霞浦圍江漁港工程對(duì)附近海域水文環(huán)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(xué)海洋學(xué)院，江蘇南京 210098； 2.國(guó)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(cè)的沙江鎮(zhèn)圍江村，東臨東吾洋，該地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)為漁業(yè)以及特色海產(chǎn)品養(yǎng)殖加工業(yè)，目前該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到了無(wú)完備碼頭、海產(chǎn)品堆放地不足等瓶頸問(wèn)題，建設(shè)圍江漁港將解決上述問(wèn)題并進(jìn)一步促進(jìn)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。東吾洋海域潮汐類(lèi)型屬于正規(guī)半日潮型，落潮歷時(shí)略短于漲潮歷時(shí)。海域潮流是正規(guī)淺海潮流類(lèi)型，潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主，余流較小。

海洋工程的建設(shè)在一定程度上會(huì)對(duì)周?chē)Ｓ虻乃纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，已有較多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究[1-5]，而對(duì)處于內(nèi)灣的漁港工程更容易影響到當(dāng)?shù)卮嗳醯乃纳鷳B(tài)環(huán)境。為了解圍江漁港建設(shè)后對(duì)水文環(huán)境的影響，基于海域?qū)崪y(cè)水文測(cè)驗(yàn)資料，應(yīng)用海洋數(shù)值模型(finite volume coast and ocean model，簡(jiǎn)稱(chēng)FVCOM)以及泥沙淤積強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，研究圍江漁港的建設(shè)對(duì)周邊海域水文泥沙環(huán)境產(chǎn)生的影響，該研究結(jié)果可為其他地區(qū)漁港規(guī)劃建設(shè)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

本研究使用的潮位驗(yàn)證資料是收集了處于計(jì)算區(qū)域3個(gè)長(zhǎng)期驗(yàn)潮站為期1個(gè)月的潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)。潮流驗(yàn)證資料采用布設(shè)的3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)流速流向水文觀測(cè)調(diào)查站的數(shù)據(jù)，在大潮期間分別進(jìn)行25 h以上的周日全潮測(cè)驗(yàn)。各站點(diǎn)位置信息分布及觀測(cè)時(shí)間如圖1、表1所示。

表1 站位信息

1.2 FVCOM模型簡(jiǎn)介

應(yīng)用的FVCOM數(shù)值模式是由美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)(University of Massachusetts)與伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的三維海洋模式[6]，模型在水平方向采用非結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格，以便更好地?cái)M合圍江漁港附近復(fù)雜的岸線、島嶼和地形特征，垂直向采用σ坐標(biāo)，以模擬不規(guī)則的底部地形水深變化，該模式在解決淺海陸架、生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型中復(fù)雜曲折的岸線擬合以及計(jì)算有效性等方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

FVCOM模型控制方程所用的動(dòng)量方程、連續(xù)方程、狀態(tài)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(shù)，rad/s；ζ是水位，m；Km為垂直旋轉(zhuǎn)黏性系數(shù)；Kh為熱量垂直旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)。

1.3 模型設(shè)置

為保證工程海域流場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，本次模擬對(duì)模擬區(qū)域附近的實(shí)測(cè)水位資料進(jìn)行整理，利用基于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的東中國(guó)海潮汐模型中8個(gè)主要分潮(M2、S2、K1等)和3個(gè)淺水分潮(M4、M6、MS4等)的預(yù)報(bào)結(jié)果作為開(kāi)邊界條件，并利用長(zhǎng)期驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)水位進(jìn)行修訂。模型計(jì)算采用的岸線來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，簡(jiǎn)稱(chēng)NOAA)發(fā)布的高精度岸線數(shù)據(jù)。模型中內(nèi)灣水深資料采用的是由中國(guó)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(shù)據(jù)采用的美國(guó)NOAA發(fā)布的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)(圖2)。

