圍堰拆除后的區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境恢復(fù)作用研究

張翠萍，楊 毅，王金華，賈后磊 ，吳玲玲*，黃華梅

(1.國(guó)家海洋局南海海洋規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300；2.海南省海洋與漁業(yè)科學(xué)院，海南 ?？?516001)

引 言

黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”總體布局和“四個(gè)全面”戰(zhàn)略布局，十九大提出建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，以“社會(huì)主義生態(tài)文明觀(guān)”為載體從價(jià)值、理論層面為生態(tài)文明建設(shè)提供了支撐。濱海濕地是寶貴的自然資源，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)過(guò)渡地帶，是海洋生物棲息和繁衍的關(guān)鍵區(qū)域，同時(shí)具有凈化水質(zhì)、防災(zāi)減災(zāi)等諸多功能，是沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要基石。加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)，是貫徹落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。對(duì)于維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全，構(gòu)建海洋生態(tài)環(huán)境治理體系和海岸帶生態(tài)屏障具有重要意義。

長(zhǎng)期以來(lái)的圍填?；顒?dòng)造成濱海濕地大面積減少，自然岸線(xiàn)銳減，對(duì)海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)造成較大損害[1-5]。2018年4月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)濱海濕地保護(hù) 嚴(yán)格管控圍填海的通知》，提出要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，堅(jiān)持最嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)制度，統(tǒng)籌陸海國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)海洋資源嚴(yán)格保護(hù)、有效修復(fù)、集約利用。為切實(shí)提高濱海濕地保護(hù)水平，恢復(fù)受損的濱海生態(tài)系統(tǒng)[6]，整體性、系統(tǒng)性開(kāi)展圍填區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作迫在眉睫。

影響與控制濱海濕地潮灘演變的因素非常復(fù)雜。根據(jù)已有研究成果，潮流和波浪是形成濕地潮灘剖面形態(tài)的主要驅(qū)動(dòng)因素。在長(zhǎng)期的潮流或波浪主導(dǎo)下，潮灘剖面形成凸型、凹型等典型的剖面形態(tài)，這種特有的地貌特征根本上是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下泥沙時(shí)空重新分布的結(jié)果。此外，底棲生物及鹽沼濕地植物等的生長(zhǎng)可通過(guò)對(duì)潮流波浪能量的削減以及對(duì)泥沙的捕獲攔截也影響泥沙運(yùn)動(dòng)位移和演變過(guò)程，從而也對(duì)潮灘的剖面形態(tài)產(chǎn)生重大影響[7-8]。改善水動(dòng)力條件可改變泥沙運(yùn)移軌跡，促進(jìn)潮灘發(fā)育，也是實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)有效修復(fù)的關(guān)鍵措施，可以最大程度恢復(fù)濱海濕地，減緩圍填海工程對(duì)生物多樣性的影響。目前國(guó)內(nèi)外尚未看到關(guān)于歷史遺留圍填海處理中針對(duì)拆除圍堰的水動(dòng)力環(huán)境等生態(tài)環(huán)境恢復(fù)效果的研究?？茖W(xué)合理的對(duì)海洋生態(tài)工程進(jìn)行效果評(píng)價(jià)或預(yù)判，可以及時(shí)掌握生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人工恢復(fù)的響應(yīng)和反饋情況，為生態(tài)修復(fù)決策制定提供科學(xué)參考，增強(qiáng)修復(fù)措施的有效性。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)域選取珠海高欄港經(jīng)濟(jì)區(qū)西灘，填海區(qū)位于珠海市南水-高欄連島大堤以東至東大堤之間的圍填區(qū)域。圍填區(qū)所在海域?qū)偃醭焙涌?，潮汐為不?guī)則半日潮，落潮歷時(shí)普遍大于漲潮歷時(shí)，基本屬于往復(fù)流，外海潮流受西南向沿岸流影響明顯。

