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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 2: 124 - 131

DOI: https://doi.org/10.11978/2022087

Marine geomorphology

Impact of the coastal reclamations on topography evolution in the Qinzhou Bay, Guangxi

  • ZHANG Min , 1, 2 ,
  • WU Hangxing 2 ,
  • LU Yibin 2 ,
  • LU Diwen 2 ,
  • MI Jie 2 ,
  • ZHU Donglin 1 ,
  • CHEN Bo 1
Expand
  • 1. Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science, Guangxi Beibu Gulf Marine Research Center, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China
  • 2. School of Environmental and Geographical Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China
ZHANG Min. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2022-04-21

  Revised date: 2022-07-22

  Online published: 2022-08-15

Supported by

Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science, Guangxi Academy of Sciences(GXKLHY21-02)

National Natural Science Foundation of China(42171282)

National Natural Science Foundation of China(41930537)

Shanghai Pujiang Program(21PJC096)

Fold

Abstract

The Qinzhou Bay in Guangxi province is an important estuarine bay in south China. With recent intensive engineering construction and coastal reclamations, the topography evolution of the Qinzhou Bay is changed, which may influence the port shipping and shoreline stability. Based on two sets of coastline and underwater topographic data, we developed a coupled hydrodynamic-sedimentary dynamic numerical modelling system to simulate the impact of human activities on the dynamics of underwater topography evolution of the Qinzhou Bay in the past 35 years. Our results show that the reclamations optimize the spatial distribution of the flow field by slightly increasing the tidal flow velocity in the Longmen waterway and the outer bay; meanwhile, the reclamations changed the tidal asymmetry distribution, which may affect the development trend of the channel-beach pattern and the local erosion and deposition, mainly in the area of the northern Maowei Sea, the Longmen waterway, the middle of the outer bay, and around the Sandun Highway; moreover, the coastal reclamations had overall weakened the underwater geomorphology change of the Qinzhou Bay, and slightly increased the changes in the central Longmen waterway, but the spatial distribution of the change is more concentrated. The magnitude of change in the outer bay area decreased slightly, the trend of change was concentrated in the eastern and western waterway, while the change in the central waterway tended to be stable. Overall, maintaining a stable topography of the Qinzhou Bay is of great importance for the sustainable development of port shipping and coastal zone economy in the future.

Key words： sedimentary dynamics; numerical simulation; coastal reclamation; Maowei Sea

Cite this article

ZHANG Min , WU Hangxing , LU Yibin , LU Diwen , MI Jie , ZHU Donglin , CHEN Bo . Impact of the coastal reclamations on topography evolution in the Qinzhou Bay, Guangxi[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(2) : 124 -131 . DOI: 10.11978/2022087

广西钦州湾茅尾海是中国南方重要港湾与水产养殖基地(Yu et al, 2021)。近年来, 因社会经济发展需要, 人们对茅尾海的开发逐步升级(陈波 等, 2003)。围填海工程、跨海公路修筑和港口航道建设对岸线和地形产生直接影响, 导致湾区流场和冲淤态势发生变化, 进而改变未来茅尾海地形演变趋势, 可能对沿岸工程产生影响(孙永根 等, 2012)。
近年来有关钦州湾地区水动力和沉积动力的研究逐步增加。莫永杰(1993)通过对茅尾海海岸地貌成因类型和驱动力分析, 探讨了沉积物来源和地貌演变趋势。张伯虎(2010)利用钦州湾多年实测水沙资料, 运用数理统计法研究了重点港湾的水文泥沙特征, 并探讨了钦州湾未来冲淤演变趋势。阎新兴等(2006)基于水动力条件和沉积特征分析, 认为钦州湾外泥沙来源较少、水体含沙量小, 因此围垦对茅尾海影响不大。牙韩争等(2017)认为三墩公路建设促使湾外海域流速增大, 潮流流向由东南向变为西南向, 导致茅尾海纳潮量下降。李逸聪等(2017)认为钦州湾围垦虽小幅占用水道, 但对茅尾海的水动力影响较小。近期, 杨留柱等(2019)研究认为高强度人类活动导致茅尾海潮流动力减弱, 淤积加剧。曹超等(2020)认为钦州湾水下地形复杂多变, 大规模围填海工程导致水下地形演变加剧, 近岸淤积加重。吕赫等(2021)认为龙门水道围垦导致余流减弱, 茅尾海纳潮量减小, 不利于湾内水体向外扩散。同时, 纳潮海湾地貌演变研究也是国际热点问题, 例如Dissanayake等(2013)模拟了潮汐和波浪边界条件驱动下, 人类影响对瓦登海纳潮海湾演变的影响。
综上所述, 目前针对钦州湾的研究主要集中在围填海工程对水动力环境的影响分析, 而没有基于实测地形采用沉积动力模型实现对未来水动力场的预测模拟。前人针对历史地貌演变和未来水下地形演变趋势的研究, 主要利用多年实测水下地形或经验公式法分析, 而基于数学模型计算法研究较少, 缺乏较为直观的数值模拟预测结果分析, 缺少针对钦州湾整体的沉积动力过程模拟。本文以1985年和2020年两个时间点为基准年份, 预测未来30年茅尾海地形演变趋势, 实现围填海工程对钦州湾水动力环境变化以及滩槽格局冲淤演变整体研究, 这对钦州湾的航道治理、生态环境保护有一定指导意义。

