近期福建海壇海峽海床沖淤變化及影響因素研究

姚弘毅，鄭承忠，徐 樂，王偉斌，蔚廣鑫

(福建海洋研究所，福建 廈門 361013)

海壇海峽，位于福建中部福清半島與福建最大島嶼海壇島之間，北側(cè)有大、小練島和嶼頭島，西北口為福清灣，北口與臺灣海峽相接；南側(cè)則有草嶼島將出口一分為二，東南口通往臺灣海峽，南口則與興化水道相連，具有典型的峽道特征[1]。峽道內(nèi)灘槽交替，發(fā)育有巖灘、潮灘、潮流沙脊、沖刷槽和海底殘丘多種地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)，并受到潮流和波浪共同作用，地形地貌和動力條件較為復(fù)雜[2]。研究表明在末次間冰期暖濕氣候與現(xiàn)代暖濕氣候的影響下，閩江攜帶的大量泥砂進(jìn)入海壇海峽和海壇島沿岸沉積，成為海壇島海灘砂的主要來源[3]。湯建軍等建立了二維淺水波數(shù)學(xué)方程，對海壇海峽的前進(jìn)波特征進(jìn)行了成功模擬，計算結(jié)果表明海峽內(nèi)流速分布呈南北強(qiáng)、中間弱的特點(diǎn)[4]。王彬諭等利用MIKE21建立二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析了海壇灣海域潮流動力情況[5]。盧惠泉等從海壇海峽的形成演變規(guī)律、水動力條件、海底地形地貌及沉積特征等方面系統(tǒng)探討了在峽道效應(yīng)作用下，海壇海峽的水動力環(huán)境和地貌變化[1]。

近年來，隨著平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的開發(fā)建設(shè)，各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得重大突破和進(jìn)展。為了緩解島內(nèi)用地緊張和綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)一步開放開發(fā)之間的矛盾，在平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)成立后，幸福洋、猴嶼、金井灣、金井作業(yè)區(qū)、安海澳等海灣和墾區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的填海造地工程。而海壇海峽內(nèi)豐富的海砂資源自然成為了填海造地工程所需巨量工程用砂的首要來源。大量海砂的開采將會降低海灘灘面，使海岸遭受更強(qiáng)的波浪襲擊，導(dǎo)致礁石裸露，對濱海旅游業(yè)造成影響，同時強(qiáng)化海岸的侵蝕，對海岸堤防和建筑物造成威脅[6-7]。因此，本文根據(jù)多年海圖以及實(shí)測地形數(shù)據(jù)等相關(guān)研究資料，對近期海壇海峽地形地貌變化開展了研究，不僅能增加對人類活動影響下峽道海域地貌演變的認(rèn)識，同時對促進(jìn)海峽資源合理有效地開發(fā)利用以及周邊社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展等都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)域概況