模型中采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格來(lái)剖分計(jì)算域，以便更好地模擬復(fù)雜岸線邊界，為更準(zhǔn)確地刻畫(huà)工程海域地形，根據(jù)計(jì)算精度要求對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行逐層加密處理[7](圖2)，在小尺度比例下對(duì)工程附近的環(huán)境影響因子進(jìn)行模擬，以達(dá)到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)效果。整個(gè)計(jì)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(jì)算網(wǎng)格最低水平分辨率為3 400 m，最高水平分辨率為20 m，整個(gè)區(qū)域共分成48 855個(gè)網(wǎng)格，26 025個(gè)節(jié)點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域(即漁港附近的加密網(wǎng)格區(qū)域)的網(wǎng)格數(shù)為2 193個(gè)，垂直向σ坐標(biāo)均勻分為6層，模型計(jì)算的最小時(shí)間步長(zhǎng)為3 s。

2 模型驗(yàn)證

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)實(shí)測(cè)的潮位數(shù)據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(以大小潮為例，圖3)，計(jì)算的水位過(guò)程與實(shí)測(cè)資料吻合較好，潮漲歷時(shí)與落潮歷時(shí)基本一致，相位誤差不超過(guò)0.2 h，潮位最大誤差為15 cm，平均絕對(duì)偏差為9 cm。

同時(shí)對(duì)計(jì)算區(qū)域3個(gè)站點(diǎn)大潮期間的流速、流向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，定點(diǎn)站的位置信息如圖1和表1所示，各測(cè)站流速、流向的驗(yàn)證結(jié)果(圖4，為方便驗(yàn)證，漲潮時(shí)流速大小為正，落潮時(shí)為負(fù))表明，整體上流速、流向的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值基本吻合，漲落潮時(shí)最大流速值以及其出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)際情況符合良好。

通過(guò)誤差計(jì)算，各站大潮時(shí)段流速平均絕對(duì)偏差一般在0.089～0.129 m/s之間，相對(duì)誤差在7.5%～9.5%之間；平均流向偏差為6°～8°，流向相對(duì)流速而言，模擬結(jié)果符合較好；高低潮及轉(zhuǎn)流的時(shí)間也基本一致(表2)。

通過(guò)潮位和潮流的對(duì)比驗(yàn)證可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)過(guò)程吻合較好，為滿足規(guī)范要求[7]，所建模型能夠較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)圍江漁港附近海域水動(dòng)力情況，并為進(jìn)一步研究海洋水文環(huán)境的影響問(wèn)題提供基礎(chǔ)。

3 漁港工程對(duì)周?chē)Ｓ虺绷鲌?chǎng)的影響

為分析圍江漁港工程建成后對(duì)周邊海域潮流場(chǎng)的影響，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果給出網(wǎng)格加密區(qū)域中工程前后大潮、小潮漲落潮流場(chǎng)(圖5、圖6)。由工程前的模擬結(jié)果可知，漲急時(shí)刻在沙江鎮(zhèn)圍江村東側(cè)海域形成比較明顯的沿岸流，漲潮流向?yàn)楸毕?，但由于受到凸地形的影響，北?cè)流速較大，南側(cè)流速較小，圍江東北側(cè)流速最大，大潮漲潮時(shí)達(dá)到1.6 m/s，小潮漲潮時(shí)達(dá)到1.2 m/s；落急時(shí)刻，流向基本為南向，圍江村南側(cè)受地形阻擋，流速較小，在0.0～0.3 m/s之間，北側(cè)流速依然較大。總體而言，工程建設(shè)前漲急流速大于落急流速。沿岸流的流場(chǎng)特征非常明顯。

