填海工程对半封闭海湾水动力环境的影响分析

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集

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填海工程对半封闭海湾水动力环境的影响分析

何杰 辛文杰

(水文水资源与水利工程科学国家重点学科 南京水利科学研究院，南京，210024)

摘要摘要：： 填海工程对半封闭海湾的直接影响是海湾的纳潮量减小，带来的间接影响为该海湾水动力环境减弱，污染物输移扩散速度减慢，泥沙淤积加剧等不利因素。本研究以深圳湾填海工程为例，采用潮流数学模型对工程前后潮流运动进行了模拟。分析结果表明：填海工程对深圳湾纳潮量的减小幅度在1%以内；工程区上下游附近水域流速略有减小，深圳湾靠近香港一侧海域的潮流流速几乎不受影响；水质点运移轨迹路径变化也表明，工程影响的主要区域集中在工程区附近水域。因而，该填海工程对整个深圳湾海域的水动力环境影响是比较小的。

关键词关键词：： 潮流；数学模型；深圳湾；水动力环境

1 引言

随着我国经济的快速发展, 沿海开发城市和地区人口密度越来越大,沿海地区的人地关系显得越来越紧张。许多沿海国家和地区把围海造地作为与海争地、解决土地资源不足的重要途径之一，但是在扩大生存空间范围的同时却对海洋环境造成了负面影响，对于一个以潮汐动力为主的半封闭海湾的影响则更为明显。围海造地所带来的直接影响是海湾的纳潮量随着填海规模的扩大而减小，纳潮量减少将会带来一系列的水动力变化，如进出海湾的潮流流速减小、海湾污染物的水体降解能力即水环境容量下降以及由水动力变化而引起的海床滩槽地形的冲淤变化等。因此，在填海工程实施前，分析评价填海工程对海湾及周边水域的水动力环境的影响是十分必要的。本研究以深圳湾填海工程为例，通过潮流数学模型对工程前后的潮流流态和流迹线变化以及纳潮量的变化来分析评价该填海工程对深圳湾的水动力环境的影响。

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2 深圳湾概况

2.1 2.1 地形地貌地形地貌地形地貌

深圳湾位于伶仃洋东侧中部，地处深圳经济特区的西南面，为珠江口伶仃洋东侧中部的一个外窄内宽的半封闭海湾（图1）。海湾湾长17.5km ，湾宽各处不等，湾内自然水深一般小

于5m [1]。除湾北岸蛇口港区前沿因人工开挖水深较大外，湾内大部分为浅滩，水下地形比较平坦，在沿湾中轴线区域有一水深超过5m 的浅槽。深圳湾水深由湾口至湾顶逐渐变浅，口门区海域平均水深为3.9m ，口门以东海域平均水深约为1.9m 。

2.2 2.2 潮汐潮流潮汐潮流潮汐潮流

深圳湾海域潮汐系数K =1.21，属于不规则半日潮，即在一个太阳日内有两次高潮和两次低潮，但相邻的高潮（低潮）潮位和潮时不相等，出现潮汐周日不等现象，同时浅海分潮也很显著。工程海域属弱潮区，潮差相对较小。落潮历时稍大于涨潮历时。

深圳湾为伶仃洋的副湾，形状类似于盲肠。在深圳湾湾口伶仃洋的潮流部分从侧向进入深圳湾，由于湾内水深变浅，同时受湾内地形约束，潮流基本上呈SW —NE 向往复流，涨潮流进入湾内后，潮流流向逐步偏向东北，落潮方向大致呈西南向，涨落潮方向基本与水道走向一致，为一个典型的由潮汐动力塑造的海湾。

图1 深圳湾形势示意图 图2 填海工程平面布置图 3 填海工程

本填海造地工程位于深圳湾北岸的蛇口港区一突堤码头和蛇口港客运码头之间（图2），形成陆域面积34.5×104 m 2，约占深圳湾水域面积（91.2×106m 2）的0.38%，共需423.7×104 m 3土方量。形成陆域南端有一向东南向延伸115m 的突堤，并在填海工程东部建一面积为1.3×104 m 2的小型人工岛[2]。

4 平面二维潮流数学模型

4.1 .1 控制方程控制方程控制方程

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在笛卡儿直角坐标系下，根据静压和势流假定，沿垂向平均的二维潮流基本方程可表述为如下形式：

连续方程：

∂ζ∂∂∂ζ∂∂ζt x

h u y h v ++++=[()][()]0 （1） 动量方程：

)()(2222y

u x u h x g fv y u v x u u t u x b x s x ∂∂+∂∂=+−−∂∂+−∂∂+∂∂+∂∂εζρττζω （2） )()(2222y

v x v h y g fu y v v x v u t v y b y s y ∂∂+∂∂=+−−∂∂++∂∂+∂∂+∂∂εζρττζω （3） 上述各式变量的物理意义和参数的选取以及具体的求解过程可参考文献[3]。

4.2 .2 模型设计模型设计模型设计和验证和验证和验证

鉴于填海工程海域潮流运动的复杂性和满足工程尺度的要求，本次数模计算采用了整体和局部网格嵌套的计算方式。整体模型包括整个伶仃洋海湾，计算范围北起虎门，南至桂山岛外，东接香港汲水门，西临澳门洪湾水道，控制面积3750km 2，局部模型嵌套在整体模型东侧北部，包括深圳湾和大铲湾在内的563km 2水域。本模型对2004年10月17–18日的枯季大潮潮型水文资料进行了验证计算（水文测验点位置和验证结果可见参考文献[]）。模型所模拟的各站潮位过程与天然情况比较吻合，模型计算出的各条垂线的流速大小和流向变化与实测结果趋于一致，结果符合模拟规程要求[4]。

5 水动力变化分析

5.1 5.1 流态流态流态

图3和图4分别为模型模拟的深圳湾在填海工程前后的涨急、落急时刻的平面流态。现状条件下，深圳湾海域流态无论涨潮还是落潮，潮流流向与岸线走向基本一致，并呈现湾内流速大、靠岸水域流速小的特点。在深圳湾北侧靠岸水域由于码头较多，岸线复杂，在涨落潮过程中贴近岸边都存在一定范围的环流。在填海工程实施后，流态变化主要体现在两点：一是围填工程西南端，由于工程边界的影响，局部水流集中，使得工程区南端以南水域流速比工程前有所增加；二是原来靠近岸边的回流范围增大，并且旋转方向与工程前有所改变。受围填区南端尖角的挑流作用，涨潮阶段在工程区的上游近岸水域形成一逆时针的环流，环流范围较大；类似地在落潮阶段，受工程区的影响在下游水域形成一顺时针的环流。

涨急和落急时刻的工程前后流速变化范围为填海工程对附近水域产生的可能影响到的最大范围。图5中涨急和落急时刻由填海工程引起的流速变化范围，其中流速增加范围主要集中在工程区南端以南水域，离岸距离在3km 范围以内；流速减小范围则主要位于工程区上下游的近岸水域。距离填海工程较远水域的潮流流速基本不受影响，离工程较近海域的流速影响较大，但最大不超过0.10m/s 。因此，该填海工程对深圳湾潮流的流速影响范围是有限的，对深圳湾的潮流流动整体趋势的影响是非常小的。