港口工程影响下莱州湾西南侧海域水动力演化特征

刘　潇，冯秀丽，刘　杰



港口工程影响下莱州湾西南侧海域水动力演化特征

刘潇1，2，冯秀丽2，刘杰3

（1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学 海地科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100； 3.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

摘要：河流输沙、水深地形演变、大型海洋工程的建设均会对海洋水动力产生明显影响。本文基于MIKE21数值模型，对不同时期水深岸线条件下莱州湾西南侧海域的水动力演变特征及潍坊港建设对水动力的影响进行研究。结果表明，1984～2007年，黄河现行河口东南侧高流速区位置向SE向移动，莱州湾湾口及西南侧海域流速增大，增大幅度在10 cm/s左右。潍坊港10 km引堤工程的建设导致引堤端头处流速增大10～20 cm/s，引堤两侧流速减小15～20 cm/s，流向偏转量在10°～40°； 潍坊港扩建工程的建设导致防波堤端头处流速增大5～20 cm/s，两侧海域流速减小5～20 cm/s，流向偏转5°～20°。黄河口沙嘴的形成对其南侧海域形成有效掩护，而潍坊港工程的建设对其两侧海域起到一定的掩护作用，导致该海域有效波高显著减小，水动力强度减弱。

关键词：海洋水动力； 数值模拟； 港口建设； 莱州湾南岸

［Foundation： Marine Commonweal Scientific Research Foundation，No.201005009］

河口海岸带是人类活动相对密集、经济相对发达的地区［1］，据统计，世界上67%的大中城市和60%的人口集中在沿海地区。河口海岸带地区又是海陆交互作用相对集中的地带［2］，海岸地貌在波浪、潮汐、海流等相互作用下，各种过程相互耦合多变，海岸地形地貌及海洋动力环境演变机制复杂。近年来日益增加的河口海岸带开发利用活动对海洋水动力环境的改变具有重要作用［3］，如围填海工程、海洋堤坝、海上采砂等。因此，研究人类活动对河口海岸沉积动力环境的影响，尤其是分析海洋工程建设对海洋水动力环境的影响成为沿海国家和地区的重要课题。

本文基于收集的实测潮流数据和不同时期的水深岸线资料，利用目前已广泛应用［4-6］的 MIKE21数值模型，对研究区不同时期的潮流和波浪特征进行模拟，研究港口工程影响下莱州湾西南侧海域的海洋水动力环境演变特征及潍坊港建设对其的影响。对保护周边海洋环境、合理开发和利用海洋资源具有一定的理论和实际意义，为今后该类型海域海洋工程的选址和海洋环境保护等提供科学依据。

1　研究区概况

1.1自然环境概况

研究区位于莱州湾西南侧海域，受淄脉沟、小清河、白浪河、潍河等入海河流反复淤积、堆砌的影响［7-8］，该海域形成了典型的粉砂质海岸，海底地势平坦，自西南向东北逐渐降低，起伏较小，水深等值线走向与岸线基本平行。

研究区属暖温带半湿润季风性气候［9］，多年平均风速为3.1 m/s，主导风向为SSE向，出现频率为10%，强风向为NE向。潮汐类型以不正规混合半日潮为主［10］，涨潮流主流向为SW向，落潮流主流向为NE向。波浪以风浪为主，常浪向为N向，出现频率为21.22%，次常浪向为NNE向，出现频率为16.14%，强浪向为NNE向［11-12］。潮流属于正规半日潮流，以往复流为主，落潮和涨潮平均流速相差不大，余流较小（一般小于5.5 cm/s）［13］。

1.2潍坊港概况

潍坊港位于莱州湾南侧近岸海域，港区自 1996 年5月开工建设，至1997年8月，10 km引堤基本建成，并在引堤端头西侧建成 5 000 t级码头。1998～2007年，潍坊港岸线形态基本没有发生变化，2007 年 4月开始，潍坊港周边海域人工构筑物明显增多，在10 km引堤的基础上，建成了双堤环抱、单一口门的港口布局（图1）。目前潍坊港已顺利完成了沿海防护堤港区工程段、两道防波挡沙堤、万吨级航道、西疏港公路路堤及万吨级码头工程的建设，成为莱州湾南岸最大的港口工程。

图1　研究区位置及潍坊港概况Fig.1　Location of study area and general situation of Weifang port

1.3实测潮流特征

本文收集了W1和W2站2007年10月26日～27日、B1～B4站2007年11月10日～11日的25 h连续实测潮流数据，实测潮流观测点位置及潮流玫瑰图见图2。

