白玉川，史豐碩，徐海玨，黃哲

（1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2.天津大學(xué) 河流海岸工程泥沙研究所，天津 300350）

渤海灣區(qū)域具有地形坡度較小、泥沙資源豐富、海岸線弧度較大等自然條件特點(diǎn)，有利于進(jìn)行大規(guī)模的填海造陸活動(dòng)。20 世紀(jì)70 年代以來，此區(qū)域在經(jīng)濟(jì)和政策的雙重驅(qū)動(dòng)下，對(duì)土地資源的需求更加強(qiáng)烈，進(jìn)一步加快了填海造陸的進(jìn)程（國(guó)家海洋局，2016；朱高儒等，2012）。渤海灣岸線人工化程度較高，截至2015 年，渤海灣沿岸除部分入海河口附近的海岸線為河口型自然岸線外，其他海域沿岸幾乎均為人工岸線（孫曉宇等，2014），人類活動(dòng)造成了岸線的永久改變，進(jìn)而引起附近海域潮流場(chǎng)的變化（張立奎，2012）。潮流的流速、流向決定了研究海域鹽度、污染物、排海高溫水體等的擴(kuò)散過程和泥沙運(yùn)動(dòng)沉積過程，從而影響該海域的生態(tài)環(huán)境和底床形態(tài)變化（Lu et al，2009）。因此，對(duì)于渤海灣岸線及潮流場(chǎng)變化的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程意義。

對(duì)于渤海灣岸線及潮流場(chǎng)的研究主要有衛(wèi)星遙感解譯和數(shù)值模擬分析兩種方法。衛(wèi)星遙感是一種將地學(xué)分析、數(shù)學(xué)方法和物理手段綜合在一起的應(yīng)用技術(shù)（莊悅，2019），具有觀測(cè)范圍廣、精度較高、獲取信息量大、可反演等優(yōu)點(diǎn)（侯慶志等，2013；Song et al，2004），與傳統(tǒng)方法相比，在時(shí)空尺度上具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)，在岸線、土地屬性等方面的時(shí)空分析中發(fā)揮著越來越重要的作用。眾多學(xué)者利用此方法分析了渤海灣地區(qū)岸線的演變規(guī)律。李建國(guó)等（2010） 利用多源遙感數(shù)據(jù)提取了2000—2009 年天津?yàn)I海新區(qū)海岸線，得到岸線的變化特征并對(duì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。朱高儒等（2012） 基于1974—2010 年MSS/TM/ETM 影像資料，利用RS/GIS 技術(shù)分析了渤海灣西北岸填海造陸的動(dòng)態(tài)空間分布和數(shù)量變化特征。侯慶志等（2013） 通過分析1993—2011 年TM 數(shù)據(jù)與HJ-1A/1B 衛(wèi)星影像，結(jié)合2003 年水下地形圖，利用ArcGIS 分析了近20 年來曹妃甸海域圍海工程造成的岸線及水動(dòng)力環(huán)境變化。葉小敏等（2016）利用Landsat-5/TM、Landsat-7/ETM 及HJ-1A、B/CCD遙感數(shù)據(jù)分析了渤海灣近30 年來水域面積、岸線長(zhǎng)度和岸線分形維數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)、港口及圍填海工程建設(shè)是渤海灣岸線變遷的主要因素。

