近期福建海壇海峽海床沖淤變化及影響因素研究

姚弘毅，鄭承忠，徐 樂，王偉斌，蔚廣鑫

(福建海洋研究所，福建 廈門 361013)

海壇海峽，位于福建中部福清半島與福建最大島嶼海壇島之間，北側有大、小練島和嶼頭島，西北口為福清灣，北口與臺灣海峽相接；南側則有草嶼島將出口一分為二，東南口通往臺灣海峽，南口則與興化水道相連，具有典型的峽道特征[1]。峽道內灘槽交替，發育有巖灘、潮灘、潮流沙脊、沖刷槽和海底殘丘多種地貌形態結構，并受到潮流和波浪共同作用，地形地貌和動力條件較為復雜[2]。研究表明在末次間冰期暖濕氣候與現代暖濕氣候的影響下，閩江攜帶的大量泥砂進入海壇海峽和海壇島沿岸沉積，成為海壇島海灘砂的主要來源[3]。湯建軍等建立了二維淺水波數學方程，對海壇海峽的前進波特征進行了成功模擬，計算結果表明海峽內流速分布呈南北強、中間弱的特點[4]。王彬諭等利用MIKE21建立二維潮流數學模型，分析了海壇灣海域潮流動力情況[5]。盧惠泉等從海壇海峽的形成演變規律、水動力條件、海底地形地貌及沉積特征等方面系統探討了在峽道效應作用下，海壇海峽的水動力環境和地貌變化[1]。

近年來，隨著平潭綜合實驗區的開發建設，各項基礎設施建設取得重大突破和進展。為了緩解島內用地緊張和綜合實驗區進一步開放開發之間的矛盾，在平潭綜合實驗區成立后，幸福洋、猴嶼、金井灣、金井作業區、安海澳等海灣和墾區進行了大規模的填海造地工程。而海壇海峽內豐富的海砂資源自然成為了填海造地工程所需巨量工程用砂的首要來源。大量海砂的開采將會降低海灘灘面，使海岸遭受更強的波浪襲擊，導致礁石裸露，對濱海旅游業造成影響，同時強化海岸的侵蝕，對海岸堤防和建筑物造成威脅[6-7]。因此，本文根據多年海圖以及實測地形數據等相關研究資料，對近期海壇海峽地形地貌變化開展了研究，不僅能增加對人類活動影響下峽道海域地貌演變的認識，同時對促進海峽資源合理有效地開發利用以及周邊社會經濟的可持續發展等都有著重要的現實意義。

1 研究區域概況

福建海壇海峽地形地貌變化復雜，分別在海峽兩側不同區域發育著巖灘、沙灘和泥灘3種地貌，在海底中發育著水下淺灘、潮流脊系和潮流三角洲3種地貌[1]。其所處的臺灣海峽潮波整體上表現為前進波性質，近岸處表現為駐波，為正規半日潮。潮波由北向南傳入海壇海峽，海峽內潮波屬于前進波，南北開口既有前進波，又有駐波的特征[4]。海峽內潮流為正規半日潮，受峽道兩側地形邊界條件限制，呈現為以往復流為主的形態，主要分潮流長軸方向與深槽線走向一致[1]，周年實測表層最大流速為1.27 m/s。根據平潭海洋站1980—2003年的統計資料，海壇海峽多年平均風速為9.0 m/s，多年月平均風速以11月的11.4 m/s為全年最大，而10月和12月的平均風速也分別達到11.1 m/s和11.2 m/s，以8月的6.7 m/s為全年最小。全年風向以東北偏北為最多，頻率為43%，其次為東北向，頻率為18%。受海峽地形的影響，海峽海域內的主要波浪類型為小風區形成的風浪和口門傳入的涌浪疊加而成的混合浪[1]。對海峽中部2011年連續12個月波浪觀測資料進行統計，結果表明海壇海峽的常浪向為NNE向，年出現率為34.09%；強浪向為NE和NNE，H1/10>1.5 m的年出現率分別為0.25%和0.09%。歷史研究資料顯示海壇海峽大部分海底表層沉積物較粗，主要為砂和細砂，在海峽兩側的海灣沉積物較細，主要為砂-粉砂-粘土、粘土質砂和粘土質粉砂[8]。

2 資料來源和研究方法

本文搜集了1999年至2015年的海圖及實測地形數據(表1)，利用ArcGIS對其進行數字化處理，并應用Bursa-Wolf模型和各基準面轉換關系，將水深數據的平面坐標統一為WGS 84坐標系統下Gauss-Kruger投影(中央經線為120°)，水深數值統一以當地理論最低潮面為基準。然后，將上述水深數據建立各年份的數字高程模型，開展沖淤計算。同時，在海壇海峽北部和南部分別取4個與主槽垂直的剖面，并對8個特征剖面的不同年份的斷面形態進行了統計，剖面位置如圖1所示。

