王誠(chéng)超, 潘國(guó)富, 許雪峰, 陳培雄

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樂(lè)清灣水域納潮量演變分析

王誠(chéng)超1, 2, 潘國(guó)富1, 許雪峰1, 陳培雄1

(1. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012; 2. 舟山市港航管理局, 浙江 舟山 316000)

基于1965年以來(lái)的不同時(shí)期水深地形數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感影像資料, 對(duì)樂(lè)清灣岸線和不同特征值水深所圍水域面積的歷史變化進(jìn)行研究, 根據(jù)GIS技術(shù)計(jì)算樂(lè)清灣近50 年的不同水域面積的演變特征。利用實(shí)測(cè)地形資料和水文數(shù)據(jù)建立樂(lè)清灣海域二維潮流數(shù)學(xué)模型分析樂(lè)清灣水域納潮量的演變情況。結(jié)果表明: (1) 樂(lè)清灣海域納潮量近50 年減少3.16×108m3, 2013年較1965年減少17.69%, 年均遞減速率由0.06×108m3/a增加至近年的1.96×108m3/a; (2) 海灣不同區(qū)域圍填海造成相應(yīng)海區(qū)水域面積的縮減, 但納潮量對(duì)水域面積改變的響應(yīng)程度有顯著差別。內(nèi)灣灘涂圍墾對(duì)樂(lè)清灣不同灣區(qū)納潮量影響十分有限, 外灣圍墾對(duì)納潮量的影響由外灣向內(nèi)灣明顯遞減。漩門(mén)灣二期工程顯著改變樂(lè)清灣的潮流形態(tài), 造成各個(gè)灣區(qū)納潮量均出現(xiàn)大幅度的調(diào)整。本研究可以為海灣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和預(yù)測(cè)海灣的發(fā)展趨勢(shì)提供量化的參考數(shù)據(jù)。

樂(lè)清灣; 水域面積; 納潮量; 演變分析

樂(lè)清灣是一個(gè)與東海相通的半封閉型強(qiáng)潮海灣, 外灣地形相對(duì)開(kāi)闊, 水深自西向東逐漸增大, 西部潮灘寬廣, 東部潮流沖刷槽貫通南北[1](如圖1)。中灣和內(nèi)灣島嶼散落其中, 舌狀潮灘和樹(shù)枝狀潮汐汊道交錯(cuò)分布[2]。灣底地貌總趨勢(shì)保持西北向東南傾斜, 由淺灘向深水槽漸變的格局。以樂(lè)清市的華秋洞和玉環(huán)縣的連嶼為分界線, 南北地形差異較大。此線以北(中灣, 內(nèi)灣)島嶼眾多、水道交錯(cuò), 地形起伏大, 灣底潮汐汊道與舌狀、連島壩狀灘地相間, 水深自南向北減小。此線以南(外灣)水域開(kāi)闊, 水深自西向東逐漸增大, 西部為寬廣的華岐潮灘, 東部發(fā)育有潮流沖刷槽。近50 年為緩解樂(lè)清灣沿岸城市發(fā)展所需的土地資源緊缺問(wèn)題, 對(duì)樂(lè)清灣寬廣的潮灘實(shí)施了大規(guī)模的圍海造地工程。這些圍堤填海和港口建設(shè)工程改變了區(qū)域邊界條件, 納潮量可能會(huì)因潮流形態(tài)的改變產(chǎn)生不同程度的影響。

納潮量是海灣環(huán)境評(píng)價(jià)的重要指標(biāo), 其大小直接影響海灣的水交換能力和污染物質(zhì)的擴(kuò)散輸移, 直接制約著海灣的自凈能力和環(huán)境容量, 對(duì)于維護(hù)海灣特別是半封閉海灣的生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要[3]。有關(guān)河口海灣納潮量的研究和分析成果較多, 如喬貫宇等[4]采用聲學(xué)多普勒海流剖面方法對(duì)膠州灣口進(jìn)行走航觀測(cè), 得到了膠州灣的納潮量; 葉海桃等[5]將灘涂和水域分開(kāi), 計(jì)算了三沙灣的納潮量和水體交換時(shí)間; 陳紅霞等[6]同時(shí)采用海圖和ADCP測(cè)流計(jì)計(jì)算和分析了膠州灣的納潮量; 楊世倫等[7]通過(guò)考慮河口潮灘面積因圍墾而變化的情況, 引進(jìn)納潮量計(jì)算的新公式, 對(duì)膠州灣的納潮量進(jìn)行了重現(xiàn)計(jì)算和分析; 吳隆業(yè)等[8]采用遙感影像資料得到了?？诟鄣乃蛎娣e進(jìn)而計(jì)算了納潮量的變化; 方神光等[9]對(duì)伶仃洋水域面積和岸線的歷史演變進(jìn)行了分析和總結(jié), 并利用遙感資料計(jì)算了過(guò)去近30 年內(nèi)伶仃洋水域面積的演變情況。

