圍填海工程對澳門及附近海域水動力影響研究

張功瑾，羅小峰，路川藤，徐劉宇

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029)

人類活動引起的岸線變遷直接導致海域面積的減少和海床地貌的改變，并進一步影響附近水域和水動力環境[1]。尤其海灣地區進行圍填海工程后，海灣面積減小，納潮能力、水交換能力將有所下降[2-3]。因此，國內外有眾多學者針對岸線變遷前后潮流動力變化特征和機制進行了研究[4-8]。Kang[9]通過數值計算的結果發現沿海海堤的建設導致區域流速降低而落潮流變強。Park等[10]認為沿海地區在筑堤之前，潮流被海岸折射，堤壩建成后堤防移除了淺海岸帶，使潮波的傳播速度加快。婁迪[11]研究發現開場水域岸線的變化對大范圍內海域的潮流動力條件產生的影響很小，近岸海域受到岸線形態影響潮動力變化較大。杜鵬等[12]分析發現膠州灣圍填海工程對附近海域的流場具有較大影響，余流以及潮流變化顯著。陸榮華[13]采用對廈門灣5個典型歷史時期潮流場進行模擬發現圍填海工程的建設對漲落潮潮流流態基本沒有影響，而由于工程建設減小了海域面積，海灣納潮能力減小，灣內潮流流速也減小。

澳門位于廣東省珠江河口西側，北面是拱北經濟特區；東面與香港隔海相望；西側大、小橫琴島(圖1)。澳門水域潮型為不規則半日潮，兩次高(低)潮潮位都不等，成明顯的日潮不等現象。漲落潮歷時相差不大，潮流屬往復式半日潮流。澳門東側水域漲潮流為西北走向，落潮流為東南、西南走向，轉流時作順時針旋轉。澳門水道及十字門水域潮流呈不規則往復流，澳門水道以及上游洪灣水道漲落潮流為東西走向，十字門水道為南北走向，漲落潮流主要來自東側外海伶仃洋和上游洪灣水道下泄徑流等，洪灣水道對于澳門水域匯流區、十字門水道等起調節作用。澳門地理位置特殊，為尋求發展空間而通過圍填海工程不斷向海擴展土地，岸線形態不斷發生變化(圖2)，澳門水域地形地貌及水動力條件也因此發生變化。通過分析澳門岸線變遷的特征，根據實測地形資料探討圍填海工程對地形地貌和水動力的影響有利于深入認識地形地貌演變與潮流動力間的互饋關系。同時，可為今后多種形式岸線變遷共同作用下潮流動力變化的研究提供支撐。

圖1 澳門地理位置

圖2 澳門圍填海工程進程

1 人類活動對澳門海域潮波變形的影響

1.1 澳門海域潮汐調和分析

分潮的概念即將潮汐實際的運動劃分為一定數量的有規律的分振動，分離出的分振動具有一定的周期和振幅等要素，即為分潮。而潮汐調和分析的原理主要是基于強迫震動和小震動疊加來計算各個分潮的調和常數，包括振幅和遲角。海面在周期性外力作用下發生漲落潮,其震動周期和引潮力周期相一致。潮汐理論把潮汐分成一系列簡諧振動之和,每一個簡諧振動稱為一個分潮,某時刻的潮高可以表示為:

(1)

式中：a0為觀測期的平均海面，Hj為分潮振幅，fj為分潮遲角因子，(V0+u)-gj為分潮的初位相，σj為角速度，m是分潮的個數。令fH=R，(V0+u)-gj=-θj，潮汐為多個分潮疊加而成，則有：

(2)

取a=Rcosθ,b=Rsinθ，得到：

(3)

基于澳門站(22°11.28′N，113°31.82′E)1986年至2017年逐年實測潮位資料進行調和常數計算(圖2)，以主要淺水分潮與主要半日分潮振幅比HM4/HM2(淺水影響系數)來分析澳門海域歷年潮波變形分析。HM4/HM2比值越大，說明海域漲落潮歷時差值越大，反之亦然。1986、2010和2018年澳門站各分潮振幅如圖3所示，各分潮振幅變化幅度較小，澳門附近海域正規半日潮特征受圍填海工程影響較小。澳門站淺水影響系數隨著圍填海強度的增大而逐漸增加(圖4)，說明圍填海強度越大，澳門附近海域漲落潮歷時差越大。

圖3 澳門站歷年分潮振幅

圖4 淺水影響系數與圍填海強度關系

1.2 澳門海域潮波突變分析

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種非參數統計檢驗方法。對于樣本個數為n的時間序列x，構造一秩序列：

可見秩序列sk是第i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數。在時間序列隨機獨立的假定下定義統計量：

式中：UF1=0，E(sk)和var(sk)是(sk)的均值和方差。

在x1，x2，……,xn相互獨立，且具有相同連續分布時，可由下式算出：

UFk為標準正太分布，它是按時間序列順序x1，x2，……,xn計算出來的統計量序列。再按時間序列逆序xn，xn-1，……,x1，重復上述過程，同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,……，1)，UB1=0。給定顯著性水平α，α=0.05，臨界值u0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個統計量序列曲線和±1.96兩條直線均繪在同一圖上。

