圍填海對(duì)海洋水動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境的影響

林磊，劉東艷，劉哲，高會(huì)旺

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 2.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái) 264003)

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圍填海對(duì)海洋水動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境的影響

林磊1，劉東艷2*，劉哲1，高會(huì)旺1

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 2.中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái) 264003)

摘要：近10年來(lái)，中國(guó)海岸帶圍填?；顒?dòng)呈現(xiàn)出規(guī)模大、速度快的發(fā)展態(tài)勢(shì)。圍填海能帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)的負(fù)面影響也不可忽視。針對(duì)圍填海對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)的影響及作用機(jī)制，分別從水動(dòng)力和生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行了概述。圍填海改變了海洋的自然幾何屬性(原始岸線、地形地貌、海灣面積)，引起水動(dòng)力環(huán)境的變化(潮汐系統(tǒng)和海灣水交換能力)，進(jìn)而影響了海灣的環(huán)境容量；圍填海破壞了生物棲息地、導(dǎo)致生物多樣性的喪失，影響到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性；水動(dòng)力與生物多樣性的變化可顯著影響到生物地球化學(xué)過(guò)程，加速富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，惡化水質(zhì)，增加生態(tài)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。目前，圍填海后的生態(tài)修復(fù)策略主要有增加生物量、建設(shè)自然保護(hù)區(qū)、退陸還海3種方式；而生態(tài)補(bǔ)償策略則多基于“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與生境面積的大小為線性關(guān)系”，通過(guò)對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的量化后進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償與實(shí)施相關(guān)政策。國(guó)際上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化參數(shù)逐步納入實(shí)際管理，并在線性關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，逐步納入一些非線性的理念，使生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制更為合理化；而我國(guó)對(duì)于圍填海生態(tài)效應(yīng)的定量化研究及科學(xué)理論在管理政策中的實(shí)際應(yīng)用仍亟待提高。整體而言，全面、準(zhǔn)確地評(píng)估圍填海對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)的影響離不開自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的交叉與融合。

關(guān)鍵詞：圍填海工程;水交換；環(huán)境容量;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;生態(tài)修復(fù)與補(bǔ)償

1引言

圍填海造陸是人類擴(kuò)大生存發(fā)展空間，解決“人地矛盾”的重要手段之一，最早可追溯到春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期。工業(yè)革命以前，填海目的多以農(nóng)墾為主，規(guī)模小、周期長(zhǎng)；而工業(yè)革命以后，工業(yè)化與建設(shè)用地比重逐步增多，同時(shí)，由于技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，擴(kuò)大了圍填海的規(guī)模，且大幅度縮短了工程周期[1]。中國(guó)人口居世界之最，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人地矛盾突出，已成為世界上每年圍填海最多的國(guó)家。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1949年到20世紀(jì)末，中國(guó)圍填海面積約為11 000～12 000 km2，平均每年填海面積210～220 km2，“十五”期間(2000-2005年)，每年填海造陸接近300 km2，“十一五”期間(2006-2010年)，增加到每年700 km2，呈現(xiàn)出規(guī)模大、速度快的態(tài)勢(shì)[2]?！笆濉币?guī)劃把海洋提升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，全國(guó)各地沿海省份都在積極布局海洋戰(zhàn)略，實(shí)施新一輪開發(fā)，加快培育沿海地區(qū)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。以交通運(yùn)輸部為例，已批復(fù)的18個(gè)沿海港口發(fā)展規(guī)劃將占用2 251 km岸線、1 251 km2陸域以及1 615 km2錨地用海，僅18個(gè)未來(lái)大型港口岸線就占大陸岸線總長(zhǎng)的13%[3]。