隨著計(jì)算機(jī)和模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為研究潮流場(chǎng)、泥沙運(yùn)動(dòng)及污染物遷移核擴(kuò)散的重要手段，眾多學(xué)者利用此方法在渤海灣區(qū)域取得了許多研究成果。王永剛等（2014） 基于ROMS 模式根據(jù)不同水深及岸線數(shù)據(jù)，建立了渤海海域潮波數(shù)值模型，提高了計(jì)算精度，研究表明1972—2002 年期間M2分潮無潮點(diǎn)向東北方向遷移了約30 km。宋軍等（2016）建立了高分辨率數(shù)據(jù)同化模型系統(tǒng)，在ROMS 模式最優(yōu)解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了黃渤海M2分潮的潮汐特征、潮余流、潮能及其擴(kuò)散、潮混合和潮動(dòng)能平衡。韓樹宗等（2012）基于FVCOM 三維水動(dòng)力模型針對(duì)近岸海域圍填建設(shè)研究了天津近海海域流速、流向、沖淤環(huán)境、余流等方面的變化。蔣秋飆（2011）通過建立二維數(shù)學(xué)模型模擬工程區(qū)周圍潮汐環(huán)流、海浪及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了碼頭區(qū)建設(shè)對(duì)海洋環(huán)境帶來的具體影響，并為碼頭區(qū)各方面的科學(xué)決策提供了重要依據(jù)。陸永軍等（2007）建立二維水沙數(shù)學(xué)模型分析了波流共同作用下曹妃甸港區(qū)的泥沙運(yùn)動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)甸頭岬角效應(yīng)是維持深槽水深的主要因素。夏波等（2006） 利用SWAN 和ADCIRC 模型創(chuàng)新性地建立了渤海灣西南岸風(fēng)浪、潮汐、水流聯(lián)合作用耦合數(shù)學(xué)模型，分析了近岸區(qū)水位、流場(chǎng)對(duì)風(fēng)浪模擬結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)水位變化對(duì)結(jié)果有明顯影響。李希彬等（2018）利用FVCOM 模型模擬了未來大規(guī)模海岸工程對(duì)渤海潮動(dòng)力環(huán)境的影響，并建議在工程建設(shè)之前，應(yīng)充分考慮工程對(duì)水動(dòng)力環(huán)境及水體交換能力的影響。聶紅濤等（2008）應(yīng)用數(shù)學(xué)模型模擬分析了海岸帶不同開發(fā)活動(dòng)對(duì)渤海灣近岸海域水環(huán)境的影響，研究結(jié)果表明，一次性排放大量污水會(huì)增大河口及近岸海域污染面積及污染程度。

雖然部分學(xué)者利用遙感影像技術(shù)與數(shù)值模型相結(jié)合的方法來分析圍填海對(duì)渤海灣區(qū)域的影響，但大都是針對(duì)某一工程單獨(dú)進(jìn)行的，計(jì)算范圍較?。愳o等，2016；Cui et al，2011），大范圍區(qū)域的研究成果較少，而從整體角度可以同時(shí)研究區(qū)域內(nèi)多個(gè)工程，方便在同一條件下相互對(duì)比分析，有利于宏觀上把控演變規(guī)律。因此，本文利用ENVI 提取了渤海灣2000—2015 年衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)中典型年份岸線，分析得到渤海灣岸線時(shí)、空演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立二維數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)研究渤海灣大范圍圍填海工程前、后不同岸線及地形條件下潮流場(chǎng)的變化，并為后續(xù)的海洋環(huán)境、海底泥沙運(yùn)動(dòng)、污染物擴(kuò)散等方面的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 渤海灣2000—2015 年岸線演變分析

1.1 區(qū)域概況

渤海灣地處我國(guó)大陸東部北端，渤海以西，三面環(huán)陸（宋媛 等，2021），位于117毅35憶E—118毅51憶E，38毅00憶N—39毅14憶N 之間，海域面積約為1.59 萬km2，是典型的半封閉緩坡淤泥質(zhì)海灣，包括隸屬于天津的濱海新區(qū)、隸屬于河北省的曹妃甸工業(yè)區(qū)和黃驊港以及老黃河口，東南部為萊州灣（圖1）。

圖1 研究區(qū)域示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理方法

為了研究渤海灣區(qū)域2000—2015 年岸線演變規(guī)律，本文使用美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat 系列遙感數(shù)據(jù)，其分辨率為30 m，選取覆蓋研究區(qū)域的衛(wèi)星影片，軌道號(hào)為p121—r34 及p122—r33，條帶號(hào)分別為122、033，利用每個(gè)典型年份（2000 年、2004 年、2011 年和2015 年）當(dāng)年一整年的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行岸線的提取。