3 海壇海峽海床沖淤變化

3.1 2007—2015年福建海壇海峽北部近期沖淤變化

圖2為2007年至2015年福建海壇海峽北部西側水道及附近海床沖淤變化，從圖中可以看出，西側水道整體沖淤變化幅度相對較小，沖淤變化幅度均在2 m以下，以輕微淤積為主；淤積區域主要集中在北側老牛礁與赤礁嶼附近的分流淺灘以及籮嶼附近水域，淤積強度在2～5 m之間，局部點淤積強度達到5 m以上；而沖刷區域主要分布在西側水道靠近幸福洋一側、籮水道與四嶼水道間的淺灘以及西側水道進入福清灣的轉角處，沖刷強度在2.0～13.5 m之間。整體上，該區域沖刷面積與淤積面積大體相當(表2)，但是淤積區域以0～2 m的輕微淤積為主，而強度在5 m以上的沖刷區域面積明顯大于淤積區域，淤積區平均淤積厚度為0.82 m，沖刷區平均厚度為1.79 m。經計算，計算范圍內表現為凈沖刷2 614.48×104m3，平均凈沖刷厚度為0.48 m。

表2 1999—2015年海壇海峽水下海床沖淤變化特征值

續表2

3.2 2010—2015年福建海壇海峽南部近期沖淤變化

2010年至2015年，福建海壇海峽南側海床沖淤變化圖(圖3)顯示研究區域內以0.5～2.0 m的淤積為主，局部大幅度的沖刷或淤積主要分布在近岸工程較為集中的金井灣和金井作業區附近，沖刷強度可達到15.0～23.6 m，淤積的強度則在10 m以上，局部可達20 m以上。從表2也能看出，研究區域內淤積面積是沖刷面積的2倍多，達到36.07 km2，表現為凈淤積4 298.90×104m3，平均凈淤積厚度為0.82 m，年淤積速率為0.10 m/a。

3.3 1999—2015年福建海壇海峽整體沖淤變化

1999年至2015年，福建海壇海峽大籮嶼以北、明江嶼至石牌草嶼一線以南區域存在大范圍的集中沖刷區，沖刷強度在5.0～15.0 m，局部可達到15.0 m以上；而大籮嶼以南至草嶼以及明江嶼至石牌草嶼一線以北的區域則以0.5～2.0 m的輕微淤積為主，局部存在有強度較大的強沖刷或強淤積區(圖4)。整體上，海壇海峽沖刷區面積為148.68 km2，大于淤積區面積，凈沖刷量為7 843.83×104m3，年凈沖刷率為0.04 m/a(表2)。經計算統計，幸福洋西側的集中沖刷區(圖4中黑框范圍)沖刷面積達到了39.32 km2，凈沖刷量達到了8 413.68×104m3，平均沖刷厚度為1.77 m，年沖刷速率則為0.11 m/a(表2)。幸福洋沖刷區的凈沖刷量(8 413.68×104m3)大于整個海壇海峽的凈沖刷量(7 843.83×104m3)，表明近期海壇海峽整體處于輕微淤積狀態，而幸福洋巨大的沖刷量使得海壇海峽整體表現為沖刷。

4 特征剖面形態變化

本次研究在海峽內共設置了8條剖面，其中P1剖面位于老牛礁、青礁嶼南側，赤礁嶼北側，起于海壇海峽北部西側水道中線，橫過中部赤礁嶼和青礁嶼淺灘，止于北香爐嶼西北側(圖1A)。從圖5A可以看出西水道在1999年至2013年表現為持續沖刷狀態，年平均沖刷速率為0.42 m/a；中央水道和東水道在1999年至2007年表現為輕微淤積，淤積厚度為2 m左右，至2013年又表現為沖刷狀態；2013年至2015年，P1剖面的三個水道均表現為不同程度的淤積。

P2剖面位于石牌草嶼北側，起于海壇海峽北部西水道中線，止于和平村西側近岸水域(圖1A)。從圖5B中可以看出1999年至2007年，P2剖面整體變化較小。2013年后中部淺灘表現為輕微淤積，淺灘兩側坡面明顯變陡，而灘頂高程基本保持不變；2013年后，東水道東側斜坡發生侵蝕，坡面逐漸變緩，5 m以上區域則存在年際間的不均衡沖刷和侵蝕，2013年曾出現一個側水道，水深達到10 m，至2015年次水道水深又恢復至1999年的7 m。

