潮汐驅動下的遼東灣水動力及入海污染物輸移特征

李東輝，晁雷，趙豐澤，雷坤，李原儀

（1.沈陽建筑大學市政與環境工程學院,遼寧 沈陽 110168；2.天津大學機械工程學院,天津 300072；3.中國環境科學研究院,北京 100012；4.天津大學海洋科學與技術學院,天津 300072）

遼東灣位于我國渤海北部，為典型的半封閉型海灣，其三面環陸，南接渤海中央海盆，東西較窄，南北狹長，與外海水交換困難[1-2]。隨著社會和經濟的快速發展，大量污染物隨入海徑流進入遼東灣，對其海洋環境造成了巨大影響[2-3]。遼東灣等近岸海域是陸海相互作用強烈的區域，陸源排放的污染物對近岸海域水質產生顯著影響，研究遼東灣入海物質的輸移擴散特征對認識遼東灣海水自凈能力和改善遼東灣水環境具有重要意義[4-8]。

潮流是驅動近海物質輸運的關鍵性因素，近海的潮流特征決定了海域物質輸運的主要路徑及其分布特征[9-11]。目前，對遼東灣潮流和物質輸運特征已開展了大量研究。趙保仁等[11]基于早期綜合調查資料對該海域環流和潮余流進行分析認為遼東灣南部海域的潮余流方向是順時針，徐珊珊等[12]利用海上浮標數據對遼東灣灣口附近的海流進行分析得出了相似的結論。而Shang等[13]基于數值模擬認為遼東灣南部海域的潮余流是逆時針的。魏皓等[14]通過數值模擬發現遼東灣北部海域存在自封閉的環流而導致北部海域與外海水交換較弱?？紫轾i[15]通過數值模擬的方法研究發現遼東灣北部海域的環流主要為逆時針方向，這與胡雪明[16]在夏季遼東灣北部海域研究結果基本一致。由此可知，目前對遼東灣潮致環流特征的認識存在一定分歧，對遼東灣海域環流影響范圍與河流入海水體的輸運路徑也需要深入研究。由于遼東灣復雜的環流結構，僅從潮致本身研究物質輸運可能得不到清晰明確的結論，有必要通過具有明確物理意義的參量對遼東灣的水交換和物理自凈能力進行定量描述。本研究采用平均年齡理論呈現出入海水體在時空上的運動趨勢，從而實現對遼東灣物質輸運特征的全面認識。

本文采用數值模擬的方法對遼東灣潮汐驅動下的水動力條件和物質輸運進行了研究，使用基于歐拉觀點的示蹤物質輸運模型研究了遼東灣海域余環流特征和遼東灣不同海區的水交換特性，將基于歐拉觀點的年齡模型應用于物質輸運的時間尺度研究，分析潮汐驅動下的遼東灣水交換和物理自凈能力，以期為遼東灣環境承載力評估提供科學依據。

1 研究區域、數據和方法

1.1 研究區域

遼東灣所屬岸線西起六股河口，東到遼東半島西側的長興島（圖1），沿岸有遼河、大遼河、復州河、六股河等河流流入。灣內平均水深約18 m，最深處約32 m，受不正規半日潮控制，平均潮差約2.7 m，水動力條件較弱[17-18]。為全面研究遼東灣海域的物質輸運特征及其與渤海中央盆地北部海域間的水交換過程，本文將研究區域擴大至圖1 中虛線位置（唐山市樂亭縣至大連市旅順口）以北區域。

圖1 研究區域（虛線以北區域）及沿岸徑流入海位置Fig.1 Study area (north of dotted line) and locations of rivers entering the Liaodong Bay

1.2 入海流量數據

本研究考慮了位于遼東灣灣頂地區的遼河和大遼河、位于遼東灣西岸的六股河與遼東灣東岸的復州河等遼東灣入海徑流（圖2）。4 條河流的入海流量數據來自1988—2016 年《中華人民共和國水文年鑒》[19]，搜集整理了上述4 條河流入?？刂扑恼镜闹鹑掌骄髁繑祿ú糠帜攴輸祿笔В?。選取12 月、1 月和2月作為冬季，3 月、4 月和5 月作為春季，6 月、7 月和8 月作為夏季，9 月、10 月和11 月作為秋季，計算出各條河流不同季節的平均入海流量（圖2），并將其用于數值模擬計算。由圖2 可見，遼東灣海域入海徑流表現出顯著的干枯季特征，夏季流量最大，冬季流量最小甚至斷流，春秋兩季流量居中且差別不大。4 條河流中，大遼河和遼河流量較大，六股河流量較小，復州河在全年的入海流量均為最小。

