渤海风暴潮对沿岸增水的影响及灾害风险评估

近10多年来,我国围填海工程发展迅速,渤海海岸线变化明显,岸线变化会改变潮波传播并影响风暴潮增水。基于FVCOM海洋动力学模型,利用潮汐和风场强迫,建立了渤海风暴潮模型,根据2000年岸线和2010年岸线,分别模拟了包括台风风暴潮和寒潮风暴潮在内的4次典型风暴潮过程,对模拟数据和实测数据进行统计分析,模拟结果与实测数据基本一致。研究了岸线变化前后,渤海风暴潮对近岸増水的影响,并对曹妃甸港、天津港和黄骅港的风暴潮增水灾害进行了风险评估。     

渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟

为探究渤海岸线及水深变化对水动力的影响,基于Delft3D水动力学模型,选用2003年和2015年作为围 填海前后的典型年份,建立了围填海前后岸线及水深条件下的渤海三维水动力模型,并对水动力场进行了模拟。通过对围填海前后潮波和潮余流的分析,得到了岸线及水深变化对渤海水动力场的影响。结果表明:填海后,岸线及水深变化会对渤海主导分潮M₂分潮产生较大影响,秦皇岛附近无潮点向西北方向偏移,渤海海域M₂ 分潮振幅总体减小;潮致余流场受岸线及水深变化影响较大,其中渤海湾曹妃甸港南部形成复杂的涡流,沿岸海域余流增大;滨海新区附近形成多个小范围环流,且天津港到黄骅港北部沿岸海域2015年余流比2003年增加3~5 cm/s;黄骅港南部形成一个逆时针环流,并且该处余流减小2~5 cm/s。辽东湾辽河口附近由于水深增加导致余流减小2~7 cm/s。莱州湾黄河口附近的逆时针环流向东南方向移动,黄河口北部余流略有减小,东南部余流明显增大,增加量最多能达到9 cm/s。刁龙嘴南侧顺时针环流减小,北侧顺时针环流增大4~9 cm/s。     

围填海工程对渤海湾风浪场的影响

为了深入了解围填海工程对波浪场特别是风浪场的影响,针对10 a 围填海工程对渤海湾地形岸线的改变,将 SWAN(Simulating Waves Nearshore)海浪数值模式应用到渤海湾,讨论了人类大工程对渤海湾风浪场的影响.采用欧洲气象中心每天4次的风场资料作为驱动,模拟渤海湾2000年和2010年的风浪场,着重分析岸线变化显著的3个港口工程(曹妃甸、天津港和黄骅港)附近海域的波浪要素变化.研究结果表明,工程建筑物存在后,有效波高呈减小趋势,港池和潮汐通道内的有效波高减小幅度较大.港口地理位置和海底地形也与岸线变化共同影响着港口附近海域的波浪场分布.围填海工程对波浪有效波高及周期影响的程度不大,有效波高减小值在0.2 m 以下,周期几乎不变.     

一次典型寒潮风暴潮过程的数值模拟研究

建立了渤海及邻近海域天文潮与风暴潮的耦合模型。在验证的基础上,以2003年10月寒潮为例,分析了寒潮作用下渤海沿岸的增、减水及潮流场的时空分布变化特征。结果表明,寒潮作用下渤海湾沿岸增水幅度较大,水位振荡明显;潮流运动发生较大改变,局部海域的往复流转化为单向流,可能会影响渤海湾沿岸泥沙的运动。     

废黄河三角洲贝壳堤岸滩的风暴潮动力响应

渤海湾西南岸大口河口至马颊河口一线分布着大口河岛、高坨子、棘家堡子和汪子岛等贝壳堤(岛)。以2003年10月10—12日发生的50年一遇的温带风暴潮为动力条件,结合对历史文献、海图、卫星影像等资料的分析,利用FVCOM和SWAN数值模式,耦合模拟了黄河废弃三角洲不同时期代表性岸线形态约束下贝壳堤近岸的波浪、潮流等动力响应特征。贝壳堤的规模、形态、分布等受特殊的岸线形态、海滩物质组成以及由ENE、NE强风驱动的风暴潮动力场等所控制。由于黄骅港和滨州港超长防波堤的掩护作用,在同等风暴潮强度下,贝壳堤近岸的潮位、流速和波高均有所减小,有利于贝壳堤的加积和稳定性。     