P3剖面位于石牌草嶼南側，起于海壇海峽北部西水道中線，終于玉嶼仔西南偏西測680 m處(圖1A)。1999年至2007年，P3剖面處于相對穩定的狀態，整體沖淤變化幅度均在0.5 m以下，沖淤變化較小(圖5C)。而到了2013年，中部淺灘一分為二，形成一個次級水道，水深達到12.58 m。東水道底部發生沖刷，水深最大處達到了13.68 m。至2015年，經過進一步的動態平衡調整，兩個淺灘的頂高程降低了0.66 m，新形成的次級水道水深穩定在了10 m；東水道與2013年相比，發生沖刷，東側坡度變陡。

P4剖面位于幸福洋西側(圖1A)。1999年至2007年，P4斷面淺灘高程變化較小，而東水道則存在一個顯著的淤積過程，最大淤積厚度達到了4.97 m(圖5D)。2007年至2015年，P4斷面整體進入了劇烈沖刷狀態，沖刷深度在0.85～5.00 m之間。

P5剖面位于南青嶼南部、大嶼島北部，起于福清縣東翰鎮大壤村東南側，橫過西側水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于平潭娘宮(圖1B)。1999年至2013年P5剖面西側水道、中部淺灘以及中央海壇海峽中央水道均呈現沖刷狀態(圖5E)，與1999年相比，沖刷幅度在0.5～2.2 m不等，而至2015年，中部淺灘整體向西移動了約130 m，導致西側水道和中央水道的西側斜坡發生淤積，而東側斜坡則表現為侵蝕。

P6剖面位于大嶼島南部，起于福清縣東翰鎮后營村東側，橫過西側水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于吉釣島(圖1B)。如圖5F所示，P6在1999年、2010年和2013年地形總體變化不大，西側水道的西側斜坡略有侵蝕，東側斜坡和中部淺灘與2010年相比略有淤積，淤積厚度1～4 m；海壇海峽中央水道西側斜坡下部與2010年相比略有淤積，東側斜坡上部呈沖刷狀態，與2010年相比，刷深強度較大，達2～3 m/a。2015年P6剖面整體發生淤積，較2013年，淤積厚度1 m左右。

P7剖面位于可門島東部、東進島南部，起于可門島，橫過西側次水道、中部淺灘、海壇海峽中央水道，止于珩尾灘(圖1B)。從圖5G可以看出，P7剖面西側次水道略有淤積；于1999年至2013年，中部淺灘變化較小；至2015年淺灘東側發生沖刷。海壇海峽中央水道從1999年至2010年均呈沖刷狀態，沖刷深度達4 m；而從2010年至2013年轉為淤積狀態，與2010年相比，淤積厚度達5.4 m，淤積強度達2 m/a；至2015年中央水道最大水深基本恢復到1999年的29.3 m。

P8剖面位于南海鄉西北部，起于南海鄉與平潭島之間的水道，止于平潭島西南側近岸淺灘(圖1B)。如圖5H所示，P8剖面在2002年、2010年和2013年地形總體變化不大，南海鄉與平潭島之間的水道南側斜坡與2010年比略有侵蝕，北側斜坡與2010比略有淤積，平潭島西南側近岸淺灘與2010年比呈沖刷狀態，刷深幅度較大，達2～12 m，該處地形變化應與海沙盜采有關。較2013年，至2015年南海鄉與海壇島之間的水道呈淤積狀態。

5 近期福建海壇海峽海床沖淤變化因素分析

從上面的分析可以看出，近期海壇海峽整體上處于輕微淤積狀態，局部區域存在不平衡沖淤，盧惠泉等的研究結果也印證了這一點[1]，而竹嶼口至幸福洋是一個集中的強沖刷區域。海壇海峽兩側陸域廣泛分布有火山巖、花崗巖丘陵、臺地、砂質海積平原和風積平原，新構造運動的間歇性上升，導致地表侵蝕、水土流失，從而為海峽兩岸邊灘提供了豐富的泥沙；隨沿岸流南下的閩江下泄泥沙也成為海壇海峽的另一個重要泥沙來源[1，3]。這都為近期海壇海峽的整體淤積狀態提供了豐富的物質基礎，然而圍填海工程、航道疏浚以及海砂開采等用海行為對海壇海峽局部海床沖淤變化起著重要的影響作用。

5.1 海砂開采對海床沖淤變化的影響

海峽兩岸的風化以及閩江南下挾沙沿岸流為海壇海峽帶來了大量的懸浮泥沙，同時由于海壇海峽特殊的地質地貌形態，在水動力對沉積物的分選作用下，海峽深槽兩側斜坡以及水深較淺的淺灘形成了良好的沉積環境，有利于細顆粒泥沙的沉積[1-2，8]，使得海壇海峽蘊藏著豐富優質的海砂資源。海壇海峽竹嶼至長江濱分布有大型鑄型用砂礦，而海壇島沿岸則分布有探明儲量為1.0億t的水泥標準砂，海壇蘆洋浦是全國唯一的標準砂礦生產供應基地[9]。另一方面，近年來隨著平潭綜合實驗區的開發建設，在海壇島西岸進行了大量圍填海工程，據統計僅幸福洋和金井灣、金井作業區圍填海工程，填海面積就分別達到了約14.61 km2和10.29 km2(圖6和圖7)。大面積的圍填海工程，對海砂也有著巨量的需求，而竹嶼口至和平村西側海域斷面水深較淺，淺灘發育(圖5C、D)，存有大量海砂資源。P4剖面的整體大幅度沖刷侵蝕形態也與海砂開采后的特征相符，因此，大量的海砂開采是導致該區域發生沖刷的主要原因。

