金塘岛北部海域地形变化对水动力环境的影响

苏毓，纪棋严*，左军成，蔡云霞，孙永钊，彭腾腾，张洁

（1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院,浙江 舟山 316022；2.上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306）

金塘岛是舟山群岛的第四大岛，东临舟山本岛，北接杭州湾，西侧和南侧通过金塘水道分别与宁波的镇海、北仑相接。金塘岛岸线长且顺直、周边海域水深变化不大、有众多岛屿作为天然屏障，通航条件非常优越[1]。金塘岛西南侧是金塘水道，该水道狭窄，水深条件优良，是大型船舶进出宁波—舟山港的重要通道[2]；东侧为西堠门水道，呈狭长形状且宽窄不一，水深呈中间深两侧浅分布。除这两大水道外，金塘岛和大鹏山之间还有一条较小的沥港水道。这些水道不仅是重要航道，也是连接杭州湾与外海的潮汐通道，水道内的潮流较强，具有丰富的潮流能资源。此外，金塘岛也是大陆和舟山连岛工程的第一站。独特的地理位置和区域优势，使得金塘岛及其周边海域在航运、交通、海洋能源开发以及当地经济发展方面起着重要的作用，故对该海域水动力环境现状及演变规律的监测、模拟和分析具有重要的应用价值。

围填海是当前我国海岸开发利用的主要形式[3]，它能带来巨大的经济效益，但对海洋环境与生态的负面影响也不可忽视。围填海工程会改变海域原有的自然属性使其岸线结构发生变化，影响海域潮波反射的位置和方向，导致潮流的流速、流向及潮汐振幅、迟角产生变化[4]。围填海工程引起的潮流各项要素的变化也会导致泥沙运动变化，造成海床泥沙淤积且不易扩散，继而造成航道堵塞，影响航运[5]。围填海工程对潮致余流也有影响，而潮余流的变化会影响海域的泥沙冲淤，围填海工程对工程区临近海域的潮余流影响较大，对离工程区较远的其他海域影响较小[6]。除围填海工程之外，人工岬湾的建造也会改变近岸波浪场，继而影响沿岸泥沙输运，对岸滩稳定有重要影响[7]。

金塘岛周边海域的泥沙冲淤特征受自然环境变化和人类活动共同影响，但后者的影响要大于前者[8]。研究表明，人类活动已经对金塘岛周边海域泥沙冲淤、生态环境等产生了一些影响。韩海骞等[9]利用水槽模型对金塘大桥桥墩附近的海床冲刷做了模拟研究，发现在受工程影响的局部冲刷最大可达14.4 m，明显大于自然冲刷幅度的平均值1.1 m，为金塘大桥的工程建设、运行的安全性及经济性提供了技术支撑。邵卓等[10]以金塘岛为研究对象，基于岸线开发类型、岸线开发生态环境影响分析、岸线开发饱和程度和岸线生态敏感性及生态效应相关性的综合评价指数，计算出金塘岛北部及大鹏山岛的岸线开发生态压力指数可达1.16，远大于金塘岛西南部0.15。戴路等[11]研究了金塘大桥的350 个桥墩及其建设的非通航孔拦阻设置对金塘水道内泥沙分布影响。何微等[8]利用 GIS（ Geographic Information System）技术分析了1996—2016 年金塘岛周边海域的岸线和水下岸坡冲淤变化，发现金塘岛及附近岛屿主要受人类活动影响，在局部的围填海工程区的岸线变化较大，其10 a 的淤积量可达78 598.03 万 m³，10 a 的冲刷量为45 162.82 万 m³，其净冲淤速率为12.21 cm/a，在工程区及其附近海域普遍呈现淤积状态。人类活动引起的水动力环境的变化是金塘岛及周边海域产生泥沙冲淤、生态环境问题的重要原因，但前人的研究很少定量分析人类活动比如围填海工程对金塘岛周边海域水动力环境的影响。

为了研究金塘岛北部围填海工程引起的地形变化对其周边海域水动力环境的影响，本文利用三维海洋模型SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)对该海域围填海工程前后的潮汐潮流进行了模拟。在模型验证良好的基础上，分析围填海工程引起的地形变化对该海域潮汐、潮流和潮致余流的影响，以及潮流要素变化对泥沙淤积可能产生的影响，为今后该海域的维护发展和开发利用提供参考依据。