首先，對(duì)于6、5、4 或5、4、3 波段利用ENVI（鄧書斌，2014）對(duì)所有衛(wèi)星圖像進(jìn)行假彩色合成，用以突出海岸信息；接著對(duì)假彩色合成圖像進(jìn)行分類，提取陸地與水體的分界線，此分界線是提取年份內(nèi)所有時(shí)期高潮位的平均位置，即為平均高潮線。對(duì)于淤泥質(zhì)海岸，利用這種方法能得到較為清晰的岸線，而對(duì)于部分凸堤或擋沙堤等港口岸線，也在提取時(shí)算作有效岸線；最后用ArcGIS對(duì)ENVI 識(shí)別出來的陸-水分界線進(jìn)行人工修整，得到最終岸線并進(jìn)行對(duì)比分析。由于岸線的走向是曲折蜿蜒的，在進(jìn)行人工修整的時(shí)候不一定嚴(yán)格按照網(wǎng)格來確定，有時(shí)會(huì)取對(duì)角線連線作為最終岸線，精確到個(gè)位數(shù)以后會(huì)導(dǎo)致岸線長(zhǎng)度不是30 m的倍數(shù)。不同年份岸線具體信息見表1，不同年份岸線時(shí)空變化見圖2。

表1 不同年份岸線具體信息

1.3 渤海灣岸線演變分析

分析表1 和圖2 可以發(fā)現(xiàn)，渤海灣岸線長(zhǎng)度整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，按增長(zhǎng)強(qiáng)度可以分為三個(gè)階段：2000—2004 年為岸線緩慢增長(zhǎng)階段；2004—2011年為岸線快速增長(zhǎng)階段；2011—2015 年為岸線增長(zhǎng)減緩階段。多期影像及岸線長(zhǎng)度數(shù)據(jù)表明，整體演變呈現(xiàn)岸線向海洋擴(kuò)張的趨勢(shì)（Zhu et al，2012）。

圖2 渤海灣岸線時(shí)空變化

2000—2004 年期間的圍填海規(guī)模仍處于較低水平，年均填海速率為4.78 km2/a，渤海灣岸線共增長(zhǎng)了46.45 km。填海工程主要集中在灘涂區(qū)域，但也有不少填海區(qū)延伸到近海。這一時(shí)期岸線及填海造地面積變化最大的區(qū)域主要位于天津?yàn)I海新區(qū)的北疆、南疆和臨港工業(yè)區(qū)以及曹妃甸工業(yè)園區(qū)，這是因?yàn)樘旖驗(yàn)I海新區(qū)東疆港區(qū)的圍埝工程和曹妃甸連島公路在這一時(shí)期基本完工，這也為下一階段的大規(guī)模開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

2004 年之后天津?yàn)I海新區(qū)、曹妃甸工業(yè)園區(qū)以及黃驊港等重點(diǎn)建設(shè)區(qū)的岸線長(zhǎng)度增速明顯，岸線向海擴(kuò)張的速度也明顯加快。2004—2011 年期間年均圍填海面積高達(dá)96.96 km2/a，岸線總長(zhǎng)度增加了197.93 km。岸線變動(dòng)及填海面積變化范圍主要集中在曹妃甸工業(yè)區(qū)和天津港北港區(qū)；另外在曹妃甸新區(qū)的曹妃甸新城、南堡油田填海區(qū)，濱海新區(qū)的北疆電廠、中心漁港、南港工業(yè)區(qū)等均進(jìn)行了一定規(guī)模的填海工程。填海位置開始向更深的海域推進(jìn)，最遠(yuǎn)處達(dá)到了6 m 等深線。

隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出和生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，圍填海工程速度明顯減緩，2011—2015 年期間渤海灣陸域年均增長(zhǎng)面積為6.645 km2/a，岸線總長(zhǎng)度增加了58.88 km，變化范圍集中在黃驊港區(qū)域，黃驊港區(qū)岸線向海推進(jìn)，同時(shí)其東南方岸線也迅速向海推進(jìn)，這主要是由灘涂圍墾用作漁業(yè)養(yǎng)殖所致。

