（环境工程专业论文）威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究.pdf

威海中心渔港围填海工程对葡萄滩湾 水动力环境影响的研究 摘要 随着我国经济的迅猛发展，沿海地区的用海需求越来越大，过去的十年我国围海总 面积超过1 0 万公顷，围海造地规模宏大，围填海活动在给地方经济注入活力的同时， 也带来了一系列环境问题，改变了原有的海洋动力环境，对海洋的其他功能也造成影响， 这是值得深入研究和探讨的问题。围填海工程主要造成海湾面积减小，海湾纳水体积和 纳潮量减小，海湾的整体水动力环境减弱，从而改变海湾泥沙冲淤环境，造成泥沙冲刷 和淤积问题，进而改变海湾原有的基本功能。威海中心渔港为适应渔业经济快速发展的 需要，2 0 0 6 年在葡萄滩湾进行了围海工程，在葡萄滩湾湾口建立了1 3 2 0 米的引堤，超 过湾口长度的三分之二，保障渔船免受外海风浪袭击。围海工程实施前的研究论证认为， 湾口引堤的修建可以有效地减小海浪的入射，改变湾内流场，使得外海泥沙无法进入湾 内，不会使葡萄滩湾受到泥沙冲淤的影响，原有水深地形不会改变。但是自2 0 0 9 年， 威海中心渔港围海工程完成后的两年内，葡萄滩湾的西侧内湾出现严重的泥沙淤积问 题，而葡萄滩湾东侧高质量的海水浴场沙滩遭到了较为严重的冲刷，冲淤环境的改变出 人意料，与围海工程前的研究论证结论有明显出入。本文主要采用数据分析和数值模拟 相结合的方法，在模型验证的基础上，分析威海中心渔港围海工程建设前后水动力环境 的变化和冲淤环境的变化，重点研究了围海工程对葡萄滩湾水动力环境的影响。主要发 现：( 1 ) 威海中心渔港围海工程改变了葡萄滩湾内的潮流运动规律，使得潮流场显著减 弱，水动力条件明显弱化；( 2 ) 威海中心渔港围海工程，有效地减小了外海波浪的入射， 使得葡萄滩湾湾内海浪波高减小；( 3 ) 威海中心渔港围海工程，虽然减小了葡萄滩湾潮 汐余流，但是明显改变了潮汐余流的结构，围海工程后，在葡萄滩湾的东南部潮汐余流 自东向西流动，而海湾西南侧无论是潮流还是潮汐余流都极小，水动力环境减弱，有利 于泥沙沉降淤积，围海工程造成葡萄滩湾内潮汐余流结构的变化，加上湾内潮汐动力环 境减弱，是造成葡萄滩湾冲淤环境改变的根本原因；( 4 ) 威海中心渔港围海工程后，葡 萄滩湾西侧海域发生大规模泥沙淤积问题，并不是外海泥沙输入的结果，而是由于围海 工程造成湾内水动力环境的改变，从而引起了湾内泥沙搬运的结果。本研究可为葡萄滩 湾的整治工作提供参考，也对类似围填海项目的论证工作具有重要的借鉴意义，对于围 海工程泥沙冲淤的研究不仅要考虑外海泥沙输入输出问题，还要重点考虑围填海工程造 成海湾水动力环境的变化，从而造成海湾内部泥沙搬运问题。 关键词：围填海；水动力环境：泥沙冲淤：环境影响 s t u d yo ft h el m p a c to ft h es e ar e c ia m a tio np r o j e c to nt h e h v d r o d v n a mice n vir o n m e n to ft h eg r a p e b a yh v d r o d y n a mict n vlr o n m e n to tt n eu r a p e d a y a b s t r a c t t h ed 吼a i l df o re x p l o i 缸gc o a s t a ls e aa r e ai s i n c r e a s i i l g a sm ee c o n o m yd e v e l o p s r a p i d l yi nr e c e n tt e ny e a r s a sh l u c hc o a s t a l l a n dr e c l 撇a t i o n 舶mm es e ai n s t i l l e dn e w v i t a l i t yi n t ot h et e r r i t o r i a le c o n o i i l i cg r o w t l l ，m e ya l s or e s u l t e di nah o s to fe n v i r 0 1 m e n t a l i s s u e ss u c ha s c h a l l 西n gt h eo r i 百n a ld ) ，i l 锄i c e n v i r o n m e n to rs o m eo m e ri n n u e n c eo n 如n c t i o n so fo c e a i l 、油i c ha r ew o r ms e r i o u sr e s e a r c m n ga n dd e 印d i s c u s s i n g t m sp a p e ru s e d m e m o d so fd a t aa n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os t u d yt h er e c l 锄a t i o n si n f l u e n c eo n h y d r o d y n 锄i c 旺v i r o m e n to fm eg