近十年來渤海灣圍填海工程對渤海灣水交換的影響*

王勇智 吳 頔 石洪華 趙曉龍 閆文文

(國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

圍海造地是人類開發利用海洋的重要方式, 也是緩解土地供求矛盾和擴大社會發展空間的有效途徑, 但由于圍海造地在短時間、小尺度范圍內劇烈的改變了海域自然屬性, 對海洋生態系統易產生強烈的擾動。經統計, 近十年來由于生產和生活的需要,我國填海造地總面積超過 1100km2(國家海洋局, 2012;2013), 相當于我國第三大海島崇明島的面積。以環渤海灣地區為例, 沿岸為京津唐等重要城市, 近十年來由于渤海灣沿岸快速城市化建設以及多個國家級發展戰略和總體規劃的實施, 沿岸集中了化工、港口、養殖、油氣、礦產、旅游、鹽業等多種經濟活動, 導致沿海地區土地需求量增大。大規模的填海造地工程位于唐山曹妃甸和天津濱海新區, 其中曹妃甸區域建設用海規劃填?？偯娣e310km2, 截至2014年1月共計完成填海造地 210km2; 天津濱海新區近十年來累計填海造地面積約 320km2, 人工岸線從 41.16km增加到217.79km(國家海洋局, 2012, 2013); 正在實施的滄州渤海新區區域建設用海項目也計劃填海造地75km2, 加之環渤海灣零零碎碎的填?；顒? 導致渤海灣自然岸線急劇萎縮。而且, 渤海灣近岸海洋資源開發利用產生的生產和生活污水急劇增加, 大量排放入渤海灣。渤海灣屬于典型的半封閉緩坡淤泥質海灣, 灣內水交換本不順暢, 持續高漲的填海造地進一步加劇渤海灣海域環境質量的下降, 灣內生物多樣性減少, 漁業資源衰退, 不利于沿海地區社會經濟的可持續發展。因此, 近十年來海岸帶地區快速城市化對渤海灣水交換的影響是渤海灣合理開發利用的重要認知背景, 引起了眾多學者和管理者的關注。

水交換是指水體通過對流和擴散等物理過程與周圍水體相互混合, 在海灣、近岸海域的水交換研究中, 一般是通過定義各種時間尺度來描述水體交換能力的強弱或交換速度快慢, 并使用半交換時間、交換率和存留時間等描述其時間尺度。箱式模型是最早應用于水交換研究的數學模型之一, 高抒(1991)基于狹長海灣多箱物理模型研究了象山港的水交換機制。隨著數值計算技術的不斷發展, 對流擴散模型和拉格朗日質點追蹤模型逐漸成為研究海灣水交換的主要方法, 對流擴散模型通過求解對流擴散方程得到保守物質濃度分布的模型, 拉格朗日質點追蹤模型是通過計算水質點的運移來研究水體的交換情況,兩者均在渤海灣等其他海域的水交換研究中得到了廣泛應用?？飮鸬?1987)以高低潮鹽度變化給出了乳山灣一個潮周期內的水交換率。Roger等(1995)應用歐拉彌散模型計算了北海的半水交換時間。Signell等(1992)定義灣內水降為原有水體積的37%時所用時間為平均存留時間。Choi(1999)計算了黃東海風生流、潮汐余流、密度環流等驅動下不同的水體更新時間。魏皓等(2002)應用數值模型, 表明渤海半交換時間約為0.5—3.5年, 渤海3個海灣及渤海中部交換能力相差很大, 以萊州灣交換能力最強, 遼東灣最弱。王悅(2005)分別計算了新舊地形影響下的渤海灣水體的平均存留時間, 表明新地形條件下渤海灣水交換能力明顯減弱, 平均半交換時間延長約 16天。李希彬(2013)應用三維水動力和水交換數值模型, 得出渤海灣水體半交換周期為323天, 海灣西北部海域和南部海域的水交換率較低。趙亮等(2002)應用拉格朗日粒子追蹤法研究了膠州灣的水交換, 表明膠州灣深水區交換時間為7天, 而北部和西部海區交換時間超過2個月。孫英蘭等(1988)通過拉格朗日余流分布和標識質點跟蹤的方法, 對膠州灣水交換活躍程度進行區域劃分, 將其劃分為灣頂滯留區、黃島附近活躍區和灣口良好區。李小寶(2011)應用隨機游動模型研究了渤海和天津近岸海域的水交換, 分析了有無風場對渤海各海區水交換的影響。

