天津海域圍填海工程對渤海灣水交換的影響研究

靳玉丹，張秋豐，李希彬，王魯寧，葉風娟

（1.上海海洋大學，上海201306；2.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津300457）

天津海域圍填海工程對渤海灣水交換的影響研究

靳玉丹1，2，張秋豐1，2，李希彬2，王魯寧2，葉風娟2

（1.上海海洋大學，上海201306；2.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津300457）

利用三維海洋數值模型FVCOM，進行渤海灣三維水動力和水交換數值模擬，經實測潮汐和潮流資料驗證，模型模擬結果較好。然后采用該模型對渤海灣內的水體水交換能力進行定量研究。研究結果表明，在天津海域進行圍填海工程之前渤海灣水體的半交換周期為300 d左右，圍填海之后，水體半交換周期延長25 d，渤海灣西部水體的水交換率下降可達10%，半交換周期延長92 d。尤其是天津沿海南部海域的水交換能力下降嚴重，圍填海之后其水體半交換周期延長可達200 d。渤海灣北部也有部分海域水交換周期延長達200 d。建議在進行圍填海工程建設時，應將工程對水體交換能力的影響納入考慮，避免因圍填海工程因素造成的惡劣環境影響。

渤海灣；圍填海工程；水交換影響

渤海灣是渤海西部的一個海灣，位于河北唐山、天津、河北滄州和山東黃河口之間，有海河、永定新河、獨流減河等河流注入，是京津的海上門戶，華北的海運樞紐。渤海灣水深較淺，灘涂面積大，生態環境較為脆弱。特別是近年來經濟發展迅速，圍填海工程大規模進行，給渤海灣海域的水環境造成了很大的壓力，尤其是對該海域水交換的影響，已經引起諸多學者的廣泛關注（李靜等，2015）。

在海灣的水交換過程研究方面已經有很多學者涉足，并且進行了大量的研究，如有些學者基于平均存留時間的概念研究了膠州灣的水交換能力，計算結果正確的反映了膠州灣的水交換情況（劉哲，2004；曹振東，2011）。還有學者建立了欽州灣海域保守物質的對流-擴散模型，基于半交換時間概念對該海域不同時期的水交換能力進行了數值模擬，并進行分析（張坤，2014）。另外有利用delft3D軟件中的How模塊，以保守物質作為示蹤劑，建立對流-擴散型的海灣水交換數值模型來模擬象山港水交換過程，研究象山港整體與外海之間水體交換特性（彭輝，2013）。對于渤海灣的水交換過程，前人也有研究，如采用二維水動力模型對渤海灣的水交換情況進行了模擬，認為當時情況條件下對渤海灣水交換影響最大的因素是風（何磊，2004）。還有人提出了關聯矩陣的方法，并利用該方法對渤海灣水交換進行初步分區模擬，通過計算得到了渤海灣的半交換周期（孫健，2007）。應用三維HAMSOM模型對渤海灣進行模擬，得到了渤海灣的半交換時間（魏皓等，2002）。有關圍填海工程對渤海水交換的影響也有一些學者進行研究，如利用水動力學模型和拉格朗日粒子跟蹤法，針對圍填海對渤海灣水交換的影響進行研究，并分別從整體和局部分析得到：進行大規模圍填海之后，渤海灣半交換時間延長，其主要原因很有可能就是因為圍填海工程使海灣水體通道受阻（袁德奎等，2015）。基于MIKE3水動力模型耦合粒子追蹤模塊分析了近十年來渤海灣海岸工程對渤海灣水交換的影響。結果表明，隨著近十年來渤海灣沿岸圍填海工程的進行，渤海灣水域平均水存留時間明顯增加，水交換率下降（王勇智等，2015）。

