羅源灣多年圍填海工程對水動力環境的累積影響研究*

王勇智，孫惠鳳，谷東起，閆文文

（國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

圍填海活動曾作為人類改造自然和征服自然的杰出行為而被推崇，開發利用海洋空間資源，以尋求新的發展空間，在世界沿海國家非常普遍，尤以歐洲和亞洲國家的濱海地區最為突出［1－2］。全球圍填海最成功的范例當屬荷蘭，全國1/4的國土是通過圍填海實現。日本在過去的100年中填海12萬km2，沿海城市約有1/3的土地是通過填海獲得的。韓國、新加坡等國通過填海造地擴大耕地面積，提高糧食產量，增加城市建設和工業生產用地。為了解決人口眾多、土地資源不足的問題，新中國成立至今，中國沿海地區先后興起了4次大的圍填海活動，至2011年，中國填海面積共計約12.5萬hm2，圍填海成為緩解用地壓力的主要經濟活動。然而，海灣既是眾多海洋生物的棲息地和生物多樣性的保護基地，又是維護海陸動態平衡的緩沖區，通過圍填海取得巨大進步的同時，也給海灣資源與環境造成了巨大威脅和破壞。

羅源灣為福建省六大深水港灣之一，位于福建省東北部沿海。羅源灣形似倒葫蘆狀，北臨鑒江半島和三都澳，南隔黃岐半島，東起可門口，向西深入羅源縣與連江縣境內中部（見圖1）。灣內海底地形具有明顯差異性，口門最大水深約－74m，除東北側和南側有一個－5和－10m的深槽貫穿灣內水域外，其余均為廣大淺水區［3］。然而，為緩解人多地少的矛盾，羅源灣沿岸的羅源縣和連江縣大力推進灘涂濕地開發和臨港工業建設，灣內圍填海活動頻繁，至2012年灣內累計圍填海面積約96km2，導致大量灘涂濕地喪失，灣內多處小海灣遭到圍填。因此，鑒于羅源灣區域土地資源日趨緊張以及港口工業和城鎮建設等需要，通過研究羅源灣多年圍填海工程對灣內水動力環境的累積影響效應，可為決策部門更好的保護羅源灣的海洋環境和漁業資源、促進經濟和社會的可持續發展提供參考依據。

圖1 羅源灣地理位置示意圖Fig 1 The location map of Luoyuan Bay

海灣水交換和納潮量是海洋環境科學研究的一個基本命題，是海灣生態環境保護和開發利用的基礎。近二十年來，國內外都進行了很多關于河口和海灣水交換能力的研究工作。匡國瑞應用中村武弘的水質預測公式對乳山灣的海水交換率和環境容量進行了初步探討［4］，許蘇清利用箱式模型和數值模式計算了江灣海水交換時間［5］，魏澤勛計算了渤海海峽夏季與北黃海的水交換特征［6］，孫英蘭基于三維潮流模式和污染物輸運模式，定量分析了膠州灣和丁字灣的水交換能力［7］，趙亮研究了膠州灣水的存留時間和各個區域的水交換能力［8］，魏皓應用水質模型研究了渤海的水交換能力和半交換時間［9］，管衛兵等研究了榆林灣水交換能力和污染物輸運過程［10］。胡建宇在分析羅源灣的潮流和余流特征的基礎上，研究了灣內海水的交換率和半交換時間［11］。

1 羅源灣圍填海歷史及現狀

1.1 羅源灣圍填海歷史

1960 年代，羅源灣海域面積約226.7km2，海灣岸線長度約155.66km，基本全部為自然岸線（基巖），人工岸線很少［1］。然而，隨著羅源灣沿岸城鎮化和工業化進程的不斷推進，對土地的需求量持續增長，受背靠山地的制約，只能向海拓展空間，在這一過程中羅源灣內先后實施了大量圍填海工程。據不完全統計，自上1960年代至今，羅源灣圍墾工程共17處（見表1）［12］，圍墾面積總計約71.96km2。其中1960年代，羅源灣完成圍墾工程4處，圍墾總面積5.23km2；1970年代，完成圍墾工程4處，圍墾總面積1.02km2；1980年代，完成圍墾工程5處，圍墾總面積31.47km2；1990年代，完成圍墾工程3處，圍墾總面積26.23km2；2000年以后完成羅源縣白水圍墾，圍墾面積8km2。羅源灣圍墾中大規模的圍填海活動主要有大官坂圍墾、松山圍墾、白水圍墾，面積合計58.6km2，占海灣內圍墾總面積的81.44%。