黄骅港地区岸线变迁及滩面—浅海区形态变化

在黄骅港附近岸段开展了岸线实地调查和潮间带年际监测,并结合历史资料和图鉴对比等手段,对黄骅港两侧岸线变迁及滩面—浅海区形态变化过程及其趋势进行了综合研究。结果显示:(1)黄骅港附近的岸线(老狼坨子岸段、大口河岸段)在过去50余年间普遍经历了岸线的蚀退过程。但进入20世纪80年代、特别是90年代黄骅港建设以来,建港及围海造陆工程使老狼坨子—冯家堡段的海岸线人为向海推进,而大口河岸段因人类活动较少、以及黄骅港防砂堤对沿岸流的阻隔,其岸线仍基本保持蚀退状态。(2)黄骅港建港对北侧的老狼坨子潮间带影响明显,造成该区现代沉积作用极为活跃,2004—2006年的滩面监测结果显示,其总体上保持淤高的趋势。南侧的大口河潮间带,2005—2007年的滩面监测结果显示,潮间带上部未见明显的变化、潮间带下部明显淤高。与80年代数据对比显示,这两个滩面的坡度均变缓。(3)近30年来,黄骅港海域河流作用日益减弱,海洋动力不断增强,塑造了废弃三角洲中—晚期地貌组合和潮道—泻湖沉积体系。1995年黄骅港建港以来,海洋水动力发生局部变化,并参与了对部分浅海区海底形态的塑造,但现有的数据表明,其影响仅限于潮间带和港口-航道防砂堤附近。     

近三十年来曹妃甸岸线岛体时空演变特征分析

在对1979年、1987年、1991年、1997年、2002年-2005年、2008年、2012年十个时期曹妃甸遥感影像图解译的基础上,从自然地理学角度对岸线和岛体历史演变趋势进行系统分析,得到曹妃甸岸线和岛体动态变化。研究结果显示,曹妃甸岛体面积在近半个世纪发生了较大的变化,由0.34 km2增加为227.34 km2;岸线整体表现为向海推进,1979年曹妃甸陆域岸线25.21%为自然岸线,之后自然岸线比例逐渐减少,自2002年起人工岸线占据了曹妃甸陆域岸线的全部,2012年岛体整体人工岸线长度较1989年自然岸线增长10倍之多;岛体在自然演变时期呈现中部侵蚀、两端淤积、端点延长、西向漂移且中心点逐步向大陆靠拢的变化特征,自2005年起自然状态岛体已不复存在。     

渤海海岸线的时空变化

渤海已成为中国社会经济发展中广受关注的重点区域。通过对比不同时期渤海岸线长度、面积等要素,重点分析了渤海海岸线30年来时空变化特征。研究结果表明,30年间,渤海海岸带岸线以向海扩张为主,海岸线长度总体呈增加趋势,由1986年2 370.82 km到2016年3 437.59 km;人工岸线占比快速增加,其中最多的为围堤岸线;2006—2016年间各岸段终点速率变化最大,天津段和山东段的海岸线一直保持较高的终点变化速率,并以海岸线前进为主要趋势,表明天津、山东的经济活动范围不断向海洋拓展。研究期间,渤海各岸段的岸线利用程度有不同幅度的提高,总体表现为海岸工程建设、围海造地,人类的活动对岸线的影响已经占据主体地位,围海造地是海岸线变迁的主要驱动因素。     

夏季黄海中北部孤立气旋对渤海风暴潮影响模拟研究

应用经验风场模型刻画夏季黄海中北部孤立气旋的风场,利用数值模拟开展孤立气旋强度和移动路径对渤海内风暴潮的定量影响研究。结果表明：受黄海中北部孤立气旋的影响,渤海中3个海湾的最大风暴潮分别发生在各湾顶附近的葫芦岛站、黄骅站和潍坊站,渤海海峡内最大风暴潮对气旋路径的敏感性较小。渤海沿岸潜在最大风暴潮与黄海中北部孤立气旋强度存在幂指数相关关系■。初步分析得出造成渤海内海湾和海峡较大风暴潮的孤立气旋的移动关键区域分别为威海市东南附近海域、烟台市东部及威海市北部沿海海域、烟台市东部沿海海域、青岛市东部—威海市南部沿海海域。     

唐山市海岸线变化特征及环境影响效应分析

对唐山市1979-2012年以来5个不同时期的遥感数据进行解译,结果显示33年间海岸线长度增加了81.8 km。岸线变化主要受人类活动的影响,其变化对应了经济发展的三个时期:1979-1991年是海洋工业和海水养殖业从起步到迅速发展的阶段,盐田、养殖池等人工堤坝岸段快速增长;1991-2000年是港口发展起步,海洋工业和海水养殖业平稳发展的阶段,各类岸线长度增长缓慢;2000-2012年是曹妃甸区、唐山港等重大工程建设迅猛发展的阶段,港口岸线迅速增长。受海岸线变化的影响,唐山沿海沙坝—泻湖地貌体系遭到了破坏,曹妃甸海域海洋水动力条件发生了改变。预测至2020年,在沿海经济开发的影响下唐山市海岸线长度将继续增加。     