从图 2中可以看出，各实测潮流站位均表现出较强的往复流特性，潮流流向受岸线走向影响较大。其中，莱州湾西侧 B1和 B2站的主流向为 WNW～ESE向，潍坊港北侧的B3、B4及W1、W2站的主流向为WSW～ENE向。涨潮流主流向均为向岸方向，落潮流主流向为离岸方向。

根据实测潮流资料，实测最大流速为73.4 cm/s，出现在B1站，对应流向为121.1°。涨潮流流速与落潮流相差不大，涨潮流略大于落潮流。莱州湾西侧的 B1、B2站大潮期潮周期内的平均流速在 35.3～42.3 cm/s，潍坊港北侧的B3、B4及W1、W2站大潮期潮周期内的平均流速在22.6～35.6 cm/s。

潮流运动形式主要表现为往复流形式的半日潮流。根据实测潮流数据，各站位潮流的旋转方向有所差别，位于莱州湾西侧开阔海域的B1、B2站潮流的旋转方向为顺时针； 位于潍坊港北侧的 B3、B4及W1、W2站潮流的旋转方向为逆时针，其中小清河口附近的B3站表现出较强的旋转流特性。

图2　研究区各站位实测潮流玫瑰图Fig.2　Observed tidal current at different stations

2　潮流数值模拟

2.1模型参数及验证

MIKE21 Flow Model FM采用可随意控制疏密的非结构三角网格剖分计算域，采用标准 Galerkin有限元法进行水平空间离散［14］，能够较好的适用于岸线状况复杂的近海区、河口区等。陈雪峰等［15］、王万战等［16］、陈昊等［17］对模型的建立、控制方程、输入参数等均做了详细阐述。

本文基于MIKE21 Flow Model FM数值模型研究静风条件、港口工程影响下莱州湾西南侧海域潮流演变特征。不同时期数值模型的水深岸线数据分别采用莱州湾海图（11840，1984年测量，1986年 12月出版，比例尺1︰15万； 11840，莱州湾胶莱河口以西海域的岸线及水深资料为2002年测量，2005年10月出版，比例尺1︰15万）、莱州湾潍坊港及附近海图（31501，岸线及水深资料为2007、2008年测量，2008 年11月出版，比例尺1︰3万）及实际水深测量资料。

利用研究区大潮期实测海流资料对模型进行验证，验证点位置见图 2，以距离潍坊港较远的 B1站和较近的W2站为例，流速和流向验证结果如图3所示。验证结果表明，数值模拟结果与实测数据吻合良好，本文建立的水动力数值模型能够较好地反映研究区海域潮流特征。

图3　B1、W2站流速、流向验证曲线Fig.3　Verification of current speed and direction at the B1 and W2 stations

2.2研究区流场特征（1984年）

1984年研究区海域大潮期潮流特征如图4所示，涨潮中间时潮流由湾外流向湾内，湾口处流向为SSW向，向湾内运动过程中，流向逐渐变为SW向。黄河自1976年改道清水沟流路入海，至1984年已在河口处形成向东突出的沙嘴，受水下三角洲影响，附近海域潮流流向发生偏转并形成高流速区，最大流速为0.84 m/s，流速随着水深的增加逐渐减小。落潮中间时，潮流由湾内向湾外流动，流向为 NNE～NE向，黄河口附近海域潮流绕过沙嘴向湾外流动，高流速区的最大流速为0.96 m/s。

2.3研究区流场特征（2002年）

2002年莱州湾西南侧海域大潮期潮流特征如图5所示，黄河河口处已形成向东南方向突出的巨大沙嘴，受其影响附近海域潮流流向发生明显偏转并在沙嘴东南侧形成高流速区，最大流速约为 1.0 m/s。落潮中间时，高流速区的最大流速为 1.2 m/s，其他区域流速普遍介于0.2～0.8 m/s。受潍坊港10 km引堤工程的影响，莱州湾南侧近岸海域潮流特征发生变化，引堤端头处流速增大 10～20 cm/s，引堤两侧（特别是东侧）附近海域流速减小15～20 cm/s。

2.4研究区流场特征（2007年）

2007年莱州湾西南侧海域大潮期潮流特征如图6所示。与 2002年相比，研究区潮流变化主要出现在潍坊港附近海域。受潍坊港扩建工程的影响，环抱式防波堤堤头处流速增大5～20 cm/s，港口工程两侧（特别是东侧）附近海域流速减小 5～20 cm/s； 另外，潍坊港附近海域流向发生明显偏转，环抱式防波堤堤头处流向顺时针偏转约 5°～20°，港口工程两侧流向普遍发生逆时针方向偏转，偏转量介于5°～20°。

