欽州保稅港區(qū)填海造地工程對海洋環(huán)境的影響

孫永根, 高俊國, 朱曉明

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島, 266061; 2. 青島市工程地震研究所, 山東 青島, 266003)

欽州灣位于北部灣中部, 由內(nèi)灣(茅尾海)和外灣(欽州灣)及連接兩灣的潮汐通道構(gòu)成, 茅尾海有茅嶺江和欽江注入, 是一個半封閉型天然河口海灣[1]。欽州保稅港區(qū)項目位于欽州灣東岸, 該工程需進行 10 km2的大面積填海造地, 是國務(wù)院正式批準實施的廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)發(fā)展規(guī)劃內(nèi)容之一。由于保稅港區(qū)項目填海面積較大, 工程的實施會對欽州灣的海洋環(huán)境帶來一定影響。本文利用數(shù)值模擬對工程前后潮流動力場變化進行分析計算, 然后根據(jù)預(yù)測潮流場結(jié)果對東槽航道泥沙輸移造成的沖淤變化及欽州灣的納潮量變化進行分析, 從三個方面的變化來反映大規(guī)模填海過程對欽州灣海洋環(huán)境造成的影響。計算選取的代表點、斷面位置及工程地理位置如圖1所示。

1 潮流場影響分析

利用數(shù)值模擬的方法可以很好地預(yù)測海岸工程建設(shè)造成的海洋環(huán)境影響。本文采用河口陸架海洋模式 ECOMSED建立欽州灣附近海區(qū)潮流三維模式[2-3],根據(jù)海圖及實測水深資料輸入地形和岸界條件, 利用潮汐調(diào)和常數(shù)給出模擬過程所需潮汐水位, 作為模型的開邊界條件, 模擬本海區(qū)的潮流特征。

1.1 研究海域潮流場特征

欽州灣海域內(nèi)外灣之間的潮汐水道水深最大,口外東側(cè)、中部和西側(cè)三條深槽水深次之, 深槽之間分布淺灘, 潮流場受這種地形分布格局影響明顯。漲潮過程期間, 潮流由外海進入欽州灣, 灣體西南側(cè)近岸首先感潮, 潮水漲至東側(cè)深槽位置后, 漲潮流先由NE轉(zhuǎn)為NW向, 進入潮汐水道之后流向又轉(zhuǎn)為N向; 落潮過程與之相反, 這種變化顯然與地形有著密切聯(lián)系。

圖1 位置示意圖Fig. 1 Map of location

根據(jù)模擬潮流場結(jié)果, 研究區(qū)潮流場轉(zhuǎn)流時刻發(fā)生在高、低潮時, 該時刻流速最小, 而漲落潮的中間時刻流速較大, 潮流帶有明顯的往復(fù)流形式。落潮過程流速明顯大于漲潮流速, 流速最大位置出現(xiàn)在內(nèi)外灣之間的潮汐水道, 大潮落潮期間最大值可達1.2 m/s, 漲潮期間最大值僅0.83 m/s; 外灣三條深槽流速以東槽居首, 西槽次之, 中部深槽流速居末, 灣頂位置及岸邊潮灘流速最小。

1.2 填海工程對潮流場影響

1.2.1 填海工程后潮流場

填海工程建成后, 灣體局部岸線發(fā)生改變, 根據(jù)預(yù)測結(jié)果, 工程后各典型時刻流場形態(tài)沒有發(fā)生較大變化, 距離工程區(qū)較近的海域, 由于岸線形狀改變, 流速和流向有不同程度的變化。相比工程前流場, 整個灣體流速普遍減小, 局部區(qū)域流速略有增加。為便于分析工程前后潮流場變化, 文章將對應(yīng)的漲急與落急時刻的流場進行了疊加(圖 2),這樣可以更直觀地反應(yīng)研究區(qū)各部位流場的變化情況。