總之，岸線長(zhǎng)度與圍填海面積的不斷增長(zhǎng)與近年來防波堤、護(hù)堤等海岸工程以及圍填海工程陸續(xù)的建設(shè)密不可分。

2 渤海灣數(shù)值模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

近年圍繞渤海灣進(jìn)行的圍填海工程已致使岸線整體向外海推進(jìn)，工程區(qū)域逐漸由高灘轉(zhuǎn)為低灘，近岸灘涂向海淤漲，地形發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致了海灣內(nèi)潮流動(dòng)力場(chǎng)的改變。本文基于2000 年和2015年渤海灣岸線和地形資料，利用Mike 21 建立了渤海灣潮流場(chǎng)動(dòng)力模型（衣秀勇，2014），模擬了渤海灣潮流動(dòng)力場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上分析了大規(guī)模圍填海工程實(shí)施前后動(dòng)力場(chǎng)變化的趨勢(shì)和原因。

平面二維水流連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

2.2 模型設(shè)置

模擬開邊界條件指定為水位過程，陸地邊界為固邊界。建立渤海整體區(qū)域大模型（包括遼東灣、渤海灣、萊州灣和渤海部分海域），模型的開邊界取小長(zhǎng)山島—威海連線，小模型為渤海灣數(shù)學(xué)模型。

大模型水深資料取自中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部出版的黃渤海海域海圖，小模型水深資料取自渤海灣海域海圖，并將各地水深統(tǒng)一到1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)面，不同時(shí)期的模型分別采用當(dāng)年的水深資料來計(jì)算。渤海大模型開邊界水位條件由ChinaTide 潮汐預(yù)報(bào)軟件提供（李孟國(guó)等，2007），考慮Q1、P1、O1、K1、N2、M2、S2、K2、Sa 9 個(gè)主要分潮，調(diào)和常數(shù)由數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析得到。模擬時(shí)間為2000 年2 月10 日00 頤00 頤00—2001 年3 月30 日00 頤00 頤00 和2015 年2 月10 日00 頤00 頤00—2016 年3 月30 日00 頤00 頤00，時(shí)間步長(zhǎng)為30 s。采用三角形無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分，網(wǎng)格尺度為3000 m，2000 年模型單元數(shù)為33 187，結(jié)點(diǎn)數(shù)為16 991，2015 年模型單元數(shù)為32 864，結(jié)點(diǎn)數(shù)為16 917。渤海灣小模型開邊界條件由渤海大模型插值計(jì)算得到。模擬時(shí)間為2000 年3 月10日00 頤00 頤00—2001 年3 月10 日00 頤00 頤00 和2015 年3 月10 日00 頤00 頤00—2016 年3 月10 日00 頤00 頤00，時(shí)間步長(zhǎng)為30 s。采用三角形無結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分，網(wǎng)格尺度為1000m，2000 年模型單元數(shù)為31 347，結(jié)點(diǎn)數(shù)為16 039，2015 年模型單元數(shù)為88 096，結(jié)點(diǎn)數(shù)為45 026。大、小模型的網(wǎng)格分布如圖3 所示。

圖3 模型網(wǎng)格分布圖

渤海大模型和渤海灣小模型的底床摩擦力均選擇曼寧系數(shù)，曼寧系數(shù)取值為0.0125 s/m1/3，該值的選取是基于王萬戰(zhàn)等（2007）對(duì)渤海流場(chǎng)基本特性的率定結(jié)果。

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證潮流數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，引入模型技能得分（SkillScore）來量化模型誤差（Song，2013a，2013b），SS 定義為均方根（RMS）誤差與觀測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差之間的比值（Murphy，1988），當(dāng)SS 躍0.65時(shí)，認(rèn)為模擬得很好，當(dāng)0.65逸SS逸0.2 時(shí)，認(rèn)為模擬得較好，當(dāng)SS臆0.2 時(shí)，認(rèn)為模擬得較差（Allen et al，2007）；同時(shí)引入相關(guān)性系數(shù)（Correlation Coefficient）來量化模型相關(guān)性，當(dāng)CC 躍0.8 時(shí)屬于強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)0.8逸CC逸0.5 時(shí)屬于中等相關(guān)，當(dāng)0.5逸CC逸0.3 時(shí)屬于弱相關(guān)，當(dāng)0.3 躍CC 時(shí)屬于不相關(guān)。

