霞浦圍江漁港工程對附近海域水文環境的影響

林春霏， 左軍成， 左常圣， 竇 明， 吳亞男， 黃超明

(1.河海大學海洋學院，江蘇南京 210098； 2.國家海洋信息中心，天津 300171)

圍江漁港位于福建省霞浦縣西南側的沙江鎮圍江村，東臨東吾洋，該地區的主要產業為漁業以及特色海產品養殖加工業，目前該地區的產業發展遇到了無完備碼頭、海產品堆放地不足等瓶頸問題，建設圍江漁港將解決上述問題并進一步促進當地產業的發展。東吾洋海域潮汐類型屬于正規半日潮型，落潮歷時略短于漲潮歷時。海域潮流是正規淺海潮流類型，潮流運動形式以往復流為主，余流較小。

海洋工程的建設在一定程度上會對周圍海域的水文生態環境產生影響，已有較多學者對此展開研究[1-5]，而對處于內灣的漁港工程更容易影響到當地脆弱的水文生態環境。為了解圍江漁港建設后對水文環境的影響，基于海域實測水文測驗資料，應用海洋數值模型(finite volume coast and ocean model，簡稱FVCOM)以及泥沙淤積強度經驗公式，研究圍江漁港的建設對周邊海域水文泥沙環境產生的影響，該研究結果可為其他地區漁港規劃建設提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 現場觀測數據

本研究使用的潮位驗證資料是收集了處于計算區域3個長期驗潮站為期1個月的潮位觀測數據。潮流驗證資料采用布設的3個現場定點流速流向水文觀測調查站的數據，在大潮期間分別進行25 h以上的周日全潮測驗。各站點位置信息分布及觀測時間如圖1、表1所示。

表1 站位信息

1.2 FVCOM模型簡介

應用的FVCOM數值模式是由美國馬薩諸塞大學(University of Massachusetts)與伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)聯合開發的三維海洋模式[6]，模型在水平方向采用非結構的三角網格，以便更好地擬合圍江漁港附近復雜的岸線、島嶼和地形特征，垂直向采用σ坐標，以模擬不規則的底部地形水深變化，該模式在解決淺海陸架、生態動力學模型中復雜曲折的岸線擬合以及計算有效性等方面具有較強優勢。

FVCOM模型控制方程所用的動量方程、連續方程、狀態方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T，S)；

(6)

式中：D為整體深度，m；u、v是水平流速分量，m/s；w是垂向流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；T為溫度，℃；S是鹽度，%；ρ是海水密度，kg/m3；f是科氏參數，rad/s；ζ是水位，m；Km為垂直旋轉黏性系數；Kh為熱量垂直旋轉擴散系數。

1.3 模型設置

為保證工程海域流場計算的準確性，本次模擬對模擬區域附近的實測水位資料進行整理，利用基于衛星高度計數據的東中國海潮汐模型中8個主要分潮(M2、S2、K1等)和3個淺水分潮(M4、M6、MS4等)的預報結果作為開邊界條件，并利用長期驗潮站實測水位進行修訂。模型計算采用的岸線來源于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，簡稱NOAA)發布的高精度岸線數據。模型中內灣水深資料采用的是由中國人民解放軍海軍司令部航海保證部出版的海圖資料(1 ∶250 000)，外海水深地形數據采用的美國NOAA發布的ETOPO1地形高程數據(圖2)。

模型中采用無結構三角形網格來剖分計算域，以便更好地模擬復雜岸線邊界，為更準確地刻畫工程海域地形，根據計算精度要求對工程區域進行逐層加密處理[7](圖2)，在小尺度比例下對工程附近的環境影響因子進行模擬，以達到準確的預測效果。整個計算域包括北至福寧灣北岸，西至寧德市東岸，南至閩江口，南北跨度約98.5 km，東西距離為 88.42 km，模型計算網格最低水平分辨率為3 400 m，最高水平分辨率為20 m，整個區域共分成48 855個網格，26 025個節點，重點關注區域(即漁港附近的加密網格區域)的網格數為2 193個，垂直向σ坐標均勻分為6層，模型計算的最小時間步長為3 s。