有關近十年來渤海灣岸線變化對海灣和天津濱海新區近岸海域水交換影響的研究鮮有報道, 故本文擬應用三維水動力數值模型和拉格朗日水質點追蹤方法, 以2000年和2010年渤海灣的岸線為計算背景, 定量化計算和分析近十年來渤海灣岸線變化對渤海灣和天津濱海新區近岸海域水交換影響。

1 研究方法

1.1 模型簡介

水動力和水質模擬采用的是丹麥水力學研究所研制的DHI MIKE系列數值計算與分析軟件, 該軟件是國際上比較成熟的數值模擬軟件系統, 在模擬前處理和后處理方面具有獨特的優勢, 受河口海岸工程技術專業人員認可, 在海洋、海岸和河口研究中得到了廣泛應用(Chorin, 1967)。本文采用MIKE 3正壓水動力模塊 FM(Flow Model)開展水動力模擬, 并耦合粒子追蹤模塊 PT(Particle Tracking)進行水交換數值模擬(DHI, 2008)。同時渤海灣夏季盛行偏南風, 海水容易向渤海灣西北角聚集, 而冬季盛行偏北風, 有利于水交換, 因此, 潮流驅動下的水質點運動可代表渤海灣水交換的情況。因此, 本研究以標識水質點追蹤的方法, 定量分析渤海灣各區塊與外海水交換的時間。

模擬區域覆蓋了渤海和部分黃海, 岸界和垂直邊界采用無通量條件, 開邊界為: 出流, 輻射邊界條件: 入流, 無梯度條件。開邊界設置在山東省成山頭(37°20′54.09″N, 122°40′52.15″E)至 朝 鮮 Changyon(38°7′33.43″N, 124°38′59.57″E), 開 邊 界 潮 位 采 用M2、S2、N2、K1、O1和 P1共 6 個分潮驅動, 來源于國家海洋局第一海洋研究所研發的MASNUM模型, 風場來源于 ERA40近十年的氣候態風場數據。在渤海灣內進行網格加密, 最小網格步長為 100m, 垂向分層采用 sigma分層, 均分為 7層, 時間步長為300s。

1.2 基本定義與計算方案

根據 Backhaus(1984)和趙亮等(2001)對海灣水交換的定義: 從水質點追蹤起算的時間開始, 對每個水質點開展追蹤和標識, 當標識的水質點運動至渤海灣外, 即認為灣內海水與潔凈的灣外海水進行過交換更新, 標記出每個水質點第一次到達渤海灣外的時間, 即為灣內每個水質點的存留時間, 灣內每個水質點的存留時間求和平均后可得到灣內海水的平均存留時間。統計各區塊內每個時刻灣內、灣外的水質點數量, 灣外水質點數不為零的起始時間即為此區塊開始水交換時間; 灣內水質點數變化小于 2%時為交換達到穩定態時間(趙亮等, 2001), 每個區塊中運移到灣外水質點的數量與原來各區塊初始標識的水質點數之比為該區塊的水交換率。

為體現渤海灣圍填海對渤海水交換的影響, 分別采用2000年和2010年渤海灣的岸線數據, 渤海其他區域的岸線數據保持不變(均使用 2000年渤海岸線), 兩種方案的計算時長均為4年。為定量研究渤海灣內水交換情況, 將渤海灣分為8個子區塊(圖1), 由于天津濱海新區主要入海排污口大部分分布在塘沽區及漢沽區, 因此將天津濱海新區近岸海域單獨劃分為一個區塊研究。

