广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响.pdf

第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报，年 月 ，广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响张 敏，曾繁如，吴航星，陆迪文，米 婕，戴晓爱，鲁 恒，张东辉，高 宇，朱冬琳，陈 波 收稿日期：资助项目：广西近海海洋环境科学重点实验室开放基金（）；国家自然科学基金（）；上海市浦江人才计划（）作者简介：张敏（），男，博士，副教授；：（广西科学院、广西北部湾海洋研究中心、广西近海海洋环境科学重点实验室，广西 南宁；上海师范大学环境与地理科学学院，上海；四川水利职业技术学院，四川 成都；成都理工大学地球科学学院，四川 成都；四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都；中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室，北京；天津中科谱光信息技术有限公司，天津）摘要：北部湾茅尾海是中国南方重要的经济开发区，兴建有滨海新城和多个港口码头，近年来围垦开发严重。本研究通过建立二维水动力数值模型系统，分析重要潮汐动力参数，对比研究 年与 年间钦州湾围垦和港口建设对当地水动力环境的影响。结果表明：经过围填海和港口工程之后，茅尾海的潮差变化较小，略微增加了 左右；全日分潮、及半日分潮、是影响钦州湾潮汐动力较大的驱动力，围垦后在茅尾海内海地区都略微增加了 ，其中、是影响茅尾海的关键潮汐动力参数，敏感性测试分析表明三墩公路建设、钦州港海岸围垦和核电厂导堤建设对茅尾海潮差增加贡献率大致占、和；同时，围垦对束窄钦州湾航道具有一定的优化效应，围垦后钦州湾外湾三条水道峰值通量都明显增加，形成航道束水攻沙效果，对通航和维护主航道稳定性具有一定优势。因此，仅从潮汐动力参数变化角度分析，目前的围垦和港口工程迎合了当地河势特征，对潮汐动力场扰动较小，具有优化局部水动力场环境和提升通航安全性作用。关键词：海洋水文学；数值模拟；围填海；河势稳定性；潮汐水动力；茅尾海：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）潮汐动力是世界诸多潮控型河口、海湾和航道地貌演变的基本驱动力，对水下地形演变、滩槽结构发育和水质净化影响重大。维持和优化潮汐动力场在保障区域社会经济可持续发展、保护环境方面具有重要意义。因此，在强烈人类干预下，河口海湾地区潮汐动力参数的变化受到了极大关注。广西钦州湾由内湾（茅尾海）、外湾和连接处的龙门水道组成。茅尾海位于钦州湾内湾，隶属于钦州市，是广西壮族自治区重要经济开发区。茅尾海岸线曲折，滩涂湿地资源丰富，是广西红树林重要生长带。不同时期遥感影像揭示钦州湾岸线发生显著变化，这主要与人类经济活动有关。例如，早在 年代开始，大坜墩、盐田港、榕树灶和沙头港附近岸线出现局部围垦；钦州港于 年被列为省级开发区，并于当年开工扩建；年勒沟、果子山及鹰岭等地的港口、码头建设初具雏形；钦州保税港区于 年开始建设，年竣工，围垦总面积达 ；广西防城港核电站 年开工，年并网发电，建设有两条长达 的导堤。此外，年开始，钦州大港建设依托东航道，通过航道疏浚和岸线围垦扩大港口面积，并通过三墩公路建设将码头推向水深区域。这一系列水工构筑物的建设、大面积围海造地工程，对钦州湾的流场结构产生重要影响。