图4　1984年莱州湾西南侧海域大潮期潮流特征Fig.4　Current characteristics of the study area during spring tide in 1984

图5　2002年莱州湾西南侧海域大潮期潮流特征Fig.5　Current characteristics of the study area during spring tide in 2002

2.5潮流演变特征分析

2002年与1984年大潮期涨潮中间时的流速、流向变化对比如图 7所示。流速变化图中正值代表流速增大，负值代表流速减小； 流向变化图中，正值代表顺时针方向旋转，负值代表逆时针方向旋转。与1984年相比，2002年研究区潮流演变特征主要表现在以下几个方面：

1）与1984年相比，2002年黄河入海口附近形成巨大沙嘴，岸线向东南推进约18 km。受此影响，黄河三角洲附近海域潮流流速、流向均发生了较大改变，流向发生逆时针方向偏转，沙嘴北侧海域偏转量约为 20°～40°，南侧海域偏转量在 0°～200°。受黄河入海口沙嘴的影响，高流速区的位置向SE方向发生移动，流速较1984年增加约20～40 cm/s，黄河三角洲附近海域流速减小约0～30 cm/s。

2）黄河清水沟流路沙嘴的形成，使得莱州湾湾口宽度变窄。与1984年相比，2002年黄河口至屺姆岛之间的距离减少近20 km，莱州湾湾口束流现象增强，湾口一线海域流速增大约 10 cm/s左右； 同时，莱州湾西南侧海域流速普遍比1984年稍大。

3）潍坊港附近海域潮流特征发生改变，潍坊港10 km引堤堤头处流速增大约10～20 cm/s，两侧流速减小约0～15 cm/s，工程周边附近海域潮流流向发生顺时针偏转，偏转量约为10°～40°。

图6　2007年莱州湾西南侧海域大潮期潮流特征Fig.6　Current characteristics of the study area during spring tide in 2007

图7　2002年与1984年涨潮中间时流速（a，单位： m/s）、流向（b，单位： °）变化量分布图Fig.7　Contrast of current velocity（a）in meters per second and direction（b）in angle degrees at flood level between 1984 and 2002

与2002年相比，2007年莱州湾西南侧海域潮流特征主要在潍坊港附近海域发生了变化。2007年与2002年大潮期涨潮中间时流速、流向变化对比如图8所示。潍坊港工程对附近海域潮流特征的影响主要集中在工程区附近海域，与2002年相比，环抱式防波堤堤头处流速增大5～20 cm/s，港口工程两侧（特别是东侧）附近海域流速减小5～20 cm/s； 环抱式防波堤堤头处流向发生顺时针偏转，偏转量约为5°～ 20°，港口工程两侧流向发生逆时针偏转，偏转量在5°～20°。

综上所述，潍坊港位于莱州湾西南侧近岸海域，潮流流速较小，水动力条件较弱，又由于涨落潮流流向与港口的延伸方向基本一致，因此潍坊港工程对水动力的影响主要集中在工程区周边海域，对其他海域影响较小。

3　波浪数值模拟

波浪是近岸海域较为活跃的沉积动力因素，在向近岸传播过程中受水深与地形的影响，出现反射、绕射、破碎等现象，波长、波向、波高等会发生改变，进而造成海底泥沙的起动搬运及岸滩的冲淤演变。

莱州湾波浪主要受季风控制，以风浪为主［18］，本文运用 MIKE21 SW模型对研究区风生波浪进行模拟，计算了不同岸线条件、不同风向作用下研究区的波浪特征，定性分析港口建设、岸线演变对附近海域波浪的影响程度和范围。

由于研究区常风向为SSE向、强风向为偏N向，本文分别模拟了潍坊港建设前（1984年）和建成后（2007年）岸线条件下，SSE和NW向大风（8级风）作用24 h后的波浪特征。成导致其南侧海域有效波高显著减小，而潍坊港工程的建设对防波堤东侧海域有较好的掩护作用，有效波高明显减小。

图8　2007年与2002年涨潮中间时流速（a，单位： m/s）、流向（b，单位： °）变化量分布图Fig.8　Contrast of current velocity（a）in meters per second and direction（b）in angle degrees at flood stage between 2002 and 2007