統計分析澳門站1960—2016年潮位特征，分析澳門站歷時潮位特征變化和突變趨勢(如圖5～6)，經過MK檢驗分析，澳門站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年間主要成下降趨勢，在1970年左右下降趨勢明顯，在2000年以后成上升趨勢，尤其在2010年以后上升趨勢明顯；澳門站的年平均高、低潮位發生突變的時間均在2005—2008年間，經分析這期間澳門岸線變化強度最大達到400%。說明人類活動尤其是圍填海工程對海域潮波變形存在直接的影響。

圖5 澳門站年平均低潮位MK檢驗

圖6 澳門站年平均高潮位MK檢驗

2 模型構建與驗證

2.1 模型建立

澳門水域受潮流、徑流共同作用，潮汐通道交錯，水文條件復雜。通過CJK3D數值模擬軟件構建澳門水域二維潮流數學模型，復演澳門水域的潮流運動過程。

1)基本方程

式中：z為潮位；h為水深；H為總水深；u和v分別為x和y方向上的流體速度；f=2Ωsinφ為Coriolis系數，其中Ω為地球自轉角速率，φ為當地緯度；g為重力加速度；C為謝才系數；t為時間；Nx和Ny分別為x和y方向上的水流紊動黏性系數。

采用有限體積法對水動力泥沙方程進行離散，其具體離散方法及邊界條件的處理參考文獻[14]。

2)模型范圍及參數

整體數學模型包括珠江口主要水系網，西側邊界至廣西陽江附近，東側邊界至廣東汕尾附近，南側邊界至珠江口以南250 km處的開闊水域(圖7左)。大模型外邊界通過全球潮汐預報模型Tide-Process提供。局部數學模型的北側邊界到達九州島，西側邊界設在磨刀門附近，東側邊界至桂山島西，南側邊界至工程區以南約30 km處(圖7右)。采用三角形網格剖分單元，模型網格199 045個，最小網格邊長25 m。開邊界設置為上游流量控制，下游水位控制。

圖7 模型范圍

2.2 模型驗證及計算條件

數學模型驗證采用2017年10月6日—7日枯季大潮水情，包括3個潮位站(九州港、澳門外港、澳門南端)，6條潮流垂線，率定內容包括潮位、潮流，驗證點如圖8所示。計算方案及計算條件如圖9和表1所示。圖10為潮位驗證圖，圖11為潮流驗證圖。根據模型驗證結果可見，潮位計算偏差值在0.1 m以內，潮流流速偏差不超過10%，流向計算偏差基本不超過5°。

圖10 潮位驗證圖

圖11 潮流驗證圖

表1 模型計算條件及方案說明

圖8 2017年水文測驗測站布置示意

圖9 計算方案

計算選取洪季半月潮，根據2016年—2018年三年的大九洲潮位資料統計，根據該站三年高潮位、低潮位和潮差累積頻率計算，10%、50%、90%典型代表潮大潮、中潮、小潮的潮差為2.26 m、1.63 m、1.10 m。模擬年份中選取1986年為本底作為對照，對2010年和2019年進行方案分析。

3 人類活動對澳門海域水動力的影響

3.1 圍填海工程對漲落潮歷時的影響

根據模型計算結果，分別提取1986年、2010年、2019年采樣點處4個周期內潮位歷時曲線并統計模型計算時間內的平均漲落潮歷時(見圖12)。1986年至2019年間澳門水域潮位變化幅度較小。

從空間上看，1#點位于十字門水道，由于采樣點靠近岸線，該處潮動力受徑流和岸線形態影響比較明顯，漲潮歷時大于落潮歷時；靠近東側海域的3#采樣點處變化最小，而澳門水道兩側岸線變化后徑流動力影響范圍擴大，2#、4#點受潮流、徑流的共同作用潮位有所下降。根據歷年漲落潮歷時比統計結果(表2)，澳門水道靠近外海處漲落潮歷時有減小趨勢，落潮流優勢有所削弱，同時也說明潮波的淺水效應較弱，潮波變化不明顯。另外，十字門處1#點漲落潮歷時比均大于1.1，2010年岸線變化后歷時比接近1.2，說明水道寬度的減小導致漲落潮不對稱現象，潮波發生較明顯的變形。整體來看，澳門水道以及東側近海水域漲落潮歷時比接近1，漲落潮歷時基本相當，潮波變形程度不明顯。1986年至2010年期間十字門水道以及上游洪灣水道因整治工程岸線劇烈縮窄，可能產生涌潮現象，因此歷時比變化相對較大。從空間上看，澳門水域漲落潮不對稱現象由上游向外海逐漸減小。

