南澳羊嶼村圍填海拆除工程對水環(huán)境的影響

徐婉明，鄧偉鑄，倪錦鋒，鄭兆勇

(1.國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300；2.珠江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，廣東 廣州 510611)

1 研究背景

進(jìn)入21世紀(jì)，我國沿海地區(qū)土地資源稀缺和經(jīng)濟快速發(fā)展之間的矛盾日益突出。為了解決這一矛盾，沿海地區(qū)實施了一系列的圍填海工程[1-9]。目前，圍填海工程已經(jīng)成為人類利用海洋空間資源，向海洋拓展生存和生產(chǎn)空間的一種重要手段[10]。

近幾年，隨著“保護(hù)優(yōu)先、生態(tài)用海、集約用海”等科學(xué)用海理念的推廣，圍填海工程對海洋生態(tài)環(huán)境的影響得到了國內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注。龔旭東等[11]以東山灣為例，從潮流、納潮量和水交換3個方面探討了半封閉海灣圍填海對水動力環(huán)境的影響。戴霞等[12]利用天津大學(xué)水流泥沙數(shù)學(xué)模型軟件模擬分析了渤海灣灣頂海域在天津港圍填海工程和曹妃甸圍填海工程聯(lián)合作用下的潮流運動特征。田艷等[13]從海域空間、水動力和生態(tài)環(huán)境3個方面分析了2000-2005、2005-2010和2010-2013年萊州灣3個階段圍填海工程對海洋環(huán)境產(chǎn)生的累積影響。陳培雄等[14]采用歷年現(xiàn)場采集調(diào)查資料成果對比的方法，從海底岸灘演變以及海洋水動力環(huán)境、水質(zhì)環(huán)境和沉積物環(huán)境幾個方面綜合分析三門灣近期大型圍填海工程的海洋環(huán)境綜合效應(yīng)。王勇智等[15]通過MIKE 3模型分析羅源灣3個典型圍填海時期岸線與地形條件下的納潮量和水交換能力變化。崔磊等[16]從環(huán)境的變化趨勢以及浮游植物、浮游動物和魚類種類及多樣性的變化入手，研究2010-2014年淇澳島水域南部半潮礁圍填海工程對當(dāng)?shù)厮蛏鷳B(tài)系統(tǒng)造成的影響。張威等[17]基于Lagrangian粒子追蹤技術(shù)模擬分析前灣填海工程對整個膠州灣污染物輸運的影響規(guī)律及范圍。鄧澤林[18]運用環(huán)境指標(biāo)變量動態(tài)對比分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和Pearson相關(guān)分析法研究沙埕港海灣環(huán)境質(zhì)量與圍填海工程的關(guān)聯(lián)性。

為了減輕圍填海對海洋生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，2018年國家發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于加強濱海濕地保護(hù)嚴(yán)格管控圍填海的通知》(國發(fā)〔2018〕24 號)，其中圍填海歷史遺留問題區(qū)域的生態(tài)保護(hù)修復(fù)方案編制工作受到沿海各省的高度重視。南澳羊嶼村圍填海項目屬于廣東省圍填海歷史遺留問題。本文采用二維潮流模型和物質(zhì)輸移模型，通過對南澳羊嶼村圍填海拆除方案實施前后水動力和水體交換情況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究了南澳羊嶼村圍填海拆除工程對水動力和水體交換的影響，為南澳羊嶼村圍填海項目生態(tài)修復(fù)方案的制定提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

2 工程概況

南澳羊嶼村圍填海工程項目位于廣東省汕頭市南澳島北部后江灣海域。該項目從1992年開始投入建設(shè)，至今已施工完成。圍填海的區(qū)域形成較為封閉的一個環(huán)抱式港池，口門寬度僅有10 m(見圖1)。受圍填海區(qū)的阻水作用，港池內(nèi)水動力減弱，水體交換能力降低，導(dǎo)致水質(zhì)環(huán)境容易惡化。為了改善港池內(nèi)水動力情況，提高水體交換能力，擬對南澳羊嶼村圍填海項目實施拆除工程，拆除圍填海長度約100 m。南澳羊嶼村圍填海工程項目概況見圖1。

3 模型建立

3.1 模型基本方程

在笛卡爾直角坐標(biāo)系下，基于Bousinesq渦黏假定和靜水壓假設(shè)，沿垂向平均的二維潮流和物質(zhì)輸移基本方程表述如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

對流擴散方程：

(4)

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo),m；t為時間,s；u、v為流速，m/s；η為水位,m；h為水深,m；Ax、Ay為水流紊動粘性系數(shù),m2/s；f為科氏參量；g為重力加速度,m/s2；C為謝才系數(shù)；c為保守物質(zhì)濃度,mg/L；Dx、Dy為物質(zhì)紊動擴散系數(shù),m2/s。