目前羅源灣圍墾中，用于農業種植面積約占圍墾總面積的18.39%，用于海水養殖面積約占43.90%，用于工商貿等其他面積約占37.77%。隨著羅源灣周邊地區社會經濟的發展，用于農業種植和水產養殖的墾區功能將逐漸發生變化，轉向臨港工業、港口運輸和物流倉儲以及城市建設等方面。

1.2 羅源灣圍填海現狀

目前，羅源灣的北岸和南岸均開展了大量的圍填海工程，灣內多數海灣和岬角已實施了圍填或已確權圍填，羅源灣原先曲折的基巖海岸，已大量被鋼筋混凝土構筑的平直人工岸線所取代。截至2012年羅源灣海灣面積約199.19km2，實際納潮海域面積約為154.49km2，海灣海岸線長度約131.83km，其中人工岸線為36.74km，與1960年代相比，羅源灣海域面積減小了約27.51km2，由于多數圍填海工程是在灘涂或淺水區海域實施，故灣內－5m以淺海域面積損失約25.27km2，占灣內－5m以淺海域面積的31.49%，海灣自然岸線長度損失了約21.22km，人工岸線的比例大大增加，自然親水岸線所剩無幾。此外，圍填海造成灣內海島滅失24個，給區域海洋生態系統穩定產生了較大壓力。目前，羅源灣已開發利用海域面積約81.76km2（含養殖用海），海域使用強度較大，為43.21%，但多數為漁業養殖用海。根據《福州港總體規劃》（2012）［13］，未來淡頭港區、獅岐港區和牛坑灣等港區將動工建設，屆時羅源灣海灣面積可能進一步縮小至176.69km2，自然岸線可能損失約60.9km。

2 模型簡介

羅源灣為一個半封閉海灣，與外海的水交換僅通過寬度約2km的口門完成，故納潮量和水交換率是支撐羅源灣資源環境和海洋經濟可持續發展的重要海洋環境因素。近半個世紀以來，羅源灣內開展了多處大規模的圍墾和圍填工程，加之近年來環灣工業化與城鎮化的迅速發展，推動了羅源灣沿岸圍填海的需求，灣內大量灘涂濕地喪失，灣內多處小海灣遭到圍填，直接導致羅源灣納潮海域面積縮小。為反映不同時期圍填海對羅源灣納潮量和水交換率的影響，應用MIKE 3軟件分別計算了羅源灣1960年代、1996年代和羅源灣現已確權海岸線條件下的海灣納潮量和水交換率變化。

模型水動力環境模擬應用MIKE3模型的HD模塊［14－15］，建立了3個典型年代的羅源灣海域三維潮汐潮流模型。羅源灣水交換的模擬應用MIKE3模型的ECOLAB模塊中溶解保守物質擴散模型，針對3個典型年代分別建立了羅源灣三維區域海域模型，以分析多年圍填海對羅源灣水交換能力的累積影響。羅源灣海域1960年代的模型水深資料采用舊版海圖水深經數字化后得到，1996和2012年的羅源灣模型水深采用新版海圖水深經數字化后得到，在部分圍填海區使用工程勘察的實測水深加以修正。

3個典型年代模型的網格數分別為33 600、38 171、37 207個，最大分辨率為50m，在開邊界處分辨率最小，為2 000m，垂向均勻分為6層，開邊界采用東中國海大區模型所得的8個分潮（O1、P1、K1、N2、M2、S2、M4、MS4）的調和常熟計算給定開邊界水位以驅動模型。

由于缺乏1960年代羅源灣海域的潮汐和潮流實測資料，故分別使用1994和2006年的實測潮汐和潮流資料作為模型的驗證之用。經實測值和計算值的比較（圖略），模型計算所得的潮位與潮流與實測值較為符合，說明模型采用的參數基本合理，計算方法可靠，能夠模擬羅源灣內潮汐和潮流變化特征。