圖2 各河流季節平均入海流量Fig.2 Seasonal average discharge of rivers into the sea

1.3 模型簡介

1.3.1 水動力學模型

Delft3D 為荷蘭Deltare 公司開發的用于模擬近海、湖泊、水庫及河流環境水動力學過程的開源軟件包。該軟件采用有限差分法對控制方程進行離散求解，可以對三維環境水動力學過程進行數值模擬。本研究基于Delft3D 建立遼東灣環境水動力學模型，對潮汐和入海徑流共同作用下的遼東灣流場和水動力過程進行數值模擬。

由于水深較淺，在潮汐作用下遼東灣垂向混合較好[20-21]，而海水和污染物輸運主要由水平方向的運動決定。因此，本文采用垂向平均的水平二維模式對遼東灣海水和物質的水平運動進行數值模擬（見Delft3D 用戶手冊[22]）。Delft3D 采用大渦模擬方法對水平方向的綜合擴散系數進行計算，可以較好地反映水平方向的湍流擴散對流場和物質輸運的影響。

1.3.2 物質輸運和年齡模型

本研究將入海水體作為示蹤物質，設定各入海徑流的示蹤物質濃度為1（質量比，無量綱量），其他區域示蹤物質濃度設為0。本文還對遼東灣及渤海中央盆地北部海域進行分區，對各個分區內的水體看作示蹤物質分別進行標記，研究各海區水體輸移擴散路徑。在初始時刻設定海區j的標記示蹤物質濃度為1（質量比，無量綱量），其他區域設為0，統計不同時刻各海區標記海水量占海區j初始總量的比例，其計算公式為：

式中：rij(t)為t時刻、海區i的標記海水量占海區j標記海水總量的比例，稱作剩余函數值；Vj0和Cj0分別為初始時刻海區j的總體積和示蹤物質濃度，Cj0指的是在0 時刻，海區j中的示蹤物質濃度，Cj0=1；Vik為海區i中的第k個控制單元的體積；Cijk為海區j的標記示蹤物質在海區i的第k個控制單元中的平均濃度。

Delhez等[23]和Deleersnijder等[24]提出了基于歐拉觀點的平均年齡理論。該理論利用代表水體組分的保守物質的濃度計算水體質點進入某一區域后所經歷的平均時間（年齡），該理論將年齡定義為2 個標量的比值：

式中：a為水深平均的年齡；為水平面內的坐標(x,y)；為水深平均的保守物質濃度；為該保守物質的年齡密度。按照平均年齡理論[23-24]，分別滿足保守物質輸運模型的控制方程（對流擴散方程）：

式（5）中：λ為無量綱參數；H為水深；U和V分別為x和y方向的流速分量。

1.4 模型設置

為消除開邊界對研究區域內計算結果的不利影響，將數值模型的開邊界設置在我國山東成山頭與韓國仁川之間，模型計算區域包含渤海及黃海北部海域（圖3）。采用空間交錯網格系統對計算區域進行離散，經向和緯向網格尺度均約為2 km。水下地形數據由中國海軍出版社出版的海圖[25]獲得，并通過空間線性插值得到網格角點上的水深數據。

圖3 數值模型計算區域及觀測站位Fig.3 The model area and of observations stations

水陸邊界設為無滲透滑移邊界，海水到邊界處的垂直岸線方向速度為0 m/s。為考慮潮汐漲落引起的岸線位置變化，采用干濕判斷法確定每一計算時間步長的水陸交界線位置。開邊界處給定水位時間序列。為保證開邊界條件的準確性，將開邊界分為6 段，確保每段內水位在空間上近似呈線性變化。各段端點處的水位時間序列采用OSU Tidal Prediction 軟件[26]給出的8 個主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1分潮）的調和常數進行計算得到，開邊界各網格點的水位時間序列由各段兩端點相應時刻的水位進行空間線性插值獲得。