前人對水交換的研究大都使用拉格朗日水質點追蹤方法，采用這種方法主要是研究水質點本身的物質交換，著眼于每個水質點的位置隨時間變化的規律，重點描述每一個流體質點自始至終的運動過程；另外采用這種方法雖然很自然，很直觀，但實現起來卻非常困難，需要對成千上萬的流體質點進行跟蹤，效率比較低。而本文采用歐拉方法進行水質點的追蹤來研究污染物濃度的擴散規律，這種方法著眼于空間點，主要研究空間中每一個點上流體運動隨時間的變化情況。相比于拉格朗日方法，能夠使得海水充分稀釋和擴散，可以合理的反映海水的污染物擴散情況，更加的科學合理。本文利用三維水動力彌散水質模型FVCOM，針對渤海灣沿岸尤其是天津近海近年來的大規模圍填海現狀，對該海域保守物質濃度輸運及其交換能力的變化進行數值模擬，并對其定量的研究，為渤海灣水環境的情況提供更加科學的認知，同時為海洋工程的建設創造依據。

1 模型

1.1 數值模型簡介

本文采用由陳長勝研究組提出的三維海洋數值模型FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model），該模型具有以下幾個特點：在垂直方向使用滓坐標，可以更好的擬合渤海灣研究區域的水深情況；在水平方向采用三角形網格，這樣可以加密需要重點研究的區域，同時能夠準確的擬合岸線復雜區域；另外該模型包含干/濕網格模塊，能夠對灘涂的淹沒和露出過程進行準確模擬，針對渤海灣灘涂面積大的特點可以保證流體守恒（CHEN et al，2006）。因此，利用FVCOM對渤海灣海域進行數值模擬是十分合適的（李希彬等，2010）。

本文基于FVCOM所建立的數值模型由水動力模型及水交換模型這兩部分構成。其中水動力模型提供驅動水交換模型所需的三維水動力場和湍流擴散，水交換模型用于污染物擴散的數值模擬（李希彬等，2012）。

1.2 模擬時期選擇

為展示天津海域圍填海工程對水交換能力的影響，本文選取2次圍填海工程規模變化較大的典型歷史時期，分別為2015年（大規模圍填海后）及2005年（大規模圍填海前），在兩個不同歷史時期期間，由于圍填海工程的大量進行，天津海域面積減少約280 km2，渤海灣海域面積已減少近0.5%，如圖1所示，圖中灰色區域為2005-2015年期間通過圍填海工程增加的陸地區域。利用歷史數據及相應歷史時期的海圖、高分辨率衛星遙感圖像及水深資料等，分別建立相應時期岸線和地形特征的三維水動力數值模型，使其能夠反應對應時期天津近海的水動力環境及水交換狀況。

1.3 模型計算區域及網格設置

本文研究的渤海灣水交換指的是該水域的水體通過對流擴散等物理過程與周圍水域的水體進行相互混合，因此所選的模擬計算區域是整個渤海（37°-41°N，117.5°-122.8°E），如圖2所示，以便于研究渤海灣與外界的水交換。

圖1 2005-2015年天津沿海岸線變化

圖2 模式網格圖

利用最新的衛星遙感影像，將其進行矢量化，并結合海圖資料得到岸線數據，將通過航保部獲得的水深資料進行插值得到想要的水深數據。模型采用冷啟動，水位、流速初始條件均用零。

為了著重研究天津近岸圍填海工程對海域水交換的影響，在模型網格中，對渤海灣天津近海區域進行加密，渤海中部區域網格相對較疏。模擬區域面積為450×500km2，區域內最小網格步長為200m，最大網格步長為6 000 m。模型內模時間步長20 s，外模時間步長2 s，垂向6個滓層。

為了減小開邊界對渤海灣內研究區域的影響，將開邊界設置在渤海海峽以外，開邊界條件通過開邊界上56個點的調和常數進行計算得到開邊界驅動水位。

2 模型結果驗證

模型結果的驗證，我們采用2015年10月18日-19日國家海洋局天津海洋環境監測中心站在天津近海進行的3個站位的海流監測結果和塘沽海洋環境監測站的驗潮資料，將實測資料與模型計算結果相比較，繪制流向、流速曲線如下圖3所示，潮位驗證結果如下圖4所示，圖中虛線代表觀測數據，實線為數值模擬結果。

