圍填海工程對渤海寒潮風暴潮能量場的影響

劉 欣，鄧曉卓，鄭欣田，王敬烜，李泉杰，丁玉梅

（天津科技大學，天津 300457）

風暴潮是由熱帶氣旋、溫帶氣旋以及寒潮大風等大氣擾動引起的局地海平面異常升高或降低的現象[1]。風暴潮災害是全球范圍內最嚴重的海洋災害，在西北太平洋沿岸國家中，我國是風暴潮災害發生次數最多、損失最嚴重的國家之一[2-3]。渤海地處中國大陸東部北端，屬于半封閉淺海，平均水深只有18 m，在春、秋季節，我國渤海和黃海北部容易遭受寒潮風暴潮的影響[1,4]。近年來，渤海地區大力發展海洋經濟，興起圍填海造地、海堤和港口的熱潮。統計數據顯示，從2000 年到2010 年的10 年間，渤海海域的圍填海面積多達600 km2，岸線增加了331.6 km[5]，其中天津濱海新區共圍墾灘涂108 km2，曹妃甸新區共圍墾灘涂110 km2。大規模的圍填海工程在產生巨大社會經濟效益的同時，也給海洋生態環境造成了深遠的影響[6]。海堤建設改變局地海岸岸線和地形，改變不同深度的海域面積和岸線長度，對于潮波和風暴潮等重力長波的傳播、折射、反射和底能量耗散等產生很大影響，圍填海工程能夠改變波動的相位和能量空間分布，直接影響到海域的水動力環境，并對風暴潮過程造成一定的影響[7-8]。

Xie Y 等[9]利用Mike 軟件建立了風暴潮模型，指出圍填海引起的海平面邊界改變是影響杭州灣風暴潮的主要因素，岸線變化使杭州灣風暴潮增水在增加。Guo Y 等[10]指出，海岸工程使杭州灣灣口局部變得狹窄，海底地形發生改變，限制了流場的運動，使風暴潮水位升高。趙鑫等[11]利用SWAN 模型，研究了岸線變化對渤海灣風浪場的影響，指出圍填海工程對波浪有效波高及波周期的影響程度不大。Ding Y 等[12]研究了圍填海工程對渤海風暴潮增水的影響，使塘沽港等站位的風暴潮增水增加明顯。本文利用FVCOM 淺海動力模型[13],對渤海寒潮風暴潮過程進行數值模擬和動力機制分析，研究圍填海工程對渤海寒潮風暴潮能量場的影響。

1 模型設置與評價

基于FVCOM 淺海動力模型，建立了渤海潮汐和風暴潮模型，對2003 年10 月的渤海潮汐過程和寒潮風暴潮過程進行數值模擬。模型采用2000 年渤海岸線和圍填海工程后的2010 年岸線數據，模型中的水深數據采用 Choi B H 等[14]提供的東中國海水深數據插值到網格點上。渤海灣地區的岸線數據是通過衛星反演獲得高分辨率岸線[5]，分辨率為0.001°。

模型的研究區域為整個渤海海域，開邊界設在渤海海峽的東部。模型研究區域的經緯度范圍為北緯 37°～41°，東經 117°～123°。研究區域的地形及水深見圖1。

利用渤海2000 年海岸線數據進行潮汐和風暴潮數值模擬，并對模擬數據進行驗證分析。首先利用SMS 軟件，對模型研究海域進行三角形網格劃分。在渤海灣塘沽港沿岸附近，模型設置的網格分辨率為300 m，隨著離岸距離的增加，分辨率依次變化為 1 000 m、2 000 m、4 000 m 和 8 000 m，到渤海海峽開邊界區域，達到10 000 m。三角形網格節點數為66 040 個，網格單元個數為129 710 個，開邊界節點個數為27 個。在開邊界，利用OTPS 軟件預報得到實時水位驅動，對M2、S2和K1等8 個主要分潮進行調和分析，提供海洋水邊界條件。模型使用的風場數據來自中尺度氣象預報模型WRF 風場數據[15]，時間分辨率是每3 小時一次，空間分辨率是0.1°×0.1°，利用潮汐和風場共同驅動 FVCOM 模型。

