魚山大橋工程海洋環境影響分析

姚震，謝挺，倪云林*，沈良朵

（1.浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022；2.國家海洋局東海分局舟山海洋工作站，浙江 舟山 316022）

0 引言

舟山國際綠色石化基地是以大宗石化產品儲運中轉加工交易中心為基礎建設的現代大型一體化綠色石化產業基地，是舟山江海聯運服務中心的重要組成部分。基地建設在舟山大、小魚山島圍墾工程區內，面積約40 km2。岱山縣魚山大橋工程連接魚山島和岱山島，是舟山國際綠色石化基地對外連接的唯一陸上交通干道。大橋的建設一方面可以為舟山國際綠色石化基地提供生活通道，便于人員的日常生活交通，另一方面也會對附近的海域環境造成一定影響。關于跨海大橋建設對海域環境的影響研究，主要圍繞水動力環境展開。例如，龐啟秀等[1]、張莞君等[2]、李孟國等[3]通過建立二維潮流數學模型，分別研究了溫州大門大橋、青島膠州灣大橋、港珠澳大橋對周圍海區潮位、水流、潮通量等水動力環境的影響。本文探討魚山大橋工程對海域水動力、水質、沉積物、生態環境和漁業資源的影響，以期更加綜合、科學地認識工程中的環境問題。

1 工程概況

岱山縣魚山大橋始于岱山縣雙合村后沙洋山嘴，沿西北方向往海里延伸，在花鼓山南側轉向西南，跨越2 000噸級航道后轉向西北，在大魚山東面約2 km處，跨過規劃的圍墾區海堤，終點與舟山國際綠色石化基地內規劃道路相接，全長8.815 km（見圖 1）。

大橋工程共有橋墩107根，其中，1—3號橋墩位于岱山側潮間帶，100—107號橋墩位于大魚山東側圍墾區（不占用海域面積），其余均位于潮下帶海域。1—25號、61—99號每個承臺面積約70 m2，26—40號、45—60號每個承臺面積約112 m2，41號和44號邊墩面積各約209 m2，42號和43號主墩承臺面積各約508 m2。

大橋主墩承臺下部共布設28根直徑3.0 m的灌注樁；邊墩承臺下部共布設16根直徑2.5 m的灌注樁；引橋共有623根直徑2.0 m的灌注樁，其中有15根位于潮間帶，有40根位于大魚山東側圍墾區，其余568根位于潮下帶。

大橋工程所在海域最高潮位2.43 m（1985國家高程基準，下同），最低潮位-1.74 m，平均潮差2.79 m，平均落潮歷時略大于平均漲潮歷時。實測最大漲潮流速199 cm/s，最大落潮流速169 cm/s；大潮期垂向平均流速74 cm/s，小潮期垂向平均流速55 cm/s。懸沙以粉砂為主，平均含沙量0.648 kg/m3[4]。

寧波海洋環境監測中心于2015年春、夏、秋、冬四季在工程區附近進行了海洋環境質量現狀調查，調查站位布置如圖2所示，調查內容包括水質、沉積物、生態和漁業資源。

圖2 海洋環境質量現狀調查站位Fig.2 The survey stations of present marine environment quantity condition

調查結果顯示，工程周邊海域的水質、沉積物各評價因子基本能滿足GB 3097—1997《海水水質標準》[5]和GB 18668—2002《海洋沉積物質量》[6]中第一類標準限值的要求；浮游植物平均細胞豐度為12.2×102cells/dm3，浮游動物平均生物量84.64 mg/m3、平均密度為51.39 ind/m3，大型底棲生物平均生物量為1.71 g/m2、平均棲息密度為15.4 ind/m2，潮間帶生物平均生物量為63.01 g/m2，平均生物密度為157 ind/m2；四季平均魚卵密度為0.041 ind/m3、仔稚魚密度為0.23 ind/m3。

