海洋開發活動對萊州灣水動力條件的影響研究?

于曉霞, 王占金, 冷 星， 劉德龍, 楊雪娜, 張啟超， 李愛華

(1．山東省生態環境規劃研究院， 山東 濟南 250000； 2.中國海洋大學， 山東 青島 266100)

萊州灣是渤海三大海灣之一，三面環陸，緊鄰黃河口，位于渤海南部。萊州灣南部近岸海域緊鄰東營市、濰坊市的壽光市、寒亭區、昌邑市等行政區，港口、鹽田密布，經濟發達，存在多個自然保護區和海洋保護區，是山東省內重要自然資源地。

近年來，圍填海、防波堤、擋沙潛堤、海底投石等海洋開發活動強度、密度大幅增加，產生了自然岸線資源縮減、海灣屬性弱化、海灣污染加劇等一系列問題[1]。呂婷等[2]應用MIKE21FM數值模型建立2000和2014年濰坊港及其附近海域的平面二維潮流模型，研究萊州灣海域的水動力環境變化特征；蘇博等[3]通過建立二維平面潮流和對流擴散模型，研究膠萊運河修建對萊州灣水交換及海洋環境的影響；孫欽幫等[4]通過對監測數據分析，研究了萊州灣表層沉積物的石油烴污染狀況和空間分布特征；王衛遠等[5]利用MIKE21FM數值模型搭建包括萊州灣在內的整個渤海水動力模型，對海上風電場工程建設引起的局部潮流場變化進行了研究；劉功鵬等[6]基于MIKE21SW波浪數值模型，對萊州灣海域的設計波浪要素進行了模擬和分析；姜勝輝等[7]采用數值模擬的方法研究了2003—2013年10年前后圍填海工程建設對萊州灣水動力環境的影響。但這些研究有的時間比較久，有的僅研究某種特定海洋活動對局部水動力的影響，而近十年來萊州灣圍填海、海水養殖等各類海洋開發活動強度不斷增大，范圍不斷擴展、影響更加廣泛。因此，有必要對近期海洋開發活動對萊州灣水動力條件影響進行系統研究。

本文采用Mike21 HD數值模擬軟件模擬了2002和2020年萊州灣的潮流場變化，計算了水交換能力，分析研究了海洋開發活動對萊州灣水動力條件和水交換能力的影響。

本研究區域為萊州灣區域，即西起黃河清水溝廢棄河口，東迄屺姆島高角(見圖1)，萊州灣內灣水深較淺，最大水深15 m，大部分區域水深在10 m以內；萊州灣的潮汐主要受黃河口外半日無潮點的影響，潮汐類型屬不規則的混合半日潮海區，受海灣形狀影響，萊州灣的強浪向和常浪向以北向浪(NE-NW)為主。

圖1 研究區域

1 材料和方法

1.1 數據資料

本文采用Mike21 HD模擬軟件，利用海洋工程位置、用海類型、用海方式及用海范圍等海洋開發活動現狀資料，以及BIGEMAP、美國地質勘探局(USGS)等不同分辨率的衛星遙感影像，模擬了2002和2020年萊州灣的潮流場、納潮量、水交換情況，對比分析了近二十年來海洋開發活動對萊州灣水動力影響。

1.2 數值模擬

(1)計算域設置

所建立的海域數學模型計算域范圍為圖2中A(遼寧登沙河)、B(山東雞鳴島)兩點以及岸線圍成的北黃海及渤海海域。模擬采用非結構三角網格，模擬區內潮位潮流驗證點見圖2(a)，計算域模擬網格分布見圖2(b)。

圖2 模擬計算域和驗證點位置圖(a)及大海域計算域網格圖(b)

(2)網格設置

2002年整個模擬區域內由42 169個節點和80 516個三角單元組成；2020年，整個模擬區域內由38 532個節點和70 065個三角單元組成，最小網格間距約20 m。為了更好地對比2002和2020年潮流場變化，除萊州灣外的其他海域網格保持一致。同時，為更加細致研究萊州灣近岸附近海域的潮流狀況，對萊州灣近岸海域，特別是近岸港口附近海域網格進行了局部加密處理(見圖3)。

