劉 欣，鄧曉卓，鄭欣田，王敬烜，李泉杰，丁玉梅

（天津科技大學(xué)，天津 300457）

風(fēng)暴潮是由熱帶氣旋、溫帶氣旋以及寒潮大風(fēng)等大氣擾動(dòng)引起的局地海平面異常升高或降低的現(xiàn)象[1]。風(fēng)暴潮災(zāi)害是全球范圍內(nèi)最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，在西北太平洋沿岸國(guó)家中，我國(guó)是風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多、損失最嚴(yán)重的國(guó)家之一[2-3]。渤海地處中國(guó)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(jié)，我國(guó)渤海和黃海北部容易遭受寒潮風(fēng)暴潮的影響[1,4]。近年來(lái)，渤海地區(qū)大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，興起圍填海造地、海堤和港口的熱潮。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，從2000 年到2010 年的10 年間，渤海海域的圍填海面積多達(dá)600 km2，岸線增加了331.6 km[5]，其中天津?yàn)I海新區(qū)共圍墾灘涂108 km2，曹妃甸新區(qū)共圍墾灘涂110 km2。大規(guī)模的圍填海工程在產(chǎn)生巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給海洋生態(tài)環(huán)境造成了深遠(yuǎn)的影響[6]。海堤建設(shè)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(zhǎng)度，對(duì)于潮波和風(fēng)暴潮等重力長(zhǎng)波的傳播、折射、反射和底能量耗散等產(chǎn)生很大影響，圍填海工程能夠改變波動(dòng)的相位和能量空間分布，直接影響到海域的水動(dòng)力環(huán)境，并對(duì)風(fēng)暴潮過(guò)程造成一定的影響[7-8]。

Xie Y 等[9]利用Mike 軟件建立了風(fēng)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(fēng)暴潮的主要因素，岸線變化使杭州灣風(fēng)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(fā)生改變，限制了流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，使風(fēng)暴潮水位升高。趙鑫等[11]利用SWAN 模型，研究了岸線變化對(duì)渤海灣風(fēng)浪場(chǎng)的影響，指出圍填海工程對(duì)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(duì)渤海風(fēng)暴潮增水的影響，使塘沽港等站位的風(fēng)暴潮增水增加明顯。本文利用FVCOM 淺海動(dòng)力模型[13],對(duì)渤海寒潮風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和動(dòng)力機(jī)制分析，研究圍填海工程對(duì)渤海寒潮風(fēng)暴潮能量場(chǎng)的影響。

1 模型設(shè)置與評(píng)價(jià)

基于FVCOM 淺海動(dòng)力模型，建立了渤海潮汐和風(fēng)暴潮模型，對(duì)2003 年10 月的渤海潮汐過(guò)程和寒潮風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行數(shù)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(shù)據(jù)，模型中的水深數(shù)據(jù)采用 Choi B H 等[14]提供的東中國(guó)海水深數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格點(diǎn)上。渤海灣地區(qū)的岸線數(shù)據(jù)是通過(guò)衛(wèi)星反演獲得高分辨率岸線[5]，分辨率為0.001°。

模型的研究區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)渤海海域，開(kāi)邊界設(shè)在渤海海峽的東部。模型研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍為北緯 37°～41°，東經(jīng) 117°～123°。研究區(qū)域的地形及水深見(jiàn)圖1。

利用渤海2000 年海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐和風(fēng)暴潮數(shù)值模擬，并對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。首先利用SMS 軟件，對(duì)模型研究海域進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分。在渤海灣塘沽港沿岸附近，模型設(shè)置的網(wǎng)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(kāi)邊界區(qū)域，達(dá)到10 000 m。三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 040 個(gè)，網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)為129 710 個(gè)，開(kāi)邊界節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為27 個(gè)。在開(kāi)邊界，利用OTPS 軟件預(yù)報(bào)得到實(shí)時(shí)水位驅(qū)動(dòng)，對(duì)M2、S2和K1等8 個(gè)主要分潮進(jìn)行調(diào)和分析，提供海洋水邊界條件。模型使用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自中尺度氣象預(yù)報(bào)模型WRF 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)[15]，時(shí)間分辨率是每3 小時(shí)一次，空間分辨率是0.1°×0.1°，利用潮汐和風(fēng)場(chǎng)共同驅(qū)動(dòng) FVCOM 模型。