1 研究区

茅尾海位于钦州湾北部, 三面环陆, 通过龙门水道与外湾连接。茅尾海是连接内陆河流和钦州湾外湾的重要水域, 承担了内陆航运和外海运输的重要水路运输功能(陈波 等, 2003)。茅尾海的潮汐属于正规全日潮, 潮流属不规则全日潮流(董德信 等, 2014)。连接茅尾海的主要入海河流有4条, 其中西侧有茅岭江, 北部有钦江、大榄江和石江, 航道遍布, 是一个典型的河口型海湾。钦江年均径流量约12亿m3, 茅岭江年均径流量约16亿m3 (董德信 等, 2014)。钦州湾整体呈现南北开阔, 中部狭窄, 葫芦状的地形特征。从图1中可以看到, 茅尾海区域由于内陆河流带来的大量泥沙, 以及龙门水道狭窄的地形, 导致茅尾海内水流输沙能力较差。湾内沉积作用明显, 水深较浅, 仅在4~9m左右, 而湾外以及中部龙门水道, 水深较深, 多在10m以上, 外湾的东、中、西3条水道水深多在15m以上。对比钦州湾1985年和2020年岸线可以发现(图1), 作为广西壮族自治区海运建设的重点地区, 由于在外湾东部靠近龙门水道的位置适合建造深水良港, 围填海工程的实施十分迅猛, 钦州湾港区、保税港区以及三墩公路的建设也改变了原有的岸线。其中, 三墩公路以及三墩作业区码头建设, 工程完工于2009年底, 岸线向海延伸约13.8km (杨留柱 等, 2019), 使得钦州湾内湾、茅尾海水动力环境和滩槽冲淤格局发生变化。
图1 研究区地貌与历史岸线围垦(遥感立体成像制图)

Fig. 1 Landform of the study area and the historical shoreline reclamations (remote sensing stereo-mapping)

2 方法

2.1 水动力-沉积动力模型耦合

地形演变基于水动力-沉积动力耦合(TELEMAC-SISYPHE)的数值模型模拟实现(Hervouet et al, 2000)。TELEMAC模型基于有限元法解算浅水动力方程组——圣维南方程组(Navier-Stokes)。SISYPHE模型基于流场水动力条件计算粘滞性和非粘滞性泥沙传播方程。两种模型的耦合计算基于同一套三角网格实现(图1)。其中, TELEMAC的计算结果包括水位和流速, 并将直接输入SISYPHE作为泥沙输运的解算条件, 从而形成地形沉积和侵蚀过程, 同时, 被更新的地形又反作用于影响潮速和水位计算。沉积动力模型模拟的直接耦合计算过程如图2所示。沉积动力模拟中沉积、侵蚀的输沙量等价于水流挟沙量, 基于公式(1)方程解算:
− 1 − n ∂ z ∂ t = ∂ S x ∂ x + ∂ S y ∂ y
式中: n是底床疏松度(单位: %), ∂ z ∂ t 是底床变化速率(单位: kg·m-1s-1), ∂ S x ∂ x是x向输沙率梯度(单位: kg·m-1s-1), ∂ S y ∂ y是y向输沙率梯度(单位: kg·m-1s-1)。
图2 水动力-沉积动力模型耦合计算流程