2 大橋建設對海洋環境影響分析

2.1 水動力和泥沙沖淤環境影響分析

跨海橋梁的建設必然會改變工程附近海域的潮流場和泥沙場，進而影響海床泥沙的沖淤變化。利用MIKE21FM建立平面二維數值模型，通過改變底摩擦系數來實現對大橋樁基的模擬，進而定量計算大橋工程前后附近海域的流速變化及沖淤變化。

2.1.1 數學模型建立與驗證

1）計算區域和網格

計算區域包括整個大小魚山、岱山島、衢山島、大小長途山、大小洋山。模型網格采用非均勻三角形網格，在大魚山和岱山島之間的工程區域進行網格加密，整個區域節點數109 310個，單元數211 143個；最大網格邊長1 200 m，最小網格邊長20 m。

2）邊界條件

模型的固邊界取法向流速為0；在潮灘區采用動邊界處理，對網格節點進行“干出”或“淹沒”判斷；對外海水邊界采用11個分潮進行逐時潮位預報，分潮調和常數通過附近潮位站和同潮時圖確定。

3）模型驗證

利用國家海洋局第二海洋研究所的水文測驗數據作為驗證資料（站位分布見圖1），結果顯示，計算潮位與實測潮位較吻合，高低潮位誤差一般在±15 cm以內，相對誤差在5%以內（圖3）；計算流速與實測資料相位一致，漲落急流速和流速變化過程較為一致，相對誤差在10%以內，流向的擬合亦較好，無論漲潮還是落潮與實測值相比，差值一般在15°以內（圖4）。

總體而言，潮位與潮流的計算結果較為滿意，說明模型計算參數設置是準確、合理的，所構建的潮流模型是準確可靠的，可以用于工程后潮位、潮流的影響預測。

圖3 雙合站潮位驗證Fig.3 Tidal level verification at Shuanghe station

圖4 2號站大潮期流速流向驗證Fig.4 Current velocity and direction verification at No.2 station during spring tide

2.1.2 水動力條件影響分析

從工程前后漲、落潮平均流速變化來看，受橋墩阻流作用的影響，漲、落潮流速分別在漲潮背流面（大橋的北側）和落潮背流面（大橋的南側）有所減小，但減小幅度有限，約為1～3 cm/s；但在主通航孔水域，由于橋墩的建設在一定程度上減小了海域的過水斷面，漲、落潮流速增大了約0.5～1.5 cm/s。

因此，工程前后全潮平均流速在大橋軸線南北兩側均出現減小，減小幅度約為1～2.5 cm/s不等，在主通航孔水域出現增加，增加幅度約為0.5～1.5 cm/s（圖 5）。

圖5 工程前后全潮平均流速變化Fig.5 Velocity change of whole tide current before and after the project

2.1.3 海床沖淤變化

工程前后水動力條件的變化會引起海床的沖淤變化。根據竇國仁的潮汐水流懸沙運動微分方程，結合挾沙力公式如下：

式中：S為含沙量；q為單寬流量；H為水深；ω為懸沙沉速，取0.000 4 m/s；S*為水流挾沙能力；α為泥沙沉降機率，取0.45。

對式（2）在一個潮周期T進行積分和差分變換，可得到一個潮周期T時段內的海床沖淤強度：

可以得到工程后的沖淤公式[7]：

假設工程前后上下游來沙量不發生變化，即S1=S2，有：

則1 a的沖淤強度為：

第1年工程海域的沖淤變化整體表現與流速變化較為一致，魚山大橋軸線南北兩側水域整體表現為淤積，淤積范圍在2 000 m以內，淤積厚度基本小于0.2 m；最大淤積厚度可達0.5 m左右，發生在主通航孔兩側主橋墩周圍的小范圍內；主通航孔處則表現為沖刷，沖刷厚度在0.4～0.5 m之間。工程后海床最終沖淤量采用劉家駒公式來估算[8]：

式中：PK為工程后經過時間t的沖淤量；K2=0.13；SK為工程前的年平均含沙量；V1、V2分別為工程前、后的流速；d1、d2分別為工程前、后水深。當沖淤平衡時，PK=0，故有：