模型采用冷啟動，初始時刻計算域內的海流流速為0 m/s，水位為渤海平均海平面高度（水位為0 m）。水動力學模型和物質輸運模型的計算時間步長均設為4 min。計算結果表明，水動力學模型啟動10 d 后的結果接近物理真實值，因此水動力學模型開始運行10 d 后啟動物質輸運模型和年齡模型。水動力學模型的運行時間為2010 年1 月1 日00:00 至2017 年12 月31 日24:00，共8 a。

1.5 水動力學模型驗證

采用天津大學于2003 年7 月海洋調查獲得的位于渤海灣中部海域的B2、B3 站的實測水位、流速和流向數據[21]與Guo等[27]2007 年1 月、4 月分別獲得的位于遼東灣西北部海域T2 站的水位、位于大遼河口附近海域C1 站的流速數據[27]（圖3）對本研究建立的水動力學模型進行驗證。由于C1 站位于河口附近海域，海水流向受到河流入海水干擾較大，故未收集C1 站流向數據。圖4 和圖5分別為渤海各站位模型計算結果與實測結果的對比情況。

圖4 渤海灣B2 和B3 站水位、流速和流向模擬與實測結果對比Fig.4 Comparison of simulated and measured results of water level,flow velocity and flow direction at B2 and B3 stations in Bohai Bay

圖5 遼東灣T2 站水位和C1 站流速模擬與實測結果對比Fig.5 Comparison of simulated and measured results of water level at T2 station and flow velocity at C1 station in Liaodong Bay

統計分析表明，B2 和B3 站的水位、流速和流向計算結果與實測結果的相對誤差均控制在5%以內，吻合度較高。T2 站的水位計算結果與實測結果的相對誤差均控制在12%以內，這可能是由于1 月遼東灣海域存在的海冰對潮汐產生了一定影響[28]；C1 站的流速計算結果與實測結果的相對誤差控制在7%以內，吻合度較高?？傮w上看，本文建立的水動力學模型可以較好地模擬渤海灣與遼東灣水位、流速和流向的變化，具有較高的計算精度。

2 結果與討論

2.1 遼東灣入海水體輸運特征

由圖2 可知，遼東灣沿岸各條入海河流的流量存在顯著的季節變化，本研究將遼河、大遼河、六股河與復州河在春、夏、秋三個季節的入海水體分別作為示蹤物質，用河流入海水季節平均濃度研究入海水體的輸運情況和遼東灣內的水交換特征，得到模型計算結果如圖6 和圖7 所示（圖中示蹤物質濃度為質量比，是無量綱量）。因冬季遼東灣沿岸的海冰影響物質輸運[28]，故本文不討論冬季入海水體的輸運狀況。

圖6 為遼河與大遼河入海水體（示蹤物質）季度平均濃度分布，可以看出遼河與大遼河入海水體具有相似的輸運特征。在這2 條河流的河口附近海域，入海水體代表的示蹤物質在空間上的濃度分布呈現出由東北至西南遞減的分布特征，表明由這2 條河流入海的水體主要向西南方向輸移，這與李衛衛等[18]的數值模擬結果類似。在遠離河口后，2 條河流的入海水體顯現向東南輸移的趨勢，在遼東灣的葫蘆島—大望山一線，水體沿西南方向擴散速度減慢，而沿東南方向輸運趨勢更加明顯（圖6）。入海水體的輸運趨勢由西南方向轉向東南，表明在遼東灣北部海域存在逆時針環流，且該環流阻礙了遼東灣北部海域和南部海域之間的水交換，是造成遼東灣灣頂污染物聚集和水質較差狀況的重要因素。

如圖7a 至圖7c 所示，由六股河入海的水體向河口外東南方向擴散的同時，還沿遼東灣西岸向西南漂移，這表明六股河口及附近海域海水具有沿海岸向西南流動的趨勢。如圖7d 至圖7f 所示，復州河入海水體主要沿西北方向輸運至六股河口以北海域。到達遼東灣西岸后，其向西南方向的輸運過程與六股河入海水體相似，由此可見，遼東灣灣口與渤海中央盆地北部存在一個逆時針的環流。Shang等[13]的研究也表明由渤海海峽進入的外海水在潮汐的作用下沿遼東半島東岸向遼東灣灣口流動，大部分在遼東灣灣口附近轉向西南，然后沿西岸流向渤海灣，在遼東灣灣口形成了逆時針環流；董嬌嬌等[29]使用2003 年和2015 年的海洋資料研究渤海潮余流場發現，在六股河口附近海域存在逆時針環流。這些結論與本研究的計算分析結果基本一致。

