萊州灣圍填海工程對海洋環(huán)境的累積影響研究?

田 艷， 于定勇， 李云路

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100; 2.青島海洋地質(zhì)工程勘察院， 山東 青島 266071)

萊州灣圍填海工程對海洋環(huán)境的累積影響研究?

田 艷1，2， 于定勇1**， 李云路1

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100; 2.青島海洋地質(zhì)工程勘察院， 山東 青島 266071)

本文以萊州灣海洋環(huán)境為研究對象，采用數(shù)值模擬，分別從海域空間、水動力和生態(tài)環(huán)境3個方面，分析了2000—2005年、2005—2010年和2010—2013年萊州灣3個階段圍填海工程對其海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響。結(jié)果表明，2000—2013年圍填海工程導(dǎo)致萊州灣的海域面積減小了約6.3%，岸線長度增加了18.1%；影響流速等級為Ⅲ級的海域面積累積約1 069 km2，大、小納潮量分別減少了3.81%和4.76%；圍填海工程還導(dǎo)致萊州灣的生物資源多樣性程度和數(shù)量下降。十幾年來的圍填海對萊州灣海洋環(huán)境的累積影響較大。

圍填海；海洋環(huán)境；累積影響

圍填海是世界上沿海國家拓展海岸帶空間的重要舉措，大規(guī)模的圍填海工程以歐洲和亞洲最為突出，有幾百年圍填海歷史的荷蘭，在二十世紀(jì)的兩大工程—須德海工程和三角洲工程加快了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時給海洋漁業(yè)造成很大的威脅[1]；近幾十年在阿聯(lián)酋的迪拜填海面積已達(dá)200 km2，而在巴林填海面積達(dá)91 km2，占其國土面積的11%[2]，圍填海工程造成這些阿拉伯國家的海岸線的累積開發(fā)強(qiáng)度超過40%[3]。在亞洲，新加坡的國土面積從1960年的581 km2增加到1986年的620.5 km2，使得沿岸占國土面積13%的紅樹林的面積降至不足3%。因此，圍填海工程在拓展了海岸帶空間同時，由于其改變了水深、流速和波浪條件，進(jìn)而對海洋環(huán)境造成了一定的影響[2]。

累積影響相對于單一項(xiàng)目在一段時間的影響而言，具有疊加、協(xié)同和時間滯后、邊界擴(kuò)大等效應(yīng)[4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用不同的方法進(jìn)行了圍填海工程對海洋環(huán)境累積影響的研究。Natalie C.Ban等[5]運(yùn)用EIA從大范圍尺度上研究了加拿大太平洋水域的環(huán)境，結(jié)果表明加拿大整個大陸架的太平洋海域均受到了不同程度的污染；AL-Madany IM等[6]在研究巴林海岸線過去幾十年的填?；顒訉０稁Мa(chǎn)生的環(huán)境影響時，提出了“經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—社會”的綜合評價模型，分析了填海活動帶來的累積影響，結(jié)果表明圍填海工程破壞了海洋生態(tài)和環(huán)境，給漁業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來了損失；Omran E. Frihy[7]選取了地中海沿岸13個海岸工程為例，運(yùn)用定性的分析方法分析了這些海岸工程給海岸帶帶來的岸線沖刷、港口淤積和海水污染等，結(jié)果表明圍填海工程對海岸帶的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性的影響；陸榮華等[8]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對圍填海引起的廈門灣的潮流動力累積影響進(jìn)行了初步研究；俞煒煒等[9]以福建興化灣為例，運(yùn)用GIS技術(shù)評估了研究區(qū)域近40年來圍填海所造成的生態(tài)服務(wù)損失，并預(yù)測了至2020年圍填?？赡軐ι鷳B(tài)服務(wù)造成的累積影響；林桂蘭等[10]運(yùn)用灰色評估模式，對海灣資源開發(fā)的累積生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了研究。上述研究結(jié)果均表明：圍填海工程對海洋環(huán)境會產(chǎn)生累積影響，且是不容忽視的，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)难芯糠椒ǚ治龆囗?xiàng)圍填海工程產(chǎn)生的長期累積影響，是進(jìn)行海洋管理和海域環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)。

不同的海域具有不同的環(huán)境特點(diǎn)，且由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多項(xiàng)圍填海工程對海洋環(huán)境影響的分散性和滯后性，所以，對圍填海工程產(chǎn)生的海洋環(huán)境累積影響進(jìn)行評估仍存在一定的困難，如何全面客觀地研究圍填海對海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響已成為一個重要課題。