圖3 加密區域網格分布圖

1.3 計算方法

(1)潮通量

通量(Flux)是指在單位時間內通過某一給定面積(通常指垂直水流方向)的某物質(水、污染物、懸浮泥沙等)的質量或濃度，其具有方向性，可進行矢量計算。水體是泥沙、污染物等輸運的動力和載體，揭示水體的輸移規律能夠更好的揭示灣內物質輸運擴散特征，本次采用垂直口門方向的潮通量表征水沙的輸運特征，計算2002和2020年萊州灣口屺坶島高角至黃河清水溝廢棄河口口門處一個月的漲、落潮通量，分析研究岸線變化對萊州灣潮通量的影響。

(2)水體交換率

預測分析是在潮流場計算基礎之上，加入如下方程：

(1)

式中：P為污染物濃度；M為源項，此處為0；Kx、Ky分別是x、y方向的擴散系數。

(2)

(3)

為分析比較2002、2020年萊州灣海域的水體凈化能力，建立污染物擴散數據模型，假定在萊州灣海域有同樣的溶解態保守污染物，使水體中污染物質的濃度達到某一個特定的量值Wc，且初始時刻均勻分布在附近水域內，假設水邊界入流時給定這種物質在開邊界的濃度為0，計算出不同時刻此種物質的濃度值W，進而通過以下公式計算不同時刻被區外海水置換的比率(也即水體交換率)，來比較2002、2020年附近海域的水體凈化能力。

n=(Wc-W)/Wc。

(4)

式中:n為水體交換率；Wc為原有污染物濃度值；W為每一時刻水體中污染物濃度值。

(3)半交換周期

半交換周期為灣內的平均濃度降為初始濃度一半所需的時間，亦是海灣水交換率達到50%時所需的時間。

1.4 模型驗證

(1)潮位驗證

利用大連、羊頭洼、鲅魚圈、秦皇島、大清河口、塘沽、小清河口、蓬萊、煙臺芝罘島、威海、北隍城等11個潮位站歷史觀測資料經調和分析后，預報出大潮期的潮位與計算結果進行驗證；利用萊州灣多個站位(T2，T3，T4，如圖2所示)實測潮位觀測資料與大潮期的潮位計算結果進行驗證。潮位驗證曲線如圖4(a)和圖4(b),其余圖不在此一一列出。潮位驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮位值與實測潮位基本吻合。

圖4 潮位驗證曲線(大連) (a)及潮位驗證曲線(T2) (b)

(2)潮流驗證

于2020年4月27日10:00時至4月28日11:00時(中潮期)和2020年5月24日10:00時至5月25日11:00時(農歷七月初一至初二，大潮期)在萊州灣海域進行的C1—C9共9個站位海流觀測資料進行潮流驗證，驗證點位置如圖2所示。利用潮流模型模擬萊州灣2020年4月至5月的潮流場，提取C1—C9站位的流速流向與實測潮流進行對比，潮流驗證曲線如圖5(a)和圖5(b)所示，其余圖不在此一一列出。潮流驗證結果表明，對應觀測點上模擬得到的潮流流速流向與實測潮流基本吻合，能夠較好地反映規劃周邊海域潮流狀況。

圖5 潮流驗證曲線(C1站位中潮、大潮) (a)及潮流驗證曲線(C2站位中潮、大潮)(b)

2 結果和討論

2.1 潮流場模擬結果

萊州灣海域潮流場是以濰坊港的潮汐變化為參照時間。低平潮瞬時的潮位最低，萊州灣海域為弱的漲潮流；此后，隨著潮位的升高，落潮流逐漸減弱，外海引起的漲潮流逐漸增強；在漲急瞬時，漲潮流速達到最大，此時計算海域均為漲潮流；隨著潮位的繼續抬高，漲潮流速逐漸減小，當到達高平潮瞬時，潮位最高，萊州灣海域轉變為落潮流；此后，隨著潮位的降低，落潮流逐漸增強；在落急瞬時，落潮流速最大，計算海域均為落潮流；隨著潮位的繼續降低，潮流場又到達低平潮瞬時。如此周而復始，就形成了萊州灣海域的潮流場變化。