圖1 2000年(左)和2010年(右)渤海灣各區塊劃分示意圖Fig.1 Region division of Bohai Bay in 2000(left) and 2010(right)

2 研究結果

2.1 渤海灣潮汐驗證

選取模型穩定后 3個月的潮位, 采用 T_TIDE(Pawlowicz等, 2002)進行調和分析, 得到四個主要分潮的同潮圖, 所得潮汐結構與《渤黃海海洋圖集: 水文》及前人的計算結果基本一致, 并與渤海沿岸 21個驗潮站的調和常數比較, M2分潮振幅平均誤差為4.17cm, 遲角平均誤差為6.82°, K1分潮振幅平均誤差為 2.32cm, 遲角平均誤差為 5.48°, 表明模型的潮汐模擬基本可信。計算結果顯示M2分潮在渤海灣形成一個逆時針旋轉的潮波系統, 渤海灣東北部較西南部同潮時線相差 60°, 潮時相差 4.6h, 振幅從灣口向灣頂逐漸增大, 灣口約為 30cm, 至渤海灣灣頂振幅可達到約 110cm, 與《渤黃海海洋圖集: 水文》中的結果一致。

2.2 渤海灣潮余流驗證

由圖3可見, 由 2000年渤海灣歐拉余流的模擬結果來看, 整個渤海灣灣頂沿岸的流態基本呈逆時針的結構, 余流從灣口北部流入, 沿灣口向南形成較強的南向流, 從南部流出渤海灣, 其中渤海灣西側順時針流強度較弱, 灣口附近余流呈弱雙環結構, 與張越美等(2002)和萬修全(2003)的模擬結果較為一致。2010年渤海灣歐拉余流的分布發生了明顯變化(圖4),灣內存在多個渦旋, 黃驊港東西兩側分別出現一個順時針和逆時針流, 2000年時海灣西部的順時針流減弱并東移, 灣口的弱雙環結構仍然存在。

3 渤海灣典型年代水交換變化的模擬結果

3.1 典型年代各區塊與外海水交換律變化

從靜止流場起算, 模擬3天后, 計算區域潮波達到穩定, 在低潮時刻投放水質點粒子, 粒子初始分布精度為1.11′×1.11′, 其中2000年岸線條件下初始時刻投放粒子數為3253個, 2010年岸線條件下初始時刻投放粒子數為3095個(由于填海造地, 渤海灣海灣面積萎縮, 故投放粒子數目減少)。

根據數值試驗的結果, 對于渤海灣這樣的半封閉海灣海域, 低潮和高潮時刻投放水質點對海岸的水交換能力存在一定影響, 低潮時投放水質點時水交換達到穩定態所需的時間為最長, 海灣水交換能力也較適中, 故文中有關各區塊水質點分布圖和平均水存留時間均采用低潮時投放水質點的結算統計結果。

圖2 2000年模型海域等振幅線(虛線)和同潮圖(實線)Fig.2 Co-range (dashed) and co-tidal line (solid)

圖3 計算區域歐拉余流場分布圖(2000年)Fig.3 The Eulerian residual current of 2000

3.2 典型年代各區塊水交換能力

3.2.1 2000年各區塊水交換能力 由表 1可見,靠近渤海灣口的區塊G和區塊H分別在第0天和第3天開始與渤海灣外水體發生交換, 區塊F在第12天開始發生交換, 區塊D和E則需要近1個月的時間才開始發生交換, 而區塊C雖然處于灣頂海域, 但發生交換的時間卻早于區塊D和E, 需要約20天, 這與渤海灣的環流結構密切相關, 區塊A和B大部處于灣頂的弱流區內, 發生交換的時間最長, 分別需要105天和60天。