为了解人类活动对钦州湾水动力的具体影响，前人利用不同的模型进行研究，但由于研究 应 用 海 洋 学 学 报 卷的具体工况不同，结果各异，甚至相互矛盾。人类活动对纳潮量的影响，有学者认为岸线围垦使纳潮容积减小、茅尾海潮流流速和潮差变小、潮流动力及水体交换能力均有所减弱。也有学者认为茅尾海清淤工程增大了茅尾海平均和大潮纳潮量，有利于钦州湾航道的维护。关于人类活动对钦州湾航道的影响，有学者认为龙门水道围垦虽小幅占用中水道，但对茅尾海的水动力影响较小。也有学者认为航道疏浚都对滩槽系统地貌演化产生深远的影响，促使水下地形进一步侵蚀。与本研究较为相关的，吕赫等基于 年和 年海图和卫星影像资料，研究了近期围填海工程对钦州湾水动力环境的影响，认为地形与岸线的改变使得钦州湾外湾潮汐振幅减小，而茅尾海内潮汐振幅增加。然而钦州湾及周边海域的围填海工程具有更长的历史渊源，早期围垦和海岸工程建设对茅尾海水动力环境影响的累积效应不可忽略。而且，前人研究主要集中在口外岸线变化和工程建设对茅尾海水体交换能力或水环境和生态安全的影响，而对湾内整体水动力场变化及甄别海岸围垦和重要工程建设对形成水动力条件现状的关键驱动力机制研究较少。从更长时间尺度上探讨人类工程建设对茅尾海关键水动力参数的影响具有重要现实意义。为定量分析围垦和大型海岸工程项目对茅尾海流场结构变化产生的影响，本研究基于近岸有限元非结构化二维水动力计算模型（），采用钦州湾实测地形和遥感解译岸线，构建了钦州湾围垦和工程建设前后 年和 年两套高分辨率变网格水动力数值模拟系统，对钦州湾的潮汐水动力、分潮变化和潮通量长期变化进行模拟，并采用 模型探究近 年来围填海工程对潮汐驱动力参数变化的影响，为茅尾海的综合开发管理、生态修复提供参考，并为未来计划开凿的南宁至茅尾海内陆运河水道规划和建设提供理论依据。数据与方法 研究区概况茅尾海位于广西壮族自治区南部，通过龙门水道与钦州湾连接，是一个典型的河口型海湾（图），呈哑铃状。茅尾海区域由于内陆河流带来的大量泥沙，以及龙门水道狭窄的地形，导致区域内水流搬运能力较差，沉积作用明显，水深较浅，仅 左右。外湾以及中部水道的位置，水深多在 以上。外湾存在大规模的滩槽系统，其中东、中、西三条水道水深多在 以上。作为广西壮族自治区海运建设的重点地区，由于在外湾东部靠近龙门水道的位置适合建造深水良港，围填海工程的实施十分迅猛，钦州港为提高其货物装卸能力，对东海湾和营陵湾两侧约 和 进行填海造地。此外，三墩公路建设长约，将码头水深从目前的 进一步拓展至 （海图基准面）的设计水深，以容纳 万 万吨级的海洋船只。钦州湾港区、保税港区以及三墩公路的建设改变了原有的岸线，使得钦州湾水动力环境和滩槽冲淤发生变化。数据来源与数据预处理收集了 年和 年两期钦州湾岸线及最临近的 年和 年实测 水下地形图构建研究区地形边界。水下地形图覆盖整个茅尾海及钦州湾外湾 等深线之间的水域，以理论深度为基准。经 处理，拼接、插值成 研究区水下地形高程（）。更大范围的海域水深由（）全球海底地形数据补充，分辨率为 （：），以平均海平面为基准面。两个来源的地形数据经统一矫正至黄海 国家高程基准面后，重投影转化至 坐标系，再进行 拼接。年和 年两期潮下带水边线位置数据，通过选择春季潮汐大潮低潮位时刻的影像提取陆地海洋分界线。数据源为覆盖钦州湾 系列遥感卫星影像（：），经几何纠正后通过 做绘制。外海潮汐水动力边界由全球海洋潮汐模型（：）提供。