随着经济的发展及人口的增多，沿海地区对土地资源的需求量不断上升。为缓解用地不足的矛盾，中国沿海省市实施了大量围垦工程，近30年来全国沿海被围垦的海岸线占比增加约31.5%^[1]。围垦工程在提供了大量土地的同时，势必会对临近水域的水沙动力、物质循环、生态环境产生影响^[2]，且不同围垦方法及围垦区域对河口海湾环境的影响可能不同^[3]。研究不同围垦区域对临近河口海湾水沙特性的影响可为海岸工程的选址建设提供理论依据^[4]。

杭州湾位于浙江省北部、长江口南部，轮廓呈喇叭口状。湾口由北岸上海市芦潮港至南岸宁波市镇海区甬江口，湾顶由北岸嘉兴市澉浦镇至南岸余姚市西三闸，杭州湾水域面积约为5 000 km²，平均水深8~10 m^[5]。杭州湾为典型的强潮高含沙河口湾，潮波变形剧烈，湾顶澉浦区域实测最大潮差高达8.9 m，实测表层悬沙浓度高达10.6 kg/m^3[6]。由于城市建设、水产养殖、码头工程用地的需要，杭州湾沿岸实施了大量围垦工程，20世纪70年代至2014年间杭州湾年平均围垦速率为21.8 km²/a^[7]，且围垦工程至今仍在继续，并分布在杭州湾多个区域。

目前国内外学者针对围垦工程对邻近海域水沙特征的影响展开了大量研究。Li等^[8]分析了象山港滩涂围垦对港内水动力泥沙的影响，指出围垦工程实施后，潮流动力减弱，象山港外湾悬沙浓度明显减小。Gao等^[9]指出胶州湾围垦工程减小了湾内悬沙来源，胶州湾悬沙向外海输移的趋势在不断减小。姜胜辉等^[10]分析了围垦工程对莱州湾流速、纳潮量等水动力参数的影响。鲁友鹏等^[11]研究了杭州湾南岸不同时期围垦工程对邻近金塘水域流场的影响。然而由于杭州湾三维悬沙数值模拟的精度所限^[12-13]，以往的研究多集中在分析岸线的年际变化对杭州湾水动力条件的影响，进而间接的考虑其对泥沙动力过程的影响。直接分析杭州湾内各区域围垦工程对其水沙特征影响的研究较少。本文通过建立杭州湾三维水沙耦合数值模型，分析杭州湾内各个区域实施的围垦工程对其潮差、流速、悬沙通量等水动力泥沙特征的影响，可为河口海湾围垦工程的环境影响评价及选址提供参考依据。

1 杭州湾三维水沙耦合数值模型

在非结构网格有限体积法海洋数值模式FVCOM^[14]的基础上，耦合悬沙浓度对水体密度、底边界层的影响，并引入絮凝沉降公式，建立杭州湾悬浮泥沙三维水沙耦合数值模型^[15]。

1.1 FVCOM模式控制方程

FVCOM水平方向采用非结构三角形网格，垂直方向采用σ坐标系，能够较好的拟合杭州湾海域曲折的海岸线和复杂地形变化，数值计算方法采用有限体积法，同时基于干湿网格判别技术来处理潮滩边界^[16]。

FVCOM水动力模式的动量方程、连续方程表示为：

$ \begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial t}+u \frac{\partial u}{\partial x}+v \frac{\partial u}{\partial y}+w \frac{\partial u}{\partial z}-f v=\\-\frac{1}{\rho} \frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial}{\partial z}\left(K_{m} \frac{\partial u}{\partial z}\right)+F_{u} \end{aligned} $

(1)

$ \begin{aligned} \frac{\partial v}{\partial t} &+u \frac{\partial v}{\partial x}+v \frac{\partial v}{\partial y}+w \frac{\partial v}{\partial z}+f u=\\ &-\frac{1}{\rho} \frac{\partial P}{\partial y}+\frac{\partial}{\partial z}\left(K_{m} \frac{\partial v}{\partial z}\right)+F_{v} \end{aligned} $

(2)

$ \frac{\partial P}{\partial z}=-\rho g $

(3)

$ \frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}=0 $

(4)

式中：x、y、z分别为坐标轴东向、北向和垂向的分量；u、v、w分别为x、y、z方向上的速度；P为压强；f为科式力参数；ρ为海水密度；g为重力加速度；F_u、F_v分别为x、y方向上的动量扩散项；K_m为垂直涡动粘性系数。

1.2 杭州湾三维悬沙模型

杭州湾三维悬沙数值模型控制方程、模型参数、网格设置、模型验证参见文献[15]。本模型双向耦合水沙密度，引入了悬沙浓度对底边界层的影响，并考虑了细颗粒泥沙絮凝作用对沉降速度的影响，在杭州湾大面积海域均具有较高的准确性，此处不再详述。