區塊A需要將近15個月的時間才能達到穩定態,是八個區塊中所需時間最長的, 其次是區塊B。雖然區塊A和B達到穩定態的時間較長, 但其交換較強,均超過了80%。區塊C和D分別需要約10個和11個月才能達到交換穩定態, 但其交換率卻不及區塊A和B, 尤以區塊D最為明顯, 達到穩定態時交換率僅為67.5%。區塊H達到穩定態所需的時間最短, 約為24天, 與區塊 H與灣口接壤有關, 但交換率卻很低,而區塊F雖然需要近1個半月的時間交換才能達到穩定態, 但達穩定態時的交換率卻是所有區塊中最高的, 約為 96.3%, 顯示出很強的交換水平。從第 1年各區塊的交換率來看, 區塊A、C和D的交換率較低,而其他區塊第1年的交換率均超過了80%, 從水質點的運動規律看, 區塊A和C中有較多的水質點貼岸向灣外運動, 區塊 D多數水質點則由于岸界側粘滯作用而減弱了它們與灣外水體的交換能力。雖然區塊G靠近渤海灣口, 但其交換率卻低于同樣臨近灣口的區塊E和F, 這與區塊G所處渤海灣南部的環流結構有重要關系。

3.2.2 2010年各區塊水交換能力 由表 2可見,靠近渤海灣口的區塊G和H分別在第2天和第0天開始與灣外水體發生交換, 區塊E和F的開始交換時間較2000年均有所提前, 分別在第24天和第3天開始發生交換, 區塊A、B、C和D開始交換時間則要大大落后于 2000年, 以區塊 C最為顯著, 需要 117天才開始發生交換。

各區塊達到交換穩定態的時間較2000年均有不同程度的變化。區塊A和B達到交換穩定態的時間有所縮短, 分別為368天和312天, 較2000年分別縮短了約3個月和2個月, 但達穩定態時的交換率卻下降很大, 表明區塊A和B的交換能力有所下降。雖然區塊C和H達到穩定態所需的時間變化不大, 但交換率卻呈現出下降的趨勢, 以區塊H最為顯著, 與2000年相比達到穩定態時交換率下降了約 20%。2010年區塊D、E和F達到穩定態所需時間較2000年大大增加, 其中區塊 E增加了約 10個月的時間, 區塊 F增加了約3個月的時間, 但區塊D和E的交換率卻變化不大, 而區塊F的交換率則下降明顯, 由2000年的96.3%下降為79.1%。

圖4 渤海灣海域年均歐拉余流場分布圖(左圖為2000年,右圖為2010年)Fig.4 The Eulerian residual current in Bohai Bay (the left denotes 2000 and the right denotes 2010)

表1 2000年各區塊交換特征統計表Tab.1 Characteristic of water exchange in 2000

3.3 典型年代渤海灣內平均水存留時間變化

模擬4年后, 2000年和2010年渤海灣的平均水存留時間分別約為 150天和 169天(圖 7), 可見無論是2000年還是2010年除灣口和海灣中部偏西海域的平均水存留時間分布較相似外, 平均水存留時間在渤海灣分布差異很大。因此, 若僅以箱式模型通過研究灣口通量來計算渤海灣水交換, 可能會過高的估計渤海灣的水交換水平。

