朱金龍，朱淑香，張翠敏，徐艷東，魏 瀟，孫 偉*，孫貴芹，劉 寧

(1. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院，山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室，山東 煙臺 264006；2. 青島衡立環(huán)境技術研究院有限公司，山東 青島 266400；3. 煙臺市福山區(qū)尚德中學，山東 煙臺 265500)

引 言

海灣為凹入陸地明顯的水曲，在特定的水沙動力條件下，海灣沿岸常發(fā)育有粉砂淤泥質(zhì)海岸，該類型海岸的岸線比較平直，岸坡極緩、灘涂寬廣，加之具有優(yōu)越地理區(qū)位和豐富的自然資源，是圍填?；顒虞^為適宜的區(qū)域。隨著海岸帶經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對土地的需求持續(xù)高漲，利用灘涂圍填成為人類擴展生存發(fā)展空間，緩解土地供求矛盾的有效途徑[1-2]。長期的灘涂圍填不僅侵占了重要的濕地資源，直接改變了原始岸灘的幾何形態(tài)，同時也引起了周邊海域潮差、分潮振幅和潮汐性質(zhì)等潮波系統(tǒng)的改變，進而影響灘涂的演變趨勢[3-5]。東中國海區(qū)沿岸灘涂面積寬廣，該區(qū)域潮波系統(tǒng)研究始于上個世紀三十年代[6]，早期手段主要為潮汐調(diào)和分析和數(shù)值推算[7-8]；隨著計算機技術及應用的快速發(fā)展，對潮波系統(tǒng)的形成機制、主要分潮分布和潮波系統(tǒng)演變等進行了模擬研究[9-12]；后期隨著數(shù)值計算精度的提高，調(diào)和分析得到的分潮數(shù)量更多[13-14]；近期則更多關注人類活動對潮波系統(tǒng)的影響[1,15-17]。此類研究對于海岸帶開發(fā)管理、海岸工程建設和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

萊州灣位于山東省渤海南部，和渤海灣、遼東灣并稱為渤海三大海灣。灣口東起屺姆島高角，西至黃河新入?？赱18-19]。截至到2000年，灣口寬101.6 km，海岸線長445.8 km，海灣面積6895.7 km2，居山東海灣之冠。萊州灣東部為沙質(zhì)海岸，西部是現(xiàn)代黃河三角洲，灣頂為粉砂淤泥質(zhì)海岸。灣周沿岸灘涂多廣闊，灣內(nèi)水深變化不大，最大水深位于海灣東北屺姆島高角附近，水深可達22 m，大部分水深在10 m以內(nèi)。萊州灣水淺泥沙多，建港條件很不理想，尤其是海灣的西南部灘寬坡緩，缺乏深水岸線，該處港口布置多采用雙堤環(huán)抱的平面形式，如濰坊港和廣利港，且將堤頭延伸到含沙量較低的深水區(qū)，以盡量減少進港泥沙數(shù)量，從而減小港口回淤量。為了滿足建港的深水條件，需向海一側(cè)大規(guī)模填海造地，使得海岸線持續(xù)向海推進，港口的發(fā)展也帶動了周邊圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用海活動，圍填海面積的持續(xù)增加，勢必引起渤海潮波系統(tǒng)的改變。針對渤海潮波系統(tǒng)的研究，過去主要模擬了其現(xiàn)代分布特征[13,20-21]，從黃河口演變角度對比分析了20世紀40年間的潮波系統(tǒng)變化[22]。近期雖有研究涉及岸線地形變化對渤海潮波系統(tǒng)的影響[15,23-24]，但鮮有渤海潮波系統(tǒng)對萊州灣岸線變遷響應的報道。本文利用遙感影像和海圖資料，選擇萊州灣作為研究區(qū)域，通過潮波數(shù)學模型計算，分析渤海潮波系統(tǒng)對萊州灣岸線變遷的響應，旨在為渤海潮波系統(tǒng)的變化機制、藍色海灣整治行動和渤海綜合治理攻堅戰(zhàn)提供科學依據(jù)，并為研究渤海潮波系統(tǒng)演變提供典型案例和參考。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源和處理

萊州灣自20世紀80年代以來，海灣岸線和形態(tài)變化逐漸趨于復雜，尤其是2000年以后，沿岸灘涂經(jīng)歷了大規(guī)模圍填且開發(fā)利用強度極大，根據(jù)已有的研究結(jié)果統(tǒng)計，2002—2015年萊州灣岸線長度的增加占近半個世紀海灣岸線增加值的53%[19]。因此，文中重點關注2000年以后的萊州灣岸線變遷對渤海潮波系統(tǒng)的影響。岸線數(shù)據(jù)分別提取自2000年和2020年萊州灣歷史遙感影像，渤海及黃海北部其他區(qū)域的岸線數(shù)據(jù)保持不變。2000年的岸線資料提取自美國陸地衛(wèi)星Landsat-5 TM，空間分辨率為30 m；2020年的岸線資料提取自中國高分衛(wèi)星GF-1，空間分辨率為2.0 m。黃海北部及渤海的水深資料取自航保部2006年出版的編號為10011海圖及搜集到的近岸海域水深測量資料。渤海是一個近似封閉的內(nèi)海，沿岸灘寬水淺，平均水深為18 m，北隍城島北部的老鐵山水道最深，水深可達86 m(圖1)。

