圍填海工程對天津海域水動力環境影響的數值分析

劉仲軍，劉愛珍，于可忱

（1.天津港口集團有限公司，天津300456；2. 交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室,天津300456；3.河海大學 河口海岸與近海工程學院，南京210098）

近岸海域位于海洋與陸地最接近的區域，是海洋中各類資源最豐富的海域，同時也是人類優先開發的區域，港口建設、海洋開發和海洋運輸，尤其是圍填海工程，給近岸海域的水動力環境帶來了很大的影響。

天津近岸海域水動力狀況與岸線的變化是密切相關的，天津近岸海域的海岸線長度約153 km，海域面積3 000 km2。根據天津市濱海新區空間的發展特征，南港工業區是重要的產業功能區之一。近年來，天津近岸海域填海規模和總量增長較快，填海造陸對于土地、水文、生態及氣候等均產生多方面的環境效應［1-3］，圍填海造陸工程實施一方面可以增加土地面積，在一定程度上緩解建設用地緊張，滿足區域經濟發展用地的需求，另一方面圍填海工程的實施也會對周圍的泥沙環境、生態環境等產生眾多不利影響［4-7］，當海岸形狀、水域面積等條件發生變化時，必將導致周圍海洋動力條件的變化，從而對這些海區的物理自凈能力及水質產生一定影響。

南港工業區作為天津海域的新建港區，其填海方式采用貼岸多突堤式填海造陸方案［8］，工程的實施必將對本海域已建的天津港主航道、臨港工業區及大沽沙航道、臨港產業區及其航道等其他港區產生不同程度的影響，本文采用數值模擬的方法，研究圍填海工程導致的岸線變化對工程海域以及天津港附近水動力的影響規律，以及相應的影響范圍，為天津近岸海域海域使用與資源的可持續利用提供參考依據。

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

在本研究采用的數值模式中，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。在本研究中，初始潮位取計算開始時的平均潮位，初始流速取為0。開邊界條件即水域邊界條件，本研究中開邊界給定潮位，即：η=η（x，y，t）。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：Vn=0。

（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，分別在x方向和y 方向進行求解，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

潮流場的計算采用三層嵌套方式進行計算，3 個模型分別為渤海、渤海灣和天津港及附近區域，在潮流計算模型的開邊界采用潮位控制，其中渤海大區域的邊界水位由煙臺港和大連港2 個驗潮站的潮位資料插值得到。在渤海潮流計算后，渤海灣、天津港附近區域的潮流場計算中潮位邊界條件均由上一層模型的計算結果提供。天津海域的計算范圍北界曹妃甸，西南至歧河口，取為80 km×83 km 的南北向矩形區域，總面積約6 640 km2，計算網格尺度采用120 m×120 m 的固定網格，模型選取的時間步長為40 s。

圖1 天津海域模型計算范圍及驗證點位置Fig.1 Computed area and observed position of tidal current in Tianjin sea

2 計算結果

2.1 模型驗證

模型驗證資料采用2008 年7 月大、小潮的現場實測資料，對潮位、流速和流向進行了驗證。其中共有6個潮流站（圖1 中#1～#6）和一個潮位站（圖1 中SW）。驗證曲線見圖2。從驗證結果看，各測站計算值與實測值基本一致，潮位、流速和流向的變化過程也基本吻合，可見該模型所模擬的潮流運動基本能夠反映出天津海域的水流狀況。

2.2 計算結果

圖3 為天津海域漲落急時刻潮流場圖，該海域的潮流具有往復流性質。在外海水流基本呈向岸和離岸運動，在近岸由于受到港口建筑物的影響，水流呈現沿岸或沿建筑物邊緣流動的特點。圖4 為南港工業區建設后的潮流場圖，南港圍填海工程的建設不會使渤海灣的潮流性質發生變化。

3 影響分析

在工程海域附近，漲急時，北側流速增大，防波堤堤頭以西4.5 km 范圍內流速增幅超過0.1 m/s；港池及航道內流速基本表現為減小；造陸區東側流速減小，造陸區邊緣處流速減幅最大為0.4～0.5 m/s，減幅大于0.1 m/s 的范圍最大為造陸區以東7.5 km 范圍內，造陸區以東15 km 范圍內流速減幅超過10%，且渤海灣中部大范圍內流速均表現為減小；造陸區東南角外側流速增大，增幅大于0.1 m/s 的范圍基本處于半徑3 km 的半圓內。

