重开胶莱运河可行性研究的数值模式及其方案设想

一、问题的提出

胶莱运河是一条历史上的运河。该运河第一次开挖成功于元朝统一中国后的1282年，当时设有胶莱海道运粮万户府为其管理机构。1290年，由于当时运河自身的缺陷和其他原因，胶莱海道运粮万户府被撤销。此后，该运河便萧条荒废。后来在明朝中叶（1537），它再次被疏浚，并开通了马濠河段，此后该运河又正常运行。遗憾的是，这次疏浚后，该运河也只正常运行了十几年的时间（孙北林，2005）。

近两年来，有人提出了重开胶莱运河的设想（齐鲁晚报，2004年8月31日）。其目的是通过开凿胶莱运河，“贯通莱州湾，胶州湾两湾，形成渤、黄两海大环流，以加快海水吸纳消化污染物的速度，再现山东黄金海岸的碧海蓝湾”。当然，如果胶莱运河重新开通后如设想所预期，其意义可能是多方面的。比如，将可开辟便捷的渤海和黄海之间的海上直线通道，使潍坊成为重要的海河港的城市；有利于建设两湾和运河两岸生态经济带和运河城市走廊；还可使胶东半岛成为全国最大的人工岛，运河两岸将形成新的旅游热线（齐鲁晚报）。甚至，有人提出可从根本上解决沿河两岸水旱灾害，彻底解决区域性的缺水矛盾，而且有综合性的经济效益，并且具有重大的国防意义（王德枢，2005）。

据该报报导，对于此运河的开挖，可设想两套方案：其一是直线开通，形成长约110公里的运河；其二是沿古胶莱运河走向拓宽拓深，形成一条长约130公里的曲线运河。

这一重开胶莱运河的设想自提出以来，已得到山东省政府和有关部门的重视。问题在于，这一设想在科学上是否合理，在工程上是否可行，在经济上是否合算？为了回答所有这些问题，建议有关部门设立一个关于该项目的可行性的预研究项目，以论证该项目的必要性和可行性。

从海洋科学上看，为了重开胶莱运河，必须要回答下列诸问题。

1、运河中水的流向问题。在自然状态下，运河中的水是从胶州湾流向莱州湾，还是呈向反方向流动，或有其他情况（一段时间是向一个方向流动，另一段时间又呈反向流动等）？

2、两湾的水交换问题。通过重开胶莱运河能否如设想的那样解决污染问题？

3、海水侵染问题。重开运河后，运河周边区域的地下淡水是否会遭到海水侵染？

4、对两湾海域的生态环境的影响问题。运河开通后，原有海区的生态环境的变化将对区域生态系统产生什么影响？例如，原有海区的生物种群因水质的变化将会产生什么变化？

5、运河的存续期问题。历史上曾两次开通胶莱运河，每次的存续时间仅10余年，主要问题在于河道的淤积。在现在的条件下这个问题是否有可能获得很好的解决？

二、从两湾的现有资料看数值模拟的必要性

提出开挖胶莱运河设想的前提之一是“目前莱州湾和胶州湾存在较大落差”《齐鲁晚报》。如果情况如设想者所云，那么胶莱运河开通后，海水就可以从潮位较高的莱州湾沿运河流入胶州湾，然而再从胶州湾流入到黄海，以便形成渤海水通过运河进入黄海，从而可以改善两湾的生态环境。

鉴于目前还没有针对该运河设计方案所建立的相关海洋测站与资料，这里只能根据以往的有限资料作一些初步的静态分析。

1、莱州湾

莱州湾位于山东半岛西北，西起现在的黄河口（37°39′N，119°16.6′E），东迄屺母岛高角（37°41′10″N，120°13′10″E）。湾宽96公里，海岸线长319.06公里，面积6966平方公里。最大水深18米（屺母岛高角外），湾内大部分水深均在10米以内。

根据《中国海湾志》提供的1980年代的潮汐资料，可以看出莱州湾潮汐性质的概况（表1）。由表1看出，各站K值都在0.5以上，2.0以下，故莱州湾属于不规则的半日潮海区。