東大堤北起珠海市南水島的牛鼻孔山，南至高欄島的赤魚(yú)頭，長(zhǎng)度為6 193 m，大堤中間留有510 m的口門(mén)。在東大堤建設(shè)前，其以西海域基本為水深小于0.5 m的淺灘，泥沙運(yùn)動(dòng)主要為波浪掀沙和潮流輸沙。東大堤建成后，對(duì)環(huán)境的影響主要有：(1)泥沙向外海輸運(yùn)能力進(jìn)一步減弱，東大堤前沿會(huì)淤積成水深小于0.3 m的淺灘。(2)水動(dòng)力環(huán)境、沖淤環(huán)境以及生態(tài)環(huán)境將發(fā)生局部改變。(3)截?cái)嗔斯者M(jìn)西灘的流路，減小了納潮量，導(dǎo)致流速降低。(4)堤內(nèi)沖淤環(huán)境受水動(dòng)力變化的影響、淤積也相對(duì)靜止。目前東大堤內(nèi)存在大面積的圍而未填區(qū)，這部分區(qū)域與外界基本無(wú)水動(dòng)力交換，區(qū)內(nèi)水質(zhì)較差，濱海濕地系統(tǒng)服務(wù)功能受損。因此，有必要通過(guò)開(kāi)展東大堤內(nèi)圍而未填區(qū)的部分進(jìn)行圍堰拆除數(shù)值模擬研究(共8.9 km，見(jiàn)圖1)，量化圍堰拆除后對(duì)于區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境的修復(fù)作用，為最大程度恢復(fù)受損的濕地生態(tài)系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

圖1 假設(shè)拆除圍堰區(qū)域位置圖(紅線(xiàn))

2 研究方法

研究區(qū)域位于珠海市高欄島連島大堤與東大堤之間。本著節(jié)約集約用海的原則，按照能用盡用的思路，擬對(duì)區(qū)域建設(shè)用海范圍內(nèi)已填成陸部分盡量維持現(xiàn)狀，對(duì)圍而未填區(qū)內(nèi)的圍堰進(jìn)行拆除，以打通潮汐通道，促進(jìn)濱海濕地潮間帶灘涂發(fā)育和植被生長(zhǎng)。本研究采用數(shù)值模擬分析方法，在東大堤建設(shè)完成后，分析整體西灘片區(qū)圍填海實(shí)施前后以及拆除分隔圍堰(假設(shè)拆除)后的水動(dòng)力環(huán)境恢復(fù)作用。

本研究通過(guò)ELCIRC模型，采用有限體積元方法對(duì)二維潮流運(yùn)動(dòng)基本方程組進(jìn)行離散，計(jì)算得出流速、流向、潮位?？紤]灘地隨漲、落潮或淹沒(méi)或露出，采用活動(dòng)邊界技術(shù)來(lái)保證研究結(jié)果的精度和連續(xù)性。

(1)

(2)

(3)

模型邊界條件包括兩種，即閉邊界條件和開(kāi)邊界條件。閉邊界條件即水陸交界條件。本研究采用干濕點(diǎn)判斷法處理潮灘活動(dòng)邊界。開(kāi)邊界條件包括河流開(kāi)邊界條件和外海開(kāi)邊界條件。河流開(kāi)邊界為5個(gè)，即東江、流溪河、北江、西江和潭江，其水量特征值采用多年平均流量。外海開(kāi)邊界由8個(gè)主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)的潮汐調(diào)和常數(shù)疊加確定。

為擬合岸線(xiàn)和填海區(qū)圍堰等復(fù)雜邊界，計(jì)算模式采用網(wǎng)格布設(shè)靈活且邊界擬合較好的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，并對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行局部加密。計(jì)算范圍及網(wǎng)格布置見(jiàn)圖2。模型計(jì)算區(qū)域選擇由21°11.8′～23°2.8′N(xiāo)，112°14.5′～114°27.5′E為外海開(kāi)邊界構(gòu)成的區(qū)域，東西長(zhǎng)約229.1 km，南北寬約209.7 km。工程模型計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)共37 042個(gè)，三角形網(wǎng)格數(shù)65 197個(gè)。模型計(jì)算水深通過(guò)中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部和中華人民共和國(guó)海事局出版的項(xiàng)目模型區(qū)域相關(guān)海圖水深確定。

圖2 計(jì)算范圍網(wǎng)格示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

采用2016年9月20日至9月21日大潮期3個(gè)潮位站和9個(gè)潮流站逐時(shí)觀(guān)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，潮位與潮流站位分布見(jiàn)圖3。圖4給出了代表性站位實(shí)測(cè)潮位值和潮流值的比較結(jié)果。潮位驗(yàn)證的平均絕對(duì)誤差為9.6 cm，流速和流向的驗(yàn)證也基本上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致。