3.2SSE向大风作用下波浪特征

3.1NW向大风作用下波浪特征

NW 向大风作用下研究区有效波高分布特征如图9所示，最大有效波高为2.3 m，主要分布在研究区东北侧开阔海域，有效波高随着水深的变浅而逐渐减小，近岸海域有效波高普遍小于0.3 m。与1984年相比，2007年黄河三角洲沙嘴及水下三角洲的形

SSE向大风作用下研究区有效波高分布特征如图10所示，最大有效波高为1.95 m，主要分布在莱州湾湾口附近海域，自湾口向湾内有效波高逐渐减小，近岸海域有效波高普遍介于 0～0.3 m。与 1984年相比，2007年黄河三角洲沙嘴南侧海域以及潍坊港工程防波堤西侧海域有效波高显著减小。

图9　NW向大风作用下研究区有效波高分布图Fig.9　Distribution of significant wave height under the impact of northwesterly wind（20 m/s）

综上所述，在NW向和SSE向大风作用下，莱州湾近岸浅水海域有效波高普遍较小。黄河水下三角洲及河口沙嘴的形成对其南侧海域有一定的掩护作用；另外，由于潍坊港的主体走向与本文模拟的风向近乎垂直，潍坊港工程建设对这两种风向下波浪的影响程度和范围较大，导致港口两侧海域有效波高明显减小。

4　结论

与1984年相比，2002年黄河口附近海域水深岸线、流速、流向发生了较大改变，高流速区位置向东南方向移动，莱州湾湾口及莱州湾西南侧海域流速增大约10 cm/s； 潍坊港10 km引堤端头处流速增大10～20 cm/s，引堤两侧附近海域流速减小15～20 cm/s，流向偏转量在10°～40°之间。

图10　SSE向大风作用下研究区有效波高分布图Fig.10　Distribution of significant wave height under the impact of south-southeasterly wind（20 m/s）

2007年潍坊港扩建工程对附近海域潮流的影响主要集中在工程附近海域，环抱式防波堤堤头处流速增大5～20 cm/s，工程两侧附近海域流速减小5～20 cm/s，流向偏转量在5°～20°之间。

在NW向和SSE向大风作用下，莱州湾近岸海域有效波高普遍较小，黄河口沙嘴的形成对其南侧海域形成有效掩护，潍坊港工程则对其两侧海域起到一定的掩护作用，使有效波高减小，水动力强度减弱。

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Received: Oct.9，2014
Key words: hydrodynamic environment； numerical simulation； harbor construction； southern Laizhou Bay
Abstract: Large-scale marine construction has a significant effect on the hydrodynamic environment in adjacent waters.In this paper，we report the results of our study of the hydrodynamic evolution of Laizhou Bay and the impact of Weifang port construction on the hydrodynamic environment.We used the MIKE 21 two-dimensional，depth-integrated hydrodynamic model.We found that，from 1984 to 2007，the position of a high-velocity zone located in the southeast side of the modern Yellow River estuary moved to the southeast，while the flow velocity of the mouth and the southwest side of Laizhou Bay increased by about 10 cm/s.Due to construction of the 10-km embankment of Weifang port，the flow velocity increased by 10−20 cm/s at the end of the causeway and decreased by 15−20 cm/s on both sides of the causeway.The flow velocity increased by 5−20 cm/s at the end of the breakwater and decreased by 5−20 cm/s on both sides of the port project due to the Weifang port expansion project.The formation of the Yellow River spit played a shielding role in the south-side water，and the construction of Weifang port played a shielding role in the water on both sides，leading to reduction of significant wave height.

（本文编辑： 李晓燕）

Hydrodynamic evolution characteristics of southwest Laizhou Bay under the effect of port construction

LIU Xiao1，2，FENG Xiu-li2，LIU Jie3
（1.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques，Ocean University of China，Qingdao 266100，China； 3.First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

中图分类号：P736.2； P75

文献标识码：A

文章编号：1000-3096（2016）03-0138-08

doi：10.11759/hykx20141009001

收稿日期：2014-10-09； 修回日期： 2014-12-10

基金项目：海洋公益科研专项（201005009）

作者简介：刘潇（1985-），女，内蒙古包头人，博士后，主要从事海洋沉积与工程环境方面研究，E-mail： liuxiao_0000@sina.com； 冯秀丽，通信作者，教授，主要从事海洋沉积与工程环境方面研究，E-mail：fengxiuli@ouc.edu.cn