河口灘涂圍墾對水動力環(huán)境影響研究綜述

湯立群，盧 單,，趙慧明，周建康，郭傳勝，劉大濱

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

灘涂是河口海岸區(qū)域陸海相互作用的集中地帶，在地貌學上稱為“潮間帶”，指沿海大潮高潮位與低潮位之間的潮浸地帶，其物理、化學、生物、地質等過程十分復雜。因在提高海岸防御能力、增加潛在土地資源和保護生物多樣性等方面具有重要作用，灘涂圍墾受到沿海國家的極大重視。河口海岸灘涂利用具有兩面性：一方面，隨著沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展，利用灘涂拓展發(fā)展空間，已成為各國沿海地區(qū)突破土地資源“瓶頸”、推動經(jīng)濟社會發(fā)展的重要途徑；另一方面，灘涂作為人類活動最為頻繁的地區(qū)，高強度的開發(fā)利用直接或間接地改變了海岸帶原有的地表形態(tài)及自然的物理化學過程，使得河口海岸灘槽動力地貌格局發(fā)生變化，增加了海岸帶潛在風險[1]，造成沿海生態(tài)、資源環(huán)境、洪潮災害及經(jīng)濟社會等諸多問題[2]。因此，實現(xiàn)灘涂資源保護與高效利用對保證各國沿海經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國內外學者從水利工程學、地學、海洋學、環(huán)境學等不同學科角度，對河口海岸灘涂演變機理及利用影響機制等科學問題進行了大量研究，以盡量減少甚至避免灘涂圍墾所引起的河口海岸線變化、水動力環(huán)境變化及洪澇災害加劇等不利影響[3]。然而，目前相關研究更多的關注于特定灘涂利用的局部影響，是對灘涂單個功能影響的定量分析。而灘涂作為一個具有多重功能的資源，具有空間動態(tài)性、資源多功能性和利用模式多樣性等諸多特點。更具前瞻性和綜合性的研究需要從以下兩方面進行，一是從資源承載力的角度評估灘涂利用所產(chǎn)生的影響以及灘涂資源利用和相關制約因素之間的互饋關系；二是從可持續(xù)發(fā)展角度對其承載力及資源狀況進行科學、準確的評價。包括系統(tǒng)研究河口河勢、防洪、灘槽穩(wěn)定和海堤安全等約束要素對灘涂利用的響應機制，量化評估其累積效應和互饋機制，分析灘涂利用引起河口河勢和灘槽穩(wěn)定變化對海堤穩(wěn)定的可能影響，為海堤安全風險評估提供水沙動力指標因子等。

綜上，圍墾作為一項儲備土地資源的有效手段，對經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要的推動作用，同時，作為一項顯著改變海洋自然屬性的人類海洋開發(fā)利用行為，如果缺乏科學的評估與規(guī)劃，會對海洋生態(tài)環(huán)境帶來不利影響，制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[4]。本文在介紹我國重點灘涂資源開發(fā)現(xiàn)狀的基礎上，綜述了灘涂圍墾在河口水動力、河口岸線及防洪排澇等水動力環(huán)境方面的影響，為后續(xù)整體系統(tǒng)開展河口海岸帶灘涂利用與灘槽交換、河勢演變、防洪御潮、海堤穩(wěn)定的互饋關系提供前瞻性課題，科學指導河口灘涂利用的規(guī)劃、實施與保護。

1 我國重點灘涂資源開發(fā)現(xiàn)狀

我國海域接納多條世界級大江大河，泥沙來源豐富，發(fā)育有約3萬km2的灘涂。我國早在漢代已有小規(guī)模的圍墾，唐代與宋代時江蘇、浙江沿海農業(yè)和鹽業(yè)日益發(fā)達，圍墾規(guī)模逐漸擴大，出現(xiàn)了百里長堤。近70年來，中國大陸岸線開發(fā)利用程度持續(xù)而顯著增加，尤其是20世紀90年代以來，岸線人工化趨勢迅猛，自然岸線由20世紀40年代初的1.48萬km(約占總海岸線的81.69%)持續(xù)降低至2014年的0.65萬km(約占總海岸線的32.92%)[5]。