3 圍填海對羅源灣對納潮量和水交換的影響

3.1 流態變化

對比羅源灣各個時期的流場圖（見圖2～4）可以看出，羅源灣海域的流態總趨勢并沒有顯著的變化，漲潮時，灣外潮流通過羅源灣灣口、可門水道及獅岐水道進入內灣，圍填海工程對灣內潮流形態的影響基本限于工程附近海域。1960年代時，羅源灣海岸線曲折，灣內大官坂、松山和白水三大圍墾區尚未實施圍墾工程，為實際納潮海域，漲落潮時潮流可自由進出上述內灣。1996年，由于多個圍墾工程和港口工程的建設，灣內多個內灣遭到圍墾或圍填，羅源灣的海域面積明顯縮小，致使羅源灣的納潮量大大減小，圍填海工程附近的流態發生了變化，尤其是三大圍墾區工程的圍堤前沿海域流態變化尤為顯著。2012年，羅源灣內雖然無大規模的圍填工程實施，但南岸和北岸陸續實施了多個港口工程和臨港工業的圍填海項目，海岸線變得越發平直，海灣納潮海域面積進一步縮小。通過各時期流場計算結果分析可以看出，羅源灣自1970年代，由于圍填海工程建設，海域面積顯著縮小，可門水道和獅岐水道流速相比1960年代年分別減小了11.4%和9.3%。雖然羅源灣內無較大的徑流注入，主要深槽水深維持良好，但納潮量減小和水動力條件的減弱是羅源灣環境容量下降和水質環境降低的的主要原因之一。

圖3 1960年代羅源灣海域垂向平均流流態分布圖Fig.3 The depth averaged current vector distribution in 1960s

圖4 1996年羅源灣海域垂向平均流流態分布圖Fig.4 The depth averaged current vector distribution in 1996

本研究選取了位于羅源灣內深槽和圍填海工程前沿的部分特征點（見圖5和表2），以分析各時期圍填海工程對羅源灣灣流速大小的影響。表2中給出了各時期特征點大潮漲潮時和落潮時的最大流速和流向，其中變化幅度百分比表示了各時期潮流特征點流速與1960年代和1996年的相對變化率。從表2可以看出，圍填海工程的修建一般會使羅源灣內潮流流速變小，除在大規模圍墾工程前沿海域流向變化較大外，灣內其他海域的流向變化相對較小。三大圍墾工程實施后，灣內的主要的可門水道和獅岐水道的最大流速均有不同程度的減小，可門水道中T4、T7和T8特征點的最大流速與1960年代相比，減小了約3.15%～29.11%，獅岐水道中T13、T16、T18和T23特征點的最大流速與1960年代相比，減小了約4.17%～45.05%，尤以位于水道末端的特征點的最大流速減小幅度為最大，漲潮時的最大流速減小幅度要明顯高于落潮時的最大流速。松山、白水和大官坂三大圍墾工程建設后，由于岸線的劇變，墾區圍堤前沿特征點的流速和流向均發生了不同程度的變化，圍堤前沿特征點的最大流速減小幅度為9.07%～53.31%。進入21世紀后，隨著福州地區城市化和港口工業的快速發展，羅源灣北岸和南岸憑借良好的港口環境和優越的地理區位，重點發展港口工程和臨港工業建設，開始了新一輪的填海造地高潮。2012年，羅源灣海域特征點的流速繼續減小，但減小幅度較小，灣內可門水道和獅岐水道特征點（T4、T7、T8、T13、T16、T18和 T23）的最大流速與1996年相比，又減小了約1.85%～15.25%。

圖5 2012年羅源灣海域垂向平均流流態分布圖Fig.5 The depth averaged current vector distribution in 2012

表2 各個時期大潮期特征點漲急和落急時流速和流向變化Table 2 Variation in the velocity and direction of feature points during the spring tide at flood and ebb tide in different periods

3.2 納潮量變化

由于海洋的潮汐現象，把從低潮到高潮海灣所能容納海水的量稱為納潮量。納潮量的大小可以直接影響海灣與外海的交換程度，從而制約海灣的自凈能力，因此對維持海灣的良好生態環境至關重要。本研究通過計算高、低潮時羅源灣容納海水的體積差得到納潮量值，再對其進行大、中、小和全潮平均，計算了1996和2012年納潮量相對于1960年代的變化率（見表3）。表明圍填海工程造成羅源灣內水域面積減少，流場變化，進而導致整個海灣納水體積和納潮量減少。