Fig. 2 Coupled hydro-morpho-dynamics model calculating process

2.2 模型设置

模型基于1985年和2020年地形和岸线分别设计了两套网格(图1)。不规则三角网最小分辨率20 ~ 30m, 最大分辨率1500 ~ 2000m, 并对围垦变化区做了加密处理, 其他区域网格保持一致, 以保证模拟结果的可比性, 总共形成了23000个网格, 其中70%位于钦州湾。水动力海洋边界采用TPXO9.0潮汐模型驱动(http://www.tpxo.net)。岸线设置成封闭边界, 但考虑沿岸流输沙过程。模型考虑潮滩随潮周期干湿变化过程。潮滩和海洋区域的底摩擦系数(k)分别设置成k = 0.01m和k = 0.001m (Mi et al, 2022)。底床物质干密度设置为640kg·m-3, 临界剪应力设置为0.5N·m-2, 泥沙边界条件设置为0.06kg·m-3。模拟时间步长设置成30s, TELEMAC和SISYPHE的交互步长同样设置成30s。模拟以前7d为模拟热启动阶段, 后30d为正式运行阶段, 模拟加速因子(fm)设置为400, 因此可作为未来30年的地形演变预测模拟。

2.3 模型验证

本文选取防城港果子山附近2012年两次台风(启德和山神)的实测水位数据做率定和验证(张敏 等, 2021)。测量自2012年8月15日至22日(台风山神)和10月27日至11月2日(台风启德)监测的天文潮位数据, 时间间隔为1h, 共计336h。水动力模型模拟采用2010年地形和2012年海岸线, 模拟结果提取至同一位置, 同样时间步长(1h)做对比(图3)。从结果比较来看, 数据在波峰和波谷略有高估或低估现象, 但误差在可接受范围之内。总体而言, 模型模拟与实测潮位差距较小, 台风启德均方根误差(root mean square error, RMSE)值0.61m, 平均归一化偏差(mean normalized bias, BMN)值0.1m和斯凯尔Skill值0.91; 台风山神RMSE值0.39m, BMN值0.05m和Skill值0.95, 说明模型所采用的岸线和水深数据可以用于模拟钦州湾实际的水动力情况。
图3 2012年模拟水位与实测水位对比

a. 台风启德; b. 台风山神

Fig. 3 Comparison of simulated and measured water level. (a) Typhoon Kai-Tak; (b) Typhoon Son-Tinh

2.4 潮汐不对称性计算

潮汐是受天体运动规律引力作用形成的一种海平面周期性升降运动。然而在浅水地区, 潮波传播受到地形、径流影响, 潮波会发生不同程度的变形, 导致涨落潮时间, 或高低潮位发生变化, 称为潮汐不对称性现象(Song et al, 2013)。潮汐不对称性现象对物质迁移和地形演变产生重要影响(Song et al, 2013)。根据潮汐调和解析理论, 潮汐信号可以分解成有限个对称的、不同频率正弦或余弦波的叠加(Zhang et al, 2020)。在钦州湾地区, 其潮汐不对称主要来自分潮K1、O1和M2的相互作用, 其潮汐不对称的强弱可用偏度(γ)衡量, 其公式表达为:
γ = 3 2 a 1 w 1 a 2 w 2 a 3 w 3 sin φ 1 + φ 2 − φ 3 1 2 a 1 2 w 1 2 + a 2 2 w 2 2 + a 3 2 w 3 2 3 / 2
式中: a 1 , a 2 , a 3、 w 1 , w 2 , w 3、 φ 1 , φ 2 , φ 3分别为对应K1、O1和M2分潮的振幅(单位: m)、频率(单位: Hz)和相位(单位: °)。当 γ < 0代表涨潮时间长, 落潮流速大, 落潮占优; 当 γ > 0代表落潮时间长, 涨潮流速大, 涨潮占优(Song et al, 2013)。

3 结果

3.1 围填海工程对潮汐流速的影响

钦州湾茅尾海北部流速小、南部流速大。茅尾海区域落潮平均流速0.3m·s-1, 涨潮平均流速0.4m·s-1, 落急最大流速0.9m·s-1, 涨急最大流速1.2m·s-1。因此, 钦州湾茅尾海落潮流速明显占优(图4)。1985年至2020年间围垦主要发生在钦州港港区、保税港区和三墩公路(表1)。围垦对流场的空间分布影响较大。与1985年相比, 围垦后2020年钦州湾三墩公路头部流速增大20%, 西侧导堤附近流速增大10%, 中部流路进一步聚集, 形成束水攻沙之势。中部龙门水道围垦后流速略微增加5%, 而茅尾海湾内流速变化较小, 仅增加2%。
图4 围垦前后流速对比: 涨急与落急时刻流场空间分布

a. 1985年涨潮; b. 1985年退潮; c. 2020年涨潮; d. 2020年退潮

Fig. 4 Comparison of flow field before and after reclamation: the spatial distribution during flood maximum and ebb maximum

