海州灣大規模圍墾規劃工程水沙環境影響研究

柯 杰，盧 勇，姚清濤，李 寧，宋曉波

（1.中交第二航務工程局技術中心，武漢430000；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

海州灣大規模圍墾規劃工程水沙環境影響研究

柯 杰1，盧 勇1，姚清濤1，李 寧1，宋曉波2

（1.中交第二航務工程局技術中心，武漢430000；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

灘涂資源的開發利用成為沿海地區經濟快速發展的重要途徑，也可能會對海洋環境造成一系列的負面影響。根據江蘇沿海發展規劃，建立嵌套式二維潮流泥沙數學模型，對規劃工程引起的水沙環境變化進行預測分析。結果表明，海州灣大規模灘涂圍墾規劃工程對大范圍水沙環境的影響較小，并未改變海域的潮流運動和懸沙分布特征。圍墾規劃工程的影響主要集中在臨洪河入?？诤Ｓ?，近岸潮流、懸沙高值區發生較為明顯的變化，而在埒子口和繡針河口處，圍墾規劃工程引起的變化相對較小。

灘涂圍墾；潮流泥沙；海州灣

Lee［2］研究了位于韓國西部海岸的瑞山灣一系列圍墾工程，分析得到在灣口海域修建海堤后，會對瑞山灣內淺灘的沖淤狀態過程產生較大影響。羅章仁［3］通過研究近50 a來香港的一系列圍墾工程，分析工程對Victoria Harbour灣內的潮流和波浪以及港池回淤的影響。戚健文［4］采用三維潮流模型對曹妃甸海域的圍墾工程4個階段的潮流場進行模擬，分析了圍墾工程不同階段的建設對海域潮流運動的影響。湯立群［5］通過建立泥沙數學模型對黃茅海的灘涂圍墾造成的水沙環境影響進行模擬，結果表明圍墾并沒有對潮流場造成明顯影響，工程前后水流動力軸線基本一致。

《江蘇沿海地區發展規劃》提出，江蘇沿海在海州灣海域有4塊共10萬畝的灘涂圍墾規劃。海州灣屬于開敞式海灣，海域潮流動力條件較弱，海灣內臨洪河屬于入海河口，灣內受外海潮流和入海河口徑流的綜合作用，海域海洋動力環境獨特，沿海灘涂演變和海床沖淤機制都十分復雜。大規模圍墾工程通過改變海州灣的岸線，進而影響海州灣的海洋動力環境。陶建峰［6］建立了江蘇沿海大范圍的潮流數學模型，模擬研究了圍墾規劃對于潮汐和潮流的影響；楊第昌［7］考慮臨洪河口附近的圍墾工程對閘下河道的泥沙淤積影響，初步計算了圍墾引起的閘下河床的淤積厚度。

學者對灘涂圍墾工程的水沙環境研究主要集中在浙江和長江口等海域，海州灣的海洋動力環境較為獨特，針對開敞式海灣的灘涂圍墾工程的環境影響研究較少，尤其是針對大規模圍墾工程所產生的綜合作用影響的研究更為稀缺。通過建立海州灣雙重嵌套式二維潮流泥沙數學模型，計算范圍如圖1所示，預測分析海域環境對大規模圍墾規劃工程的綜合響應，對比研究工程前后的水沙環境變化，有助于保護海洋灘涂環境，科學有效的利用灘涂資源。

1海州灣海域水文概況

海州灣通常是指山東省日照市嵐山頭與江蘇省連云港連島兩個岬角之間的開敞式海灣，岸線整體向內陸凹入，海洋動力條件較弱，在岸外基巖島嶼和海灣兩側岬角的分布背景下，海州灣的整體掩護條件較好。

海域主要受東海前進潮波系統控制，和山東半島以南海域逆時針旋轉潮波的影響，屬于非正規淺海半日潮性質，海州灣海域岸線呈弓形半開敞，近岸海域的潮流運動以離、向岸運動的往復流為主，而外海海域潮流呈現為逆時針方向的旋轉流特性。根據潮流橢圓統計，海州灣水流的流向基本為SW-NE向，漲潮期間流向為SW向，落潮流向為NE向。由于漲潮歷時的縮短，漲潮流速大都大于落潮流速。