圖2 代表測站實測與計算潮位、流速、流向比較Fig.2 Comparison between observed and computed data of water level，speed and direction

圖3 工程前流場Fig.3 Tidal current field before the project

工程建設后水流改變為沿建筑物邊緣流動的特點，造陸區東側水流分成兩股：一股向北側順時針偏轉后流入臨港產業區與南港工業區之間的水域內；一股向南側水流逆時針偏轉，繞過東南角后呈順時針偏轉的向岸流動。落急時流速、流向的變化趨勢與漲急時相同，變化幅度及范圍小于漲急時。對工程海域周邊的臨港產業區及其航道的影響表現為流速減小，減幅為0.1～0.2 m/s，產業區口門以東11 km 范圍內流速減幅達10%以上。工業區東側外海流速表現為減小，根部最大減幅達10%～20%，約為0.05 m/s，大沽沙航道流速減幅最大為0.01 m/s，約為南港填海造陸實施前的3%～4%。對于天津港主航道的影響表現為流速減小，減幅最大為0.01 m/s，約為南港填海造陸實施前的1%～2%。

圖4 工程后流場Fig.4 Tidal current field after the project

圖5 工程實施前后流速變化率等值線（單位：%）Fig.5 Variation curves for flow velocity change rate of Tianjin area

4 結論

本文建立了數值分析模型，研究了圍填海工程導致的岸線變化前后，天津近岸海域的水動力變化以及影響范圍，在此基礎上，分析了圍填海工程對天津港海域的影響程度，通過數值分析，主要得到以下結論：

（1）通過對南港填海造陸工程建設前后的潮流場對比分析，可以看出，工程建設后天津海域乃至渤海灣的潮流動力條件有所減弱，影響程度隨著距離的增大而減小，影響程度由大到小依次為：臨港產業區及航道、臨港工業區及大沽沙航道、天津港主航道、北塘港區。

（2）根據岸線變化對天津近岸海域的水動力影響分析表明，圍填海工程導致的岸線變化對天津近岸海域的水動力條件的變化，將會導致天津海域產生相應的沖淤變化，導致工程海域附近的泥沙、污染物的運移規律發生變化，可能增加港區與航道的維護性清淤工作以及污染物的累積，需要在工程建成后及時監測相應參數，并制定相應的防治措施與對策。

［1］朱高儒，許學工. 填海造陸的環境效應研究進展［J］.生態環境學報，2011，20（4）：761-766.ZHU G R，XU X G.Research review on environmental effects of land reclamation from sea［J］.Ecology and Environmental Sciences，2011，20（4）：761-766.

［2］劉育，龔鳳梅，夏北成.關注填海造陸的生態危害［J］.環境科學動態，2003（4）：25-27.

［3］聶源，羊天柱，許雪峰.基巖海岸圍填海工程后的流場變化［J］.海洋學研究，2009，27（4）：46-54.NIE Y，YANG T Z，XU X F. Preliminary study of the flow field variation resulted from reclamation project at bedrock coast［J］.Journal of Marine Sciences，2009，27（4）：46-54.

［4］孫連成.塘沽圍海造陸工程對周邊泥沙環境影響的研究［J］.水運工程，2003（3）：1-5.SUN L C.A Study on Influences of Reclamation in Tanggu on Peripheral Sediment Environment［J］.Port&Waterway Engineering，2003（3）：1-5.

［5］李欣.圍海造地工程對海洋生態環境的影響［J］.科教導刊，2010（21）：105-106.

［6］王志勇，趙慶良，鄧岳，等. 圍海造陸形成后對生態環境和漁業資源的影響——以天津臨港工業區灘涂開發一期工程為例［J］.城市環境與城市生態，2004，17（6）：37-39.WANG Z Y，ZHAO Q L，DENG Y，et al. Effect of Reclamation Project to Ecological Environment and Fishery Resource-Taking the Exploit Seabeach First Project of Tianjin Industrial Abuting on the Port［J］.Urban Environment&Urban Ecology，2004，17（6）：37-39.

［7］倪晉仁，秦華鵬.填海工程對潮間帶濕地生境損失的影響評估［J］.環境科學學報，2003，23（3）：345-349.NI J R，QIN H P.Assessment of reclamation impact on inter-tidal habitat loss［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2003，23（3）：345-349.

［8］趙英杰，劉憲斌，劉愛珍，等.天津南港工業區用海方式合理性探討［J］.中國水運，2011（5）：49-52.