楊萬康，尹寶樹，楊青瑩，宋澤坤

（1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島266071；2.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東 青島266071；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州310012）

近年來三門灣內(nèi)建設(shè)了大量的圍墾工程，岸線和水深地形有了顯著改變，水動力特征和納潮量相應(yīng)的也發(fā)生了變化。黃潘陽等（2017）研究發(fā)現(xiàn)最近10 a以來的圍墾工程大大縮減了三門灣內(nèi)的灘涂面積，使得納潮量減小可達(dá)7%［1］。宋文杰等（2017）借助GIS和衛(wèi)星圖像分析得到三門灣海岸線由內(nèi)陸向沿海不斷遷移，圍墾工程是三門灣岸線變化的主導(dǎo)因素［2］。陳曉英等（2015）通過多種衛(wèi)星圖像比較發(fā)現(xiàn)1973—2013年間三門灣岸線總長度減少40.18 km，海岸人為開發(fā)是岸線變化的主導(dǎo)因素［3］。圍墾工程會對工程區(qū)域附近的水動力條件、泥沙輸運(yùn)及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響［4-6］。

針對圍墾工程對周圍水動力環(huán)境的影響，許多學(xué)者做了大量研究，其中既包含實測數(shù)據(jù)分析，又有數(shù)值模擬計算方法。陶建峰等（2011）分析了江蘇沿海大規(guī)模圍墾對近海潮汐、潮流的影響，結(jié)果表明由于圍墾工程的實施，無潮點位置向NE向略有平移，沿岸潮波傳播速度加快，潮波輻聚有所增加［7］。張琴等（2015）建立了臺州灣近海潮汐、潮流數(shù)值模型，從主要分潮潮波分布、潮流場、高低潮位和椒江河口納潮量等4個方面探討了臺州灣淺海灘涂圍墾對周邊水動力特征的影響［8］。吳慧琴等（2014）通過建立平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型，預(yù)測分析了釣梁二期圍墾南堤建設(shè)后對螺門漁港碼頭附近海域潮流的影響及沖淤變化情況［9］。吳瑋等（2012）基于ADCIRC模型通過設(shè)計假想臺風(fēng)路徑，結(jié)果表明溫州近岸的圍墾工程實施后增大了風(fēng)暴潮漫灘淹沒風(fēng)險［10］。章衛(wèi)勝等（2012）對渤海灣大型工程實施前后的風(fēng)暴潮過程進(jìn)行模擬，計算表明：由于沿岸圍墾導(dǎo)致海域的納潮受水面積減小，渤海灣海域工程實施后風(fēng)暴潮的高潮位普遍抬升［11］。謝亞力等（2007）就錢塘江河口圍墾工程對杭州灣風(fēng)暴潮的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果表明圍墾引起的平面邊界改變是影響杭州灣風(fēng)暴潮的主要因素，地形抬升為次要因素［12］?？傊?，圍墾工程的實施不僅會直接改變?nèi)T灣內(nèi)的岸線狀態(tài)，也會導(dǎo)致海灣內(nèi)地形的改變。根據(jù)淺水運(yùn)動方程可知，岸線和地形水深等邊界條件的改變會導(dǎo)致潮汐和風(fēng)暴潮水位振幅的變化［13-14］，這種變化不僅會導(dǎo)致工程設(shè)計水位等參數(shù)的偏差，也會對周邊的海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。綜上所述，三門灣內(nèi)圍海工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得海岸線不斷外延，而針對三門灣圍墾工程對潮汐特征影響的研究卻較少，因此本研究基于ADCIRC建立高分辨率的二維數(shù)學(xué)模型，對三門灣圍墾工程實施后的潮汐振幅變化進(jìn)行研究，重點分析了岸線變化和地形改變對天文分潮振幅的影響，以期為三門灣沿岸的海洋環(huán)境保護(hù)和工程建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域圍墾概況

