海湾是连接陆地与海洋的纽带, 海陆物质输运、能量交换等过程都在此发生。沿海地区通常是人口众多、经济较为发达的地区。近年来, 随着经济的飞速发展和人口的快速增长, 土地资源短缺的问题油然而生, 围海造地成为了解决这一问题的方案之一。围填海对于海湾的影响通常是深远的、不可逆的。因此, 准确评估围填海的海洋环境影响对于海洋管理和生态环境的保护是十分重要的。

钦州湾位于广西壮族自治区南部, 是中国南海北部湾的一个重要海湾, 它由内湾(茅尾海)和外湾组成, 茅尾海北面有钦江与茅玲江注入, 外湾直接与北部湾相通。湾内纵深约为39 km, 湾口宽约29 km, 滩涂面积为200 km²左右, 总体为中间狭窄, 两端宽阔, 东、西、北被山丘环绕, 是一个天然的半封闭海湾。

由于经济发展需要, 钦州湾的大部分自然岸线已被人为改变, 湾内存在大面积的围填海项目, 原有的自然环境已被破坏。前人对钦州湾内围填海所造成的海洋环境影响进行了研究: 游慕贤等(2009)、孙永根等(2012)分析了钦州保税港区围填对邻近海域水动力环境的影响, 认为该区域围填不会产生较大影响, 钦州湾纳潮量减小仅为2%; 地形岸线变化下海洋工程使得湾内水体半交换周期增加(董德信等, 2014), 纳潮量减小(牙韩争等, 2017), 局部流场变化较大, 外湾冲淤环境显著改变且有利于航道稳定(Wang et al, 2014; 董德信等, 2015); 郭雅琼等(2016)、李逸聪等(2017)认为湾口围填海项目对茅尾海内部影响不大; 根据不同年代岸线条件发现钦州湾水交换能力下降(蒋磊明等, 2009; 陈振华等, 2017), 污染物扩散能力减弱(牙韩争等, 2018)。

前人研究主要集中在某一围填海工程对钦州湾水动力条件的影响或对某一局部的影响, 缺少对钦州湾整体围填海工程及其累积效应对钦州湾水动力的影响研究。本文基于无结构网格有限体积海洋模型(finite-volume community ocean model, FVCOM), 采用了钦州湾2004和2019年两个历史时期的岸线及水深数据, 构建了两套高分辨率的三维数值模型来探究近15年来围填海对钦州湾水动力环境的累积影响, 为钦州湾的开发管理与生态修复提供理论依据。

1 钦州湾岸线与水深变化 1.1 海域面积变化

利用海图与卫星图像, 确定了2004年和2019年两个典型年份的海岸线, 并利用Arcgis软件的测绘功能, 对海湾面积和岸线长度进行了识别与统计。统计得到2004年钦州湾(含茅尾海)面积约为467.93 km², 岸线长度约为326.8 km。至2019年围填海导致钦州湾面积缩减为429.03 km², 岸线长度为412.1 km; 其中主要工程为保税港区、三墩公路的围填以及防城港核电一期排水渠的建立。15 a间, 钦州湾海域面积减少了约8.3% (38.90 km²), 共约82.3 km岸线发生改变: 由围填海工程形成的人工岸线约为114.8 km, 损失的自然岸线约为29.5 km。

1.2 水深变化

图 1展示了2004年与2019年钦州湾的水深图, 其中水深数据来自于2004年与2019年的钦州湾地区海图数据。2004年钦州湾外湾自西向东存在3条水道, 其中西侧水道水深最大, 可达约15 m; 其次为东侧水道, 中部水道最浅, 并且在湾口处与东侧水道相汇合。与2004年相比, 2019年钦州湾水深发生了较为明显的变化。其中, 由于冲淤等原因导致中部水道消失是两者差异最为明显的地方。除此之外, 东侧水道有所加深, 在保税港区与三墩公路之间水深变浅, 原中西水道之间的浅滩消失, 金鼓江河道水深加深; 西岸核电一期西侧处, 由于排水渠的建立, 水深较2004年有所增加; 在龙门水道中段和与茅尾海相连的入口处, 水道有所加深。茅尾海内部水深变化较小。

