圍填海工程對福建東山灣潮汐潮流動力特征的累積影響研究

宋澤坤，張俊彪，施偉勇，張 峰，3

（1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州國海海洋工程勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012；3.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316012）

海灣作為地球四大圈層交匯地帶，是陸海相互作用最為活躍的區域，它不僅通過為海洋生物提供重要的棲息場所而在生態過程中發揮重要作用，而且還在河口環流等物理和生物地球化學過程中發揮重要作用。為了滿足人口增長和經濟發展的需要，自20 世紀50 年代開始，大量圍填海、航道開挖、跨海大橋等區域人類活動在海灣實施[1-6]。這些區域活動擾亂了原本天然的潮流和泥沙平衡關系，導致沉積物的輸運發生變化。除此之外，泥沙顆粒是有機物和營養鹽的承載體，對物質的遷移和循環具有重要作用，這些區域人類活動也帶來了不少環境問題。例如，截至1990 年，舊金山灣約有800 km2的填海濕地，其水交換能力和潮汐通量急劇下降，導致生物多樣性下降[7]。ZHU L 等[8]研究發現，在過去30 年里渤海灣圍填海導致潮汐通量減少，水交換能力下降，對渤海灣生態環境造成了不利影響。隨著海灣區域人類活動引起的環境問題日益受到重視，海灣的環境問題已成為海洋學領域的熱門話題[9-12]。

東山灣位于福建省沿海的半封閉海灣，近年來區域人類開發活動頻繁。迄今為止，眾多學者對東山灣開發活動的影響進行了大量研究。梁群峰等[13]分析了東山灣1954—2008 年海底沖淤變化，認為人類活動是50 年間東山灣局部沖淤變化的控制因素。陸志強等[14]基于可變模糊評價模型的海灣生態系統健康評價方法，對東山灣生態系統健康狀況進行了評價。龔旭東等[15]采用平面二維數學模型探討灣內圍填海對東山灣水動力環境的影響。在以往的研究成果中，一般側重于單一工程項目對東山灣潮流動力影響的模擬，然而區域人類活動整體對潮汐特征和潮汐不對稱影響的研究仍有待深入開展。

本文通過FVCOM 數值模式建立東山灣潮動力過程數值模型，并利用實測資料對模型進行率定和驗證，最后采用該模型研究了區域人類活動對東山灣潮汐特征和潮汐不對稱的影響。本文有助于加強對東山灣潮汐過程和未來變化趨勢的理解，并為我國海灣的可持續發展和綜合管理提供技術支持。

1 研究區域概況

本文研究區域東山灣位于福建省東南沿海（圖1），其西臨云霄縣和東山縣，北鄰漳浦縣，東與東海臺灣海峽相隔古雷半島。海灣呈南北走向，灣口位于海灣最南端，灣頂位于海灣西北端，是在構造型河口海灣基礎上發育的半封閉性海灣。灣內海域面積約248 km2，海岸線長約110 km。整個海灣呈不規則布袋狀伸入陸地，口門和灣頂狹窄，口門寬度僅5 km，最大水深36 m，海灣腹部寬淺，灣內水域寬廣，腹部寬度約15.5 km，水深10 m 左右。灣內刺仔尾站最大潮差約為3.6 m。根據文獻[15]，東山灣口門外東海海域屬不正規半日潮，灣內則屬于正規半日潮。東山灣上游灣頂西岸以弱侵蝕基巖海岸為主，北岸為淤泥質海岸，東岸主要為砂質海岸（圖1）。為響應福建省經濟發展需求，東山灣自2013 年起進行了多次大規模的圍填海造陸活動，面積最大的3 次圍海分別是古雷半島中部圍海、刺仔尾圍海和灣口東側圍海，三次圍海的面積分別為6.77 km2、0.83 km2和4.17 km2。本文則主要基于無結構數值模式評價人類圍海造陸活動對區域潮動力特征的影響。

圖1 東山灣位置及圍填海概況

2 數值模式構建與驗證

2.1 東山灣潮動力數值模式構建

東山灣及福建沿海岸線曲折，島嶼眾多，地貌條件復雜，故本研究中選用無結構數值模式FVCOM 構建福建東山灣潮動力數學模型。該模式具有干濕邊界模擬功能，能夠模擬灣內潮灘的高潮淹沒及低潮露出過程。模式中采用通量有限體積積分的方式對動量方程、質量連續方程進行離散求解，模式離散方法簡單、計算效率高，同時也能保證復雜幾何結構的海灣及海洋計算中的質量、動量的守恒性。FVCOM 在垂向上使用滓坐標系對不規則底部地形進行擬合，在水平上利用無結構三角形網格對水平計算區域進行空間離散。目前該模式已被廣泛應用于海灣及近岸海洋動力模擬，詳細的控制方程組及求解方法可參考文獻[16]。