r 印eb a yb ya n a l ) ，z i n gm ec h a i l 百n go fh y d r o d y n 锄i c s a n ds e d i m e n tb e c a u s eo fr e c l a i i l a t i o ni nw e i l l a if i s h i n gc e n t e rp o r to nm eb a s i so fm o d e l v e r i f i c a t i o n t h e r ea r es o m em a i nc o n c l u s i o n s ：( 1 ) s e ar e c l a m a t i o np r o j e c tv 撕e sm e m o v e m e n to ft i d a le u 仃e n tf i e l d ，w e a k e n st 1 1 et i d a lc u r r e n ta i l dh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o n s ( 2 ) m ep r o j e c tr e d u c e sw a v e i n p u t 丘o mo p e ns e ae f r e c t i v e l y ，w h i c hm a k e sw a v eh e i g h td e c r e a s e i i lt l l eg r a l p eb a y ( 3 ) n l ep r o j e c tr e d u c e s6 d a lr e s i d u a l 咖e n t s ，b u ti tv 撕e sm es h m 鹏o f r e s i ( 1 u a lc 1 m e n t ss i g i l i f i c a i l t l y a r e rm es e ar e c l 锄a t i o np r 蜘e c t ，t i d a lr e s i d u a lc u r r e n t sf l o w 丘d me a s tt ow e s ti l lm es o u t l l e a s to fm eg r a p eb a y ，w m l ei nm es o u m w e s to fm eb a y b o 也 t i d a lc u r r e n t sa i l dr e s i d u a l c l m ? e n t sa r ee x 仃e m e l ys m a l l ，w h i c hi sr e l a t i v et os e d i m e n t d 印o s i t i o n t h e r e f o r e ，t 1 1 ec h a i l g h l go ft i d a lr e s i d u a l c u r r e n t sa 1 1 dm ew e a k e n j i l go f h y d r o d y n 锄i ce r i r o r u n e n ta r er o o t 眦s 骼o ft h ec h a i l g eo fm e ( 打印eb a ye r o s i o na i l d d 印o s i t i o ne n v i r o r 吼e l l t ( 4 ) a f i e rt l l ep r o j e c t ，m el a 唱e s c a l es e d i m e n td e p o s i t i o ni nw e s t e m g r a p eba y ，i sn o t 舶mo p e ns e a ，b u t 舶mt l l eo t l l e rp a no f m eb a y b e c a u s eh y d r o d ) r i l 锄i c e n v i r o n m e n tc h a n g e s t 1 1 i sr e s e a r c hc a i lp r o v i d es o m er e f e r e n c et or e g u l a t i o np r o j e c ti nm e g r a p eb a ya i l da l s oc a i lb e n e f i tm es i m i l a rd e m o n s t r a t i o n so fr e c l 锄a t i o n k e yw o r d ： s e ar e cla m a tio n ： h y d r o d y n a m ic s ：s e dim e n tt r a n s p o r t ： e n vir o n m e n t i m p a c t 威海中心渔港围塑三堡型塑塑鲨鲨查垫垄至堕墅堕堕婴窒 一一 1 引言 1 1 研究意义和目的 据统计，世界人口的三分之二集中居住在沿海地区，沿海地区的土地使用压力较大。 随着我国经济的高速发展，目前海洋经济己成为我国国民经济中的重要组成部分，海洋 经济在国民经济g d p 中所占的比重也不断增大，2 0 0 6 年海洋产业增加值为8 2 8 6 亿元， 相当于全国g d p 的4 。