2 模型建立与验证 2.1 水动力模型配置

钦州湾区域岸线复杂, 岛屿众多, 为了更好的拟合钦州湾的岸线, 采用了非结构网格有限体积海洋模型FVCOM(Chen et al, 2003)。该模式水平方向上采用三角形非结构网格, 垂直方向上使用σ坐标, 用Mellor-Yamada 2.5阶紊流模型进行物理和数学上的封闭; 有限体积法能够保证动量守恒。本文采用三维正压模型, 分别对钦州湾地区2004年和2019年两个历史时期进行水动力数值模拟。

模型计算区域为108.22°-109.17°E, 21.00°-21.93°N, 将模型的开边界设置在距离足够远的外海, 避免出现因开边界距离围填海区域太近而使结果出现偏差的情况, 其西侧设置为防城港的白龙半岛, 东侧为北海市南部。模型分辨率在开边界处为5 km, 而到钦州湾区域达到200 m左右。为了更好地探究围填海对周围环境水动力的影响, 2019年模型在主要围填海工程处进行网格加密, 分辨率达到100 m左右, 其中最小分辨率为50 m; 同时2004年模型在对应位置处与2019年保持相同的分辨率(图 2)。两套模型除在围填海区域有所差别外, 其余区域的网格完全一致, 这样可以减少由于网格差异所带来的影响。模型计算外模态和内模态时间步长分别为1 s和3 s, 由此可满足CFL数值稳定性准则。2004年模型水平上有118 010个三角网格和61 692个节点; 2019年模型有107 090个三角网格和56 791个节点; 垂向分为11层。

模型采用4个半日分潮(M₂、S₂、N₂、K₂)、4个全日分潮(K₁、O₁、P₁、Q₁)和3个浅水分潮(M₄、MS₄、MN₄)驱动。首先, 选取TOPEX/POSEIDON global tidal model(TPXO9)数据(Egbert et al, 2002)插值得到开边界潮汐调和常数, 然后利用t-tide工具包(Pawlowicz et al, 2002)进行水位后报, 得到开边界水位驱动。模型采用冷启动的方式, 在运行1个月达到稳定状态后再运行2个月进行水动力分析。模型不考虑温盐变化, 将温度和盐度分别设置为25℃和30, 也没有考虑风和径流带来的影响。

2.2 模型验证

2004年模型验证资料包括3个潮位站和3个海流站, 2019年模型验证资料包括2个潮位站和2个海流站。由于篇幅限制, 文中仅展示部分验证结果。其中, 鹰岭验潮站观测时间为2003年7月6日12时至8月6日12时, 采样间隔为1小时, 仪器采用AANDERAA WLR7型水位计。对该站月潮位数据进行调和分析, 得到主要天文分潮的振幅和迟角, 采用Δr(Song et al, 2013)作为潮汐模拟结果的评价指标:

其中, a_o、g_o代表观测的分潮振幅和迟角, a_m、g_m代表模拟的分潮振幅和迟角; 一般认为Δr < 10%为模拟较好。计算结果位于表 1中, 可见钦州湾主要分潮为K₁、O₁, 并且各分潮振幅和迟角模拟较好。

用于验证的海流数据为26 h连续观测, 满足一个潮周期内潮流曲线闭合, 测量海流采用RCM-9自容式海流计、SLC9-2型直读式海流计。2004年模型验证选取大潮时期2003年7月13日09时至7月14日11时进行验证; 2019年模型则选取大潮时期2019年9月27日12时至9月28日13时进行验证。部分结果如图 3所示, 同时引入了model skill score方法(Allen et al, 2007)对模拟结果进行评价(表 2):

其中, S_S为评价指标; N为数据长度; X_mod为模型数据; X_obs为观测数据。S_S＞0.65为非常好, 0.5＜S_S＜0.65为较好, 0.2＜S_S＜0.5为好, S_S＜0.2为较差。因模型中只考虑了潮动力的因素, 无法刻画风、径流、密度流等其他因素带来的影响, 难免有所偏差, 但可以看出在大部分时刻, 流速与流向模拟较好、趋势相当, 且S_S大部分结果为非常好, 说明模型能够再现钦州湾的流场特征。

