淤積型海灣整治修復效果綜合評價
——以廈門灣為例

楊金艷，羅福生，王愛軍，于東生

(自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

近半個世紀以來，海灣的開發利用為沿海地區帶來了巨大的經濟效益，但同時也帶來了一些嚴峻問題。多個海灣由于圍墾、筑堤等工程活動而顯著改變了原有自然屬性，出現了不同程度的淤積現象，沉積速率不斷加快，如膠州灣、泉州灣、三門灣等[1]。同時，高度密集的人類活動加大了海灣的生態環境壓力，伴隨海灣淤積加劇的還有水質惡化、海洋生物減少、生態價值降低、生態系統退化甚至崩潰等問題。隨著海灣整治和生態修復工作的不斷開展，世界各地的學者對不同類型修復工程的效果評價進行了研究。Ludwig等(2006)應用層次分析法(AHP)建立生態系統修復效果預評價體系，將其應用于康涅狄格河至切薩皮克灣的城市河口區生態修復方案對比[2]。對于濱海濕地生態修復工程，馮建祥等(2017)從生物群落結構、非生物環境質量及生態系統功能3個方面構建了濱海濕地生態修復效果定量評價指標體系，并對福建漳江口本土紅樹秋茄(Kandeliaobovata)替代入侵種互花米草(Spartinaalterniflora)生態修復效果進行了定量評價[3]。對于人工潟湖生態系統構建，葉維鈞等(2014)在生態環境調查和分析的基礎上，對上海金山城市沙灘人工潟湖水體修復工程的效果進行了評價[4]。對于人工魚礁的生態修復工程，Marsden等(2016)對雷霆灣的人工珊瑚礁進行了5 a跟蹤監測和采樣，評價了人工珊瑚礁對魚類種群的恢復效果，并以此對珊瑚礁尺度設計進行了反饋[5]。符小明等(2017)為評價海州灣生態修復工程實施的效果，在分析本底調查數據的基礎上，通過效用函數估算海州灣生態修復治理目標的實現程度[6]。對于砂質海岸的整治修復工程，張明慧等(2017)采用高空間分辨率的衛星遙感影像對營口月亮灣海岸空間整治項目實施前后的海岸景觀格局進行了監測，在此基礎上構建了評價指標體系并評價了整治效果[7]。

很多海域空間整治工作以一整個海灣為實施對象，淤積型海灣的整治修復屬于其中較為典型的整治形式，其目標多重、手段多樣、效果多面的綜合性特點突出，實施效果的評價存在一定復雜性。目前有一些學者開展了效果預評價研究，如王勇智等(2013)應用數值模擬方法，對淤積嚴重的丁字灣整治后的水動力環境變化進行了模擬預測，并給出了丁字灣整治修復的建議[8]；孫芹芹等(2015)在對安海灣整治修復設計的5種疏浚方案中，統計對比其資源效益、環境效益、生態效益和經濟效益，為安海灣整治修復中疏浚方案的選擇提供了參考[9]；楊蕙(2017)以安海灣清淤綜合整治為例，綜合考慮水文動力環境等9個方面因素，應用基于灰色關聯度的模糊綜合評價法對安海灣清淤綜合整治進行了預評價[10]。這些預評價研究基本以水動力數學模型為基礎，存在評價指標相對單一、假設條件較多、缺乏實測數據支撐的問題，整治效果的后評價研究還較為欠缺，尚未形成系統完整的效果評價技術方法和評價技術流程，無法滿足我國海域海岸帶空間資源綜合整治工作的需求。本研究針對淤積型海灣整治修復工程進行效果評價，嘗試構建項目效果評價技術指標體系和效果評價模型，并以廈門灣海域清淤整治工程為例進行了應用探索研究，以期為海域海岸帶空間資源綜合整治工作的開展提供參考。

1 淤積型海灣整治效果評價方法

1.1 淤積型海灣的生態環境問題和機理分析

海灣的快速淤積及一系列生態環境問題是對沿海人類活動影響急劇變化的響應。以膠州灣為例，周春艷等(2010)發現2008年膠州灣人工岸線增至158.8 km，自然岸線僅19.3 km，1863—2008年膠州灣面積縮小了38.6%，1935年之后的縮小速率是其之前的13倍，納潮量由1935年的1.36×109m3減少到了2005年的1.11×109m3[11]；戴紀翠等(2006)綜合不同學者的計算結果發現膠州灣在人類活動影響下沉積速率明顯加快[12]；沈志良(2002)發現膠州灣海水中的無機氮含量從20世紀60年代的0.03 mg/dm3升至21世紀初的0.29 mg/dm3[13]；吳玉霖等(2005)發現中肋骨條藻(Skeletonemacostatum)等偏好富營養環境的藻類成為膠州灣最明顯的浮游植物優勢種，浮游植物多樣性指數下降[14]；孫松等(2011)發現膠州灣浮游動物群落結構也發生了重大改變[15]；曾曉起等(2005)發現膠州灣及其鄰近水域游泳生物趨于小型化[16]。膠州灣在高強度的人類活動影響下生態功能明顯退化。