據波浪觀測數據統計分析［8］，海州灣近岸海域的波浪主要是以風浪為主，約占63％；其次，以涌浪為主的混合浪占28％，近岸海域的常浪向為NE向。多年平均波高的變化并不顯著，多年H110平均波高約為0.5 m，年內每月平均波高大多在0.4～0.6 m，且秋冬季的平均波高略大，春夏季相對較小。

泥沙在波流的共同作用下呈現穩定的運動特征和輸移規律。海州灣北部岸線呈NE-NNE向，海域潮流主要受SW方向的漲潮流控制，強波向為NE向，在波流共同作用下的泥沙輸移方向主要由東北向西南方向輸移，最終沉積于海州灣灣內的西南海域。

從中小學生發展的觀念上看，學生的生活和藝術息息相關，有“生活高于藝術”也有“藝術高于生活”的看法，可無論是什么觀點，我們都可以看出在生活中我們必然會接觸到藝術。在《寫給大家的中國美術史》一書中，看得出象形文字的產生過程與繪畫的開始是有巨大的聯系的，隨著象形文字的逐漸出現，中國人將其賦予結合自然界的想法，文字也越來越豐富；中國人常說“書畫同源”，也就是說：文字和圖畫原本是一樣的東西。看古代的文字，和看畫一模一樣。從繪畫的產生我們可以明白，繪畫源于生活，也將為我們所用。因此，藝術的繪畫層面也慢慢的與我國的教育結合，將教育更加優化、更加出彩。

海州灣的灣內北部岸段為砂質海岸，南部為淤泥質岸段。根據歷史資料，北部岸段長期處于基本穩定，略微侵蝕狀態，而南部由于河流來沙和廢黃河三角洲泥沙擴散影響，形成了淤泥質潮灘。

2模型的建立與驗證

海州灣圍墾工程數學模型計算范圍如圖1所示，海域外海海域水深數據采用NOAA發布的ETOPO1數據，近岸海域數據采用2005年海州灣的實測地形數據。對水下地形數據進行初步處理，統一地形基準面為理論最低潮面，坐標系采用54北京坐標系，投影采用高斯投影。計算區域網格為三角形網格，在工程附近區域逐漸加密網格，網格單元16 436個，網格節點8 495個。

圖1 海州灣圍墾規劃區域示意圖Fig.1 Sketch of large?scale tidal flat reclamation plan of Haizhou Bay

論文應用MIKE21數學模型［9-12］對海州灣水沙運動進行模擬，模型采用隱式格式交替方法（ADI）對二維潮流方程和懸沙輸移方程進行離散求解，外海開邊界采用中國海域潮汐模型預報數據，河流開邊界采用年平均徑流量，同時采用多年平均波浪數據為泥沙數學模型提供波浪場，建立海州灣海域雙重嵌套式二維潮流泥沙數學模型，對圍墾規劃海域的潮流泥沙運動和海床沖淤變化進行分析。

模型的驗證采用潮汐表和海州灣海域2005年9月的水文實測數據，對建立的海州灣海域的潮流泥沙數學模型進行驗證，包括2個潮位站，10個潮流泥沙觀測點，站點分布見圖1。限于文章篇幅，現給出其中部分站位的驗證圖（圖2～圖4）。

圖2 連云港站潮位驗證圖Fig.2 Verification of tidal level process of Lianyungang station

3規劃工程水沙環境影響分析

基于建立的嵌套式二維潮流泥沙數學模型，以海州灣海域大規模的圍墾規劃工程為背景，預測圍墾規劃工程實施后的海洋水沙環境，從大范圍的潮流場和懸沙場、工程附近海域的流矢圖和懸沙濃度等值線分布圖等方面對規劃工程引起的水沙環境變化進行對比分析。同時根據江蘇沿海規劃，將海州灣灘涂圍墾規劃工程劃分為3個區域（埒子口、臨洪河口、繡針河口，見圖1），分別研究規劃工程附近海域的潮流運動和懸沙分布規律的變化。

圖3 #1、#4、#8流速流向驗證圖Fig.3 Verification of flow current velocity and direction of#1，#4，#8 station

圖4 #1、#4、#8懸沙濃度驗證圖Fig.4 Verification of suspended sediment concentration of#1，#4，#8 station

圖5 圍墾規劃工程前、后海域大潮漲急時刻流場對比圖Fig.5 Flow field at flood strength of spring tide before and after the reclamation plan