福建海壇海峽地形地貌變化復(fù)雜，分別在海峽兩側(cè)不同區(qū)域發(fā)育著巖灘、沙灘和泥灘3種地貌，在海底中發(fā)育著水下淺灘、潮流脊系和潮流三角洲3種地貌[1]。其所處的臺灣海峽潮波整體上表現(xiàn)為前進(jìn)波性質(zhì)，近岸處表現(xiàn)為駐波，為正規(guī)半日潮。潮波由北向南傳入海壇海峽，海峽內(nèi)潮波屬于前進(jìn)波，南北開口既有前進(jìn)波，又有駐波的特征[4]。海峽內(nèi)潮流為正規(guī)半日潮，受峽道兩側(cè)地形邊界條件限制，呈現(xiàn)為以往復(fù)流為主的形態(tài)，主要分潮流長軸方向與深槽線走向一致[1]，周年實(shí)測表層最大流速為1.27 m/s。根據(jù)平潭海洋站1980—2003年的統(tǒng)計資料，海壇海峽多年平均風(fēng)速為9.0 m/s，多年月平均風(fēng)速以11月的11.4 m/s為全年最大，而10月和12月的平均風(fēng)速也分別達(dá)到11.1 m/s和11.2 m/s，以8月的6.7 m/s為全年最小。全年風(fēng)向以東北偏北為最多，頻率為43%，其次為東北向，頻率為18%。受海峽地形的影響，海峽海域內(nèi)的主要波浪類型為小風(fēng)區(qū)形成的風(fēng)浪和口門傳入的涌浪疊加而成的混合浪[1]。對海峽中部2011年連續(xù)12個月波浪觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果表明海壇海峽的常浪向?yàn)镹NE向，年出現(xiàn)率為34.09%；強(qiáng)浪向?yàn)镹E和NNE，H1/10>1.5 m的年出現(xiàn)率分別為0.25%和0.09%。歷史研究資料顯示海壇海峽大部分海底表層沉積物較粗，主要為砂和細(xì)砂，在海峽兩側(cè)的海灣沉積物較細(xì)，主要為砂-粉砂-粘土、粘土質(zhì)砂和粘土質(zhì)粉砂[8]。

2 資料來源和研究方法

本文搜集了1999年至2015年的海圖及實(shí)測地形數(shù)據(jù)(表1)，利用ArcGIS對其進(jìn)行數(shù)字化處理，并應(yīng)用Bursa-Wolf模型和各基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換關(guān)系，將水深數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)統(tǒng)一為WGS 84坐標(biāo)系統(tǒng)下Gauss-Kruger投影(中央經(jīng)線為120°)，水深數(shù)值統(tǒng)一以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)。然后，將上述水深數(shù)據(jù)建立各年份的數(shù)字高程模型，開展沖淤計算。同時，在海壇海峽北部和南部分別取4個與主槽垂直的剖面，并對8個特征剖面的不同年份的斷面形態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計，剖面位置如圖1所示。

3 海壇海峽海床沖淤變化

3.1 2007—2015年福建海壇海峽北部近期沖淤變化

圖2為2007年至2015年福建海壇海峽北部西側(cè)水道及附近海床沖淤變化，從圖中可以看出，西側(cè)水道整體沖淤變化幅度相對較小，沖淤變化幅度均在2 m以下，以輕微淤積為主；淤積區(qū)域主要集中在北側(cè)老牛礁與赤礁嶼附近的分流淺灘以及籮嶼附近水域，淤積強(qiáng)度在2～5 m之間，局部點(diǎn)淤積強(qiáng)度達(dá)到5 m以上；而沖刷區(qū)域主要分布在西側(cè)水道靠近幸福洋一側(cè)、籮水道與四嶼水道間的淺灘以及西側(cè)水道進(jìn)入福清灣的轉(zhuǎn)角處，沖刷強(qiáng)度在2.0～13.5 m之間。整體上，該區(qū)域沖刷面積與淤積面積大體相當(dāng)(表2)，但是淤積區(qū)域以0～2 m的輕微淤積為主，而強(qiáng)度在5 m以上的沖刷區(qū)域面積明顯大于淤積區(qū)域，淤積區(qū)平均淤積厚度為0.82 m，沖刷區(qū)平均厚度為1.79 m。經(jīng)計算，計算范圍內(nèi)表現(xiàn)為凈沖刷2 614.48×104m3，平均凈沖刷厚度為0.48 m。

表2 1999—2015年海壇海峽水下海床沖淤變化特征值

續(xù)表2

3.2 2010—2015年福建海壇海峽南部近期沖淤變化

2010年至2015年，福建海壇海峽南側(cè)海床沖淤變化圖(圖3)顯示研究區(qū)域內(nèi)以0.5～2.0 m的淤積為主，局部大幅度的沖刷或淤積主要分布在近岸工程較為集中的金井灣和金井作業(yè)區(qū)附近，沖刷強(qiáng)度可達(dá)到15.0～23.6 m，淤積的強(qiáng)度則在10 m以上，局部可達(dá)20 m以上。從表2也能看出，研究區(qū)域內(nèi)淤積面積是沖刷面積的2倍多，達(dá)到36.07 km2，表現(xiàn)為凈淤積4 298.90×104m3，平均凈淤積厚度為0.82 m，年淤積速率為0.10 m/a。