由于反映海洋環(huán)境累積變化的因素較多，為了有效的評價圍填海對海洋環(huán)境的累積變化影響，本文的研究將從圍填海工程引起的海域空間、水動力和海洋生態(tài)等累積變化的角度，運(yùn)用數(shù)值模擬和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，分析圍填海工程對海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響。

1 研究區(qū)域概況

萊州灣位于渤海南部，山東半島北部，西起現(xiàn)代黃河新入?？?，東至龍口的屺姆角(118.8°E～120.4°E，36.9°N～38.1°N)。1990年代，萊州灣是重要的漁業(yè)和海鹽生產(chǎn)基地，萊州灣海底地形單調(diào)平緩，由于河流泥沙堆積，水深大部分在10 m以內(nèi)，海灣西部最深處達(dá)18 m。平均潮差(龍口)0.9 m，最大可能潮差2.2 m。西段受黃河泥沙影響，潮灘寬6～7 km，東段僅500～2000年以前，萊州灣已經(jīng)開始了圍填海的開發(fā)活動，主要用途包括漁業(yè)、鹽業(yè)和港口碼頭建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，萊州灣2000以前的圍填海面積約2 358.7 hm2。2000年后，萊州灣實(shí)施了大規(guī)模的圍填海工程，2009年山東省將用海區(qū)劃分為“九大集中區(qū)”和“十小集中區(qū)”，到2020年“九大十小”用海區(qū)規(guī)劃海陸總面積約1 500 km2，包括近岸陸地800 km2，集中用海700 km2。萊州灣包括四個大集中區(qū)，其中濰坊濱海生態(tài)旅游度假區(qū)和龍口灣臨港高端產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的圍填海工程已完成圍填海面積約57.8 km2。

2 海域空間累積變化

圍填海工程對海灣海洋環(huán)境影響表現(xiàn)之一就是使海岸線不斷向海一側(cè)推進(jìn)，單個圍填海工程由于占用岸線不長，并且海水具有流動性，所以對海洋環(huán)境的影響具有分散性和滯后性，往往被人們忽視。但多項(xiàng)圍填海工程在較長時間尺度的累積下，變化程度是很可觀的，對海洋環(huán)境的影響大多也是不可逆的[12]。

人類活動是海岸線變化的重要因素，而多項(xiàng)圍填海工程使得海岸線的長度和形態(tài)發(fā)生了顯著變化。本文收集了萊州灣2000、2005、2010和2013年4期的遙感影像，運(yùn)用ENVI4.8和ArcGIS10.0軟件進(jìn)行處理，以1∶50 000地形圖為底圖，以2000年的遙感影像圖作為基準(zhǔn)，進(jìn)行其他時相數(shù)據(jù)的幾何校正。通過對4期的海岸線進(jìn)行識別，對萊州灣的海岸線進(jìn)行了提取(見圖1、2、3、4)，以此來分析海岸線的長度變化和海岸線的變遷情況(見表1、2)。

通過表1和2統(tǒng)計(jì)分析可見，在過去十幾年間萊州灣人工岸線呈持續(xù)增加，但是，2005-2010年階段，岸線總長度出現(xiàn)負(fù)增長，主要是圍填海裁彎取直造成岸線的長度和形態(tài)發(fā)生了變化；2010-2013年階段，岸線長度出現(xiàn)增加的趨勢，主要是采用了離岸人工島的圍填海方式增加了人工岸線的長度。

圖1 2000年萊州灣岸線分布Fig.1 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2000

圖2 2005年萊州灣岸線分布Fig.2 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2005

圖3 2010年萊州灣岸線分布Fig.3 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2010

圖4 2013年萊州灣岸線分布Fig.4 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2013

/km

Note：①Artificial shoreline；②Sandy shoreline；③Muddy shoreline；④Bedrock shoreline；⑤Total

表2 海域空間累積變化對比表Table 2 Comparison of sea space accumulation changes

Note：①Different otages；②Artificial shoreline；③Sandy shoreline；④Muddy shoreline；⑤Bedrock shoreline；⑥Reclamation area

3 水動力環(huán)境累積變化

本文運(yùn)用MIKE21的水動力模型，采用提取的遙感數(shù)據(jù)獲得岸線數(shù)據(jù)，水深資料來源以海圖為主，通過數(shù)字化方法得到計(jì)算區(qū)域的水深，原始水深數(shù)據(jù)點(diǎn)相對網(wǎng)格劃分較少的區(qū)域，通過插值法獲得，部分海域水深結(jié)合當(dāng)年衛(wèi)星海圖進(jìn)行修正。

