霞浦圍江漁港工程對附近海域水文環(huán)境的影響

林春霏， 左軍成， 左常圣， 竇 明， 吳亞男， 黃超明

(1.河海大學海洋學院，江蘇南京 210098； 2.國家海洋信息中心，天津 300171)

圍江漁港位于福建省霞浦縣西南側(cè)的沙江鎮(zhèn)圍江村，東臨東吾洋，該地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)為漁業(yè)以及特色海產(chǎn)品養(yǎng)殖加工業(yè)，目前該地區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到了無完備碼頭、海產(chǎn)品堆放地不足等瓶頸問題，建設圍江漁港將解決上述問題并進一步促進當?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。東吾洋海域潮汐類型屬于正規(guī)半日潮型，落潮歷時略短于漲潮歷時。海域潮流是正規(guī)淺海潮流類型，潮流運動形式以往復流為主，余流較小。

海洋工程的建設在一定程度上會對周圍海域的水文生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，已有較多學者對此展開研究[1-5]，而對處于內(nèi)灣的漁港工程更容易影響到當?shù)卮嗳醯乃纳鷳B(tài)環(huán)境。為了解圍江漁港建設后對水文環(huán)境的影響，基于海域?qū)崪y水文測驗資料，應用海洋數(shù)值模型(finite volume coast and ocean model，簡稱FVCOM)以及泥沙淤積強度經(jīng)驗公式，研究圍江漁港的建設對周邊海域水文泥沙環(huán)境產(chǎn)生的影響，該研究結(jié)果可為其他地區(qū)漁港規(guī)劃建設提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)

本研究使用的潮位驗證資料是收集了處于計算區(qū)域3個長期驗潮站為期1個月的潮位觀測數(shù)據(jù)。潮流驗證資料采用布設的3個現(xiàn)場定點流速流向水文觀測調(diào)查站的數(shù)據(jù)，在大潮期間分別進行25 h以上的周日全潮測驗。各站點位置信息分布及觀測時間如圖1、表1所示。

表1 站位信息

1.2 FVCOM模型簡介

應用的FVCOM數(shù)值模式是由美國馬薩諸塞大學(University of Massachusetts)與伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)聯(lián)合開發(fā)的三維海洋模式[6]，模型在水平方向采用非結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格，以便更好地擬合圍江漁港附近復雜的岸線、島嶼和地形特征，垂直向采用σ坐標，以模擬不規(guī)則的底部地形水深變化，該模式在解決淺海陸架、生態(tài)動力學模型中復雜曲折的岸線擬合以及計算有效性等方面具有較強優(yōu)勢。

FVCOM模型控制方程所用的動量方程、連續(xù)方程、狀態(tài)方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ=ρ(T，S)；

(6)

式中：D為整體深度，m；u、v是水平流速分量，m/s；w是垂向流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；T為溫度，℃；S是鹽度，%；ρ是海水密度，kg/m3；f是科氏參數(shù)，rad/s；ζ是水位，m；Km為垂直旋轉(zhuǎn)黏性系數(shù)；Kh為熱量垂直旋轉(zhuǎn)擴散系數(shù)。

1.3 模型設置

為保證工程海域流場計算的準確性，本次模擬對模擬區(qū)域附近的實測水位資料進行整理，利用基于衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的東中國海潮汐模型中8個主要分潮(M2、S2、K1等)和3個淺水分潮(M4、M6、MS4等)的預報結(jié)果作為開邊界條件，并利用長期驗潮站實測水位進行修訂。模型計算采用的岸線來源于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，簡稱NOAA)發(fā)布的高精度岸線數(shù)據(jù)。模型中內(nèi)灣水深資料采用的是由中國人民解放軍海軍司令部航海保證部出版的海圖資料(1 ∶250 000)，外海水深地形數(shù)據(jù)采用的美國NOAA發(fā)布的ETOPO1地形高程數(shù)據(jù)(圖2)。

模型中采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格來剖分計算域，以便更好地模擬復雜岸線邊界，為更準確地刻畫工程海域地形，根據(jù)計算精度要求對工程區(qū)域進行逐層加密處理[7](圖2)，在小尺度比例下對工程附近的環(huán)境影響因子進行模擬，以達到準確的預測效果。整個計算域包括北至福寧灣北岸，西至寧德市東岸，南至閩江口，南北跨度約98.5 km，東西距離為 88.42 km，模型計算網(wǎng)格最低水平分辨率為3 400 m，最高水平分辨率為20 m，整個區(qū)域共分成48 855個網(wǎng)格，26 025個節(jié)點，重點關注區(qū)域(即漁港附近的加密網(wǎng)格區(qū)域)的網(wǎng)格數(shù)為2 193個，垂直向σ坐標均勻分為6層，模型計算的最小時間步長為3 s。