2 模型驗證

為檢驗模型計算結果的準確性，通過實測的潮位數據對模型結果進行對比驗證(以大小潮為例，圖3)，計算的水位過程與實測資料吻合較好，潮漲歷時與落潮歷時基本一致，相位誤差不超過0.2 h，潮位最大誤差為15 cm，平均絕對偏差為9 cm。

同時對計算區域3個站點大潮期間的流速、流向進行對比驗證，定點站的位置信息如圖1和表1所示，各測站流速、流向的驗證結果(圖4，為方便驗證，漲潮時流速大小為正，落潮時為負)表明，整體上流速、流向的模擬結果和實測值基本吻合，漲落潮時最大流速值以及其出現時間點的計算值與實際情況符合良好。

通過誤差計算，各站大潮時段流速平均絕對偏差一般在0.089～0.129 m/s之間，相對誤差在7.5%～9.5%之間；平均流向偏差為6°～8°，流向相對流速而言，模擬結果符合較好；高低潮及轉流的時間也基本一致(表2)。

通過潮位和潮流的對比驗證可以看出，模擬結果與實測過程吻合較好，為滿足規范要求[7]，所建模型能夠較為準確地刻畫圍江漁港附近海域水動力情況，并為進一步研究海洋水文環境的影響問題提供基礎。

3 漁港工程對周圍海域潮流場的影響

為分析圍江漁港工程建成后對周邊海域潮流場的影響，依據數值模擬結果給出網格加密區域中工程前后大潮、小潮漲落潮流場(圖5、圖6)。由工程前的模擬結果可知，漲急時刻在沙江鎮圍江村東側海域形成比較明顯的沿岸流，漲潮流向為北向，但由于受到凸地形的影響，北側流速較大，南側流速較小，圍江東北側流速最大，大潮漲潮時達到1.6 m/s，小潮漲潮時達到1.2 m/s；落急時刻，流向基本為南向，圍江村南側受地形阻擋，流速較小，在0.0～0.3 m/s之間，北側流速依然較大。總體而言，工程建設前漲急流速大于落急流速。沿岸流的流場特征非常明顯。

通過工程實施前后流場對比結果可見，工程建設后對以工程為中心的小區域范圍流場有著較大影響，而對外圍區域影響較小。工程后漲潮時期由于受到駁岸的阻擋作用流向變化明顯，在北側沿岸海域流速明顯減小；落潮時期，在漁港南側、西南側較大范圍海域流速減小。

表2 各站流速、流向偏差

為定量分析工程實施對流場的影響，給出工程建設后流速變化等值線(圖7)，并在工程周邊海域按工程北側、內圈、南側、東側、外圍5個區域選取25個特征點(圖8)，由于篇幅受限，本研究只對比并分析工程前后大潮流速、流向變化特征(表3、表4)。

在漲潮流時，圍江漁港的北側受新建碼頭駁岸的阻擋作用，往北沿岸流流速流向變化均較大，其流速普遍減小，減小幅度在0.04～0.42 m/s之間，工程后在緊貼碼頭北側最里處速度幾乎為0，S5特征點處流速由工程前的1.59 m/s減少了1.05 m/s，流向工程前后也變化了27.42°，受工程的影響非常明顯。其次在工程東側以及南側也有一定的影響，流速較少了0.1 m/s左右。在工程東南測主要體現在流速的變化上，流向變化不大。在離工程區較遠處區域受工程影響較小，特征點S21～S25，平均流速變化為0.006 cm/s，平均流向變化約為0.636°。

在落潮時，圍江漁港南側的水流受工程的影響尤為明顯，由于碼頭的阻擋作用， 在碼頭建設前其流速大小約在0.26～0.45 m/s之間，工程建設后，平均流速不到0.1 m/s，在貼近工程右側處的S8、S9特征點處流速減小幅度達0.6 m/s，緊貼工程內圈各點平均流速變化為0.38 m/s，流向變化在2°～130°之間。在工程東側稍遠一點的區域如S17、S18由于離岸流的堆積，流速有一定增大，振幅在0.09～0.17 m/s之間。而離工程較遠的特征點S21～S25流速流向變化較小，流速變化最高為0.09 m/s，流向變化最高為3.62°，基本不受工程建設的影響。