式中：q1、q2分別為工程前、后的單寬流量。

從工程后最終沖淤結果（圖6）可以看到，魚山大橋軸線南北兩側整體表現出淤積，最終淤積厚度在0.3～1 m之間；主通航孔水域表現為沖刷，最終沖刷厚度可達1.5 m左右。

圖6 工程后沖淤平衡分布Fig.6 Balanced distribution of erosion-deposit after the project

2.2 生態環境影響分析

2.2.1 對浮游植物和浮游動物影響分析

浮游植物和浮游動物都是海洋物質轉換過程中的重要環節，為海洋動物提供了數量龐大、營養豐富的餌料。大橋樁基施工引起的懸浮泥沙一方面會造成水質渾濁，水體透明度下降，直接影響浮游植物光合作用的效率，導致局部海域浮游植物生物量減少；另一方面會影響浮游動物的生長率、攝食率。研究表明，當懸浮物濃度增量為50 mg/L時，浮游動物枝角類的攝食率下降13%～83%[9-10]。因此，在大橋施工期間，浮游植物和浮游動物的生長和繁殖會受到不同程度的影響，但這種影響在施工結束后就會消除。

2.2.2 對底棲生物和潮間帶生物影響分析

魚山大橋工程樁基的施工會直接造成樁基處底棲生物和潮間帶生物的永久性損失，同時也會對樁基周邊的底棲生物和潮間帶生物造成一次性損失。本文將樁基直接占用的面積作為計算永久性損失的面積，將樁基承臺垂直投影區外擴10 m的面積作為計算一次性損失的面積。根據魚山大橋的結構設計，底棲生物永久性損失的面積約為2 059.84 m2，一次性損失的面積約為62 875.16 m2；潮間帶生物永久性損失的面積約為47.1 m2，一次性損失的面積約為2 382.9 m2。由此，根據寧波海洋環境監測的調查數據，可以計算底棲生物和潮間帶生物的損失量：

W底棲永久=1.71 g/m2×2 059.84 m2=3.52 kg

W底棲一次性=1.71 g/m2×62 875.16 m2=107.52 kg

W潮間帶永久=63.01 g/m2×47.1m2=2.97 kg

W潮間帶一次性=63.01 g/m2×2 382.9 m2=150.15 kg

大橋工程樁基施工所引起的懸泥沙濃度的增高可能影響魚卵、仔魚和幼體的正常發育，懸浮泥沙堵塞生物的腮部造成窒息死亡，損失數量取決于懸泥沙污染物的濃度和擴散范圍。參照海洋生物資源損害估算公式[11]，可得到本工程造成的生態損失面積及死亡率（見表1）與漁業資源損失量（見表 2）。

表1 大橋工程懸浮物影響程度統計Table 1 The SS influence degree of Yushan Bridge

表2 漁業資源損失量統計Table 2 Loss of fish resources

可以看出，魚山大橋工程對底棲生物和潮間帶生物的影響可接受。

3 結語

1）在大橋橋墩的阻流作用下，魚山大橋軸線兩側潮流流速出現減小，減小幅度約1～2.5 cm/s不等，而在主通航孔水域出現增加，幅度約0.5～1.5 cm/s。受此影響，在大橋軸線兩側2 000 m范圍內，第1年淤積厚度在0.2～0.5 m之間，最終淤積厚度約0.3～1 m；在主通航孔水域則表現為沖刷，第1年沖刷厚度在0.4～0.5 m之間，最終沖刷厚度可達1.5 m左右。

2）樁基施工會造成底棲生物和潮間帶生物的永久性損失和一次性損失。其中，底棲生物永久性損失量為3.52 kg，一次性損失量為107.52 kg；潮間帶生物永久性損失量為2.97 kg，一次性損失量為150.15 kg。生態環境影響可接受。

3）樁基施工引起的懸浮泥沙濃度增高既會使浮游植物和浮游動物的生長和繁殖受到不同程度的影響，也會造成漁業資源的損失，其損失量分別為魚卵1.1×105個、仔稚魚 6.0×105個、成魚19.92 kg，但這種影響在施工結束后就會消除。