有關(guān)樂(lè)清灣的大多數(shù)研究成果集中在與樂(lè)清灣納潮量變化密切相關(guān)的海灣水動(dòng)力、水環(huán)境及水文地貌方面。20世紀(jì)90年代以前的研究主要集中在樂(lè)清灣的潮流特性、水體交換、細(xì)顆粒泥沙沉積作用[10-12],在對(duì)樂(lè)清灣的動(dòng)力環(huán)境與潮汐潮流、泥沙輸移環(huán)境、海洋資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀等方面的研究取得了一系列成果。隨著技術(shù)進(jìn)步和對(duì)生態(tài)環(huán)境、海洋資源的開(kāi)發(fā)利用的重視, 相關(guān)學(xué)者對(duì)樂(lè)清灣的生態(tài)、海洋動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行了深入探討。季小梅等[13]利用3個(gè)年份的歷史海圖資料對(duì)比研究了樂(lè)清灣近期海岸變化, 認(rèn)為近期岸線由于圍墾持續(xù)向海淤進(jìn), 各等深線所圍水域面積不斷減小。李佳[14]建立樂(lè)清灣的潮流數(shù)值模型系統(tǒng)研究了樂(lè)清灣的環(huán)境水力特性, 通過(guò)分析斷面的潮通量較準(zhǔn)確地計(jì)算了海灣的納潮量。單慧潔等[15]利用海岸工程建設(shè)監(jiān)測(cè)資料和數(shù)值模擬方法探討圍填海工程對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境的疊加影響。楊曉東等[16]運(yùn)用機(jī)制分解法將懸沙凈輸移通量分解成多個(gè)動(dòng)力項(xiàng)并討論不同區(qū)域懸沙輸移的時(shí)空分布特征。

圖1 樂(lè)清灣地貌圖

前人對(duì)樂(lè)清灣納潮量的專門(mén)研究成果相對(duì)較少, 已有研究主要限于某一個(gè)特定年份海灣空間幾何條件下的納潮量統(tǒng)計(jì), 從近幾十年較長(zhǎng)時(shí)間尺度和較大空間范圍系統(tǒng)研究樂(lè)清灣的納潮量對(duì)多年海岸工程的響應(yīng)鮮有報(bào)道。本文通過(guò)建立不同年份樂(lè)清灣水域二維水動(dòng)力模型, 探究樂(lè)清灣近50年納潮量的演變規(guī)律。為區(qū)域海洋資源開(kāi)發(fā)利用、港口規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

利用GIS軟件對(duì)1965、1988、2005 年3個(gè)年份的海圖進(jìn)行數(shù)字化, 并與2013年實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)和參考基準(zhǔn)面的統(tǒng)一校準(zhǔn), 獲取樂(lè)清灣近50年不同時(shí)期的水深地形數(shù)據(jù)。結(jié)合1988、2005、2013 年衛(wèi)星遙感影像資料, 提取樂(lè)清灣歷史岸線并計(jì)算樂(lè)清灣不同水深所圍水域面積。根據(jù)獲得的歷史水深和圍填海數(shù)據(jù), 構(gòu)建4個(gè)年份的二維潮流數(shù)值模型, 通過(guò)計(jì)算不同海區(qū)的納潮量, 系統(tǒng)地分析樂(lè)清灣不同時(shí)期納潮量的變化過(guò)程, 探究圍填海活動(dòng)對(duì)納潮量演變的影響。

1.1 納潮量計(jì)算方法

通常情況下, 納潮量是指平均潮差條件下一個(gè)海灣可以容納的海水量。傳統(tǒng)的納潮量計(jì)算一般采用的公式為[6, 17]:

=??