3.1流場模擬及工程影響分析

規劃工程實施前，海州灣海域的潮流運動呈現出近岸往復流，外海旋轉流特性。在灣內近岸海域，潮流運動以離-向岸形式的往復流為主，而在外海的潮流運動受東海前進波和黃南海旋轉潮波系統影響，呈現逆時針方向的旋轉流特性。漲潮時期，來自輻射沙脊的潮流，一部分逆時針旋轉繞過廢黃河三角洲，一部分沿著廢黃河三角洲海岸，進入海州灣，主要以E-W和NE-SW方向流向海州灣西南海岸；落潮時期，流從海州灣內呈輻射狀流出，大部分潮流繞過廢黃河三角洲流向輻射沙脊，另一小部分沿著山東海岸線進入渤海灣海域。

海州灣海域圍墾規劃工程前、后，大潮漲、落急時刻的潮流場圖如圖5所示，對比分析可以看出：圍墾規劃工程并沒有對海州灣海域的潮流運動規律造成較大影響，但規劃工程在一定程度上造成了海州灣內的納潮空間減小，海域的整體潮流動力條件減弱，減弱程度不明顯。

針對圍墾規劃工程附近海域（埒子口、臨洪河口、繡針河口），大潮時期圍墾規劃工程前、后的潮流流矢圖如圖6所示，通過對比工程前、后的大潮潮流流矢圖，分析可以看出：

圖6 圍墾規劃工程附近海域工程前、后海域大潮流矢圖Fig.6 Velocity vector diagram in waters near project during spring tide before and after project

在埒子口附近海域，受到源自輻射沙脊的潮流運動影響，工程前近岸特征點呈現出沿岸往復流特性，外海呈現旋轉流特性；在工程實施后，岸線的變化導致了近岸的沿岸流特征點消失，而在靠近灌河口附近的2個特征點，由旋轉流轉變為往復流特性，其余外海特征點的流矢在工程前、后基本保持一致。

在臨洪河口附近海域，特征點的潮流運動基本都呈現出NE-SW方向的離-向岸式往復流特性；在工程實施后，岸線的改變并沒有改變潮流往復流的特性，但是流向出現了較大變化，臨洪河口南岸的往復流流向發生一定程度旋轉，而北岸近岸的特征點變成了沿岸往復流，流向為N-S。

在繡針河口附近海域，岸線變化前、后，特征點的潮流流矢基本保持一致，呈現為沿岸往復流特性，方向大多為ENE-WSW，僅在工程后，近岸的特征點流速出現了一定程度的減小。

規劃工程附近海域特征點工程前、后半潮平均流速、流向變化如表1所示，通過對比工程前、后的半潮平均特征值可以發現：埒子口海域和繡針河口海域特征點的半潮平均流速受圍墾規劃工程影響較小，埒子口海域漲潮平均流速略微增大0.03 m/s，落潮流速沒有明顯變化，繡針河口海域漲、落潮半潮流速均有小幅度減弱；臨洪河口海域特征點的半潮平均流速變化較為明顯，漲潮平均流速減小0.077 m/s，落潮流速減幅達到0.102 m/s；工程前、后海域特征點的半潮平均流向的變化均不明顯，工程區域呈現潮流特性和流向受規劃工程的影響較小。

表1 圍墾規劃工程區域附近特征點半潮平均潮流流速、流向變化Tab.1 Variation of mean current velocity and direction at feature points near project during half?tide

3.2懸沙場模擬及工程影響分析

規劃工程實施前，海州灣海域海洋動力條件較弱，海域整體懸沙濃度較低，呈現出南部較高，北部偏低，近岸相對較大，外海較小的趨勢；同時海州灣海域存在2個較為明顯的高懸沙濃度區，一個位于廢黃河口北部的灌河入?？跂|北部海域，另外一個位于海州灣內臨洪河入海口海域。根據資料顯示，廢黃河三角洲的泥沙，大部分隨著潮流運動擴散到外海，其余部分則隨著沿岸流往復運動，懸沙輸移方向自廢黃河口向海州灣運動，且懸沙濃度沿程有逐漸減小的趨勢。

圖7 圍墾規劃工程前、后海域大潮平均懸沙濃度圖Fig.7 The average suspend sediment concentration field before and after the reclamation plan