（表1潮光类型系数K值，略）

（表2 潮汐特征值，略）

（表3 龙口多年各月平均海面，略）

从表3中可知：8月平均海面最高，为116cm；1月最低，为69cm；月平均最高值与月平均最低值相差47cm。其他各站的平均海面是以一个月资料与龙口站比较计算求得的。其分布是：龙口的平均海面最低。西岸清水沟居中，湾顶西大拐最高。整个莱州湾的平均海面是湾口低，越靠湾顶越高。表4则是以龙口为主港，其他各短期站（一个月）为副港，利用比较法求得的各站的潮差值。

（表4 平均潮差表，略)

由表4可知：位于湾口东端龙口的平均潮差最小，为91cm，湾口西侧的清水沟为157cm；广利港为132cm，西大拐处于湾顶，平均潮差为161cm，是这几个站中潮差最大的一个。从以上情况看，莱州湾的潮差右岸小，左岸大，口门小，湾顶大。

莱州湾的海冰，除由海水冻结而成外，还有来源于黄河的冰凌。常年，莱州湾西部及南部近岸海域，12月上、中旬开始结冰，至翌年3月上旬海冰消失，冰期为80-90天。在莱州湾东部近岸海域，12月中旬开始结冰，翌年2月底3月初海冰消失，冰期为75天左右。冰期中，1月中旬至2月中旬是一年中冰情最严重的时期，为盛冰期。在盛冰期间，莱州湾西部和南部沿岸，固定冰的宽度一般为1-3km；河口、浅滩附近，固定冰宽度可达10km以上；沿岸固定冰的厚度，一般在15-25cm之间，最厚40cm左右；海岸附近固定冰的堆积高度多在1m左右，最大堆积高度可达3m以上。

莱州湾是我国入海河流最多、接纳陆地入海泥沙量最大的海湾。表5为注入莱州湾各条河流的概况及其输沙量。

（表5 注入莱州湾河流概况及其输沙量，略）

泥沙入海之后，便在海洋动力环境下开始运动，本区的常浪向和强浪向均属偏东北向，在这种动力条件作用下，莱州湾东岸的泥沙往西南运动，指向湾顶，莱州湾西岸的泥沙则向南运动，也指向湾顶。黄河口入海泥沙，随潮流和波浪运动。由于黄河口外潮流比较大，又属往复流性质，所以黄河泥沙入海后随海流向河口两侧运动，但从沉积物分布情况看，主要向南运移。夏、秋黄河入海泥沙主要沉积在河口外缘，形成河口前缘堆积体。而冬、春季节则由于黄河泥沙量少，本区又经常风起浪涌，而破坏了三角洲的改造过程，其泥沙在强风浪作用下向南运移，堆积在莱州湾西南角，一部分向东北运移，并逐渐沉积，其直接影响范围，东西宽30km，南北长60km。而其间接影响的范围则要大得多。

2、胶州湾

胶州湾位于山东半岛南岸。它是以团岛头（36°02′36″N，120°16′49″E）与薛家岛脚子石（36°00′53″N，120°17′30″E）连线为界而与黄海相通的海湾。它东西宽27.8km，南北长33.3km，面积397km²（1985），平均水深约7m，最大水深64m。

从表1看出，各测站的潮汐类型判别数K值均小于0.50，而且K值十分接近，故胶州湾属规则半日潮；而且，湾内的潮汐过程很稳定。胶州湾各测站的潮位过程曲线表明，每个太阴日中有两次高潮和两次低潮，两次高潮的高度基本一致，两次低潮的高度略有差异，说明该湾有低潮日不等现象。

在表2中列出了根据大港1952年以来近30年资料给出的各潮汐特征值。值得指出的是，表2中的潮汐特征值都是以黄海平均海面为基准给出的。根据“1985年国家高程基准”，龙口和大港平均海平面的绝对高度之差为1.5-4.0cm（王志豪，1986；陈宗镛等，1988），亦即龙口站的平均海面略高于大港站的平均海面，即莱州湾的平均海面略高于胶州湾的平均海面。