珠江三角洲沿海灘涂圍墾發(fā)展較早，在改革開放初期的1980年，珠江口東岸區(qū)域就開始了一系列開發(fā)活動，前期開發(fā)方式為工程建設和圍墾養(yǎng)殖相結合；1995年后，珠江口西岸區(qū)域開始進行較大規(guī)模的人類開發(fā)活動[6]。1978—2003年珠江河口圍墾的灘涂總面積約561 km2，平均圍墾強度達22.4 km2/a，大規(guī)模圍墾主要分布在蕉門、橫門、磨刀門、雞啼門西灘(連島大堤)、崖門等處[7]。隨著社會經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，珠江三角洲海岸演進呈現(xiàn)越來越快的趨勢，河口向海延伸速度達100 m/a左右，局部延伸速度高達200 m/a，遠大于長江河口20 m/a及黃河河口48 m/a的向海延伸速度[8]。

1975—2017年，長江三角洲灘涂面積整體呈降低趨勢，但存在區(qū)域差異，20世紀90年代后降低趨勢較為明顯，總體降低速率約為21.7 km2/a[9]。其中，江蘇沿海灘涂數(shù)量眾多，分布最廣，面積約占全國總灘涂面積的1/4[10]。解放后至2006年底，江蘇沿海地區(qū)累計匡圍灘涂170多次，匡圍灘涂總面積達2 493 km2，用途則以農業(yè)生產(chǎn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、國營鹽場為主[11]。墾區(qū)主要分布于南通市的如東，鹽城市的東臺、大豐、射陽和響水，連云港市的連云區(qū)[12]。浙江省瀕臨東海，海域遼闊，港灣島嶼眾多，海岸線曲折而漫長，灘涂資源約占全國灘涂資源總量的13%左右[13]。1950—2017年，全省灘涂圍墾面積達2 806 km2，為浙江省經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展特別是拓展發(fā)展空間發(fā)揮了重要作用[14]。據(jù)資料統(tǒng)計，浙江省有近1/4的耕地是千百年來經(jīng)過灘涂圍墾所形成的，這些地區(qū)現(xiàn)已成為經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)和富庶、繁榮的美好家園[15]。上海地處長江入?？谔厥獾牡乩砦恢?，長江所攜帶的泥沙在入?？诔恋碛俜e，使得灘涂資源不斷增多，解放后上海市在長江口附近共匡圍灘涂1 000 km2，相當于上海市陸地面積的近20%。圍墾灘涂主要分布在長江口北支崇明島北沿、東灘，長江口南支長興島北部，長江口南岸浦東新區(qū)三甲港至南匯嘴及杭州灣北岸[16]。

環(huán)渤海區(qū)域包括遼寧省、河北省、天津市和山東省，沿海灘涂圍墾造地發(fā)展最晚。但2000年以來圍墾規(guī)模不斷擴大，年均增長186.28 km2。到2016年圍墾土地面積為4 745.42 km2，占全國圍墾總面積的52.0%[17]。海岸帶開發(fā)活動主要集中在遼東灣北部、渤海灣至萊州灣南部、遼寧省東部，以天津市和河北省所在的渤海灣地區(qū)海岸線變化最劇烈[18]。環(huán)渤海已成為我國圍填海的重心區(qū)域，由于圍填海和河口三角洲增長，20世紀40年代以來渤海面積萎縮速率大于82 km2/a，2000年以來萎縮速率更高達141 km2/a，渤海自然岸線的長度急劇下降，由1990年的1 397 km減少為2014年的561 km，占岸線總長度的比例由54.92%下降為16.18%[19]。

2 河口灘涂圍墾對水動力環(huán)境的影響

2.1 對水動力的影響

沿海灘涂的圍墾將天然潮灘轉換為人工海岸，使潮灘失去了對潮能的存儲與耗散作用，導致剩余潮汐能的重分布，從而使沿岸潮差、無潮點位置發(fā)生改變，而沿岸潮差的增加可能使人們面臨的風暴潮等海岸災害更加嚴峻[20]。據(jù)估計，在韓國西海岸修建的長33 km的大堤導致了西南黃海潮汐的M振幅可能增加了0.03 m以上。沿海的快速發(fā)展已經(jīng)導致了渤海潮汐動力學的顯著變化，在1976—2002年，萊州灣西部M2潮汐振幅增加超過0.2 m[21]。臺州灣淺海灘涂大規(guī)模圍墾后，河口縮窄，水域面積大幅度減少，使得圍墾區(qū)域附近海域分潮波振幅減小、潮波向岸傳播的速度減慢，海域最大高潮位降低約0.12 m[22]；渤海灣圍墾后水動力呈現(xiàn)潮流動力減弱，常波浪動力減弱、強波浪動力增強的變化趨勢，含沙量分布呈現(xiàn)常動力條件下減小、強動力條件下近岸海域減小、建筑物前海域增大的整體趨勢[23]。

