三門灣近期圍填海工程對海洋環境綜合影響分析

陳培雄 張鶴 周鑫 楊士瑛

摘要：指出了三門灣位于浙江沿海中部，為半封閉式海灣，三面群山環抱，一面臨海，海灣呈西北一東南走向，是浙江省三大半封蔽型海灣之一。2000年以來三門灣內圍填海速度更明顯加快，其對海洋自然環境的累積影響也逐漸增大。近年來針對三門灣圍填海的影響分析多以海床演變、水動力或者是水質環境中單一因子影響分析為主，尚未有將這些因素進行綜合評價。采用歷年現場采集調查資料成果對比的方法，首次從海底岸灘演變、海洋水動力環境、海洋水質、沉積物環境幾個方面綜合分析了三門灣近期大型圍填海工程的海洋環境綜合效應。同時利用三門灣實際沖淤狀況驗證了海床沖淤數值計算模型，并對海床沖淤進行了預測。通過三門灣海床整體淤積概況、水體的流速減小程度、沉積物重金屬含量變化以及水域富營養化歷年和季節性變化的綜合特征分析認為：三門灣水域富營養化逐年增加的成因與陸域污染源的相關性較小，主要是因為三門灣圍填海規模的持續發展導致灣內水動力環境減弱而使得水體環境的自我稀釋能力下降引起的。

關鍵詞：三門灣;填海造地工程;海洋環境;流速;富營養化

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0104-06

1 引言

海灣是海陸交界處的重要地理單元，也是人類從事海洋經濟活動及發展旅游業的重要基地。三門灣作為浙江三大典型海灣之一，是一個西北一東南方向的半封閉式海灣，灣內灘涂面積為295 kniz，占三門灣海域面積（775 kmz）的38%[1]。三門灣海域建國以后陸續開始高灘圍涂和港汊圍堵，至今三門灣已圍涂面積（包括堵港中的水面面積）33.2萬畝（221.6 km2），占三門灣海域總面積的28.6%，總潮灘面積的75.1%。圍涂60多年來，平均每10年占據4.7%的三門灣海域面積，12.3%的三門灣潮灘總面積。其中，2003～2013年圍涂面積約10萬畝，占已圍涂總面積的30%左右，是圍涂面積增加較快的時期，尤其是灣的頂部。2003～2013年實施和規劃了一批大規模、大面積的填海造地工程：已竣工完成的主要有下洋涂工程、蛇蟠涂工程、晏站涂工程等，填海造地面積約1000 hmz以上;正在實施的填海造地工程有洋市涂區域農業圍墾用海規劃填海工程（406.5413 hm²）和牛山火電廠填海造地工程（108.3644hm²）[2]。另外，三門灣近期及中期圍填海規劃已經出臺，預計到2020年大規模填海造地項目達13.85km²[3]。因此，需要對圍填海工程對環境的影響進行分析和評價。

2 國內外研究現狀

國內外學者對三門灣圍填海影響進行了研究。為了進一步分析三門灣大型填海造地工程對海灣水動力和海床的影響，謝亞力等依據1949～2003年實測資料分析了三門灣內灘涂沖淤特性，概述了三門灣1949～2003年的填海造地情況及其對灣內海床演變的影響[13]。楊輝等[4]胡研究發現三門灣貓頭水道自然狀態下因強潮作用維持沖淤平衡，圍填海影響下出現快速淤積，與其納潮量銳減、落潮流削弱有關;夏小明，謝欽春[5]研究了人類活動對三門灣地貌變化尤其是潮灘和汊道發育的影響;許雪峰等[6]以蛇蟠涂和下洋涂圍墾工程為例，討論了前后兩個圍墾工程對灣內潮流流速的影響。LinLei等認為海灣內的圍填工程通常會導致灣內潮流減弱，主要動力機制是由于圍填?？s小了海灣的空間尺度，減小了駐波型潮波反射距離所致[7]。Yanagi T研究表明從1968年到1983年，由于海灣面積的縮小，日本的東京灣灣口流速減弱了約20%[8]。這類現象在日本的Ariake灣[9]、中國福建的多個海灣[10]、浙江的象山港[11]、遼寧的錦州灣[12]等地都有發現。這些研究多以模型模擬的方式定性進行三門灣圍填海的影響分析，對于定量的研究內容較少，尤其是將海床演變、水動力和生態環境進行綜合效益評價的還沒有。本文采用現場采集調查資料成果以及歷史調查研究成果對比的方法，試圖從海底地形地貌、海洋水質環境和海洋沉積物環境等幾個方面綜合分析三門灣近期大型圍填海工程所產生的環境影響，以期為綜合評估海灣圍填海工程的水動力和生態環境效應提供參考，也為海灣的環境資源管理和可持續利用提供科學的依據。