圍填海在一定程度上緩解了人地矛盾，給社會(huì)帶來(lái)了顯著經(jīng)濟(jì)效益，但另一方面，缺乏科學(xué)指導(dǎo)的圍填活動(dòng)可對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著負(fù)面效應(yīng)，破壞生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，甚至形成安全隱患。例如，在20世紀(jì)80年代，山東省無(wú)棣縣與沾化縣大規(guī)模的圍填海使岸線向海推進(jìn)了數(shù)10 km，潮間帶寬度銳減，嚴(yán)重削弱了岸灘對(duì)強(qiáng)潮的抵抗力，1997年和2003年遭受了兩次特大風(fēng)暴潮襲擊，兩縣淹沒(méi)土地5萬(wàn)hm2，形成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]，而如此密集和大規(guī)模的海洋災(zāi)害在當(dāng)?shù)厥窡o(wú)前例。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)， 就提出了“保護(hù)與開發(fā)并重”的理念，強(qiáng)調(diào)從經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-社會(huì)三方面綜合權(quán)衡圍填海的得失，并逐漸將生態(tài)系統(tǒng)的理論運(yùn)用到管理概念中，將自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)結(jié)合并納入管理系統(tǒng)[5-6]。然而，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究十分滯后，最近10年才有研究陸續(xù)開展，但已經(jīng)引起科學(xué)家的高度關(guān)注。2010年的院士咨詢報(bào)告“我國(guó)圍填海工程中的若干科學(xué)問(wèn)題及對(duì)策建議”中明確提出應(yīng)高度重視圍填海對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)的影響[7]；2010年，中國(guó)環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)年會(huì)的國(guó)合會(huì)報(bào)告，將圍填海對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)的影響做為單列議題；在陸-海相互作用大框架下，圍填海對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)資源的影響也正成為重要研究?jī)?nèi)容[8]。因此，了解圍填海對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)的影響，揭示其作用機(jī)制，并形成科學(xué)的圍填與應(yīng)對(duì)策略，是海岸帶經(jīng)濟(jì)開發(fā)過(guò)程中迫切需要應(yīng)對(duì)的環(huán)境問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)、外大量圍填海案例的綜合閱讀分析，闡述圍填工程對(duì)海洋水動(dòng)力環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)的影響與機(jī)制，以及相關(guān)的修復(fù)與補(bǔ)償策略。此外，以中國(guó)膠州灣作為典型案例，討論分析了海灣圍填海的綜合環(huán)境效應(yīng)，以期為中國(guó)圍填海環(huán)境與生態(tài)效應(yīng)的研究、相關(guān)規(guī)劃與管理等工作提供科學(xué)依據(jù)。

2圍填海對(duì)海域水動(dòng)力環(huán)境的影響

海洋中水是物質(zhì)和生物的載體，海洋的水動(dòng)力過(guò)程對(duì)海水中物質(zhì)輸運(yùn)與生物過(guò)程起到重要作用。圍填海對(duì)海洋水動(dòng)力過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為: 通過(guò)改變?cè)及毒€、地形地貌和縮小海灣的面積、容積引起近海潮汐系統(tǒng)和海灣水交換能力的變化。在海洋水動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性較弱的小海灣，圍填海的影響更為明顯。

2.1圍填海改變了海域的自然屬性

圍填海對(duì)施工海域最直接的影響就是改變了海域原有的自然幾何屬性，包括海岸形狀、海域面積、海灣容量和海底地形地貌等。圍填海施工時(shí)，考慮到成本節(jié)省，多對(duì)原有岸線進(jìn)行截彎取直，從而改變了海岸線長(zhǎng)度和形態(tài)，使海岸線長(zhǎng)度變短，趨于平直[9]。如，1990-2005年，填海造地使得大連市海岸線縮短了93.4 km，與此同時(shí)，自然岸線的比重也由原來(lái)的64.8%下降到了56.1%，海岸自然結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化[10]。其次，圍填?？蓸O大縮減海域面積，尤其是潮間帶。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，中國(guó)的圍墾活動(dòng)已導(dǎo)致黃海周邊65%的潮灘消失[11]；中國(guó)圍填海面積超過(guò)50 km2的海灣有16個(gè)之多[12]。此外，圍填海工程以及人工島的建設(shè)還會(huì)直接破壞海底的平衡態(tài)，改變沉積物輸運(yùn)格局，導(dǎo)致海底地形地貌發(fā)生非自然演變[13]。如荷蘭Wadden海內(nèi)泥灘的逐漸消失正是由于圍填海造成的[14]；在韓國(guó)新萬(wàn)金海域，圍填海工程則導(dǎo)致沿人工堤壩的海底受到強(qiáng)烈侵蝕，形成了幾條較深的海槽和水道[15]。

2.2圍填海對(duì)近海潮動(dòng)力過(guò)程及海灣水交換的影響

近海的海水運(yùn)動(dòng)主要以潮為主，在海岸線上的圍填活動(dòng)改變岸線結(jié)構(gòu)，影響了潮波反射的位置和方向，從而導(dǎo)致潮流的流速、流向以及潮汐的振幅、遲角的變化。在韓國(guó)的新萬(wàn)金附近海域，Choi等[16]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了筑壩工程導(dǎo)致M2分潮振幅減小8～10 cm，遲角減小約3.5°；Park等[17]進(jìn)一步探究了該影響的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)岸線改變對(duì)潮波反射的影響是潮振幅減小的根本原因。圍填海對(duì)潮的影響不僅僅產(chǎn)生于局地海域，對(duì)遠(yuǎn)離圍填的海域也存在顯著影響，通常稱為遠(yuǎn)區(qū)效應(yīng)(far-field effect)[18]。例如，對(duì)中國(guó)海岸帶潮灘區(qū)域的圍填會(huì)導(dǎo)致渤、黃、東海潮波的振幅、遲角以及無(wú)潮點(diǎn)的變化；韓國(guó)西海岸的圍填海工程使得山東、江蘇及長(zhǎng)江口等地沿海潮流、潮汐系統(tǒng)都受到影響[16，18—19]。這些研究表明，圍填海施工時(shí)僅僅考慮其對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｓ虻挠绊懣赡苁遣粔虻?，?guī)模較大的圍填海工程可能需要進(jìn)行跨市、跨省甚至跨國(guó)家之間的評(píng)估、協(xié)調(diào)。