表1 钦州湾1985年和2020年岸线长度和核心区围垦面积

Tab. 1 The historical shoreline length and the reclamation area in the core area of the Qinzhou Bay in 1985 and 2020

时间 岸线长度/km 时间 地点 围垦面积/km2
1985年 425 1992年 钦州港港区 10.09
2020年 525 2008年 保税港区 26.15
2009年 三墩公路 3.18

3.2 围填海工程对潮汐不对称性的影响

中国沿海的潮汐不对称性主要由K1-O1-M2、K1-M2-MK3、M2-S2-MS4、M2-M4 4种表现形式, 比较发现在钦州湾K1-O1-M2引起的潮汐不对称性最明显, 其他分潮引起的不对称性几乎可以忽略不计。钦州湾潮汐不对称性γ值呈面状分布特征, 整体变化范围在-0.8 ~ 0.5之间(图5)。1985年模拟结果表明, 钦州湾外湾海域落潮流占优, 中部龙门水道γ值在-0.5 ~ 0之间, 逐渐由落潮占优转化为涨潮占优水道。北部茅尾海靠近南部的地区落潮占优特征与外湾情况相似, 但已急剧减少, 且越往北部, 逐渐转化为涨潮占优, 其主要原因在于, 越靠近北部, 越临近江河入海口, 水深逐渐变浅, 受水底摩擦力增强所引起。相对而言, 2020年模拟结果表明, 外湾海域落潮占优的水域略微减少, 涨潮占优水域略微增加, 主要受三墩公路等围填海影响, 由于浅滩增多, 周围水域逐渐变为涨潮占优地区。茅尾海北部地区逐渐变化为落潮占优水域。总体而言, 围填海工程引起的潮汐不对称性变化主要发生在茅尾海北部、外湾西部潮滩和三墩公路周边地区。围垦导致的潮汐不对称性变化可能对潜在的地形沉积动力演变趋势产生影响。
图5 围垦前后的潮汐不对称度(γ)对比

a. 1985年; b. 2020年; c. 2020年减去1985年

Fig. 5 Comparison of tidal asymmetries before and after reclamation. (a) 1985; (b) 2020; (c) difference between 2020 and 1985

3.3 围填海工程对未来水下地形演变的影响

基于1985年和2020年水下地形和岸线, 分别模拟未来30年水下地形演变趋势(图6)。模拟结果表明, 在1985年地形和岸线基础下, 水下地形变化幅度较为剧烈且分散。茅尾海地区相较于中部以及外湾地区, 变化幅度较弱, 约在0 ~ 0.5m, 其主要原因在于内海地区的潮汐动力相对较弱, 对海床底部泥沙驱动力不足, 使得水下地形始终处于一个相对平衡状态; 中部龙门水道位置变化幅度最为剧烈, 约在-1 ~ 1m, 与上文大流速的结果密切相关, 潮汐流速的加快导致了海床地形的剧烈变化; 钦州湾外湾地区地形变化幅度略小于中部, 海床的变化主要集中在东、中、西3条主要水道上, 变化幅度在-0.5 ~ 0.5m。其中东侧和西侧水道的地形变化强于中部水道。在2020年地形和岸线基础上, 钦州湾整体的地形变化幅度略小于1985年且更集中。茅尾海区域的变化幅度仍然最小, 约在0 ~ 0.4m, 相较于1985年的模拟结果, 变化幅度下降0.1m; 龙门水道的变化幅度保持在-1 ~ 1m, 但极值区域更为集中, 中部地区的变化幅度略有减少; 钦州湾外湾区域地形变化幅度同样有明显的减弱, 变幅在-0.5 ~ 0.5m, 相较于围填海前的地形演变平均下降了约0.1m, 主要变化区域仍然集中在3条主要水道, 但变化趋势逐渐向东西两侧的水道转移, 中部水道变化趋于减小。
图6 未来30年水下地形演变趋势

a. 基于1985年地形; b. 基于2020年地形

Fig. 6 Projections of underwater geomorphology evolution over the next 30 years. (a) based on 1985 bathymetry; (b) based on 2020 bathymetry