從提取的數(shù)據(jù)分析來看, 欽州灣流速整體減小0～0.05 m/s, 這是工程填海造成灣內(nèi)納潮量下降,流速普遍下降的結(jié)果。工程區(qū)西側(cè)和東側(cè)流速增加0～0.2 m/s, 由工程區(qū)邊界向外增加幅度逐漸減小;工程區(qū)南側(cè)由于處于流場轉(zhuǎn)向位置, 受工程區(qū)影響較大, 流速減少0～0.25 m/s左右。

圖2 工程前后漲、落急流場變化分布Fig. 2 Flow field changes of flood and ebb tide before and after reclamation engineering

工程區(qū)主導(dǎo)流向受深槽地形控制, 西側(cè)流向變化幅度較小, 東側(cè)和南側(cè)變化幅度較大。分析原因不難發(fā)現(xiàn): 西側(cè)新增岸線與原有潮流流向近于平行,因此工程建設(shè)對流向影響較小, 而東側(cè)和南側(cè)新增岸線阻擋了原有潮流的通道, 導(dǎo)致工程后流向產(chǎn)生較大的變化, 但影響范圍僅局限于工程區(qū)附近, 其他區(qū)域流向變化很小或沒有變化。

1.2.2 工程建設(shè)前后流速、流向變化

為定量分析填海工程區(qū)周邊區(qū)域流速、流向變化情況, 本文提取了9個代表點, 進行流速流向數(shù)據(jù)對比分析。提取代表點由近到遠距離工程區(qū)分別為500、1 000和1 500 m, 如圖3所示。西側(cè)的1#、2#和 3#代表點流速在工程建成后增大, 流速增加量為7.74～19.5 cm/s, 且落潮過程增加量大于漲潮, 由近至遠增大幅度變小, 流向變化為 2.57°～5.49°; 南側(cè)4#、5#和 6#代表點流速在工程建成后普遍減小, 流速減少量為 12.86～38.84 cm/s, 且落潮過程減少量大于漲潮, 由近至遠減小幅度變小, 流向變化為8.88°～51.01°; 東側(cè) 7#、8#和 9#代表點流速增加量為 4.72～10.78 cm/s, 落潮過程增加量小于漲潮, 由近至遠增加幅度逐漸變小, 新增岸線形狀的影響導(dǎo)致其流向變化幅度較大, 為12.8°～80.8°。

圖3 流速、流向變化對比點位置Fig. 3 Contrast points of current velocity and direction change

2 沖淤環(huán)境影響

欽州保稅港區(qū)填海工程改變了現(xiàn)有自然岸線形狀, 造成潮流場改變, 導(dǎo)致周邊沖淤環(huán)境發(fā)生變化,本文對工程區(qū)西側(cè)的深槽航道進行了分析。

2.1 歷年來東槽航道沖淤變化

為分析填海工程區(qū)西側(cè)航道沖淤現(xiàn)狀, 本文搜集了 1994年和 2004年兩個時期的水深資料。首先通過水深編程提取、基準面統(tǒng)一(85國家高程)將水深數(shù)據(jù)進行處理, 然后在緊鄰東槽航道的位置選取了斷面A-B(圖1), 在斷面上每隔500 m讀取一個水深數(shù)值, 分析讀取的水深值在1994年至2004年的變化, 以此來反映該斷面 10年間的沖淤情況, 作為研究區(qū)域的一個沖淤現(xiàn)狀。

數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到如圖4所示的結(jié)果, A-B斷面長5 km, 北側(cè)靠近金鼓江口部位, 2004年水深值相比 1994年減小了 1.23～2.78 m, 以淤積為主, 淤積量平均每年 0.183 m; 南側(cè) 2004年水深值相比1994年增加了1.62～2.02 m, 以侵蝕為主, 侵蝕量平均每年0.182 m; 中部區(qū)域基本保持平衡, 兩個時期的水深變化不大。