河北省沿海风暴潮特征及成因分析

以秦皇岛、京唐港、曹妃甸、黄骅4个验潮站的实测潮位和逐时风的数据为基础,以2013年河北省政府发布的风暴潮四色警戒潮位值为标准,统计了2008-2017年10 a河北省沿海的风暴潮过程,从警报级别、区域分布、时间分布、天气系统、经济损失5个方面分析河北省沿海风暴潮特征,并从地形、天文潮与天气系统配合、海平面上升、全球变暖引发的气候异常4个方面分析了影响河北省沿海风暴潮的成因,分析得出:受天气系统的影响,7-10月是河北省风暴潮高发时段,且由于河北省岸线分布特点,沧州市沿海受到风暴潮影响的次数最多,唐山和秦皇岛次之,沧州和唐山地区的风暴潮过程多由东北向大风引起,而秦皇岛地区的风暴潮过程多由东南向风引起。     

近十年来渤海湾围填海工程对渤海湾水交换的影响

近十年来我国海岸带地区快速城市化,对土地的需求持续高涨,导致沿海地区围海造地现象愈演愈烈,海湾纳潮海域面积持续萎缩,对海湾的水交换带来了较大压力。为此,选取我国海岸带快速城市化的典型区域——渤海湾为例,研究近十年来渤海湾海岸带城市化对渤海湾水交换的影响。基于国际流行的MIKE3水动力模型耦合粒子追踪模块,应用2000年和2010年两个典型年份的渤海湾岸线资料,分别计算了2000年和2010年渤海湾环流系统及其驱动下的水质点运移规律和变化特征。研究将渤海湾划分为8个区块,定量化研究和对比了近十年来由于渤海湾持续围填海导致的海湾水存留时间和不同区块水交换能力的变化。结果表明,随着近十年来渤海湾沿岸快速城市化产生的岸线变化,导致湾内环流涡旋增多,决定湾内水交换的流场结构发生了显著变化,导致各区块的水交换能力和平均水存留时间不仅存在较大差异,而且发生了显著的变化。与2000年相比,2010年天津港、黄骅港和曹妃甸港区海域的平均水存留时间明显增加,水交换率下降,对区域水质的改善十分不利。     

河北省近岸海域海水淡化取水水质适宜性分析

为了在河北省近岸海域给海水淡化项目选出水质优质的水源地,笔者于2016年8月对河北省近岸海域进行取水测试。一共布置了50站位,采集了50件水样,样品测试内容有:pH值、浊度、污染指数SDI、溶解氧、余氯、锰、铁、悬浮物含量、油类、悬浮物颗粒平均粒径。评价结果显示:河北省沿海监测站位除了悬浮物指标其他指标均满足低温多效蒸馏法海水淡化系统进水要求外,悬浮物在曹妃甸以西海域和沧州黄骅港以东海域超标,进行淡化预处理可采用威立雅公司提供的一体化高效混凝沉淀设备进行预处理,大清河以东海域可以采用一般的澄清过滤工艺进行预处理;各站位均不满足反渗透法淡化系统直接进水要求;部分站位满足反渗透法超滤预处理装置进水要求,影响进水要求的指标为浊度,在沧州港池北侧及曹妃甸港以西、大清河口和滦河口岸边不满足进水要求,其他站位均满足进水要求。沧州海域和曹妃甸以西海域不适合采用反渗透法进行淡化。曹妃甸以东至大清河之间可采取一般的混凝、澄清、过滤进行处理工艺。大清河以东海域可以采用超滤进行预处理。     

拉格朗日拟序结构分析渤海湾岸线变化对物质输运的影响

科学评估围填海对海洋中物质输运的影响,对海洋环境保护和管理具有重要的意义。本文采用非结构网格有限体积海洋模型 （FVCOM） 模拟渤海湾 2004 年和 2018 年岸线变化前后水动力场,通过拉格朗日拟序结构的方法,评估岸线变化 对物质输运的影响。结果表明：岸线变化后,物质自近岸向湾内的扩散加强,且物质的输运通道和聚集区发生改变。曹妃甸附近原有清晰输运和聚集区域消失,物质向湾内输运;黄骅港阻碍了西部水体沿岸的南下路径,并在防沙堤顶部形成新的聚集区;渤海湾东南区域的物质输运通道向东延伸,输运能力加强,且聚集面积减小。     

黄、东海天气系统对渤海风暴潮影响

渤海沿岸是风暴潮多发区域。研究者多关心渤海局地风引起风暴潮变化,而忽略黄、东海天气系统对渤海风暴潮的影响。为研究外围天气系统对局地风暴潮的影响,本文采用实测资料对比和设计理想数值试验等方法,对黄、东海天气系统影响的渤海风暴潮进行了研究。结果表明:1、TY1814"摩羯"和TY1818"温比亚"台风风暴潮的实测资料呈现当黄、东海风力较大,而渤海风力较小时,渤海沿岸也会出现较大风暴潮现象; 2、从FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模拟的理想数值试验中发现,黄、东海风向是东南风时,引起渤海沿岸风暴增水极值最大;3、以入海气旋和登陆北上台风两种类型天气系统风向变化设计理想数值试验,发现黄、东海的东南风持续时间对渤海沿岸风暴潮极值大小和出现时间影响较大。理想试验获得的结论不仅能为渤海风暴潮预测和防灾减灾提供理论依据,还能够有效减少预警应急中漏报的现象,降低沿海经济损失。     