3.1 模型簡介及驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確模擬工程區(qū)域的水動力環(huán)境，考慮模型的計(jì)算精度，本文將水動力的計(jì)算區(qū)域確定為：118.8°E～120.4°E，36.9°N～38.1°N。計(jì)算模型三角形網(wǎng)格個數(shù)為28 314個，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 685個。最大網(wǎng)格面積為10 000 m2，最小網(wǎng)格面積為2 500 m2。

采用水動力的控制方程：

水流連續(xù)性方程：

(1)

x方向動量方程：

(2)

y方向動量方程：

(3)

式中：ζ為水位，即由靜水面向上起算的海面；t為時間；H為總水深，H=d+ζ，d為靜水深；u、v分別為x、y向的水深平均流速；x、y為笛卡爾坐標(biāo)f為科氏系數(shù)，f=2ωsinθ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，θ為計(jì)算區(qū)域的維度；g為重力加速度；ρ為水的密度；εx、εy分別為水平渦粘系數(shù)在x、y向的分量；τbx、τby分別為x、y向的底床剪切力。

潮位和潮流的驗(yàn)證資料采用2011年1月4—5日(大潮期)P1測點(diǎn)(119.2°E，37.5°N)的實(shí)測值。本文給出了P1測點(diǎn)大潮的潮位、流速、流向?qū)崪y值與計(jì)算值的驗(yàn)證結(jié)果。根據(jù)《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程(JTS/T231—2010)》[13]，計(jì)算結(jié)果應(yīng)符合流速出現(xiàn)的時間允許偏差為±0.5 h，流速過程的形態(tài)基本一致，測點(diǎn)漲落潮段平均流速允許偏差為±10%。如圖5、6和7所示。結(jié)果表明：潮位、流速及流向的實(shí)測值和計(jì)算值基本相符，該模型能較真實(shí)地模擬計(jì)算出萊州灣海域的流場。

圖5 P1測點(diǎn)大潮潮位驗(yàn)證Fig.5 Verification of spring tidal level at station P1

圖6 P1測點(diǎn)大潮流速驗(yàn)證Fig.6 Verification of spring tidal velocity at station P1

圖7 P1測點(diǎn)大潮流向驗(yàn)證Fig.7 Verification of spring tidal direction at station P1

3.2 潮流場分析

本文模擬了萊州灣2000、2005、2010和2013年四個不同時期的漲急和落急時刻潮流。從結(jié)果可以看出四種工況的潮流過程和流場分布特征基本一致，明顯的變化主要表現(xiàn)在圍填海工程海域，工程使附近海域的流速和流向發(fā)生了變化，本文給出了2000年和2013年的潮流圖(見圖8、9)。

圖8 2000年萊州灣漲急和落急時刻潮流圖

圖9 2013年萊州灣漲急和落急時刻潮流圖

3.3 流速變化

流速變化是反映海灣水動力變化的重要指標(biāo)，圍填海使海灣流速發(fā)生了變化。本文模擬計(jì)算了3個階段的流速變化，給出了萊州灣2000—2013年漲、落急時刻的流速累積變化圖(見圖10、11)。選擇漲落急時刻流速變化值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

為了衡量圍填海工程對水動力環(huán)境的累積影響程度，借鑒渤海灣圍填海開發(fā)活動對最大流速影響等級表[14]，根據(jù)萊州灣潮流場流速變化的范圍，本文提出了萊州灣圍填海工程對流速影響等級表，具體等級劃分見表3。

圖10 2000—2013年漲急時刻流速累積變化分布圖

圖11 2000—2013年落急時刻流速累積變化分布圖

影響程度(C)Influencedegree流速范圍/cm·s-1Velocityrange輕(Ⅲ級)5gt;C≥2中(Ⅱ級)10gt;C≥5重(Ⅰ級)C≥10

根據(jù)萊州灣流速累積變化圖和流速影響等級表，將萊州灣2000—2005年、2005—2010年和2010—2013年的圍填海工程對流速影響等級面積統(tǒng)計(jì)如表4和5。結(jié)果表明，由于圍填海工程的實(shí)施造成萊州灣的潮流場發(fā)生變化，圍填海工程的附近區(qū)域流速改變值大于30 cm/s，萊州灣圍填海工程的實(shí)施使海域流速具有明顯的累加效應(yīng)。

表4 漲急時刻流速影響等級面積統(tǒng)計(jì)表Table 4 The statistical current velocity influence rating scale at the flood tide /km2