4 讨论

根据潮汐水动力模拟结果表明, 茅尾海北部和西侧水深较浅, 涨潮时, 水流漫过潮滩进入河流; 落潮时再从主航道流出(夏长水 等, 2020)。中部龙门水道束窄、水深流急, 具有较大侵蚀趋势(李逸聪 等, 2017)。基于水动力模型, 考虑水沙迁移过程, 可发展平面二维沉积动力模型模拟水下地形演变(杨留柱 等, 2019)。水动力环境的改变会导致潮汐动力对水沙的潜在搬运和堆积作用发生改变, 从而影响水下地形的演变。本文通过数值模型模拟结果表明, 钦州湾近35年的围填海工程对水动力环境以及滩槽格局冲淤演变有一定影响, 包括:
1) 围填海改变了潮汐在钦州湾内的流速。外湾区域潮水的流速增加, 流速趋向于西侧水道, 而东侧水道由于岸线的扩展, 流速趋于放缓, 中部龙门水道位置流速增大, 茅尾海内部流速变化不大, 仅有少量减缓。在龙门水道的位置, 流速明显增大, 对保障航道通航安全具有积极作用(夏长水 等, 2020)。吕赫等(2021)得到相似结论, 认为由于茅尾海内潮汐动力减弱, 使得水体交换能力有所下降, 污染物难以扩散至外海。
2) 围垦改变流场特征, 进而改变潮汐不对称性, 主要表现在其对原有潮滩冲淤情况的改变。潮汐不对称性变化较大区域主要发生在茅尾海北部、龙门水道、外湾中部潮滩和三墩公路周边地区。受围填海地区水深变浅影响, 中部水道束窄, 潮汐动力减弱, 使得茅尾海潮流流速减小, 北部形成了落潮占优水域, 从而导致潮汐的挟沙能力减弱, 可能导致径流带来的泥沙无法被潮流场带走, 从而增加茅尾海北部淤积态势(夏长水 等, 2020)。口外三墩公路建设对潮流形成明显阻滞作用, 导致三墩公路形成的半包围海区潮汐不对称值明显减少, 说明该地区逐渐转化为落潮占优区域, 潮滩淤积态势将逐渐增加。中部龙门水道围垦导致水域面积略微减小, 潮汐水动力加大, γ值增大, 导致潮水的冲刷作用略微增强, 将会加深龙门水道及其两侧潮滩的深度。
3) 围填海之后, 随着岸线的改变, 潮汐水动力场随之变化, 水下地形的演变趋势发生变化。基于1985年和2020年的水下地形和岸线, 模拟得到未来30年水下地形变化趋势显示, 在围填海之后, 钦州湾整体水下地形变化幅度减弱, 相较于围填海前, 茅尾海水域变化幅度减少0.1m; 中部龙门水道变化略微增加, 但变化范围更为集中; 外湾地区, 变化幅度减少0.1m, 变化趋势向东西两侧水道集中, 中部水道变化趋于稳定。
近年来, 钦州湾正经历较大海岸围垦。国内外对于围垦工程作用下的动力地貌演变研究关注较多, 其中以长江口较为典型, 长江口南汇浅滩研究表明, 密集的河口工程可能会阻碍河流筑坝对河口浅滩的影响(Wei et al, 2017)。钦州市建设滨海新城, 明确要求茅尾海要发展成“碧海金沙”的海岸景观格局(孙永根 等, 2012)。同时, 为服务钦州湾港口发展, 茅尾海需要有足够大的纳潮量, 以保障深水航道的通航能力(杨莉玲 等, 2019)。滨海渔业养殖也需要保证高品质的生态环境(李莎莎 等, 2014)。近年来, 针对茅尾海深水航道进行了3期清淤工程, 改善了通航条件(夏长水 等, 2020)。未来, 有必要进一步分析航道浚深、人为采砂等水下地形变化对动力地貌演变的影响。同时, 广西政府计划修建的平陆运河可能使得茅尾海水动力环境和滩槽冲淤格局发生一定变化。今后, 对茅尾海及钦州湾的综合整治, 除了以清淤为主的直接性航道疏浚工程外, 还需要从滩涂围垦和海岸工程建设出发, 科学合理地规划海域用地, 才能有效的平衡海岸带经济发展、通航安全和自然生态环境保护之间的关系, 这对钦州湾未来可持续性发展具有重要意义。

5 结论

近期, 钦州湾开展的一系列围填海工程改变了潮汐水动力, 略微增加了龙门水道和外湾地区的潮汐场流速, 进而改变潮汐不对称性, 变化较大区域发生在茅尾海北部、龙门水道、外湾中部和三墩公路周边, 对滩潮格局发育和局部冲淤态势产生影响。沉积动力模拟表明钦州湾中部龙门水道侵蚀略微增加, 但变化范围更为集中, 外湾地区变化幅度略微减少, 变化趋势向东西两侧水道集中。总体而言, 围垦工程导致钦州湾水下地形变化趋于稳定, 对维持港口航运和海岸带经济可持续性发展具有重要意义。

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