3.3 1999—2015年福建海壇海峽整體沖淤變化

1999年至2015年，福建海壇海峽大籮嶼以北、明江嶼至石牌草嶼一線以南區(qū)域存在大范圍的集中沖刷區(qū)，沖刷強(qiáng)度在5.0～15.0 m，局部可達(dá)到15.0 m以上；而大籮嶼以南至草嶼以及明江嶼至石牌草嶼一線以北的區(qū)域則以0.5～2.0 m的輕微淤積為主，局部存在有強(qiáng)度較大的強(qiáng)沖刷或強(qiáng)淤積區(qū)(圖4)。整體上，海壇海峽沖刷區(qū)面積為148.68 km2，大于淤積區(qū)面積，凈沖刷量為7 843.83×104m3，年凈沖刷率為0.04 m/a(表2)。經(jīng)計算統(tǒng)計，幸福洋西側(cè)的集中沖刷區(qū)(圖4中黑框范圍)沖刷面積達(dá)到了39.32 km2，凈沖刷量達(dá)到了8 413.68×104m3，平均沖刷厚度為1.77 m，年沖刷速率則為0.11 m/a(表2)。幸福洋沖刷區(qū)的凈沖刷量(8 413.68×104m3)大于整個海壇海峽的凈沖刷量(7 843.83×104m3)，表明近期海壇海峽整體處于輕微淤積狀態(tài)，而幸福洋巨大的沖刷量使得海壇海峽整體表現(xiàn)為沖刷。

4 特征剖面形態(tài)變化

本次研究在海峽內(nèi)共設(shè)置了8條剖面，其中P1剖面位于老牛礁、青礁嶼南側(cè)，赤礁嶼北側(cè)，起于海壇海峽北部西側(cè)水道中線，橫過中部赤礁嶼和青礁嶼淺灘，止于北香爐嶼西北側(cè)(圖1A)。從圖5A可以看出西水道在1999年至2013年表現(xiàn)為持續(xù)沖刷狀態(tài)，年平均沖刷速率為0.42 m/a；中央水道和東水道在1999年至2007年表現(xiàn)為輕微淤積，淤積厚度為2 m左右，至2013年又表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)；2013年至2015年，P1剖面的三個水道均表現(xiàn)為不同程度的淤積。

P2剖面位于石牌草嶼北側(cè)，起于海壇海峽北部西水道中線，止于和平村西側(cè)近岸水域(圖1A)。從圖5B中可以看出1999年至2007年，P2剖面整體變化較小。2013年后中部淺灘表現(xiàn)為輕微淤積，淺灘兩側(cè)坡面明顯變陡，而灘頂高程基本保持不變；2013年后，東水道東側(cè)斜坡發(fā)生侵蝕，坡面逐漸變緩，5 m以上區(qū)域則存在年際間的不均衡沖刷和侵蝕，2013年曾出現(xiàn)一個側(cè)水道，水深達(dá)到10 m，至2015年次水道水深又恢復(fù)至1999年的7 m。

P3剖面位于石牌草嶼南側(cè)，起于海壇海峽北部西水道中線，終于玉嶼仔西南偏西測680 m處(圖1A)。1999年至2007年，P3剖面處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，整體沖淤變化幅度均在0.5 m以下，沖淤變化較小(圖5C)。而到了2013年，中部淺灘一分為二，形成一個次級水道，水深達(dá)到12.58 m。東水道底部發(fā)生沖刷，水深最大處達(dá)到了13.68 m。至2015年，經(jīng)過進(jìn)一步的動態(tài)平衡調(diào)整，兩個淺灘的頂高程降低了0.66 m，新形成的次級水道水深穩(wěn)定在了10 m；東水道與2013年相比，發(fā)生沖刷，東側(cè)坡度變陡。