3 材料與方法

水文測驗為多船同步，即在冬、夏兩季大、中、小潮期間對13條水文泥沙測驗垂線實施同步周日連續觀測。①流速、流向、懸沙含沙量：按六點法（即表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層）。②水溫：大、中、小潮27 h連續觀測，取樣時間間隔2h，按六點法（與海流觀測同）進行。③鹽度、懸沙顆粒分析：在大、小潮第一次漲急、漲憩、落急、落憩時取樣，觀測層次采用三點法。④潮位觀測：從水文泥沙觀測前6 d開始，連續觀測1個月（冬、夏兩季各1個月），采樣間隔為10 min。⑤底質顆粒分析：在大、小潮落憩時采樣。⑥氣象（風速、風向、氣溫、天氣現象）和海況：大、中、小潮連續觀測，間隔3h（即02、05、08、11、14、17、20和23時）觀測一次。水文測驗及同步潮位觀測站位布置見圖1。

生態環境調查：海洋環境調查過程中的樣品采集、貯存、運輸、預處理及分析測定過程均按《海洋調查規范》GB12763 - 2007和《海洋監測規范》GB17378 - 2007中的要求進行。水質要素（pH、DO、NH4+-N、重金屬等）按照《海洋監測規范》（GB17378-2007）、《海洋調查規范》（GB/T 12763 - 2007）、《水質分析大全》（科學技術文獻出版社重慶分社，1989）規定的標準進行測試分析。沉積物要素（底質類型、有機質含量、重金屬等）按照《海洋監測規范》（ GB 17378 - 2007）進行測試分析。海洋生物要素調查方法如表1。生物體質量分析測試按照國標《海洋監測規范》GB17378.6 - 2007。

4 水動力影響

4.1 海床演變與沖淤影響分析

4.1.1 數值模型

潮流是泥沙運動的載體，岸灘和水下地形對流場的分布和變化有直接影響，而潮流是造成泥沙輸運，導致海床沖淤變化，從而對地貌形態進行再塑造的最根本原因。因此，研究工程引起的海床沖淤變化，關鍵就是水動力場和含沙量場的模擬，兩者的分布和變化是海域泥沙運動的主導因素。

分析采用荷蘭Delft水利研究所開發的Delft- 3D的Delft - Flow模塊，該模型既能模擬三維水動力，也能模擬二維流場，本文采用二維模式。通過平面二維數學模型計算分析三門灣內的圍涂工程建成前后三門灣潮流場變化。

計算的水準基面為1985國家高程基準面。采用直接坐標系右手系，三門灣內水下地形采用2013年1月的實測地形資料，灣外區域則由2007年海圖拼接而成。

數學模型計算范圍應包含研究的對象并且工程對邊界的影響足夠小，同時邊界條件容易取得?？紤]到上述因素，計算范圍為整個三門灣、海游溪及亭旁溪，外邊界雀兒岙至韭山列島一線，見圖2。計算域的總面積約3268 km²。

模型采用正交曲線網格，為保證數模計算的精度，在水流和地形變化梯度比較大的區域適度加密網格，在圍墾區域附近對網格進一步細化，最小網格5m，總網格數為480×522，網格布置見圖3。