東山灣潮動力模型網格如圖2 所示，模型東到119.6°E，北到24.6°N，南到24.8°N，模型范圍覆蓋整個東山灣、浮山灣、臺灣海峽及鄰近海域?？側菃卧獢禐?08 868 個，節點數為56 486 個，網格在東山灣內進行加密處理，空間分辨率最高約100 m，外海開邊界分辨率約2 000 m，在垂向上均勻分為6 個滓層計算。東山灣內水深主要采用2015 年期間的地形測量資料，外海水深變化較小，采用最新海圖數字化得到。外海開邊界潮位由8 個主要天文分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1 和Q1）計算得到，這些調和常數資料來自NAOTIDE（https://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html）全球潮動力模型。

圖2 模型計算區域和網格展示

為研究該區域人類圍墾活動對東山灣潮動力特征的影響，本文選取2013 年的海岸線作為工程前岸線，在此基礎上增加3 個區域圍填海工程后的海岸線作為工程后岸線。工程前后2 個工況除了岸線不同以外，其余初始、邊界條件和模型參數均不變。模型計算起始時間為2013 年12 月18 日，終止時間為2014 年1 月20 日，取后一個月計算結果（即2013 年12 月20 日至2014 年1 月20 日）共31天作為分析數據。

2.2 數值模型結果驗證

模型采用東山灣內刺仔尾和東山2 個潮位站，以及1#至4#潮流站實測的整點潮位和潮流數據進行驗證，刺仔尾站位于東山灣內，東山位于東山灣內附近，測站具體位置分布如圖1 所示。圖3 顯示了2 個站實測數據與潮位模擬數據的對比結果，圖4（a）分別1#至4#潮流站在大潮時段的對比擬合結果，圖4（b）分別1#至4#潮流站在小潮時段的對比擬合結果。整體上兩個潮位站的水位及4 個潮流站流速流向模擬結果較好。此外本文采用模型評價系數（SS）來定量評價模型的準確性。

式中，Xmod、Xobs分別表示模型模擬結果和實測結果；為實測結果的平均值。根據ZHU L 等[17]研究，模型評價系數SS小于0.2 時認為模型的可信度較差或不可信，當SS值大于0.65 時，模型的可信度達到良好水平。本模型計算結果中，刺仔尾和東山站的評價系數分別達到0.94 和0.88，表明模型就具有較高的可信度，可用于東山灣潮流研究使用。

3 圍海前后潮動力特征分析

3.1 圍填前后流場結構特征分析

東山灣圍海工程前后的流場結構如圖5 和圖6所示。漲急時刻潮流由東山灣口門兩個汊道分別進入灣內，灣口平均流速約1.5 m/s，最大流速可達2.1 m/s（圖5（a））。灣內由于其橫斷面面積較大，平均流速較小，灣內中部主流區域平均流速約1.0 m/s，隨著向兩側區域靠近，平均流速逐漸降低，兩側靠岸區域平均流速僅約0.2 m/s（圖5（a））。灣內的主流受灣口兩個島嶼的影響，明顯分為兩個主流區域，其中西側主流區域流速較大，東側主流區域流速略小。從流速大小分布圖來看，兩主流之間的差值在工程前最為顯著，工程后受灣內東側古雷半島圍海工程的影響，東側主流區域流速受擠壓明顯增強（圖5（c））。上游灣口的流速在狹島效應的影響下進一步增強，增加至約2.0 m/s，且圍海工程前后無顯著變化。對比圍海工程前后東山灣的漲急時刻流速差值和流場結構（圖6（a））可知，在流場結構上，整個海灣的流場方向工程前后沒有顯著區別，但圍海工程附近區域的流場方向受工程影響發生顯著區別，主要表現在工程后水流方向受工程影響，更多的指向灣內，例如古雷半島中部圍海工程附近，工程后水流明顯偏向灣內，是導致灣內東側主流增強的主要原因。在流速大小上，亦呈現與流場結構類似的影響特征，即整個海灣的流速影響并不大，但圍墾附近區域的流速影響較大。以流速差是否超過0.05 m/s 為界，可大致區分圍海工程對漲急時刻流速影響的范圍，該范圍在南側（即漲潮方向上游）較大，在北側（即漲潮方向下游）較小，以刺仔尾附近海域圍墾工程為例，在上游方向影響范圍可達約5.8 km，在下游方向影響范圍約2.6 km，不足上游的50%。其余兩個圍海工程的影響半徑類似（圖6（a））。從流速影響結果來看，漲急時刻則明顯呈現圍墾區域南北兩側（即上下游）流速降低，其中以南側降低效果最為顯著，3 個圍墾工程南側附近區域流速降低可達0.40 m/s，北側附近區域流速降低僅約0.25 m/s。在靠近灣內一側，圍海工程后流速顯著增強，最大增強幅度約0.35 m/s，且均發生在圍海工程的北側靠近灣內一角（圖6（a））。