3.2 計算范圍及模型設(shè)置

模型計算范圍東至宮口半島，西至新津河口，包含后江水道、柘林灣和大埕灣水域，計算域東西寬約48 km，南北長約45 km(見圖2)。模型采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，空間分辨率在5～1 000 m之間。水深地形采用潮州市、汕頭市和福建省海域的海軍海道測量局電子海圖。外海邊界采用從全球潮汐模型TPXO7.2提取的潮位，考慮了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4等9個調(diào)和分潮。保守物質(zhì)初始濃度在港池內(nèi)取1 mg/L，其他水域取0 。模擬時段為連續(xù)30 d，時間步長設(shè)置為30 s。

3.3 模型驗證

潮流模型驗證采用南澳島北部海域多個臨時觀測站的潮位過程和潮流過程，其中潮位觀測站2個(C1和C2)，潮流觀測站4個(V1～V4)，各觀測點分布見圖2。驗證時間為2017年7月11日14:00-7月12日15:00。各觀測站潮位和潮流驗證結(jié)果分別見圖3、4。圖3、4表明，C1和C2站計算潮位過程與實測潮位過程吻合較好，V1～V4站模擬流速、流向過程與實測數(shù)據(jù)在數(shù)值和相位上較為一致。總體上，本文建立的潮流模型能正確地反映項目海域的潮流運動規(guī)律，可以應(yīng)用于工程水域的水動力和水體交換研究。

4 結(jié)果與分析

4.1 水動力影響分析

4.1.1 流速流向變化 圍填海拆除方案實施后，口門變寬，附近水域的流速、流向?qū)l(fā)生一定程度的變化。以大潮為例，圖5給出了圍填海拆除前后漲、落急流場對比圖。

圖1南澳羊嶼村圍填海工程項目概況 圖2模型計算范圍及驗證點分布圖

圖3 C1和C2觀測站潮位驗證結(jié)果

圖4 V1～V4觀測站潮流驗證結(jié)果

從圖5中可以看出，圍填海拆除100 m后，漲潮時水流經(jīng)過口門后直接向長堤內(nèi)側(cè)水域擴散，無需繞過堤頭填海區(qū)；落潮時長堤內(nèi)側(cè)水體直接流向口門，不形成回流。漲、落潮時口門附近水域流速變化較大，長堤堤頭附近水域以流速增大為主，短堤內(nèi)外兩側(cè)水域以流速減小為主，流速增加最大值0.20 m/s，流速減小最大值0.25 m/s。港池末端水域及港池外東側(cè)海域漲落急流速流向基本不變。

4.1.2 納潮量變化 納潮量既是衡量海灣開發(fā)價值的重要指標(biāo)，也是反映海灣生命力的重要參數(shù)[19]，其大小影響著灣內(nèi)與外部海域的水體交換強度，決定著海灣的自凈能力，對海灣的水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響[20]。常用的納潮量計算方法是統(tǒng)計一個漲潮或者落潮周期內(nèi)通過特定斷面的海水通量[21]。

為了分析研究圍填海拆除方案實施前后港池的納潮量變化情況，本文在口門處選取一個斷面(見圖1)進(jìn)行海水通量統(tǒng)計，其納潮量變化情況如表1所示。由表1可以看出，實施圍填海拆除方案后，港池內(nèi)水域面積擴大，口門斷面平均納潮量增大至76.8×104m3，納潮量增加30%。

4.2 水體交換影響分析

水體半交換時間指某海域保守物質(zhì)質(zhì)量濃度經(jīng)過對流擴散稀釋到初始質(zhì)量濃度一半所需的時間[22]，是表征半封閉海灣水體交換能力的重要指標(biāo)。圖6給出了圍填海拆除方案實施前后港池內(nèi)水體半交換時間平面分布。

表1 圍填海拆除方案實施前后口門斷面納潮量變化

圖5 圍填海拆除方案實施前后漲、落急流場對比

從圖6中可以看出，由口門往港池內(nèi)部水體半交換時間逐漸增加；港池末端東南角水體半交換時間最長，西南角次之，口門最短?，F(xiàn)狀條件下，港池內(nèi)全部水域完成水體半交換時間為12.8 d；實施圍填海拆除方案后，港池內(nèi)全部水域完成水體半交換時間為11.1 d，較圍填海拆除前縮短1.7 d。港池水體交換時間統(tǒng)計結(jié)果顯示，圍填海拆除100 m后，保守物質(zhì)平均濃度下降至一半所需時間較拆除前縮短，前5 d保守物質(zhì)平均濃度震蕩幅度較拆除前大，15 d內(nèi)保守物質(zhì)平均濃度下降速率較拆除前快。