通過(guò)工程實(shí)施前后流場(chǎng)對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，工程建設(shè)后對(duì)以工程為中心的小區(qū)域范圍流場(chǎng)有著較大影響，而對(duì)外圍區(qū)域影響較小。工程后漲潮時(shí)期由于受到駁岸的阻擋作用流向變化明顯，在北側(cè)沿岸海域流速明顯減小；落潮時(shí)期，在漁港南側(cè)、西南側(cè)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(shí)施對(duì)流場(chǎng)的影響，給出工程建設(shè)后流速變化等值線(圖7)，并在工程周邊海域按工程北側(cè)、內(nèi)圈、南側(cè)、東側(cè)、外圍5個(gè)區(qū)域選取25個(gè)特征點(diǎn)(圖8)，由于篇幅受限，本研究只對(duì)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(shí)，圍江漁港的北側(cè)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(cè)最里處速度幾乎為0，S5特征點(diǎn)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?hào)|側(cè)以及南側(cè)也有一定的影響，流速較少了0.1 m/s左右。在工程?hào)|南測(cè)主要體現(xiàn)在流速的變化上，流向變化不大。在離工程區(qū)較遠(yuǎn)處區(qū)域受工程影響較小，特征點(diǎn)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(shí)，圍江漁港南側(cè)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(shè)前其流速大小約在0.26～0.45 m/s之間，工程建設(shè)后，平均流速不到0.1 m/s，在貼近工程右側(cè)處的S8、S9特征點(diǎn)處流速減小幅度達(dá)0.6 m/s，緊貼工程內(nèi)圈各點(diǎn)平均流速變化為0.38 m/s，流向變化在2°～130°之間。在工程?hào)|側(cè)稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的區(qū)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(yuǎn)的特征點(diǎn)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(shè)的影響。

總體來(lái)看，圍江漁港工程建設(shè)只對(duì)以工程區(qū)為中心周?chē)?00 m海域的水流產(chǎn)生影響。主要變化區(qū)域集中在工程南北沿岸兩側(cè)，漲潮時(shí)刻北側(cè)流速變化相對(duì)較大，落潮時(shí)南側(cè)流變化較大，工程?hào)|南側(cè)流向變化相對(duì)明顯，而離港口較遠(yuǎn)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(shè)前后特征點(diǎn)漲急流速流向變化(大潮)

4 圍江漁港建設(shè)對(duì)水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境影響分析

漁港工程建設(shè)后，將會(huì)破壞原先海域中水動(dòng)力的動(dòng)態(tài)平衡格局，從而改變漁港周?chē)w含沙量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積航道的現(xiàn)象，再加上該海域的水深較淺，航行安全將會(huì)受到更大威脅。此外，涉海工程建設(shè)后對(duì)工程海域的潮流場(chǎng)變化及泥沙輸運(yùn)特征都會(huì)產(chǎn)生一定影響，也會(huì)在不同程度上改變當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[8]。因此，漁港工程的建設(shè)須控制好對(duì)海洋水文環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等的影響。

4.1 施工期懸浮泥沙

漁港施工過(guò)程中施工人員的生活污水以及施工機(jī)械產(chǎn)生的污水經(jīng)處理后會(huì)排放到附近海域產(chǎn)生懸浮物，對(duì)海域環(huán)境造成影響。在水動(dòng)力預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上聯(lián)合污染物擴(kuò)散方程，利用FVCOM模型對(duì)海域懸浮物的分布進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。

4.1.1 預(yù)測(cè)模式 預(yù)測(cè)模式通過(guò)FVCOM模型計(jì)算，把污染物擴(kuò)散方程和二維水流預(yù)測(cè)模式聯(lián)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(kuò)散系數(shù)，m3/s；u、v為水平方向流速分量，m/s；M為源項(xiàng)，M=M0-α×ω×P；α為沉降系數(shù)，取值為0.52；ω為沉速，kg/s；其他符號(hào)與潮流預(yù)測(cè)模式相同。

4.1.2 預(yù)測(cè)條件 按照國(guó)家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，在三級(jí)漁港附近懸浮物的排放濃度人為增加的量應(yīng)≤150 mg/L，而農(nóng)業(yè)區(qū)附近的懸浮物排放濃度人為增加的量應(yīng)≤10 mg/L。根據(jù)工程分析結(jié)果，本項(xiàng)目施工期懸浮物源強(qiáng)為0.59 kg/s，預(yù)測(cè)中以此作為懸浮物預(yù)測(cè)源強(qiáng)。