数据库采用调和潮的方式模拟潮汐振幅，包括 个主要潮汐成分（、和）、个长周期分量（和）和 个非线性复合潮汐（、和），并采用最小二乘法拟合了拉普拉斯潮波等式和在轨卫星（）实测的平均潮位（）数据。潮汐数据是由时间序列组成的向量边界，因此模型能够随时间和空间同步计算。平面二维水动力模型水动力模拟采用 二维数值模型（）。该模块解算不规则三角网，格网构建灵活，适合河口、海岸及海洋近岸区域的水流和水环境模拟，可模拟工程区围垦后导致的地形因素变化对水流、水 位 和 动 力 场 的 扰 动 影 响。水动力模块基于有限元差分法解算圣 期张 敏，等：广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响 维南方程组（），控制方程包括一个连续性方程和两个动量守恒方程，。图 广西茅尾海水深地形与围垦前后遥感影像对比 （）茅尾海位置、水深与围垦区域，（）年 影像，（）年 影像 水动力连续性方程：（）（）二维动量守恒方程：（）（）（）（）式（）至（）中：为水深（），、为二维流速（），为重力加速度（），为动量扩散系数，为自由水面（），为时间（），为流体源汇项（），、为动量等式源汇项，例如风、科式力、底摩擦等（）。边界条件设置为对比 年和 年两套地形和岸线边界条件下水动力场变化，分别构建了两套非结构三角网格模型。与传统规则矩形网格相比，非结构三角 应 用 海 洋 学 学 报 卷网格能够较好贴合任意形状计算边界、易于局部加密、快速生成变分辨率网格等优点。整个钦州湾和茅尾海被划分成 个三角网，最小三角边长为 ，最大三角边长为 ，并在三角网结点上叠加对应年份的水深、岸线、潮汐数据，最大水深约为 。为了更好地研究钦州湾围垦工程对茅尾海水动力环境的影响，在 年的模型中，对主要围垦海区进行了加密处理，两套三角网除围垦海区有所差异外，其余海区的网格完全一致，以此来减少由于网格差异导致的模拟结果出现偏差。模拟时间步长设置为 ，底摩擦曼宁系数值统一设置为 。海洋边界由 潮汐模型驱动，包括 个主要潮汐成分，个长周期分量和 个非线性分潮。径流边界条件包括钦江、茅岭江和南都江，分别设置为年平均径流量率 、和 。模型验证模拟采用 号台风“”期间实测水位数据进行率定和验证。年 月 日（农历五月十八日）“”台风在海南省陵水沿海登录，广西壮族自治区沿海 个乡（镇）受灾，人死亡，海水养殖损失面积 ，淹没农田 ，直接经济 损 失 亿 元。模 拟 采 用 均 方 根 误 差（）、归一化平均绝对值误差（）、值 种方式验证模拟精度，公式如下：()()（）()()()（）()()()()（）式（）至（）中：为样本总数，为模拟值，为观测值，为观测平均值。为误差量级，值越小精度越高；为模拟值高估或低估观测值误差，越小精度越高；当 时表示模拟效果极佳，当 时表示模拟效果很好。结果显示模拟结果的均方根误差在 ，在 ，值在，均表明模型模拟效果极好。实测检验为模型模拟提供了良好的参数率定和模拟精度验证（图）。图 年 月 号台风期间北海站和白龙尾站实测天文潮位与数值模拟结果比较 ，结果 岸线围垦及对潮差影响近 年围垦使钦州湾茅尾海岸线延长、面积减少（图）。统计得到 年钦州湾茅尾海面积约为 ，海岸线长度约为 ；年面积约为 ，海岸线长度约为 。年间，钦州湾茅尾海海湾面积缩小了 ，占比约为，海岸线长度增加了 ，占比约为。岸线变化的主要原因是近年来依湾而建的钦州港凭借优越的港口资源及区位条件发展迅速；钦州保税港区及系列产业园区相继建成或开工，大面积海域被围填成陆。近 年来岸线围垦和港口工程建设对钦州湾茅尾海潮差影响不大，略微有所增加（图）。