總體來看，圍江漁港工程建設只對以工程區為中心周圍600 m海域的水流產生影響。主要變化區域集中在工程南北沿岸兩側，漲潮時刻北側流速變化相對較大，落潮時南側流變化較大，工程東南側流向變化相對明顯，而離港口較遠的外圍海域流速流向受工程的影響均不明顯。

表3 工程建設前后特征點漲急流速流向變化(大潮)

4 圍江漁港建設對水質及生態環境影響分析

漁港工程建設后，將會破壞原先海域中水動力的動態平衡格局，從而改變漁港周圍水體含沙量，嚴重時會出現泥沙淤積航道的現象，再加上該海域的水深較淺，航行安全將會受到更大威脅。此外，涉海工程建設后對工程海域的潮流場變化及泥沙輸運特征都會產生一定影響，也會在不同程度上改變當地的生態環境[8]。因此，漁港工程的建設須控制好對海洋水文環境和生態環境等的影響。

4.1 施工期懸浮泥沙

漁港施工過程中施工人員的生活污水以及施工機械產生的污水經處理后會排放到附近海域產生懸浮物，對海域環境造成影響。在水動力預測的基礎上聯合污染物擴散方程，利用FVCOM模型對海域懸浮物的分布進行模擬預測。

4.1.1 預測模式 預測模式通過FVCOM模型計算，把污染物擴散方程和二維水流預測模式聯合求解，從而獲得懸浮物濃度的分布情況。

(7)

式中：P表示懸浮物濃度，kg/m3；H為水深，m；Kx、Ky分別是x、y方向的擴散系數，m3/s；u、v為水平方向流速分量，m/s；M為源項，M=M0-α×ω×P；α為沉降系數，取值為0.52；ω為沉速，kg/s；其他符號與潮流預測模式相同。

4.1.2 預測條件 按照國家污水排放標準，在三級漁港附近懸浮物的排放濃度人為增加的量應≤150 mg/L，而農業區附近的懸浮物排放濃度人為增加的量應≤10 mg/L。根據工程分析結果，本項目施工期懸浮物源強為0.59 kg/s，預測中以此作為懸浮物預測源強。

表4 工程建設前后特征點落急流速流向變化(大潮)

4.1.3 預測結果 由圖9可知，最大影響區域出現在落急時刻。還可以看出，施工期懸浮物最大影響區域(即人為懸浮物濃度增加量超過10 mg/L的區域)主要集中在網格加密區。這里離源強比較近，且靠近岸及駁岸碼頭，構成了1個狹小區域，使得水動力場在該區域減弱很多，導致懸浮物在這里聚集，并使懸浮物濃度增幅很大。而在漲落潮時碼頭駁岸的水流來向處由于流速增幅較明顯，因此懸浮物濃度有所減小，最大減小幅度達到31.2 mg/L。由此可以認為，此時漁港建設工程對周圍海域水質環境有一定的影響。

施工期間懸浮物最大可能影響范圍，通過計算可知人為濃度增加10 mg/L的最大區域達到了0.021 km2。由表5可知，水動力場減弱的區域懸浮物濃度還是有所增加，在水動力場增強的區域懸浮物濃度會有所減弱。施工期間產生的懸浮物對水體環境的影響有限，僅出現在施工過程和施工結束的短期時間內，當施工結束后，懸浮物對周邊工程海域的影響隨著潮流運動逐漸消失，不會對該海域內的水質和生態環境產生長遠的不利影響。

表5 大潮期漲落急時刻特征點懸浮物濃度變化

4.2 漁港工程對沖淤環境的影響

圍江漁港附近的東吾洋海域沿岸海岸穩定，四周植物茂密，水土保持較好，且區域內無大河流匯入，徑流來沙有限，水清沙少，隨潮流進出的沙量基本平衡，海域泥沙淤積量較小，所以海床較為穩定。漁港工程建設完成后，在一定程度上改變了工程海域的水動力環境，使原先海域潮流場的動態平衡格局發生改變，引發泥沙的沖淤過程。