3.4 納潮量變化

納潮量是表征半封閉海灣生存能力的重要指標(biāo)，它的變化直接影響海灣的潮流特性[15]。圍填海工程的實(shí)施導(dǎo)致了萊州灣海域納潮量的變化，從長遠(yuǎn)來看，圍填海引起的納潮量的變化可能破壞水動力條件和海域生態(tài)的動態(tài)平衡。同時，納潮量的減小還將影響污染物的遷移擴(kuò)散，降低海灣的自凈能力[16]。

表5 落急時刻流速影響等級面積統(tǒng)計(jì)表Table 5 The statistical current velocity influence rating scale at the ebb tide /km2

本文為研究圍填海工程對萊州灣海域納潮量的影響，設(shè)置了灣口斷面(118.8°E～120.4°E，36.9°N～38.1°N)，以此計(jì)算大小潮期海域空間變化前后灣內(nèi)的納潮量變化。計(jì)算結(jié)果表明，2013年現(xiàn)狀下萊州灣大潮時的納潮量為8.659 89×109m3，小潮時的納潮量為 6.203 42×109m3。分析計(jì)算結(jié)果表明，由于2000年后大規(guī)模的圍填海工程的實(shí)施，萊州灣海域面積減小，流場變化，導(dǎo)致了納潮量的減少。十幾年間，大潮納潮量累積減少了3.81%，小潮納潮量累積減少了4.76%。

4 海洋生態(tài)環(huán)境累積影響變化

為了反映3個階段萊州灣海域的海洋生態(tài)環(huán)境變化，本文采用半水交換率、海洋生物多樣性指數(shù)和生物資源損失量等來衡量圍填海工程對海洋生態(tài)環(huán)境的累積影響。

4.1 水交換變化

本文采用保守物質(zhì)的對流—擴(kuò)散模型，分別模擬萊州灣2000年、2005年、2010年和2013年4種海岸線的污染物的遷移擴(kuò)散情況。對流擴(kuò)散方程如下：

(4)

模型的初始條件設(shè)置萊州灣灣內(nèi)相對濃度為1，灣外和邊界濃度均為0，計(jì)算時間步長150 s，其它條件的設(shè)置和水動力相同。計(jì)算萊州灣的半水交換率，也就是灣內(nèi)污染物的平均濃度降為初始濃度一半所需要的時間。計(jì)算結(jié)果如表6。

表6 萊州灣半水交換率時間表

計(jì)算結(jié)果表明，圍填海工程對萊州灣的水交換的影響比較明顯，2000—2013年水質(zhì)濃度的半水交換率的時間增加了22 d。圍填海工程降低了萊州灣的水交換能力和污染物的自凈能力，另外沿海海洋開發(fā)和入海河流給海洋帶來的污水污物，更加加重了萊州灣水環(huán)境的負(fù)荷。

4.2 海洋生物多樣性的變化

水環(huán)境的惡化直接對海洋生物資源造成明顯的累積和傳導(dǎo)效益，生物資源也呈現(xiàn)不斷惡化態(tài)勢。2000年以來萊州灣的生態(tài)系統(tǒng)一直處于不健康或亞健康狀態(tài)，小清河口海域底棲生物種類和數(shù)量明顯減少，耐污種逐漸增多。整個萊州灣魚卵仔魚數(shù)量呈下降趨勢，小清河口海域已不適宜魚卵仔魚的生長發(fā)育[17]。

根據(jù)中國海洋公報(bào)數(shù)據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，萊州灣重要經(jīng)濟(jì)生物產(chǎn)卵場和漁業(yè)資源衰退趨勢未得到有效遏制。陸源排污和海洋開發(fā)是影響萊州灣生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素[17-18]，圍填海工程減小了納潮量，延長了海灣的水交換時間，使海水的自凈能力降低，將會給海洋生物的生存環(huán)境帶來不同程度的影響。近十年來，浮游動植物和大型底棲動物的種類數(shù)明顯減少,2004年萊州灣的浮游植物和大型底棲的種類數(shù)分別是95種和132種；2013年浮游植物和浮游動物的種類數(shù)量分別是44和103種[19]。萊州灣的浮游植物和大型底棲動物的多樣性指數(shù)變化，如圖12所示。

萊州灣海域的浮游植物的種類多樣性從2005—2013年總體呈現(xiàn)逐年下降的趨勢；2010年8月與2005年8月相比大型底棲動物多樣性比明顯下降，2011年后多樣性呈現(xiàn)優(yōu)良狀態(tài)。浮游植物和大型底棲動物的多樣性指數(shù)的變化趨勢與人類的用海方式密切相關(guān)。

