近海域调查的表层沉积物资料和历史表层沉积物调查资料，确定沉积物类型、性质、粒度特征等相关参数。风资料参照龙口气象站2002—2006 年每日资料统计，确定该区各向风出现频率输入模型进行计算。

3.2 水交换计算方法

假定在水道附近海域有同样的溶解态保守污染物，使水体中污染物质的浓度达到某一个特定的量值Wc，且初始时刻均匀分布在附近水域内，假设水边界入流时给定这种物质在开边界的浓度为0，计算出不同时刻此种物质的浓度值W，进而通过以下公式计算不同时刻被区外海水置换的比率（也即水体交换率），来对比不同建设方案裕龙岛内部水道的水体净化能力[11,33-36]。

式中，n为水体交换率，Wc为原有的污染物浓度值，W为每一时刻水体中的污染物浓度值。

本文选取裕龙岛内部河道及其周边2 km 左右范围内海域作为水交换计算区域（图2）。

4 结果

4.1 模型验证

利用大连、旅顺、鲅鱼圈、曹妃甸、大口河、潍坊港、北隍城、八角、烟台港、龙口港等10 个潮位站历史观测资料经调和分析后[37]，选用M2、S2、K1、O1四个分潮的调和常数预报出大潮期的潮位与计算结果进行验证；同时选用中国海洋大学2017 年5 月10—11 日在研究区附近进行的2 个站位（C4、C6）潮位现场观测资料进行验证。验证结果表明，对应观测点上潮位模拟结果与实测潮位资料基本吻合。

采用中国海洋大学于2018 年5 月18—19 日在研究区附近进行的2 个站位（D1、D3）和2017 年5 月10—11 日（大潮）在研究区附近进行的6 个站位（C1、C2、C3、C4、C5、C6）共27 小时海流同步连续观测资料与计算结果进行验证。验证结果表明，对应观测点上的潮流流速流向模拟结果与实测潮流资料基本吻合，能够较好地反映研究区周边海域潮流状况。限于篇幅限制，本研究仅列出距离研究区较近的站位潮位验证曲线（C6、龙口港，图4）和潮流验证曲线（D3、C6 站位，图5）。

图4 潮位验证曲线Fig.4 Tidal level validation curve

图5 潮流验证曲线Fig.5 Tidal current validation curve

采用中国人民解放军海军司令部航海保证部出版的龙口港2002 年海图和1992 年海图水深地形资料进行对比分析，计算典型断面水深年变化量（图6），将工程建设前的年模拟冲淤变化量与海图水深变化量进行对比，验证冲淤数值模型的准确性[38]。结果显示，除了M-M′断面5.5 km 处和N-N′断面2.7、3.6 km 处进行航道疏浚，水深变化较大之外，总体而言，从冲淤厚度和趋势上看，模拟值与实测值基本吻合（图7）。

图6 水深变化对比断面位置图Fig.6 Location of the comparison section for water depth changes

图7 水深变化对比验证结果Fig.7 The results of comparison and validation for water depth changes

4.2 潮流场模拟结果

本研究分别模拟了工程建设前和4 种不同工程组合建设方案的水道潮流场，结果如下：

（1）工程建设前

涨急时，纬一河流速为15～40 cm/s；经一河整体由北向南流，流速为30～60 cm/s；经二河整体由北向南流，北侧流速小于10 cm/s，南侧和中间区域流速为10～30 cm/s。

落急时，纬一河流速为20～40 cm/s；经一河整体由南向北流，流速为20～45 cm/s；经二河整体由北向南流，流速为10～30 cm/s（图8）。

图8 工程建设前涨急时和落急时潮流场Fig.8 Tidal current field during flood tide and ebb tide before cross-river engineering