海洋经济的发展需要更多的后备土地资源，近年来为缓解土地需 求压力，我国沿海各地开始了大规模的围海造地工程，据国家海洋局围填海调研报告 ( 2 0 0 7 ) ：自2 0 0 2 年一2 0 0 7 年的5 年间，全国沿海围填海总面积达到5 6 9 5 0 公顷，年均 围填海1 1 3 9 0 公顷。2 0 0 9 年，全国沿海围填海面积高达1 9 3 0 5 公顷。2 0 1 0 年国家和各 省共批准围填海项目5 7 1 个，面积1 5 5 6 0 8 6 公顷。如果再加上未计入国家海洋主管部 门统计的非法围填海项目，围填海面积将更大，可见近年来围填海活动的规模和速度都 有了显著提升。 山东半岛是我国最大的半岛，它不仅是环渤海地区和长江三角洲地区的重要结合 部，还是黄河流域地区最便捷的出海通道，更是东北亚经济圈的重要组成部分。在“十 二五 开局之年第一个获批的国家发展战略就是国务院以国函( 2 0 1 1 ) 1 号文件批复的 我国第一个以海洋经济为主题的区域发展战略山东半岛蓝色经济区发展规划。 自此战略提出以来，海洋经济、生态、社会等子系统开始协调发展并且海陆统筹一体化 发展，海洋产业的范围也由单纯的海洋经济扩大到海洋、临海、涉海三部分n 3 1 。其中， 濒临海洋的近海海湾地区拥有诸多优势，例如交通便利，资源丰富等等，这也是为什么 这些近海海湾地区成为人类生产、生活、旅游和贸易主要场所的原因。然而，海洋的近 海海湾地区位于陆海交汇地带，这些地带不仅具有沉积过程复杂、地貌演变迅速的特点， 更是海洋动力条件多变、生态环境脆弱的地带，因此，对此地区的研究迫在眉睫的，同 时也是具有重要的科学价值的。 就现阶段情况而言，受经济利益的驱动，在开发利用海洋资源的大形势影响下，为 了促进国民经济快速发展，人们开始考虑以“循环式”经济替代“单程式”经济h 1 ，考 虑如何充分利用资源相对充足的沿海地区的海洋资源。随即出现了各种海岸工程，即在 沿海海湾、河口等地区进行综合开发利用，例如围海造陆、港口建设、航道治理、潮汐 发电、排污入海等等，这些海岸工程对人类社会发展具有重大意义。这些海岸工程涉海 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 = 二二二二二二二二二= 二竺：= 竺 活动作为一种彻底改变海域属性的活动，若程度适当，可以对当地城市经济发展起到重 要的作用，但是若论证不充分、管理不严格，会对海域的合理开发及可持续发展造成影 响，而且还有可能会加剧海岸侵蚀、泥沙淤积的状况，严重影响江河的泄洪能力及港口 的航运功能。现阶段，国内外已经出现一些过当的海岸工程，这些海岸工程对涉海海域 内的水动力环境、泥沙运动规律、水质环境以及生态环境等造成了一定的负面影响，正 是由于它们脱离实际、急功近利，在没有科学依据和充分论证基础上不断过度涉海开发 利用，不惜以牺牲环境为代价，直至造成了一些无法恢复的严重后果，导致海湾面积缩 小、潮流动力减弱、泥沙淤积加重、水质环境不断恶化、台风及海啸等自然灾害频发等 问题。例如，1 9 6 5 年美国成立旧金山海湾保持和发展委员会以前，旧金山海湾面积以 每年9 3 平方千米的速度减少，导致大量湿地退化，生物多样性受到严重威胁；2 0 世纪 4 0 年代末，日本战败后将濑户内海沿岸选为最重要的工业基地，大量的重金属污染、石 油污染、城市垃圾及其他工业废物污染导致濑户内海赤潮频发；厦门西海域的海岸工程 和填垦造地使纳潮量严重减少，百分比高达百分之六十七，潮汐对泥沙的输运能力明显 减弱，这使厦门港的淤积加重、通航条件受到严重影响，政府为此不得不每年花费八百 多万元清理航道；1 9 5 5 年，香港维多利亚港围填海面积非常大，附近的浅水区域几乎全 部被围填海，这使得附近很多区域潮流形式改变、水交换能力减弱、港口纳潮量减少、 泥沙运动规律改变，严重影响了海港的排污功能睛10 | 。山东省近年来也不乏此类现象， 例如由于过度捕捞致使近海渔业资源严重衰退，由于填海造地、石油天然气开发以及采 矿等海上生产活动导致海岸冲刷、航道泥沙淤积、生态环境条件严重恶化，近岸海域赤 潮、浒苔频发，带来了巨大的经济损失n 卜”1 。 这些过度涉海的行为使得海岸带环境质量严重退化，已经不可否认的成为了海岸带 经济进一步发展的瓶颈。它们不仅破坏了滨海旅游、渔业等资源，制约沿海城市经济的 发展，还制约着我国海洋经济的健康快速发展，让人类社会、经济发展和自然环境之间 的矛盾加剧，使得海岸工程得不偿失。综上所述，要想使海岸工程取得经济、合理的预 期效果，而又使得对海洋环境的不良影响减到最小，这取决于我们的科研水平，取决于 我们把握各种海洋动力要素及其引发自然环境演变规律的能力。淡水径流、潮汐作用、 波浪、风等各种动力要素共同作用产生的海湾区域复杂的动力场系统，这些海湾区域的 动力过程系统控制着海湾区域的动力环境。对这些动力要素机制和时空变化规律的研 究，对泥沙运动和水动力场变化的分析，及其如何控制地貌演变、海岸侵蚀，能够帮助 我们提出合理开发利用海洋资源、合理建设海岸工程的方案，对科学用海，减少海岸工 威海中心渔鲞望塑三堡型塑堕塑鲨查垫垄墅望墅堕竺堕窒一 一 程对环境的危害，防止海洋灾害具有重大研究意义，基于这些原因，科学家们一直关注 着作用于海湾地区的自然动力系统及海岸地貌演变的研究。 