圍墾工程不僅會局部改變潮汐范圍，還會由于潮汐能的重新分配而改變整個區(qū)域的水位。研究發(fā)現(xiàn)潮汐能的重新分配將局部效應擴展到更大的范圍，從而產(chǎn)生遠場效應，任何一側的潮汐動力學變化都會影響另一側[24]。圍墾后潮汐不對稱性質也會發(fā)生改變[25]，1935—1966年間膠州灣進行了大規(guī)模的土地復墾，導致這一時期水動力發(fā)生了重大變化，膠州灣東北部的M4潮幅值急劇上升了80%，導致了M2-M4潮時不對稱性顯著增加；與此同時，通過內灣和外灣入口的M2潮汐能通量減少了50%以上[26]。人類圍墾活動對長江口水動力影響顯著，長江口北支由河控通道轉變?yōu)槌笨赝ǖ?，分水分沙比急劇下?分流比由1915年的25%下降到2005年的3%)，漲潮流的含沙量遠遠大于落潮流的含沙量[27]；北支河段平均高潮潮位增加，平均低潮潮位降低，鹽水入侵更深，南支的鹽度等值線變得稀疏[28]。長江口的部分沉積物(細沙至中沙)堵塞了上升流，導致向海深度逐漸減?。荒嗌齿斎肓康臏p少迫使長江三角洲發(fā)生過渡，河口由不對稱河口向受波浪影響的偏斜河口過渡[29]。另外，有研究指出圍墾后的萊州灣潮流在不同的方向和速度下變化，海水變得越來越深，潮汐范圍越來越大[30]。

在過去70年的土地圍墾過程中，由于洋流的減少，懸沙濃度逐漸減弱[31]。圍墾會減少細粒沉積物的容納空間從而導致懸浮沉積物濃度的增加[1]。1923—1983年，由于填海工程，東京灣的海面面積減少了25%，灣內M2潮幅值和灣口水交換量分別減少了8%和35%；東京灣河口附近的表層沉積物由于潮汐波幅的減小而由砂變?yōu)榉凵癧32]。圍墾之后，由于邊界條件的改變，導致了水沙運行環(huán)境的改變，漲落潮流特性隨之變化，凈輸沙格局也相應變化。圍墾后槽蓄量減小，漲、落潮動力減小，潮流所挾帶的沙量也隨之減小[33]。

水動力變化影響河流動力與海洋動力在縱向的消長對比關系，同時水流、潮流動力在平面分布也會發(fā)生偏移，從而影響其物理作用、化學作用以及生態(tài)過程隨時間和空間的變化，其過程十分復雜。當前的學者大多應用MIKE21、TELEMAC-2D及FVCOM等數(shù)值模擬軟件分析人類活動對局部范圍河口水動力的影響，加上人類活動漫長且復雜多變，使得模擬計算的可靠性及精度不盡如人意，同時河床隨水動力具有自我調整作用，其水動力過程就更加復雜與特殊，需要開展整體系統(tǒng)的研究。

2.2 對河口岸線及納潮量的影響

合理的灘涂圍墾增加了土地資源、深水岸線資源，拓展了社會的發(fā)展空間。但在海岸線進退的驅動力上，人類活動作為疊加在泥沙淤積和海水侵蝕兩大自然驅動力基礎上的第三驅動力，加劇了海岸線變化特征的復雜性[34]。河口的灘涂圍墾可以帶來大量的土地，但同時也會改變原有的河口及延伸地區(qū)的海岸線，使工程水域的流場發(fā)生改變，影響泥沙的運移，進而改變了原有海床長期穩(wěn)定的沖淤狀態(tài)，使海底地形重新調整以適應變化了的水流、泥沙動力場[35]。眾多的圍墾填海項目及海岸帶開發(fā)利用項目改變了海洋水動力環(huán)境，而沿岸的水土流失打破了海床的沖淤平衡，大量的泥沙淤積加快了海岸線向著由陸地向海洋的方向推進[36]。有研究指出，2006—2009年江蘇海岸線快速向海推進，且區(qū)域的圍墾面積越大海岸線推進速率越快[37-38]。對三門灣海岸線的時空變化及其所受人為干擾程度的研究表明，人為因素對三門灣海岸線變化的影響大于自然因素，圍墾工程是三門灣岸線變化的主導因素[39]。此外，各種海岸線類型的歷史變化揭示了人類對渤海的密集開發(fā)利用情況，由于人類活動的影響，渤海的海岸線類型和面積自2002年以來發(fā)生了迅速的變化，岸線總長度增加633.7 km，年均增長25.3 km，大量的自然灘涂被鹽塘、文化塘、圍墾地所取代，海岸線變化的主要原因是圍墾和筑堤[40]。