從表3中可看出，羅源灣的海灣納潮量隨圍填海工程的實施呈逐年遞減的趨勢。羅源灣那內三大圍墾工程竣工后，羅源灣的全潮平均納潮量由1960年代的8.74×108m3銳減至1996年的6.94×108m3，并持續減小，至2012年海灣全潮納潮量約為6.26×108m3。1996年羅源灣大、中、小潮期的納潮量與1960年代羅源灣海域納潮量相比，分別減小了約12.15%、10.74%和12.29%，而2012年羅源灣大、中、小潮期的納潮量與1996年羅源灣海域納潮量相比，又分別減小了約8.47%、11.60%和10.08%。1996年羅源灣海域全潮納潮量相當于1960年代的79.41%，而2012年羅源灣海域全潮納潮量僅相當于1960年代的71.62%。由此可見，雖然羅源灣內的圍填海工程多是在灘涂或水深小于－5m的淺海海域實施，但圍填工程仍占用了大量納潮海域面積，特別是三大圍墾工程的圍墾面積約占1960年代羅源灣海灣面積的約27%，直接導致了灣內實際納潮海域面積的大量喪失，對羅源灣納潮量的影響十分明顯。羅源灣內圍海致使海灣納潮量進一步減小的同時，引起水環境容量降低，致使水體污染負荷加重和污染物擴散凈化能力減弱，加速污染物在海底積聚，進而引起海水水質下降。

表3 3個典型年代羅源灣納潮量變化Table 3 Variation in tidal prism of different periods in luoyuan Bay /×108 m3

3.3 水交換變化

應用保守污染物濃度擴散模型模擬羅源灣內的污染物擴散情況來計算灣內的水交換率。初始時刻，設置羅源灣內部所有網格點上的污染物濃度均為100，灣外網格點的濃度均為0。其他水動力條件保持不變，分別計算了各時期羅源灣30、60和90d的水交換率情況以及灣內50%水交換時所需的天數和水交換率分布情況（見表4和圖6）。計算結果表明，各時期羅源灣內的水交換率均有較大的差異，不論在灣口還是灣內，羅源灣1960年代的水交換率要明顯優于1996年和2012年。1960年代，羅源灣30d平均水交換率為65.96%，至1996年灣內30d平均水交換率減小了約19.17%，而至2012年灣內30d水交換率與1960年代相比則減小了約21.42%。隨著時間的加大，加之羅源灣的海灣面積相對較小，各時期的灣內水交換率的差異逐漸減小。在灣內選取了15個特征點，用以比較羅源灣各時期特征點的水交換變化特征，可發現，位于深槽和水道附近特征點的30d水交換率減小幅度較小，而位于灣頂、灘涂和海灣中部的特征點的30d水交換率存在較大幅度的減小，最大減幅為30.92%，說明水動力條件相對較差的海域受影響更為明顯。1960年代時，羅源灣內半水交換時間約為11.47d，1996和2012年的灣內半水交換時間則分別較1960年代延長了約1.74和2.42d，并且1996年和2012年灣內水體半交換時的污染物等值線分布形態與1960年代的分布形態呈現出了較為明顯的差異。由此可見，羅源灣圍填海工程對灣內水交換率的影響非常大，圍填海大大降低了羅源灣的水交換能力及污染物自凈能力，并且圍填海工程主要用于水產養殖、港口碼頭和臨港工業等，又從另一個方面加大了灣內污染物的排放量，這兩方面的共同作用會更加不利于灣內污染物的及時凈化，致使灣內水環境質量進一步惡化。

表4 3個典型年代羅源灣水交換率變化Table 4 Variation in water exchange rate of different periods in luoyuan Bay /%

圖6 潮流和水交換特征點位置示意圖Fig.6 The location of the feature points in Luoyuan Bay

表5 各個時期特征點30d水交換變化特征Table 5 Variation in 30d-water exchange rate of feature points of different periods in luoyuan Bay

圖7 三個典型年代50%水交換時羅源灣水交換分布圖Fig.7 The semi-water exchange rate distribution of different periods in Luoyuan Bay