对比图片可以发现，年，在钦州湾外湾地区潮差较 期张 敏，等：广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响 大，潮差在 之间波动；茅尾海内海地区潮差较小，差值在 之间波动；湾区中部龙门水道潮差在 左右波动。在 年的潮差图中，钦州湾外湾区域潮差没有明显变化，略微增加了 左右；茅尾海内潮差变化幅度略微增大了 左右；中部龙门水道受围垦作用明显收窄，但潮差较为稳定，在 左右波动。总体来说，经过围填海工程之后，钦州湾的潮差变化较小，略微增加了 左右。图 围垦前后潮差比较 围垦前后重要潮汐分潮变化模拟分析表明，影响钦州湾的分潮主要包括全日分潮（和）、半日分潮（和）和倍潮（和）。其中全日分潮和半日分潮由天体引潮力驱动，是主要的潮汐驱动力。由于钦州湾所处的南海北部海域以全日分潮为主，半日分潮的潮汐振幅明显小于全日分潮。年茅尾海的 和 分潮振幅分别在 与 之间；钦州湾 和 分潮振幅分别在 与 之间。年茅尾海 与 的分潮振幅在 之间和 之间；钦州湾 与 的分潮振幅在 之间和 之间。经过 年围填海导致岸线变化之后，与 年的数据比较可以发现各主要分潮、和 的振幅略有变化，其中 年钦州湾外部 分潮振幅增加约 ，茅尾海内海 分潮振幅则增大约 ；分潮中在外湾振幅增加了约 ，茅尾海内海地区则增大了约；与 分潮在外湾地区相较于 年振幅增加了约 ，在茅尾海内海地区振幅几乎没有变化。围垦前后潮通量及流路变化潮通量是潮汐动力参数与地形共同作用的结果，对指示流路和物质迁移路径具有重要指示意义。从潮周期平均流量通量来看，钦州湾潮水方向主要以南北方向的水流为主（图）。钦州湾涨潮时的水流方向为由东南向西北方向，流路向水道中心集聚。潮水主要通过钦州湾外湾的三条水道进入龙门水道，通过龙门水道后进入茅尾海后，净流量通量减少，流速放缓。对比围垦前后的潮通量和流路变化，发现钦州湾外湾的三条水道通量峰值明显增加。东部水道受到围垦影响而逐渐消失，中、西两条主水道通量有明显增强。新建三墩公路对平均潮通量产生影响，束窄了钦州湾面积，使潮通量在公路尽头明显增长，并迫使主水流方向向水道中心集聚。中部龙门水道位置潮水的平均通量增加，北部茅尾海区域平均通量较为稳定，基本没有变化。航道流量为涨潮和退潮期通过关键断面的总水量。大规模围垦前，西航道是潮汐流入和流出钦州湾的主要通道，约占总纳潮量的，其次为中航道和东航道约占 和。围垦工程实施后，西航道仍然是进出钦州湾的主流量通道，约占，但东航道通过航道浚深和拓宽成为第二大航道，潮通量约占，中航道下降到第三，约占。围垦前，大潮和中潮时进入茅尾海的纳潮量分别约为 亿 和 亿，受龙门水道围垦束窄影响，围垦后纳潮量分别削减为 亿 和 亿，应 用 海 洋 学 学 报 卷中潮时进入茅尾海的纳潮量约减少了，大潮纳潮量约减少了。图 围垦前后主要天文分潮对比 （）、（）、（）、（）为 年，（）、（）、（）、（）为 年，（）、（）、（）、（）为 年减 年。图 围垦前后潮通量分布对比 期张 敏，等：广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响 讨论广西钦州湾茅尾海近 年来出现了较大规模围垦工程，一方面随着滨海新城的开发建设、钦州保税港区及系列产业园区相继建成或开工，海域被围填成陆，茅尾海面积不断缩小，茅尾海与钦州湾外湾通道逐渐束窄；另一方面重要海岸工程设施，例如三墩公路建设扩大了原有三墩岛面积，将港口码头推向水深区域；外湾西岸建成的 的核电站，从西航道引入海水作为冷却水，并通过建造长导堤，将热废水排放到西航道的远端。