表4 工程建設(shè)前后特征點(diǎn)落急流速流向變化(大潮)

4.1.3 預(yù)測(cè)結(jié)果 由圖9可知，最大影響區(qū)域出現(xiàn)在落急時(shí)刻。還可以看出，施工期懸浮物最大影響區(qū)域(即人為懸浮物濃度增加量超過(guò)10 mg/L的區(qū)域)主要集中在網(wǎng)格加密區(qū)。這里離源強(qiáng)比較近，且靠近岸及駁岸碼頭，構(gòu)成了1個(gè)狹小區(qū)域，使得水動(dòng)力場(chǎng)在該區(qū)域減弱很多，導(dǎo)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(shí)碼頭駁岸的水流來(lái)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(dá)到31.2 mg/L。由此可以認(rèn)為，此時(shí)漁港建設(shè)工程對(duì)周?chē)Ｓ蛩|(zhì)環(huán)境有一定的影響。

施工期間懸浮物最大可能影響范圍，通過(guò)計(jì)算可知人為濃度增加10 mg/L的最大區(qū)域達(dá)到了0.021 km2。由表5可知，水動(dòng)力場(chǎng)減弱的區(qū)域懸浮物濃度還是有所增加，在水動(dòng)力場(chǎng)增強(qiáng)的區(qū)域懸浮物濃度會(huì)有所減弱。施工期間產(chǎn)生的懸浮物對(duì)水體環(huán)境的影響有限，僅出現(xiàn)在施工過(guò)程和施工結(jié)束的短期時(shí)間內(nèi)，當(dāng)施工結(jié)束后，懸浮物對(duì)周邊工程海域的影響隨著潮流運(yùn)動(dòng)逐漸消失，不會(huì)對(duì)該海域內(nèi)的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的不利影響。

表5 大潮期漲落急時(shí)刻特征點(diǎn)懸浮物濃度變化

4.2 漁港工程對(duì)沖淤環(huán)境的影響

圍江漁港附近的東吾洋海域沿岸海岸穩(wěn)定，四周植物茂密，水土保持較好，且區(qū)域內(nèi)無(wú)大河流匯入，徑流來(lái)沙有限，水清沙少，隨潮流進(jìn)出的沙量基本平衡，海域泥沙淤積量較小，所以海床較為穩(wěn)定。漁港工程建設(shè)完成后，在一定程度上改變了工程海域的水動(dòng)力環(huán)境，使原先海域潮流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)平衡格局發(fā)生改變，引發(fā)泥沙的沖淤過(guò)程。

4.2.1 泥沙淤積計(jì)算方法 對(duì)泥沙中值粒徑小于0.05 mm的淤泥質(zhì)海岸，采用目前常用的文獻(xiàn)[9]的公式進(jìn)行工程泥沙淤積計(jì)算：

(8)