海灣納潮量定義為海灣高潮水量與低潮水量之差，納潮量的數(shù)值主要取決于海灣高、低潮時潮位的變化和海域面積的變化[41]?？偹蛎娣e的縮小和總岸線的增長必然會破壞原有的水動力條件，使得納潮量減小，海水交換能力下降，挾沙能力隨之減弱，勢必會引起海灣的淤積[42]，如渤海灣海岸線的變化導致了最大潮汐增加了0.1～0.2 m[43]。有研究指出，樂清灣水域由于圍墾等海灣開發(fā)，50多年來納潮量減少17.69%，隨著海灣開發(fā)建設加速，海域納潮量減少速率也加快[44]。曾相明等[45]在POM(princeton ocean model)模型的基礎上，對象山港不同時期的岸線與地形進行模擬，發(fā)現(xiàn)象山港1963—2010年圍墾后大潮納潮量減少12.7%，中潮納潮量減少12.7%，小潮納潮量減少12.4%，全潮平均納潮量減少12.6%。

利用Landsat MSS/TM/ETM+、RS及GIS等技術能夠有效支持監(jiān)測河口岸線變遷的過程，但由于潮位變化、地形和季節(jié)氣候等因素的影響，提取的海岸線的精度難免存在誤差；再加上海岸線上持續(xù)不斷的人類活動，河口區(qū)域岸線變化特征在時空上更加復雜。另一方面，海岸線的變化會引起海灣納潮量變化，海灣納潮量又與水體的自凈能力息息相關，深刻影響著河口區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，但前人就此方面研究較少，需要更進一步的深入研究。

2.3 對防洪排澇的影響

圍墾灘涂是增加土地資源的重要手段，經(jīng)過科學論證的合理的圍墾對局部的行洪不會產(chǎn)生明顯影響，有的甚至會起到穩(wěn)定河床節(jié)點的作用，有助于河勢趨穩(wěn)調整。但圍墾不當會破壞灘涂濕地形態(tài)使河流行洪受到影響，導致圍墾區(qū)上游城鎮(zhèn)受洪水、臺風等自然災害的侵犯[46]。近十幾年來，杭州錢塘江行洪的灘地上圍墾造田達3.3萬hm2，導致錢塘江中下游河口斷面只有原河道寬的1/4，水面寬度僅為錢塘江入?？趯挾鹊?/10，潮水一來河水水位顯著抬高[47]。同時各條入海水道隨著圍墾和聯(lián)墾而不斷延長，大大增加了泄洪難度[48]。不合理的圍墾所導致的水量集中、蓄滯洪能力減小及網(wǎng)河區(qū)水文特征發(fā)生變異，對灘槽演變和泄洪產(chǎn)生深遠的影響。白藤堵海工程初期，各口門低潮水位抬升0.1～0.3 m，高潮水位降低0.2 m左右，內澇加劇[49]。1996年東臺市三倉墾區(qū)圍墾，由于規(guī)劃不周，標準偏低，全線海堤在即將竣工時被潮沖刷決口，被迫退建，并提高標準，造成千萬元的直接經(jīng)濟損失[50]。