5.2 圍填海工程及航道疏浚對海床沖淤變化的影響

近年來，海壇島大量填海造地工程的建設以及航道疏浚對海壇海峽局部的地形演變有重要影響。以娘宮碼頭至金井作業區段岸線為例，金井作業區2#～5#泊位的填海施工導致2013年后P6剖面東部地形發生突變(圖5F)。金井進港航道及金井作業區港池疏浚則導致大嶼島至金井作業區碼頭前沿的水域發生明顯沖刷，局部沖刷強度達到15～22 m(圖8)。而娘宮支航道的疏浚，則使得大嶼島至殼嶼間的水道深槽水深增大，而深槽兩邊的淺灘發生淤積(圖8)，深槽形態由寬淺向窄深演變，有利于船只的航行以及航道維護。另一方面，金井灣和金井作業區填海工程進一步束窄了海壇海峽南部的水道，使得該區域的水動力作用有所增強，也是導致該區域深槽發生沖刷的原因之一。根據填海工程完成后的2014年實測大潮水文數據顯示，5#泊位前沿水域的水流呈現往復流形態，大潮落潮垂線平均流速為0.68 m /s，而漲潮垂線平均流速則達到了1.10 m/s，表現為凈的漲潮輸沙，單寬輸沙量為20.10 t/m·d。

6 結論與討論

6.1 近期福建海壇海峽海床沖淤變化

1999—2015年，在閩江隨沿岸流南下的懸浮泥沙補給下，除竹嶼口至和平村海域外，海壇海峽整體處于輕微淤積的狀態，但由于幸福洋西側沖刷區巨大的沖刷量，使得海壇海峽在研究區域內整體表現為凈沖刷狀態，年平均沖刷速率為0.04 m/a。鑄造用砂、標準水泥砂礦開采以及海壇海峽內填海造地用砂，使得幸福洋西側海域的海砂被大量開采，導致該區域發生劇烈沖刷，平均沖刷厚度為1.77 m，年平均凈沖刷速率達到0.11 m/a。海壇海峽東岸圍填海工程以及海峽內航道疏浚等用海行為則對其局部海床沖淤變化產生重大影響。

由此可見，海壇海峽內存在大量海砂開采活動，而海砂開采，尤其是無序的非法開采活動，將引發一系列突出的環境和工程問題，例如海岸侵蝕、海水入侵以及底床破壞，這可能給工程環境、航運、管道纜線和水產養殖帶來消極影響[10]。

6.2 海砂開采管理與監管建議

首先應對海壇海峽及其周邊的海砂資源和開采區域的海砂儲量及開采情況進行摸底，委托有資質的相關單位對海砂資源儲量、范圍、性質等進行充分而詳細地調查。同時開展區域性海砂開采規劃的編制，對區域內海砂的開采范圍、限采范圍、每年海砂開采的總量、海砂開采船只數量等指標進行合理規劃。以福州市政府和平潭綜合實驗區管委會牽頭，委托有資質的單位開展海砂開采海洋環境影響評價和海域使用論證，對適宜海砂開采的區域，采取招、拍、掛的形式出讓海砂開采權，并引導海砂開采形成規?；髽I，大力發展12 海里以外及臺灣淺灘海砂開采[11]。

另一方面，在涉及圍填海的項目審批上，應嚴格把關，能采用其他回填材料的，一律使用可替代材料回填，減少海砂的使用，杜絕填海項目隨意性使用海砂的現象。相關海洋主管部門應加強對新建采砂船的審批監管，并引導相關造船企業轉產轉業，從源頭上遏制采砂船的過快增長。同時，組織發改委、邊防、海警、海事、海洋、公安、國土資源等單位聯合執法，對海上非法采砂活動進行嚴厲打擊，并加大對非法采砂活動的處罰力度。

6.3 海岸防護建議

對已造成侵害的海岸岸線，可采取海堤、丁壩以及離岸堤等工程手段對岸灘堤岸進行防護；對侵蝕嚴重或具有旅游開發利用價值的岸灘可采用海灘補沙的方式進行防護，并可與生物護岸措施相結合，以達到較好的海岸防護效果。