圍填海對渤海灣泥沙沖淤的影響

王瑞清，閆 偉，丁 磊

(1.海洋資源化學與食品技術教育部重點實驗室，天津 300457；2.天津科技大學海洋與環境學院，天津 300457；3.天津臨港建設開發有限公司，天津 300452)

在渤海灣進行的圍填海工程，使得岸線變化十分明顯[1]，導致渤海灣海域面積持續萎縮，進而帶來水動力環境的變化[2]。水動力條件的改變也會影響泥沙輸運，引起床面地形的沖淤變化，特別是港工建筑物附近，這種變化將更為劇烈，從而會威脅建筑物自身的安全。在變化的動力環境條件下合理預測海域泥沙沖淤分布和發展趨勢，可以為及早采取防護措施提供依據，因而深入探究圍填海對渤海灣泥沙沖淤的影響很有必要。

已有一些學者在圍填海對泥沙沖淤的影響方面進行了研究。孫麗艷等[3]采用平面二維懸沙模型，比較了純潮作用下2005 年和2013 年曹妃甸海域的沖淤情況。陸永軍等[4]采用考慮波流耦合的平面二維輸沙模型，研究曹妃甸前島后陸的圍墾方案引起的沖淤問題。結果表明甸頭前沿深槽年沖刷0.15～0.48 m，東側前沿沖深 0.09～0.27 m，老龍溝航槽年回淤0.06～0.83 m。Liang 等[5]研究波流共同作用下2006年—2010 年曹妃甸航道-淺灘系統的形態變化，結果顯示：圍墾位置對地形的影響大于圍墾規模的影響，導致淺灘減少，航道淤積。陳丹茜[6]利用實測資料對比了2009 年—2015 年天津港圍填海工程對沖淤的影響：北部向陸的單寬輸沙率增加，南部向陸的單寬輸沙率減小。徐棟等[7]利用實測資料討論了黃驊港岸段在進海路修建情況下的沖淤情況，認為處于動態平衡或略微沖刷的狀態?？锎淦嫉萚8]利用MIKE 軟件分析了黃驊港一期工程和外航道整治工程后兩種工況下泥沙濃度的變化。整治工程后，近岸最大懸沙濃度較一期工程明顯減少。除此之外，還有學者研究波浪在其中的作用。滕涌等[9]利用ECOMSED(estuarine coastal ocean model with sediment transport)模型模擬了渤海灣2004 年11 月平均泥沙濃度，發現考慮波浪時的泥沙濃度較未考慮波浪時高2～4 倍，而且更接近觀測值。Zhang 等[10]利用波-流-泥沙耦合模型模擬了珠江口泥沙輸運問題，表明波流共同作用時，模型精度提高了約34%，均方根誤差減小了約38%。

綜上所述，現有研究主要圍繞單一圍填海工程對泥沙沖淤的影響開展工作，為后續深入研究奠定了基礎，然而關于渤海灣內多個圍填海工程共同對泥沙沖淤的影響研究還相對較少，而且已有工作中考慮的水動力條件較為單一，對波浪影響效應的認識尚顯不足。因此，本文在先前建立 FVCOM(finite-volume coastal ocean model)-SWAN(simulating waves nearshore)耦合模型[2]的基礎上，進一步建立三維泥沙輸運模型[11-13]，探究波流共同作用下圍填海對渤海灣泥沙沖淤的影響，并比較考慮波浪作用與否的差別。

1 模型設置

本文沿用了先前工作[2]中圍填前后的模型設置，采用 2000 年渤海灣岸線代表圍填前的情況，用從2010 年遙感數據中提取的岸線[1]疊加《天津市海洋功能區劃(2011—2020 年)》和《河北省海洋功能區劃(2011—2020 年)》中的圍填海部分代表圍填后的情況，其計算區域岸線和水深分布如圖1 所示，圖中還顯示了下文用于模型驗證的測站位置。