淤積型海灣的問題機理可參考圖1。從圖1可以看出，水動力條件的減弱和泥沙來源的增加是導致海域產生淤積的直接因素。一般來說，大面積的圍填海和海水養殖會導致海灣水域面積縮減，海灣納潮量減少，進而水動力條件明顯減弱；在某些海域，海堤等構筑物的建設會縮減甚至截斷原有的潮流通道，導致水動力條件發生明顯改變。水動力條件的減弱引起水流攜帶泥沙的能力下降，使得泥沙淤積可能性增大。若遇到外部環境變化導致的泥沙輸入的增加，海灣淤積風險將明顯上升。海灣明顯淤積有可能改變原有的沉積環境，同時水動力的減弱不利于污染物的擴散，海灣水質和生態環境將受到影響，進而影響海域的生態和景觀功能。

圖1 海灣淤積問題機理及影響Fig.1 Mechanism and impacts of bay siltation

淤積型海灣的整治修復通常是綜合性的整治工程，涉及通航、環境整治、生態修復、旅游資源提升等多方面的目標，對當地的生態環境和經濟社會發展都有一定影響，為得到科學準確的評價結果，需要全方位把握信息，建立完善合理的評價指標體系和評價方法。淤積型海灣整治修復效果評價的主要流程見圖2。

圖2 淤積型海灣整治修復效果綜合評價流程Fig.2 Flow chart for evaluation of silted bay restoration

1.2 評價要素確定

評價淤積型海灣的整治修復是否達到“治本”的效果，需要判斷其是否解決了導致海灣淤積的根本性問題，整治措施、整治目標與海灣淤積成因存在明顯的指向關系，如海域面積嚴重縮減的海灣主要考慮拓展、恢復水面，海堤阻擋原有潮流通道的海灣主要考慮恢復潮流通道和通航能力，排污累積的底泥和水體污染的海灣主要考慮底泥處理、排污治理、改善水體環境等。在確定評價要素時，海灣問題成因及項目修復目標應作為重要參考。表1給出了不同問題成因的淤積型海灣整治修復應考慮的主要評價要素，當海灣存在多個問題成因并采用多種整治修復措施時，主要的評價要素也相應增加。

表1 淤積型海灣整治修復主要評價要素的確定

1.3 評價方法和指標篩選

淤積型海灣整治修復屬于綜合性整治工程，可采用多因子綜合評價方法。依據已確定的評價要素進行指標細化，建立適合的評價指標體系。除了項目本身對指標篩選有決定作用外，工程前期專家咨詢成果、指標數據的合理性、同指征不同指標數據獲取的經濟性對比、指標獲取手段都會對單個項目效果評價指標體系的確定產生影響。

1.4 指標數據獲取

在獲取指標數據時，需注意指標數據的獲取時間節點和可對比性，這與項目實施情況、歷史數據資料獲得情況有關。對于尚未實施的項目或已開展工程對海灣影響很小的項目，可根據評價指標體系全面開展工程前、后期的數據監測，必要時可在項目實施期間開展跟蹤監測了解指標數據的變化情況，歷史監測數據可作為參考。此種方法評價指標覆蓋全面，數據可對比性強，評價結果較為準確。對于已經處于進行中或已經完工的項目，需著重參考歷史監測數據和資料，必要時進行后續補充監測。由于歷史監測數據和資料有可能并不完整，在此種情況下做效果評價時，評價指標的全面性和評價結果的準確性可能有所欠缺，但仍有一定參考價值。指標數據可由多種手段獲得，除實際調查監測以外，也可以采用數值模擬、物理模型模擬、遙感數據分析等方式獲取。

1.5 模型評價

1.5.1 指標權重確定 本研究中的指標權重采用AHP[17]結合適當的專家咨詢方法來確定。在指標體系的每一層中，將元素進行兩兩比較，構造重要性判斷矩陣。表2中目標層A下要素層B的判斷矩陣如下：

AB1…B8

其中矩陣M有如下的性質：Mij>0，Mij=1/Mji，Mii=1。在對元素之間重要程度的判斷過程中，對于比較復雜的項目，應當由多位專家填寫判斷矩陣，然后根據多個結果，取平均值之后獲得，以避免單人認知的局限性。為保證層次分析法結果的合理性，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。計算公式如下：