港口是具有水陆联运设备和条件的，可以供船舶安全出入和停靠的水路运输连接点 和枢纽，也是工业产品、农业产品、渔业产品及进出口物资的集散地，是对外开放的窗 口，在交通运输网络中起着重要的作用，对国民经济和地区经济工业化进程做出了突出 贡献。渔港是港口的一类，是专供渔船和渔业辅助船停泊、使用的港口，用于船舶傍靠、 避风、锚泊、装卸渔获物和补充生活及渔需所用物资，并可进行相关渔获物的加工、储 运、冷冻、渔船维修、通讯联络、渔具制造、及船员休息、医疗、娱乐等。渔港一般由 水中设施和陆上设施两大部分共同组成。若是供外海、远洋渔业使用的现代大型渔港， 更应该有锚地、码头、港池及护岸等水中设施，和供水、供冰、供油、冷藏、冷冻、储 运、加工、渔船维修、渔具制造等陆上设施，并配备水产供销、渔民福利、气象、通讯、 渔业管理和海上救护等附属机构，并设有捕捞生产指挥调度系统。本文所研究的威海中 心渔港就是此类大型渔港。渔业生产的季节性很强，渔汛期间渔船及渔获物高度集中， 因此，渔港宜建在有天然屏障、不易受强风直接侵袭、水深适宜、岸线基本稳定、不致 严重淤积的水域，附近应具有水电、交通、市场供应等较好条件，这样才能更好的保证 生产、运输、储运和销售，此外，还应注意与邻近城镇的总体建设规划相结合，以便不 影响人们正常生产生活和防止渔港区环境污染。 介于环境污染问题的重要性，在威海中心渔港海域进行水动力环境分析，以现场调 查取得的葡萄滩海域实测数据为依据，采用数值模式模拟，分析周边海域水动力场的变 化趋势，找出工程实际运行后水动力环境的变化，分析渔港对海洋环境的影响，提出充 分发挥其优势、避免不利影响的措施，以达到准确分析利弊、加强海洋工程环境管理、 减少及防止环境污染和海洋灾害的目的。 1 2 相关研究工作的回顾及研究现状 1 2 1 威海市及葡萄滩湾背景介绍 威海市n 4 。1 7 1 是山东省下辖的一个地级市，位于山东半岛最东端，北、东、南三面为 黄海环绕，东与朝鲜半岛和日本列岛隔海相望，西与烟台市接壤，北与辽东半岛相对。 威海市是我国著名的港口城市，是山东省重点渔业产区和水产品集散地之一，是重要的 旅游城市，是世界上第一批最适宜人类居住的城市，也是山东蓝色半岛经济区重点建设 地区。威海市拥有总长为9 8 5 9 公里的海岸线，海岸线长度约占山东省的三分之一，全 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 国的十八分之一。威海的海岸类型属于港湾型海岸，海岸线曲折，沿海有大小港湾3 0 多处，岬角2 0 多个，并拥有众多的优质海滩分布。 威海渔港面临黄海，紧靠烟威渔场，水产资源丰富，是山东省重点渔业产区和水 产品集散地之一。渔港位于威海市东部，公路相通，交通十分便利。威海渔港所处位置 海域及陆域均较开阔。且腹地广阔，水电交通方便，自然条件良好。威海渔港为全国一 级群众性渔港，1 9 7 6 年至1 9 7 9 年一期工程建成投产，其中码头长度3 4 2 6 m ，( 5 m 水深 泊位1 0 2 m ，4 0 m 水深泊位2 4 0 6 m ) ，防波堤长度4 1 5 m 。1 9 8 6 年到1 9 8 8 年完成二期工 程，扩建码头长度1 2 0 m ，小马里渔船泊位4 个，平均水深一3 o m 。2 0 0 0 年至2 0 0 1 年完 成三期工程，扩建码头6 5 m 。至此，渔港共建码头5 7 7 6 m ，码头泊位1 9 个。 相应的陆域配套设施有加油、加水站各两个，每小时供油、供水能力各式各5 0 t ； 冰桥一座，每小时加冰5 0 t ；污水处理站，日处理污水2 4 t ；并设有电箱7 个，2 4 小时 供电；潜水泵两个，小型灭火车及灭火器等消防救生设施。威海渔轮厂在渔港附近，有 6 0 0 吨级修船滑道一条，可对6 0 0 吨级以下渔船进行大、中、小修，其它路上设施还有 水产供销公司、冷藏制冰厂、水产品加工厂和网具厂等。 渔港建成后对发展威海市及环翠区的水产事业作出了极大贡献，二十年来共卸鱼、 卸油近百万吨，既繁荣了市场，丰富了城市居民的菜篮子，也促进了当地经济的发展。 但是，随着改革开放的不断深入，渔业生产的迅猛发展，威海渔港无论从港口规 模和港口设施来看，已远远适应不了海洋捕捞、水产养殖以及水产品流通和加工业发展 的需要。港口扩建之前存在的问题较多，归结起来有以下几点： ( 1 ) 港内水域偏小，港内船舶十分拥挤，每逢渔汛季节，压港现象十分严重，时 有碰撞事故发生，不能满足渔汛时渔船锚泊要求。 ( 2 ) 码头泊位不足，满足不了渔业生产发展及远洋渔业发展的需要。 ( 3 ) 港内避风条件较差，防波堤经过几十年的风浪冲击，特别是经过几次台风的 冲击后，损坏较为严重，使避风、停泊的船只的安全问题受到严重威胁， ( 4 ) 城市规划现威海渔港需要搬迁，恢复生活岸线。 近年来，随着海洋渔业经济的发展，位于环翠区内的原威海渔港规模、配套设施满 足不了生产需求的矛盾日益突出。每逢渔汛季节，整个港区渔货交易繁忙，外省市渔船 多来停靠，渔船压港现象十分严重，特别是，港内避风条件差，防波堤经过几十年的风 浪冲击，特别是经过几次台风的冲击后，损坏较为严重，使避风、停泊的船舶安全问题 一 受到严重威胁。