P4剖面位于幸福洋西側(cè)(圖1A)。1999年至2007年，P4斷面淺灘高程變化較小，而東水道則存在一個顯著的淤積過程，最大淤積厚度達(dá)到了4.97 m(圖5D)。2007年至2015年，P4斷面整體進(jìn)入了劇烈沖刷狀態(tài)，沖刷深度在0.85～5.00 m之間。

P5剖面位于南青嶼南部、大嶼島北部，起于福清縣東翰鎮(zhèn)大壤村東南側(cè)，橫過西側(cè)水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于平潭娘宮(圖1B)。1999年至2013年P(guān)5剖面西側(cè)水道、中部淺灘以及中央海壇海峽中央水道均呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)(圖5E)，與1999年相比，沖刷幅度在0.5～2.2 m不等，而至2015年，中部淺灘整體向西移動了約130 m，導(dǎo)致西側(cè)水道和中央水道的西側(cè)斜坡發(fā)生淤積，而東側(cè)斜坡則表現(xiàn)為侵蝕。

P6剖面位于大嶼島南部，起于福清縣東翰鎮(zhèn)后營村東側(cè)，橫過西側(cè)水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于吉釣島(圖1B)。如圖5F所示，P6在1999年、2010年和2013年地形總體變化不大，西側(cè)水道的西側(cè)斜坡略有侵蝕，東側(cè)斜坡和中部淺灘與2010年相比略有淤積，淤積厚度1～4 m；海壇海峽中央水道西側(cè)斜坡下部與2010年相比略有淤積，東側(cè)斜坡上部呈沖刷狀態(tài)，與2010年相比，刷深強(qiáng)度較大，達(dá)2～3 m/a。2015年P(guān)6剖面整體發(fā)生淤積，較2013年，淤積厚度1 m左右。

P7剖面位于可門島東部、東進(jìn)島南部，起于可門島，橫過西側(cè)次水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于珩尾灘(圖1B)。從圖5G可以看出，P7剖面西側(cè)次水道略有淤積；于1999年至2013年，中部淺灘變化較小；至2015年淺灘東側(cè)發(fā)生沖刷。海壇海峽中央水道從1999年至2010年均呈沖刷狀態(tài)，沖刷深度達(dá)4 m；而從2010年至2013年轉(zhuǎn)為淤積狀態(tài)，與2010年相比，淤積厚度達(dá)5.4 m，淤積強(qiáng)度達(dá)2 m/a；至2015年中央水道最大水深基本恢復(fù)到1999年的29.3 m。

P8剖面位于南海鄉(xiāng)西北部，起于南海鄉(xiāng)與平潭島之間的水道，止于平潭島西南側(cè)近岸淺灘(圖1B)。如圖5H所示，P8剖面在2002年、2010年和2013年地形總體變化不大，南海鄉(xiāng)與平潭島之間的水道南側(cè)斜坡與2010年比略有侵蝕，北側(cè)斜坡與2010比略有淤積，平潭島西南側(cè)近岸淺灘與2010年比呈沖刷狀態(tài)，刷深幅度較大，達(dá)2～12 m，該處地形變化應(yīng)與海沙盜采有關(guān)。較2013年，至2015年南海鄉(xiāng)與海壇島之間的水道呈淤積狀態(tài)。