1.3 实验工况

本文基于Landsat卫星影像，提取杭州湾海域1974、2013年岸线数据(图 1)。为研究不同区域的围垦工程对杭州湾水动力泥沙特征的影响，将1974-2013年间杭州湾被围垦的区域分为4块，分别为湾顶以上区域(图 1中斜线区块)、内湾区域(图 1中点区块)、外湾区域(图 1中竖线区块)、湾外区域(图 1中横线区块)。这4块围垦区域的面积分别为498.6、182.2、205.2、193.7 km²。在2013年控制工况的基础上，依次将这4块区域恢复为1974年未围垦的状态，以此来分析各区域围垦对水动力泥沙环境的影响。

实验工况设置如表 1所示，其中工况实验1用于模型验证，工况实验2~5在2013年岸线的基础上，分别将湾顶以上区域、内湾区域、外湾区域、湾外区域恢复为1974年未围垦的状态，分析各区域围垦工程对杭州湾水动力泥沙特征的影响。工况实验6采用1974年的岸线数据，以此来分析各区域围垦工程联合作用下的影响。实验1~6除岸线不同外，其他边界条件及水动力泥沙参数的设置完全相同。

2 围垦区域对水动力过程的影响 2.1 潮差及纳潮量的变化

图 2、表 2分别给出了各区域围垦工程实施后，大潮期间杭州湾海域最大潮差、最大纳潮量的变化。湾顶以上区域围垦工程实施后(实验1-2)，金山断面以西壅水作用增强，高潮位增加，大潮期间杭州湾(澉浦-芦潮港段)纳潮量增大约3.2%。杭州湾内湾(澉浦-金山段)潮差增大约0.3 m(图 2(a))，杭州湾湾顶以上水域潮差增幅超过1 m(图 2(a))，杭州湾外湾(金山-芦潮港段)潮差变幅较小。湾内的壅水阻碍了东海潮流，使得湾外最大潮差降低约0.2 m(图 2(a))。

杭州湾内湾、外湾的围垦工程实施后，最大潮差在杭州湾海域均匀增大，其中内湾围垦工程实施后(实验1-3)，杭州湾潮差增大约0.08 m(图 2(b))，纳潮量减小约0.3%。外湾围垦工程实施后(实验1-4)，杭州湾潮差增大约0.16 m(图 2(c))，由于外湾围垦区域水深较深，围垦后储水体积减少较大，杭州湾内纳潮量减幅高达5.9%。杭州湾湾外的围垦工程实施后(实验1-5)，围垦工程附近的长江口南槽的潮差明显增大，杭州湾内潮差增大约0.05 m，纳潮量增大约0.9%。

1974年来杭州湾沿岸的围垦工程实施后(实验1-6)，杭州湾内最大潮差明显增大，且越往湾顶，潮差增大幅度越大，各区域实施围垦工程对潮差及纳潮量的影响有明显的叠加效应。小潮期潮差及纳潮量的变化与大潮期类似，但变幅稍小。

2.2 围垦区域对M₂和M₄分潮的影响

杭州湾内M₂分潮和M₄分潮分别为其主要分潮和主要浅水分潮^[17-18]。在澉浦断面至芦潮港断面间沿主潮汐通道选取一纵断面(图 1)，不同围垦工况间，该纵断面上M₂及M₄分潮振幅、最大流速的变化如图 3所示。杭州湾内湾、外湾、湾外围垦工程实施后，M₂、M₄分潮振幅/最大流速的变化较小，变幅均小于4%(图 3)。

杭州湾湾顶以上区域的围垦工程实施后，杭州湾湾口往西14.2 km内，M₂分潮振幅明显降低，在湾口芦潮港断面处降低0.03 m(图 3(a))，减幅约为2%；M₄分潮振幅明显增大，在湾口处增大0.032 m，增幅达40%(图 3(c))。从距湾口14.2 km处往湾内，M₂分潮振幅开始增大，在湾顶澉浦断面处增大约0.47 m，增幅约为15%；M₄分潮振幅开始减小，最大减小约0.1 m，减幅达39%。M₂、M₄分潮最大流速的沿程变化趋势与振幅相反，在湾顶变幅分别为-37%、44%(图 3(b)、(d))，在湾口变幅分别为5%、-25%。

由于杭州湾澉浦以上区域潮差、流速较大^[5]，且该区域围垦面积、岸线缩窄幅度最大，故1974年以来该区域的围垦对杭州湾M₂、M₄分潮振幅及流速的影响最为显著。各区域实施的围垦工程对M₂、M₄分潮的影响有明显的叠加效应。