1 数据和方法

1.1 观测数据

本文收集了金塘岛北部附近海域1 个验潮站（T01）和5 个潮流观测站（S01、S02、S03、S04 和S05 站）的实测数据（表1），用于分析该海域的潮汐潮流特征，并用于验证模型模拟的潮位和潮流的准确性。为进一步分析金塘岛北部附近海域的水动力变化特征和趋势，在潮流变化较明显处选取了4 个潮流分析特征点（A、B、C 和D 点）（图1）。验潮站在西堠门水道的西侧，观测时段为2020 年3 月27 日00:00 至4 月12 日23:00，时间间隔为1 h；5 个潮流观测站分布在金塘围填海区周边海域，垂向按各点水深H均匀分为6 层（0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和H层），观测时段为大潮时段（2020 年4 月7 日10:00 至4 月8 日10:00）和小潮时段（2020 年3 月31 日10:00 至4 月1 日10:00），时间间隔为1 h。

图1 研究区域和观测站位Fig.1Study area and observation stations

表1 潮位站和潮流观测站位置信息Table 1 Location information of tide gauge station and tidal current stations

1.2 模型简介

本文使用SCHISM (Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)模型模拟该海域工程前后的潮汐潮流，用于研究围填海工程引起的地形变化对水动力环境的影响。SCHISM 是一个基于非结构化网格的开源社区支持的模型系统，旨在无缝模拟跨溪-湖泊-河流-河口-大陆架-海洋尺度的三维斜压环流。该模型采用高效且准确的半隐式有限元/有限体积方法和欧拉-拉格朗日算法来求解纳维-斯托克斯方程（流体静力学形式），以模拟各种物理和生态过程。该模型混合使用高阶与低阶数值算法，能够有效求得稳定准确的计算结果。SCHISM 模型具有模拟海洋环流、海啸危害、波流相互作用、风暴潮、沉积物运输、生态、生物地球化学、水质和溢油的模块。

SCHISM 模型是基于原始SELFE 模型（Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite-Element model）的衍生发展的模型[12-13]。和SELFE 相比，该模型具有以下特点：水平方向可以采用非结构的三角形和四边形混合网格，一方面可以拟合复杂岸线，另一方面可以加密重点海域，平衡分辨率与计算量之间的矛盾，对低质量的网格包容性强；垂直方向可以采用混合SZ坐标系或者LSC2（Localized Sigma Coordinates with Shaved Cells）坐标系，有利于处理复杂地形变化，不需要对海底地形进行平滑；采用半隐式算法求解，无CFL（Courant-Friedrichs-Lewy condition）稳定性约束，可以提高数值效率。基本动力方程和连续方程如下：

动量方程：

式中：u为 水平速度；t为时间；x为水平方向距离；v为垂直涡动黏性系数；z为垂直方向距离；g为重力加速度；为梯度算子；f为动量的其他强迫项(斜压梯度、水平黏性、科氏力、地球潮汐势、大气压力和辐射应力等)；u和 υ分别为水平速度u在东西和南北方向的分量；ξ为水深变化高度；η为自由表面高度；ψ为引潮势；Fm为水平黏度；Fother为辐射应力。

2D、3D 深度积分形式的连续方程：

式中：w为垂向速度；h为垂直方向水深。

模型在垂向上可以采用SZ坐标。S到Z的坐标转化公式：

1.3 模型设置

本文重点关注区域为金塘岛北部围填海周边海域，为了较好地模拟该海域的潮汐潮流特征，模拟区域范围设置为(120°06′～125°18′E，28°27′～32°48′N)，包括舟山群岛、杭州湾、长江口以及部分东海海域，如图2 所示。采用非结构三角形网格剖分计算域，对重点关注的工程区附近海域进行网格加密，非重点关注区域进行稀疏处理，三角形网格最小边长约为10 m，最大边长约为10 000 m。根据围填海工程前后的岸线差异，分别构建工程前后的两套网格（图2），这两套网格对应的岸线只在围填海工程区域有差别。两套网格均使用了11 个分潮（M2、S2、K2、N2、O2、K1、P1、Q1、Mf、M4、MS4）作为模型的潮汐驱动条件，这个11 个分潮调和常数（振幅、迟角）由水平分辨率为1/16°的FES_2014 模式结果插值得到[14]。垂向采用S坐标，分为21 层。模式采用冷启动，模拟时间自2020 年3 月25 日00:00 起至4 月25 日23:00，模拟时长为1个月，模式结果1 h 输出一次。