式中,為平均潮差條件下的納潮量; ?為平均潮差; ?為平均水域面積(即平均高低潮位所對(duì)應(yīng)水域面積的均值), 平均潮差可根據(jù)驗(yàn)潮站的多年實(shí)測(cè)資料求得。該計(jì)算方法簡(jiǎn)單, 計(jì)算結(jié)果較為一致。但是?的計(jì)算比較復(fù)雜。海圖上一般只標(biāo)示0 m線(理論最低潮面)和岸線(相當(dāng)于最大高潮線), 位于兩者之間的平均高潮線和平均低潮線需通過(guò)地形推算求出。

對(duì)于灣內(nèi)島嶼交錯(cuò)、岸線曲折、潮灘寬廣的海域由于地形變化較快, 潮水漫灘歸槽使潮差在海灣不同區(qū)域差別較明顯, 納潮量變化的計(jì)算誤差較大。本文基于樂(lè)清灣復(fù)雜的地貌特征, 采用不同時(shí)期的地形數(shù)據(jù)和岸線資料, 基于建立的樂(lè)清灣二維潮流數(shù)學(xué)模型, 通過(guò)設(shè)置特征斷面來(lái)統(tǒng)計(jì)樂(lè)清灣的納潮量。對(duì)潮差隨空間變幅明顯、流態(tài)多變的海灣具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。因工程建設(shè)產(chǎn)生的納潮量改變, 用該方法的計(jì)算結(jié)果可以更好地對(duì)比因不同圍填海等海岸工程對(duì)納潮量的影響。

1.2 數(shù)學(xué)模型

運(yùn)用二維潮波運(yùn)動(dòng)方程建立正交曲線坐標(biāo)系下沿水深平均的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型, 根據(jù)Boussinnesq假定、靜水壓強(qiáng)假定建立樂(lè)清灣水域的二維水動(dòng)力模型如下[18-19]:

沿水深積分的連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

1.3 模型初始及邊界條件

初始條件:

邊界條件:

開(kāi)邊界: 邊界上主要參考了石塘港、北麂、南麂和琵琶4個(gè)潮位站的長(zhǎng)期觀測(cè)資料, 站位如圖2所示。采用水位控制, 即用潮位預(yù)報(bào)的方法得到開(kāi)邊界條件。

圖2 樂(lè)清灣模型網(wǎng)格邊界

開(kāi)邊界采用潮位預(yù)報(bào)邊界條件:

調(diào)和常數(shù)選用11個(gè)分潮, 其中日分潮4個(gè)(Q1, O1, P1, K1), 半日分潮4個(gè)(N2, M2, S2, K2), 淺水分潮3個(gè)(M4, MS4, M6)。分潮調(diào)和常數(shù)取自邊界附近潮位站, 參考同潮圖, 根據(jù)模型邊界與長(zhǎng)期驗(yàn)潮站的距離關(guān)系對(duì)調(diào)和常數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后用于模型。

閉邊界: 在閉邊界取流速的法向?qū)?shù)為零, 在潮灘區(qū)采用漫灘邊界處理。

2 樂(lè)清灣特征水深所圍水域面積變化

2.1 納潮水域面積演變

對(duì)1965—2005 年的海圖和2013年的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)及1988、2005、2013 年衛(wèi)星遙感影像資料綜合分析, 顯示: 近50 年樂(lè)清灣各等深線所圍水域面積持續(xù)減小。20世紀(jì)80年代初至21世紀(jì)初期, 由于圍塘造陸使岸線向海推進(jìn)加速, 外灣西部的華岐潮灘岸線外推速率明顯增大。