表2 各采樣點漲落潮歷時

3.2 圍填海工程對流速的影響

從不同年份模擬的流場分布圖(如圖13和圖14)可見，澳門海域漲潮流分為三股，一股以北偏西然后沿正北方向進入十字門水道，一股以北偏西方向進入澳門水道，另外一股向北繼續上溯，在大九洲以北至淇澳島間水域與上游西灘下泄的水沙相遇，相互頂托形成徑潮相互作用的滯流、回流區。進入十字門水道漲潮流在漲潮初期與澳門水道下泄徑流相互頂托，在十字門水道出口形成緩流區。澳門水道漲潮流流向與機場跑道走向一致。澳門海域落潮流也分為三股，一股是沿澳門水道下泄落潮流，一股是經十字門水道下泄，另外一股是伶仃洋西灘下泄落潮流。其中澳門水道及伶仃洋西灘落潮流主要影響澳門東側水域，影響范圍較廣。

圖13 2010年漲急流態

圖14 2019年落急流態

圍填海工程后，澳門水域潮流的往復流特征不變，澳門水道潮量因斷面面積的減小而減小，漲落急流速普遍減小，澳門新城A區人工島及珠澳口岸工程附近產生雍水現象，流速亦呈減小趨勢。

如圖15，1986—2010年期間，圍填海工程前后十字門水道、澳門水道處潮流走向沒有變化，澳門機場人工島建設后截留的潮流被分成兩股，其中一股從機場東側進出澳門水道，另一股潮流動力較弱，在澳門機場西側海域流動。潮流流向基本與主要水道的走向平行。

圖15 1986—2010年漲急和落急時刻流速差值圖

圍填海工程后，澳門水域的流速整體下降，從變化幅度來看落急流速受到的影響更大，這也說明澳門水道以及東側海域落潮流優勢減弱，漲落潮趨于平衡。

如圖16，2010—2019年期間，人工島建設后對南北走向潮流產生阻擋，局部地區產生雍水和繞流，因此流速有所減小；珠澳口岸南北走向的岸線則對潮流產生引導作用，東側流速有所增大。落急時刻澳門水道出口處流速有所增大。

圖16 2010—2019年漲急和落急時刻流速差值圖

3.3 圍填海工程對余流的影響

澳門在進行大規模圍填海工程前，澳門半島以及路氹兩島岸線曲折，1986年余流分布比較復雜(圖17～圖19)。澳門水道的余流成東西走向往東側海面行進，在氹仔島東北端進入路氹兩島之間形成順時針流場分布；路環島南側余流由南向北行進至路氹東側后形成逆時針流動。澳門水道的東西流和路氹公路東側的南北流在交匯區方向相反、對沖流動，因此在路氹東側間的海域出現較明顯的低流速區。

圖17 1986年澳門水域余流場分布

圖18 2010年澳門水域余流場分布

圖19 2019年澳門水域余流場分布

從空間分布來看，水道內余流流速大于東側海域，余流流速整體較小。2010年與1986年相比，澳門水道處余流流速減小，靠近主槽的3#點處水深增大，流速減小0.07 m/s(圖20和圖21)；1#、7#點余流流速小幅增加，這與洪灣水道束窄后徑流影響范圍增加有關。機場建設后，形成西側半封閉水域，潮動力進一步減弱，8#采樣點余流減小0.02 m/s左右，且受到路氹連島圍填的影響，余流偏轉角度較大達37°。2019年余流流速則基本不變，靠近岸線的2#點處減小幅度最大為0.02 m/s。從3#、4#點的余流變化來看，澳門新城A區填海和珠澳口岸人工島對澳門水域余流的影響有限。

圖20 余流采樣點示意

圖21 采樣點余流流速統計

4 結 語

基于長序列潮位資料，采用調和分析和MK檢驗方法分析了澳門水域及附近海域歷史潮波特性，并建立大范圍二維潮流數學模型，以珠澳人工島及澳門新城A區等大型工程為研究對象，研究人類活動影響下的澳門及附近海域水動力變化特征。

1)澳門站的年平均高潮位和低潮位在1960—2000年間主要成下降趨勢，在1970年左右下降趨勢明顯，在2000年以后成上升趨勢，尤其在2010年以后上升趨勢明顯；澳門站的年平均高、低潮位發生突變的時間均在2005—2008年間，這期間澳門岸線變化強度最大達到400%。說明人類活動尤其是圍填海工程對海域潮波變形存在直接的影響。

2)澳門在1986年以后圍填海工程規模較大，岸線形態變化劇烈。1986年至2010年期間是澳門圍填海工程發展的黃金時期，岸線變化也最為明顯。2010年至2019年期間澳門圍填海工程從澳門本島逐漸轉移至澳門半島東側新城A區以及珠澳口岸等人工島的建設。

3)1986、2010和2018年澳門站各分潮振幅變化幅度較小，澳門附近海域正規半日潮特征受圍填海工程影響較小。圍填海強度越大，澳門附近海域漲落潮歷時差越大。

4)澳門水道以及東側近海水域潮波變形程度不明顯。1986年至2010年期間十字門水道以及上游洪灣水道漲落潮歷時比變化相對較大。從空間上看，澳門水域漲落潮不對稱現象由上游向外海逐漸減小。

5)圍填海工程使得澳門岸線由曲折變為平緩，導致澳門水域內余流略微減小。