（2）建设方案1

涨急时和落急时，除管涵附近外，其他海域潮流流速整体较小，一般小于5 cm/s（图9）。

图9 方案1 涨急时和落急时潮流场Fig.9 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 1

（3）建设方案2

涨急时和落急时，纬一河和经二河潮流流速整体较小，一般小于5 cm/s；经一河整体流速为30～50 cm/s（图10）。

图10 方案2 涨急时和落急时潮流场Fig.10 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 2

（4）建设方案3

涨急时，纬一河和经二河潮流流速小于5 cm/s；经一河整体由北向南流，整体流速小于10 cm/s。

落急时，纬一河整体潮流流速小于5 cm/s；经一河整体由南向北流，南侧流速小于10 cm/s，北侧流速为10～20 cm/s；经二河南侧流速小于5 cm/s，北侧流速为10～20 cm/s（图11）。

图11 方案3 涨急时和落急时潮流场Fig.11 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 3

（5）建设方案4

涨急时，纬一河潮流流速小于5 cm/s；经一河整体由北向南流，流速为30～60 cm/s；经二河整体由北向南流，北侧流速小于10 cm/s，南侧流速为10～30 cm/s。

落急时，纬一河潮流流速小于5 cm/s；经一河整体由南向北流，流速为20～45 cm/s；经二河整体由北向南流，流速为10～30 cm/s（图12）。

图12 方案4 涨急时和落急时潮流场Fig.12 Tidal current field during flood tide and ebb tide of Plan 4

4.3 地形地貌冲淤模拟结果

本研究分别模拟了工程建设前和4 种不同工程组合方案的冲淤情况（图13、14），由结果可知：

图13 工程建设前年冲淤变化Fig.13 The annual changes in erosion and siltation before construction of river-crossing project

图14 各方案年冲淤变化Fig.14 The annual changes of erosion and siltation of each plan

工程建设前整体以微侵蚀为主，其中纬一河西侧微侵蚀，东侧微淤积，年淤蚀量小于2 cm；经一河以侵蚀为主，年侵蚀量为2～8 cm；经二河北侧以侵蚀为主，年侵蚀量为4～8 cm，南侧微淤积，年淤积量为2 cm 左右。

方案1 整体以微淤积为主，年淤积量1 cm 左右；经二河北侧微侵蚀，年侵蚀量小于2 cm。

方案2 纬一河微淤积，年淤积量小于2 cm；经一河以侵蚀为主，年侵蚀量为2～8 cm；经二河北侧以侵蚀为主，年侵蚀量小于2 cm，经二河南侧微淤积，年淤积量小于2 cm。

方案3 整体以微淤积为主，年淤积量1 cm 左右；经二河北侧微侵蚀，年侵蚀量小于2 cm。

方案4 纬一河微淤积，年淤积量小于2 cm；经一河以侵蚀为主，年侵蚀量为2～8 cm；经二河北侧以侵蚀为主，年侵蚀量为4～8 cm，经二河南侧微淤积，年淤积量约2 cm。

4.4 水交换模拟结果

本研究分别模拟了工程建设前和4 种不同工程组合方案14 d 水交换情况（图15、16），由结果可知，工程建设前水道内水体100%发生交换，水交换较好；方案1 水道内绝大部分区域水交换率小于60%，水交换较差；方案2 纬一河、经二河大部分区域水交换率小于60%，经一河水交换率超过90%；方案3 水道内大部分区域水交换率小于50%，水交换较差；方案4 纬一河西侧大部分区域水交换率超过50%，其余水道水交换率超过90%，水交换较好。

图15 工程建设前水交换率分布图Fig.15 The water exchange rate before construction of river-crossing project

图16 各方案水交换率分布图Fig.16 The water exchange rate of each plan

5 影响分析

5.1 水动力影响分析

裕龙岛内部水道潮流主要受龙口湾内潮流特征影响，为了分析各跨河道工程对水道内潮流场的影响，选取大潮期一个完整潮周期（13 h）的平均流速对比，在纬一河、经一河、经二河分别选取5 个特征点，共15 个特征点进行流速对比（图17）。