分別利用環(huán)渤海各地驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)資料（國(guó)家海洋信息中心，2004）與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，選取塘沽、黃驊港和東風(fēng)港三個(gè)潮位觀測(cè)站2000 年4月5—8 日4 天的觀測(cè)值與計(jì)算潮位對(duì)比分析，結(jié)果如圖4。

從圖4 可以看出，各驗(yàn)潮站潮位觀測(cè)值與模型計(jì)算值吻合良好，高、低潮時(shí)刻及潮位過程曲線趨勢(shì)都基本一致，模型技能得分均在0.918 以上，相關(guān)性系數(shù)均在95.9%以上，因此可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，能夠?yàn)椴澈承∧Ｐ吞峁┚_的開邊界水位條件。

圖4 各驗(yàn)潮站潮位過程對(duì)比

為驗(yàn)證小模型的準(zhǔn)確性，同樣利用上文提到的模型技能得分（SS）來量化模型誤差，利用相關(guān)性系數(shù)（CC）來量化模型相關(guān)性。選取天津港水文全潮觀測(cè)站2000 年5 月18 日12 時(shí)至5 月19 日14時(shí)大潮觀測(cè)值與小模型計(jì)算得到的流速、流向進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。天津港海區(qū)內(nèi)8 個(gè)驗(yàn)潮測(cè)點(diǎn)的布設(shè)及位置見圖5。將不同測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料同計(jì)算結(jié)果繪制在同一幅圖像中進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖6。

圖5 天津港區(qū)水文測(cè)站布置示意圖

圖6 實(shí)測(cè)與計(jì)算流速、流向?qū)Ρ?/p>

從實(shí)測(cè)和計(jì)算流速對(duì)比圖中可以看出，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)流速在研究時(shí)段內(nèi)均大于計(jì)算流速，而其他測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)流速與計(jì)算流速曲線幾乎重合，相差很小，這是由于1 號(hào)測(cè)站位于南疆港防波堤的西南側(cè)，該處受到東疆港防波堤的阻力作用，潮流動(dòng)力減弱，并且在模型中未考慮波浪、風(fēng)等因素，因此，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的誤差。流速整體技能得分為0.838、整體相關(guān)性系數(shù)為94.2%。8個(gè)潮流驗(yàn)證點(diǎn)的計(jì)算流向與實(shí)測(cè)流向相比僅有個(gè)別點(diǎn)存在微小差異，其余各點(diǎn)基本一致。流向整體技能得分為0.87、整體相關(guān)性系數(shù)為93.9%?？傮w而言，小模型計(jì)算準(zhǔn)確性高，可以應(yīng)用于后續(xù)計(jì)算。

3 結(jié)果分析

3.1 大規(guī)模圍填海前后潮流動(dòng)力場(chǎng)分析

由遙感影像岸線分析圖（圖2） 可以明確看出，2000—2015 年渤海灣岸線變化主要發(fā)生在曹妃甸工業(yè)區(qū)、天津港和黃驊港等海域，在此期間渤海灣海域面積減少了1178 km2，約占渤海灣海域總體面積的12%，其中圍填海工程是造成渤海灣海域面積減少的主要因素。本文以天津港漲急落急時(shí)刻為基準(zhǔn)，選取2000 年與2015 年兩種地形條件下渤海灣大潮期間漲急時(shí)刻和落急時(shí)刻的水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

由表2 可以看出，大規(guī)模圍填海實(shí)施前后漲急最大流速和落急最大流速均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，而漲急平均流速與落急平均流速變化都不大。為了更加直觀地展示出渤海灣水文全潮流場(chǎng)的改變，分別繪制了渤海灣2000 年和2015 年大規(guī)模圍填海前后漲落急流速差值等值線圖進(jìn)行對(duì)比，如圖7 所示。