圖5 圍海工程前后典型時刻流場

圖6 圍海工程前后漲急和落急時刻流場結構變化

落急時刻灣內流場結構與漲急時刻類似（圖5（b）和圖5（d）），但是流速方向相反，且流速大小上也明顯低于漲急時刻，其主要原因是落潮期間是自由出流，漲潮期間是強迫入流，不過落潮時長也略大于漲潮時長。在灣內靠北小島和灣口汊道的影響下，落急時刻的流場在灣內同樣分為東西兩個主流，且以東部主流為主，平均流速約0.9 m/s，略低于漲急時刻流速（圖5（b）和圖5（d））。3 個圍海工程對落急時刻流場結構的影響與漲潮類似。首先在流場結構上，圍海工程僅影響工程附近區域的流場結構，在圍海工程附近，工程前后的流速方向發生顯著變化，不過整個海灣的主流區域，流速結構影響較?。▓D6）。采用流速差是否超過0.05 m/s 來衡量影響范圍的話，以刺仔尾圍海工程為例，落急時刻圍海工程的影響范圍在工程北側的影響長度約3.2 km，略大于漲急時刻，在工程南側的影響長度約4.8 km，略小于漲急時刻，不過受海灣岸線東北-西南方向的影響，工程附近區域南側的影響長度仍然略高于工程北側，其余兩個島嶼的影響范圍及與漲急時刻的差值類似。在流速差值上，落急時刻仍然呈現工程附近南側的流速均小于工程前，但靠近海灣一側的流速大于工程前，這一點與漲急時刻的影響類似，不過流速增大的區域從漲急時刻的灣內北角移動至灣內南角，主要是落潮方向相反的緣故（圖7）。在流速差值上，落急時刻流速在工程后的增加量最大可達0.30 m/s（工程附近灣內方向南側），減小量最大約0.4 m/s（工程附近北側岸線），兩個值均略小于漲急時刻的情況，其主要原因是落急時刻流速略小于漲急時刻。

圖7 圍海工程前后流速差

3.2 圍海前后潮波振幅特征分析

已有研究和本次數值模擬均表明，本文研究區域東山灣以半日分潮為主，全日潮較小，但由于海灣水深較淺，而且灣內島嶼眾多，水深變化復雜，因此淺水分潮也較大。為此本文選取主太陰半日分潮M2 和其衍生的淺水分潮M4 進行分析。論文采用T_tide 對潮位結果進行調和分析得到各個分潮的調和常數。圖8 和圖9 中顯示了圍海工程前后海域M2 分潮和M4 分潮的分布及變化特征。灣內潮波是由外海傳入的潮波所引起的脅迫振動，在水深等因素的影響下潮波振幅在灣內分布具有顯著差異，各潮波振幅從灣口至灣頂潮差呈現出逐漸增大的趨勢。從潮差的角度來講，灣口為最大潮差約為3.3 m，灣頂可以增大至3.9 m 左右。