表2 2010年各區塊交換特征統計表Tab.2 Characteristic of water exchange in 2010

圖5 2000年渤海灣各區塊水質點分布圖Fig.5 The distribution of water particles in 2000

2000年和2010渤海灣東南部靠近灣口的海域平均水存留時間分別約為24天和22天, 即1個月內這一區域海水可全部與渤海灣外水體交換更新, 故該海域的水交換能力較強, 水質相對潔凈。雖然, 從理論上來說灣口海域的平均水存留時間應為最短, 但沿渤海灣口自南向北一線海域的平均水存留時間的分布存在較大差異: 2000年和 2010年渤海灣灣口中部偏南海域(38.5°N附近)的平均水存留時間均少于3天,并逐漸向南北兩側增加, 以 2000年向北部增加最為顯著, 至 38.93°N 附近時平均水存留時間可增加至300天, 向南部的增加量相對較少, 至渤海灣南岸的東營沿岸海域時, 平均水存留時間增加至30—40天,說明渤海灣灣口南部海域的水交換能力遠強于北部海域。然而, 2010年時渤海灣灣口北部和南部的平均存留時間均有所減少, 其中灣口北部平均減少至約230天, 灣口南部海域平均水存留時間減少至約 19天。2000年渤海灣灣口至中部海域存在一個平均水存留時間低值區(平均水存留時間小于 60天), 但至2010年時該低值區不僅影響范圍有所減小, 而且有向西南方向萎縮的趨勢。2000年黃驊港至濱州北部沿岸海域的平均水存留時間為290天, 濱州北部沿岸的平均水存留時間較長, 最長可達490天, 天津港至黃驊港海域的平均水存留時間低值區呈條狀分布,平均水存留時間小于120天; 至2010年時, 天津港至黃驊港沿岸的平均水存留時間大大增加, 尤以黃驊港擋沙堤西北部海域最為明顯, 2000年條狀的平均水存留時間低值區消失, 轉變為高值區, 平均水存留時間增加至約 420—540天, 擋沙堤的建設導致其西北海域的平均水存留時間大大增加。2000年天津港沿岸海域的平均水存留時間為252天, 天津港以北海域平均水存留時間大于南部, 北部平均水存留時間最長為284天, 南部平均水存留時間最長為264天, 意味著天津港周邊海域的水質點需要至少10個月的時間才能完全與灣口水體交換。然而, 至2010年時, 天津港沿岸海域的平均水存留時間增加至約271天, 港區以北和以南海域的平均水存留時間的分布格局發生了逆轉——北部平均水存留時間小于南部, 最長水存留時間約 382天。2000年南堡沿岸海域的平均水存留時間為303天, 以中部和近海海域的平均水存留最長, 最長可達320天, 可能是由于位于弱流區海域所致, 至 2010年時南堡沿岸海域的平均水存留時間為239天, 最長可達256天, 均有所減小。2000年曹妃甸沿岸海域的平均水存留時間差異較大, 具有中間短, 兩端長的特征, 中部海域平均水存留時間小于100天, 兩端的平均水存留時間則在 200天以上; 至2010年時, 由于2000年渤海灣中部水存留時間低值區的向東南衰退, 導致 2010年曹妃甸中部海域的平均水存留時間均大于200天, 而曹妃甸兩側海域的平均水存留時間則平均減小約32天。

圖6 2010年渤海灣各區塊水質點分布圖Fig.6 The distribution of water particles in 2010

圖7 年平均水存留時間及變化(從左至右依次為2000年平均水存留時間圖、2010年平均水存留時間圖和2010與2000年平均水存留時間變化圖)Fig.7 Average residence time of Bohai Bay and their differences (from left to right denote average residence time of Bohai Bay in 2000,average residence time of Bohai Bay in 2010 and their differences)

由此看來, 由于近 10年來渤海灣岸線的劇烈變動, 導致渤海灣的實際納潮海域面積減小, 灣內的潮流場和環流結構均發生了不同程度的改變, 致使近10年來渤海灣內水體交換和平均水存留時間也隨之產生了較大變化——天津港至黃驊港沿岸海域、黃驊港以北海域和和曹妃甸至濱州海域的平均水存留時間顯著增加, 天津港以北海域、濱州至東營海域和曹妃甸以東海域的平均水存留時間明顯縮短。2000年時渤海灣中部偏南海域水質點需要較長的時間才能運動出灣外, 而天津港東部海域的平均水存留時間則相對較短, 灣頂北部的南堡沿岸, 由于岸線凹進,加之流速較弱, 故水交換能力較弱。然而, 至2010年時, 渤海灣沿岸各岸段由于海岸帶快速城市化, 岸線向海凸出明顯, 灣內環流結構發生了較大變化, 導致了更多的水質點在渤海灣中部海域的存留時間大大加長, 或者進入灣頂的弱流區內, 同時, 天津港南疆港區和黃驊港凸出海岸的建設, 阻擋了水質點的順岸運動, 也增加了局部水存留時間。