3.4 海洋生態環境變化

為反映3個典型時期羅源灣海域的海洋生態環境變化，應用羅源灣海域1991年5月、2006年5月、2009年7月和2012年4月共4次水質、沉積物和海洋生物調查資料［1，7－8］，對羅源灣的水質環境、沉積物環境和生物資源進行縱向比較分析。分析結果表明，羅源灣的水環境質量下降較大，沉積物質量基本沒有變化，海洋生物多樣性呈下降的趨勢。

3.4.1 水質環境 1991年5月，羅源灣水質質量優良，DO、COD、無機磷、石油、重金屬（Cu、Pb、Cd）含量均符合一類海水水質標準，僅少數站位無機氮超出一類海水水質標準。2006年5月，羅源灣DO含量符合一類海水水質標準，COD、石油、重金屬（Cu、Pb、Cd）含量符合二類海水水質標準。無機氮含量有近一半站位超出二類海水水質標準，僅有少數幾個站位符合海水一類水質標準，底層個別站位超出四類海水水質標準。無機磷濃度有大半站位超出二類海水水質標準，個別站位超出四類海水水質標準。2009年7月，羅源灣DO、COD、石油、重金屬（Cu、Pb、Cd）含量均符合二類海水水質標準，無機氮和活性磷酸鹽含量大部分站位超出二類海水水質標準。2012年4月，羅源灣DO、COD、石油、重金屬（Cu、Pb、Cd）含量均符合二類海水水質標準，大部分站位的活性磷酸鹽和所有站位的無機氮值監測結果超出第二類海水水質標準。

由此可見，羅源灣海水環境質量自1991年以來總體呈下降趨勢，養殖、工業化和城鎮化排放的廢水導致海域無機氮和活性磷酸鹽含量上升較明顯，灣內絕大部分海域水質基本已經不能符合水產養殖業的要求。

3.4.2 海洋生物多樣性 由表5可發現，從1991年至今，羅源灣內的浮游植物、浮游動物和底棲生物的總種數、優勢種種數、數量和豐度都呈下降趨勢，浮游動植物優勢種的分布也相應發生了一定變化，說明羅源灣海洋生物群落結構已發生了變化，圍填海對底棲動物及其群落結構均產生了顯著的破壞效應。

表6 羅源灣海洋生物資源變化Table 6 Marine biological resources variation in Luoyuan Bay

3.4.3 圍填海對羅源灣海洋生態環境的影響 雖然，工業化和城鎮化的進程中產生的廢水和廢物，會直接導致羅源灣海洋環境質量的下降。然而，圍填海工程對羅源灣水動力衰減具有顯著的影響：直接導致海灣納潮量減少，海水交換能力下降，海灣污染物稀釋能力大大降低，自凈能力變差，從而間接影響了羅源灣海水環境質量。同時，圍填海工程導致的局部潮流流態改變和自凈能力下降，圍填海也直接或間接對近岸海域生態系統產生影響，引起生態系統結構和功能的演變，導致了附近海區浮游植物、浮游動物生物多樣性的普遍降低及優勢種和群落結構的變化；圍填海對底棲生物的威脅更直接，圍填海工程中的吹填、掩埋等造成底棲環境條件劇變，引起底棲生物數量減少、群落結構改變和生物多樣性降低。而且，羅源灣內大量圍墾工程均是在灘涂或淺海上實施，直接掩埋和擠占了經濟魚蝦類的棲息地、索餌場和育幼場，直接影響了海灣生物資源的減少是毋庸置疑的。此外，前人借助GIS和遙感分析的方法，估算了每年排污羅源灣的COD總排放量約為11 446t/a［16］，TN和TP的總排放量約為5 027和607t/a，且超過60%的入海污染物來源于海上水產養殖，因此，污染物的大量排放也進一步加劇了羅源灣內水環境質量的惡化。雖然，根據有關規劃，羅源灣內的養殖將逐步退出，但隨著海峽西岸經濟區建設的推進，沿岸生產和生活污染物的排放量也隨之增加，故羅源灣的海洋環境質量仍面臨較大的壓力。