圖7 六股河與復州河入海水體季節平均濃度分布Fig.7 Seasonal mean concentrations of the water discharged from the Liugu River and the Fuzhou River

如圖6 和圖7 所示，這4 條河流的入海水體在各季節的輸運路徑基本相同，表明在潮汐的影響下，流場特征基本沒有發生明顯變化。這4 條河流春季流量較小，水體平均濃度較高的區域僅存在于河口附近海域；進入夏季后，隨著流量增加，水體平均濃度較高的區域明顯擴大；秋季流量下降，河口附近水體平均濃度較高區域（如遼河C> 0.300 0，大遼河C> 0.500 0，六股河C> 0.010 0，復州河C> 0.003 5 的區域）減小，但在距離河口較遠海域，平均濃度較低的區域（如遼河C> 0.100 0，大遼河C> 0.300 0，六股河C> 0.003 0，復州河C> 0.001 5 的區域）變化不大，這表明遼東灣入海徑流的流量季節性變化對海域的影響主要位于河口附近，遼東灣及渤海中央盆地北部海域的環流主要是潮致流。

2.2 遼東灣水交換特性

按照地理位置和水動力特征將遼東灣及渤海中央盆地北部海域分成遼東灣西北部（海區1）、遼東灣東北部（海區2）、遼東灣西南部（海區3）、遼東灣東南部（海區4）和渤海中央盆地北部海域（海區5）五個海區（圖8）。圖9 為設定各海區在0 時刻（2010年1 月1 日00:00）的海水總量作為標記水體總量（即示蹤物質），在不同時刻各海區標記水體量占標記水體總量的剩余函數曲線，見式（1），北部海域為海區1 和海區2 范圍之和，南部海域為海區3 和海區4范圍之和。水體在潮汐的驅動下流動的同時，水體質點還與相鄰區域的水體進行摻混，因此本研究考慮水體擴散作用，對流擴散方程的綜合擴散系數K根據聶紅濤[30]的率定結果換算得到。

圖8 海域分區Fig.8 Divided zones in the study area

圖9 各海區標記水體剩余函數曲線Fig.9 Curves of residual functions of the marked water bodies in the divided zones

如圖9a 所示，海區1 在0.1 年時已有超過總量50%的標記水體流出，是5 個海區中向外遷移速度最快的海區，說明海區1 與其他海區之間的水交換能力較強；海區2 和海區3 內的標記水體的比重迅速上升，在0.4 年時達到峰值，分別占海區1 標記水體總量的21%和32%。由圖9b 可知，在計算開始后，海區2 的標記水體向海區1 和海區4 輸移擴散的速度較快，在0.4 年和0.9 年時，海區1 和海區4 分別達到占比為19%和29%的峰值。結合圖9a 和圖9b 可知，在計算開始階段，標記海區與其他海區存在較高濃度差，驅動標記水體向其他海區迅速遷移，一段時間后，濃度差減小，南部海域內標記水體比重仍在以較快速率上升達到峰值；雖然海區1 和海區2 之間存在的環流促進了這2 個海區的物質交換，但入海水體示蹤的研究結果表明，海區1 和海區2 存在一個相對獨立的逆時針環流，這2 個海區通過對流作用與其他海區進行水交換的能力較弱，海區1 和海區2 的水體均向位于其南部的鄰近海區遷移速度最快、遷移的水體量較多，表明北部海域水體主要向南輸移擴散。

由圖9c 可知，計算開始后，海區3 的標記海水迅速向海區4 和海區5 輸移擴散，且在相同時間內向海區4 輸運量最大；由圖9d 可知，海區4 的標記海水向海區5 遷移速度最快，其次為海區3，結合圖7d 至圖7f，在六股河北部海域，復州河入海水體的季節平均濃度存在由西北向東南遞減的趨勢，可以推斷在遼東灣南部海域存在一個順時針潮致環流。如圖9c 和圖9d 所示，海區3 和海區4 的標記海水向海區1 和海區2 的遷移量較少，表明遼東灣南部海域水體主要向南輸運，向北輸運趨勢較弱。圖9e 可知，由海區5 進入遼東灣海域的標記海水量占比較小，說明渤海中央盆地北部海域主要向南輸運，該海域的海水主要通過擴散作用向遼東灣遷移。