圖1 計算區域岸線和水深分布Fig.1 Shoreline and water depth distribution of calculation area

FVCOM-SWAN 耦合模型與泥沙模型均采用相同的三角形網格，在渤海灣區域進行局部加密，最小網格尺寸為 300 m，開邊界處最大網格尺寸約為10 000 m。模型網格點上的水深數據均由 Choi 等[14]提供的1′×1′的東中國海水深數據插值得到。需要說明的是，為了突出岸線變化對泥沙沖淤的影響，參考Liang 等[5]的處理方式，圍填前后均采用上述同樣的水深數據。開邊界潮位數據通過OTPS(OSU tidal prediction software)計算得到[15]，表面風場采用美國國家環境預報中心(NCEP)提供的 CFSR(climate forecast system reanalysis)的 10 m 風速資料。FVCOM 模型垂向采用σ 坐標系，共分11 層，外模的計算時間步長為5 s，內外模的計算時間步長比為3∶1，SWAN 模型的計算時間步長為15 min。兩模型各自運行，每30 min 進行一次數據交換。FVCOMSWAN 耦合模型中底部切應力采用Soulsby[16]給出的公式進行計算。泥沙模型在FVCOM 模型中運行，采用單組分泥沙進行計算，時間步長取為15 s。泥沙的中值粒徑取0.03 mm，其他主要參數根據實測資料率定獲得，其中泥沙沉速為 0.4 mm/s，侵蝕率為6×10-6kg/(m2·s)，臨界切應力為0.02 Pa。

2 模型驗證

本文關于FVCOM-SWAN 耦合模型水動力計算結果的驗證已在先前工作[2]中完成，這里將分別從含沙量和床面沖淤兩方面給出泥沙模型的驗證結果。分別選取V1 測站(117.884°E，39.044°N)、V2 測站(117.895°E，39.077°N)和 V3 測 站(117.915°E，39.108°N)的2019 年12 月27 日9 時至28 日12 時以及 Z1 測站(117.874°E，39.127°N)、Z2 測站(117.895°E ，39.100°N) 、Z3 測 站(117.942°E ，39.146°N)、Z4 測站(117.955°E，39.113°N)、Z5 測站(118.006°E ，39.161°N) 和 Z6 測 站(118.002°E ，39.120°N)的2022 年4 月17 日9 時至18 日10 時的含沙量實測數據與計算值進行比較，結果如圖2、圖3 所示，可見兩者吻合較好。選取Kuang 等[17]關于黃驊港附近海域2003 年10 月10 日12 時至13 日12時3 d 的床面沖淤數值模擬結果(以下簡稱文獻結果)與本文計算結果進行比較，結果如圖4 所示。由圖4 可見，本文得到的黃驊港東西兩側近岸區域處于淤積狀態，東西兩側離岸區域處于沖刷狀態，這與文獻結果相近，但西側離岸區域的沖刷面積比文獻結果大。同時，由于本文圍填前岸線未包含濱州港部分，因此沖淤結果未體現濱州港的影響。黃驊港附近海域沖淤量值也與文獻結果較為接近，大部分結果在-0.05～0.05 m 范圍內。綜上所述，本文所采用的模型能夠較好地反映渤海灣海域水體含沙量的變化過程，并在一定程度上反映渤海灣較大范圍的床面沖淤情況，將被應用于下文的研究。

圖2 V1—V3 測站垂向平均含沙量的實測值與計算值的比較(2019年)Fig.2 Comparison of measured and computed depthaveraged sediment concentration at V1-V3 stations(2019)

圖3 Z1—Z6 測站垂向平均含沙量的實測值與計算值的比較(2022年)Fig.3 Comparison of measured and computed depthaveraged sediment concentration at Z1-Z6 stations(2022)

圖4 黃驊港附近海域床面沖淤的比較Fig.4 Comparison of simulated bed change around Huanghua Port

3 結果分析

本文選取2000 年2 月波流共同作用下渤海灣圍填前后的泥沙輸運計算結果分析圍填海對泥沙沖淤的影響。同時，在其他條件相同情況下，對未考慮波浪作用的渤海灣圍填后泥沙輸運進行模擬，比較波流相互作用與否的差別，并對波浪對泥沙的影響進行分析。

3.1 圍填海對渤海灣泥沙沖淤的影響

3.1.1 含沙量

分別對2000 年2 月中出現的所有漲急、落急時的垂向平均含沙量計算結果進行平均。漲急、落急時渤海灣圍填前后月均垂向平均含沙量差值圖(圍填后減去圍填前的對應結果)如圖5 所示。

圖5 渤海灣圍填前后月均垂向平均含沙量變化圖Fig.5 Variation of monthly-averaged and depth-averaged sediment concentration before and after land reclamation in the Bohai Bay