從模擬值與實測值的對比可以看出，模型模擬結果較好，流速、流向模擬結果誤差均在允許范圍內，潮汐模擬中振幅誤差較小，而且相位對比基本一致。因此，本文所采用的模型科學合理，可以用來模擬渤海灣的水交換情況，其模擬結果能夠正確的反映渤海灣的水動力特征。

3 水交換模擬結果及其對比

在計算污染物擴散時，采用歐拉方法從理論上計算保守污染物擴散，在模擬的初始時刻將渤海灣海域內（118.95°E以西海域）保守污染物的濃度全部設置為1，灣外濃度全部設置為0（圖5），在與前文模型水動力條件相同的情況下進行污染物擴散的數值模擬，設置模型開始時刻進行污染物的釋放。分別針對2005年和2015年兩段不同歷史時期的岸線特征，進行800 d的污染物擴散模擬，并進行分析。

先對2015年情況下模擬計算的污染物擴散結果進行分析，由下圖6和圖7可知，在潮流系統作用下，污染物由渤海灣向外擴散，擴散的主要方向為萊州灣及渤海中部，模擬800 d后，萊州灣底部部分海域的污染物濃度也達到了0.3以上。而由于渤海灣地區水深較淺、區域半封閉，潮流特征較弱，所以污染物擴散能力較弱，模擬800 d后，仍有部分海域的污染物殘留濃度達0.6以上。渤海灣內污染物濃度隨模擬時間而逐漸降低，約300多天時，污染物濃度降為初始濃度的一半。在模擬的后階段，其水交換率呈現下降趨勢。模擬區域內污染物濃度隨時間遞減的過程中有著半月左右的周期振蕩，與潮汐大小潮的周期相同（圖8）。在大潮時，納潮量達到最大，對應的水體體積會增加，污染物濃度會相應減少，而小潮時納潮量減少，相應污染物濃度出現增加。

圖3 潮流驗證圖

圖4 潮位結果驗證

圖5 污染物初始場設置

圖6 模擬擴散800 d后污染物濃度分布（渤海2015）

圖7 模擬擴散800 d后污染物濃度分布（渤海灣2015）

圖8 污染物濃度隨時間變化圖

為展現圍填海工程對污染物擴散的影響，本文采用2015年狀況模擬的污染物擴散結果減去采用2005年狀況模擬的結果，得到污染物擴散能力之間的差值，如下圖9所示。模擬800 d后，相比2005年，2015年狀況下，整個渤海灣海域的污染物濃度均呈現增加的趨勢，即擴散慢，水交換率降低。其中，渤海灣北部海域，尤其是天津南部的南港工業區和唐山東部附近海域的水交換率下降的更加顯著，此兩處不同年份的污染物殘留濃度變化量達到0.12以上，僅靠近渤海灣口處，污染物濃度殘留略呈現減小趨勢。

圖9 擴散800 d后污染物濃度差值分布

為定量展現圍填海工程對污染物擴散的影響，本文列表進行分析，通過下表1發現，相比2005年，在進行水交換模擬200、400、800 d后，采用2015年狀況下的渤海灣水交換率分別下降了4.22%、5.76%和6.99%。水交換率的下降，隨時間的延長有逐漸增大的趨勢，下降的水交換率將延長污染物擴散時間，使渤海灣原本就較弱的擴散能力更加降低，惡劣的海洋環境更加惡化。