洪水會造成大規(guī)模的基礎設施破壞及嚴重的人員傷亡，而河口灘涂圍墾會改變所在海灣的納潮量，影響防洪排澇，使沿海城市在處理風暴潮和內澇等突發(fā)性自然災害時產(chǎn)生風險隱患。圍墾工程附近區(qū)域的海岸線變化可以引起更高的風暴潮，且風暴潮增加約七成是海岸線變化導致的[51]。吳瑋等[52]基于ADCIRC模型對臺風路徑和強度，以及有、無圍堤的假設進行數(shù)值模擬，表明溫州近岸的圍墾工程實施后增大了風暴潮漫灘淹沒風險。同時，茅洲河河口圍墾導致潮位最大壅高0.459 m，潮差減小，漲、落潮量縮減，最大潮量減幅為3.54%，圍墾區(qū)西側水域流速最大增加值約0.5 m/s[53]；渤海灣大規(guī)模圍墾導致渤海灣最大潮汐增加0.1～0.2 m，總水位接近或超過海灣港口的警戒水位[54]。圍墾后海河口潮位表現(xiàn)出的潮差增大、高潮位增高給防洪帶來更加嚴峻的挑戰(zhàn)，高潮位增高要求防洪工程的防洪標準也隨之增高，或者說使得現(xiàn)有的防洪標準變相降低；另外，潮差增大也給防洪排澇增加了難度[55]。圍墾工程引起的水位變化率與海平面上升的影響相似，甚至大于海平面上升的影響[56]。而海平面的上升會導致我國沿海地區(qū)的一系列環(huán)境災害，如海岸侵蝕、海水入侵、沿海低地洪澇災害等[57]。有專家預測2010—2030年上海地區(qū)相對海平面上升10～16 cm，使得上海近岸海域潮位增高8～24 cm，設計高潮位抬升16 cm，設計波高上升12.48 cm[58]。在世紀之交，海平面以上不到1 m的沿海低地將被淹沒，三角洲面臨洪水威脅的地區(qū)將增長50%[59]。

大多數(shù)河口進行圍墾后會新建海堤護岸，與天然海岸線相差巨大，河口區(qū)域的潮汐波浪、地貌及泥沙條件等都將發(fā)生變化，納潮量減小，風暴潮強度及發(fā)生頻率增大，區(qū)域水文平衡遭到破壞，增大了防洪壓力及防洪成本。在今后的研究中，應該充分應用精細化的數(shù)值模型計算、局部的物理模型試驗以及大數(shù)據(jù)長系列水沙浪流資料分析，系統(tǒng)論證灘涂圍墾對水流動力、納潮量、河口岸線及河床穩(wěn)定等方面的影響，科學指導河口灘涂進行合理高效的開發(fā)利用。

3 結語及展望

a. 河口水動力環(huán)境復雜多變、影響甚廣，圍墾改變了潮汐的范圍，使潮灘失去了對潮能的存儲與耗散作用，還會由于潮汐能的重新分配而改變整個區(qū)域的水位；潮汐不對稱性質隨之發(fā)生改變，分水分沙比急劇下降，鹽水入侵，懸沙濃度逐漸減弱。

b. 河口海岸的灘涂圍墾影響河流動力與海洋動力在縱向的消長對比關系，同時水流、潮流動力在平面分布上也會發(fā)生偏移，從而影響水沙鹽運動在時空上的分配過程，應從系統(tǒng)的觀點進行整體模擬與評價。

c. 圍墾加劇了海岸線變化特征的復雜性，沿岸的水土流失打破海床的沖淤平衡，大量的泥沙淤積加快了海岸線向著由陸地向海洋的方向推進；使得納潮量減小，海水交換能力下降，挾沙能力隨之減弱；隨著海灣開發(fā)建設加速，海域納潮量減少速率也加快。

d. 灘涂圍墾會破壞濕地形態(tài)，導致水量集中、蓄滯洪能力減小及網(wǎng)河區(qū)水文特征發(fā)生變異，使河流行洪受到影響；圍墾后河口潮差增大、高潮位增高，增大了風暴潮漫灘淹沒風險，給防洪排澇增加了難度，也間接降低了現(xiàn)有工程的防洪標準。

灘涂資源保護與高效利用已成為事關沿海經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重大問題之一。在當前大力推進河流生態(tài)保護的新時代，應更多地關注于灘涂利用對生態(tài)環(huán)境的影響。在水(潮)流動力、河口岸線變化和防洪御潮等方面進行整體系統(tǒng)地模擬，從資源承載力的角度科學評估灘涂圍墾所產(chǎn)生的影響，揭示灘涂資源利用和相關制約因素之間的互饋關系，讓規(guī)劃更合理、開發(fā)更科學、保護更有效、城市更美好，實現(xiàn)真正意義的灘涂資源高效開發(fā)與保護。