由圖5 可知：圍填后，曹妃甸一港池和二港池以及納潮河道在漲急、落急時含沙量較圍填前均呈不同程度的減小，減幅大多在0.1～0.2 kg/m3。同時，漲急時曹妃甸東北部三港池口門右側及其鄰近內部水域含沙量增大，增幅在0.05～0.2 kg/m3，其他位置含沙量減少，減幅在0.15～0.2 kg/m3。落急時三港池含沙量增加區域退回至口門外部，特別是口門右側附近，增幅在0.05～0.2 kg/m3，含沙量減少區域已幾乎覆蓋整個三港池內部水域，減幅在0.1～0.2 kg/m3。天津港附近海域漲急、落急時含沙量減小的范圍較大，各功能區外邊界附近海域減幅為0.07～0.13 kg/m3，含沙量減幅為0.02～0.05 kg/m3的海域范圍進一步向外海擴展，且落急時的擴展范圍比漲急時大。同時，在南港工業區附近海域也出現了含沙量增加0.1～0.2 kg/m3的情況。黃驊港附近海域漲急、落急時含沙量變化幅度為0.02～0.1 kg/m3，渤海灣中部含沙量變化幅度小于0.01 kg/m3。將上述圍填前后含沙量變化分布與先前工作[2]中給出的相應水動力變化分布進行比較，結果表明兩者的變化是一致的，含沙量的變化與水動力的變化密切相關。

3.1.2 懸沙通量

為了進一步分析圍填前后泥沙輸運方向和強度的變化，本文參考羅克志等[18]的計算方式，分別計算了圍填前后2 月大潮期間兩個連續潮周期單位寬度過水斷面的懸沙凈輸移量(后文簡稱單寬懸沙通量)，結果如圖6 所示。

圖6 渤海灣圍填前后單寬懸沙通量圖Fig.6 Suspended sediment flux per unit width before and after land reclamation in the Bohai Bay

由圖6 可知：圍填前渤海灣泥沙輸運方向主要是由東向西的向岸輸運，至天津港外海后分成兩股，一股向西北灣頂輸運，自灣頂沿岸線折返經曹妃甸向灣外輸運，單寬懸沙通量為0.03～0.09 kg/(m·s)。另一股則轉向西南方向至黃驊港海域附近，單寬懸沙通量為0.02～0.05 kg/(m·s)。從泥沙輸運強度分布來看，渤海灣遠離圍填海域的單寬懸沙通量較小，在0.02 kg/(m·s)左右，而曹妃甸附近海域以及自灣口至黃驊港沿岸海域單寬懸沙通量較大，為 0.05 ～0.09 kg/(m·s)。圍填后渤海灣主要泥沙輸運方向沒有明顯變化，仍呈現向岸輸運，特別是遠離圍填海域，其單寬懸沙通量幾乎未發生變化。同時，西北灣頂與渤海灣西南岸線較圍填前變化較小，從而泥沙的輸運方向和強度也未明顯改變。對岸線改變較大的海域，圍填建筑物阻礙了原有的泥沙輸運方向。曹妃甸附近海域圍填前沿岸線向灣外的泥沙圍填后需要繞過甸頭繼續輸運，至三港池附近時改變原有的輸運方向經口門進入三港池，單寬懸沙通量約為0.03 kg/(m·s)。天津港附近海域建筑物阻斷了原兩股路徑上的部分泥沙輸運，使其輸運量相應減弱。黃驊港附近海域泥沙輸運方向變化較大，但輸運強度變化較小，同時自灣口至黃驊港沿岸海域單寬懸沙通量變化也較小。

3.1.3 床面沖淤

單寬懸沙通量的強度和方向會影響沖淤的程度和分布[19]，因此繼續分析了圍填前后渤海灣床面沖淤變化。本文分別計算了圍填前后床面2 月的沖淤值，如圖7 所示。需要說明的是，為了直觀比較圍填前后建筑物附近床面沖淤變化，在圍填前的結果中疊加了圍填后岸線。

圖7 渤海灣圍填前后床面月沖淤圖Fig.7 Monthly bed change before and after land reclamation in the Bohai Bay