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，三門灣沿線對土地的需求日益增加。尤其是在2003年以后，分別完成了蛇蟠島、下洋涂、晏站涂、雙盤、三山涂等圍墾工程，具體圍墾范圍如圖1所示，代表性圍墾工程的施工時間和占地面積如表1所示。

圖1 三門灣圍墾工程示意Fig.1 Reclamation projects in Sanmen Bay

表1 三門灣主要圍墾工程統(tǒng)計Tab.1 Statistics for important land reclamation projects in Sanmen Bay

1.2 模型簡介

本研究采用的潮汐模型為ADCIRC模型。ADCIRC模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并基于有限元方法進(jìn)行數(shù)值計算。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以更好的擬合復(fù)雜岸線，保證了在河口海岸區(qū)域的計算精度。此外，ADCIRC模型還具有精度高，計算效率快的特點，在海洋數(shù)值模擬領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［15-18］。

ADCIRC包含二維和三維模型，本研究采用ADCIRC二維模型進(jìn)行數(shù)值研究。在直角坐標(biāo)系下，沿水深積分的二維連續(xù)方程和動量方程如下：

式（1～3）中：H=h+ζ代表總水位（m）；ζ為水位值（m）；h為靜水深（m）；U和V分別為x和y方向的垂向平均速度（m/s）；f為科氏參數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；Ps為海表面的大氣壓強(qiáng)（Pa）；ρ0為海水密度（kg/m3）；τsx和τsy分別為在x和y方向的表面風(fēng)應(yīng)力（N/m2），τbx和 τby分別為底摩擦力在x和y方向的兩個分量（N/m2）；D為水平動量耗散項；底摩擦力計算公式采用速度的二次方公式，具體如下：

式（4～6）中：Cf為底拖曳力系數(shù)，C為謝才系數(shù)，數(shù)值取為90。

1.3 模型設(shè)置

本次計算區(qū)域包含浙江沿岸及部分東海區(qū)域，模型構(gòu)建時，圍墾工程前的岸線采用2003年的數(shù)據(jù)，并重點提高了三門灣內(nèi)的網(wǎng)格精度，網(wǎng)格分辨率達(dá)到了50～100 m，計算區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示。三門灣內(nèi)海域水深采用最新的海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到，外海水深采用全球海陸數(shù)據(jù)庫（GEBCO）的數(shù)據(jù)（https：//www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/），分辨率為30″×30″。外海開邊界則采用從OTPS數(shù)據(jù)集提取的潮汐調(diào)和常數(shù)（http：//volkov.oce.orst.edu/tides/），包含了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4等9個分潮。模型采用冷啟動，初始水位和流速都設(shè)為0，淺灘區(qū)域采用動邊界干濕網(wǎng)格技術(shù)。

圖2 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分示意Fig.2 Model calculation domain and grid

1.4 模型驗證

首先評估模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型計算時間為2003年4月1日至6月1日，并提取后一個月的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，與長期潮位站健跳站、石浦站及臨時觀測站L1的實測潮位調(diào)和分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。主要分潮M2、S2、K1、O1的計算結(jié)果及誤差如表2所示。從表2可以看出，與實測潮位調(diào)和分析結(jié)果相比較，各分潮振幅的誤差在0.04 m以內(nèi)，而遲角結(jié)果的誤差則在8°以內(nèi)，誤差占比均小于5%。驗證結(jié)果表明模型對于潮汐的計算較為準(zhǔn)確。