圖12 浮游植物和大型底棲動物多樣性指數(shù)變化圖Fig.12 Variation of phytoplankton and benthos diversity index

4.3 海洋生物資源量的變化

圍填海工程占用大量的灘涂資源，損害了漁業(yè)資源的生存環(huán)境，使海洋生物資源棲息地喪失。根據(jù)《山東省海洋生態(tài)損害賠償和損失補(bǔ)償評估方法》[20]，萊州灣各生物類型平均生物量分別為：魚類是6.44 kg/hm2；甲殼類和頭足類是2.44 kg/hm2；潮間帶天然底棲動物是1 718 kg/hm2。根據(jù)萊州灣近十幾年來的圍填海面積得出各生物資源的損失量，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 萊州灣生物資源損失量Table 7 Loss of biological resources in Laizhou Bay /t

Note：①Different stages；②Fish；③Crustaceans and cephalopods；④Intertidal natural benthos

通過計(jì)算數(shù)據(jù)表明，2000—2013年填海對萊州灣的漁業(yè)資源、甲殼類和頭足類等生物資源量的累積影響不大，但是造成潮間帶的天然底棲動物的累積損失量是較大的。

5 結(jié)論

本文依據(jù)萊州灣2000年、2005年、2010年和2013年的遙感影像圖及海洋水質(zhì)和生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從環(huán)境累積變化方面分析了圍填海工程對整個萊州灣海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響：

(1) 2000—2013年萊州灣圍填海面積總計(jì)為371.46 km2，圍填海直接導(dǎo)致海域面積縮小了約6.3%，同時岸線長度和形態(tài)發(fā)生了較大的變化，萊州灣2013年的海岸線長度相比2000年增加了102.5 km，年均增加了7.89 km。其中人工岸線增長了135.1 km。

(2) 根據(jù)數(shù)值計(jì)算，圍填海改變了萊州灣海域的水動力環(huán)境，落急時刻流速影響為Ⅲ級的面積累積約為1 069 km2。同時，圍填海導(dǎo)致納潮量的下降，十幾年間，萊州灣大潮納潮量累積減少了3.81%，小潮納潮量累積減少了4.76%。

(3) 圍填海工程對萊州灣的生態(tài)系統(tǒng)造成一定的累積影響，近十幾年間，萊州灣的浮游動植物的種數(shù)和多樣性基本呈下降趨勢；填海工程導(dǎo)致填海區(qū)域的底棲動物的損失量是較大的。

(4) 圍填海影響了萊州灣的水動力環(huán)境，動力條件的改變削弱了海水的交換能力和自凈能力；同時，工程的實(shí)施影響了萊州灣的生態(tài)環(huán)境，對海洋生物資源量造成明顯的累積效應(yīng)。因此，圍填海工程對萊州灣海洋環(huán)境的累積影響是較大的。

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責(zé)任編輯 陳呈超

ResearchontheAccumulationofMarineEnvironmentinLaizhouBay

TIAN Yan1,2， YU Ding-Yong1， LI Yun-Lu1

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Geo-Marine Engineering Survey，Qingdao 266071, China )

This paper takes marine environment in Laizhou Bay as the research object. The cumulative effect of coastal reclamation on the marine enviroment has been analyzed from maritime space, hydrodynamic and ecological environment cumulative changes for three stages of 2000—2005, 2005—2010 and 2010—2013 through numerical simulation method.The results show that the sea area has been reduced about 6.3%, and shoreline length has been increased 18.1%.The affecting velocity level for III of the sea area has been accumulated about 1 069 km2, and large and small tidal volume has been reduced 3.81% and 4.76%.The reclamation also leads to a decline in biological resources of diversity and quantity in Laizhou Bay. The large scale of the reclamation in the Laizhou Bay has a greate impact on the marine environment.

reclamation; marine environment; cumulative effect

TV143

A

1672-5174(2018)01-117-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150266

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TIAN Yan， YU Ding-Yong， LI Yun-Lu. Research on the Accumulation of Marine Environment in Laizhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(1): 117-124.

山東省基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZR2013EEZ002)資助

Supported by Nature Science Foundation of Shandong Province(ZR2013EEZ002)

2015-05-11；

2016-04-21

田 艷(1982-)，女，博士生。E-mail:tianyan8209@163.com

?? 通訊作者：E-mail:dyyuol@ouc.edu.cn