图2 模式网格和水深分布Fig.2 Bathymetry and grid of the numerical model

2 结果分析

2.1 观测结果分析

2.1.1 潮汐特征

对工程区内潮位站15 d 潮位数据进行调和分析，得到了17 个分潮的调和常数。采用分潮振幅的比值来确定潮汐类型[15]，计算得到分潮振幅的比值为0.45，由此可判定本海区的潮汐类型为正规半日潮。

2.1.2 潮流特征

根据5 个潮流观测站数据，对各站大、小潮期间垂向平均涨、落潮的最大流速、平均流速和流向等潮流特征进行统计分析（表2）。为便于与金塘岛周边大面积海域的流场作对比分析，本文以大面积海域内潮波的传播方向来判定涨落潮方向。涨潮时，潮波大致呈SE—NW 方向传播，指向杭州湾；落潮时，潮波大致呈NW—SE 方向传播，远离杭州湾。

表2 各观测站大、小潮期间最大潮流和平均潮流的统计特征Table 2 Statistics of the maximum and mean tidal currents during spring and neap tides at each station

大潮期间，除S01 站外，其他4 个站的最大流速和平均流速，均表现为落潮流流速大于涨潮流流速。小潮期间，S01 站、S02 站和S05 站的最大流速和平均流速，表现为落潮流流速大于涨潮流流速，但S03 站和S04 站的涨潮流流速大于落潮流流速。总体而言，小潮期间各测站的最大流速要弱于大潮。S04 站在大潮期间出现最大涨潮流速和最大落潮流速，分别为2.02 m/s 和2.52 m/s。

为分析各站的潮流矢量特征，绘制了各站大、小潮期间的潮流图（图3）。S04 站和S05 站位于大鹏山西侧，潮流受附近岛屿影响较小，大小潮的潮流流速均比另外3 个站的要大。S04 站远离大鹏山岬角，受岛屿岸线影响较小，潮流流向变化较大，呈现出旋转流的特征。S05 站涨潮和落潮的潮流方向大致相反，往复流的特征较为显著，大鹏山岸线对该站的潮流流向有一定影响。S03 站位于沥港水道中，受该水道地形的影响，大潮和小潮的流速均较弱，呈明显的往复流特征。S01 站的涨落潮潮流的方向与工程后的岸线基本平行，表明该站的潮流受到了围填海工程的影响。S02 站位于金塘岛北部的岬角处，受到流经沥港水道和西堠门水道的潮流共同影响，涨落潮潮流的方向与S01 站、S03 站涨落潮潮流的方向都有一定的角度差。

图3 各潮流观测站大、小潮期间潮流矢量图Fig.3 Current roses during spring and neap tides at stations S01-S05

2.2 模拟结果分析

2.2.1 模型潮位验证

图4 给出了验潮站的实测潮位资料与对应时段模型模拟潮位的对比结果，可以看出大潮和小潮期间模式计算结果和实测值基本吻合。潮位的平均绝对误差在0.16 m 以内，均方根误差为0.20 m。潮位误差分析结果表明，与该点的潮差相比，模型可以较好反映金塘岛北部围填海工程区海域的潮位变化特征。

图4 大、小潮期间模拟与实测潮位对比Fig.4 Comparison of tidal elevation between observation and simulation during spring and neap tides

