海岸工程對渤海灣風暴潮高潮位影響分析

章衛勝，陳 晨，李 鑫，張金善

(1.南京水利科學研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210024;2.河海大學港口海岸及近海工程學院，江蘇南京 210098)

海岸工程對渤海灣風暴潮高潮位影響分析

章衛勝1，陳 晨2，李 鑫2，張金善1

(1.南京水利科學研究院河流海岸研究所港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210024;2.河海大學港口海岸及近海工程學院，江蘇南京 210098)

渤海灣是全世界受風暴潮災害最嚴重的地區之一。近年來渤海灣建設了大量的大型海岸工程，為研究其建設以后風暴潮可能發生的變化，采用大-中-小區域多重嵌套方法，建立渤海風暴潮二維數值模型。以對渤海海域影響最顯著的9216、9711臺風和2003年10月三次風暴潮為例，對渤海灣大型工程實施前、后的風暴潮過程進行模擬，分析工程實施后風暴潮高潮水位變化，為工程實施可能對風暴潮防護帶來的影響提供基礎。計算表明，由于沿岸圍墾減小海域的納潮受水面積，海水被擠壓抬升，渤海灣海域工程后風暴潮高潮位普遍抬升。在特大風暴潮作用下，水位最大升高可達0.10 m以上，在堤防設計中需引起重視。

風暴潮;渤海灣;臺風;寒潮;海岸工程

渤海灣位于渤海西部。海底地形大致自岸向海傾斜，平均水深12.5 m左右;沉積物主要為細顆粒的粉砂與淤泥。面積1.59萬km2，約占渤海1/5。據資料統計，渤海灣是全球風暴潮災害最嚴重的地區之一［1］，風暴潮一年四季均有發生。由于半封閉海域范圍有限、水深較淺，風暴潮增減水影響十分明顯，歷史上渤海灣曾多次發生強風暴潮災害，給社會經濟和人民生命財產帶來巨大損失［2］。

從風暴潮產生的天氣原因一般可分為熱帶氣旋引起的臺風暴潮和由溫帶天氣過程所引起的溫帶風暴潮［3］。渤海灣是我國少數同時受多種風暴潮影響的海區之一。受熱帶風暴北上影響在渤海灣產生的風暴潮，一般出現在7～9月份。在春、秋季節，我國渤海和黃海北部是冷暖空氣頻繁交匯的地方，冬季又頻繁受冷空氣和寒潮大風襲擊，易形成溫帶風暴潮或風潮(因寒潮或冷空氣不具有低壓中心，這類風暴潮又稱為風潮［3］)。據統計［1］，49 年(1950 ～1998)中，天津塘沽站共出現50 cm 以上的風暴增水3 833 d，平均每年78.2 d;這期間共出現1 m以上的溫帶風暴增水459 d，平均每年9.3 d。

從產生風暴潮的水域特征分類來看，渤海灣風暴潮為半封閉海灣中的風暴潮。其主要特征是大氣擾動的水平尺度大于海域的水平尺度。區別于廣闊大洋或大陸架上的風暴潮，半封閉海域中水體或多或少是以整體對大氣撓動力進行反應［3］，同時風暴潮過程將受到岸邊界的作用。事實上，很早研究者就關注海岸形態對近岸風暴潮的影響。Proudman［4］曾對狹長非均勻斷面中的線性風暴潮傳播進行理論分析，認為斷面的縮窄將使得風暴潮高水位抬升、低水位降低。在理論上對邊界和地形對風暴潮的影響進行了分析。Keulegan［5］曾通過考慮“形狀因子”考慮海域形狀對于迎風岸上風暴潮位的影響，并討論極端的三角形收縮海域和擴散海域風暴潮值的差異。這些研究給出了岸邊界對風暴潮的定性影響，所不足的是，他們的研究都基于線性理論，而非線性效應在近岸風暴潮傳播過程中是不可忽視的。由于非線性效應給理論分析帶來很大困難，后來研究者多采用數值模擬的方法對海岸風暴潮進行研究［6-11］，但研究主要關注對風暴潮過程模擬，沒有涉及到岸線改變對風暴潮的影響;同時他們的模擬大多基于矩形或正交曲線網格，對岸線的擬合存在較大的誤差。

圖1 渤海灣海岸工程示意Fig.1 Schematic diagram of coastal engineering in Bohai Bay

近年來渤海西部經濟發展較快，特別是天津和河北地區，相繼有濱海新區和曹妃甸港區建設，對沿海地區的土地開發日益加強，海岸地區的圍海工程建設規模不斷擴大，使得海岸岸線不斷改變。渤海灣沿海在最近幾年進行了大規模的海岸工程建設如曹妃甸基地、天津港擴建、南港、天津濱海旅游區等(圖1)。海岸工程的建設會引起海岸動力、生態、泥沙運動等近岸環境的變化，已經引起科研人員和政府部門的重視［12-14］，然而海岸工程建設對于風暴潮防護的影響，國內外鮮有研究，而海岸工程通過改變海域形態、動力環境對風暴潮將造成一定的影響是顯而易見的。采用大-中-小模型相結合方法，利用大模型提供邊界條件、局部模型利用相對精細的三角形網格對海岸和工程進行高精度的模擬，對渤海灣歷史上的三次典型風暴潮過程進行模擬，并與渤海灣海岸工程實施以后相同風暴潮模擬結果進行比較，研究海岸工程建設改變岸線形態以后風暴潮增減水和風暴潮位的變化。