海灣內(nèi)的圍填工程通常會(huì)導(dǎo)致灣內(nèi)潮流減弱，主要?jiǎng)恿C(jī)制是由于圍填?？s小了海灣的空間尺度，減小了駐波型潮波反射距離所致[20]。如從1968年到1983年，由于海灣面積的縮小，日本的東京灣灣口流速減弱了約20%[21]。這類現(xiàn)象在日本的Ariake灣[22]、中國(guó)福建的多個(gè)海灣[23]、浙江的象山港[24]、杭州灣[25]、遼寧的錦州灣[26]等地都有發(fā)現(xiàn)。海灣容積的減小和潮流的減弱將降低海灣的水交換能力，并導(dǎo)致其環(huán)境容量減小和納污能力減弱[27]。如鮑獻(xiàn)文等[23]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)福建省10多個(gè)海灣進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)受圍填海的影響，這些海灣潮流都存在不同程度的衰退，水交換能力基本呈下降趨勢(shì)。然而，并非是所有情況下的圍填海都會(huì)削弱海灣的水交換能力，Okada等[28]發(fā)現(xiàn)在日本東京灣圍填海反而減小了海灣的水體存留時(shí)間，增強(qiáng)了水交換，究其原因是由于該海灣與外海水交換是由河流徑流帶來(lái)的斜壓環(huán)流所主導(dǎo)，而非潮流，圍填海使得海灣容積減小，徑流不變情況下海灣鹽度與外海梯度增大，從而增強(qiáng)了斜壓環(huán)流，水交換也隨之增強(qiáng)。因此，圍填海對(duì)海灣水交換的影響與該海灣水動(dòng)力的性質(zhì)有關(guān)，應(yīng)分情況考慮。

3圍填海對(duì)海域生態(tài)環(huán)境的影響

海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康程度是海洋生命力強(qiáng)弱的重要表征，圍填海對(duì)海域自然屬性的改變、施工過(guò)程產(chǎn)生的污染物、以及圍填海形成的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)，都將會(huì)對(duì)海域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響。

3.1直接影響：破壞棲息地、生物多樣性大量丟失

生物多樣性的變化可顯著影響到生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性。重要功能群的消失可產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，引起其他物種在數(shù)量上的減少甚至完全消失，導(dǎo)致生態(tài)服務(wù)功能喪失。圍填海對(duì)生物棲息地與生物多樣性的破壞作用是直接的、顯著的，很多描述性研究已經(jīng)闡明了這一現(xiàn)象。甚至，Sala等在Science上撰文描述2100年全球生物多樣性情景，指出土地利用和氣候變化是導(dǎo)致生物多樣性下降的最重要原因[29]。圍填海的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是由于直接在物種棲息地處的圍填、掩埋，導(dǎo)致某些特定物種或部分物種無(wú)“家”可歸，逐漸消亡。例如，英格蘭東部的沃什灣潮灘圍墾使得潮間帶鹽沼變窄，最終導(dǎo)致了雌麻鴨(Shelduck)和7種鸻亞目(Charadrii)涉禽的減少[30]；渤海灣的圍填海導(dǎo)致候鳥棲息地的大量縮減，僅存的棲息地內(nèi)候鳥密度急劇增加，瀕臨崩潰的邊緣[31]；江蘇沿海灘涂的圍墾導(dǎo)致了圍墾區(qū)內(nèi)沙蠶在一兩個(gè)月內(nèi)快速絕跡[32]。二是圍填間接導(dǎo)致生境環(huán)境因子的突然改變(如水溫、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽、沉積物特性等)，影響了物種的生存和演替，導(dǎo)致生物多樣性的破壞。例如，韓國(guó)Donggum-do東部鹽土植物山茶的突然消失是由于海岸工程減弱了潮流增加了海域沉積速率，并超過(guò)了發(fā)芽的臨界值，導(dǎo)致了該物種的快速消亡[33]；1997年日本的諫早灣內(nèi)堤壩的建成，隔絕了其與外海的交換，海水鹽度下降導(dǎo)致了本地11個(gè)海洋雙殼類物種的快速死亡和外來(lái)物種的入侵[34]；河口的大型圍填海工程會(huì)徹底摧毀魚類產(chǎn)卵場(chǎng)，施工時(shí)造成的高濃度懸浮顆粒擴(kuò)散場(chǎng)會(huì)對(duì)相當(dāng)大范圍內(nèi)的魚卵、仔稚魚造成傷害，或者引起灘涂濕地、海草床或珊瑚礁等生境退化，破壞了仔稚魚的棲息地，而魚卵和仔稚魚是魚類資源的補(bǔ)充和基礎(chǔ)，進(jìn)而影響到漁業(yè)總產(chǎn)量[35]；Yan等[36]估算了錦州灣海上機(jī)場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中升高了海水懸浮物濃度造成的生態(tài)損失，若施工不當(dāng)可能造成近3.91億顆魚卵、1.52億條幼魚和142 t游泳生物死亡，漁業(yè)價(jià)值損失約合200萬(wàn)美元。

