規劃工程建設對渤海灣水交換能力的影響

張 云

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

渤海是我國唯一的內海，近年來隨著人類活動的加劇，渤海有一半的海域都受到嚴重污染，其作為天然漁場的功能已經基本喪失［1］。嚴重污染海域主要分布在人口密度大、工業區集中的大中城市沿海地區。渤海灣是一個典型的半封閉型海灣，臨近京津等工業城市，陸源排污量大，海洋污染嚴重，隨著“環渤海經濟圈”戰略計劃的推進，越來越多的人類活動參與到海洋中來，影響海域的海洋動力條件，進而影響到海灣的水交換能力。許多學者對渤海灣的水交換能力進行了研究［2-3］，但近年來多項已建、在建及將建工程使得該海域的潮流性質發生變化［4］。

渤海灣內主要有3個港區：天津港、黃驊港和唐山港。于2004年提出修編的《天津市濱海新區總體規劃（2005～2020）》進一步加大了造陸面積，其中天津港南北疆港區之間的水域保持不變，北疆港區在現狀基礎上向北發展，東疆由填海造陸形成大型人工島，面積約33.5 km2，南疆港區為狹長型人工島，陸域面積為14.7～20 km2，臨港工業區遠期向南向東擴展至79 km2。黃驊港計劃2009～2011年建設綜合港區起步工程，包括碼頭、港池、內航道及后方陸域；2011年后根據需要，陸續建設綜合港區的其他泊位。綜合港區用海面積39.43 km2，其中陸域用海面積21.02 km2，港池、航道等水域用海面積18.41 km2。規劃唐山港將形成以曹妃甸港區和京唐港區為支柱的總體發展格局。京唐港區岸線范圍從湖林口至湖林新口，岸線長約11 km；曹妃甸港區岸線范圍從青龍河口至雙龍河嘴東口，岸線長21.5 km。

本文分別對該海域原岸線與遠期規劃（2020年）的海洋動力條件進行模擬分析，并在此基礎上預測分析了渤海灣水交換能力及規劃工程建設后渤海灣水交換能力的變化，對渤海灣沿海污染物排放的控制和優化決策提供科學依據和技術支持。

1 數學模型的建立

1.1 模型控制方程

式中：h為水位，m；H為水深，m；u、v分別為x、y（即東、北）方向的流速分量，m/s；f為柯氏力系數，s-1（f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為計算區域平均緯度）；C為謝才系數，m1/2/s，C=H1/6/n，n為曼寧系數；t為時間，s；g為重力加速度，m/s2。

式（1）～式（3）構成了求解潮流場的基本控制方程。為了求解這樣一個初邊值問題，必須給定適當的初始條件和邊界條件。

1.2 初邊值條件

在本文采用的數值模式中，需給定水動力與水質模型的邊界條件。

（1）水動力初邊值條件。初始潮位取計算開始時的平均潮位，初始流速取0。開邊界條件即水域邊界條件，開邊界給定潮位，即

所謂閉邊界條件即水陸交界條件。在該邊界上，水質點的法向流速為0，即

（2）水質模型初邊值條件。岸界和垂直邊界采用無通量條件。開邊界選為：出流，輻射條件；入流，無梯度條件。初始濃度根據渤海灣內部劣于外部的實際情況，采用渤海灣內為1單位，渤海其余部分為0.5單位的分布。

1.3 數值求解

本文采用等間距網格的差分方法求解，利用ADI（Alternating Direction Implicit）法，在矩形域中，分別于x方向和y方向求解，使問題轉化為求解2個三對角矩陣，具體的離散方程不再敘述。

1.4 計算域、網格設置

渤海潮流場的計算范圍包括了整個渤海（圖1）。模型的開邊界定在遠離研究區域的122°經線上，邊界水位由南北2個驗潮站（大連和煙臺）的調和常數（M2、S2、K1、O1）計算后插值得到，計算網格取 1 000 m×1 000 m，總計算網格數為 390×480，面積約187 200 km2，模型選取時間步長為180 s。