圖1 模型研究的渤海海域地形和水深圖

結(jié)合渤海潮汐模型的輸出數(shù)據(jù)，利用T-tide 軟件對(duì)渤海各個(gè)主要分潮進(jìn)行了調(diào)和分析，調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)與驗(yàn)潮站的觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致（表1）。

表1 M2 分潮調(diào)和常數(shù)觀測(cè)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?yàn)槊黠@的往復(fù)流，呈現(xiàn)明顯的不正規(guī)半日潮特征，模擬的流速和流向數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。對(duì)2003 年10 月渤海寒潮風(fēng)暴潮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算塘沽站風(fēng)暴潮增水和風(fēng)速時(shí)間序列，二者的相關(guān)系數(shù)為0.95，成顯著相關(guān)。氣壓場(chǎng)對(duì)渤海風(fēng)暴潮的影響效應(yīng)不明顯。在渤海海域，和風(fēng)場(chǎng)相比氣壓場(chǎng)是一個(gè)小量，可以不予考慮，風(fēng)應(yīng)力是渤海風(fēng)暴潮的主要強(qiáng)迫動(dòng)力[1]。對(duì)塘沽站等站位的風(fēng)暴潮增水和實(shí)測(cè)增水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行了對(duì)比，模型數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在增水極值、過(guò)程、趨勢(shì)都基本一致[12,16]。這說(shuō)明本文建立的潮汐模型和風(fēng)暴潮模型可以用來(lái)研究渤海海域的寒潮風(fēng)暴潮過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)特征。

2 模擬結(jié)果分析

圖2 模擬的曹妃甸港潮汐流速和流向與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 模擬的黃驊港潮汐流速和流向與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圍填海工程對(duì)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(jìn)行對(duì)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(gè)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(duì)渤海寒潮風(fēng)暴潮能量場(chǎng)的影響。

風(fēng)暴潮能量密度是指單位面積的水柱體所具有的動(dòng)能能量密度與勢(shì)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(dòng)能能量密度，Pe表示勢(shì)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(guān)于x方向和y方向的流速分量。

2.1 圍填海工程對(duì)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(fā)生顯著變化。圖4-a 顯示，寒潮風(fēng)暴潮期間，岸線變化使曹妃甸港風(fēng)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(fēng)暴潮流速明顯減少，特別是沿岸海域，風(fēng)暴潮流速減幅在0.2～0.6 m/s左右（圖 4-b）。

根據(jù)能量密度方程，計(jì)算了曹妃甸港圍填海工程前后風(fēng)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(fēng)暴潮中期，風(fēng)暴潮能量密度有明顯增加的趨勢(shì)，這是由于風(fēng)暴潮期間風(fēng)應(yīng)力的作用，使風(fēng)暴潮流速和水位都有明顯增加?？紤]岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，由于曹妃甸港水位較低，因此勢(shì)能能量密度較小，岸線變化前后勢(shì)能能量密度變化不大。隨著風(fēng)暴潮水位逐漸增加，曹妃甸港的勢(shì)能能量密度逐漸增加，特別是在風(fēng)暴潮中期，勢(shì)能能量密度最大增加幅度大約是2×103kg/s2（圖5-a），在風(fēng)暴潮期間，勢(shì)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(guān)。岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，曹妃甸港動(dòng)能能量密度變化不大。在風(fēng)暴潮中期，相比2000 年，由于受圍填海工程阻水效應(yīng)的影響，風(fēng)暴潮流速有明顯減少的趨勢(shì)，水動(dòng)力明顯減弱直接導(dǎo)致曹妃甸港風(fēng)暴潮動(dòng)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(shì)能能量密度與動(dòng)能能量密度量階相同，而動(dòng)能能量密度變化較大，曹妃甸港的總能量密度變化受動(dòng)能能量密度變化的影響，因此總能量密度相對(duì)有減弱的趨勢(shì)。

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

圖4 圍填海工程前后曹妃甸港風(fēng)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(fēng)暴潮能量密度的比較

2.2 圍填海工程對(duì)黃驊港能量密度的影響

黃驊港位于環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中部，是古黃河河口沖積區(qū)，港口附近水淺坡緩，是典型的人工大港，也是我國(guó)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(fēng)向大致相同。圍填海工程后，黃驊港南北兩側(cè)海域的風(fēng)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(fēng)暴潮流速有相對(duì)減少的趨勢(shì)，模擬的風(fēng)暴潮平均流速相對(duì)減少了 0.1～0.3 m/s（圖 6-b）。