表2 2000—2015 年漲落急時(shí)刻流速對(duì)比單位：m·s-1

圖7 大規(guī)模圍填海前后漲落急流速差值等值線圖

由圖分析得到，2000 年渤海灣內(nèi)最大漲落潮流速差值范圍為-0.475 耀0.683 m/s，2015 年渤海灣內(nèi)最大漲落潮流速差值范圍為-0.492 耀0.717 m/s，即大規(guī)模圍填海實(shí)施后流速差值較實(shí)施前有小幅增加，可見工程后研究區(qū)部分海域（工程區(qū)附近海域）潮流運(yùn)動(dòng)更加劇烈，流速變化更大。近岸海域和開邊界處差值均有負(fù)值，渤海灣中部海域的流速差值多為正值，范圍在0.1 耀0.15 m/s 之間。對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，2000 年曹妃甸工業(yè)區(qū)、天津港和黃驊港附近海域流速差值等值線由近岸向外海方向分布均勻：曹妃甸工業(yè)區(qū)附近海域差值在0.1 耀0.15 m/s 之間，天津港和黃驊港附近海域差值在-0.1 耀0.15 m/s 之間。2015 年三個(gè)主要工程區(qū)附近海域的流速差值等值線由近岸向外海方向分布較為散亂：曹妃甸工業(yè)區(qū)附近海域流速差值增大，最大值達(dá)到0.3 m/s，天津港附近海域流速差值范圍增大至-0.15 耀0.15 m/s，黃驊港附近海域最大差值同樣有所增大，在港區(qū)岬角處流速差值達(dá)到了0.3 m/s。由此可見，渤海灣大規(guī)模圍填海工程對(duì)三個(gè)主要工程區(qū)的流場(chǎng)影響都較大，這是由于防波堤對(duì)水流起著阻礙作用，導(dǎo)致流速減小，而在深水航道內(nèi)和港區(qū)岬角處由于挑流的作用，流速明顯增加，導(dǎo)致岬角處有被沖刷侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

為了更直觀地了解2000 年和2015 年渤海灣流速場(chǎng)變化，分別繪制了漲、落急時(shí)刻大規(guī)模圍填海工程實(shí)施前后水文全潮流速差值圖，如圖8 所示。

圖8 工程前（2000 年）、后（2015 年）差值流速場(chǎng)

從圖8 可以看出，圍填海工程實(shí)施后近岸海域流速有所減小，變化幅度約為0.15 m/s。與落急時(shí)刻不同的是黃驊港航道南部海域流速在漲急時(shí)刻有所增加，且漲急時(shí)刻流速變化幅度較大，工程區(qū)附近流速變化更為明顯；離岸海域流速變化較小，變化幅度小于0.05 m/s，曹妃甸和濱州港之間海域、黃驊港附近海域流速變大，最大增幅能達(dá)到0.5 m/s以上。天津港附近海域流速變化復(fù)雜，近岸海域的潮流流向變化較大。

3.2 大規(guī)模圍填海前后潮流調(diào)和分析

潮流通常是指天文潮汐漲、落而導(dǎo)致的海水流動(dòng)。潮流流向一般呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式變化，一個(gè)潮周期內(nèi)左旋或右旋360毅（徐輝奮等，2011），潮流性質(zhì)依下式劃分：

式中WK1、WO1、WM2分別是K1、O1和M2分潮潮流橢圓長(zhǎng)半軸。如果F臆0.5，則為正規(guī)半日潮流；如果0.5 約F臆2.0，則為不正規(guī)半日潮流；如果F 躍2.0，則視情況分為不正規(guī)半日潮流或正規(guī)日潮流。本文在3 個(gè)主要工程區(qū)域共設(shè)置9 個(gè)特征點(diǎn)，如圖9所示。利用小模型計(jì)算的2000 年和2015 年5 月1日00 頤00 頤00—6 月1 日00 頤00 頤00 潮流模擬結(jié)果，對(duì)深度平均流進(jìn)行調(diào)和分析得到9 個(gè)特征點(diǎn)大部分分潮的特征值。本文主要針對(duì)M2分潮進(jìn)行分析，并繪制M2分潮潮流橢圓。在表3 中給出9 個(gè)特征點(diǎn)的F 值，可以看出F 值在0.5耀2.0 之間，即渤海灣潮流屬于不正規(guī)半日潮流性質(zhì)（婁安剛 等，2002）。