通過(guò)對(duì)樂(lè)清灣潮灘演變進(jìn)行詳細(xì)的分析, 得出不同水深圍成水域面積的變化狀況。結(jié)果如表1、表2所示: (1)1965—1988年, 樂(lè)清灣0 m以上灘涂(岸線至理論最低潮面)的面積減小45.11 km2, 年均減速1.96 km2/a。0~2 m灘涂水域面積減小0.76 km2, 年均減速0.03 km2/a。2~5 m灘涂水域面積減小1.94 km2, 年均減速0.08 km2/a。樂(lè)清灣5 m水深水道潮溝所圍水域面積23年僅減小0.89 km2, 占總水域面積的25%, 表明潮汐通道的動(dòng)力沉積環(huán)境處于相對(duì)平衡狀態(tài), 漩門(mén)灣的堵港工程并未對(duì)潮汐主通道的沉積動(dòng)力產(chǎn)生明顯影響;淺灘深槽水域面積在近23年減小幅度較小, 海灣平面形態(tài)和整體地形地貌除因個(gè)別工程影響產(chǎn)生局部調(diào)整外未現(xiàn)大范圍變化。(2)1988—2005年, 樂(lè)清灣0 m以上灘涂(岸線至理論最低潮面)的面積減小了23.28 km2, 年均減速1.37 km2/a。0~2 m灘涂水域面積減小6.11 km2, 年均減速0.36 km2/a。2~5 m灘涂水域面積減小7.87 km2, 年均減速0.46 km2/a。樂(lè)清灣5 m水以下水道潮溝所圍水域面積17年減小19.30 km2, 占總水域面積的24%; 不同水深所圍水域面積均出現(xiàn)不同程度減小, 淺灘由于漩門(mén)二期筑堤蓄淡對(duì)中灣的動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生顯著改變而出現(xiàn)面積大幅消減; (3)2005—2013年樂(lè)清灣0 m以上灘涂(岸線至理論最低潮面)的面積減小了32.31 km2, 年均減速4.04 km2/a。0~2 m灘涂水域面積減小0.09 km2, 年均減速0.01 km2/a。2~5 m灘涂水域面積減小4.79 km2, 年均減速0.59 km2/a。樂(lè)清灣5 m以下水道潮溝所圍水域面積8 年增加0.98 km2, 占總水域面積的26%。樂(lè)清灣外灣西北側(cè)的華岐潮灘圍海造陸使淺灘面積減小, 但0 m以下不同水深所圍水域面積卻因束水集流作用有擴(kuò)大趨勢(shì), 深槽不同程度朝深寬方向發(fā)展, 深槽的泥沙輸運(yùn)能力提高。

表1 不同特征值水深所圍水域面積

Tab.1 Water areas enclosed by different depth of eigenvalues

注: “[”表示大于等于, “]”表示小于等于, “(”表示大于, “)”表示小于, 表2同

表2 特征值水深所圍水域面積變化

Tab.2 Change value of water areas enclosed by different depth of eigenvalue

2.2 樂(lè)清灣岸線演變

樂(lè)清灣絕大部分為基巖質(zhì)岸線, 在內(nèi)灣的東部、頂部和外灣的北部分布有寬廣的淤泥質(zhì)潮灘。海灣近50年處于弱動(dòng)力沉積環(huán)境中, 基巖海岸抗侵蝕性強(qiáng), 泥沙在灣內(nèi)的懸浮與落淤處于相對(duì)平衡狀態(tài), 岸線在自然條件下未現(xiàn)明顯變化。但近幾十年來(lái), 人工圍塘促淤、圍海造陸工程顯著改變了海灣的動(dòng)力條件和岸線演變速率。根據(jù)歷年海圖和遙感影像資料做出了1965—2013年樂(lè)清灣海域的水域面積變化(圖3), 水域面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。分析表明: (1)由于近50 年圍海造地工程, 特別是漩門(mén)二期和華岐潮灘圍墾, 整個(gè)樂(lè)清灣水域面積減小約141.47 km2, 年均減小速率2.95 km2/a。(2)樂(lè)清灣圍堤具有明顯的階段性特征, 1965—1988年, 海灣開(kāi)發(fā)處于低頻率狀態(tài), 23 年水域面積減小48.71 km2, 占近50 年總圍墾面積的34.43%, 水域面積年均減小速率2.44 km2/a。1988年后海洋開(kāi)發(fā)速率加快, 圍填海工程加速實(shí)施。1988—2005年圍墾面積56.55km2, 水域面積年均減小速率2.83 km2/a, 占總圍墾面積的39.97%, 漩門(mén)二期圍堤的修建使海灣水域面積減小, 對(duì)海灣動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生明顯改變。2005年后, 出于海灣保護(hù)的慎重考慮, 對(duì)樂(lè)清灣的圍墾活動(dòng)主要集中在外灣的西北部的華岐潮灘。2005—2013年的8 年圍墾總面積36.21 km2, 水域面積年均減小速率3.62 km2/a。(3)近50 年,位于外灣西北側(cè)的華岐潮灘圍區(qū)的圍墾總面積約48.33 km2, 占樂(lè)清灣總圍墾水域面積的34.08%; 漩門(mén)二期的圍墾面積約36.32 km2, 占樂(lè)清灣總圍墾水域面積的25.61%。位于樂(lè)清灣內(nèi)灣寬廣潮灘之上的圍墾面積約為43.52 km2, 占樂(lè)清灣總圍墾水域面積的30.68%, 且1965—1988年圍墾面積占內(nèi)灣總圍墾面積的86.83%。分析表明1988—2013年樂(lè)清灣的圍墾區(qū)域主要集于外灣西北側(cè)的華岐潮灘的近岸水域。