生物多樣性在維持生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，物種的大量減少可顯著降低生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能。如大量元素隨河流進(jìn)入濕地，其溶解態(tài)的氮、磷可以被水生維管植物、海藻與海草床和藻類快速吸收，凈化水體；而一些有機(jī)態(tài)的顆粒則會(huì)沉降下來(lái)，進(jìn)入沉積物，成為底棲動(dòng)物、浮游植物、細(xì)菌、真菌等生物的重要食物；而濕地鹽沼維管植物通過(guò)植株-根系將光和作用產(chǎn)生的氧輸送至濕地床，形成富氧微環(huán)境，為微生物的硝化和反硝化作用創(chuàng)造了條件，通過(guò)微食物環(huán)作用將無(wú)機(jī)物釋放回水中，支撐生物地球化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)[37—40]。因此，生物多樣性的喪失讓各種有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)在沉積環(huán)境中的不斷積累、降解，改變了水體、沉積環(huán)境中的氧含量，影響底質(zhì)和底層水的氧化還原電位、酸堿平衡、生物化學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程，加劇了底質(zhì)惡化與水體的富營(yíng)養(yǎng)化。

3.2間接影響：生態(tài)災(zāi)害增多

圍填海極易加劇海水富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程，由于圍填海后海域水交換能力可能減弱或環(huán)境容量減小，以及水動(dòng)力變化導(dǎo)致各種物質(zhì)的分配、轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散發(fā)生改變，從而對(duì)海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程形成持久性影響。如韓國(guó)新萬(wàn)金堤壩的建造減弱了附近水域的水動(dòng)力，導(dǎo)致污染物不易交換出去，近岸赤潮、低氧等環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)[41]；Li等[42]利用數(shù)值模擬方法開展樂(lè)清灣潮流及半交換時(shí)間的研究結(jié)果顯示填海工程使得水交換時(shí)間增加了1～6 d，造成污染物無(wú)法及時(shí)輸出，是導(dǎo)致樂(lè)清灣成為國(guó)內(nèi)污染最為嚴(yán)重的8個(gè)近岸海域之一的重要原因，夏季赤潮頻發(fā)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)形成嚴(yán)重影響。

同時(shí)，圍填海材料的使用和圍填海施工過(guò)程會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化，潮灘填埋垃圾會(huì)使其中的有機(jī)質(zhì)、污染物滲入地下水和沿海水域，造成水域的污染[43]；污染物通過(guò)食物鏈進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而可能引發(fā)各種人類的疾病，已有的研究證明重金屬具有顯著的生物富集和沿食物鏈生物放大效應(yīng)，既能被海洋魚類和貝類體表吸附，也可被生物體直接吸收，并沿食物鏈傳遞，通過(guò)食品渠道，危害人類食物安全和健康[44]。如世界聞名的“公害病”——水俁病就是由汞污染后在海產(chǎn)品中富集并被人食用引起的。黃、渤海沿岸已是中國(guó)持久性有機(jī)污染物和重金屬污染最為嚴(yán)重的海域之一[45—46]，在黃海底棲貝類體內(nèi)，滴滴涕和石油烴的超標(biāo)率分別為15.2% 和21.4%[47]，盡管目前大量的研究表明河流輸入是各種污染物的重要通道，未有調(diào)查與研究明確指出海洋中汞與持久性有機(jī)物的來(lái)源與圍填海有必然聯(lián)系，但圍填海尤其是使用垃圾填埋后的釋放有可能是其中的源頭之一，目前很少有研究去估算這種大規(guī)模圍填海形成的局地污染效應(yīng)。

4案例分析：膠州灣圍填海及環(huán)境效應(yīng)

膠州灣是典型的半封閉海灣，有著長(zhǎng)期、持續(xù)的、較大規(guī)模的圍填海歷史(圖1)，研究資料豐富，具有代表性，因此本節(jié)以膠州灣為例，綜合分析圍填?；顒?dòng)對(duì)海灣水環(huán)境與生態(tài)的影響。