圍填海對其附近海域床面沖淤有著較為顯著的影響，而對遠離其海域的影響較小。圍填后，曹妃甸一港池和二港池除最內端水域外，一港池其他位置的淤積較圍填前增加，月淤積厚度增幅大多在0.05～0.10 m。二港池其他位置的淤積減少，月淤積厚度減幅主要在0.03～0.08 m。一港池和二港池的最內端水域以及納潮河道圍填前處于沖刷狀態，圍填后沖刷深度減小，月沖刷深度減幅主要為0.27～0.45 m，三港池口門左右兩側由圍填前的淤積轉變為圍填后的沖刷狀態，月變化幅度主要在0.10～0.20 m。鄰近口門右側的內部水域由圍填前的沖刷轉變為圍填后的淤積，月變化幅度主要為0.10～0.30 m。三港池內部其他水域特別是西北部水域的淤積較圍填前減少，月淤積厚度減幅大多為0.10～0.15 m。究其原因，三港池內部水域處于半封閉環境中，水動力減弱[2]，從而導致經口門進入三港池的泥沙在口門附近落淤，特別是鄰近口門右側含沙量增大的水域淤積增大，而遠離口門的水域特別是西北部水域淤積則相應減少。同時，曹妃甸圍填外邊界原潮流流向改變較大的海域由于流速增加使得沖刷較圍填前增加，月沖刷深度增幅主要為0.12～0.19 m。天津港東疆港區、臨港經濟區和南港工業區外邊界附近海域的淤積較圍填前增加，月淤積厚度增幅主要為0.05～0.15 m。同時，臨港經濟區口門、南港工業區的口門及其圍填外邊界東南轉角附近海域沖刷增加，月沖刷深度增幅大致在0.15～0.25 m。緊鄰黃驊港附近海域沖淤變化較小，月變化幅度小于0.10 m。

3.2 波浪對泥沙的影響

除了討論圍填海對渤海灣含沙量、懸沙通量和床面沖淤的影響外，本文還通過將上述2000 年2 月波流共同作用下渤海灣圍填后的計算結果與未考慮波浪作用的對應結果進行比較，分析了波浪對泥沙的影響。

3.2.1 含沙量

本文計算了渤海灣圍填后2 月大潮期間一個潮周期內平均含沙量，如圖8 所示。圖9 同時給出了兩者的差值(波流共同作用減去未考慮波浪作用的對應結果)。

圖8 渤海灣圍填后全潮垂向平均含沙量圖Fig.8 Depth-averaged and time-averaged sediment concentration over a tidal circle after land reclamation in the Bohai Bay

圖9 渤海灣圍填后全潮垂向平均含沙量變化圖Fig.9 Variation of depth-averaged and time-averaged sediment concentration over a tidal circle after land reclamation in the Bohai Bay

總體來看，與不考慮波浪作用相比，波流共同作用下渤海灣沿岸海域的平均含沙量增加，造成這一現象的主要原因是波流共同作用下沿岸海域底部切應力增大[2]，直接造成更多床面泥沙的起懸和輸移。具體來說，波流共同作用下曹妃甸東北附近海域平均含沙量達到0.35 kg/m3，較不考慮波浪作用時增加約0.26 kg/m3。西北灣頂附近海域平均含沙量可達0.25 kg/m3，較不考慮波浪作用時增加約0.16 kg/m3。南港工業區附近海域平均含沙量達到0.25 kg/m3，較不考慮波浪作用時增加約0.17 kg/m3。自灣口至黃驊港沿岸海域平均含沙量達0.25～0.35 kg/m3，較不考慮波浪作用時增加約0.20～0.25 kg/m3。由此可見，該區域波流共同作用下的平均含沙量較不考慮波浪作用時增大了約2～4 倍。上述關于平均含沙量變化范圍及趨勢的結果與 宋竑 霖等[20]的研究成果是一致的。

3.2.2 懸沙通量

分別計算了渤海灣圍填后波流共同作用和未考慮波浪作用的單寬懸沙通量，如圖10 所示。

圖10 渤海灣圍填后單寬懸沙通量圖Fig.10 Suspended sediment flux per unit width after land reclamation in the Bohai Bay

兩種條件下，渤海灣主要泥沙輸運方向相同，仍為由東向西的向岸輸運。同時，渤海灣遠離圍填海域單寬懸沙通量無明顯變化，波浪對泥沙輸運的影響主要體現在沿岸海域。曹妃甸三港池附近海域波流共同作用較不考慮波浪作用下泥沙輸運強度增加，單寬懸沙通量幅值由不考慮波浪作用下的0.01 kg/(m·s)左右增至約0.03 kg/(m·s)。南港工業區和黃驊港之間沿岸海域、自灣口至黃驊港沿岸海域以及自西北灣頂沿岸線折返的泥沙輸運強度增加更為明顯，單寬懸沙通量幅值由不考慮波浪作用下的0.02 kg/(m·s)增至波流共同作用下的0.09 kg/(m·s)。