5 討 論

圍填海拆除后，原有圍填海區(qū)退陸還海，圍填海拆除前口門附近順著堤頭填海區(qū)曲折岸線流動的潮流只能改變流路直接經(jīng)過口門斷面進(jìn)出港池，口門附近水域流態(tài)變化較大，從而導(dǎo)致流速變化也較大。另一方面，圍填海被拆除導(dǎo)致港池納潮量增大，口門作為潮流進(jìn)出港池的唯一通道，流速相應(yīng)也會增大。通過港池內(nèi)各水域流速流向?qū)詈２鸪桨笇嵤┑捻憫?yīng)程度看，港池末端水域受影響不大，而口門附近水域受影響較大。這主要是因為口門是半封閉港池內(nèi)部與外海進(jìn)行水體交換的主要通道，且被拆除的圍填海正位于此處，因此口門水域?qū)詈２鸪捻憫?yīng)較為敏感和劇烈。

從納潮量變化的角度看，圍填海拆除100 m后，口門寬度增加，流速增大，使得流入流出口門斷面的海水通量提高30%。實施圍填海拆除方案后，港池內(nèi)水域面積變大，這必然導(dǎo)致港池納潮量隨之增大。

由于后江灣潮汐屬于不規(guī)則半日潮，潮汐作用較強，潮流為灣內(nèi)的主要水動力條件，且海灣內(nèi)無大的河流注入，因此南澳羊嶼村圍填海水域的水體交換能力主要受潮汐作用的影響。圍填海拆除方案實施前、后港池保守物質(zhì)平均濃度變化對比見圖7。

圖7 圍填海拆除方案實施前、后港池保守物質(zhì)平均濃度變化對比

由圖7可看出，港池內(nèi)保守物質(zhì)濃度隨時間遞減過程中有周期性的震蕩，這與潮汐的周期性變化和作用密切相關(guān)。水動力模擬結(jié)果表明，圍填海拆除方案實施后，港池內(nèi)不存在因拆除前堤頭填海區(qū)的阻擋作用形成的弱回流區(qū)，港內(nèi)與外海的水體交換較拆除前順暢，口門附近潮流流速增大，港池容納海水的能力大幅提高，因此港池內(nèi)全部水域完成水體半交換時間縮短，水體交換速率增大。

綜上所述，圍填海拆除工程實施后，可以導(dǎo)致口門附近水動力條件增強，港池環(huán)境容量增大，水體交換能力提高，從而使港內(nèi)水質(zhì)環(huán)境和生態(tài)問題得到改善。張瑋等[23]研究也表明，環(huán)抱式港池的水體交換能力主要取決于水流流速大小，增大水體交換通道過水?dāng)嗝鎸挾龋稍黾舆M(jìn)出潮量，增強港池的水動力條件，提高其水體交換能力。因此，南澳羊嶼村圍填海拆除方案可以達(dá)到一定的生態(tài)修復(fù)目的。

6 結(jié) 論

本文通過建立二維潮流模型和物質(zhì)輸移模型，對南澳羊嶼村歷史遺留圍填海拆除工程開展水環(huán)境影響研究，主要結(jié)論如下：

(1)圍填海拆除100 m后，口門附近水域流速、流向變化較大，長堤堤頭周邊水域以流速增大為主，短堤內(nèi)外兩側(cè)水域以流速減小為主；港池末端水域及港池外東側(cè)海域流速流向基本不變。

(2)現(xiàn)狀條件下，港池納潮量為59.1×104m3；圍填海拆除方案實施后，港池內(nèi)水域面積增大，納潮量顯著增加，增幅達(dá)30%。

(3)港池水體半交換時間的空間分布由口門向內(nèi)部逐漸增加，其中水體半交換時間最大值出現(xiàn)在港池末端東南角。部分歷史圍填海被拆除后，港池內(nèi)全部水域完成水體半交換時間為11.1 d，較圍填海拆除前縮短1.7 d。

(4)實施圍填海拆除工程，可以增強口門附近水動力條件，增大港池環(huán)境容量，提高水體交換能力，改善港內(nèi)水質(zhì)環(huán)境和生態(tài)問題，為編制南澳羊嶼村歷史遺留圍填海項目生態(tài)保護(hù)修復(fù)方案提供科學(xué)的依據(jù)和客觀指導(dǎo)。

本文對南澳羊嶼村圍填海拆除工程產(chǎn)生的水環(huán)境影響進(jìn)行了模擬分析，下一步可對實施圍填海拆除方案引起的泥沙沖淤變化以及波浪要素變化開展研究，以便更全面地評估南澳羊嶼村圍填海拆除工程對附近海洋環(huán)境的影響，編制更合理有效的生態(tài)保護(hù)修復(fù)方案。