圖3 歷年圍墾面積變化

表3 樂(lè)清灣不同時(shí)期水域面積變化

Tab.3 Change of reclamation area of the Yueqing Bay in different periods

注: 負(fù)號(hào)表示減少, 下同

綜合以上分析, 樂(lè)清灣岸線在自然沖淤動(dòng)力條件下相對(duì)較穩(wěn)定, 但近幾十年人類岸線開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)已對(duì)水域面積產(chǎn)生直接影響。近50 年, 樂(lè)清灣海域面積減小約141 km2。1988年前圍墾集中于內(nèi)灣; 1988—2005年主要有華岐潮灘圍墾和漩門(mén)灣二期工程, 僅漩門(mén)灣筑堤蓄淡工程就使樂(lè)清灣水域面積縮小7%; 2005年后圍墾區(qū)域集中在外灣西北部的近岸潮灘區(qū)域, 這期間中灣、內(nèi)灣圍填海工程受到嚴(yán)格限制, 只出現(xiàn)小規(guī)模圍墾工程, 灣內(nèi)島嶼因處于較嚴(yán)格保護(hù)狀態(tài)中而未有較大規(guī)模的圍海擴(kuò)建工程。

3 樂(lè)清灣數(shù)值模型

3.1 模型計(jì)算水域

樂(lè)清灣水域數(shù)值計(jì)算范圍如圖2所示, 東西向距離約45 km, 南北距離約125 km。整個(gè)計(jì)算水域包括樂(lè)清灣、隘頑灣、漩門(mén)灣、溫州灣、甌江口等。上邊界至石塘鎮(zhèn); 下邊界分別為飛云江口南岸、南麂列島。東邊界達(dá)牛山島、披山島、洞頭列島、北麂列島20 m水深水域。東邊界始于甌江、飛云江。采用局部加密的曲線正交網(wǎng)格劃分研究區(qū)域, 樂(lè)清灣區(qū)域網(wǎng)格尺度控制在100 m左右, 最大網(wǎng)格步長(zhǎng)達(dá)1 000 m左右。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取1 min。

3.2 模型驗(yàn)證

本文采用樂(lè)清灣水域同步的實(shí)測(cè)潮位和潮流觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證(站位如圖4)。本模型選取樂(lè)清灣頂部的江夏驗(yàn)潮站W(wǎng)1、茅埏島驗(yàn)潮站W(wǎng)2、中灣西部的悅海臨時(shí)潮位站W(wǎng)3、連嶼驗(yàn)潮站W(wǎng)4和小門(mén)島驗(yàn)潮站W(wǎng)5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型潮位進(jìn)行驗(yàn)證; 選取6條水文測(cè)驗(yàn)垂線對(duì)樂(lè)清灣的大、中、小潮潮流進(jìn)行驗(yàn)證。各點(diǎn)計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)潮位擬合較好, 高低潮位誤差一般在±15 cm以內(nèi), 相對(duì)誤差在5%以內(nèi), 計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)潮位相位基本一致。計(jì)算流速與實(shí)測(cè)資料相位一致, 漲落急流速和流速變化過(guò)程較為一致, 相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi), 流向的擬合亦較好, 無(wú)論漲潮還是落潮與實(shí)測(cè)值相比, 差值一般在10%以內(nèi)。限于篇幅, 本文僅列出C3站大潮向速流速和W2站的潮位過(guò)程線驗(yàn)證結(jié)果(如圖5、圖6)?？傮w而言, 潮位與潮流的計(jì)算結(jié)果較為滿意, 說(shuō)明模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置是準(zhǔn)確、合理的, 所構(gòu)建的潮流模型是準(zhǔn)確可靠的, 可以用于樂(lè)清灣海區(qū)不同納潮量演變的歷史分析及預(yù)測(cè)。

圖4 模型觀測(cè)站位

圖5 C3站大潮流向、流速驗(yàn)證

Fig.5 Verification of tidal direction and flow speed in the C3 location

圖6 W4站潮位過(guò)程驗(yàn)證

4 樂(lè)清灣納潮量演變分析

4.1 納潮量斷面布設(shè)

根據(jù)樂(lè)清灣地貌特征, 在所建立的數(shù)學(xué)模型中設(shè)置特征觀測(cè)斷面, 統(tǒng)計(jì)樂(lè)清灣不同水域的范圍不同時(shí)刻的潮流通量, 分析該水域在一個(gè)潮周期內(nèi)的納潮量。因此, 本研究在樂(lè)清灣全域分別布設(shè)了4個(gè)特征潮量觀測(cè)斷面, 分別為樂(lè)清灣口門(mén)斷面、外灣與中灣分界的打水灣-連嶼斷面、內(nèi)灣與中灣分界的茅埏島-分水山斷面和東山頭-茅埏島斷面(如圖4)。