表1 水交換率變化對比

根據渤海灣的地理特征、水動力場及污染物擴散能力特征，我們將渤海灣劃分為3個區域，分別是位于渤海灣西北角的區域一，渤海灣中部區域二和渤海灣南部區域三（圖10）。

圖10 渤海灣區域劃分

其中，區域一位于渤海灣西北角，處于天津北部和河北唐山西部之間，該區域灘涂面積大，水深淺，水動力較弱，擴散能力較弱；區域二位于渤海灣中部，主要為天津中部和南部以東海域，此區域由于水深較深，且從灣底至灣口正對渤海中部，受外部潮波影響直接，所以水動力條件較好，擴散能力較強；區域三位于渤海灣南部，包括河北滄州、山東濱州和東營沿海海域，渤海灣底部東營老黃河口附近，由于M2分潮無潮點的存在，此處水動力條件較弱，污染物擴散較慢，形成一條阻止污染物向外傳輸的阻隔帶，該處西部由于此阻隔帶的阻隔作用，只能通過阻隔帶的北部通道進行水交換，但由于該海域水動力條件較好，整體水交換能力較強。

表2是兩個不同歷史時期下，渤海灣內3個區域在不同模擬時間下的水交換率對比結果。在模擬的初始階段，區域二由于直面渤海中部海域，水交換通道暢通，因此水交換率較高；區域一由于水淺、灘涂面積大、水動力條件差，水交換率很低，模擬200 d時，水交換率仍在1%以下，尤其是圍填海工程完成后，在模擬200 d時，水交換率極低，僅達到0.27%，比圍填海前下降0.57%；區域三在模擬的初始階段，由于阻隔帶的存在，水交換率較低，在模擬200 d時，水交換率在10%以下。模擬800 d時，在持續的水動力條件作用下，3個海域的水交換率均有大幅提升，其中區域一的水交換率達到50%左右，區域二的水交換率達到70%左右，而區域三，尤其是區域三的中部和西部海域，在較好的SW-NE向潮流條件作用下，水交換率大幅提升，達到70%以上。值得注意的是，依據2015年條件模擬的3個區域的水交換率，均低于依據2005年條件模擬的水交換率，尤其是區域二，在模擬中段，水交換率甚至下降達11%，這主要是由于天津沿海的大部分圍填海工程均集中在此區域，包括天津港、臨港經濟區、南港工業區等，大規模的圍填海工程占用了海域，使得此海域的納潮面積減少，納潮量降低，水交換率下降。區域一內圍填海工程相對區域二較少，僅北疆電廠和濱海旅游區，其水交換率下降也較區域二少，模擬800 d后，水交換率下降6%。區域三中，圍填海工程少，其水交換率的變化也較少，尤其是模擬的中前期，其水交換率的變化在1%內。

在對渤海灣的水交換率進行計算和對比后，我們對渤海灣內污染物濃度降為初始濃度一半的時間，即渤海灣海水的半交換周期進行了計算，并繪制半交換周期圖，如圖11所示。渤海灣水體半交換周期的等值線分布與污染物殘留等值線分布大體類似，整個渤海灣水體的半交換周期表現從灣口向灣內逐漸增大，仍然出現北部和東南部周期長、中部和西南部周期短的趨勢。同樣利用2015年狀況模擬的半交換周期結果減去采用2005年狀況模擬的結果，得到半交換周期的差值，如圖12所示，可以發現渤海灣北部和西部的中間位置，在大規模的圍填海工程后，水體的半交換周期是延長的，部分海域的半交換周期延長200 d以上；渤海灣南部海域的半交換周期是縮短的，其中部分海域的縮短時間可達20 d以上。