另外，渔港生产设施不配套，功能区划不健全等问题严重束缚了渔业生 4 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 产的发展，最大的问题是已经满足不了远洋渔业、水产养殖及渔货交易和加工业发展的 需求。因此，为了让海洋产业更好更快发展，威海市对威海城区进行了总体规划，规划 中明确指出，威海市的城市性质是“山东半岛以海洋产业为主体的滨海旅游港口城市”、 “中国北方较大群众性渔港及渔类工业和海产品加工基地，旅游度假、港口城市”，威 海中心渔港的主体功能是“中国一类对外开放港口之一”。在此要求下，经国家发改委 批准，按照国家级中心渔港标准兴建，投资6 9 亿元，将威海渔港搬迁至威海市孙家疃 远遥村葡萄滩湾( 远遥湾) 内( 3 7 。3 2 2 9 ”一3 7 。3 3 0 6 ”n ，1 2 2 。0 5 0 4 ”一1 2 2 。0 5 4 6 ” e ) 。葡萄滩湾位于威海西北部，地处黄海之滨，背靠威海市区经济腹地，在环翠区管辖 范围内孙家疃镇远遥村北侧，拥有理想的水路交通网络支持，对外交通十分便利，葡萄 滩湾具体位置如图卜1 所示，东起靖子头，北至远遥嘴岬，面积3 4 4 k m 2 ，宽度约4 8 9 5 m ， 湾口向北，海面开阔，气候类型属于季风显著的海洋性气候。根据威海气象台实测资料 统计，年平均气温为1 2 5 ，年平均降水量为7 9 3 4 咖，平均雾日数1 6 天，湾内最大 水深2 6 m ，海湾类型是基岩侵蚀湾，湾顶处有较窄的沙滩，海湾内天然生物饵料丰富， 鱼、虾、贝、藻等分布广泛，其中鱼类以回游性居多，水产资源十分丰富。开发利用主 要以港口、养殖、海水浴场为主。威海渔港迁至葡萄滩湾后更名“威海中心渔港”，如 图卜2 所示。威海中心渔港按照5 0 年一遇风浪的标准进行设计，以打造国际一流渔港 为建设理念，以绿色花园式渔港为建设目标，于2 0 0 9 年正式建成通航，投产使用，港 内水域面积0 5 平方千米，包括载卸渔船共可锚泊6 3 6 只，若避风时集体停靠，可锚泊 8 0 h p 以上渔船数千只，码头长度达到1 3 2 0 m ，水深4 m 至9 m ，有5 0 0 0 吨级泊位6 个，万 吨泊位3 个，万吨级远洋渔船可以停靠。威海中心渔港是一个集远洋渔业、渔船避风与 补给、渔业生产休整基地，休闲渔业与旅游基地，水产品流通及信息服务基地于一体的 多功能、综合性的大型渔业产业化基地。 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 图卜1 a 葡萄滩湾位置图 图卜1 b 葡萄滩湾位置图 6 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 图卜1 c 葡萄滩湾位置图 图卜2 威海中心渔港鸟瞰图 葡萄滩湾海域东西长度约为1 8 0 0 m ，中心渔港挡浪大堤东西长度达1 0 9 0 m ，由于挡 浪大堤长度超过了海域长度的一半，工程建设对环境，尤其是水动力环境和泥沙冲淤环 境的影响不可忽视。威海中心渔港于2 0 0 9 年正式建成，在正式通航一段时间之后，渔 港大堤对葡萄滩湾附近海域的海洋环境所造成的影响逐渐突显出来，例如海湾纳潮量变 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 化、潮汐振幅变化、泥沙冲淤趋势变化、物种多样性变化、海域水质变化等。目前为止， 中心渔港运营已达两年，由于大堤的建设，改变了湾内的环流模式，造成了泥沙冲淤问 题，使得湾内东南部分沙滩面积减小，一定程度破坏了此处的海水浴场，西南部分泥沙 量增加，水深变浅，限制了停靠船只的吨位。因此，在中心渔港正式运营两年时，分析 工程实际运行后水动力环境的变化，以现场调查取得的葡萄滩海域数据为依据，以数值 模拟为手段，分析周边海域水动力环境的变化趋势，找出工程实际运行后存在的有利影 响和不利影响因素，提出充分发挥其优势、避免不利影响的措施，为威海相关管理部门 提出进一步加强海洋工程的环境管理规范提供科学的依据。 图卜3 葡萄滩湾区划图 1 2 2 数值模式模拟研究现状介绍 对于海洋数值模式的研究，国外研究起步较早，已有很多工作，相比之下，我国对 于这方面的工作，还在初步发展阶段，但近些年发展速度很快。在近些年不断的研究中， 国内外学者竞相提出并完善了众多数值解法，建立了适合各种情况的数学模型。 其中受关注程度最高的无疑是近海水域，它一般指的是陆架海、潮汐河口和沿岸海 湾这些与人类生产生活密切相关的区域。例如，中国近海在地理位置上介于亚欧大陆与 太平洋之间，纵跨温带、亚热带和热带，自然条件非常复杂，海区包括渤海、黄海、东 海、南海以及台湾东侧的太平洋海区。在渔港、海岸工程建设项目往往需要首先清楚的 了解他们的物理特性，包括海流、波浪、泥沙等，这样才能成功的复演和预测工程建设 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 海域的物理现象。现阶段的研究中通常使用物理模型或数学模型这两种模拟手段来模拟 这些物理现象，即是水力比尺模型和数值模拟。其中，物理模型视觉形态逼真，它是基 于一定的比例尺理模型以模拟真实的项目，这在工程中应用较为广泛。而数值模拟是则 没有物理模型那么直观，它是对自然现象构建的数学模型，需要建立偏微分方程组。