根據(jù)Shi等[48]的研究，膠州灣圍填海主要經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展的階段： 1935年之前主要是自然演變過(guò)程，從1935年到1966年，在膠州灣北部潮灘，大量鹽池和蝦塘的圍建使得總面積減小近18%，在此期間紅島由原來(lái)的孤島變?yōu)殛戇B島；從1966年到1986年，大面積的潮間帶被圍填，導(dǎo)致潮灘面積減小了30%，黃島也變成了陸連島；1986年到2000年，圍填海多在內(nèi)灣進(jìn)行，整個(gè)海灣的海岸線幾乎都受到圍填影響而發(fā)生改變；2000至2008年，由于港口和碼頭的建設(shè)需要，圍填海主要在靠近灣口的外灣進(jìn)行，內(nèi)灣的面積基本保持不變。經(jīng)過(guò)了幾次較大規(guī)模的圍填海之后，膠州灣的水域面積已由1935年的555 km2縮減到2008年的349 km2，面積減小了37%。其中，潮灘圍填面積達(dá)186 km2，占總圍填面積的90%以上。海岸線長(zhǎng)度由215.76 km縮減到178.06 km，縮短了近17%，目前已經(jīng)有90%的岸線變?yōu)槿斯ぐ毒€[49]。

圖1　膠州灣1966-2008年間的岸線變化(岸線數(shù)據(jù)提取自文獻(xiàn)[50])Fig.1　The variation of shoreline in Jiaozhou Bay during 1966 to 2008 (redrawn from reference[50])

圍填海導(dǎo)致膠州灣水動(dòng)力衰退，潮流、余流都有不同程度的減弱，納潮量逐漸減小(圖2)。潮流受影響最大的、對(duì)填海最敏感的區(qū)域是灣口。王學(xué)昌等[51]對(duì)比了不同填海方案，發(fā)現(xiàn)不管哪種方案都會(huì)使得灣口流速減小；根據(jù)Shi等[48]的模擬結(jié)果，相比于1966年，灣口平均流速減小了18%左右；Lou等[52]利用數(shù)值模擬研究了外灣港口、碼頭建設(shè)對(duì)潮、余流的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其對(duì)內(nèi)灣影響不大，而灣口則有較大改變(流速變化7.7%～65.6%，余流變化29.50%～70.05%)；膠州灣大橋的橋墩也使得灣口處的潮、余流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，最大處有40 cm/s的改變[53]；Lin等[20]根據(jù)潮波駐波特性分析得到灣口是在圍填海影響下流速變化幅度最大的地區(qū)，并由水體連續(xù)性推導(dǎo)出，在類似膠州灣的小尺度海灣內(nèi)，圍填海面積的增加與灣口流速減小近似呈線性關(guān)系。

同時(shí)，膠州灣水交換能力受到圍填海影響發(fā)生改變。從1966年至2008年，膠州灣整體的水交換率逐漸減小，其中，30 d水交換率減小了7.5%[54]。Shi等[48]通過(guò)對(duì)灣內(nèi)水體平均存留時(shí)間的數(shù)值研究指出，在過(guò)去的幾十年中，圍填海減弱了膠州灣水交換能力，尤其在80年代以后更為嚴(yán)重，灣頂東北角水體平均存留時(shí)間增加超過(guò)50%。而納潮量的降低和水交換能力的下降直接導(dǎo)致了膠州灣環(huán)境容量的減小[55]，由此引發(fā)膠州灣對(duì)排灣污水的承載能力和水環(huán)境質(zhì)量的下降。從90年代中期開始，膠州灣赤潮發(fā)生頻率迅速增加，除了污水排放、養(yǎng)殖活動(dòng)、河流輸入的影響之外，我們不得不考慮環(huán)境容量與自凈能力降低加速了海灣的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程[56]。此外，近幾十年來(lái)，受圍填海等人類活動(dòng)的影響，膠州灣生態(tài)功能逐漸退化，生物多樣性銳減。如20世紀(jì)60年代滄口潮間帶的生物種類有141種，70年代減為30種，80年代只剩17種，至90年代生物種類則少于10種[57]，浮游植物的多樣性也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均多樣性指數(shù)由1981年的1.09降到2003年的0.69[56]。經(jīng)估算，由圍填海造成的膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和濱海濕地生境服務(wù)功能的價(jià)值損失分別達(dá)到22 732.75萬(wàn)元/年[58]和4 264萬(wàn)元/年[59]。由此可見(jiàn)，短期內(nèi)圍填海對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)造成的巨大影響和潛在的經(jīng)濟(jì)損失。

圖2　膠州灣海域面積及納潮量變化(由文獻(xiàn)[48-49，60-68]資料匯總而得)Fig.2　The change of water area and tidal prism of Jiaozhou Bay (according to the data collected from references [48-49,60-68])