4.1.2 海床沖淤影響結果和討論

海床沖淤模型采用2003～2013年的三門灣實際沖淤狀況進行驗證。考慮到三門灣2003～2013年10年間規模較大的圍涂有蛇蟠圍涂、晏站圍涂和下洋涂圍涂，根據圍涂合攏時間，采用2006年實測地形，計算出蛇蟠和晏站圍涂工程在2006～2013的7年間產生的沖淤影響;采用2006年實測地形，計算出下洋涂圍涂工程在2006～2013的期間產生的沖淤影響，然后將兩者線性疊加，得到三門灣海域2006～2013年7年間的沖淤變化，并與這7年間的實際沖淤情況進行對比，見圖4和圖5。

可見，實際沖淤與計算出的沖淤分布基本一致：貓頭水道、滿山水道、蛇蟠水道等都發生了不同程度的淤積，且貓頭水道內的深潭淤積量較大，三門核電海域的一期碼頭前沿、小深潭和大深潭都發生了較大程度的淤積，模型基本復演了驗證區域的地形變化，沖淤特性和變化量級相當，表明海床沖淤模型能夠較好的模擬出三門灣實際的沖淤情況。

選取3條斷面和取排水口附近的2個敏感點進行驗證，斷面和敏感點布置見圖6，計算值與實測值的比較見表2?？梢?，各斷面、敏感點計算與實測的沖淤趨勢基本一致，沖淤幅度也比較接近，表明海床沖淤模型能夠較好的模擬出三門灣實際的沖淤情況。

經驗證，泥沙模型中主要參數取值為：沉降幾率α為0.2，沉降速度0.0005 m/s，泥沙于密度γ=725 kg/m3，區域含沙量取本次驗證計算冬夏季平均值。

2003～2006年沖淤分布見圖7。由圖可見三門灣近期海床以淤積為主，淤積主要發生在下洋涂南側、蛇蟠水道、貓頭水道中部、滿山水道中部、貓頭山嘴北側水域淤積幅度最高可達2.0 m以上。沖刷主要發生在局部區域，如石浦水道西側、珠門港西側及貓頭山嘴南側局部區域，沖刷幅度約小于1.0 m。2006年4月至2013年沖淤分布見圖4。由圖可見，三門灣海床2006～2013年以淤積為主，下洋涂南側、蛇蟠水道東北側、貓頭水道、滿山水道、貓頭山嘴北側沿岸，淤積幅度平均在1.0m左右，最高可達到2.0 m以上。沖刷主要發生在滿山水道局部、貓頭水道區域及瀝洋港西側，沖刷幅度基本小于1.0 m?？傮w而言，三門灣歷史上處于緩慢淤積過程。2003～2013年，由于三門灣頂部區域大范圍、大規模的圍涂造地，減少了海域的納潮量，導致三門灣海床以淤積為主，淤積主要發生在下洋涂南側、蛇蟠水道、貓頭水道、滿山水道、貓頭山嘴北側沿岸，淤積幅度在2.0m以上。長期海域納潮量的減小以及淤積的加重會造成海水交換能力減弱，海水自凈能力驟減，水質、底質環境惡化，使海灣環境功能減弱。沖刷僅為局部地區，沖刷幅度總體小于1.0 m。

4.2 潮流流速變化

三門灣潮流流速分析采用2013年夏、冬兩季在三門灣布設的13個潮流周日連續觀測站進行分析。從圖9和圖10可以看出圍涂工程實施后所引起的漲落潮流平均速變化主要分布在貓頭水道、滿山水道、蛇蟠水道、力洋港和青山港內。其中貓頭水道的平均流速減小約0.04～0.07 m/s，滿山水道的平均流速減小約0.02～0.04 m/s，蛇蟠水道的平均流速減小約0.04～0.14m/s，力洋港平均流速減小約0.08～0.12 m/s，青山港平均流速減小約0.06～0.11 m/s。根據實測潮流資料分析表明：三門灣海域潮差大、潮流急。冬季實測最大漲、落潮流速分別為1.28 m/s和1.39 m/s;夏季實測最大漲、落潮流速分別為1.59 m/s和1.77 m/s;三門灣海域潮流場的基本特征為：流速的季節變化為夏季略大于冬季;落潮流速普遍要大于漲潮流速，最大潮流流速皆發生在落潮流中。將2003年春、秋調查數據和2013年冬、夏季調查數據進行對比可知：三門灣的潮流場近年來具有相似的變化規律，流速季節變化為秋季略大于春季;夏季略大于冬季。2003年春季整個測區實測最大流速為1.78 m/s，秋季最大流速為2.02 m/s，均出現在三門灣口，最大流速均為落潮流。圍填海工程并沒有改變三門灣潮流場的變化規律，但由數據對比可以看出，由于2013年時一些大型填海在造地工程已經實施，使得灣內納潮量已逐年減小，因而導致流速亦逐年減小。灣內納潮量和流速的減小將會減少灣內海水交換、降低海水自凈能力，增大了灣內水質和底質污染的可能性。