此外，从1956年至1978年大港站潮汐资料的统计结果可以看出，胶州湾的平均海平面有冬低夏高的变化趋势。最高值出现在8月份，为266cm；最低值出现在1月份，为220cm，年变化幅度为46cm。

胶州湾每年冬季都有不同程度的结冰现象。一般年份，冰期短，范围小，对航运及生产没有影响，但在较重年份，湾内冰情严重，对航运及各种海上活动均有危害。根据1968年（1915--1982年）的冰情资料，胶州湾海冰的基本情况如下。

通常，胶州湾沿岸于12月上、中旬开始结冰，翌年2月中、下旬海冰消失。特殊年份，最晚的终冰期在3月上旬，冰期长2-2.5个月，其中1月下旬至2月上旬为盛冰期。

盛冰期间，胶州湾沿岸，特别是北部沿岸，西部滩涂以及浅海水域有固定冰出现。固定冰厚度，北部沿岸15-25cm；南部沿岸10-20cm。重冰年的固定冰厚可达100cm以上。

一般年份堆积冰并不严重，在较重和特重年份，黄岛前湾、后湾和沧口湾，堆积较厚，一般在100cm高左右，特重年份可达200-300cm高。在特重年份大港和小港口门也有厚达100cm的堆积冰。

注入胶州湾内的大小河流有十几条，较大的有漕文河、岛耳河、洋河、大沽河、南胶莱河、桃源河、洪江河、石桥河、墨水河、白沙河、李村河等（表6）。

（表6 流入胶州湾主要河流的基本特征，略）

3、数值预测对工程可行性研究的必要性

通过对上述的背景资料作基本分析，从海洋动力环境来说，我们发现应当重视下述问题：

（1）首先，由于龙口和大港之间平均海平面仅相差1.5-4.0cm，即两者之间的绝对高度差几乎为零，这就表明，运河开通之后，如果不采取工程措施，那么两个海湾之间的海水不可能进行水交换。如果要实现按建议者设想的水交换，必须要采取工程措施，并且在事先要对工程措施方案进行预测研究。

（2）以往的研究已表明，黄河泥沙入海后，主要向南运移，并堆积在莱州湾西南角。如按照“重开胶莱运河”提出者的设想，莱州湾的海水通过运河流向胶州湾，将会遇到的一个重要问题，即黄河泥沙运动路径问题。在进行工程设计前，必须要对各种可行的方案中泥沙运行路径进行模拟和预测，否则有可能重蹈历史上该运河两度开通两度被淤废的覆辙。

（3）重开胶莱运河设想的主要目的之一是开辟了渤海与黄海之间的海上直线通道。由于莱州湾每年有80-90天的冰期，因此长达三个月的冰期，不仅将对航运产生巨大影响，而且海冰本身也会对航道的工程结构产生重大影响。这种影响在工程设计方案中应予以考虑，也就是说应对海冰对运河工程的作用进行数值模拟和评估。

（4）当运河开通后，潮汐、海浪和风暴潮与运河之间的相互作用及其对运河区两岸的影响与运河的工程设计方案有密切的关系，而这一切也必须事先进行预测和评估。此外，如前所述，迄今已有多人描述了重开胶莱运河设想之意义。但其中有若干可能的意义都需要通过模拟和预测后才能做出客观的评估。比如可提高海水自净力的问题，可解决沿岸水旱灾害问题和对运河区海洋生态环境影响问题等等，都需要利用数值模式进行模拟、预测和评估后才能获得定量的了解。此外，对海水入侵问题的评估也需要利用数值模式进行模拟、预测和评估后才能获得定量的了解。总而言之，若要对上述问题做出符合实际的回答，就必须要采用数值模拟的方法进行深入的研究。

三、可行性研究的数值模式方案之设想

1、数值模拟方案设计的依据

数值模拟的具体方案要根据工程设计方案的要求进行设计。一般说来，在可行性研究阶段，工程设计方案可能不止一种。例如在“胶莱运河”的项目中，运河的路径就可以设想为几条，每一条设想的路径就需要有一种数模方案。又如，对于运河不同的宽度、深度和横截面的几何形状就需要有不同的数模计算方案，等等。在数模方案设计中，不同的方案就会有不同的陆海边界条件、不同的计算网格和不同的环境参数。同时，即使对于同一种运河路径、宽度和深度的方案，不同的施工设计要求也需有不同的计算方案和预测要求。假设对应于每一种运河路径的工程方案设计一种数模方案，那么对应于该路径的不同工程要求（如河宽、河深和河道截面的几何形状以及不同的闸门设计等）就需要有不同的边界条件、计算网络和参数），又需要考虑多种计算方案。