1.2 潮波數(shù)學模型

本文二維潮波模型的控制方程為沿水深積分的N—S方程[25]，控制方程的空間離散采用單元中心有限體積法，時間積分采用顯示歐拉格式[26]。模型運行時間為2019年1月1日至2019年12月31日，時長為1年。對潮波結(jié)果采用最小二乘法進行調(diào)和分析，計算各分潮的調(diào)和常數(shù)，進而作出分潮同潮圖、潮汐類型分布圖和最大可能潮差分布圖。

1.2.1 定解條件

模型范圍的選取以研究區(qū)域未影響開邊界處的進出潮量為準，經(jīng)反復調(diào)試確定模型的計算區(qū)域是自江蘇淮河口—韓國靈光的連線以及岸線所圍成的黃海及渤海海域(圖1)。由于風和河流入海徑流對潮波的影響很小，因而模型中沒有考慮河流入海徑流、風以及風吹流的影響[17]。針對岸線曲折和地形復雜特點，模型采用邊界擬合較好的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格東西最大跨度約617 km，南北最大跨度約760 km，網(wǎng)格數(shù)為137 229個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為72 723個，最大網(wǎng)格面積3080 m2。

模型的初始條件：采用前期水深和流速模擬結(jié)果的“熱起動”方式。邊界條件：垂直于陸地邊界的法向速度為零；隨漲、落潮交替出現(xiàn)的潮灘，采用“干、濕”動邊界技術[27]，其中濕水深為0.1 m，淹沒水深為0.05 m，干水深為0.005 m；開邊界水位驅(qū)動來自于Topex8.0全球潮汐預報模型[28]，是由全球十個主要天文分潮(日分潮：S1，K1，O1，P1，Q1；半日分潮：M2，S2，K2，N2；淺水分潮：M4)組成，分潮數(shù)據(jù)空間精度為0.125°×0.125°。

1.2.2 模型驗證

模型的底床糙率由曼寧系數(shù)確定，曼寧系數(shù)隨水深h取值為0.015+0.01/h[29]；水平渦流粘度采用Smagorinsky公式計算[30]，Smagorinsky系數(shù)Cs取值為0.28；變動時間步長取值介于0.01～120 s；科氏力根據(jù)模型所在區(qū)域的地理緯度進行計算。

潮波計算結(jié)果與黃渤海沿岸26個驗潮站(圖1)的調(diào)和常數(shù)進行比較，M2分潮振幅和遲角的絕對誤差分別小于4.32 cm和6.32°，K1分潮振幅和遲角的絕對誤差分別小于2.12 cm和5.64°。M2和K1分潮振幅、遲角分布與已有的研究結(jié)果基本一致[10,24]，其中M2分潮在遼東灣西南側(cè)和渤海灣東南側(cè)各形成一個繞無潮點按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的駐波系統(tǒng)，K1分潮在渤海海峽附近形成一個繞無潮點按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的駐波系統(tǒng)(圖3～圖4)。本文驗證是以前研究成果基礎上的繼續(xù)與完善[31]，文中選取與岸線年份相近的實測水文資料進行驗證，各站位驗證結(jié)果表明(表1)，除了個別點和個別時刻外，模型計算的潮位過程與現(xiàn)場實測值基本一致，其中高、低潮位的最大絕對誤差不超過10 cm，高、低潮時的相位最大絕對誤差不超過15 min，模型的驗證精度符合有關數(shù)值模擬技術規(guī)程的要求[32]，說明模型采用的計算參數(shù)合理，能夠較好的模擬渤海的潮波系統(tǒng)。

表1 潮位過程驗證

2 結(jié)果與討論

2.1 萊州灣幾何形態(tài)變化

本文萊州灣幾何形態(tài)變化從岸線長度、海灣面積和海灣重心三個方面分析。在二維幾何空間中，海灣重心的位移方向、路徑和距離能夠反映海灣形態(tài)變化的基本特征。海灣重心坐標(x，y)、重心位移距離L計算公式[33]：

(1)

(2)