2.2.2 模型潮流验证

图5 和图6 给出了5 个潮流站的实测潮流资料与对应时段模型模拟潮流的过程曲线，由于篇幅限制，本文只给出了0.2H层的大、小潮潮流验证结果，表3 给出了流速、流向的误差统计特征。流向的平均绝对误差的平均值约为17.46°，均方根误差的平均值为30.50°。流速平均绝对误差的平均值为0.17 m/s，均方根误差的平均值为0.22 m/s。其中，S03 站流向的均方根误差最大，模拟效果相对较差，该站位于沥港水道中央，水道狭窄，潮流观测数据受来往船只影响较大，存在不规则波动变化，而模型模拟的潮流较为规律，因此与实测相比有一定差异。总体来看，除了流速的拟合效果稍有差异，模型模拟的水位和流向均拟合较好，表明模型较为准确地模拟了该海域的流场。

表3 大、小潮期间0.2H 层模式潮流结果与实测数据误差分析Table 3 Error analysis of tidal current between observation and simulation during the spring and neap tides at 0.2H layer of all the stations

图5 各潮流观测站0.2H 层在小潮期间模拟结果与实测数据对比Fig.5 Comparison of tidal currents between observation and simulation at 0.2H layer of all the stations during neap tide

图6 各潮流观测站0.2H 层大潮期间模拟结果与实测数据对比Fig.6 Comparison of tidal currents between observation and simulation at 0.2H layer of all the stations during spring tide

2.2.3 模型潮流结果分析

为详细分析此海域的水动力变化特征和趋势，根据岸线特征提取了4 个特征点（A、B、C 和D 点）（图1），特征点A（121°48′54″E，30°05′22″N）位于大鹏山西侧的岬角附近，比S04 站更靠近工程后的海岸，可以较好地反映流场的转向特征；特征点B（121°49′30″E，30°06′00″N）与特征点A 的连线平行于大鹏山北侧新增的岸线，位于工程后涨潮流汇流处，可以反映地形变化对流场的影响；特征点C（121°50′42"E，30°04′37″N）位于沥港水道的岬湾口处，在工程后形成的新岸线和原始岸线的交界处，可以反映新增岸线对水道的影响；特征点D（121°52′48″E，30°05′20″N）位于金塘岛北部东侧新生成的岬湾里，可以反映该区域的旋转流场变化。

围填海工程改变了金塘岛北部海域的地形特征，从表4 中可以看出：S01 站和S03 站工程后涨急和落急时的流速均增大，S01 站涨急流速增强21%，落急流速增强32%，S03 站工程后的流速变化更明显，涨急流速由0.5 m/s 增加为0.92 m/s，增强了84%，落急流速由0.3 m/s 增加为0.53 m/s，增强了77 %；S02 站工程前后流速几乎不变；S04 和S05 站工程前后流速变化不大，S04 站涨急流速增强4.06%，落急流速增强10.17%，S05 站涨落急流速减弱5%左右。

A 站在S04 站附近，A 站更靠近工程后的海岸，A 站涨急流速增强14%，落急流速增强28%，涨、落急流速变化比S01 站小。B 站在S02 与S04 站之间，工程后B 站涨急流速减弱86%，落急流速增强4%。C 站在原沥港河道中，靠近S03 站，相较于S03 站流速变化不大，涨急流速增强31%，落急流速减弱46%。西堠门水道附近的D 站在工程后流速明显减弱，涨急流速由0.46 m/s 减小至0.14 m/s，减弱了69%，落急流速由0.61 m/s 减小至0.17 m/s，减弱了72%。

2.3 工程影响分析

2.3.1 潮流变化分析

金塘岛周边海域的潮汐潮流受东海潮波和舟山群岛地形的共同影响，涨潮流和落潮流的方向与岛屿间的水道密切相关。涨潮时，东南外海的潮流经过西堠门水道和金塘水道流向西北方向的灰鳖洋；落潮时，灰鳖洋的潮流经过西堠门水道和金塘水道流向东南方向的外海。为了分析金塘岛北部海域工程前后潮流场变化特征，本文对工程前后涨急时刻（图7）、落急时刻（图8）表层流场进行了比较分析，选取了4 个变化特征较明显的区域：大鹏山西侧为区域1(121°48′54.0″～121°49′26.4″E，30°04′04.8″～30°04′51.6″N)、大鹏山北侧为区域2(121°48'54.0"～121°55'22.8 ″E，30°05 ′06.0 ″～30°06 ′36.0 ″N)、沥港水道为区域3(30°04′04.8″～30°06′18.0″E，121°50′24.0″～121°51′00.0″N)和金塘北东侧岬湾为区域4(30°04′37.2″～30°06′00.0″E，121°52′22.8″～121°53′34.8″N)（图7c）。