2、数值模式设计方案的架构

一般来说，数值模式设计方案的架构由三部分组成。

四、数值模拟的一个简单例子。

由于莱州湾和胶州湾的海洋水文状况复杂，虽通过上述静态分析，已获得了若干有益的信息。但因历史上没有留下两湾开通之后，周边海域的水文环境状况的记录，更没有留下运河中水流运动的具体状况的记录，因此如要重开胶莱运河，所们面临的一个至关重要的问题是要了解运河全程的海水将会怎样流动。为此，我们建立了一个东中国海潮汐运动的简化模式，用以模拟运河开通后，两个海湾的潮汐运动过程，从而对潮汐运动将会对运河两端的水位状况产生的影响有一个初步的了解。即我们的目的是模拟在一个潮周期内，由两湾的涨落潮过程所导致的运河中水位和流向的变化过程。

由于潮汐在近岸河口中是重要的水动力要素之一，而在渤黄东海海域，M₂分潮又是占据主导地位的潮汐分量，因而我们选择M₂分潮作为我们要模拟的水动力要素。这里用到的数值模式是世界知名的近岸河口数值模型ECOMSED(Blumberg, 2002)。模拟区域包括了整个渤黄东海（我们选用这么大的计算海区，其目的是为了消除不必要的开边界条件中的误差对我们所关注问题的影响），水平网格分辨率为1/6°。由于是初步的试算，我们假定胶莱运河沿经线（南北向）连通，南端位于胶州湾，北端还在莱州湾（与实际胶莱运河的位置有点出入），并用一个1/6°经度网格表示出来。在初步试算中设定的运河宽度约19km，运河中的水深4～10米。图1给出了计算网格图（略）。

图2（略）给出了用该模式模拟得到的运河区部分流况（即放大后部分计算结果）。因篇幅所限，这里仅选取了4个潮时的模拟流场图（相互间隔1/4潮周期）作为代表。图.2a显示，运河南端（胶州湾口）水位较高，而北口水位接近零，于是运河中的水流便由南口流向北口。过了1/4周期后（图2b)，莱州湾的水位上升，而胶州湾的水位下降，水流开始由北口流入运河，但在运河南口由于潮汐的渐变性，水流仍是向北流的。又过了1/4周期（图2c），南口的水位达到一个潮周期的较小值，而北口莱州湾的水位也在降低，但北口的水位仍高于南口，因此在北段运河中的水流继续向南流，不过其南段的流速不强。图2d表明，再过1/4潮周期后，胶州湾处于涨潮期，并且水位超过平均海平面，而莱州湾则处于落潮期，水位在海平面之下，于是南口海水开始涌入运河，但北端由莱州湾南下的水流则出现回退。此后由于潮汐的周期性，流况又回复到图2a的状况，运河内水流又开始下了一个运移循环周期，并且这一过程随两湾的潮汐涨落不断循环往复。
当然，由于上述的结果是一个初步的、比较粗糙的结果（其原因是显然的，如模型分辨率不高，水动力要素仅考虑M₂分潮的作用以及运河宽度和走向与实际有差异等），但从整个渤黄东海的范围来看，所做的简化还是可以接受的，它能在一定程度上反映出运河开挖后运河两端水位的变化过程。从上述初步的数值模拟结果看，我们可以推测，运河开通后，其中的海水不会自然地按一个方向流动，在一个潮周期内，由南向北的流动要多于由北向南的流动。这样的模拟结果，不仅在定性上使我们了解到运河内的水流变化情况，而且还使我们获得一些定量的信息。我们相信，如果在工程项目的可行性研究中加入数值模拟研究的内容，便可以给出上述各个问题的详尽解答。