式中：xi，yi(i= 1，2，…，n)為海灣平面離散點坐標；xj，yj為j時相的海灣重心坐標；xk，yk為k時相的海灣重心坐標。

自21世紀以來，萊州灣幾何形態(tài)受自然變遷和人類活動影響變化顯著(圖2)。岸線的自然淤進和蝕退主要位于黃河口附近，由于河口改道斷流缺少沙源補給，老黃河口岸線持續(xù)向陸侵蝕后退，而新黃河口岸線則由于長期的沙源供給不斷向海淤進。黃河口以外的海灣岸線主要受人類用海活動影響，普遍出現(xiàn)了背陸向海曲折運動，人工岸線長度急劇增長，海灣面積逐年縮減，2000—2020年20年間，萊州灣面積減少了8.02%，海灣岸線增長了77.65%。海灣沿岸開發(fā)利用活動長期以圍填海為主，尤其是海灣西南部岸線變化最為劇烈，由此導致海灣重心向東北向方移動了2.21 km，港口用海、圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用海為主的圍填海活動是導致海灣形態(tài)變化的主要原因。

圖2 萊州灣岸線與重心變化Fig.2 Change of coastline and centroid in Laizhou Bay

2.2 渤海潮波系統(tǒng)整體變化

東中國海區(qū)潮汐性質(zhì)以半日潮為主，因此文中潮波選取半日分潮M2為主要研究對象，同時涉及到日分潮K1。黃海潮波經(jīng)由渤海海峽進入渤海，繼續(xù)向西傳播過程中，受到渤海灣和遼東灣的阻擋而形成反射波，在入射波和反射波的相互作用下形成駐波，由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用駐波波節(jié)線消失，最終形成了波峰線繞無潮點按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的潮波系統(tǒng)[34]。以2020年分潮振幅為例，對于M2分潮而言(圖3)，無潮點分別位于黃河口和秦皇島附近海域，分潮振幅最大值位于遼東灣灣頂，其值可達1.3 m，渤海灣灣頂次之，振幅值接近1.1 m，萊州灣分潮振幅最小，振幅值不足0.5 m，海灣以外海域振幅介于0.2～0.6 m；對于K1分潮而言(圖4)，其無潮點位于渤海海峽偏南部，極值分布與M2分潮振幅相似，分潮振幅最大值位于遼東灣灣頂，其值可達0.42 m，渤海灣灣頂次之，振幅值接近0.37 m，萊州灣分潮振幅最小，振幅值不足0.28 m，海灣以外海域振幅介于0.05～0.25 m。

圖3 M2分潮同潮圖

圖4 K1分潮同潮圖Fig.4 Co-tidal charts for K1 constituent tide

根據(jù)潮波原理由潮能分布角度分析，灘涂區(qū)潮波能量分布受底摩擦和水平擴散影響，漲潮時灘涂儲存能量，落潮時灘涂釋放能量，且存儲于灘涂區(qū)的潮波能量遠高于因底摩擦等在灘涂損耗的能量[35]。隨著圍填海開發(fā)活動的進行，20年間萊州灣灘涂面積不斷減少，由于岸線變遷并未影響數(shù)值計算開邊界處的進出潮量，因此原先存儲于灘涂區(qū)的那部分潮波能量，隨著灘涂的消失將在灘涂以外的海區(qū)重新分布，由此使得整個受影響海區(qū)分潮振幅增大、無潮點背離萊州灣等一系列潮波系統(tǒng)變化。從而導致黃河口附近M2分潮無潮點向西北移動1.4 km，秦皇島附近M2分潮無潮點向東北移動1.7 km，渤海海峽偏南部的K1分潮無潮點向東移動2.1 km。由此可見，秦皇島附近M2分潮無潮點受圍填海的影響要大于黃河口附近M2分潮無潮點所受的影響，這主要是由于新黃河口持續(xù)向海發(fā)育，潮波傳播受到河口岸線的阻礙而損耗掉一部分潮波能量，使得黃河口附近M2分潮無潮點移動距離小于秦皇島附近M2分潮無潮點移動距離。與秦皇島附近海域相比，渤海海峽距離萊州灣較近，因此K1分潮無潮點移動距離要大于秦皇島附近M2分潮無潮點移動距離。受萊州灣岸線變遷的影響，2000—2020年20年間，渤海M2分潮振幅整體呈現(xiàn)增大趨勢，其中萊州灣、渤海灣和遼東灣M2分潮振幅是自灣口向灣頂逐漸增大，遼東灣和渤海灣M2分潮振幅增加最大值位于灣頂，其值可達4.2 cm，圍填海發(fā)生區(qū)域的萊州灣振幅變化尤為顯著，增加最大值可達6.5 cm，海灣以外海域M2分潮振幅增大值小于4.1 cm；K1分潮振幅變化主要發(fā)生在渤海海峽以東的海域，海峽以東K1分潮等振幅線整體向東移動，振幅值變化不足1 cm，其他海區(qū)K1分潮振幅變化很小，也由此說明了岸線變遷對潮波的影響主要為半日分潮。