圖3 潮位與潮流站位分布圖

圖4 代表性潮流站的流速流向驗(yàn)證圖

根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，計(jì)算和實(shí)測(cè)流速變化趨勢(shì)大體一致，流向兩者驗(yàn)證結(jié)果也較好?？傮w而言，模型計(jì)算結(jié)果基本能夠反映圍填海項(xiàng)目附近海域的潮流運(yùn)動(dòng)特征。

3.2 水動(dòng)力環(huán)境恢復(fù)作用

3.2.1 圍填海實(shí)施前后水動(dòng)力環(huán)境變化

西灘片區(qū)圍填海實(shí)施后東大堤?hào)|側(cè)水道內(nèi)漲落潮流流向變化不大，但更趨向于南北向，離東大堤越近，潮流變化越明顯。東大堤?hào)|側(cè)海域，以東大堤口門(mén)為界，北側(cè)海域流速變化較小，南側(cè)流速變化相對(duì)較大；落急時(shí)刻流速變化大于漲急時(shí)刻流速變化。通過(guò)特征點(diǎn)(T8—T13)前后潮流特征(圖6)對(duì)比來(lái)看，東大堤和圍填海實(shí)施后，東大堤內(nèi)水動(dòng)力條件發(fā)生了較大改變，集中體現(xiàn)在東大堤口門(mén)處以及部分狹窄水道流速增大較為明顯。

3.2.2 圍堰拆除對(duì)水動(dòng)力環(huán)境恢復(fù)狀況分析

本研究假設(shè)東大堤內(nèi)圍而未填區(qū)的分隔圍堰全部拆除(長(zhǎng)度約8.9 km)。根據(jù)數(shù)值模擬分析，圍堰拆除前后項(xiàng)目用海區(qū)域落急與漲急時(shí)刻流速大小變化等值線(xiàn)圖見(jiàn)圖7和圖8。圍填海實(shí)施后，區(qū)域附近的潮汐通道深槽內(nèi)落急最大流速為84 cm/s，東大堤口門(mén)最大落急流速為120 cm/s，靠近東大堤的水道內(nèi)潮流流速相對(duì)較大，最大落急流速可達(dá)51 cm/s。與拆除前相比，圍堰拆除后項(xiàng)目附近海域流速變化較大，分析原因主要是圍堰拆除后東大堤內(nèi)側(cè)納潮面積增大，可容納交換的海水量增多，導(dǎo)致潮汐通道的流速增大，東大堤口門(mén)及其附近區(qū)域流速也有所增大。

圖5 特征點(diǎn)位置圖

圖6 西灘片區(qū)圍填海實(shí)施前后各潮流特征點(diǎn)的流速變化情況(cm/s)

圖7 假設(shè)圍堰拆除后落急與漲急流場(chǎng)(左：落急，右：漲急)

圖8 假設(shè)圍堰拆除前后流速大小變化圖(左：落急，右：漲急)

圍堰拆除對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的恢復(fù)范圍主要是圍堰拆除附近區(qū)域以及東大堤外側(cè)海域。落急時(shí)東大堤?hào)|側(cè)附近區(qū)域以及西灘片區(qū)拆除前狹窄水道內(nèi)流速減小，減小幅度最大為-100 cm/s, 東大堤口門(mén)附近區(qū)域、東大堤?hào)|側(cè)大部分海域以及圍堰拆除附近區(qū)域流速增大，增大幅度最大為57 cm/s，流速變化幅度大于1 cm/s的地點(diǎn)距離東大堤最遠(yuǎn)距離為東大堤?hào)|側(cè)7.2 km，流速變化幅度大于5 cm/s的地點(diǎn)距離東大堤最遠(yuǎn)距離為東大堤?hào)|側(cè)2.1 km。漲急時(shí)大堤北部東側(cè)附近區(qū)域以及拆除前狹窄水道內(nèi)流速減小，東大堤口門(mén)附近區(qū)域、東大堤?hào)|側(cè)大部分海域以及圍堰拆除附近區(qū)域流速增大，流速變化幅度大于1 cm/s的地點(diǎn)距離東大堤最遠(yuǎn)距離為東大堤?hào)|側(cè)6.7 km，流速變化幅度大于5 cm/s的地點(diǎn)距離東大堤最遠(yuǎn)距離為東大堤?hào)|側(cè)1.0 km。圍堰的拆除對(duì)附近海域水動(dòng)力的影響范圍較大，很大程度上改善了東大堤?hào)|側(cè)附近海域水動(dòng)力條件，促進(jìn)潮溝發(fā)育，恢復(fù)濱海濕地生境，通過(guò)植被保育和生態(tài)空間劃定等措施間接促進(jìn)潮灘的形成與發(fā)育[7]。