(1)

式(1)中：CI為一致性指標，λmax為矩陣最大特征根，n為矩陣階數；CI值越小一致性越好。再計算檢驗值CR=CI/RI，RI為隨機一致性指標，與判斷矩陣的階數有關。CR<0.1時，判斷矩陣具有比較好的一致性，否則需要調整判斷矩陣。要素層判斷矩陣滿足一致性即獲取要素層權重，而后對每一個要素的指標層構造判斷矩陣，獲取指標在單要素內的權重，最后得到每個具體指標相對目標層的總權重，其計算公式如下：

Wi=WBi·WCi

(2)

式(2)中：Wi為第i個評價指標的總權重，WBi為第i個評價指標所屬的要素在要素層中的權重，WCi為第i個評價指標在指標所屬的單個要素中的權重。

1.5.2 指標變化的評價得分 對于項目實施前后兩個時間節點的指標數據，此處采用定性和定量相結合的方式給出評價得分的標準參照，以百分制方法進行評價打分。定量化對比分析可用于如空間規模、水動力環境、泥沙沉積環境和生物生態環境等評價要素層的指標。定性和定量相結合的方法可用于沉積物質量環境、水質環境、景觀環境和社會經濟效益等評價要素層的指標。表3給出了淤積型海灣整治修復效果評價指標參數的得分參考值。

表2 淤積型海灣整治修復效果評價指標體系

表3 淤積型海灣整治修復效果評價指標參數的得分參考

續表3

1.5.3 綜合評價 淤積型海灣整治修復項目效果綜合評價指數采用如下公式進行計算：

(3)

式(3)中：HI為效果綜合評價指數，n為所采用的評價指標數量(個)，Wi為評價指標總權重，Si為指標變化得分。對于效果綜合評價指數，此處認為60分即為初步達到整治的效果，80分則表示整治效果較好，低于60分則整治效果較差，沒有達到預期目標。

2 廈門灣清淤整治效果綜合評價

2.1 研究區概況

廈門灣位于福建省東南部，面積為230.14 km2，屬構造成因港灣，兼有河口灣性質，西側有福建省第二大河流九龍江匯入。灣內大部分海域水深為5～10 m，最大水深在30 m以上。海灣屬正規半日潮海區，平均潮差約為4 m，潮流屬規則半日潮流、往復流。灣內有中華白海豚、文昌魚等海洋珍稀物種，以及以紅樹林為代表的海洋生態濕地分布。

多位學者從不同角度分析了近年來廈門灣的環境變化及其影響。吳丹丹等(2011)通過遙感影像圖對比結合文獻資料統計研究了廈門灣的海岸線變遷，發現1950年以后廈門海域填海總面積達到125.74 km2[18]；楊順良(1996)認為嵩鼓航道1938—1969年間的明顯淤積與高集海堤、集杏海堤、馬鑾海堤的建設用土及西海域納潮量的減少顯著相關[19]；蔡鋒等(1991)發現整個同安灣(本研究以東海域指代)在高集海堤建設之后處于不同程度的淤積狀態，沉積速率增加[20]；蔣榮根等(2014)根據2003—2012年監測數據對廈門海域水體富營養化狀況進行了綜合評價，認為廈門海域水體富營養化壓力等級為中高級， 富營養化狀態等級為中級[21]；陳鵬等(2014)研究發現廈門灣自然濕地的面積從1989年的275.82 km2減少至2010年的238.60 km2，濱海濕地退化程度加劇[22]；吝濤等(2006)認為廈門海岸帶濕地變化對海灣生態環境產生的影響主要為水質惡化，近海底棲生物多樣性降低、局部群落變化顯著，泥沙淤積造成廈門主要航道淤積，水產養殖產量下降，珍稀海洋動物數量減少、分布變化明顯等5個方面[23]。

廈門灣的淤積和環境問題成因主要有：①高集海堤建設導致東、西海域的聯系基本切斷，各自成為半封閉海灣，海灣性質發生改變，水動力環境和沉積環境有利于泥沙的淤積；②多年來大量的圍填海建設導致海灣面積縮減、納潮量顯著減少、水動力環境弱化、淤積加速，不利于水體交換；③人口增長、經濟發展帶來的入海污染物不斷增加，海灣水質惡化；④生物生態環境因水域空間縮減、水質惡化受到影響，中華白海豚數量、文昌魚資源和紅樹林面積均明顯減少。