3.2.3 床面沖淤

圖11 給出了不考慮波浪作用下渤海灣圍填后床面月沖淤值，波流共同作用下的對應結果如圖7(b)所示。

圖11 未考慮波浪作用下渤海灣圍填后床面月沖淤圖Fig.11 Monthly bed change without wave effects after land reclamation in the Bohai Bay

兩種條件下，渤海灣圍填后床面月沖淤分布總體上基本一致，區別主要在于波流共同作用較不考慮波浪作用下的沖淤幅度大，而且差別明顯的區域主要分布在沿岸海域，從而進一步說明波浪的影響在沿岸海域更為顯著。在波流共同作用下，曹妃甸一港池和二港池除各自最內端水域外，其他位置的淤積較不考慮波浪作用時增加，月淤積厚度增幅主要在0.01～0.02 m。一港池和二港池的最內端水域以及納潮河道沖刷增加，月沖刷深度增幅主要為0.12～0.25 m。三港池口門左右兩側沖刷增加，月沖刷深度增幅主要在0.10～0.23 m，而鄰近口門右側的內部水域淤積增加，月淤積厚度增幅主要為0.09～0.17 m。同時，曹妃甸圍填外邊界原潮流流向改變較大的海域沖刷增加，月沖刷深度增幅主要為0.02～0.05 m。天津港東疆港區、臨港經濟區和南港工業區外邊界附近海域的淤積較不考慮波浪作用時增加，月淤積厚度增幅主要為0.03～0.06 m。同時，臨港經濟區口門、南港工業區的口門及其圍填外邊界東南轉角附近海域沖刷增加，月沖刷深度增幅大致在0.05～0.25 m。緊鄰黃驊港附近海域沖淤變化較不考慮波浪作用時增加，月變化增幅主要為0.06～0.08 m。西北灣頂、南港工業區與黃驊港之間的-1.0～-2.0 m 等深線之間以及濱州港東西兩側-0.5～-2.0 m 等深線之間的沖刷帶中沖刷深度較不考慮波浪作用時增加，月沖刷深度增幅大致分別為0.20～0.35 m、0.05～0.10 m、0.30～0.37 m。而西北灣頂、南港工業區與黃驊港之間-1.0 m 等深線以及濱州港東西兩側-0.5 m 等深線以淺的淤積帶中淤積厚度增加，月淤積厚度增幅大致分別為0.05～0.15 m、0.05～0.10 m、0.05～0.12 m。

4 結 語

本文在FVCOM-SWAN 耦合模型基礎上進一步建立三維泥沙模型，對渤海灣圍填前后泥沙輸運進行模擬，分析了圍填海對渤海灣泥沙沖淤的影響，并比較了是否考慮波浪作用對泥沙的影響。結果表明：圍填海對圍填海區附近海域泥沙輸運的影響較為顯著，而對遠離其海域的影響較小。漲急、落急時，月均垂向平均含沙量在曹妃甸三港池口門、天津南港工業區附近海域和黃驊港部分海域增加，在其他主要圍填海區減少。渤海灣主要泥沙輸運方向沒有明顯變化，為由東向西的向岸輸運。岸線變化較小的海域泥沙輸運方向和強度未明顯改變，岸線變化較大的海域圍填建筑物阻礙了原有的泥沙輸運方向。同時，曹妃甸一港池和二港池的最內端水域以及納潮河道內沖刷減少。三港池口門左右兩側由淤積轉變為沖刷，鄰近口門右側的內部水域由沖刷轉變為淤積，內部其他水域淤積減少。天津港東疆港區、臨港經濟區和南港工業區外邊界附近海域淤積增加，而臨港經濟區口門、南港工業區的口門及其圍填外邊界東南轉角附近海域沖刷增加。緊鄰黃驊港附近海域沖淤變化幅度較小。

波流共同作用與不考慮波浪作用的情況相比，總體上渤海灣沿岸海域的含沙量增加，單寬懸沙通量變化較明顯，床面沖淤幅度差別顯著，這主要是由波流共同作用對渤海灣沿岸海域水動力環境的影響更為顯著決定的。