由 于自然现象的复杂性，这些微分方程组往往是很难获得精确的解析解的非线性方程组， 若要求解，需要通过引入近似简化方程或离散方程，这使得求解过程的计算量变得非常 庞大。因此，随着近3 0 多年来电子计算机迅速发展，数值模拟这种具有成本低及能模 拟较复杂或较理想的过程等优点的摸你手段才随之高速发展起来。上文提到，描述海洋 运动的地球流体力学方程都是一些偏微分方程组，很难获得其精确的解析解。但海流数 0i j 值模拟、海浪数值模拟、潮汐数值模拟和泥沙数值模拟等实际问题需要求出这些偏微分 。 方程组的数值解，于是计算地球流体力学作为又一门新兴学科随着高速的大容量的计算 机出现应运而生n8 | 。自从1 9 5 9 年d o u g l a sj i m 和p e a c e m a nd w 第一次进行了全面考虑 了相对渗透率，粘度，密度，重力及毛管压力影响的两维两相模拟开始，科学家们不懈 探索，让数值模拟从基础的两维模拟n 9 。2 踟发展到越来越完善的三维模拟乜9 叫6 1 。 对于海洋数值模式的研究，国外研究起步较早，已有很多工作，相比之下，我国对 于这方面的工作，还在初步发展阶段，但近些年发展速度很快。在近些年不断的研究中， 国内外学者竞相提出并完善了众多数值解法，建立了适合各种情况的数学模型。目前国 际上被广泛应用的比较先进的数值模型有p o m 模型h 列( p r i n c e t o n0 c e a nm o d e l ) 、e c o m 模型( 3 一de s t u a r in e ，c o a s t a la n d0 c e a nm o d e l ) 以及f v c o m 模型怕7 1 ( a nu n s t r u c t u r e d g r i d ， f i n i t e v o l u m ec o a s t a l0 c e a nm o d e l ) 等。 p o m ( p r i n c e t o n0 c e a nm o d e l ) 是由a l a nb l u m b 6 r g 和g e o r g em e l l o r 在1 9 7 7 年共 同创建的三维水动力海洋模型h7 | 。p o m 模型嵌入了2 5 阶湍流封闭模块，用以求解垂向 湍流黏滞和扩散系数。其中水平方向采用正交曲线坐标并搭配名为a r a k a w ac 的网格， 这样能更好的拟合近岸海域曲折多变的复杂地形，垂直方向上采用s i g m a 坐标，以便更 方便地引入大陆架地形；p o m 模型还采用了自由表面和分开的时间步长，即外模式为计 算潮波传播的物理过程的二维模型，内模式为计算潮流垂直结构的三维模型，这样设置 比整体应用三维模型的设置方式节省了大量计算工作；p o m 模型采用了完整的热力热力 学方程组，能够计算表面浮力强迫和侧向浮力强迫。p o m 模型已经在国内外水动力和水 质的研究方面取得了广泛的应用和一定的成就n 8 7 | 。其中，王亮等h 町将g 工s 和p o m 模型 的分散式结合，并用此方法在渤海潮流模拟中进行了测试，在前处理中自动剖分网格和 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 数据的自动提取等技术极大地提高了建模、调试和后处理的效率，而后处理显示等技术 的使用为以后的集成一体化开辟了途径；管卫兵等瞄2 1 采用水平正交曲线性网格和垂向 s i g m a 坐标的p o m 模式作为水动力模式，在p o m 模式的基础上添加了示踪粒子三维拉格 朗日运动轨迹计算及水质模块，对榆林湾水交换能力和污染物质输运过程进行了研究； 刘晓波等删基于p o m 模式，分析了三种紊动黏性系数计算方法对流速的影响，建立了感 潮河段的三维水动力模型；v m k a m e n k o v i c h ，d a n e c h a e v 瞄朝在时间分裂技术的基 础上，研究并分析了中心和向前两种有限差分的格式；郭衍游畸6 1 等利用p o m 模式模拟了 2 0 0 7 年0 3 0 3 号温带风暴潮在海州湾的增减水过程，很好地再现了风暴潮增减水过程； 李毅能畸7 1 等利用基于三维斜压非线性的p o m 模型及其切向线性伴随模式的4 d v a r 四维变 分数据同化系统对一个近岸风暴潮个例进行理想同化试验和模拟。 e c o m 模型( 3 一de s t u a r i n e ，c o a s t a la n d0 c e a nm o d e l ) 是由b l u m b e r g 、m e ll o r 等在原有的p o m 三维水动力海洋模型的基础上研究发展起来的浅海三维水动力学模型。 该模式在p o m 模型的基础上，吸取优点，增加新功能，使得e c o m 模式可以取得更长的 时间步长，不再受c f l 条件限制；e c o m 模型的差分格式为时间前差，空间中央差的欧拉 格式。著名的海洋环境泥沙模型e c o m s e d ( e s t u a r i n e ，c o a s t a la n d0 c e a nm o d e li n g s y s t e mw i t hs e d i m e n t s ) 就是在e c 0 m 模型的基础上发展起来的。