5圍填海影響的總結(jié)與討論

圍填海對(duì)海域水動(dòng)力環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響十分顯著。經(jīng)過(guò)對(duì)其影響及機(jī)制的調(diào)查，不難發(fā)現(xiàn)，這些影響并不是孤立的，它們之間存在密切聯(lián)系，可歸納總結(jié)如圖3。圍填海施工過(guò)程中對(duì)周圍海域環(huán)境的擾動(dòng)、所使用的填埋材料的釋放會(huì)對(duì)海域水質(zhì)造成影響，導(dǎo)致其惡化(例如，錦州灣海上機(jī)場(chǎng)建設(shè)[36]和上海南匯縣老港垃圾碼頭[43]對(duì)水質(zhì)的污染)；圍填海工程直接導(dǎo)致海岸帶與海域的消失，即海域岸線、地形等自然屬性的變化，這使得原本依托于該地區(qū)的生物棲息地消失外(如江蘇沿海灘涂的圍墾導(dǎo)致沙蠶絕跡[32])，其對(duì)海域水動(dòng)力也造成直接、快速而強(qiáng)烈的影響，作為海洋中物質(zhì)輸運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力，水動(dòng)力狀況發(fā)生改變后引發(fā)了海水溫度、鹽度、水交換(自凈)能力、水質(zhì)(污染物、營(yíng)養(yǎng)鹽等物質(zhì)的時(shí)空分布)及沉積速率等一系列環(huán)境因子的變化，這體現(xiàn)了“水動(dòng)力”在該影響關(guān)系網(wǎng)中起著樞紐中心的作用，這些環(huán)境因子的變化直接對(duì)海域的環(huán)境容量與生態(tài)系統(tǒng)的造成影響，從而產(chǎn)生污染物濃度超標(biāo)、富營(yíng)養(yǎng)化、赤潮等嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題(如膠州灣水交換能力的減弱和生態(tài)功能退化；日本的諫早灣本地物種的快速死亡和外來(lái)物種的入侵[34]；韓國(guó)新萬(wàn)金堤壩內(nèi)赤潮等環(huán)境問(wèn)題的形成[41]等)，這也是目前研究圍填海對(duì)海洋影響的主要目的和出發(fā)點(diǎn)；同時(shí)，某些環(huán)境因子的改變也伴隨著反饋?zhàn)饔茫绾Ｋ疁囟?、鹽度變化后會(huì)影響斜壓環(huán)流(例如，日本東京灣斜壓環(huán)流的增強(qiáng)[29])，從而對(duì)海域，尤其是河口區(qū)附近的水動(dòng)力格局產(chǎn)生影響，沉積速率變化可影響海底地形、地貌的演變(如圍填海造成荷蘭Wadden海內(nèi)泥灘的消失[14])；最終，生物多樣和群落結(jié)構(gòu)的改變直接威脅到與人類食品和安全最為相關(guān)的海洋生物資源與可持續(xù)利用。

圖3　圍填工程對(duì)海洋環(huán)境與生態(tài)的影響框架圖Fig.3　The schematic diagram showing the impact of land reclamation on the marine environment and ecosystem

總的來(lái)說(shuō)，在海洋環(huán)境中，水體作為生物和物質(zhì)的載體，水動(dòng)力的改變引起的水體交換和物質(zhì)輸運(yùn)變化會(huì)對(duì)生物和化學(xué)過(guò)程造成長(zhǎng)期持續(xù)性影響，而生物多樣性與生物地球化學(xué)過(guò)程之間又存在密切聯(lián)系，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能。因此，對(duì)圍填工程的環(huán)境生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需綜合考慮這些方面的后果，片面與盲目開展的圍填海工程可能會(huì)“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，造成整個(gè)水域生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重的、不可恢復(fù)的破壞，工程實(shí)施前應(yīng)慎之又慎。

6圍填海的生態(tài)修復(fù)與管理策略

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)圍填海項(xiàng)目的開發(fā)慎之又慎，其研究工作也從海洋資源可持續(xù)開發(fā)、利用的角度出發(fā)，兼顧保護(hù)生態(tài)環(huán)境與最大限度地滿足國(guó)家與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，評(píng)價(jià)圍填海造地的生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，并在此基礎(chǔ)上獲取圍填海造地的最大綜合效益[5]。由于生態(tài)系統(tǒng)是具有自組織作用的、受多要素和多過(guò)程共同控制的復(fù)雜系統(tǒng)，建立包含水文、生物地球化學(xué)、生態(tài)動(dòng)態(tài)過(guò)程的水生生態(tài)系統(tǒng)模型仍然是評(píng)估圍填海對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響最有效的量化手段[69]。目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)生態(tài)過(guò)程與水文-生物地球化學(xué)過(guò)程耦合模型的發(fā)展更加實(shí)用，多與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能掛鉤。例如，Simonit和Perrings[70]通過(guò)研究湖邊濕地圍墾造成湖泊泄洪、濕地緩沖、營(yíng)養(yǎng)鹽調(diào)節(jié)及魚類生產(chǎn)等生態(tài)服務(wù)功能降低，數(shù)值模擬了魚類最大可持續(xù)產(chǎn)量與污染物的關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)圍墾帶來(lái)的損失。這些研究值得我們借鑒到海洋中，綜合評(píng)估圍填海的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)。

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的圍填?；顒?dòng)，國(guó)內(nèi)外生態(tài)修復(fù)的研究主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：