4.2.1 泥沙淤積計算方法 對泥沙中值粒徑小于0.05 mm的淤泥質海岸，采用目前常用的文獻[9]的公式進行工程泥沙淤積計算：

(8)

式中：v1、v2分別為工程前、后的平均流速(m/s)，由潮流數值計算得到。p是t時段內床面淤積強度，m；S1是相對于平均水深的淺灘水域平均含沙量，kg/m3；t是淤積歷時，s；w是細顆粒泥沙絮凝沉降速度，m/s；γ0是泥沙干密度，kg/m3；d1、d2分別為淺灘的平均水深和工程后的水深，m；K1是橫流的淤積系數，為0.35；K2是順流的淤積系數，為0.13；θ是工程走向與水流流向間的夾角，°。

4.2.2 泥沙淤積結果 港口工程建設后，碼頭北側與馬跡山島西側形成一緩流區，漲落潮時，該區域受碼頭的影響，流速較工程前明顯減小，淤積也主要發生在該區域(圖11)。根據模型預測所得關于泥沙沖淤結論如下：漁港工程的建設，改變了當地海岸線形態，其周邊海域的水動環境也出現相應變化。工程后駁岸南北兩側海域附近流速呈減小趨勢，將會產生一定的泥沙淤積，工程碼頭、駁岸外側的部分區域也會出現不同程度的淤積。工程實施一定時期后，海床沖淤將重新達到平衡，工程建設后的泥沙年淤積厚度分布如圖11所示，在工程南北兩側以及右側貼近工程海域出現淤積，最大淤積厚度發生在工程北側與岸線交接處，達到0.089 m/年，工程周邊平均淤積厚度約在0.035 m/年；工程東側偏向南側海域由于平均流速的增大，將會發生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

4.3 漁港工程對生態環境的影響

工程施工過程中泥沙懸浮物入海降低了海水透明度，海水中浮游植物(如海帶、紫菜等)的光合作用和正常生長會受到一定的影響。根據實地調查，在漁港東北側處有一片開放式海帶養殖區，養殖面積為40 hm2。海帶養殖期為1～6月，施工期后期將產生一定量的懸浮污染物，會導致海帶養殖區產量下降。

水體渾濁還可能堵塞水生生物的呼吸系統，影響它們的正常生長繁殖。圍江漁港北側與圍江育苗場相連，施工期將產生一定量的懸浮污染物，對于鄰近區域對蝦等育苗的養殖會造成很大影響。

5 結論

針對霞浦縣圍江漁港工程，利用海洋數值模型FVCOM建立了該區域三維水動力模型，經驗證模型能夠較為真實地模擬圍江周邊海域的潮流場，在此基礎上，開展研究海域在工程前后潮流場的變化、施工期懸浮物以及泥沙沖淤情況的分析研究，有關結論如下：(1)圍江漁港附近海域潮流屬于半日潮流，基本呈往復流形式，漲急流速大于落急流速，漲落潮期間北側流速大于南側，沿岸流的流場特征非常明顯。工程實施后，對以工程區為中心周圍600 m海域的水流環境產生影響，主要影響區域集中在工程南北沿岸兩側，漲潮時刻北側流速變化相對較大，流速減小幅度為0.04～0.42 m/s；落潮時南側流變化較大，流速減小幅度為0.24～0.40 m/s，工程東南側流向變化相對明顯，最大偏移達到71.15°。而離港口較遠的外圍海域流速流向受工程的影響均不明顯。(2)施工期懸浮物計算結果表明，施工期間碼頭附近會產生懸浮泥沙，最大影響區域達到了0.021 km2，將會對周圍海帶及對蝦養殖產生影響，建議工程施工盡量避開養殖期。(3)工程海域海岸穩定， 并且區域內無較大的河流流入，徑流挾沙有限，通過數值模擬和泥沙淤積計算，整個工程區周邊海域淤積量較小，但由于工程建設后碼頭凸出，與南北兩側岸線形成半封閉的內灣，流速減小，存在淤積的可能，最大淤積厚度達到 0.089 m/年，平均淤積厚度約在0.035 m/年；而工程東側偏向南側海域由于平均流速的增大，將會發生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

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