圖8 圍墾規劃工程附近海域工程前、后潮平均懸沙濃度圖Fig.8 The average suspend sediment concentration around the project before and after the reclamation plan

海州灣海域圍墾規劃工程前、后，大潮平均懸沙濃度圖如圖7所示，通過對比圖可以看出：圍墾規劃工程實施后，海域整體的懸沙分布規律并未出現較大變化，依然呈現南高北低，近岸較大，外海較小的分布趨勢；2個懸沙濃度高值區分別存在于臨洪河口海域和灌河口海域。但高濃度區都出現了較大變化，臨洪河口的高值區范圍出現較大范圍縮小，灌河口的高值區出現了一定程度的偏移，在灌河口正北部海域濃度有較大增長。

針對3個圍墾規劃工程區域（埒子口、臨洪河口、繡針河口）的附近海域，對比工程前后的潮平均懸沙濃度等值線分布圖（圖8），可以看出：

埒子口附近海域，大潮平均懸沙濃度等值線基本保持一致，岸線的變化使圍墾海域近岸濃度等值線一定程度向外海偏移，靠近灌河口的懸沙濃度有所增加；臨洪河口的圍墾規劃工程在一定程度上延長了臨洪河道，河口處懸沙濃度高值區受到了較大影響，高濃度區的中心位置和濃度峰值在工程前、后基本保持一致，但高值區的范圍出現了較大面積縮小，而河口兩側的懸沙濃度都出現較大幅度減小。繡針河口懸沙分布特征與工程前基本一致，靠近河口工程規劃區的小范圍高值區受岸線變化影響消失，工程附近海域的懸沙濃度略微減小，懸沙濃度等值線整體向灣外發生略微偏移，偏移并不明顯。

4結語

根據江蘇沿海發展規劃提出的灘涂圍墾規劃工程，建立海州灣海域二維潮流泥沙數學模型，在潮流、懸沙驗證合理的基礎上，對規劃工程引起海洋水沙環境的變化進行研究分析，主要結論如下：

（1）圍墾規劃工程沒有對海域的潮流運動規律造成較大影響，但規劃工程在一定程度上造成了海州灣內的納潮空間減小，海域的整體潮流動力條件減弱，減弱程度不明顯。在規劃工程附近海域，臨洪河口圍墾區附近的特征點流矢出現了較大變化，北岸的往復流由離-向岸式變為順岸式，而在埒子口和繡針河口圍墾區附近，流矢在工程前后基本保持一致。

（2）研究海域的整體懸沙濃度分布規律在規劃工程前、后沒有出現較大變化，依然呈現南高北低，近岸較大，外海較小的分布趨勢，同時存在2個懸沙濃度高值區，位于臨洪河口和灌河口海域。但臨洪河口處的懸沙濃度高值區受到較大影響，高值區的范圍出現了較大面積縮小，河口兩側的懸沙濃度都出現較大幅度減小；灌河口海域高值區出現一定程度的偏移，河口正北部海域的懸沙濃度有較大增長。

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Influences of planning reclamation project on hydrodynamic and sediment environment of Haizhou Bay

KE Jie1,LU Yong1,YAO Qing?tao1,LI Ning1,SONG Xiao?bo2
(1.CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.National Enterprise Technology Center,Wuhan 430000,China;2. Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China)

As the exploitation of the tidal flat becomes an important way to develop economy rapidly in coastal areas,it may also bring a series of negative influences to marine environment.According to the"Development Plan of Jiangsu Coastal Area",a multinest 2D mathematical model for tidal currents and sediment was established to ana?lyze the impact of planned large scale reclamation on water and sediment environment.The results show that the rec?lamation plan of Haizhou Bay has a little influence on the large scale water and sediment environment in the bay, which does not change the tidal currents and the distribution characteristics of suspended sediment.Only the chang?es caused by reclamation mainly concentrate around the Linhong estuary,the tide currents nearshore,and high val?ue area of suspended sediment both have obvious changes,but the influences in Xiuzhen estuary and Liezikou changed relatively small.

Haizhou Bay;tidal flat reclamation;tide current and sediment

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2016）04-0356-06

2015-07-29；

2016-01-29

柯杰（1989-），男，湖北省黃岡人，助理工程師，主要從事水運工程研究。

Biography：KE Jie(1989-),male,assistant engineer.