总体上看, 验证结果的误差都在可接受范围之内, 说明两套模型采用的岸线、水深数据能够重现实际情况中的水动力特征, 可以采用模型结果对钦州湾的水动力环境进行分析。为分析围填海导致的水深、岸线改变对钦州湾水动力的影响, 两套模型均采用相同的开边界条件, 即两套模型除岸线、水深不同之外, 其余均采用相同的配置。

3 模型结果 3.1 围填海累积效应对潮汐的影响

对模型结果进行调和分析得到调和常数, 结果如图 4所示。钦州湾为全日潮占优海区, 以K₁和O₁全日分潮为主, 半日分潮M₂和S₂(0.02-0.08 m, 未展示)量级显著小于全日分潮。2004年钦州湾K₁、O₁振幅分别在0.78-0.92 m与0.86-0.96 m之间, 而M₂振幅在0.30-0.40 m之间。经过15 a大规模围填海后, 2019年钦州湾K₁、O₁和M₂振幅分别为0.83-0.90、0.89-0.95和0.30-0.40 m。

相比于2004年情景, 2019年钦州湾外湾K₁分潮振幅减小1-2 cm左右, 茅尾海内K₁分潮增加约2-3 cm; O₁分潮与K₁变化相似, 外湾振幅相较于2004年减小了1-2 cm, 茅尾海内增加了2-3 cm; M₂分潮振幅减小了3 cm左右, 在茅尾海内略有增加; 全日潮K₁、O₁振幅在金鼓江区域增加, 在鹿耳环江处减小, 而半日分潮M₂表现出相反的趋势。与2004年相较, K₁、O₁、M₂分潮迟角都表现为钦州湾外湾增大, 在茅尾海内减小。全日潮(K₁、O₁)在茅尾海内变化幅度相对较大, 而半日潮(M₂)在龙门水道和外湾处变化相对较大。

钦州湾地区落潮流流速明显大于涨潮流流速, 属于落潮占优地区, 在日潮海区, 潮汐不对称主要来自K₁、O₁和M₂的相互作用, 其潮汐不对称强弱可用偏度γ衡量(Song et al, 2011), γ可表示为:

其中(a₁、a₂、a₃)、(w₁、w₂、w₃)和(φ₁、φ₂、φ₃)分别对应K₁、O₁和M₂分潮的振幅、频率和迟角, γ < 0代表涨潮时间长, 落潮流速大, 落潮占优; γ > 0代表落潮时间长, 涨潮流速大, 涨潮占优。钦州湾海域γ的分布结果如图 5所示, 其中外湾区域γ为-0.4—-0.5左右, 落潮占优明显; 在茅尾海处及外湾浅滩处逐渐由落潮占优转变为涨潮占优, 这是由于浅滩处水深较浅, 底摩擦增强所导致的。2019年钦州湾整体落潮占优的性质更为明显, 围填海区域附近, 由于浅滩减少、水深加深, 西侧防城港核电一期和东侧金鼓江区域γ减小; 鹿耳环江区域γ增加; 在茅尾海内落潮占优较2004年明显。

3.2 围填海累积效应对潮流的影响

对比2004与2019年钦州湾涨急和落急时刻的流场分布(图 6), 可以看出钦州湾外海涨潮流为西南至东北方向, 涨潮流进入湾内逐渐向西方向偏转; 落潮时, 流向基本与涨潮流相反, 落潮流方向基本沿等深线。2004年涨落潮流的分布可以清晰可辨湾外三条水道, 其中西侧水道流速为最大, 其次为中部流速, 东部水道流速最小。

至2019年外湾由三条水道转变为东、西两条水道, 受此影响两条水道中间区域的流速增加明显。两个年份涨落潮流速最大处均为龙门水道, 可达到1.8 m/s。2019年外湾中部涨急时刻流速较2004年增加40%, 落急时刻流速增加约20%, 原因主要为水深的增加和外湾整体的缩窄, 除此之外金鼓江、鹿耳环江区域流速增加明显, 这表明围填海造成的束窄作用增加了涨落潮的流速; 受核电一期和三墩公路挑流影响, 在相应位置处东西水道内流速增加; 但是在外湾东西两侧由于围填使得局部流场发生改变, 流速减弱较为明显; 茅尾海内形态改变较小, 流场基本没有发生变化, 在入口处由于水深梯度减小使得流速略有减弱。潮流的变化结果与董德信等(2014)和杨留柱等(2019)整体相似, 局部单点变化受钦州湾不同年份水深变化相对较大的影响而存在一定差异。