2.2 工程建設(shè)對泥沙輸移造成的影響

欽州灣面積寬廣, 受地貌和水動力條件影響,表層沉積物類型分布復(fù)雜[4], 填海工程附近普遍分布著中砂(MS)、細砂(FS)、粉砂(TS)等物質(zhì), 中值粒徑為0.5～0.063 mm, 因此除分析細顆粒的懸浮泥沙影響之外, 也要考慮中粗粒推移質(zhì)泥沙的影響。

2.2.1 懸浮泥沙影響分析

工程建設(shè)對懸浮泥沙的影響體現(xiàn)在兩個方面:泥沙輸運的路徑是否改變、影響泥沙起動或沉降的動力條件增強還是減弱。

圖4 東槽航道斷面歷年水深變化Fig. 4 Historical depth change of east channel section

梁文通過遙感技術(shù)研究欽州灣潮流場和懸沙輸移關(guān)系[5]認為: 由于外灣的落潮強流區(qū)在西側(cè)及西南側(cè), 因此懸沙的主要輸移區(qū)在西側(cè), 包括主槽道及其兩側(cè)的淺灘區(qū), 而在外灣的東側(cè)弱流區(qū), 從峽口下泄的泥沙較少排入該區(qū)。陳波[6]通過對欽州灣余流特征的研究也得出同樣的認識: 西槽是主要“排水”通道, 從灣內(nèi)來的泥沙, 主要從這里通過。這一點在本項目懸浮泥沙現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果中得到證實, 根據(jù)欽州灣大潮期全潮單寬輸沙結(jié)果(圖5), T1～T6各個站位的輸沙量分別為 1857.4、1341.3、109.6、1566.2、2101.2、1303.9 kg/(m·d), 東槽區(qū)域 T2、T3和T6站位懸浮泥沙濃度明顯低于其他三個站位,本工程位于非主要輸沙路徑區(qū)域, 從圖 5的輸沙方向可以看出, 工程區(qū)邊界與相鄰的T2站位輸沙方向平行, 填海形成的陸域沒有阻擋輸沙的運移路徑。

圖5 懸浮泥沙輸沙計算Fig. 5 Calculation of suspended sediment discharge

填海工程新增岸線與東側(cè)深槽相鄰, 走向與落潮流方向一致, 工程沒有改變懸沙輸移路徑, 且填海工程建成后鄰近深槽流速普遍增加, 使得懸沙的輸送能力加強, 該區(qū)泥沙輸沙方向及泥沙分配比例都未有改變, 因此工程建設(shè)對懸浮泥沙不會有明顯影響。

2.2.2 波流共同作用下的推移質(zhì)輸沙率變化

波流共同作用下航道淤積采用 Bijker公式[7]計算, 該公式參數(shù)易獲得, 精度也能滿足要求, 為一般沙質(zhì)海岸航道回淤計算經(jīng)常采用的方法, 公式如下:

式中:

qb為推移質(zhì)單寬輸沙率, 單位: m3/(m·s)

τwc為波流共同作用下的平均剪應(yīng)力;

為水流中床面剪切應(yīng)力;

Vc為沿水深平均的水流流速;fw為波浪摩阻力系數(shù);

Bijker公式計算航道淤積需要考慮海底的水深地形變化、波浪要素、海底沉積物類型、中值粒經(jīng)等因素, 工程建設(shè)前后航道內(nèi)流速采用流場數(shù)值模擬結(jié)果。計算將每年劃分為 12 個月進行疊代計算,計算時段的水深由前一時段的航道水深減去前一段的淤積強度得出。

在工程建設(shè)區(qū)緊鄰深槽航道位置選取 6個代表點(圖 1), 順漲落潮流主導(dǎo)方向布置, 其中 1#～3#代表點位于深槽航道之中, 4#～6#代表點位于深槽與老人沙脊過渡區(qū)域。