5 近期福建海壇海峽海床沖淤變化因素分析

從上面的分析可以看出，近期海壇海峽整體上處于輕微淤積狀態(tài)，局部區(qū)域存在不平衡沖淤，盧惠泉等的研究結(jié)果也印證了這一點(diǎn)[1]，而竹嶼口至幸福洋是一個集中的強(qiáng)沖刷區(qū)域。海壇海峽兩側(cè)陸域廣泛分布有火山巖、花崗巖丘陵、臺地、砂質(zhì)海積平原和風(fēng)積平原，新構(gòu)造運(yùn)動的間歇性上升，導(dǎo)致地表侵蝕、水土流失，從而為海峽兩岸邊灘提供了豐富的泥沙；隨沿岸流南下的閩江下泄泥沙也成為海壇海峽的另一個重要泥沙來源[1，3]。這都為近期海壇海峽的整體淤積狀態(tài)提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，然而圍填海工程、航道疏浚以及海砂開采等用海行為對海壇海峽局部海床沖淤變化起著重要的影響作用。

5.1 海砂開采對海床沖淤變化的影響

海峽兩岸的風(fēng)化以及閩江南下挾沙沿岸流為海壇海峽帶來了大量的懸浮泥沙，同時由于海壇海峽特殊的地質(zhì)地貌形態(tài)，在水動力對沉積物的分選作用下，海峽深槽兩側(cè)斜坡以及水深較淺的淺灘形成了良好的沉積環(huán)境，有利于細(xì)顆粒泥沙的沉積[1-2，8]，使得海壇海峽蘊(yùn)藏著豐富優(yōu)質(zhì)的海砂資源。海壇海峽竹嶼至長江濱分布有大型鑄型用砂礦，而海壇島沿岸則分布有探明儲量為1.0億t的水泥標(biāo)準(zhǔn)砂，海壇蘆洋浦是全國唯一的標(biāo)準(zhǔn)砂礦生產(chǎn)供應(yīng)基地[9]。另一方面，近年來隨著平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的開發(fā)建設(shè)，在海壇島西岸進(jìn)行了大量圍填海工程，據(jù)統(tǒng)計僅幸福洋和金井灣、金井作業(yè)區(qū)圍填海工程，填海面積就分別達(dá)到了約14.61 km2和10.29 km2(圖6和圖7)。大面積的圍填海工程，對海砂也有著巨量的需求，而竹嶼口至和平村西側(cè)海域斷面水深較淺，淺灘發(fā)育(圖5C、D)，存有大量海砂資源。P4剖面的整體大幅度沖刷侵蝕形態(tài)也與海砂開采后的特征相符，因此，大量的海砂開采是導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生沖刷的主要原因。

5.2 圍填海工程及航道疏浚對海床沖淤變化的影響

近年來，海壇島大量填海造地工程的建設(shè)以及航道疏浚對海壇海峽局部的地形演變有重要影響。以娘宮碼頭至金井作業(yè)區(qū)段岸線為例，金井作業(yè)區(qū)2#～5#泊位的填海施工導(dǎo)致2013年后P6剖面東部地形發(fā)生突變(圖5F)。金井進(jìn)港航道及金井作業(yè)區(qū)港池疏浚則導(dǎo)致大嶼島至金井作業(yè)區(qū)碼頭前沿的水域發(fā)生明顯沖刷，局部沖刷強(qiáng)度達(dá)到15～22 m(圖8)。而娘宮支航道的疏浚，則使得大嶼島至殼嶼間的水道深槽水深增大，而深槽兩邊的淺灘發(fā)生淤積(圖8)，深槽形態(tài)由寬淺向窄深演變，有利于船只的航行以及航道維護(hù)。另一方面，金井灣和金井作業(yè)區(qū)填海工程進(jìn)一步束窄了海壇海峽南部的水道，使得該區(qū)域的水動力作用有所增強(qiáng)，也是導(dǎo)致該區(qū)域深槽發(fā)生沖刷的原因之一。根據(jù)填海工程完成后的2014年實(shí)測大潮水文數(shù)據(jù)顯示，5#泊位前沿水域的水流呈現(xiàn)往復(fù)流形態(tài)，大潮落潮垂線平均流速為0.68 m /s，而漲潮垂線平均流速則達(dá)到了1.10 m/s，表現(xiàn)為凈的漲潮輸沙，單寬輸沙量為20.10 t/m·d。