图17 潮流流速对比点位置图Fig.17 Location of comparison points for tidal current velocity

由结果可知，跨河道工程使水道内潮流流速整体减小，对水道内水动力环境产生了一定影响。纬一河西部，各方案对流速影响都较大，工程建设造成潮流流速普遍减小，减小量可达20 cm/s 左右，变化率90%左右；纬一河东部，方案4 对潮流流速影响较小，其余方案对潮流流速影响较大，流速减少普遍超过7 cm/s，变化率70%左右；经一河，方案2、方案4 对潮流流速影响较小，方案1、方案3 使潮流流速明显减小，减少量普遍超过20 cm/s，变化率80%左右；经二河北侧，建设前和各方案的流速均较小，工程建设对潮流流速影响不大；经二河南侧，方案4 对潮流流速影响较小，其余方案使潮流流速明显缩小，变化率超过70%（表1，图18）。

表1 不同方案各特征站位平均流速表Table 1 The average velocity at feature points of each plancm/s

图18 不同方案特征点平均流速对比图Fig.18 Comparison in average velocity at feature points of each plan

从水动力角度考虑，水道水动力强，有利于区域污染物扩散，有利于海洋环境保护和项目持续发展[13]。本研究中方案1 和方案3 对潮流流速影响明显，工程建设造成水道内水动力减弱，大部分区域流速小于5 cm/s，明显不合适。方案2 在纬一河和经二河对潮流流速影响明显。方案4 整体对潮流流速影响较小，水道内水动力较强，对水动力环境影响最小。

5.2 地形地貌冲淤影响分析

根据模拟结果，工程建设前，水道内整体以微侵蚀为主，仅在纬一河东侧和经二河南侧发生微淤积，年淤积量2 cm 左右。方案1 和方案3 水道整体以微淤积为主，年淤积量1 cm 左右；方案2 和方案4 纬一河和经二河南侧以微淤积为主，年淤积量2 cm 左右，经一河和经二河北侧以微侵蚀为主，年侵蚀量为2～8 cm。各方案均对水道冲淤产生了一定影响，方案1 和方案3 影响较大，造成水道内大面积淤积；方案2 和方案4 影响较小，仅造成了纬一河的微淤积。

水动力的强弱直接影响河道内的冲淤变化。淤积会导致河道阻塞，污染物汇集，严重影响工程建设发展。强烈侵蚀会造成堤坝坍塌，影响人工岛的稳定。微弱侵蚀最有利于河道稳定和污染物扩散，有利于项目持续发展。本研究中各方案，河道均不会发生强烈侵蚀和淤积，方案2 和方案4 对沉积动力环境影响相对较小。

5.3 水交换影响分析

根据14 d 水交换率计算结果，工程建设对水道内水交换影响较为明显。工程建设前水交换率为100%，水交换好；方案1 水道内绝大部分区域水交换率小于60%，水交换较差；方案2 纬一河、经二河大部分区域水交换率小于60%，水交换整体较差；方案3 水道内大部分区域水交换率小于50%，水交换较差；方案4 纬一河西侧大部分区域水交换率大于50%，其余水道水交换率超过90%，水交换整体较好。

从水交换角度考虑，方案1、方案2 和方案3 水交换均较差，不利于区域污染物扩散。方案4 水交换较好，满足水道水体交换的需要，有利于海洋环境保护。

跨河道工程建设使裕龙岛内部水道潮流流速整体减小，部分区域减小量超过20 cm/s，减弱了水道内水动力环境。方案1 和方案3 对潮流流速影响明显，大部分区域流速小于5 cm/s；方案2 在纬一河和经二河对潮流流速影响较大；方案4 仅在纬一河西部对潮流流速影响较大，对整体潮流流速的影响相对较小，水道内水动力相对较强。

工程建设对水道内冲淤环境产生一定影响，改变了水道的微侵蚀环境。方案1 和方案3 造成水道大面积淤积，年淤积量1 cm 左右；方案2 和方案4 主要造成纬一河微淤积，最大年淤积量2 cm 左右，其他区域以微侵蚀为主。

工程建设造成水交换率下降，明显影响水道内水交换。方案1、方案2 和方案3 造成水道内大部分区域水交换率低于60%，水交换均较差；方案4 仅影响了纬一河西侧部分区域水交换率，其余水道水交换率超过90%，水交换整体较好（表2）。