2 模型驗證

為檢驗模型計算結(jié)果的準確性，通過實測的潮位數(shù)據(jù)對模型結(jié)果進行對比驗證(以大小潮為例，圖3)，計算的水位過程與實測資料吻合較好，潮漲歷時與落潮歷時基本一致，相位誤差不超過0.2 h，潮位最大誤差為15 cm，平均絕對偏差為9 cm。

同時對計算區(qū)域3個站點大潮期間的流速、流向進行對比驗證，定點站的位置信息如圖1和表1所示，各測站流速、流向的驗證結(jié)果(圖4，為方便驗證，漲潮時流速大小為正，落潮時為負)表明，整體上流速、流向的模擬結(jié)果和實測值基本吻合，漲落潮時最大流速值以及其出現(xiàn)時間點的計算值與實際情況符合良好。

通過誤差計算，各站大潮時段流速平均絕對偏差一般在0.089～0.129 m/s之間，相對誤差在7.5%～9.5%之間；平均流向偏差為6°～8°，流向相對流速而言，模擬結(jié)果符合較好；高低潮及轉(zhuǎn)流的時間也基本一致(表2)。

通過潮位和潮流的對比驗證可以看出，模擬結(jié)果與實測過程吻合較好，為滿足規(guī)范要求[7]，所建模型能夠較為準確地刻畫圍江漁港附近海域水動力情況，并為進一步研究海洋水文環(huán)境的影響問題提供基礎。

3 漁港工程對周圍海域潮流場的影響

為分析圍江漁港工程建成后對周邊海域潮流場的影響，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果給出網(wǎng)格加密區(qū)域中工程前后大潮、小潮漲落潮流場(圖5、圖6)。由工程前的模擬結(jié)果可知，漲急時刻在沙江鎮(zhèn)圍江村東側(cè)海域形成比較明顯的沿岸流，漲潮流向為北向，但由于受到凸地形的影響，北側(cè)流速較大，南側(cè)流速較小，圍江東北側(cè)流速最大，大潮漲潮時達到1.6 m/s，小潮漲潮時達到1.2 m/s；落急時刻，流向基本為南向，圍江村南側(cè)受地形阻擋，流速較小，在0.0～0.3 m/s之間，北側(cè)流速依然較大?？傮w而言，工程建設前漲急流速大于落急流速。沿岸流的流場特征非常明顯。

通過工程實施前后流場對比結(jié)果可見，工程建設后對以工程為中心的小區(qū)域范圍流場有著較大影響，而對外圍區(qū)域影響較小。工程后漲潮時期由于受到駁岸的阻擋作用流向變化明顯，在北側(cè)沿岸海域流速明顯減?。宦涑睍r期，在漁港南側(cè)、西南側(cè)較大范圍海域流速減小。

表2 各站流速、流向偏差

為定量分析工程實施對流場的影響，給出工程建設后流速變化等值線(圖7)，并在工程周邊海域按工程北側(cè)、內(nèi)圈、南側(cè)、東側(cè)、外圍5個區(qū)域選取25個特征點(圖8)，由于篇幅受限，本研究只對比并分析工程前后大潮流速、流向變化特征(表3、表4)。

在漲潮流時，圍江漁港的北側(cè)受新建碼頭駁岸的阻擋作用，往北沿岸流流速流向變化均較大，其流速普遍減小，減小幅度在0.04～0.42 m/s之間，工程后在緊貼碼頭北側(cè)最里處速度幾乎為0，S5特征點處流速由工程前的1.59 m/s減少了1.05 m/s，流向工程前后也變化了27.42°，受工程的影響非常明顯。其次在工程東側(cè)以及南側(cè)也有一定的影響，流速較少了0.1 m/s左右。在工程東南測主要體現(xiàn)在流速的變化上，流向變化不大。在離工程區(qū)較遠處區(qū)域受工程影響較小，特征點S21～S25，平均流速變化為0.006 cm/s，平均流向變化約為0.636°。

在落潮時，圍江漁港南側(cè)的水流受工程的影響尤為明顯，由于碼頭的阻擋作用， 在碼頭建設前其流速大小約在0.26～0.45 m/s之間，工程建設后，平均流速不到0.1 m/s，在貼近工程右側(cè)處的S8、S9特征點處流速減小幅度達0.6 m/s，緊貼工程內(nèi)圈各點平均流速變化為0.38 m/s，流向變化在2°～130°之間。在工程東側(cè)稍遠一點的區(qū)域如S17、S18由于離岸流的堆積，流速有一定增大，振幅在0.09～0.17 m/s之間。而離工程較遠的特征點S21～S25流速流向變化較小，流速變化最高為0.09 m/s，流向變化最高為3.62°，基本不受工程建設的影響。