5 水環境質量

5.1 海水水質環境

根據2013年春、夏、秋、冬四季在三門灣區域采集的水質監測結果分析可知：2013年懸浮物變化范圍為（12～1269）mg/L，平均值為242 mg/L，總體上懸浮物含量有所下降，垂直分布上同樣為表層低于底層。pH值、總堿度變化范圍分別為7.84～8.15和（2.05～2.88）mmol/L，平均值分別為8.03和2.30 mmol/L，pH值總體上沒有變化，而總堿度則略有上升。DO、COD和BOD含量分別為（5.04～10. 14） mg/L、（0.22～3.84）mg/L和（0.11～1.88）mg/L，平均值分別為7.52 mg/L，1.26 mg/L和0.77 mg/L，DO、COD與BODs含量有所下降。表層海水石油類濃度變化范圍在0.008 mg/L～0.046 mg/L之間，含量略有上升。硝酸鹽態氮、亞硝酸鹽態氮、銨鹽態氮和活性磷酸鹽磷的濃度變化范圍分別為（ 0.258～0.853） mg/L，（ 0.000～0.060） mg/L、（0.003～0.036） mg/L和（0.018～0.052） mg/L，四季平均值分別為0. 533mg/L，0.011 mg/L、0.011 mg/L和0.037mg/L。

將2013年數據與2005年夏、秋、冬和2016年春季四季調查結果列表進行對比（表3），結果可見：2005年三門灣水體懸浮物變化范圍較大，變化范圍為（18～4534） mg/L，平均值為419mg/L，總體表現為表層含量低于底層。pH值、總堿度變化范圍分別為（7.84～8.2和（1.72～2.45） mmol/L，平均值分別為8.04和2.12mmol/L。DO、COD和BOD5含量分別為（5.02～10.82） mg/L、（0.29～3.78）mg/L和（0.14～2.91） mg/L，平均值分別為7.96 mg/L，1.45 mg/L和0.77 mg/L。DO的垂直分布在夏季表現為表層高、底層底的特征，其它三個季節垂直變化則比較均勻。表層海水石油類濃度變化范圍在<6.5 μg/L（低于檢測限）～29.4 μg/L之間。硝酸鹽態氮、亞硝酸鹽態氮、銨鹽態氮和活性磷酸鹽磷的濃度變化范圍分別為（0.289～0.678） mg/L，（0.000～0.055）mg/L、（0.007～0.245） mg/L和（0.006～0.075） mg/L，四季平均值分別為0.494 mg/L，0.010mg/L、0.034 mg/L和0.029 mg/L。