2 結(jié)果與討論

2.1 三門灣內(nèi)潮汐振幅分布

三門灣海域水動力較強(qiáng)，灣內(nèi)平均潮差超過了4.2 m，尤其是灣頂處最大潮差超過了7.7 m。三門灣潮汐屬于正規(guī)半日潮性質(zhì)，三門灣漲、落潮時相當(dāng)，漲、落潮平均流速大小也比較接近［19］。為了更加全面的分析三門灣內(nèi)的潮汐特征，基于模型結(jié)果，提取了灣內(nèi)網(wǎng)格格點的潮位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行潮汐調(diào)和分析，得到了4個主要分潮M2、S2、K1、O1的振幅，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，三門灣內(nèi)半日潮振幅占主導(dǎo)地位，M2、S2分潮振幅要遠(yuǎn)大于K1、O1振幅，尤其是M2分潮振幅最為顯著。此外，M2分潮振幅由海灣灣口向灣頂處遞增，海灣內(nèi)不同區(qū)域振幅值差異較大，灣口和灣頂處振幅相差0.4～0.5 m；S2分潮變化幅度要小于M2，灣口和灣頂處振幅差為0.1～0.2 m左右。K1分潮和O1分潮振幅在海灣內(nèi)分布較為一致，K1分潮振幅平均為0.3 m，O1分潮振幅平均為0.2 m。

表2 調(diào)和常數(shù)的計算值與觀測值的比較Tab.2 Comparison between simulated and observed harmonic constants

圖3 各天文潮分潮的振幅分布Fig.3 Distribution of four main tidal constituent amplitudes

2.2 岸線變化對潮汐振幅的影響

首先只考慮圍墾工程岸線變化對潮汐振幅的影響，將圍墾工程實施以后的新岸線代入模型中進(jìn)行計算，并與圍墾工程實施前的自然狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行比較，各分潮振幅變化如圖4所示。由圖4可知，岸線變化對半日潮分潮影響較為明顯，對全日分潮基本無影響。只考慮岸線變化時，由于海灣內(nèi)納潮量的減少，分潮振幅普遍有所減小，M2分潮在三門灣頂部振幅減小0.08～0.10 m，振幅減小幅度由灣口向灣頂遞增；S2分潮振幅僅在灣頂處有所減小，減小幅度為0.04～0.05 m，海灣中部及灣口區(qū)域基本無變化。因此，在只考慮圍墾工程的岸線變化時，與工程前相比，三門灣內(nèi)的潮位振幅整體呈現(xiàn)降低趨勢。

圖4 岸線改變對天文潮各分潮振幅的影響Fig.4 Effects of coastline change on four main tidal constituent amplitudes

2.3 地形改變對潮汐振幅的影響

圍墾工程不僅可以通過直接改變岸線等邊界條件來影響潮汐振幅，還會產(chǎn)生其他附加影響。圍墾工程實施后，由于水動力的改變，導(dǎo)致水沙運(yùn)行環(huán)境也隨之發(fā)生改變，產(chǎn)生回淤現(xiàn)象。目前為止，針對泥沙運(yùn)動機(jī)制的研究尚不夠完善，因此一般采用經(jīng)驗公式對回淤進(jìn)行預(yù)測計算。本研究采用在浙江沿岸應(yīng)用廣泛的經(jīng)驗回淤公式［20］，公式如下：

式（7）中：P為淤積厚度（m），α為淤積概率，ω為泥沙沉降速度（m/s），γ′為泥沙干容重（kg/m3），S為含沙量（kg/m3），v1和v2分別為工程前后流速（m/s），h1和h2分別為工程前后水深（m）。當(dāng)沖淤達(dá)到平衡后，公式可變?yōu)?/p>

式（8）中：根據(jù)三門灣歷年水文測驗數(shù)據(jù)，在本次計算中，泥沙干容重γ′取為735.5 kg/m3，平均含沙量S取為0.28 kg/m3，沉降速度ω取為0.000 5 m/s，α取為0.5，結(jié)合數(shù)學(xué)模型流速結(jié)果，計算得到了三門灣內(nèi)圍墾工程實施后的最終沖淤分布如圖5所示。由圖5可知，圍墾工程實施后，三門灣內(nèi)大部分以淤積為主，但是在局部區(qū)域如灣頂處的蛇蟠水道、毛嶼水道等位置，由于水道變窄，流速增強(qiáng)，會形成一定的沖刷，沖刷范圍在0.5～1.2 m。蛇蟠島、雙盤、三山涂圍墾工程附近的淤積量在1.5～2.5 m左右，貓頭山深水區(qū)附近淤積較為嚴(yán)重，淤積量在6.0～7.5 m，下洋涂前沿及石浦水道淤積量為0.7～0.8 m，白礁水道和健跳水道處淤積較小。由回淤計算結(jié)果可知，圍墾工程實施后會對三門灣內(nèi)的水深地形造成較大的影響，因此有必要考慮地形變化對潮汐振幅的影響。