南海鸢乌贼中型群雄性个体肌肉和性腺组织能量积累及其分配

利用组织能量密度测定技术和残差指标分析方法, 分析了南海鸢乌贼中型群雄性个体肌肉组织和性腺组织的能量积累及其分配变化过程。结果显示, 胴体、尾鳍、足腕、精荚复合体、精巢等组织的能量密度值分别为21.16±1.44、21.98±1.51、21.44±1.50、20.83±1.70和21.41±1.70kJ?g ^-1。胴体和精荚复合体两组织的能量密度在不同性腺成熟度之间均存在显著性差异, 而尾鳍、足腕、精巢等3种组织的能量密度则在不同性腺成熟度之间均没有统计学差异。个体总能量积累为299.31±90.81kJ; 随着个体生长, 总能量积累呈现增加的趋势。胴体、足腕和尾鳍等肌肉组织的能量占比为95.31%~98.04%, 随着性腺发育呈现降低的趋势; 精巢和精荚复合体等性腺组织的能量总投入占比为2.63%~5.33%, 随着性腺发育呈增加的趋势, 并在Ⅴ期达到最大值。同时, 残差指标分析显示, 胴体、尾鳍、足腕等肌肉组织能量积累-胴长残差与性腺组织能量积累-胴长残差呈显著的正相关关系, 表明个体性腺发育过程中肌肉组织能量没有转化用于性腺组织的生长发育, 其生殖能量投入倾向于外源性投入。初步掌握了南海鸢乌贼中型群雄性个体肌肉和性腺组织能量的积累变化过程, 为深入了解它们的繁殖策略和为可持续开发利用该种类资源提供了科学基础。     

渤海倾倒区沉积物重金属富集特征及其潜在生态风险评价

根据2012年渤海6个海洋倾倒区沉积物重金属监测结果,采用富集系数法和潜在生态风险评价法对Hg、Cd、Cu、Pb、Zn、As共6种重金属富集特征和潜在生态风险进行了分析和评价。结果表明:渤海倾倒区沉积物中As、Zn、Hg、Pb富集度相对较高,Cu和Cd富集度较低。其中,黄骅倾倒区(C1区)和天津港倾倒区(C区)As富集显著,为较高和中等污染程度;葫芦岛港倾倒区Hg、Zn、锦州港倾倒区Zn富集达到中等污染程度。渤海倾倒区沉积物重金属综合潜在生态风险处于较低水平,风险排序为AsCdHgPbCuZn。其中具有较高潜在生态风险的重金属为Hg、Cd和As,分布区域在葫芦岛港、锦州港和黄骅港倾倒区。     

曹妃甸诸岛形态变化研究

在解译 1979-2012年间典型历史时期遥感影像的基础上,研究曹妃甸诸岛形态演变情况。研究显示,曹妃甸岛围填 海 （ 2003年 ） 前自然变化较小,但整体形态呈逐渐缩小、向内陆弯曲趋势。随通岛路的建成 （ 2005年 ） ,自然岛体消失,人 工岛体面积逐渐扩大。除曹妃甸因围填海面积扩大外,其周边诸岛均呈面积缩小趋势,已经处于末年期,自然演化状态已趋 于终止。分析曹妃甸诸岛演变过程,除受围填海和挖沙等人为活动影响外,来水来沙量减少、风暴潮频发、水动力条件影响 是曹妃甸诸岛演变的主要自然影响因素。     

090415渤海黄海北部灾害性海浪风暴潮过程灾情成因分析及灾后反思

2009年4月15日,受强冷空气和低压槽共同的影响,渤海、黄海北部形成4～5m的巨浪区,龙口外海的康菲海上石油平台实测最大有效波高4.8 m;渤海湾塘沽潮位站实测最大风暴增水173 cm,黄骅潮位站实测最大风暴增水176 cm.河北省、山东省、天津市沿海发生了较严重的温带风暴潮和海浪灾害,遭受到不同程度的经济损失和人员伤亡.此次过程是自2007年3月3日发生渤海黄海特大温带风暴潮海浪灾害以来较为严重的一次海洋灾害.本文简要分析了风暴潮与海浪灾害的天气形势及海浪风暴潮特点,讨论了海洋灾害的成因,并就其灾后反思及预防对策进行了探讨.     

渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程（包括台风、寒潮和温带气旋）,模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。