根據(jù)計算結(jié)果(表1), 工程前深槽航道內(nèi)1#點至2#點之間部位淤積速率為0.003 m/a, 2#點至3#點之間部位淤積速率為 0.03 m/a, 整體處于平衡或輕微淤積狀態(tài); 深槽的邊坡位置, 3#點至 4#點之間侵蝕速率為0.055 m/a, 4#點至5#點之間部位侵蝕速率為0.043 m/a, 整體為輕微侵蝕狀態(tài)。工程建成后, 所選取的6個點的漲、落潮流速及輸沙率都有所增加, 深槽部位由淤積變?yōu)檩p微侵蝕, 其中 1#點至2#點之間部位侵蝕速率為0.026 m/a, 2#點至3#點之間部位侵蝕速率為0.002 m/a; 深槽邊坡4#點至5#點之間侵蝕速率減小, 變?yōu)?.027 m/a, 5#點至6#點之間部位變?yōu)橛俜e, 速率為0.056 m/a。

表1 工程前后輸沙率計算結(jié)果Tab. 1 Sediment discharge rate before and after project

2.3 工程建成后東槽航道穩(wěn)定性分析

研究區(qū)泥沙主要來自內(nèi)灣茅尾海, 以徑流輸沙為主, 泥沙來源數(shù)量有限。內(nèi)灣數(shù)條河流都屬于弱輸沙性質(zhì), 沙量主要沉積于河口與內(nèi)灣交匯區(qū)域, 較細部分泥沙向海區(qū)擴散, 但亦多沉積在龍門以北。從茅尾海至青菜頭一帶, 含沙量急劇減少, 再往南含沙量不再衰減, 維持穩(wěn)定的低含沙量[8], 帶入外海的細粒泥沙由于深槽流速較大, 不易在此落淤。工程的建設(shè), 沒有改變漲落潮流方向, 而且深槽流速普遍增加, 這對于深槽的維護是以及航道的穩(wěn)定是有利的。

廣西近海表層存在較強的西偏南向沿岸流[9],根據(jù)白龍尾站波浪資料, 風浪頻率以NNE和NE向最大, SE～SSW向為次, 平均波高0.52 m, 平均周期3.1 s, 波浪動力較弱, 加上周邊岸線曲折、眾多港汊分支、沿岸河流徑流輸沙量小, 可以認為波浪作用下的沿岸輸沙不會對欽州灣東槽航道造成影響。

東槽航道附近由于流速較大, 歷史上沖刷形成的灘槽地貌體基本保持穩(wěn)定[10], 細顆粒物質(zhì)不易沉降。許家?guī)沎11]對欽州港航道回淤計算的結(jié)果認為:本工程區(qū)西側(cè)段航道懸移質(zhì)正常年份淤積量在0.13～0.22 m/a, 推移質(zhì)淤積量在 0.05～0.07 m/a。本文對推移質(zhì)輸沙量計算的結(jié)果與其基本一致, 工程后流速增大導(dǎo)致局部岸段發(fā)生輕微侵蝕, 這對于深槽的穩(wěn)定性也是有利的。

3 納潮量變化

3.1 填海工程造成的納潮量變化

根據(jù)潮流場流速變化分析可知, 填海工程造成整個灣體流速普遍減小, 在外灣選取一條斷面Ⅰ(圖1), 工程建成后斷面流速減小, 會導(dǎo)致單位時間進入該斷面的水量隨之減少, 以一個潮周期為計算時間段, 對不同時刻斷面進水量的變化進行積分, 便可以求出總的水量的變化, 即納潮量的變化, 本文以此為出發(fā)點對保稅港區(qū)建設(shè)造成的納潮量變化進行計算。

(1)在最外側(cè)斷面Ⅰ, 根據(jù)斷面上水深的變化(圖6), 將此斷面分成數(shù)段m, 求出每一段的長度Li和深度hi(平均海面起算);

(2)根據(jù)潮流數(shù)值模擬結(jié)果, 提取外側(cè)斷面位置潮位數(shù)據(jù), 根據(jù)一個漲潮過程內(nèi)各個時刻的潮位數(shù)據(jù), 將步驟1得出的深度hi進行轉(zhuǎn)換, 求出每個時刻該斷面水深數(shù)據(jù)Hi;