2 計算結果

2.1 模型驗證

渤海潮流計算結果與渤海沿岸10個驗潮站位的分潮振幅與遲角進行了比較，計算值與實測結果均基本吻合（表1）?？梢娫撃Ｐ退M的潮流運動基本能夠反映渤海海域的水流狀況，可作為進一步分析計算的基礎資料。此模型在蓬萊港、天津港、營口港等海區的潮流計算中也得到了較好的驗證［5-7］。圖2、圖3分別為渤海漲落急時刻潮流場圖，漲潮中間時海水由渤海中部海域流入計算域，計算域中部潮流流速大于岸邊附近的流速。而落潮中間時海水由渤海灣內向東流出計算域，進入渤海中部海域，其趨勢與漲潮流對應時刻相同，但方向相反。

調和分析后得到的渤海各分潮的等振幅與同潮時線圖亦與DOU、XIE［8-10］等人的計算結果相一致。

表1 渤海潮汐觀測站各分潮調和常數與計算結果比較Tab.1 Simulated and observed tide harmonic constant

2.2 交換能力分析

在以上初邊值設置情況下，通過對渤海海域全年流場、濃度場的數值模擬，可以得到1 a內污染物的運動狀況。圖4為渤海灣規劃工程前的年交換率等值線圖，由圖4可以看出，渤海灣西南部地區的水交換能力最差。圖5為渤海灣規劃工程實施后的年交換率等值線圖。圖6給出了規劃工程實施前后的年交換率變化等值線圖。可以看出，工程實施后渤海灣內的交換率分布發生了明顯變化，渤海灣灣口至灣頂的中部區域交換率表現為增大，增幅為1%的范圍由灣口的15 km寬度增大為天津港主航道口門外邊緣的45 km寬度，最大增幅達50%以上；曹妃甸與黃驊港附近的局部區域交換率也有所增大，但影響范圍不大。渤海灣西北部海域交換率減小，減幅為10%～20%，天津市的排污口多分布在此區域內，這不利于排污口污染物的輸移擴散。

3 結論

本文所建立的數學模型經驗證可以較好地模擬渤海的潮流場。通過對渤海灣內規劃工程建設前后的交換率進行計算分析，可以看出，渤海灣內規劃工程的建設使得渤海灣灣口至灣頂的中部區域交換率增大，其余大部分區域交換能力減小，將不利于排污口排放的污染物向外遷移擴散。

［1］王書明，周艷，李巖.渤海污染及其治理研究回顧［J］.中國海洋大學學報，2009（4）：27-31.

［2］何磊.海灣水交換數值模擬方法研究［D］.天津：天津大學，2004.

［3］魏皓，田恬，周鋒，等.海灣水交換的數值研究——水質模型對半交換時間的模擬［J］.青島海洋大學學報，2002，32（4）：519-525.WEI H，TIAN T，ZHOU F，et al.Numerical Study on the Water Exchange of the Bohai Sea：Simulation of the Half-Life Time by Dispersion Model［J］.Journal of Ocean University of Qingdao，2002，32（4）：519-525.

［4］劉愛珍.天津港規劃工程對渤海灣 M2 分潮的影響［J］.水道港口，2008（S1）：55-59.

［5］周斌，王連湘，劉愛珍，等.蓬萊港通用碼頭環境影響報告書［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2006.

［6］李欣，劉愛珍.遼寧龍德船業海洋環境影響報告書［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2006.

［7］張光玉，李亞娟，劉愛珍，等.天津港總體規劃環境影響報告書［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2006.

［8］竇振興，羅遠詮，黃克辛.渤海潮流與潮余流的計算［J］.海洋學報，1981，3（3）：355-369.DOU Z X，LUO Y Q，HUANG K X.Numerical Computation of Tidal Current and Tide-Induced Residual Circulation of the Bohai［J］.Sea Acta Oceanologica Sinica，1981，3（3）：355-369.

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［10］Xie Liusen，William W H，James A H.A Tidal Model of Bohai［J］.Continental Shelf Research，1990，10（8）：707-712.