圖1 模型研究的渤海海域地形和水深圖

結合渤海潮汐模型的輸出數據，利用T-tide 軟件對渤海各個主要分潮進行了調和分析，調和分析得到的調和常數與驗潮站的觀測數據基本一致（表1）。

表1 M2 分潮調和常數觀測值和模擬值的比較

圖2 和圖3 分別是模擬得到的曹妃甸港和黃驊港的潮汐流速分量，圖中顯示潮汐最大流速在0.4～0.6 m/s 之間，流向為明顯的往復流，呈現明顯的不正規半日潮特征，模擬的流速和流向數據與實測數據進行對比分析，結果和實測數據基本吻合。對2003 年10 月渤海寒潮風暴潮過程進行數值模擬，計算塘沽站風暴潮增水和風速時間序列，二者的相關系數為0.95，成顯著相關。氣壓場對渤海風暴潮的影響效應不明顯。在渤海海域，和風場相比氣壓場是一個小量，可以不予考慮，風應力是渤海風暴潮的主要強迫動力[1]。對塘沽站等站位的風暴潮增水和實測增水數據的時間序列進行了對比，模型數據與實測數據在增水極值、過程、趨勢都基本一致[12,16]。這說明本文建立的潮汐模型和風暴潮模型可以用來研究渤海海域的寒潮風暴潮過程及其動力學特征。

2 模擬結果分析

圖2 模擬的曹妃甸港潮汐流速和流向與實測數據對比

圖3 模擬的黃驊港潮汐流速和流向與實測數據對比

圍填海工程對岸線影響較大的是渤海灣，其次是萊州灣，最后是遼東灣。為了進行對比，選取渤海灣海域的曹妃甸港、塘沽港和黃驊港以及萊州灣的羊角溝港、遼東灣的葫蘆島港作為五個主要站位（圖1），考察各站位能量密度的分布，研究岸線變化對渤海寒潮風暴潮能量場的影響。

風暴潮能量密度是指單位面積的水柱體所具有的動能能量密度與勢能能量密度之和，自海底到海面單位面積水柱體所包含的能量密度如下[17-18]，

式中：E表示總能量密度；Ke表示動能能量密度，Pe表示勢能能量密度；ρ=1.025×103kg/m3表示海水密度；g=9.8 m/s2表示重力加速度；H表示海底到海面的總水深；ζ 表示水位；u和 ν 分別表示垂向平均的關于x方向和y方向的流速分量。

2.1 圍填海工程對曹妃甸港能量密度的影響

曹妃甸港位于渤海灣灣口東北部, 與 2000 年岸線相比, 圍填海工程使其岸線形狀發生顯著變化。圖4-a 顯示，寒潮風暴潮期間，岸線變化使曹妃甸港風暴潮水位有少量增加，增幅大約在0.2 m 左右。岸線變化后，曹妃甸港海域的風暴潮流速明顯減少，特別是沿岸海域，風暴潮流速減幅在0.2～0.6 m/s左右（圖 4-b）。

根據能量密度方程，計算了曹妃甸港圍填海工程前后風暴潮期間的能量密度變化。如圖5 顯示，如果不考慮岸線變化，在風暴潮中期，風暴潮能量密度有明顯增加的趨勢，這是由于風暴潮期間風應力的作用，使風暴潮流速和水位都有明顯增加。考慮岸線變化后，在風暴潮初期，由于曹妃甸港水位較低，因此勢能能量密度較小，岸線變化前后勢能能量密度變化不大。隨著風暴潮水位逐漸增加，曹妃甸港的勢能能量密度逐漸增加，特別是在風暴潮中期，勢能能量密度最大增加幅度大約是2×103kg/s2（圖5-a），在風暴潮期間，勢能能量密度有明顯的震蕩，分析這與潮汐振幅的周期性有關。岸線變化后，在風暴潮初期，曹妃甸港動能能量密度變化不大。在風暴潮中期，相比2000 年，由于受圍填海工程阻水效應的影響，風暴潮流速有明顯減少的趨勢，水動力明顯減弱直接導致曹妃甸港風暴潮動能能量密度顯著減少（圖5-b）。圖5-c 顯示，由于曹妃甸港沿岸水位較淺，勢能能量密度與動能能量密度量階相同，而動能能量密度變化較大，曹妃甸港的總能量密度變化受動能能量密度變化的影響，因此總能量密度相對有減弱的趨勢。

總之，圍填海工程后，在風暴潮初期，曹妃甸港能量密度變化不大。在風暴潮中期，在寒潮大風以及潮汐和風暴潮的相互作用下，曹妃甸港的勢能能量密度有增加的趨勢，由于港口建筑物的阻水效應和岸線形態的約束作用，水動力明顯減弱，動能能量密度有減弱的趨勢，曹妃甸港總能量密度受動能能量密度的影響，有明顯減少的趨勢。