4.2 不同時(shí)期納潮量比較分析

通過(guò)建立的樂(lè)清灣二維潮流數(shù)學(xué)模型, 對(duì)不同時(shí)期的的一個(gè)潮周期進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)樂(lè)清灣不同歷史時(shí)期各個(gè)斷面的納潮量變化進(jìn)行比較分析, 特征值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

1) 樂(lè)清灣總納潮量在近50 年減小3.16×108m3, 減少了17.69%。1965—1988年間納潮量減小0.01× 108m3, 1988—2005年間納潮量減小1.21×108m3, 2005—2013年納潮量減小1.96×108m3。納潮量分別減少了0.06%、6.79%、11.75%。三個(gè)時(shí)期的樂(lè)清灣水域面積分別減少了9.46%、12.13%、8.8%。由此可見(jiàn), 納潮量減少比例與樂(lè)清灣水域面積同期減小比例并不具有一致性, 而與圍墾區(qū)域的布局密切相關(guān)。

表4 樂(lè)清灣不同時(shí)期納潮量

Tab.4 tide volume of the Yueqing Bay at different years

表5 樂(lè)清灣不同時(shí)期納潮量變化

Tab.5 Variation of the tide volume of the Yueqing Bay in different periods

2) 近50 年由于海灣內(nèi)各種海岸工程的修建, 改變了海灣的邊界條件。內(nèi)、中、外海域的納潮量分配比例有較大調(diào)整。內(nèi)灣納潮量由1965年的5.43× 108m3減少至2013年的4.40×108m3, 減少了19.00%。除1988—2005年納潮量減少1.14×108m3, 其他各個(gè)時(shí)期納潮量有不到0.1×108m3微小幅度的增加, 這主要是由于1999—2001年漩門(mén)灣二期工程的圍填海工程對(duì)樂(lè)清灣水動(dòng)力產(chǎn)生非常明顯的影響, 漩門(mén)灣二期圍堤顯著改變了經(jīng)中灣上溯的潮流流態(tài), 納潮量由于內(nèi)灣水域面積的大幅縮減而大幅度減少。其他時(shí)期內(nèi)灣水域動(dòng)力條件相對(duì)穩(wěn)定。中灣納潮量由1965年的3.53×108m3減小至2013年的3.16×108m3, 減少了10.59%, 僅1988—2005年納潮量減少量占近50 年總減少量的85%, 模擬結(jié)果顯示漩門(mén)灣二期圍堤改變潮流流態(tài)。2005年后中灣納潮量處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài), 呈小幅度減少趨勢(shì)。外灣水域開(kāi)闊, 納潮量受西北部近岸圍墾工程影響呈現(xiàn)明顯的階段性。外灣納潮量1965—2013年減小1.75× 108m3, 2013年相較1965年減少19.72%, 表現(xiàn)為先減小再增加最后又大幅度減小的變化過(guò)程。僅2005—2013年的8 年減少幅值就達(dá)1.89×108m3, 而1988—2005年間由于漩門(mén)灣二期圍堤阻滯潮流上溯, 外灣潮差增大, 導(dǎo)致納潮量有0.25×108m3的小量增加。

3) 各個(gè)時(shí)期樂(lè)清灣不同水域占整個(gè)灣區(qū)納潮量的百分比也出現(xiàn)明顯的階段性改變(表6所示), 這主要是由于不同時(shí)期海灣內(nèi)海岸工程的布局不同所致。內(nèi)灣分配潮量基本維持在31.37%~31.80%, 漩門(mén)灣二期工程導(dǎo)致2005年內(nèi)灣潮量占比減少至26.54%; 中灣則由1965年的20.05%增加至2013年的23.40%, 期間由于漩門(mén)灣二期工程縮窄水道造成2005年的潮量占比減少至19.96%; 外灣分配納潮的變化幅度明顯大于其他灣區(qū), 由1965—1988年的約48.5%增加至2005年的53.50%, 之后減少為2013年的45.03%。上述結(jié)果表明漩門(mén)灣二期和華岐潮灘圍涂工程顯著改變了樂(lè)清灣的潮流動(dòng)力和潮量分配狀況。