1 風暴潮模型的建立

風暴潮模型采用大、中、小三層嵌套模型方法。其中大模型范圍包括東中國海和南中國海(圖2)，模型采用球面坐標系下方程，網格尺度為2'×2';離散方法采用DSI法［15］，模型邊界采用8個主要調和常數(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)預報潮位。計算時考慮風場和氣壓場作用。中模型范圍渤海、北黃海，采用貼體正交網格，網格尺寸在300～1 000 m之間，采用ADI方法計算［16］。中模型利用大模型提供邊界條件，計算域考慮風場和氣壓場作用。小模型計算范圍為渤海，采用非結構三角形網格，網格尺度在30～1 000 m之間(圖3);利用中模型提供潮位邊界條件，同時考慮風場、氣壓場作用，離散方法采用通量差分裂格式(FDS)-Roe黎曼近似解［17］。

下面給出小模型直角坐標系下二維潮流運動控制方程。

連續性方程:

運動方程:

式中:ζ為潮位，即以參考基面為準的水面位置;H為總水深，H=ζ+h，h為海底到參考基面的距離;HU≈

分別為 x、y 方向垂線平均流速，u，v為分層流速;pa為大氣壓強;τsx，τsy為海面風應

力分量;f為柯氏力參數;ρ為海水密度;g為重力加速度;τsx，τsy表面風應力分量。

其中，ρa為空氣密度為海面上10 m處的風速大小，wx，wy為x、y方向的分量，CD為風拖曳力系數，取以下形式［18］:

τbx，τby為底摩擦應力分量，底摩擦應力采用如下形式:

其中，n 為曼寧系數;εx，εy為 x、y 方向紊動粘性系數，按 Smagorinsky 公式［19］計算。

圖2 渤海風暴潮數學模型范圍Fig.2 Models of the Bohai Sea storm surge

圖3 渤海灣工程局部網格布置Fig.3 Local grid layout near the Bohai Bay project

模型中氣壓場和風場模型，由大氣模型MM5經過實測資料驗證計算得到(圖4)。MM5是美國賓夕法尼亞州立大學/國家大氣研究中心(PSU/NCAR)從20世紀80年代以來共同開發的第5代區域中尺度數值模式，該模式是具有數值天氣預報業務系統功能和天氣過程機理研究功能的綜合系統［20］。

2 風暴潮過程模擬

根據渤海風暴潮資料統計，對1980年以后對渤海灣影響典型的三次風暴潮:9216、9711臺風風暴潮和2003年10月溫帶風暴潮(表1)進行模擬。圖5為9216和9711臺風路徑示意圖;圖6為2003年10月寒潮大風風暴潮最大增水時刻風場圖。

圖7(a)、(b)和(c)分別為模型計算9216、9711臺風和2003年10月寒潮大風期間渤海灣測站的風暴潮潮位和風暴潮增減水驗證。從驗證結果來看，模型計算的最大增水分別為1.58 m、2.06 m、2.04 m，與實測值相比誤差分別為0.04 m、0.10 m、0.06 m;模擬的增減水發生的時刻也對應較好;表明風暴潮模型在對現場風暴潮過程的模擬具有較高的精度。

圖4 模擬風速和氣壓與實測資料對比Fig.4 Comparison of simulated wind speed and air pressure with the measured data

表1 塘沽站三次典型的風暴潮特征Tab.1 Characteristics in three typical storm surges of Tanggu station

圖5 9216和9711臺風路徑Fig.5 Typhoon tracks of 9216 and 9711 tropical cyclone

圖6 2003年10月風暴潮最大增水時刻風場Fig.6 Wind field in time of the largest storm surge in Oct.2003

圖7 計算風暴潮過程與實測過程對比Fig.7 Calculated and measured values of storm surge

3 渤海灣圍墾規劃工程實施以后風暴潮的變化

為了比較渤海灣規劃工程實施以后對風暴潮潮位造成的影響，以擬建工程包括周邊規劃的工程建設實施以后的岸線邊界建立起數值模型，將經驗證后的模型邊界和臺風場、氣壓場對模型進行驅動計算，模擬岸邊變化以后的風暴潮過程。