圖4 圍填海工程前后曹妃甸港風暴潮水位和平均流速的比較

圖5 圍填海工程前后曹妃甸港風暴潮能量密度的比較

2.2 圍填海工程對黃驊港能量密度的影響

黃驊港位于環渤海經濟圈的中部，是古黃河河口沖積區，港口附近水淺坡緩，是典型的人工大港，也是我國的主要煤炭輸出港之一，港口建筑物向東北方向延伸，其形狀和寒潮東北風向大致相同。圍填海工程后，黃驊港南北兩側海域的風暴潮水位有少量增加，增幅在 0.1～0.3m 之間（圖 6-a）。岸線變化后風暴潮流速有相對減少的趨勢，模擬的風暴潮平均流速相對減少了 0.1～0.3 m/s（圖 6-b）。

不考慮岸線的變化，在風暴潮中期，由于東北向寒潮大風的作用，黃驊港的風暴潮水位和流速都明顯增加，因此對應的勢能、動能和總能量密度有明顯增加的趨勢（圖7）。岸線變化后，在風暴潮初期，由于風暴潮水位較小，因此黃驊港勢能能量密度變化不大。在風暴潮中期，隨著風暴潮水位的增加，黃驊港勢能能量密度逐漸增加，在峰值處增加較大，出現最大增幅大約在6×103kg/s2，最大增加量出現的時間和趨勢與風暴潮水位增加相一致（圖7-a）。在風暴潮初期和后期，黃驊港動能能量密度較小而且變化不大，這是由于風暴潮流速變化較小的原因。在風暴潮中期，由于受岸線變化和港口建筑物的影響，黃驊港海域南北兩側的風暴潮平均流速相對有減少的趨勢，因此黃驊港風暴潮動能能量密度有相對減弱的趨勢，最大減幅大約在3×103kg/s2（圖7-b）。從總體趨勢來看，由于黃驊港勢能能量密度比動能能量密度相對較大，因此總能量密度受勢能能量密度的影響較大，有相對增加的趨勢，最大增幅大約在5×103kg/s2（圖7-c）。

總之，圍填海工程后，在寒潮風暴潮期間，由于寒潮大風的作用，黃驊港水位上升，風暴潮勢能能量密度有所增加，由于港口建筑物的阻水效應，風暴潮流速有所減弱，對應的動能能量密度有相對減少的趨勢，計算顯示黃驊港的總能量密度受勢能能量密度的影響較大，因此總能量密度有增加的趨勢。

圖6 圍填海工程前后黃驊港風暴潮水位和平均流速的比較

圖7 圍填海工程前后黃驊港風暴潮能量密度的比較

3 分析與結論

圍填海工程改變渤海局地的岸線形態，改變波動傳播過程，使渤海風暴潮能量場發生改變。在寒潮風暴潮期間，岸線變化后曹妃甸港和黃驊港等站位的風暴潮増水有增加的趨勢，風暴潮流速有相對減弱的趨勢，因此風暴潮勢能能量密度有相對增加的趨勢，其動能能量密度有相對減少的趨勢。在曹妃甸港，由于岸線的變化和建筑物的影響，寒潮風暴潮期間的水位不高，動能能量密度相對減少，總能量密度受動能能量密度影響較大，有相對減弱的趨勢。在黃驊港等站位，勢能能量密度大于動能能量密度，因此岸線變化使風暴潮總能量密度受勢能能量密度影響較大，總能量有增加的趨勢。風暴潮能量密度的變化，將直接影響到能量通量輸運和耗散過程。圍填海工程后，風暴潮增水和風暴潮勢能能量密度的增加，使風暴潮災害的風險性有所增加，也對海堤防護產生不利的影響；同時，由于岸線變化，導致了風暴潮水動力的減弱和動能能量密度相對較少，會對近岸海域附近的泥沙沖淤、污染物輸運造成不利影響。因此，建議相關部門應該保護海洋生態環境，適度評估和規范圍填海工程，減少圍填海工程對海洋環境的不利影響，構建自然化和生態化的海岸線。本文僅局限于風暴潮個例的研究，模擬結果也有待于進一步改進。后續將會繼續研究黃渤海風暴潮能量通量變化以及能量耗散規律，對風暴潮災害進行統計規律的預測研究。