完整的e c o m s e d 包括 多个模块，使用者可以根据需要调动以下模块：水动力模块、泥沙输运模块、热通量模 块、风驱波浪模块以及粒子示踪模块。e c o m 模型在国内外应用较为广泛晰引：韩树宗畸钔 等利用三维的水动力一泥沙数值模型对洪水期的大沽河进行数值模拟，得出了胶州湾的 余流分布、大沽河河道上中下游各层的盐度、泥沙浓度随时间的变化趋势以及入海冲淡 水和泥沙对胶州湾的影响；鲍献文哺叫等利用普e c o m 模型对胶州湾三维潮汐潮流进行数 值模拟，获得了m 2 分潮的潮位、潮流、潮致欧拉余流以及垂直湍粘性系数的三维空间 分布结构。张越美阳等引入干湿网格法对潮滩涨落进行了模拟并且做了改进，建立丁字 湾及其近岸海域的三维变动边界潮流模型；杜伊等3 1 利用e c o m s e d 模式中的示踪粒子三 维追踪模块对罗源湾水交换情况进行了分析，表明水交换能力的强弱与纳潮量的大小成 正比；堵盘军等哺幻针对杭州湾特点，基于e c o m s e d 模式，引入动边界、干湿网格等技术建 立了杭州湾三维动边界的潮流模型；万修全等嵋副采用了曲线网格技术，在对胶州湾潮流 及c o d 污染物稀释扩散的研究中应用e c o m s e d 模式，建立了一个三维保守c o d 污染物输 运的对流扩散数值模型，模拟并分析了胶州湾m 2 分潮和c o d 污染状况；谢飞等哺鲥引入 e c o m 模型中的变边界技术及干湿网格法，建立了海洲湾及近岸海域的三维变边界潮流数 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 值模型。 f v c o m 模式6 7 。6 8 1 ( a nu n s t r u c t u r e dg r i d ，f i n i t e v o l u m ec o a s t a l o c e a nm o d e l ) 是 一个海洋环流与生态模型，2 0 0 0 年由美国麻州大学海洋科技学院开发成功，它是p r o f c h a n g s h e n gc h e n 所带的博士研究组建立的一套集三维原始预报方程组、有限体积、三 角形网格为一体的近岸海洋模式，包含了水质模块、泥沙输运模块、拉格朗日质点追踪 模块、生态模块和淡水地下水输入模块等。该模型中数值方法采用有限体积法( f i n i t e v o l u m em e t h o d ) ，将计算区域划分为不重复的控制体积，保证每个网格点周围有一个控 制体积，再在控制体积上对待解方程积分，得出离散方程组，从而保证质量、动量、盐 度和热量守恒。水平方向上采用由三个节点、一个中心和三条边组成的无结构非重叠的 l ； 、 三角形网格，这样能更方便地对复杂边界进行拟合，也可以进行局部加密，垂直方向与 - p o m 模型类似，采用坐标变换，特别适用于解决近岸岸线复杂及海底地形复杂的问题； 采用3 一d 干湿网格处理模块，能更简便的解决变边界问题；包含m p 工并行计算版本和单 。机版本，使得计算既可以在机群上实现又可以在w i n d o w s 等操作系统上实现，结果可以 以a s c i i 码、n e t c d f 或者二进制格式输出，方便结果处理分析，成功的做到了既高效又 灵活。f v c o m 模式应用至今，已经取得了众多成绩9 。83 | ，其中，郝瑞霞口叨以泉州湾水域 某核电厂冷却水工程为例，对表排深取的工程布置方案进行了数值计算；x u ep e n g f e i 等口羽在美国麻州大学做了一个关于模型的导向研究，利用f v c o m 模型模拟了长江口的盐 水入侵；宋德海等盯3 1 采用f v c o m 模型的三维手段模拟钦州湾水域的潮位和潮流变化，首 次使用了很高的时空分辨率，模拟结果与实测数据验证基本一致；于华明等口4 3 利用有限 体积法对福建省沙埕港的具有曲折岸线和复杂海底地形狭长海湾进行了水动力现状模 拟和4 种填海方案预测模拟，对纳潮量、潮位、潮流场以及水交换率的变化情况进行了 模拟分析，并讨论分析了各海洋要素对此地区的影响；j e n n i f e ra s h o r e 口卯应用非结 构网格f v c o m 模型模拟了金斯顿盆地的平均环流；李希彬阿7 1 在湛江附近海域建立了三维 动边界水动力模型，并模拟计算了湛江东海岛填海大堤前后水动力场，分析了东海岛大 堤对湛江湾水动力环境的影响；董礼先等口8 。8 0 1 利用数值模式模拟手段对象山港进行了水 j 交换数值研究，包括对流一扩散型的水交换模式研究、f v c o m 模型应用和水交换研究以 及潮滩位置和平流效应对虻4 分潮的作用研究；于华明睛基于有限体积数值模式，建立 了全球可变网格模型系统( g o c s 工m ) ，用于重点研究全球潮汐与中国近海潮汐，整个模型 系统网格的大小连续变化，很好地拟合了全球岸界，同时兼顾了模型分辨率与计算效率 的平衡。常小军纠针对胶州湾内岸线曲折、地形复杂、滩涂面积大的特性，建立了三维 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 f v c o m 水动力模型，对其潮流场进行了数值模拟，并在水动力模型基础上开发了一个温 排水的三维对流扩散模型；唐建华等躅3 1 采用f v c o m 模式模拟具有复杂岸线的强潮海湾三 门湾的三维水动力特征，并证明f v c o m 模型的干湿网格功能能较好地反映涨落潮过程强 潮海湾的滩地出露特征。 