3 围垦区域对悬沙特征的影响 3.1 悬沙浓度的变化

不同区域围垦工程实施后，纵断面上月均底层悬沙浓度的变化如图 4所示。悬沙浓度变化过程与流速的变化过程(图 3(b))较为同步，流速的变化直接改变了底部切应力，进而改变了泥沙的起悬量。杭州湾内湾、外湾、湾外围垦工程实施后，悬沙浓度变化较小，变幅在2%以内。杭州湾湾顶以上区域的围垦工程实施后，距澉浦断面38.7 km处以内悬沙浓度减小，在澉浦断面处减幅高达40%，该点以外悬沙浓度增大，在湾口芦潮港断面增幅约为6%。

3.2 悬沙通量的变化

悬浮泥沙通量是指单位时间内流过某一给定面积的悬沙量，在水文测验中也被称为悬移质输沙率^[19]。河口悬沙净通量与河口地形演变关系密切，不同区域的围垦工程，对杭州湾悬沙净通量变化的影响程度不同。表 3给出了不同区域围垦工程实施后，澉浦、金山、芦潮港断面月均悬沙净通量的变化，正值为陆向输运。悬沙净通量的计算方法采用Dyer^[20]提供的物质通量计算方法，该计算方法是目前通量计算研究中较为成熟可靠的方法，已被广泛运用于河口区域的水沙通量计算^[8-9]。

模型结果显示，湾顶以上区域的围垦工程对澉浦断面悬沙净通量的影响最大，围垦后陆向输运的悬沙量增幅高达1 355%。其余区域的围垦同样使得澉浦断面陆向悬沙净通量增大，但增幅均小于6%。杭州湾内湾区域的围垦工程实施后，金山断面陆向悬沙净通量减小，减幅为10%，其余区域的围垦则使该断面悬沙净通量略有增大。

杭州湾以内的围垦工程实施后(实验1-2、实验1-3、实验1-4)，对湾口芦潮港断面悬沙净通量的影响均较为明显。其中杭州湾内湾围垦使得芦潮港断面陆向悬沙净通量增大约19%。杭州湾湾顶以上区域围垦、杭州湾外湾围垦则减小了芦潮港断面悬沙净通量，其中杭州湾外湾围垦使得该断面悬沙净通量减幅高达27%。

根据断面间悬沙净通量计算得到的各区域月冲淤量如表 3所示，正值为淤积，负值为冲刷。杭州湾实测地形资料^[21]显示2010-2014年间澉浦-金山段淤积，金山-芦潮港段冲刷，澉浦-芦潮港段月均淤积量为3.0×10¹⁰ kg，这与控制工况实验1结果相近，表明本模型能较好的反映杭州湾冲淤分布及量级。

模型计算结果显示，金山断面以上区域的围垦工程实施后(实验1-2、实验1-3)，杭州湾内湾淤积量减小显著，其中湾顶以上区域围垦使得该区域淤积量减幅高达58%，金山断面以外区域的围垦(实验1-4、实验1-5)则加重了杭州湾内湾的淤积。杭州湾内湾围垦工程实施后，杭州湾外湾的冲刷量减小，其他区域的围垦工程则使得杭州湾外湾的冲刷量加大。

不同区域的围垦工程均对杭州湾的冲淤特性有一定影响，其中以湾顶以上区域的围垦工程影响最为剧烈。各区域实施的围垦工程对杭州湾悬沙净通量、地形冲淤的影响有明显的叠加效应。

4 结论

1) 不同地理位置的围垦工程对杭州湾湾内水沙环境的影响不同。由于杭州湾澉浦以上水域潮差、流速较大，且该水域的围垦面积、岸线缩窄幅度最大，故1974年以来该区域的围垦工程对湾内水沙环境的影响最大，且影响幅度自湾顶至湾口逐渐降低。M₂、M₄分潮振幅/最大流速在湾顶的局地变幅分别高达15%/-37%、-39%/44%，对应的悬沙浓度减幅高达40%。

2) 杭州湾内湾、外湾及湾外的围垦工程实施后，整个湾内的潮差、M₂分潮最大流速、悬沙浓度等水沙环境参数变化均匀，且变幅较小。杭州湾湾内实施的围垦工程减小了湾内纳潮量，其余区域的围垦则使得湾内纳潮量增大。

3) 不同区域的围垦工程对杭州湾悬沙净输移、地形冲淤特征影响不同，但均较为明显，其中湾顶以上的围垦影响最大。杭州湾沿岸各区域围垦工程对湾内水沙环境特征的影响具有明显的叠加效应。