式中：v1、v2分別為工程前、后的平均流速(m/s)，由潮流數(shù)值計(jì)算得到。p是t時(shí)段內(nèi)床面淤積強(qiáng)度，m；S1是相對(duì)于平均水深的淺灘水域平均含沙量，kg/m3；t是淤積歷時(shí)，s；w是細(xì)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(shù)，為0.35；K2是順流的淤積系數(shù)，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(jié)果 港口工程建設(shè)后，碼頭北側(cè)與馬跡山島西側(cè)形成一緩流區(qū)，漲落潮時(shí)，該區(qū)域受碼頭的影響，流速較工程前明顯減小，淤積也主要發(fā)生在該區(qū)域(圖11)。根據(jù)模型預(yù)測(cè)所得關(guān)于泥沙沖淤結(jié)論如下：漁港工程的建設(shè)，改變了當(dāng)?shù)睾０毒€形態(tài)，其周邊海域的水動(dòng)環(huán)境也出現(xiàn)相應(yīng)變化。工程后駁岸南北兩側(cè)海域附近流速呈減小趨勢(shì)，將會(huì)產(chǎn)生一定的泥沙淤積，工程碼頭、駁岸外側(cè)的部分區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)不同程度的淤積。工程實(shí)施一定時(shí)期后，海床沖淤將重新達(dá)到平衡，工程建設(shè)后的泥沙年淤積厚度分布如圖11所示，在工程南北兩側(cè)以及右側(cè)貼近工程海域出現(xiàn)淤積，最大淤積厚度發(fā)生在工程北側(cè)與岸線交接處，達(dá)到0.089 m/年，工程周邊平均淤積厚度約在0.035 m/年；工程?hào)|側(cè)偏向南側(cè)海域由于平均流速的增大，將會(huì)發(fā)生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

4.3 漁港工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

工程施工過(guò)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(zhǎng)會(huì)受到一定的影響。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，在漁港東北側(cè)處有一片開(kāi)放式海帶養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖面積為40 hm2。海帶養(yǎng)殖期為1～6月，施工期后期將產(chǎn)生一定量的懸浮污染物，會(huì)導(dǎo)致海帶養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)量下降。

水體渾濁還可能堵塞水生生物的呼吸系統(tǒng)，影響它們的正常生長(zhǎng)繁殖。圍江漁港北側(cè)與圍江育苗場(chǎng)相連，施工期將產(chǎn)生一定量的懸浮污染物，對(duì)于鄰近區(qū)域?qū)ξr等育苗的養(yǎng)殖會(huì)造成很大影響。

5 結(jié)論

針對(duì)霞浦縣圍江漁港工程，利用海洋數(shù)值模型FVCOM建立了該區(qū)域三維水動(dòng)力模型，經(jīng)驗(yàn)證模型能夠較為真實(shí)地模擬圍江周邊海域的潮流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展研究海域在工程前后潮流場(chǎng)的變化、施工期懸浮物以及泥沙沖淤情況的分析研究，有關(guān)結(jié)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(fù)流形式，漲急流速大于落急流速，漲落潮期間北側(cè)流速大于南側(cè)，沿岸流的流場(chǎng)特征非常明顯。工程實(shí)施后，對(duì)以工程區(qū)為中心周?chē)?00 m海域的水流環(huán)境產(chǎn)生影響，主要影響區(qū)域集中在工程南北沿岸兩側(cè)，漲潮時(shí)刻北側(cè)流速變化相對(duì)較大，流速減小幅度為0.04～0.42 m/s；落潮時(shí)南側(cè)流變化較大，流速減小幅度為0.24～0.40 m/s，工程?hào)|南側(cè)流向變化相對(duì)明顯，最大偏移達(dá)到71.15°。而離港口較遠(yuǎn)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(jì)算結(jié)果表明，施工期間碼頭附近會(huì)產(chǎn)生懸浮泥沙，最大影響區(qū)域達(dá)到了0.021 km2，將會(huì)對(duì)周?chē)Ъ皩?duì)蝦養(yǎng)殖產(chǎn)生影響，建議工程施工盡量避開(kāi)養(yǎng)殖期。(3)工程海域海岸穩(wěn)定， 并且區(qū)域內(nèi)無(wú)較大的河流流入，徑流挾沙有限，通過(guò)數(shù)值模擬和泥沙淤積計(jì)算，整個(gè)工程區(qū)周邊海域淤積量較小，但由于工程建設(shè)后碼頭凸出，與南北兩側(cè)岸線形成半封閉的內(nèi)灣，流速減小，存在淤積的可能，最大淤積厚度達(dá)到 0.089 m/年，平均淤積厚度約在0.035 m/年；而工程?hào)|側(cè)偏向南側(cè)海域由于平均流速的增大，將會(huì)發(fā)生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

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