表3 大規(guī)模圍填海前后特征點(diǎn)的F 值

圖9 渤海灣特征點(diǎn)位置示意圖

潮流的運(yùn)動(dòng)形式可用潮流橢圓旋轉(zhuǎn)率K 來判定，K 為潮流橢圓短軸與長(zhǎng)軸的比值。當(dāng)K 絕對(duì)值大于0.25 時(shí)，潮流表現(xiàn)為較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性；當(dāng)K絕對(duì)值小于0.25 時(shí)以往復(fù)流為主，當(dāng)K 值為正時(shí)表示潮流沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（喬方利，2016），選取M2分潮來分析研究區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)形式。

由表4 可知，對(duì)于M2分潮，黃驊港附近特征點(diǎn)g 在填海工程實(shí)施前潮流運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)流，實(shí)施后轉(zhuǎn)為往復(fù)流，這是由于在黃驊港附近海域修建大量防波堤等水工建筑物后，潮流運(yùn)動(dòng)受地形約束作用強(qiáng)烈，出現(xiàn)較明顯的往復(fù)流特征。其他特征點(diǎn)所在位置潮流運(yùn)動(dòng)均為往復(fù)流，工程前研究區(qū)域潮流主要為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但在工程后研究區(qū)域內(nèi)潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)范圍增加，多發(fā)生在深水航道附近和受防波堤掩蔽的海域中。

表4 大規(guī)模圍填海前后特征點(diǎn)的K 值

根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果，繪制了M2分潮潮流橢圓。潮流橢圓的長(zhǎng)軸方向?yàn)樽畲罅魉俜较?，短軸方向?yàn)樽钚×魉俜较颍▓D10、圖11） （Xu et al，2016）。在研究海域內(nèi)圍繞主要工程區(qū)域共提取了9 個(gè)特征點(diǎn)，以此分析工程建設(shè)區(qū)附近海域潮流的變化，見圖12；根據(jù)前文漲急、落急分析，對(duì)于遠(yuǎn)離工程區(qū)的渤海灣區(qū)域，其流態(tài)受大規(guī)模圍填海的影響較小，因此不再選取特征點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖11 2015 年渤海灣整體M2 分潮橢圓

由圖10 可以看出，大規(guī)模圍海造陸工程前，渤海灣M2分潮潮流場(chǎng)分布均勻：由外海向近岸，M2分潮最小流速呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最大流速則逐漸減小，在臨近海岸時(shí)，最小流速和最大流速均有明顯的減小。在渤海灣西北角附近海域M2分潮主要為西北向往復(fù)流；在曹妃甸附近海域潮流為旋轉(zhuǎn)流，隨著水深的增大，逐漸轉(zhuǎn)為東西向的往復(fù)流；渤海灣中部大部分海域?yàn)闁|西向的往復(fù)流，在黃驊港岸線變動(dòng)較大的區(qū)域附近轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)流，這是由于黃驊港區(qū)建設(shè)的擋沙堤凸出海岸，阻礙了水流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了局部漩渦而導(dǎo)致的；渤海灣南部海域運(yùn)動(dòng)方式以旋轉(zhuǎn)流為主，但是在岸線附近最大流速和最小流速急劇減小，主要以南北向往復(fù)流的方式運(yùn)動(dòng)。

圖10 2000 年渤海灣整體M2 分潮橢圓

隨著圍海造陸工程的開展，渤海灣海域M2分潮運(yùn)動(dòng)方式也隨之發(fā)生改變。分析圖11 可以得到，大規(guī)模圍填海工程實(shí)施后，由外海向近岸，渤海灣大部分海域M2分潮的最小流速有所增大，最大流速逐漸減?。辉诠こ虆^(qū)附近的M2分潮運(yùn)動(dòng)由于受地形變化影響，流向發(fā)生變化，呈現(xiàn)出與深水航道軸線方向和防波堤堤線方向平行的往復(fù)流動(dòng)。

為了更直觀地進(jìn)行工程前后渤海灣M2分潮潮流運(yùn)動(dòng)特征的對(duì)比，現(xiàn)將三個(gè)主要工程區(qū)附近9 個(gè)特征點(diǎn)不同年份的潮流橢圓繪制在同一幅圖中，如圖12 所示。