假設(shè)圍堰拆除后東大堤?hào)|側(cè)水道內(nèi)水動(dòng)力恢復(fù)作用不明顯，在東大堤?hào)|側(cè)外海海域，流速變化不大，但離東大堤口門(mén)越近，水動(dòng)力環(huán)境改善越明顯。特征點(diǎn)前后潮流特征對(duì)比結(jié)果(圖6)可以得出，圍堰拆除實(shí)施后，拆除區(qū)域內(nèi)潮流都發(fā)生了較大改變，除拆除前的狹窄水道流速有所減小外，其他區(qū)域基本上流速基本上都有所增大。拆除圍堰后水動(dòng)力環(huán)境得到改善的區(qū)域約2 300 hm2。

3.3 納潮量改善狀況

本研究以雞啼門(mén)出口海域作為斷面計(jì)算假設(shè)圍堰拆除后納潮量改善狀況。通過(guò)數(shù)值模擬的方法計(jì)算出高潮時(shí)、低潮時(shí)水域的面積，基于計(jì)算網(wǎng)格在高潮和低潮的水位差值得出平均潮差，計(jì)算雞啼門(mén)附近區(qū)域納潮量。

東大堤和圍填海建設(shè)前雞啼門(mén)附近區(qū)域的納潮量約為190.6×106m3，東大堤和圍填海實(shí)施后雞啼門(mén)附近區(qū)域的納潮量約為160.8×106m3，納潮量約減少了15.6%。假設(shè)圍而未填區(qū)分隔圍堰全部拆除，雞啼門(mén)附近區(qū)域的納潮量約為167.5×106m3，納潮量可增加4.2%。東大堤內(nèi)側(cè)恢復(fù)貫通外海的濱海濕地面積約297 hm2，通過(guò)改善區(qū)域水動(dòng)力條件提升生態(tài)服務(wù)功能的濱海濕地面積約200 hm2。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

假設(shè)對(duì)圍填海區(qū)內(nèi)的部分圍堰拆除后，根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，部分圍堰拆除后對(duì)于東大堤?hào)|側(cè)外海的廣闊海域的流速影響不大，但對(duì)東大堤內(nèi)側(cè)圍填海區(qū)域內(nèi)的水域水動(dòng)力條件改善明顯，距離口門(mén)越近，水動(dòng)力環(huán)境改善越明顯。圍堰拆除后納潮量增加4.2%，打通潮汐通道恢復(fù)濱海濕地約279 hm2，水動(dòng)力環(huán)境得到改善的區(qū)域約2 300 hm2?？梢?jiàn)，部分圍堰拆除對(duì)于改善小范圍區(qū)域的水動(dòng)力條件作用較大，對(duì)于改善區(qū)域咸淡水交匯濕地生境具有較大作用。

4.2 建議

西灘片區(qū)圍填海工程已完成接近十年，目前圍而未填區(qū)域或已填成陸空置區(qū)域經(jīng)自然恢復(fù)，東大堤內(nèi)外水域岸灘已達(dá)到新的沖淤平衡，已基本形成相對(duì)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。因此圍堰拆除工程應(yīng)注意拆除前、拆除過(guò)程中和拆除后的相關(guān)影響和問(wèn)題。通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)題研究，制定可行的拆除施工方案，注意避免造成二次損害；充分利用現(xiàn)有條件營(yíng)造灘涂生境，同時(shí)跟進(jìn)拆除后的濕地生境修復(fù)，促進(jìn)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展。圍堰拆除后應(yīng)進(jìn)行拆除區(qū)域內(nèi)的生態(tài)恢復(fù)，創(chuàng)造淺海灘涂自然淤積和演替的環(huán)境條件，促進(jìn)潮間帶灘涂發(fā)育[9]；以現(xiàn)有水草為基礎(chǔ)，潮間帶種植桐花等原生紅樹(shù)植被，最終形成水草沉水植被-潮間帶植被-潮上帶抗性植被的發(fā)育演替序列。生態(tài)修復(fù)綜合考慮陸域生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)聯(lián)系，考慮生境的整體性和生物群落的過(guò)渡完整性，營(yíng)造一個(gè)有梯度序列的健康生態(tài)系統(tǒng)[10-11]。