这些海岸围垦和工程建设对钦州湾水动力环境和关键潮汐动力参数产生一定影响（图、）。研究表明、两个全日分潮和、两个半日分潮是影响钦州湾主要的天文分潮，其中、对潮汐动力占据主导地位，贡献了 以上的潮汐波动作用（图）。围垦和海岸工程导致茅尾海内海地区驱动力略有增加，而钦州湾外湾地区略有减少，体现了岸线围垦对潮汐驱动力的细微影响，可能对长期泥沙迁移过程和污染物扩散效率产生一定影响。该研究结论与吕赫等的研究结论较为相似，认为地形与岸线的改变使得茅尾海内潮汐振幅增加。进一步的敏感性分析表明钦州港海岸围垦、三墩公路建设和核电厂导堤建设对茅尾海和钦州湾关键潮汐动力参数的影响存在较大差异（图）。三墩公路建设、钦州港海岸围垦和核电厂导堤建设对茅尾海 振幅增加贡献率分别为、和，对茅尾海 振幅增加贡献率分别为、和。而在钦州湾外湾地区，三墩公路建设、钦州港海岸围垦和核电厂导堤建设对 振幅减小贡献率分别为、和，对 振幅减小贡献率分别为、和。在关键动力参数改变影响下钦州湾外湾区域潮差略微减小了 左右，茅尾海内潮差变化幅度略微增大了 左右。本研究结论总体上与前人研究成果比较一致。潮差反映了一个潮周期潮水深度的变化值，从而一定程度上反映湾区的纳潮量变化。潮差增加对增大潮间带宽度具有积极作用，有利于滨岸湿地植被空间上的横向生长和扩张。图 岸线围垦和海岸工程（导堤、三墩公路）建设对关键潮汐动力参数影响的敏感性分析 （）应 用 海 洋 学 学 报 卷 在关键潮汐动力参数改变影响下，钦州湾及茅尾海的流场也发生了相应变化。茅尾海内潮水的流速略有增加，中部龙门水道的位置流速增加，外湾区域随着东部水道围垦流速趋于放缓消失，流速趋向于西侧水道扩展，西侧和中部水道流速明显增加，航道流路更加清晰。围垦对束窄航道具有一定的优化作用，形成航道的束水攻沙效果，对维护主航道具有一定优势。夏长水等也认为在茅尾海清淤的范围内，由于水深加深，大部分海区的流速均有明显减小，而在从龙门港到外湾的大部分海区，由于茅尾海清淤后纳潮量显著增大，流速明显增强，有利于钦州湾航道的维护。总体来说，钦州湾岸线围垦和海岸工程建设虽然略微减小了大潮和中潮的纳潮量，但不会改变纳潮量的总动量，因此不会影响茅尾海和钦州湾外湾滩槽形态演化。而且 等研究发现，只要进入内湾的纳潮量不减少，龙门水道围垦就不会引起茅尾海滩槽迁移或合并。此外，东航道浚深工程使得之前的涨潮不对称占优转变为落潮不对称占优，从而抵消了龙门水道束窄导致的不利影响。结论钦州湾围填海和港口工程改变了茅尾海及其周边海域的水动力条件，导致内湾潮差和重要天文潮驱动力（、）都略微增加；同时，围垦对束窄钦州湾航道具有一定的优化效应，围垦后钦州湾外湾三条水道峰值通量都明显增加，形成航道束水攻沙之势，对通航和维护主航道稳定性具有一定优势。因此，仅从水动力模拟结果和潮汐动力参数分析表明，钦州湾的围垦工程改良了涨落潮流路，迎合了当地河势特征，对潮汐动力场影响较小，不会影响钦州湾原先滩槽系统结构稳定性，具有优化局部水动力流场和保护环境作用。参考文献：，：，：陈波，侍茂崇，邱绍芳 广西主要港湾余流特征及其对物质输运的影响 海洋湖沼通报，（）：，（）：李莎莎，孟宪伟，葛振鸣，等 海平面上升影响下广西钦州湾红树林脆弱性评价 生态学报，（）：，（）：，：，：杨留柱，杨莉玲，潘洪州，等 人类活动影响下的钦州湾近期滩槽冲淤演变特征 热带海洋学报，（）：，（）：吕赫，张少峰，宋德海，等 围填海累积效应对钦州湾水动力环境的影响 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