由表3分析可見，2005年和2013年三門灣水質環境調查數據無顯著差異。三門灣大型的填海造地工程對于水質環境沒有形成明顯的影響。

5.2 水體富營養水平評價

水體營養鹽含量多少對該區域環境的影響可以用富營養化指數來評價，本文根據營養狀態指數（E）值大小來表示該海域富營養化水平，公式如下[14]：

E=CODX DIN×DIP×106/4500

（1）

其中COD為化學需氧量，DIN為溶解態無機氮，DIP為無機磷。

當E≥1時，表明水體已達富營養化。

圖11展示了此次海域調查站位分布圖。表4顯示了本次調查海域四季的海水E值及其與歷史數據的比較，由評價結果可以看出，本次調查該海域四季水體均呈現明顯的富營養化狀態，E值在2.85～15.56之間，底層水體富營養化程度大于表層水。在季節變化上，富營養化程度秋季最為嚴重，冬季次之，秋、冬季E值明顯高于春、夏兩季。與歷史資料對比可以看出，三門灣海域水體富營養化程度呈現加重趨勢，本次調查四季E值與2005～2006年度相比，僅夏季E值略低，其它三季E值也明顯升高。值得注意的是，本次調查秋、冬季E值較前兩次調查增幅明顯，尤其秋季，底層水體E值平均為15.56，是2005～2006年底層水體E值的2.39倍，遠遠高于歷史同期數據，反映出圍填海工程后三門灣海域不僅富營養化程度逐漸加重，而且季節變化差異顯著，秋季富營養化程度為一年中最大，冬季次之，春、夏季稍弱。這主要是因為三門灣海域圍填海工程實施后，灣內納潮量較低，灣內海水流速變慢，海水交換較少，降低了海水自凈能力，降低了海域水環境容量，使得污染物富集，污染物量增大。從對應的數據也可以看出，水體中無機氮和磷酸鹽含量均是秋季最高，而COD含量也是秋季和冬季明顯較高。

5.3 沉積物環境質量

三門灣沉積物環境調查于2013年夏冬兩季進行。調查結果顯示三門灣海域夏季沉積物在灣內以粉砂和砂質粉砂為主，灣口基本為粉砂。冬季除了灣口部分站位為泥質外，整個三門灣的沉積物均為粉砂。夏、冬兩季沉積物中值粒徑均值為7.83 μm，夏季以灣內區最高，冬季則主要在中部出現高值。含水率平均為48.57%，中部海域的沉積物含水率在夏季較高，而冬季則是灣內較高。沉積物除銅、總鉻外，其它重金屬參數與石油類均符合海洋沉積物質量I類標準。在夏季的沉積物調查中，夏季共有4個站位銅含量略超I類，冬季則僅有1個站位略超I類。總鉻含量調查在夏季有3個站位略超I類標準，冬季則有8個站位超I類。銅、總鉻含量最大超標（I類）指數分別為1.14（夏季）與1.14（冬季），但均符合沉積物II類標準。需要適當展開，分析原因。

將2013年的調查數據與2005年春秋兩季調查的歷史數據進行比對可知：2005年三門灣沉積物中重金屬銅變化范圍（20～31.5）×10^-6，均值23.3×10^-6;鉛變化范圍（23～36）×10^-6，均值31.7×10^-66;鋅變化范圍（96～119.5）×10^-6，均值107.8×10^-6;鎘的變化范圍（0.1～0.28）×10_6，均值為0.14×10^-6，汞變化范圍（0.05～0.1）×10^-6，均值0.08×10 ^-66;砷變化范圍（10.8～14.2）×10^-6，均值11.8×10^-6。而2013年調查結果顯示，銅的變化范圍（17～40）×10^-6，均值為27×10^-6;鉛的變化范圍（24～37）×10^-6，均值為32×10^-6;鋅的變化范圍為（18～103）×10^-6，均值71×10^-6;鎘的變化范圍（0.11～0.21）×10^-6，均值0.17×10^-6，汞的變化范圍（0.03～0.06）×10^-6，均值為0.05×10^-6;砷的變化范圍為（10.0～15.9）×10^-6，均值為13.6×10^-66。

分析表明：2005年至2013年期間，沉積物重金屬含量無顯著差異。三門灣大型的填海造地工程對于沉積物重金屬的含量沒有形成明顯的影響。三門灣沿岸附近居民以養殖、捕撈為主要收入來源，飼料的大量投放加上魚類糞便及居民生活廢物一起分解所產生的氮磷營養物質，導致海區營養鹽含量偏高;三門灣沿岸大型工業不多，因此該海區水質、沉積物基本未受重金屬污染（表5）。