不考慮岸線的變化，在風(fēng)暴潮中期，由于東北向寒潮大風(fēng)的作用，黃驊港的風(fēng)暴潮水位和流速都明顯增加，因此對(duì)應(yīng)的勢(shì)能、動(dòng)能和總能量密度有明顯增加的趨勢(shì)（圖7）。岸線變化后，在風(fēng)暴潮初期，由于風(fēng)暴潮水位較小，因此黃驊港勢(shì)能能量密度變化不大。在風(fēng)暴潮中期，隨著風(fēng)暴潮水位的增加，黃驊港勢(shì)能能量密度逐漸增加，在峰值處增加較大，出現(xiàn)最大增幅大約在6×103kg/s2，最大增加量出現(xiàn)的時(shí)間和趨勢(shì)與風(fēng)暴潮水位增加相一致（圖7-a）。在風(fēng)暴潮初期和后期，黃驊港動(dòng)能能量密度較小而且變化不大，這是由于風(fēng)暴潮流速變化較小的原因。在風(fēng)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(cè)的風(fēng)暴潮平均流速相對(duì)有減少的趨勢(shì)，因此黃驊港風(fēng)暴潮動(dòng)能能量密度有相對(duì)減弱的趨勢(shì)，最大減幅大約在3×103kg/s2（圖7-b）。從總體趨勢(shì)來(lái)看，由于黃驊港勢(shì)能能量密度比動(dòng)能能量密度相對(duì)較大，因此總能量密度受勢(shì)能能量密度的影響較大，有相對(duì)增加的趨勢(shì)，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(fēng)暴潮期間，由于寒潮大風(fēng)的作用，黃驊港水位上升，風(fēng)暴潮勢(shì)能能量密度有所增加，由于港口建筑物的阻水效應(yīng)，風(fēng)暴潮流速有所減弱，對(duì)應(yīng)的動(dòng)能能量密度有相對(duì)減少的趨勢(shì)，計(jì)算顯示黃驊港的總能量密度受勢(shì)能能量密度的影響較大，因此總能量密度有增加的趨勢(shì)。

圖6 圍填海工程前后黃驊港風(fēng)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(fēng)暴潮能量密度的比較

3 分析與結(jié)論

圍填海工程改變渤海局地的岸線形態(tài)，改變波動(dòng)傳播過(guò)程，使渤海風(fēng)暴潮能量場(chǎng)發(fā)生改變。在寒潮風(fēng)暴潮期間，岸線變化后曹妃甸港和黃驊港等站位的風(fēng)暴潮増水有增加的趨勢(shì)，風(fēng)暴潮流速有相對(duì)減弱的趨勢(shì)，因此風(fēng)暴潮勢(shì)能能量密度有相對(duì)增加的趨勢(shì)，其動(dòng)能能量密度有相對(duì)減少的趨勢(shì)。在曹妃甸港，由于岸線的變化和建筑物的影響，寒潮風(fēng)暴潮期間的水位不高，動(dòng)能能量密度相對(duì)減少，總能量密度受動(dòng)能能量密度影響較大，有相對(duì)減弱的趨勢(shì)。在黃驊港等站位，勢(shì)能能量密度大于動(dòng)能能量密度，因此岸線變化使風(fēng)暴潮總能量密度受勢(shì)能能量密度影響較大，總能量有增加的趨勢(shì)。風(fēng)暴潮能量密度的變化，將直接影響到能量通量輸運(yùn)和耗散過(guò)程。圍填海工程后，風(fēng)暴潮增水和風(fēng)暴潮勢(shì)能能量密度的增加，使風(fēng)暴潮災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性有所增加，也對(duì)海堤防護(hù)產(chǎn)生不利的影響；同時(shí)，由于岸線變化，導(dǎo)致了風(fēng)暴潮水動(dòng)力的減弱和動(dòng)能能量密度相對(duì)較少，會(huì)對(duì)近岸海域附近的泥沙沖淤、污染物輸運(yùn)造成不利影響。因此，建議相關(guān)部門(mén)應(yīng)該保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，適度評(píng)估和規(guī)范圍填海工程，減少圍填海工程對(duì)海洋環(huán)境的不利影響，構(gòu)建自然化和生態(tài)化的海岸線。本文僅局限于風(fēng)暴潮個(gè)例的研究，模擬結(jié)果也有待于進(jìn)一步改進(jìn)。后續(xù)將會(huì)繼續(xù)研究黃渤海風(fēng)暴潮能量通量變化以及能量耗散規(guī)律，對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)規(guī)律的預(yù)測(cè)研究。