利用模型结果得到潮流调和常数, 计算了钦州湾地区的最大可能流速(图 7), 在日潮海区最大可能流速V_max可以表示为:

其中, W_K1、W_O1、W_M2、W_S2分别为K₁、O₁、M₂、S₂分潮潮流椭圆长半轴量。最大可能流速分布基本与水深分布相一致, 最大在龙门水道处, 其次为外湾水道。其变化与涨落潮流场相似, 增加显著区域为外湾中部, 最大可能流速增加0.20-0.40 m/s, 围填海区域减小幅度较大(0.40-0.60 m/s)。

海湾区域由于水深较浅, 余流的产生主要来自于动量方程的非线性项以及摩擦的作用, 它往往影响海湾与陆架间的物质输运及交换。图 8展示了潮余流的计算结果: 钦州湾大部分区域流速在0.02-0.08 m/s之间, 在河道、水槽内流速较大, 流速在龙门港处及茅尾海入口处流速最大, 大约为0.14-0.20 m/s。2004年, 外湾余流基本为向南流出且主要通过东西两条水道向外流出, 东侧两条水道汇合处存在较强的向南余流。2019年在钦州港处出现了一个反气旋式的环流, 外湾中部余流流向由2004年的南向转变为西南向; 三墩公路区域在迎流侧余流汇聚, 流速增大沿岸线方向向西南流出, 同时因为三墩公路围填带来的阻挡效应, 该处气旋式环流更为明显; 三墩公路西侧与犀牛角之间出现了一个微弱的涡旋。总体看主要通道上余流流速有所减小, 且出现了涡旋, 这都不利于茅尾海及钦州湾内污染物的输运。

3.3 围填海累积效应对海湾纳潮量的影响

纳潮量是评价海湾环境的重要指标之一, 其大小可以反应出海湾水体交换和自净污染物的能力, 对海湾水质、生态环境等方面有着重大影响。考虑茅尾海内潮滩面积较大, 故本文采用断面流量方法(Shi et al, 2011)计算海湾纳潮量P_m, 其公式为

其中, T₁和T₂为涨、落潮的起止时刻, n为网格点数, V为垂直于断面的流速, S、H分别代表网格点的面积与水深。计算结果列于表 3中。

钦州湾大、小潮纳潮量相差较大, 大潮纳潮量约为小潮的4倍。其中, 断面1受围填海影响最大, 2019年纳潮量小于2004年, 大、小潮期间减小幅度分别为8.6%和6.0%; 龙门水道的潮断面通量基本不变, 说明围填海对该处的影响较小; 茅尾海入口处潮流有所减弱, 但断面潮通量却略有增加, 断面的加深是导致这一结果的主要因素。可见钦州湾纳潮量的减少主要发生在外湾, 围填海对内湾纳潮量影响较小, 这与郭雅琼等(2016)和李逸聪等(2017)的结论相似。

3.4 围填海累积效应对海湾水交换的影响

利用FVCOM模型中的染色物示踪模块, 模拟钦州湾的水体交换能力变化。模型染色区域为图 1的海域范围, 染色的初始浓度设置为1, 其余区域浓度为0, 在模型运行1个月稳定后加入染色实验, 染色时间为180 d。采用Luff等(1995)提出的半交换周期作为评估水体交换能力的指标, 即海湾内保守物质在对流扩散的作用下浓度下降到初始值一半所需要的时间。

本文计算了两个年份钦州湾水体的日平均染色物浓度。其中, 2004年和2019年钦州湾水体整体半交换周期分别为56和75 d(图 9), 钦州湾整体水交换能力下降较为明显。图 10给出了染色物浓度随时间的变化。实验开始第10天, 在外湾西侧保守物质随涨落潮迅速扩散至外海; 30 d后, 2004年外湾大部分区域染色物浓度低于0.6, 而2019年防城港核电一期处染色物浓度居高不下, 无法迅速扩散至外海; 60 d后, 2004年龙门水道处染色物浓度基本减半, 2019年龙门水道内染色物浓度较2004年高0.2左右; 100 d后, 茅尾海内染色物浓度才有所降低, 但2019年茅尾海内染色物浓度明显高于2004年。实验结果显示, 钦州湾水体总体的扩散方式并没有发生变化, 但在围填海区域, 即防城港核电一期处、保税港区与三墩公路之间和鹿耳环江, 水体交换能力明显减弱, 污染物难以扩散, 半交换周期显著增加; 相同条件下, 2019年茅尾海内污染物扩散出去的时间要比2004年多20-40 d。