圖8 圍海工程前后M2 和M4 分潮同潮圖

圖9 圍海工程前后M2 和M4 分潮振幅差值和相位變化

由圖8（a）和圖8（b）圍海工程前M2 和M4 分潮的同潮圖可知，東海的前進波由東山灣南側灣口進入東山灣，等相位線基本垂直于海灣兩側岸線，因此，從等相位線分布來看，東山灣內潮波由南向北方向傳播。初始進入東山灣灣口的M2 分潮振幅大小與外海相差不大，約1.05 m 左右，潮波由灣口向灣頂傳播過程中，海灣縮窄和水深變淺導致能量輻聚、振幅增加顯著。M2 分潮傳播至海灣中心大霜島附近時振幅增加至1.18 m。而傳播至灣頂M2 振幅可達1.25 m，相對于灣口增幅約25%左右。從M2 分潮的等相位線分布來看（圖8（a），實線），該分潮的等相位線基本平行于等振幅線，而且越向灣頂其等相位線間距越小，說明潮波傳播速度越來越慢，這主要是由于潮波由灣口向灣頂傳播過程中水深減小導致淺水波波速減小而致。M2 分潮的相位在灣口處約為358°，在港頂處約為9°，隨著離灣口距離的增大而增大。最終東山灣潮波從灣口傳播至灣頂附近相位遲滯約11°，歷時約為0.34 h。同M2分潮類似，M4 分潮的振幅沿灣口向灣頂也有非常明顯的增長，潮波在向灣頂傳播過程中隨著岸線和水深的劇烈變化，M4 分潮從M2 分潮流攝取能量增加，導致淺水分潮M4 振幅增大（圖8（b））。淺水分潮M4 振幅在灣口僅約為0.02 m，大霜島附近振幅增加至0.11 m，由于東山灣大霜島以北至灣頂岸線收縮明顯，因此M4 振幅增速明顯，灣頂M4 振幅可達0.22 m，增幅較大霜島之前更為明顯。M4分潮的相位在灣口處約為198°，在灣頂處約為230°（圖8（b），實線）。

圖8（c）和圖8（d）顯示了圍海工程后東山灣M2和M4 分潮的同潮圖，整體看來分布模式與工程前相差不大，比較顯著的是工程后兩個分潮的傳播相位有顯著變化，特別是在刺仔尾圍海工程附近。從圖9 中圍海工程前后兩個分潮的振幅差值和相位對比更能夠反映變化情況。從振幅變化來看，圍填海后東山灣內M2 和M4 分潮振幅增減不一。圍填海后灣內下寨至灣頂區域，以及古雷和刺仔尾以南至灣口的區域M2 分潮振幅下降明顯，尤其是古雷圍填海南側，M2 分潮振幅下降最大為0.12 m，降幅約11%。灣內僅有中部大霜島以北至下寨的小部分區域內振幅略有增大，增幅也較小，最大增大僅為0.02m，增幅約2%左右（圖9（a））。圍填海后灣內大部分區域內M4 分潮振幅變化不明顯，僅在刺仔尾和古雷填海區域周邊的局部區域發生了變化，整體上呈現南側減小北側增大的規律。刺仔尾和古雷填海區域南側局部M4 分潮振幅最大分別減小0.006 m和0.008 m，降幅分別為6%和10%左右。刺仔尾和古雷填海區域北側局部M4 分潮振幅最大分別增大0.003 m 和0.010 m，增幅分別為3%和11%左右（圖9（b））。從圍填海后M2 分潮相位變化來看（圖9（a），線條），古雷和刺仔尾以南至灣口的區域（358°~360°）相位有所提前，中部大霜島以北至下寨的區域（1°~4°）內相位有所延遲，下寨至灣頂的區域（5°~9°）相位變化不明顯。從圍填海后M4 分潮相位變化來看（圖9（b），線條），古雷以南至灣口的區域（198°~228°）及下寨至灣頂的區域（252°~230°）相位變化不明顯。相位變化不明顯，中部大霜島以北至下寨的區域（234°~246°）內相位有所延遲。

3.3 圍海工程對海灣潮汐不對稱結構特征的影響分析

在海灣和河口地區，潮汐不對稱性反映了漲潮和落潮在幅度和持續時間上的差異。這種現象主要是由于半日潮汐之間相互作用，水位上升和下降的持續時間不對稱引起的。潮汐不對稱性作為海灣和河口重要的潮汐動力特征之一，會影響海灣和河口物質的輸運和沉積。由于本文研究區域東山灣以M2 分潮和M4 分潮分別為主要天文分潮和主要淺水分潮，因此本文采用M2-M4 分潮組合來研究東山灣的潮汐不對稱特征，根據SONG D 等[18]的研究，海灣地區潮汐不對稱性指標（γ）的計算公式如下。