總體來看，圍江漁港工程建設只對以工程區(qū)為中心周圍600 m海域的水流產(chǎn)生影響。主要變化區(qū)域集中在工程南北沿岸兩側(cè)，漲潮時刻北側(cè)流速變化相對較大，落潮時南側(cè)流變化較大，工程東南側(cè)流向變化相對明顯，而離港口較遠的外圍海域流速流向受工程的影響均不明顯。

表3 工程建設前后特征點漲急流速流向變化(大潮)

4 圍江漁港建設對水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境影響分析

漁港工程建設后，將會破壞原先海域中水動力的動態(tài)平衡格局，從而改變漁港周圍水體含沙量，嚴重時會出現(xiàn)泥沙淤積航道的現(xiàn)象，再加上該海域的水深較淺，航行安全將會受到更大威脅。此外，涉海工程建設后對工程海域的潮流場變化及泥沙輸運特征都會產(chǎn)生一定影響，也會在不同程度上改變當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[8]。因此，漁港工程的建設須控制好對海洋水文環(huán)境和生態(tài)環(huán)境等的影響。

4.1 施工期懸浮泥沙

漁港施工過程中施工人員的生活污水以及施工機械產(chǎn)生的污水經(jīng)處理后會排放到附近海域產(chǎn)生懸浮物，對海域環(huán)境造成影響。在水動力預測的基礎上聯(lián)合污染物擴散方程，利用FVCOM模型對海域懸浮物的分布進行模擬預測。

4.1.1 預測模式 預測模式通過FVCOM模型計算，把污染物擴散方程和二維水流預測模式聯(lián)合求解，從而獲得懸浮物濃度的分布情況。

(7)

式中：P表示懸浮物濃度，kg/m3；H為水深，m；Kx、Ky分別是x、y方向的擴散系數(shù)，m3/s；u、v為水平方向流速分量，m/s；M為源項，M=M0-α×ω×P；α為沉降系數(shù)，取值為0.52；ω為沉速，kg/s；其他符號與潮流預測模式相同。

4.1.2 預測條件 按照國家污水排放標準，在三級漁港附近懸浮物的排放濃度人為增加的量應≤150 mg/L，而農(nóng)業(yè)區(qū)附近的懸浮物排放濃度人為增加的量應≤10 mg/L。根據(jù)工程分析結(jié)果，本項目施工期懸浮物源強為0.59 kg/s，預測中以此作為懸浮物預測源強。

表4 工程建設前后特征點落急流速流向變化(大潮)

4.1.3 預測結(jié)果 由圖9可知，最大影響區(qū)域出現(xiàn)在落急時刻。還可以看出，施工期懸浮物最大影響區(qū)域(即人為懸浮物濃度增加量超過10 mg/L的區(qū)域)主要集中在網(wǎng)格加密區(qū)。這里離源強比較近，且靠近岸及駁岸碼頭，構(gòu)成了1個狹小區(qū)域，使得水動力場在該區(qū)域減弱很多，導致懸浮物在這里聚集，并使懸浮物濃度增幅很大。而在漲落潮時碼頭駁岸的水流來向處由于流速增幅較明顯，因此懸浮物濃度有所減小，最大減小幅度達到31.2 mg/L。由此可以認為，此時漁港建設工程對周圍海域水質(zhì)環(huán)境有一定的影響。

施工期間懸浮物最大可能影響范圍，通過計算可知人為濃度增加10 mg/L的最大區(qū)域達到了0.021 km2。由表5可知，水動力場減弱的區(qū)域懸浮物濃度還是有所增加，在水動力場增強的區(qū)域懸浮物濃度會有所減弱。施工期間產(chǎn)生的懸浮物對水體環(huán)境的影響有限，僅出現(xiàn)在施工過程和施工結(jié)束的短期時間內(nèi)，當施工結(jié)束后，懸浮物對周邊工程海域的影響隨著潮流運動逐漸消失，不會對該海域內(nèi)的水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生長遠的不利影響。

表5 大潮期漲落急時刻特征點懸浮物濃度變化

4.2 漁港工程對沖淤環(huán)境的影響

圍江漁港附近的東吾洋海域沿岸海岸穩(wěn)定，四周植物茂密，水土保持較好，且區(qū)域內(nèi)無大河流匯入，徑流來沙有限，水清沙少，隨潮流進出的沙量基本平衡，海域泥沙淤積量較小，所以海床較為穩(wěn)定。漁港工程建設完成后，在一定程度上改變了工程海域的水動力環(huán)境，使原先海域潮流場的動態(tài)平衡格局發(fā)生改變，引發(fā)泥沙的沖淤過程。

4.2.1 泥沙淤積計算方法 對泥沙中值粒徑小于0.05 mm的淤泥質(zhì)海岸，采用目前常用的文獻[9]的公式進行工程泥沙淤積計算：

(8)