圖6 水深剖面(平均海平面起算)Fig. 6 Depth profile section (from mean sea level)

計算結(jié)果表明, 工程建成后納潮量減少了3934.38×104 m3, 此方法在 ΔVt的選擇上參考了數(shù)值模擬的結(jié)果, 根據(jù)一個漲潮周期內(nèi)進水量的變化來分析納潮量的改變, 水深計算時整個斷面作為一個整體考慮, 沒有考慮兩端潮位變化的不一致造成的影響。

3.2 納潮總量計算

納潮總量計算有不同的方法, 本文提出一種新的方法, 目的是通過VB編程和Sufer成圖軟件求出高潮時刻整個灣體的水體體積。

(1)對數(shù)字化海圖進行初步處理, 利用程序提取計算納潮量海域的水深和岸線數(shù)據(jù), 根據(jù)潮汐資料,將海圖水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該海域平均高潮時刻水深;

(2)將圖1中斷面Ⅰ以內(nèi)的水域進行網(wǎng)格化內(nèi)插,形成*.grd文件, 該文件需要去除斷面Ⅰ和岸線以外的其他區(qū)域數(shù)據(jù);

(3)運用 Sufer軟件中的 Volum工具進行積分便可計算出網(wǎng)格化區(qū)域的體積, 即是該海域所求的總納潮量。

根據(jù)計算結(jié)果, 該海域(圖 1中斷面Ⅰ與岸線所圍水體)納潮總量為 1.88×109m3, 根據(jù)計算所得欽州灣海域納潮變化量, 可知本工程實施造成欽州灣海域納潮量減少2%左右。納潮量減少和保稅港區(qū)的建設(shè)有直接關(guān)系, 大范圍的填海造成納潮水域面積的縮小, 在水動力上表現(xiàn)為高、低潮位的變化和流速的減弱, 盡管數(shù)量微弱, 但足以說明納潮水域蓄積勢能的變化, 間接地導(dǎo)致落潮過程水體攜沙能力的減小, 造成泥沙輸運平衡的破壞。

4 結(jié)論

本文從潮流場、沖淤環(huán)境和納潮量三個方面分析了欽州保稅港區(qū)填海造地工程對欽州灣海洋環(huán)境的影響, 得出結(jié)論如下:

(1)填海工程改變了自然岸線形狀, 工程區(qū)西側(cè)和東側(cè)流速增加, 由工程區(qū)邊界向外增加幅度逐漸減小, 幅度為 0～0.2 m/s, 工程區(qū)南側(cè)流速減小, 幅度為 0～0.25 m/s; 工程區(qū)西側(cè)主導(dǎo)流向受深槽地形控制, 變化幅度較小, 而東側(cè)和南側(cè)由于新增岸線改變了原有流場方向, 流向變化明顯;

(2)利用1994和2004兩期水深地形數(shù)據(jù)對比得到東槽航道沖淤現(xiàn)狀, 十年來東槽航道北側(cè)每年淤積0.183 m, 南側(cè)每年侵蝕0.182 m, 中部保持平衡;填海工程沒有改變東槽主導(dǎo)潮流方向和懸沙向外海輸移路徑, 工程造成東槽流速增加, 利于懸沙的起動搬運; 深槽部位推移質(zhì)泥沙由淤積變?yōu)檩p微侵蝕,對航道繼續(xù)保持平衡和穩(wěn)定有利;

(3)以斷面流速普遍減小的預(yù)測結(jié)果為出發(fā)點,對納潮量變化進行了計算, 工程建成后納潮量減少了3 934.38×104m3; 根據(jù)本文采用的納潮總量計算方法, 得出欽州灣總納潮量為 1.88×109m3, 工程建設(shè)造成欽州灣海域納潮量減少2%左右。

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