式中，AM2、AM4分別為M2和M4分潮的振幅；φM2、φM4分別為M2、M4分潮的相位；M2和M4的振幅和相位由模型的潮位模擬結果進行調和分析得到。根據式（2），M2和M4振幅和相位的變化導致潮汐不對稱性的變化，由γ代表其不對稱度。若計算結果γ<0，表示漲潮歷時短于落潮歷時，落潮占優；若γ> 0，表示漲潮歷時長于落潮歷時，漲潮占優[19]。

根據式（2）計算得到了東山灣圍填海前（圖10（a））和圍填海后（圖10（b））的潮汐不對稱性γ值平面分布，以及東山灣圍填海實施對海灣內γ值影響的平面分布（圖10（c））。從東山灣圍填海前后γ值分布來看（圖10（a）和圖10（b）），整個灣內γ值均大于0，這表明整個東山灣內的潮汐過程中漲潮優勢強于落潮。在橫向上γ值變化不明顯，其等值線基本垂直于海灣兩側岸線?？v向分布來看，γ值從灣口向灣頂增大明顯，灣口的γ值與外海相當基本為0，而到達海灣中部大霜島附近海域時γ值增大到0.3 左右，灣頂附近海域時γ值可達0.54。不對稱性表現出從灣口向灣頂潮汐的漲潮優勢逐漸加強的特征，主要由于潮波向灣頂傳播過程中，水深變淺、底摩擦增大、潮波變形嚴重導致。

圖10 潮汐不對稱γ平面分布

從γ值變化來看（圖10（c）），整個灣口、灣頂及海灣中部內側大部分水域基本沒有變化，僅在海灣內部東側、海灣內部西側的圍填海周邊約5 km范圍內的近岸局部水域產生了一定的變化。在海灣內部γ值均呈現出圍填海北側區域增大，南側區域減小的整體規律。例如刺仔尾和古雷填海北側γ值分別增大約0.029 和0.052，增幅為12%和19%；刺仔尾和古雷填海南側γ值分別減小約0.020 和0.031，降幅為8%和15%。即東山灣內圍填海以北的局部范圍內漲潮優勢增強，圍填海以南的局部范圍內漲潮優勢減弱。

4 結 論

本文基于有限體積海洋數值模式FVCOM 建立了東山灣潮動力數學模型，以此研究區域人類活動對東山灣潮汐動力結構的影響。模型計算結果與實測數據擬合較好，具有較高的可信度?；跀抵的Ｐ?，本文進一步討論了東山灣3 次圍墾工程影響下，流速、潮波振幅和潮汐不對稱性3 個方面的變化，主要研究結論如下。

從漲落急時刻流場結構上，東山灣圍海工程對整個海灣的急流時刻影響較小，但對工程附近約5 km 范圍內區域的影響較顯著，主要體現在工程附近上下游流速降低，最大降低值約0.4 m/s，工程靠近海灣一側流速增強，最大增加值約0.35 m/s。從兩個主要分潮振幅變化的角度上，東山灣圍海工程造成灣內M2 分潮振幅整體以下降為主，古雷圍填海南側附近下降最大為0.12 m，降幅約11%；M4分潮振幅整體變化不明顯，僅在刺仔尾和古雷填海區域周邊發生變化，整個海灣分潮振幅基本上呈現“南側減小-北側增大”的規律。東山灣內整體呈現出漲潮優勢強于落潮的潮汐動力特征，潮汐不對稱性γ值從灣口向灣頂增大明顯，灣口的γ值接近于0，中部大霜島附近海域時增大到0.3 左右，灣頂附近海域可達0.54，表現出從灣口向灣頂潮汐的漲潮優勢逐漸加強的特征。圍海造陸工程造成東山灣內γ值改變僅發生在圍填海周邊的局部水域，均呈現出圍填海北側區域增大，南側區域減小的整體規律，表明東山灣內圍填海以北的局部范圍內漲潮優勢增強，圍填海以南的局部范圍內漲潮優勢減弱。

本文所建立的東山灣水動力數值模型僅考慮了潮波動力，沒有考慮風場及波浪作用，研究結果存在局限性。同時，圍填海后動力的改變最終勢必會對東山灣的泥沙動力、海床演變產生影響，因此下階段將綜合考慮潮流、波浪、季風等多種動力因素，建立東山灣泥沙數值模型，對圍填海影響下東山灣泥沙動力特征、海床沖淤環境的變化展開研究。