4 結語

羅源灣地處閩浙丘陵地帶，土地資源不足，沿岸港灣多，并且灘涂資源豐富，因此，圍填海成為灣內城市空間擴展和工業發展用地的主要途徑。但圍填海導致灣內大面積灘涂和淺海資源喪失，截至2012年，羅源灣海域面積減小了約27.51km2，海灣自然岸線損失了約21.22km，直接導致海灣納潮量減小，加劇了水質惡化，給羅源灣海洋生態環境帶來了巨大壓力。應用數值模型分析了3個典型時期圍填海影響下的羅源灣水動力環境變化，表明多年持續的圍填海工程雖未造成羅源灣整體流態的顯著變化，但由于圍填海導致灣內實際納潮海域面積逐漸萎縮，灣內潮流的最大流速呈現出逐步減小的趨勢，尤以灣頂附近、灘涂附近和圍堤前沿海域最為明顯，最大減幅約67.92%。與1960年代相比，羅源灣1996年和2012年納潮量分別減小了約20.59%和28.38%，灣內30d的平均水交換率分別減少19.17%和21.42%，半交換時間延長了約1.74和2.42d，海灣中部和灣頂附近海域水交換能力受持續圍填海的影響最大，最大減幅為30.92%。雖然羅源灣內無較大徑流注入，主要深槽水深維持良好，但納潮量減小、水動力條件減弱和沿岸生產生活污染物排放是羅源灣港環境容量下降和水質環境降低的的主要原因。因此，為了能夠更好地利用羅源灣的海域和灘涂等資源，建議改變羅源灣現有的截彎取直和順岸平推式的圍填海方式，優化港區的平面布置，同時大力整合碼頭資源，使寶貴的岸線資源得到最大化利用，從而能夠保護環境的基礎上滿足人們的需求，合理開發海灣空間資源。

［1］Halpern B S，Selkoe K A，Micheli F，et al.Evaluating and ranking the vulnerability of global marine ecosystems to anthropogenic threats［J］.Conservation Biology，2007，21：1301-1315.

［2］Halpern B S，Walbridge S，Selkoe K A，et al.A global map of human impact on marine ecosystems［J］.Science，2008，319：948-952.

［3］中國海灣志編纂委員會.中國海灣志（第七分冊）［M］.北京：海洋出版社，1994.

［4］匡國瑞，楊殿榮，喻祖祥.海灣水交換的研究［J］.海洋環境科學，1987，6（1）：13-23.

［5］許蘇清，潘偉然，張國榮.潯江灣海水交換時間的計算［J］.廈門大學學報，2003，42（5）：629-632.

［6］澤勛，李春雁，方國洪.渤海夏季環流和渤海海峽水體輸運的數值診斷研究［J］.海洋科學進展，2003，21（4）：21-27.

［7］孫英蘭，陳時俊，俞光耀.海灣物理自凈能力分析和水質預測一膠州灣［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，1988，18（2）：60-65.

［8］趙亮，魏皓.膠州灣水交換的數值研究［J］.海洋與湖沼，2002，33（1）：23-29.

［9］魏皓，田恬.渤海水交換的數值研究一水質模型對半交換時間的模擬［J］.中國海洋大學學報：自然科學版，2002，32（4）：519-525.

［10］管衛兵，王麗婭，潘建明.POM模式在河口灣污染物質輸運過程模擬中的應用［J］.海洋學報，2002，24（3）：9-17.

［11］胡建宇.羅源灣海水與外海水的交換研究［J］.海洋環境科學，1998，17（3）：51-54.

［12］羅源縣地方志編纂委員會編.羅源縣志［M］.北京：方志出版社，1998：276-277.

［13］福建省交通運輸廳.福州港總體規劃（2012）［EB］.2013，福州.

［14］Ekebjarg L，Justesen P.An explicit scheme for advection-diffusion modelling in two dimensions［J］.Comp Meth App Mech Eng，1991，88（3）：287-297.

［15］Minghai Hsu，Albert Y Kuo，JantaiKuo，et al.Procedure to Calibrate and Verify Numerical Models of Estuarine of Estuarine Hydrodynamics［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999，125（2）：166-182.

［16］林志蘭，余興光，劉希，等.羅源灣區域入海非點源污染COD排放量估算［J］.臺灣海峽，2006，25（2）：209-215.