2002年萊州灣大潮期漲急時和落急時的潮流場如圖6所示，2020年大潮期漲急時和落急時的潮流場如圖7所示。

2.1.1 2002年 漲急時，計算域內的潮流由萊州灣外向灣內流動，潮流流速一般在10～95 cm/s之間。東側海域灣頂附近潮流流向為南向，至萊州淺灘處流向轉為西南向，且流速達到最大值，為126 cm/s；繞過萊州淺灘，潮流轉向南流動。西側海域灣頂附近潮流流向為南向，在黃河口南側海域潮流由東南往西北流；萊州淺灘以西至黃河口之間海域，潮流由東北往西、西南流，如圖6(a)所示。

落急時，潮流分布情況與漲急時潮流場相似，只是流向與漲急時潮流場剛好相反。潮流整體由萊州灣內向灣外流動，潮流流速一般在10～90 cm/s之間，在萊州淺灘處流速最大值可達124 cm/s，如圖6(b)所示。

圖6 2002年計算潮流場(大潮期，漲急時) (a)及2002年計算潮流場(大潮期，落急時) (b)

2.1.2 2020年 漲急時，計算域內的潮流由萊州灣外向灣內流動，潮流流速一般在10～95 cm/s之間。東側海域灣頂附近潮流流向為南向，至萊州淺灘處流向轉為西南向，且流速達到最大值，為123 cm/s；繞過萊州淺灘，潮流轉向南流動。西側海域灣頂附近潮流流向為南向，在黃河口南側海域潮流由東南往西北流；萊州淺灘以西至黃河口之間海域，潮流由東北往西、西南流，如圖7(a)所示。

落急時，潮流分布情況與漲急時潮流場相似，只是流向與漲急時潮流場剛好相反。潮流整體由萊州灣內向灣外流動，潮流流速一般在10～85 cm/s之間，在萊州淺灘處流速最大值可達116 cm/s，如圖7(b)所示。

圖7 2020年計算潮流場(大潮期，漲急時) (a)and 2020年計算潮流場(大潮期，落急時) (b)

2.2 潮流流速變化分析

運用潮流數值模擬結果，將2020年與2002年萊州灣最大潮流流速進行對比分析，如圖8所示，結果表明，相較于2002年，2020年萊州灣中部流速變化較小，西部流速略有增加、東部流速略有減小，變化值介于0～0.05 m/s之間。

圖8 萊州灣最大潮流流速變化圖(2002—2020年)

近岸附近海域，受圍填海等工程建設影響，潮流流速變化較大。其中，廣利港和濰坊港防波堤堤頭、裕龍島2號島防波堤西側海域流速增加較為明顯，增加值介于0.24～0.46 m/s之間；黃河口南側、濰坊港東側、膠萊河口兩側鹽田附近海域流速明顯減小，減小值介于0.25～0.5 m/s之間。

2.3 潮通量變化分析

(1)萊州灣海域水體體積變化

由于萊州灣沿岸工程的建設，萊州灣海域面積有所減小，2020年萊州灣海域面積較2002年減小了464.39 km2。對比姜勝輝等[7]研究結論：2013年萊州灣海域面積較2003年減小了323.11 km2。本次研究顯示2013年以來海洋開發活動使得萊州灣海域面積進一步縮減。根據萊州灣水深地形資料，按照平均海平面計算，2002年萊州灣海域水體體積約4.82×1010m3，2020年萊州灣海域水體體積約4.76×1010m3，2020年萊州灣體積較2002年減小了1.4%。

(2)萊州灣潮通量變化

萊州灣潮通量計算結果見表1，對比發現，2020潮通量較2002年呈減少趨勢，其中，落潮通量減小約1.70×109m3(變化率約0.43%)，漲潮通量減小約1.47×109m3(變化率約0.38%)，凈通量減小約2.30×108m3(變化率約6.85%)。呂婷等[2]采用數值模擬方法計算萊州灣納潮量的結果表明：2014年萊州灣納潮量較2000年減小了3.2%。其萊州灣納潮量變化趨勢與本研究潮通量變化趨勢結果一致，而圍填海工程對海域空間占用都被認為是造成萊州灣總體潮通量減小的主要原因。