径流是影响海湾水交换的重要因素之一, 钦州湾的径流输入主要为茅岭江和钦江, 其年平均径流量约为2.61×10⁹和2.47×10⁹ m³/s, 考虑这两条河流后进行对比实验, 其中径流量取年平均径流量, 输入的染色浓度为0。加入径流后钦州湾整体半交换周期降低到了34和41 d(图 9), 说明河流对钦州湾水体交换有着重要影响; 图 11展示了加入径流后的染色物浓度时空变化, 可见加入径流后淡水输入使得茅尾海内染色物浓度迅速降低, 2019年茅尾海入口处染色物浓度较2004年高, 与该处水动力减弱相符; 外湾东侧在两种情况下染色物始终难以扩散, 围填海后这种情况更为显著, 三墩公路处染色物浓度居高不下; 钦州港处2019年染色物浓度始终高于2004年, 这是由于围填海改变了潮余流分布, 钦州港处存在一个余流涡旋, 影响了染色物的输运(图 8)。

外湾纳潮量下降、水动力减弱是钦州湾水交换能力减弱的主要原因, 其次由于余流涡旋的存在使得2号断面以北的区域以及三墩公路区域水体难以向南扩散至外海。由此表明, 围填海的累积效应使得钦州湾水体交换能力明显减弱。

4 结论

数值模拟结果表明, 15年的围填海累积效应改变了钦州湾的水动力环境, 包括:

(1) 主要分潮(K₁、O₁、M₂)在茅尾海入口和外湾口(三墩公路为界限)之间区域振幅皆有所下降, 总计可达3-5 cm, 而在茅尾海振幅增加显著, 达到5 cm左右, 钦州湾湾口与湾顶之间振幅差减小。

(2) 围填海改变了部分海域水深地形, 外湾中部由于水深改变流速增加, 金鼓江及东侧水道受围填的束窄作用流速也有所增加, 而外湾东西两侧受围填影响流速大幅度降低; 茅尾海内流场基本不变, 入口处流速有所减弱。

(3) 潮流性质没有发生改变, 钦州湾仍属于较为明显的落潮占优地区, 在茅尾海及其他浅滩地区逐渐转为涨潮占优, 湾内落潮占优较2004年明显。

(4) 大规模围填海令钦州湾余流减弱, 受岸线和水深影响在钦州港和三顿公路处出现了涡旋, 这可能是钦州湾水交换能力减弱的原因。

(5) 围填海后钦州湾纳潮量降低约7.6%, 外湾的纳潮量受影响较大, 而茅尾海的纳潮量受影响较小。

(6) 围填海的累积效应使得钦州湾水体交换能力下降, 湾内半交换周期由56 d上升为75 d, 考虑径流后由34 d变为41 d, 在围填海区域内, 水交换能力大幅度减弱, 污染物难以扩散至外海。

本文的模拟结果在湾口保税港区和三墩公路处与前人针对单一围填海项目的研究结论有区域上的相似性(游慕贤等, 2009; 孙永根等, 2012; 董德信等, 2014; 牙韩争等, 2017), 但对单独围填海工程的分析仅能反映出围填海前后(短期)水动力环境的变化, 不能反映出其长期的累积性影响。围填海的累积效应不断改变钦州湾内的冲淤环境, 同时考虑航道疏浚等因素, 15年间钦州湾地形发生了相对较大的改变, 不仅仅是湾口围填区域, 外湾中部及茅尾海等区域的潮流及余流形态受此影响也有所改变, 湾内整体的水交换能力下降。因此, 本文结论可以对钦州湾的长期管理规划提供更多参考。

致谢 感谢青岛海洋科学与技术试点国家实验室超算平台对本研究提供的计算服务支持。