1）涨急时刻潮流变化

围填海工程前，涨急时刻大鹏山北侧潮流为西北向，金塘岛东北海域潮流受岸线影响，流向主要为西北和正西方向，流速较小，为0.2～0.6 m/s。大鹏山和金塘岛以北的大髻山岛、鱼龙山岛、大菜花山岛和横档山岛的复杂岸线会造成整体潮流动能大幅度衰减，导致潮流流速较金塘东北侧水道大幅下降，均低于0.4 m/s；同时由于潮流受地形作用，水质点动量变化复杂，导致流向错综复杂，其中鱼龙山东南侧出现西南流，横档山北侧出现东北流，但整体潮波运动仍以西北向传播为主，并不会因该处小尺度动能损耗造成整体运动趋势改变，因此，该处潮流仍为西北向流动，仅在鱼龙山东南侧近岸小范围海域潮流存在相反流动趋势。沥港水道流速在水道拐弯处较大，可以达到1.0～1.6 m/s，流向沿着岸线由东北流向变为东南流向后进入灰鳖洋。

围填海工程后，区域1 的涨急流速比工程前的流速增加约0.1 m/s，流向向西偏转5 °左右；区域2 东西两侧的潮流沿工程后的岸线向中间靠拢，交汇后向北流，该区域流速明显变缓，平均减少约0.4 m/s；区域3的流速流向变化最大，流向向东偏转约30 °，流速最大增加约0.6 m/s；区域4 新形成的岬湾使该海域的流速整体减小约0.2 m/s，流向由原来的西北向变为逆时针方向在岬湾中流转（区域1、2、3、4 见图7c、图7d 红框处）。

2）落急时刻潮流变化

围填海工程前，落急时刻的大鹏山北侧海域潮流为东南向，金塘岛东北海域潮流受岸线影响流向主要为东南向、东向与南向，流速较小，为0.2～0.8 m/s，略大于涨急时刻。大鹏山和金塘岛以北海域，受大髻山、鱼龙山、大菜花山、横档山地形阻挡作用，流速整体降低，但横档山西侧海域流速较大，为1.2～1.4 m/s；流向整体为东南向，在横档山东南侧海域出现东北流；沥港水道流速在水道拐弯处较大，最大为2.0 m/s，潮水沿着岸线流入金塘水道。

围填海工程后，金塘岛北部西侧海域的区域1 流速变化稍大，西侧靠北位置的流速减小了0.2～0.6 m/s，流向由原西南方向向南偏转了30 °左右，呈现正南流向，西侧靠南位置的流速增大了0.2～0.4 m/s，流向变化不大，稍向西偏转了10 °左右；金塘岛西北部区域2 西侧的潮流在岛屿近岸分成两股，分别向西和向东流，此区域流速明显变缓，平均减少了0.4 m/s；金塘北东侧的区域4 流速稍微减小，约为0.2 m/s，但流向变明显，此区域的两个岬角使潮水在落潮时呈顺时针方向流动，与原流向比最大偏转了180 °；位于沥港水道的区域3 流速变化最大，在水道入口处流速最多增加了0.6 m/s，在水道拐弯处减小了0.4～0.6 m/s（区域1、2、3、4 见图8c、图8d 红框处）。

图8 落急时刻工程前后流速、流向变化对比Fig.8 Comparison of current fields during ebb tide between pre- and post-reclamation

2.3.2 潮余流的变化分析

围填海工程引起的旋转流场、涨潮汇流和落潮分流等潮流要素变化对余流强弱有较大影响，进而可能影响冲淤变化。工程区海域水深较浅平均水深不足10 m，且研究表明浙江近海大部分区域各层余流方向一致性较好[16]，故对模拟得到的围填海前后2020 年3 月25 日至4 月25 日的垂向平均潮流进行调和分析，去除周期性潮流以计算欧拉余流。