綜上所述，遼東灣內部復雜的環流結構阻礙了遼東灣南北海域的水交換進程，但遼東灣及渤海中央盆地北部海域水體仍表現出向南輸移擴散的總趨勢，而向北輸移擴散的趨勢較弱。由圖9 可知，遼東灣各海區（海區1?4）標記水體在遼東灣海域的半交換時間（即一半的標記水體流出遼東灣所需的時間）可達3.1 a、3.2 a、2.3 a 和1.8 a，表明遼東灣與渤海中央盆地之間的水交換能力較弱，導致遼東灣內的污染物將對其自身水生態環境產生較大負擔。

2.3 河流入海水體平均年齡

由圖10a 至圖10c 可知，遼河入海水體的平均年齡在空間上呈現由東北向西南遞增的特征。遼東灣西北部海域平均年齡比東北部海域平均年齡小，體現出北部海域逆時針的環流特征。遼河口入海水體輸運至葫蘆島—大望山一線需800 d 以上，表明遼河入海水及污染物會長期在遼東灣北部海域停留聚集，這有可能使該區域承受較大的環境壓力。由于夏季遼河入海流量大于春、秋兩季，河口附近海域的夏季平均年齡較春、秋兩季平均年齡小，這表明在遼河口附近入海物質輸移擴散能力會受到河流流量的影響。然而，遼東灣灣口和渤海中央海盆北部海域的平均年齡變化不大，在春、夏、秋三季，1 400 d 的年齡等值線基本位于遼東灣灣口附近，1 600 d 和1 800 d 的年齡等值線也均未發生明顯位移，表明入海水體和污染物在遼東灣海域輸移擴散主要受潮流驅動。

由圖10d 至圖10f 可知，在六股河河口附近，六股河入海水體的平均年齡隨季節變化而不斷變化，這表明在河口附近海域入海水體輸移擴散受河流流量影響較為明顯。但遼東灣北部及渤海中央盆地北部海域的平均年齡分布變化并不明顯，在遼東灣北部海域，六股河入海水體的平均年齡約為1 400 d?？紤]到污染物輸運過程中的物理的、化學的和生物的降解作用，六股河入海水體中的污染物對遼東灣北部海域的環境影響較小。六股河入海水體的年齡等值線向南和西南方向延伸較明顯，表明由六股河入海的物質有向南和西南兩個方向輸移擴散的趨勢。

由圖10 可知，遼河、六股河等遼東灣河流的入海水體在河口附近停留時間較長，向遠區輸移擴散需要較長的時間，所以入海水體所帶來的污染物的影響區域主要集中在其河口及其鄰近海域。

圖10 遼河與六股河入海污染物季節平均時間（d）分布Fig.10 Seasonal mean time (d) distribution of pollutants entering the sea from the Liaohe River and the Liuguhe River

3 結語

本文利用Delft3D 建立了遼東灣水動力學模型和物質輸運模型，在此基礎上進一步建立了遼東灣河流入海物質的年齡模型，對潮汐驅動下的遼東灣流場和物質輸運路徑及其時間尺度進行了研究，主要得到以下結論。

遼東灣海域入海徑流對其流場和水交換的作用主要集中在河口附近，不同季節流量變化會對河口附近海域的水動力及物質的輸移速度產生較明顯的影響，但對距離河口較遠的海域影響較弱，不影響遼東灣整體的環流結構。

以葫蘆島—大望山一線作為遼東灣南北海域分界線，遼東灣南北海域分別存在順時針、逆時針環流，灣口附近又存在逆時針環流，雖然復雜的環流結構削弱了遼東灣內部以及它與外海的水交換能力，但遼東灣海域內物質仍可通過擴散過程與外海進行交換。

復雜的環流結構減緩了北部河流入海水體向外海的遷移速率，這些物質在北部海域停留時間超過2.2 a，對遼東灣北部的水質狀況和生態環境產生不利影響。位于遼東灣西南灣口位置的六股河入海水體呈現出向南遷移趨勢，到達遼東灣北部和東南海域所需時間較長，對遼東灣整體環境質量影響較小。