总的来说，数值模式模拟发展至今，人们已经可以顺利的利用此手段对海湾的水动 力环境等环境进行数值模拟。随着人们对海洋认识的深入，数值模拟也逐步发展成为了 人们认识海洋、开发利用海洋的不可或缺的工具，三维潮流数值模拟已经成为科学家与 工程师们调查研究的重要手段。根据这些经验，本文利用数值模式模拟海湾水动力特征 是切实可行的。 ! ? 1 3 本文工作 本文以威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾的水动力环境及泥沙冲淤环境产生的影 响为主要研究对象，采用数据分析和数值模拟的方法，主要就以下几点展开研究工作： ( 1 ) 背景情况介绍。实地测量葡萄滩湾内潮流，采集原始数据，并对数据进行分 析，了解葡萄滩湾附近海域水文动力情况。 ( 2 ) 模型建立与验证。采用f v c o m 近海数值模型，针对葡萄滩湾的具体情况，建 立葡萄滩湾及附近海域数值模型，进行综合对比分析，最后利用实测潮流数据对模型结 果进行校准和验证，确保模型结果能与实测资料符合良好，保证数值模型结果具有可信 性和说服力。 ( 3 ) 数据分析。进行工程建设前和工程建设后两种工况的数值模拟，并对数值模 拟结果进行对比分析，分析潮流场、潮波变化、泥沙运动和冲淤环境的改变，分析威海 中心渔港大堤的修建对葡萄滩湾水动力环境造成的影响。利用已经验证过的葡萄滩湾海 域数值模型，模拟加上大堤和去掉大堤两种情况，重新计算葡萄滩湾的水动力场，将两 种情况下的葡萄滩湾的水动力场进行对比分析，比较其余流、潮流、潮位以及水交换率 等动力要素的异同，得出工程建设前后海湾内水动力场的变化及威海中心渔港大堤对海 湾水动力环境的影响，并分析给出葡萄滩湾泥沙运动和冲淤的原因。 ( 4 ) 基本结论。根据以上数值分析结果，给出威海中心渔港工程对葡萄滩湾水动 力环境的影响，并分析冲淤环境变化的原因。 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 2 背景情况介绍 2 。1 葡萄滩湾及威海中心渔港现状 威海中心渔港于2 0 0 9 年正式建成并运营，本文为了初步显示五年以来，在葡萄滩 湾建设威海中心渔港前后的变化，搜集并分析了多张卫星图像，如图图2 1 4 至图2 3 所 示。这三张图像分别为葡萄滩湾2 0 0 6 年2 月、2 0 0 9 年3 月及2 0 1 0 年9 月的卫星图像， 它们显示了2 0 0 6 年至2 0 1 0 年的五年以来，葡萄滩湾建设威海中心渔港前后，海上构筑 物的变化。图2 1 和图2 2 ，为中心渔港围海工程前后对比，可以看出，工程建设前湾 内有一处约3 3 0 米的渔业码头和约1 0 0 m 的防波堤，工程建设后，威海中心渔港围海工 汴 程湾口引堤长度超过湾口长度的一半，湾口长度约为1 8 0 0 m ，而引堤长度长达1 0 9 0 m ， t 。 湾内水域面积0 5 k m 2 ，而填海面积就高达0 1 3 k m 2 。大堤建设前，海湾湾顶的沙滩东西 向基本为平均分布，并可初步推断此时湾内的海流主要为湾口与湾内南北方向的往复 流，而大堤建设后，由于长达1 0 0 0 m 的大堤的存在，使得湾内的海流变为环流形势。仔 细观察湾顶部的沙滩，可以看出比起图2 1 ，东侧的沙滩有轻微减少，而西侧的沙滩有 所增加，特别是西侧与构筑物接壤处可以明显看到部分淤积出现，由此也可推断海湾东 侧水深有轻微增大的变化，而西侧水深有轻微减小的变化。图2 2 和图2 3 ，为中心渔 港围海工程投入使用前与投入使用一年后的对比，可以看出一年后海湾东侧新建小型堤 坝约1 7 0 m ，新增围填海面积约为0 0 5 k m 2 ，使得总长度约为1 8 0 0 m 的湾口只剩下约5 4 0 m 。 比起图2 2 ，此时的湾内东南部分沙滩已明显减少，而湾内西南部分沙滩则明显增加， 可以看出海湾部分区域已被泥沙覆盖，可以推断出西南侧水深有明显减小，可以推断出 这种变化的原因是由于威海中心渔港大堤的建设使湾内环流由往复流变为反气旋的环 流，环流带动沙滩东南侧的泥沙顺岸向西南侧移动；通过仔细观察还可发现湾顶最东侧 与新增围填海区域接壤处也有泥沙淤积现象，通过这个现象可以推断出湾内不是简单的 反气旋海流，在湾的东南部很有可能还存在一个小型的正气旋海流，导致了此处淤积。 总之，这些现象不仅破坏了东南侧的沙滩，影响了葡萄滩湾海水浴场的正常使用，还造 成西南侧海湾内部淤积，使得西南侧水深减小，难以停靠大吨位船只，减弱了威海中心 渔港的承载能力，严重影响了中心渔港的正常运营。因此，威海中心渔港大堤建设后对 环境的负面影响问题是迫在眉睫需要解决的问题。本文将全面分析中心渔港大堤建设前 后对湾内水动力环境的影响，提出减缓和改善泥沙冲淤影响的措施，并分析预期效果。 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 图2 一l 葡萄滩湾2 0 0 6 年卫星图像 图2 2 葡萄滩湾2 0 0 9 年卫星图像 图2 3 葡萄滩湾2 0 1 0 年卫星图像 1 4 威海中心渔港围海工程对葡萄滩湾水动力环境影响的研究 威海中心渔港潮汐性质属