表1 2002年和2020年萊州灣口一個月潮通量計算結果

2.4 萊州灣水體交換率變化分析

采用以上污染物擴散數學模型，計算萊州灣海域污染物的輸移擴散規律，得到萊州灣內30天的水體交換率曲線，2002年曲線如圖9(a)，2020年曲線圖9(b)，2002年和2020年水體交換率對比圖見圖9(c)。

圖9 30天水體交換率等值線圖 (2002) (a)，30天水體交換率等值線圖 (2020) (b)及30天水體交換率對比圖(c)

根據2002年和2020年水體交換率對比圖可以看出， 2020年萊州灣大部分區域水交換能力有所下降，下降幅度介于0～15.5%之間。而姜勝輝等[7]研究表明：2013年萊州灣30 d水體交換率較2003年減小0.55%～7.02%。通過對比可知：2020年萊州灣水體交換能力較2013年進一步下降。其中濰坊港和廣利港區防波堤堤頭、老黃河口南側、萊州灣灣口中部及裕龍島2號島防波堤堤頭附近海域水交換率減小較為明顯。黃河口南部、龍口港南側、裕龍島及濰坊港防波堤和廣利港防波堤之間海域水交換能力增強，介于0～28%之間；其中濰坊港和廣利港防波堤之間的小清河河口處水交換率明顯增加，增加值介于7%～28%。

2.5 半交換周期計算結果

半交換周期為灣內的平均濃度降為初始濃度一半所需的時間，亦是海灣水交換率達到50%時所需的時間，萊州灣海域2002年和2020年半交換周期分布，見圖10(a)和10(b)。

萊州灣海域水交換是自灣口向灣內進行，近岸交換速度慢于外海。在萊州灣灣口附近半交換周期最短，半交換周期約為105 d；萊州灣東南部刁龍嘴附近海域水交換周期最長，最大值可達150 d。

2002和2020年海域半交換周期變化對比如圖10(c)所示，濰坊港防波堤堤頭處和萊州灣中部海域半交換周期呈增大趨勢，增加值最大可達25 d；萊州灣西部廣利港附近海域、東部萊州港附近海域呈下降趨勢，減小值可達20 d。因此，半交換周期變化顯著海域多位于防波堤、港口附近海域。

圖10 2002年半交換周期分布圖(單位：d)(a), 2020年半交換周期分布圖(單位：d) (b)及2002/2020半交換周期變化對比圖(單位：d)(c)

3 結論

(1)相較于2002年潮流數值模擬結果，2020年萊州灣中部、西部、東部流速變化較小，變化值介于0～0.05 m/s之間。近岸附近海域，受海洋開發活動影響，潮流流速變化較大。其中，廣利港和濰坊港防波堤堤頭、裕龍島2號島防波堤西側海域流速增加較為明顯，增加值介于0.24～0.46 m/s之間；黃河口南側、濰坊港東側、膠萊河口兩側鹽田附近海域流速明顯減小，減小值介于0.25～0.5 m/s之間。

(2)由于萊州灣海洋開發活動，海域面積有所減小，2020年萊州灣海域面積較2002年減小了464.39 km2，潮通量隨之減少。與2002年相比，2020年萊州灣口門一個月的落潮通量減小約1.70×109m3(變化率約0.43%)，漲潮通量減小約1.47×109m3(變化率約0.38%)，凈通量減小約2.30×108m3(變化率約6.85%)。

(3)與2002年相比，2020年萊州灣東部海域30 d的水體交換率有所減小，減小值約2%～10%。萊州灣海域水交換是自灣口向灣內進行，近岸交換速度慢于外海。在萊州灣灣口附近半交換周期最短，半交換周期約為105 d；萊州灣東南部刁龍嘴附近海域水交換周期最長，最大值可達150 d。濰坊港防波堤堤頭處和萊州灣中部海域半交換周期呈增大趨勢，增加值最大可達25 d。

綜上，海洋開發活動導致萊州灣潮通量減小，海域整體水體交換率減小，半交換周期增大，不利于污染物的擴散，降低了萊州灣水環境承載力。