式中：v1、v2分別為工程前、后的平均流速(m/s)，由潮流數(shù)值計算得到。p是t時段內(nèi)床面淤積強度，m；S1是相對于平均水深的淺灘水域平均含沙量，kg/m3；t是淤積歷時，s；w是細顆粒泥沙絮凝沉降速度，m/s；γ0是泥沙干密度，kg/m3；d1、d2分別為淺灘的平均水深和工程后的水深，m；K1是橫流的淤積系數(shù)，為0.35；K2是順流的淤積系數(shù)，為0.13；θ是工程走向與水流流向間的夾角，°。

4.2.2 泥沙淤積結(jié)果 港口工程建設后，碼頭北側(cè)與馬跡山島西側(cè)形成一緩流區(qū)，漲落潮時，該區(qū)域受碼頭的影響，流速較工程前明顯減小，淤積也主要發(fā)生在該區(qū)域(圖11)。根據(jù)模型預測所得關于泥沙沖淤結(jié)論如下：漁港工程的建設，改變了當?shù)睾０毒€形態(tài)，其周邊海域的水動環(huán)境也出現(xiàn)相應變化。工程后駁岸南北兩側(cè)海域附近流速呈減小趨勢，將會產(chǎn)生一定的泥沙淤積，工程碼頭、駁岸外側(cè)的部分區(qū)域也會出現(xiàn)不同程度的淤積。工程實施一定時期后，海床沖淤將重新達到平衡，工程建設后的泥沙年淤積厚度分布如圖11所示，在工程南北兩側(cè)以及右側(cè)貼近工程海域出現(xiàn)淤積，最大淤積厚度發(fā)生在工程北側(cè)與岸線交接處，達到0.089 m/年，工程周邊平均淤積厚度約在0.035 m/年；工程東側(cè)偏向南側(cè)海域由于平均流速的增大，將會發(fā)生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

4.3 漁港工程對生態(tài)環(huán)境的影響

工程施工過程中泥沙懸浮物入海降低了海水透明度，海水中浮游植物(如海帶、紫菜等)的光合作用和正常生長會受到一定的影響。根據(jù)實地調(diào)查，在漁港東北側(cè)處有一片開放式海帶養(yǎng)殖區(qū)，養(yǎng)殖面積為40 hm2。海帶養(yǎng)殖期為1～6月，施工期后期將產(chǎn)生一定量的懸浮污染物，會導致海帶養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)量下降。

水體渾濁還可能堵塞水生生物的呼吸系統(tǒng)，影響它們的正常生長繁殖。圍江漁港北側(cè)與圍江育苗場相連，施工期將產(chǎn)生一定量的懸浮污染物，對于鄰近區(qū)域?qū)ξr等育苗的養(yǎng)殖會造成很大影響。

5 結(jié)論

針對霞浦縣圍江漁港工程，利用海洋數(shù)值模型FVCOM建立了該區(qū)域三維水動力模型，經(jīng)驗證模型能夠較為真實地模擬圍江周邊海域的潮流場，在此基礎上，開展研究海域在工程前后潮流場的變化、施工期懸浮物以及泥沙沖淤情況的分析研究，有關結(jié)論如下：(1)圍江漁港附近海域潮流屬于半日潮流，基本呈往復流形式，漲急流速大于落急流速，漲落潮期間北側(cè)流速大于南側(cè)，沿岸流的流場特征非常明顯。工程實施后，對以工程區(qū)為中心周圍600 m海域的水流環(huán)境產(chǎn)生影響，主要影響區(qū)域集中在工程南北沿岸兩側(cè)，漲潮時刻北側(cè)流速變化相對較大，流速減小幅度為0.04～0.42 m/s；落潮時南側(cè)流變化較大，流速減小幅度為0.24～0.40 m/s，工程東南側(cè)流向變化相對明顯，最大偏移達到71.15°。而離港口較遠的外圍海域流速流向受工程的影響均不明顯。(2)施工期懸浮物計算結(jié)果表明，施工期間碼頭附近會產(chǎn)生懸浮泥沙，最大影響區(qū)域達到了0.021 km2，將會對周圍海帶及對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)生影響，建議工程施工盡量避開養(yǎng)殖期。(3)工程海域海岸穩(wěn)定， 并且區(qū)域內(nèi)無較大的河流流入，徑流挾沙有限，通過數(shù)值模擬和泥沙淤積計算，整個工程區(qū)周邊海域淤積量較小，但由于工程建設后碼頭凸出，與南北兩側(cè)岸線形成半封閉的內(nèi)灣，流速減小，存在淤積的可能，最大淤積厚度達到 0.089 m/年，平均淤積厚度約在0.035 m/年；而工程東側(cè)偏向南側(cè)海域由于平均流速的增大，將會發(fā)生沖刷，最大年沖刷厚度0.09 m/年。

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