一是人為增加海域生物量，對(duì)圍填海后造成生態(tài)環(huán)境退化的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。如，中國(guó)2002-2004年在長(zhǎng)江口新建的南北導(dǎo)堤投放了共15 t底棲生物進(jìn)行修復(fù)；美國(guó)加州利用人造礁石投入海底，對(duì)受核電站建設(shè)影響導(dǎo)致的海藻床面積銳減進(jìn)行生態(tài)修復(fù)[71]。

二是在圍填海的同時(shí)增加自然保護(hù)區(qū)。例如，荷蘭鹿特丹港為滿足21世紀(jì)中葉前的發(fā)展需要，近期實(shí)施20 km2的圍填海工程擴(kuò)建，該工程從20世紀(jì)90年代提出方案，至2008年才開工建設(shè)，到2013年才能發(fā)揮作用，工程涉及的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告長(zhǎng)達(dá)6 000余頁(yè)。建設(shè)方案包括在鄰近海域規(guī)劃250 km2的生態(tài)保護(hù)區(qū)、港池的外海側(cè)建設(shè)35 hm2休閑沙丘海濱、在鄰近海岸帶修整750 hm2的休閑自然保護(hù)區(qū)等生態(tài)補(bǔ)償措施[7]。

三是退陸還海。如，1990年，荷蘭農(nóng)業(yè)部制定的《自然政策計(jì)劃》，花費(fèi)30年的時(shí)間恢復(fù)這個(gè)國(guó)家的“自然”，位于荷蘭南部西斯海爾德水道兩岸的部分堤壩被推倒，一片圍海造田得來(lái)的300 hm2“開拓地”將再次被海水淹沒(méi)，恢復(fù)為可供鳥類棲息的濕地。國(guó)內(nèi)目前尚未有退海的案例，但湖泊方面，自1998年大洪水以后，國(guó)家在洞庭湖、鄱陽(yáng)湖開展了大規(guī)模的“平垸行洪、退田還湖和移民建鎮(zhèn)”，國(guó)務(wù)院提出“退田還湖”的方針。其中，1998年至今，鄱陽(yáng)湖已退田還湖面積超過(guò)1 000 km2[72]。恢復(fù)長(zhǎng)江流域水域面積達(dá)2 900 km2，增加蓄洪容積130億m3[73]。

中國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，具有復(fù)雜的區(qū)域性特征，因此，在進(jìn)行圍填海生態(tài)修復(fù)時(shí)，仍需考慮實(shí)際情況，進(jìn)行論證、調(diào)整、評(píng)估，尋求適合該區(qū)域的方案。

在圍填海的管理方面，我國(guó)由20世紀(jì)90年代前的無(wú)償與支持逐漸過(guò)渡、發(fā)展為現(xiàn)在的有償與限制，到2006年已建立了圍填海相關(guān)的管理規(guī)定與制度，與之有關(guān)的制度主要包括環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度、海域使用論證制度、海域有償使用制度等[74]，但由于海域權(quán)屬觀念淡薄、缺少必要的法律法規(guī)和政策支持、多部門職能沖突、對(duì)海岸帶缺乏綜合規(guī)劃和管理等原因，圍填海相關(guān)的法律法規(guī)、管理制度與體制仍存在較大提升與完善的空間[75]。目前來(lái)看，充分利用海域有償使用制度，實(shí)施生態(tài)損害補(bǔ)償，已經(jīng)被學(xué)術(shù)界和管理實(shí)踐證明是控制圍填?；顒?dòng)的較為有效環(huán)境經(jīng)濟(jì)手段。國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)生態(tài)補(bǔ)償?shù)囊环N定義是“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)付費(fèi)”或者“環(huán)境服務(wù)付費(fèi)”(Payments for Environmental Services，PES)，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的受益者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供者進(jìn)行直接支付的契約安排(Contractual Arrangements)[76]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多數(shù)基于“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與生境面積的大小為線性關(guān)系”，通過(guò)對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的量化后進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償與政策實(shí)施。如，福建興化灣規(guī)劃于2000-2020年間進(jìn)行170 km2的灘涂圍墾，將會(huì)使生態(tài)服務(wù)的年總價(jià)值由2000年的44.5億元降至2020年的34.8億元，損失幅度達(dá)到21.77%[77]。然而，生態(tài)服務(wù)功能與經(jīng)濟(jì)價(jià)值之間的關(guān)系在很多情況下是非線性的。Barbier等[6]通過(guò)對(duì)紅樹林、海草床、鹽沼草和珊瑚礁等濕地的研究發(fā)現(xiàn)，如果只考慮圍填海導(dǎo)致生境面積丟失的大小，而不考慮水動(dòng)力變化的非線性調(diào)控作用，會(huì)高估或者低估圍填海對(duì)紅樹林護(hù)岸功能的影響與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)在該方面的研究還比較薄弱，已開展的類似研究是福建省海洋漁業(yè)廳2007年啟動(dòng)的“福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究”重大研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用數(shù)值模型對(duì)福建省13個(gè)海灣圍填海的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，并提出了圍填海規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)的技術(shù)導(dǎo)則。但該項(xiàng)研究更多側(cè)重于系統(tǒng)評(píng)估，對(duì)圍填海影響過(guò)程和機(jī)理涉及較少，不能從量化的角度確定圍填海規(guī)模和生態(tài)系統(tǒng)維穩(wěn)間的平衡點(diǎn)，缺乏對(duì)有序發(fā)展圍填海與生態(tài)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益間的科學(xué)契合。因此，合理量化圍填海后環(huán)境變化與生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系，應(yīng)是建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與經(jīng)濟(jì)價(jià)值關(guān)系的科學(xué)基礎(chǔ)和研究方向。