圖12 不同年份工程區(qū)特征點(diǎn)潮流橢圓對(duì)比

通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，工程前后曹妃甸附近海域M2分潮的運(yùn)動(dòng)變化較小，較為明顯的是最小流速的減小，工程后該海域主要以往復(fù)流為主，往復(fù)流運(yùn)動(dòng)方向主要由防波堤方向決定：最大流速方向與防波堤方向近似平行；天津港位于渤海灣西部，工程后該海域M2分潮的最小流速明顯減小，致使往復(fù)流范圍增大，旋轉(zhuǎn)流范圍減??；黃驊港海域在工程后潮流變化較大，主要表現(xiàn)在最小流速的減小和運(yùn)動(dòng)方向逐漸轉(zhuǎn)向與深水航道軸線或防波堤堤線平行方向，往復(fù)流范圍增大。圍填海工程后，原有的自然岸線被碼頭、船塢、防波堤等人工岸線所代替，這不僅改變了原有的岸線屬性，工程區(qū)所在海域的地形也隨之發(fā)生變化，潮流運(yùn)動(dòng)受到地形的約束而發(fā)生改變：在深水航道內(nèi)，M2分潮的最大流速有明顯增大的趨勢(shì)，最小流速減小，運(yùn)動(dòng)方式多為往復(fù)流；在港區(qū)岬角處，由于受到挑流的作用，最大流速和最小流速增大，往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流同時(shí)存在，導(dǎo)致岬角附近存在被沖刷侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，降低了港區(qū)的整體穩(wěn)定性；而受防波堤掩蔽的海域以及防波堤后方海域，M2分潮運(yùn)動(dòng)方式以往復(fù)流為主，受到建筑物的阻礙作用，最大、最小流速均有所減小，導(dǎo)致泥沙淤積的風(fēng)險(xiǎn)加劇。

4 結(jié)論

通過分析渤海灣不同時(shí)期的衛(wèi)星遙感影像發(fā)現(xiàn)，渤海灣海岸線發(fā)生了巨大變化。2000—2015年海岸線不斷地向外海推進(jìn)，增長(zhǎng)速度先快后慢，基本形成了以北部曹妃甸、西部天津港和南部黃驊-濱州港為中心的三大人工岸線聚集區(qū)。渤海灣北部向海推進(jìn)最大距離約為20 024 m；渤海灣西部向海推進(jìn)最大距離約為14 670 m；渤海灣南部向海推進(jìn)最大距離約為22 011 m。

大規(guī)模圍填海工程后，在岸線與地形變化較為明顯的工程區(qū)域附近，潮流場(chǎng)變化較大，2000 年和2015 年渤海灣內(nèi)最大漲落潮流速差值范圍分別為-0.475耀0.683 m/s 與-0.492耀0.717 m/s，流速變化更大，潮流運(yùn)動(dòng)更劇烈；近岸海域流速有所減小，變化幅度約為0.15 m/s，但在工程區(qū)附近流速增大，增幅可達(dá)0.5 m/s 以上。

工程后渤海灣M2分潮流速變化明顯：深水航道內(nèi)最大流速增大、最小流速減小，潮流運(yùn)動(dòng)形式多為往復(fù)流，但在港區(qū)附近往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流同時(shí)存在，黃驊港區(qū)由于擋沙堤的建設(shè)產(chǎn)生了局地渦旋，導(dǎo)致其附近潮流運(yùn)動(dòng)形式變?yōu)樾D(zhuǎn)流；岬角處由于受到挑流的作用，最大、最小流速都有所增大，導(dǎo)致岬角附近存在被沖刷侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，降低了港區(qū)的穩(wěn)定性；受防波堤掩蔽的海區(qū)及防波堤后方海域，運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主，最大、最小流速均有所減小，泥沙淤積的風(fēng)險(xiǎn)加劇。M2分潮潮流橢圓分布工程前、后也發(fā)生較為明顯的變化：工程前以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主，工程后潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)范圍增加，多發(fā)生在深水航道附近和受防波堤掩蔽的海域中；在工程建設(shè)區(qū)域，圍海工程的修建改變了其最大流速運(yùn)動(dòng)方向，多為與建筑物布置方向、深水航道軸線方向一致，且往復(fù)流的范圍增大。