图9 给出了何微等计算得到的2011—2016 年金塘岛附近海域的冲淤变化特征[8]，图10 为本文计算得到的工程前后余流变化图，两者分布特征较为相似，余流显著减小区域也是淤积显著的区域。其中，金塘岛西侧大鹏山海域（图9b）和金塘岛东北侧（图9c）是淤积最明显的地方，淤积在3～4 m，同时这两个区域的余流（图10b、10c）在地形变化后流速减小最为明显，总体变化趋势一致，工程前后余流的变化与冲淤变化有一定的相关性。

图9 金塘岛2011—2016 年冲淤变化Fig.9 Changes in erosion and deposition near the Jintang Island from 2011 to 2016

图10 金塘岛工程前后余流流速变化Fig.10 Change in residual current near the Jintang Island pre- and post-reclamation

余流的量值虽不大，但它直接指示着水体的运移和交换情况，对海水中悬浮物质和可溶性物质的输运、稀释及扩散等都起十分重要的作用[16]，通常余流弱易淤积，余流强易冲刷。根据模型计算结果可知（表5），S01 站余流流速由0.17 m/s 增大为0.27 m/s，增强了59%，冲刷作用增强；S02 站余流流速变化较小；S03 站工程后的余流流速由0.05 m/s 增大为0.12 m/s，增强了140%，冲刷作用显著增强；S04 站余流流速由0.03 m/s 增大为0.05 m/s，增强了67%，冲刷作用较为明显；S05 站余流流速由0.06 m/s 减小为0.05 m/s，减弱了−17%，有利于淤积。

表5 各特征点在不同情况下余流流速对比Table 5 Comparison of residual current velocity at typical locations in different scenarios

A 点在S04 站附近，更靠近工程后的海岸，其余流的变化比S01 站大得多，流速由0.04 m/s 增大至0.11 m/s，增强了175%，冲刷作用显著增强。B 点在S02 与S04 站之间，工程后B 点余流流速由0.95 m/s 减小为0.22 m/s，减弱了77%，此处形成淤积。C 点在原沥港水道中，靠近S03 站，余流流域由0.03 m/s 增加至0.06 m/s，增强了100%，此处呈现一定程度的冲刷现象。D 点在工程后余流流速由0.55 减小为0.04 m/s，减弱了93%，此区域形成明显淤积。

3 结论

本文基于实测数据分析了金塘岛北部海域工程区的潮流潮汐特征，利用SCHISM 模式对金塘岛北部海域进行高分辨率数值模拟，根据验证后的数模结果对地形变化前后的水动力环境进行分析，并根据前人研究的冲淤分布情况进行比对，得到如下结论。

1）围填海工程区海域属于规则半日潮类型，近岸潮流受地形影响流速流向差异明显，但基本都沿着海岸线呈往复流形态，工程后流场流速大小整体变化不大，除工程海域外，大鹏山西北侧海域流速、沥港水道和金塘岛北部的东侧岬角处流速和流向变化明显，涨、落急时刻的流速变化率均超过20%，其中沥港水道、东侧岬角处的流速变化率均超过65%。

2）由于围填海工程改变了岸线和地形，破坏了周边海域的冲淤平衡，根据工程前后余流变化和淤积分布比对发现，两者整体分布具有相关性，且在淤积明显的海域，余流在工程后明显变小，表明受地形变化影响的余流变化分布与冲淤分布有密切的关联。

3）在不考虑陆地的泥沙溢流及来往船只泥沙泄漏的情况下，因围填海工程而导致的地形变化对金塘岛北部海域的潮汐动力环境和冲淤情况有较大影响。沥港水道内和金塘岛西北侧岬角附近的余流增强，冲刷作用增强，而金塘岛东侧岬湾处余流减弱，容易产生淤积。建议对余流减弱显著区域加强监控。

本文仅基于观测数据和数值模型分析了围填海工程造成的地形变化对潮流和潮致余流的影响，对泥沙输运及冲淤特征未展开详细的分析和研究，后续拟在本文水动力模型基础上，加入波浪以及泥沙冲淤模块，进一步探讨围填海工程对该海域泥沙冲淤的影响。