6 結(jié)論與討論

6.1 近期福建海壇海峽海床沖淤變化

1999—2015年，在閩江隨沿岸流南下的懸浮泥沙補(bǔ)給下，除竹嶼口至和平村海域外，海壇海峽整體處于輕微淤積的狀態(tài)，但由于幸福洋西側(cè)沖刷區(qū)巨大的沖刷量，使得海壇海峽在研究區(qū)域內(nèi)整體表現(xiàn)為凈沖刷狀態(tài)，年平均沖刷速率為0.04 m/a。鑄造用砂、標(biāo)準(zhǔn)水泥砂礦開采以及海壇海峽內(nèi)填海造地用砂，使得幸福洋西側(cè)海域的海砂被大量開采，導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生劇烈沖刷，平均沖刷厚度為1.77 m，年平均凈沖刷速率達(dá)到0.11 m/a。海壇海峽東岸圍填海工程以及海峽內(nèi)航道疏浚等用海行為則對其局部海床沖淤變化產(chǎn)生重大影響。

由此可見，海壇海峽內(nèi)存在大量海砂開采活動，而海砂開采，尤其是無序的非法開采活動，將引發(fā)一系列突出的環(huán)境和工程問題，例如海岸侵蝕、海水入侵以及底床破壞，這可能給工程環(huán)境、航運(yùn)、管道纜線和水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來消極影響[10]。

6.2 海砂開采管理與監(jiān)管建議

首先應(yīng)對海壇海峽及其周邊的海砂資源和開采區(qū)域的海砂儲量及開采情況進(jìn)行摸底，委托有資質(zhì)的相關(guān)單位對海砂資源儲量、范圍、性質(zhì)等進(jìn)行充分而詳細(xì)地調(diào)查。同時開展區(qū)域性海砂開采規(guī)劃的編制，對區(qū)域內(nèi)海砂的開采范圍、限采范圍、每年海砂開采的總量、海砂開采船只數(shù)量等指標(biāo)進(jìn)行合理規(guī)劃。以福州市政府和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)管委會牽頭，委托有資質(zhì)的單位開展海砂開采海洋環(huán)境影響評價和海域使用論證，對適宜海砂開采的區(qū)域，采取招、拍、掛的形式出讓海砂開采權(quán)，并引導(dǎo)海砂開采形成規(guī)模化企業(yè)，大力發(fā)展12 海里以外及臺灣淺灘海砂開采[11]。

另一方面，在涉及圍填海的項(xiàng)目審批上，應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，能采用其他回填材料的，一律使用可替代材料回填，減少海砂的使用，杜絕填海項(xiàng)目隨意性使用海砂的現(xiàn)象。相關(guān)海洋主管部門應(yīng)加強(qiáng)對新建采砂船的審批監(jiān)管，并引導(dǎo)相關(guān)造船企業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)轉(zhuǎn)業(yè)，從源頭上遏制采砂船的過快增長。同時，組織發(fā)改委、邊防、海警、海事、海洋、公安、國土資源等單位聯(lián)合執(zhí)法，對海上非法采砂活動進(jìn)行嚴(yán)厲打擊，并加大對非法采砂活動的處罰力度。

6.3 海岸防護(hù)建議

對已造成侵害的海岸岸線，可采取海堤、丁壩以及離岸堤等工程手段對岸灘堤岸進(jìn)行防護(hù)；對侵蝕嚴(yán)重或具有旅游開發(fā)利用價值的岸灘可采用海灘補(bǔ)沙的方式進(jìn)行防護(hù)，并可與生物護(hù)岸措施相結(jié)合，以達(dá)到較好的海岸防護(hù)效果。