2.3 潮汐性質(zhì)和最大可能潮差變化

根據(jù)各海區(qū)潮位隨時空變化情況將潮汐性質(zhì)分為規(guī)則半日潮、不規(guī)則半日潮、規(guī)則日潮和不規(guī)則日潮四種類型。潮汐類型判別依據(jù)下式：

F=(HK1+HO1)/HM2

(3)

式中：HK1為日分潮K1的振幅；HO1為日分潮O(jiān)1的振幅；HM2為半日分潮M2的振幅。

潮汐類型判別標準：0 < F ≤ 0.5為規(guī)則半日潮；0.5 < F ≤ 2.0為不規(guī)則半日潮；2.0 < F ≤ 4.0為不規(guī)則全日潮；F > 4.0為規(guī)則全日潮。

根據(jù)研究海域潮汐性質(zhì)，依據(jù)公式(5)和公式(6)計算最大可能潮差，取兩者中的最大值，最大可能潮差計算公式[36]：

mptr=max(mptr1,mptr2)

(4)

mptr1=2(1.68HK1+1.46HO1+HM2+HS2)

(5)

mptr2=2(1.29HM2+1.23HS2+HK1+HO1)

(6)

渤海潮汐以不規(guī)則半日潮為主(圖5)，由于M2分潮駐波波腹和K1分潮駐波波節(jié)出現(xiàn)在渤海海峽，因此該海區(qū)為規(guī)則半日潮類型；而黃河口外和秦皇島附近海域為K1分潮波駐波波腹和M2分潮駐波波節(jié)所在區(qū)域，因此該海區(qū)為不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮類型。受萊州灣圍填海影響，黃河口外和秦皇島附近海域不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮所占海區(qū)范圍呈現(xiàn)減小趨勢，通過章節(jié)2.2的分析，這可能是由于萊州灣圍填海導致該海區(qū)M2分潮振幅增大，而日分潮振幅基本不變，導致公式(3)的比值減小，從而造成不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮范圍縮小。

渤海最大可能潮差最大值位于遼東灣灣頂，以2020年最大可能潮差為例，其值可達5.71 m，渤海灣灣頂次之，最大可能潮差值接近4.79 m，萊州灣內(nèi)最大可能潮差最小，最大可能潮差值不足2.9 m，渤海海灣以外海域最大可能潮差介于2～3 m。

萊州灣岸線變遷引起的渤海最大可能潮差變化和M2分潮振幅變化趨勢基本一致(圖6)，萊州灣、渤海灣和遼東灣最大可能潮差是自灣口向灣頂逐漸增大，最大可能潮差增加最大值位于萊州灣灣頂，其值可達17.5 cm，遼東灣灣頂次之，增加最大值接近11 cm，渤海灣灣頂最小，增加最大值不足9.5 cm，海灣以外海域最大可能潮差增大值小于9 cm。萊州灣圍填海相當于增加了潮波傳播阻力，使得進入渤海的潮波勢能增加，潮波勢能即潮差，由此引起了渤海潮差的增大[1,35]。

圖6 最大可能潮差分布

3 結(jié)論

(1)2000年以來，萊州灣幾何形態(tài)變化顯著，海灣面積不斷縮減，海岸線持續(xù)向海曲折運動，港口用海、圍海養(yǎng)殖和鹽業(yè)用海為主的圍填海是引起海灣形態(tài)變化的主要原因。2000—2020年20年間，萊州灣面積減少了8.02%，海灣岸線增長了77.65%，尤其是海灣西南部岸線變化最為劇烈，由此導致海灣重心向東北向方移動了2.21 km。

(2)受萊州灣20年間岸線變遷影響，黃河口附近M2分潮無潮點向西北移動了1.4 km，秦皇島附近M2分潮無潮點向東北移動了1.7 km，渤海海峽偏南部的K1分潮無潮點向東移動了2.1 km；渤海M2分潮振幅整體呈現(xiàn)增大趨勢，其中萊州灣振幅增大最為明顯，增加最大值可達6.5 cm；K1分潮振幅變化主要發(fā)生在渤海海峽東側(cè)，岸線變遷對潮波的影響主要為半日分潮。

(3)渤海潮汐以不規(guī)則半日潮為主，部分海區(qū)如渤海海峽為規(guī)則半日潮類型，黃河口外和秦皇島附近海域為不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮類型。受萊州灣岸線變遷影響，黃河口外和秦皇島附近海域不規(guī)則全日潮和規(guī)則全日潮所占海區(qū)范圍縮小，渤海海域最大可能潮差增大，尤其是圍填海發(fā)生區(qū)域的萊州灣潮差變化最為顯著，增加最大值可達17.5 cm。圍填海造成的潮差增大使得沿岸低洼區(qū)域有被淹沒的風險，因此海灣沿岸大規(guī)模圍填海的實施需要經(jīng)過全面的科學論證。