圖8為渤海灣工程實施后和原岸線情況下9216、9711以及2003年10月風暴潮期間最高潮位值的比較。可以看出，擬建的泰達工程及周邊規劃工程建設以后，海域在同樣風暴潮作用下的最高潮位有明顯增加趨勢，其中9216臺風風暴潮最高潮位增幅一般在0.05～0.09 m左右，局部達0.12 m，主要在渤海灣南岸;9711臺風期間最高潮位的變化相類似，2003年10月寒潮風暴潮最高潮位的變化略小，一般在0.04～0.08 m左右。表2為模型中取點工程前后風暴潮高潮位比較(點位見圖1)。由表2可知:

1)9216臺風作用下，規劃工程實施以后天津港北邊的北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口工程后最高潮位增加0.05～0.06 m，天津港內最高潮位增加0.04 m左右。海河口增加0.01～0.04 m;臨港工業區港池、獨立減河口、南港內增加0.01～0.02 m。黃驊港增加0.04～0.11 m，幅度較大。

2)9711臺風作用下，北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口、天津港內最高潮位增加0.04～0.05 m;海河口增加0.04 ～0.08 m，臨港工業港增加0.06 ～0.0.7 m，獨立減河和南港增加0.07 ～0.08 m 左右。黃驊港內最高潮位增加0.01 ～0.09 m。

3)2003年10寒潮大風作用下，北疆電廠港池內水位抬升0.07～0.09 m，漢沽漁港內抬升0.06 m左右;永定河口最高潮位抬升0.01～0.03 m，天津港抬升0.05 m左右，海河口抬升0.00～0.02 m。臨港工業港區、獨立減河口、南港最高潮位變化－0.03～0.02m之間。黃驊港內最高潮位變化在0.05～0.07 m左右。

可以看出，渤海灣海域工程后高潮位普遍有所抬升。雖然風暴潮潮位與臺風路徑或寒潮路徑關系十分密切，但由于工程建設使得海域面積縮小，海水被擠壓抬升，局部影響在0.10 m以上。《海堤工程設計規范》中對規定對風暴潮影響嚴重的區域應對設計潮位進行分析研究。由于海岸工程多為近年或未來建設，沒有足夠實測潮位資料反映，這是海堤設計時需要注意的地方。

圖8 工程前后風暴潮最高潮位比較(實線表示規劃工程后，虛線表示工程前;單位:m，85國家高程基面)Fig.8 The highest water level with and without planned projects in Bohai Bay(solid line for planned project;dotted line for current;in m，National Height Datum 1985)

表2 工程前后風暴潮最高水位變化(85國家高程基面)Tab.2 Variations of the highest water level of storm surges with and without planned projects(the base surface elevation 1985)

4 結語

大型海岸工程的建設是我國近年海岸工程建設的特點，針對影響渤海海域顯著的9216、9711和2003年10月三次風暴潮，建立渤海風暴潮模型對渤海灣規劃工程實施前、后的風暴潮過程進行模擬，重點分析工程實施后三次風暴潮可能造成渤海灣高潮水位變化，研究探討工程建設可能對防災減災和海堤堤防帶來的影響。

研究顯示由于沿岸圍墾減小海域的納潮受水面積，海水被擠壓抬升，渤海灣海域近岸工程后風暴潮高潮位普遍抬升。在幾次特大風暴潮大風作用下，規劃工程實施以后天津港北部的北疆電廠港池、漢沽漁港、永定河口工程后最高潮位增加0.01～0.09 m，天津港內增加0.04～0.05 m;海河口最高潮位最大增幅0.08 m左右;臨港工業區港池、獨立減河口、南港內增加0.01～0.08 m，黃驊港增加0.04～0.11 m左右。

研究分析認為，海岸工程建設改變了岸線形態，對海岸高水位影響明顯，在海岸工程建設和堤防設計時必須考慮水位抬升對海堤堤防防護的不利影響。

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The impact of coastal engineering on high water level of storm surges in Bohai Bay

ZHANG Wei-sheng1，CHEN Chen2，LI Xin2，ZHANG Jin-shan1
(1.Key Laboratory of Port，Waterway and Sedimentation Engineering，Ministry of Communications，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China;2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The analyses and investigations indicate that the storm surge disaster in Bohai Bay is one of the most severe ones in the world.To study changes of storm surge after construction of large-scale coastal engineering in Bohai Bay at present，a 2D numerical storm surge model is established with large-medium-small model nested approach.The three most typical storms surges:9216，9711 and by cold wave in October 2003 are simulated in the condition with and without implementation of planned projects in Bohai Bay.Changes of storm surge water level due to implementation of artificial projects are analyzed in this paper.The results show that because of water storage reducing，high level of storm surge is uplift after reclamation.The increase of maximum water level is about 0.10 m under larger storm surge，which needs to be taken into consideration in dike design.

storm surge;Bohai Bay;typhoon;cold wave;coastal engineering

TV148

A

1005-9865(2012)02-0072-07

2011-04-25

水利部公益性行業科研專項經費資助項目(2009010601，200801001);交通運輸部西部科技項目經費資助(200632800003-03)

章衛勝(1979－)，男，安徽青陽人，工程師，主要從事海岸水動力研究。E-mail:weisheng_zhang@163.com

張金善