表6 不同海域潮量占總水域潮量的比例

Tab.6 The ratio of tide to tidal volume in different waters

4) 中灣通向內(nèi)灣的茅埏島東西兩側(cè)水道潮量分配比例有略微調(diào)整, 具體變化見(jiàn)表7。東側(cè)的茅埏島-分水山水道分配的潮量由1965年40.24%增加至2013年的40.99%。期間東側(cè)水道的潮通量呈小幅度減小, 之后由于漩門(mén)灣二期工程海堤有向北挑流作用及外灣西北部的圍墾工程造成西側(cè)潮流通量減小, 潮流向東側(cè)水道集中, 導(dǎo)致東側(cè)水道分潮比由40.24%持續(xù)增加至40.99%。

5) 不同灣區(qū)圍墾量對(duì)納潮量的影響程度差異較大, 數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表8。1965—1988年內(nèi)灣圍墾面積37 km2, 占同時(shí)期全灣總圍墾面積的76%, 但內(nèi)灣、中灣納潮量卻基本未變化, 外灣有少量減小。1988~ 2005年間, 內(nèi)灣區(qū)域由于漩門(mén)灣二期工程的顯著影響, 造成內(nèi)灣水域面積減少41 km2, 占同期水域面積減少量的73%, 內(nèi)灣納潮量的減少量也占同期納潮量減少量的67%。中灣也出現(xiàn)一定程度的減少, 但外灣卻有0.25×108m3的潮量增加, 占變化潮量的14%。2005—2013年, 圍墾區(qū)域集中在外灣的西北部潮灘, 圍墾面積占同期總圍墾量的89%, 外灣納潮量減少量亦占同期變化量的96%, 中灣有小幅度減少, 但內(nèi)灣納潮量基本未變。

表7 茅埏島東、西兩側(cè)水道潮通量

Tab.7 The tidal fluxes in the east and west of the Maoyan Island

表8 不同灣區(qū)圍墾面積與納潮量變化對(duì)比

Tab.8 Comparison of reclamation area and tide variation in different area

上述分析表明, 樂(lè)清灣近50 年的海灣幾何形態(tài)和地貌演變?cè)斐稍摵^(qū)納潮量減小3.16×108m3。2013年較1965年減少17.69%。灣內(nèi)不同海區(qū)分配的潮量比例在不同時(shí)期有較大調(diào)整, 不同海區(qū)潮量變化值和變化率差別明顯。在整個(gè)樂(lè)清灣海域納潮量顯著減小的情況下, 中灣納潮量總體變化不大。內(nèi)灣和外灣由于大規(guī)模圍墾工程造成相關(guān)海域水域面積出現(xiàn)大幅度變化而對(duì)納潮量產(chǎn)生較大影響。內(nèi)灣1988年前的潮灘大規(guī)模圍墾對(duì)整個(gè)海灣的納潮量影響并不顯著。但之后漩門(mén)灣二期圍堤對(duì)中灣、內(nèi)灣的潮流場(chǎng)改變明顯, 縮減了內(nèi)灣水域面積, 減小內(nèi)灣、中灣的納潮量但卻增加了外灣的納潮量。2005—2013年外灣西北部潮灘的大規(guī)模圍填海工程對(duì)外灣納潮量影響明顯, 期間外灣納潮量減小1.89×108m3, 甚至大于近50 年來(lái)的總減小幅度1.75×108m3, 但對(duì)內(nèi)灣影響較小, 內(nèi)灣納潮量基本未變。外灣圍填海工程造成中灣納潮量有2.37%的減少, 內(nèi)灣納潮量甚至有0.14%微小幅度的增加。位于內(nèi)灣的漩門(mén)灣二期海堤的修建改變了潮流流路, 流向楚門(mén)灣海域的一股潮流通道直接被阻斷, 從外灣上溯的潮流由于堤壩的挑流作用使中灣流速增加, 但流經(jīng)茅埏島東西兩側(cè)水道的潮量變化只是發(fā)生微小調(diào)整, 東側(cè)水道潮通量略有增加。

5 結(jié)論

樂(lè)清灣水域近50年來(lái)由于圍海造地等海灣開(kāi)發(fā)利用活動(dòng), 水文動(dòng)力及地貌形態(tài)發(fā)生不同程度改變。為探究樂(lè)清灣海域納潮量對(duì)海灣建設(shè)的響應(yīng), 本文基于實(shí)測(cè)水文資料、歷史地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像, 采用數(shù)值模擬方法對(duì)樂(lè)清灣海區(qū)納潮量演變情況進(jìn)行分析和探討。通過(guò)對(duì)不同年份的地貌形態(tài)與納潮量變化的對(duì)比研究, 總結(jié)如下:

1) 數(shù)值模擬結(jié)果顯示樂(lè)清灣海域納潮量近50年減小3.16×108m3, 納潮量減少17.69%。隨著海灣開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)加速, 樂(lè)清灣海域納潮量減少速率加快, 變化速率由0.06×108m3/a遞增為近年的1.96×108m3/a。

2) 樂(lè)清灣海域內(nèi)、中、外灣三個(gè)灣區(qū)的納潮量調(diào)整差別較大, 且具有較大的階段性特征。內(nèi)灣在1988—2005年納潮量減少20.62%, 其他時(shí)段潮量改變比例小于2%, 特別在2005—2013年, 內(nèi)灣納潮量有微小幅度的增加; 中灣納潮量經(jīng)歷了一個(gè)小幅增加—大幅減小—小幅減小的過(guò)程, 1988—2005年納潮量有8.92%的減小, 其他時(shí)段變化幅度小于2.5%。外灣納潮量很大程度受制于外灣西北部潮灘圍墾狀況的影響, 2005年前各時(shí)段納潮量變化幅度控制在3%以內(nèi), 2005—2013年外灣納潮量劇烈改變, 減少了20.91%。

3) 內(nèi)、中、外灣納潮量約占總納潮量的30%、20%、50%左右, 不同水域納潮量占比在不同時(shí)期有一定程度的調(diào)整。1988—2005年潮量分配發(fā)生明顯改變, 外灣調(diào)整幅度最大, 中灣最小, 內(nèi)灣幅度次之。內(nèi)灣潮灘圍墾對(duì)樂(lè)清灣各個(gè)灣區(qū)納潮量影響較小, 外灣圍墾對(duì)內(nèi)灣、中灣影響亦較小。

4) 由于漩門(mén)灣二期圍堤的修建阻斷了向楚門(mén)灣漫灘的潮量, 部分潮流由于堤壩的挑流作用進(jìn)入茅埏島東側(cè)水道, 但茅埏島東西兩側(cè)潮量分配比例并未出現(xiàn)明顯調(diào)整, 東側(cè)潮通量只是微小幅度改變, 分潮比由40.24%增加至40.99%。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Analysis of evolution of tidal prism of the Yueqing Bay

WANG Cheng-chao1, 2, PAN Guo-fu1, XU Xue-feng1, CHEN Pei-xiong1

(1. Key Laboratory of Engineering Oceanography, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China; 2. Zhoushan Port Administration, Zhoushan 316000, China)

In this study, we investigated the historical change conditions along the Yueqing coastline and the different characteristic water depths around the area. Based on the topographical data of different periods and satellite remote sensing image data since 1965, we accurately calculated the evolution characteristics of different water areas over these 50 years. Also, using actual measured topographical and hydrological data, we developed a two-dimensional tidal mathematical model of the Yueqing Bay to analyze the evolutionary changes in the tidal volume. The results reveal that: (1) The tidal volume in the Yueqing Bay has decreased by 3.16 × 108m3over the past 50 years. Compared with the tidal volume in 1965, the tidal volume of 2013 shows it to have decreased by 17.69%. The average annual decline rate has changed from 0.06 × 108m3/a to the current 1.96 × 108m3/a. (2) Enclosing and reclamation processes in different areas have shown some impact on the reduction of the sea water area, but the tidal volume impact is significant. The inner enclosing impact has been small whereas the outer enclosing impact has obviously diminished from inside the bay to the inner bay. The second phase of the Xuanmen Bay has had a great impact on changes in the Yueqing Bay’s tidal status, and has greatly affected the tidal volumes in all bays in the area. As demonstrated in this study, it is possible to provide quantitative reference data for the ecological environment protection of the bay and to forecast the development trend of the gulf by exploring the mutual responses of the change in the tidal volume and the reclamation activity in the Yueqing Bay.

the Yueqing Bay; water area; tidal prism; evolution analysis

[Provincial Natural Science Foundation of Zhejiang, No. LY13D06000]

Oct. 19, 2016

TV148.2 ; X55

A

1000-3096(2017)08-0076-10

10.11759/hykx20161019001

2016-10-19;

2016-12-14

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13D060003)

王誠(chéng)超(1990-), 男, 江西撫州人, 碩士研究生, 主要從事河口海岸過(guò)程及工程運(yùn)用研究, 電話: 18258874206, E-mail: 1059453335@qq.com