3.4 不同投放時刻對渤海灣水交換的影響

以渤海灣潮流運動的 2個典型時刻作為水質點投放的初始時刻, 分別計算了2000年和2010年岸線條件下的渤海灣水交換率和達到穩定態所需的時間。結果表明, 不同的水質點初始投放時刻對渤海灣水交換率和達到穩定態所需時間影響較大, 尤其是后者。2000年和2010年的計算結果均表明, 低潮時投放水質點達到穩定態的時間較長, 分別所需470天和486天, 高潮時投放水質點達到穩定態所需的時間分別為431天和436天。導致該現象的主要原因是低潮時絕大多數水質點均向海灣西部運動, 由于渤海灣西部多為粉砂淤泥質海岸, 不僅大量水質點停滯在灣頂, 且灣頂的弱流區也遲滯了水質點向灣外運動。而高潮時投放水質點后, 多數水質點向灣口運動, 渤海灣中部和東部的水質點均能較快到達灣外, 而渤海灣灣頂的部分水質點則運動遲緩, 導致其在較長時間內不能與灣外水體產生交換, 故降低了渤海灣整體的水交換率。

4 討論

近10年來渤海灣環灣海岸帶城市化進程不斷推進, 沿岸生產和生活對土地的需求量大增, 隨著圍海造陸的熱度持續高漲, 渤海灣的自然海岸形態發生了劇烈變化。應用MIKE 3水動力模型耦合粒子追蹤模塊分別研究了2000年和2010年岸線條件下的渤海灣各區塊的水交換能力和海灣平均水存留時間, 結果表明, 人類活動導致岸線變化劇烈, 2000年和2010年渤海灣的歐拉余流場分布發生了明顯變化, 在海灣西部和中部產生了多個渦旋, 灣內南部的流速輻聚區被減弱。由于渤海灣的余流場結構是影響渤海灣水交換能力的重要動力學分量, 因此渤海灣內各區域的水交換能力和平均水存留時間變化顯著: 2010年渤海灣的平均水存留時間延長至 169天, 較 2000年增加了約 19天, 在渤海灣中部海域形成了兩個明顯條狀分布的平均水存留時間高值區, 對渤海灣區域水質的改善十分不利。2010年區塊A、區塊B和區塊D的開始交換時間均較2000年有所延長, 其中區塊B的開始交換時間延長了近一倍, 雖然它們達穩定態所需時間都較 2000年均有不同程度的減小, 但最終達穩定態的水交換率卻有不同程度的下降, 區塊B尤為顯著, 下降了近40%。另外, 從水質點的運動規律來看, 2000年區塊A和B中大量水質點停滯在渤海灣頂沿岸, 而2010年區塊A和B的水質點則少有停滯在上述海域, 而在曹妃甸海域停留時間較長?？梢姴澈扯嗄陙淼膰詈９こ? 造成對決定灣內水交換的環流結構發生了一定的改變, 不僅導致近岸海域的交換能力下降(天津近岸海域的水交換能力下降最為顯著), 而且也減弱了渤海灣中部的水交換能力。

天津濱海新區的入海排污口分布于渤海灣頂的8條大型河流上, 按照排污口規模及污染影響程度, 主要入海排污口大部分位于塘沽區及漢沽區, 兩個重點入海排污口北塘口及大沽排污口也分布在天津海域的北部。近 10年來, 隨著天津濱海新區的快速城市化, 石化、港口、鋼鐵等產業大量臨海建設, 大量超標污水經由北塘和大沽排污口向海排放。研究表明,雖然排污口的水質點能較快離開排污口附近, 但多停留在渤海灣北部灣頂區域, 并需要更長的時間才能擴散出渤海灣外, 很難向南疆港區以南海域擴散。因此, 天津濱海新區進一步開發建設時應將區域水交換能力納入總體規劃, 在渤海灣灣頂的西北部等交換能力較差的海域, 應避免近岸排污口或重污染企業, 以免進一步增加區域海洋環境壓力。

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