圖5 圍墾工程實施后最終沖淤變化Fig.5 Final distribution of erosion and deposition after reclamation projects

將預(yù)測的回淤結(jié)果代入模型原始地形中進(jìn)行修正，計算了圍墾工程實施后岸線變化疊加地形變化時的分潮振幅變化。與工程實施前相比，各分潮振幅變化如圖6所示。

圖6 考慮地形改變時圍墾工程對天文分潮振幅的影響Fig.6 Effects of reclamation projects on tidal amplitudes due to bathymetry change

由圖6可知：當(dāng)考慮了回淤引起的地形變化后，圍墾工程造成的振幅變化普遍以減小為主，其中M2分潮振幅減小幅度最為顯著，尤其是在圍墾工程的前沿，振幅減小幅度超過0.30 m，雙盤、三山涂圍墾和下洋涂圍墾處振幅減小程度最為顯著，三門灣灣頂其他區(qū)域普遍減小0.08～0.12 m，白礁水道灣頂處振幅減小0.05 m左右，其他區(qū)域則不明顯。S2分潮振幅減小趨勢與M2分潮比較相似，但是減小幅度和范圍都有所降低，圍墾前沿振幅減小的幅度超過0.20 m，其他區(qū)域平均減小0.05～0.08 m。與半日潮相比，全日分潮振幅影響程度則偏小許多，K1分潮振幅減小范圍集中在圍墾工程區(qū)附近，振幅平均減小幅度在0.15 m左右，O1分潮影響范圍更是有限，基本可以忽略。

總而言之，當(dāng)考慮了圍墾工程導(dǎo)致的回淤后，圍墾工程區(qū)附近的潮汐振幅會有顯著的減小，半日分潮減小幅度要遠(yuǎn)大于全日分潮。與單純考慮岸線改變引起的潮汐振幅變化相比，水深地形改變導(dǎo)致的潮汐振幅變化幅度要遠(yuǎn)大于前者。

3 結(jié)論

基于ADCIRC建立了三門灣內(nèi)高精度的潮汐模型，對三門灣圍墾工程實施前后的潮汐振幅變化規(guī)律進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

（1）三門灣內(nèi)半日潮振幅占主導(dǎo)地位，M2、S2分潮振幅要遠(yuǎn)大于K1、O1分潮振幅，且半日潮振幅由灣口向灣頂處增加顯著；K1和O1振幅則在海灣內(nèi)變化較小。

（2）單純考慮圍墾工程引起的岸線變化時，半日潮振幅受到的影響較為明顯，振幅以減小為主，M2分潮減小幅度為0.08～0.10 m，S2分潮減小幅度為0.04～0.05 m，灣頂處減小幅度要大于灣口。

（3）采用經(jīng)驗公式對圍墾工程實施后的回淤量進(jìn)行了預(yù)測，圍墾工程實施后，三門灣內(nèi)大部分區(qū)域以淤積為主，貓頭山深水區(qū)附近淤積最為嚴(yán)重，局部小范圍有沖刷。

（4）當(dāng)考慮了圍墾工程導(dǎo)致的水深地形改變后，圍墾工程區(qū)附近的潮汐振幅會有顯著的減小，半日分潮減小幅度要遠(yuǎn)大于全日分潮，在圍墾區(qū)域前沿，M2分潮振幅減小幅度較為明顯，然后向外側(cè)逐步減小。與單純考慮岸線改變引起的潮汐振幅變化相比較，水深地形改變導(dǎo)致的潮汐振幅變化幅度要遠(yuǎn)大于前者。研究結(jié)果表明圍墾工程對潮汐振幅的影響較為明顯，會造成工程區(qū)附近潮汐振幅顯著下降，會對海灣內(nèi)的水交換及生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，因此需要加以重視。