表2 渤海灣內不同區域水交換率計算結果

圖11 渤海灣水體半交換周期分布圖

圖12 渤海灣水體半交換周期差值分布圖

計算之后，本文同樣定量的分析了渤海灣的半交換周期，并對兩個不同歷史時期不同區域的半交換周期進行對比（見表3）。在2015年圍填海工程大規模建設的狀態下，整個渤海灣水體的半交換周期為398 d，而在2005年的狀態下，僅為366 d，半交換周期延長32 d。區域一水體交換能力最弱，其半交換周期達近800 d，由于圍填海工程的建設，半交換周期延長64 d，此區域沿岸主要為天津市北部和唐山市西部，可能也考慮到該區域的水交換能力較弱，天津市北部沿海主要規劃為旅游區和漁港區，并沒有規劃石油化工等重污染區，建議在此區域進行生產活動時，要充分考慮海水的交換能力，嚴格控制污染物排放的時間和地點，同時在進行相關規劃時，應充分考慮到水交換率低、污染物難以擴散的現實，進行合理規劃，以防造成災難性后果。區域二水體交換能力較強，整體半交換周期較短，圍填海工程后，其半交換周期由320 d延長至412 d。此區域的圍填海項目均為港口和石化工程，雖然此海域水交換能力相對較強，但仍需注意圍填海工程對水交換能力的負面影響，且應密切關注，以防危化品泄露，對生態環境造成災難性影響和后果。區域三水體的交換能力強，水體半交換周期相對較短，圍填海工程對此海域的影響也較小，2015年狀態下，水體半交換周期為360 d，2005年狀態下，水體半交換周期為354 d，變化較小。

表3 渤海灣內不同區域半交換周期計算結果

4 結論

本文以海洋數值模型為基礎，以圍填海工程對渤海灣水體的交換能力為關注點，通過三維水動力模型和歐拉擴散方法，對渤海灣的污染物輸運和水體半交換時間進行了理論數值模擬，定量研究了渤海灣內水體的水交換能力，主要得到以下結論：

（1）渤海灣海域水體的交換率總體較低，水體半交換周期達到300 d以上，在圍填海工程后，水體半交換周期延長32 d。

（2）圍填海工程后，渤海灣西部，尤其是天津沿海南部海域的水交換能力下降嚴重，其水體半交換周期延長可達200 d。渤海灣北部也有部分海域水交換周期延長達200 d。

（3）在圍填海工程最多的區域二，圍填海后，其水體的水交換率下降甚至可達10%，半交換周期延長92 d。而圍填海工程最少的區域三，其水體交換率和半交換周期的變化較少。

綜上所述，建議在日后進行圍填海建設時，應將水交換能力納入考慮，事先考慮圍填海工程對水體的交換能力造成的影響，優先選擇水體交換能力較強的海域。且在排放污染物時，充分考慮水體的交換能力和排放時間，避免因人為因素造成難以擴散的環境污染。

致謝：十分感謝國家海洋局天津海洋環境監測中心站的專家老師為文章修改提出的寶貴意見。

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Effects of Tianjin reclamation projects on the Bohai Bay water exchange

JIN Yu-dan1,2,ZHANG Qiu-feng1,2,LI Xi-bin2,WANG Lu-ning2,YE Feng-juan2

（1.Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station,SOA,Tianjin 300457,China)

Based on the FVCOM（the Finite-Volume Coastal Ocean Model),numerical model of Bohai bay water exchange was established,and the observed data of tide and currents was used to validate the simulated result.The simulated results of the Bohai bay water exchange showed that half period of water exchange in Bohai Bay extends from 300 days to 325 days,when Tianjin reclamation projects are established.In western Bohai Bay,the water exchange rate even reduces by 10%,and half period of water exchange extends for 92 days.In southern Tianjin coastal area especially,water exchange capacity decreased significantly,and half period of water exchange extended for 200 days with the effect of reclamation projects,as well as in some areas of the northern Bohai Bay.Therefore,it was suggested that the effect of projects on water exchange and environment of coastal sea should be considered in the development of reclamation projects.

the Bohai Bay;reclamation project;effect of water exchange

P731.26

A

1001原6932（圓園17）05原園578原07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.014

2016-06-20；

2016-09-27

2012年天津市科技興海項目（KJXH2012-26）。

靳玉丹（1991原)，碩士研究生，主要從事物理海洋研究，電子郵箱：jinyudan2010@163.com。

（本文編輯：袁澤軼）