7小結(jié)

圍填海對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)顯著影響，水動(dòng)力起到重要的樞紐作用。然而，目前的研究多使用數(shù)值方法來(lái)定量圍填海對(duì)海域水動(dòng)力的影響，對(duì)其影響潛在機(jī)制的解釋和探討較少，仍不能很好的指導(dǎo)圍填海的科學(xué)管理和規(guī)劃。對(duì)于環(huán)境、生態(tài)方面，多是現(xiàn)場(chǎng)取樣觀測(cè)等手段來(lái)量化圍填海的影響，仍缺乏綜合水動(dòng)力、生物地球化學(xué)過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)的模型研究，故難以全面地預(yù)測(cè)、評(píng)估圍填海的生態(tài)價(jià)值損失。在生態(tài)修復(fù)方面，不僅要開展對(duì)圍填后的生態(tài)系統(tǒng)實(shí)行修復(fù)，還應(yīng)提倡退陸還海的研究；在管理上，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的量化參數(shù)應(yīng)逐步納入管理，并在線性關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，建立一些非線性的理念，使生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制更為合理化。這些研究需要將自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)交叉融合，才能將圍填海的管理、規(guī)劃策略建立在“基于生態(tài)系統(tǒng)”的水平上。

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收稿日期：2016-01-12；

修訂日期：2016-03-01。

基金項(xiàng)目：科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng) “我國(guó)典型潮間帶沉積物本底及質(zhì)量調(diào)查與圖集編研”(2014FY210600)； 山東省自然科學(xué)杰出基金(JQ201414)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(NCET-13-0529)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200805011);國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)——山東人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406403)。

作者簡(jiǎn)介：林磊(1987—)，男，山東省棲霞市人，博士研究生，主要從事海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:linlei24@126.com *通信作者：劉東艷(1973—)，女，山東省青島市人，研究員，主要從事海洋藻類生態(tài)學(xué)研究。E-mail:dyliu@yic.ac.cn

中圖分類號(hào):X820

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193(2016)08-0001-11

Impact of land reclamation on marine hydrodynamic and ecological environment

Lin Lei1， Liu Dongyan2， Liu Zhe1， Gao Huiwang1

(1.KeyLaboratoryofMarineEcosystemandEnvironment，MinistryofEducation，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessandEcologicalRemediation，YantaiInstituteofCoastalZoneResearch，ChineseAcademyofSciences，Yantai264003，China)

Abstract:Over the last decade， land reclamation with a large scale and fast speed has developed along the Chinese coastline. Land reclamations can earn profits for local economy but also produce significantly negative influences on marine ecosystems. We summarized the impact and mechanism of land reclamation on the marine environment and ecosystem in terms of hydrodynamics， biodiversity， and biogeochemical process. By means of changing its natural geometry (shoreline， geomorphology， and water area)， land reclamation impacts ocean hydrodynamic environment (tidal regime and capacity of water exchange) and weakened the environmental capacity of bays. Large scale land reclamation can damage coastal habitat， significantly reduce the biodiversity， and threaten ecosystem structure and function. Meanwhile， the changed hydrodynamics and reduced biodiversity can influence the process of biogeochemical cycle， which will accelerate eutrophication and increase the risk of ecological disaster. The ecological remediation is very critical for reducing the negative impact from land reclamation. Three ecological methods are suggested to do remediation after land reclamation， which include increasing the biomass， establishing natural reserve， and returning the land back to sea. Based on the linear relationship between the ecosystem services and the ecological habitat area， the strategy and policy of ecological compensation are applied for quantifying its economic value. Internationally， based on the above linear relationship， quantitative parameters of ecosystem service and functioning have gradually applied into environmental management. With some nonlinear theories developed， the method of ecological compensation has been more and more reasonable. In China， the quantitative research on the environmental and ecological effect of land reclamation and the practical application of scientific theory in management are still need improved. According to current research status and trend， the cross and integration of natural science and social science may be the most sensible and best way to the synthetically and accurately evaluate the impact of land reclamation on marine environment and ecosystem.

Key words:land reclamation; water exchange; environmental capacity; ecosystem service; ecological remediation

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