2.2 廈門灣清淤整治行動概況

2008年廈門海域清淤整治工程正式啟動，主要內容包括：海域清淤工程、海堤開口改造工程和淤泥處置工程。參考圖3，項目規劃：清淤1.51×108m3；對高集海堤、集杏海堤、馬鑾海堤等進行開口改造，高集海堤開口800 m并設橋，集杏海堤和馬鑾海堤開口設閘并提高防洪、防潮等級；設置棄泥區平衡清退用地，規劃納泥1.60×108m3[24]。預期達到的主要目標：①恢復東、西海域的水體交換，改善東、西海域的水動力條件；②改善東、西海域的水質環境和泥沙沖淤環境；③拓展中華白海豚的生存空間；④開辟小型船舶航道；⑤改善海域景觀。

2.3 綜合評價應用結果及討論

2.3.1 指標體系篩選 本研究選取2011年和2016年作為廈門海域清淤整治工程的評價時間節點，收集的資料主要有項目前期設計資料、數值模擬、水文觀測、沉積物特征分析調查數據、歷年廈門海洋環境狀況公報、衛星圖片以及新聞報刊發布的工程進展信息等。根據項目特點，對照廈門海域清淤整治工程的預期目標，在表2要素層目標分類中，空間規模的改善并不屬于項目的主要目標，同時項目實施對空間規模的改善也不明顯，因此剔除此項。泥沙沉積環境要素層中，對于懸浮泥沙指標，考慮到廈門西海域懸浮泥沙主要為海域來沙，受九龍江入海泥沙影響很大，同時海域實測懸沙濃度較低，一般不超過0.05 kg/m3，因此采用全潮輸沙通量作為對比參數。水質環境要素層中，選用化學需氧量和廈門海域的典型超標因子無機氮和活性磷酸鹽作為對比參數，同時參考評價等級的變化。生物生態環境要素層中，漁業資源指標由于數據資料缺乏未做考慮，敏感生物指標選用火燒嶼站的中華白海豚年觀測頭次的變化幅度作為對比參數。景觀環境要素層中，由于廈門海域清淤整治工程內容主要為清淤和海堤開口改造，人造沙灘和紅樹林種植為依托本項目的附屬工程，因此旅游景觀指標在本次評價中未納入。

2.3.2 參數打分及計算 本研究采用AHP進行計算得到要素層B重要性判斷矩陣的權重向量為(0.35，0.20，0.11，0.11，0.11，0.06，0.06)。賦值評分采用表3中階梯賦值結合線性插值的方式進行，對應的指標數據中，納潮量、水體半交換周期、流速大小和泥沙回淤指標數據通過數值模擬計算獲取，灘涂景觀、通航能力和防洪能力指標數據通過相關工程設計資料獲取，其他指標數據由現場監測得到。

參考圖4，數值模擬計算表明，工程實施能夠使得東、西海域的納潮量增加，高集海堤斷面產生5.8×107m3的凈納潮通量，東、西海域的水體半交換周期自256 h縮短至173 h，海域水動力環境得到增強[25]。監測數據顯示，東、西海域的平均懸浮物濃度和活性磷酸鹽平均濃度均有不同程度下降，而無機氮平均濃度有所增高；浮游植物的多樣性指數有所下降，潮下帶底棲生物的多樣性指數有所提高；火燒嶼觀測站的白海豚從2011年的215頭次/a增長至2016年的349頭次/a，觀測頭次明顯增加[26-27]。同時，對比同期九龍江和廈門陸源排污口主要入海污染物排放量，如圖5所示，2016年九龍江入海污染物總量為25.60 t，相比2011年的24.40 t增加了4.9%，其中總氮為7.41 t，增加了49.7%，總磷為33.10 t，增加了91.3%。2016年廈門陸源排污口的主要入海污染物為2.47 t，相比2011年的1.48 t增加了66.9%[26-27]。

根據廈門灣淤積和環境問題成因，選取水動力環境、泥沙沉積環境、沉積物質量環境、水質環境、生物生態環境、景觀環境和社會經濟效益等7個評價要素及對應的14個評價指標，采用AHP計算要素層及每個單要素下指標層的權重分配，根據公式(2)和表3對所有評價指標進行了總權重分配和打分，根據公式(3)計算得到廈門海域清淤整治工程項目的效果綜合評價指數為84.2，具體指標權重及參數得分見表4。

2.3.3 討論 對比項目預期目標，廈門海域清淤整治工程的實施，增加了廈門灣納潮量，改善了水動力條件；水質環境和泥沙沖淤環境得到一定程度的改善；中華白海豚的觀測頭次顯著增加；東、西海域恢復連通，增設小型船舶進出航道；海域景觀得到改善。綜合各方面來看，項目達到了較好的預期整治效果，與效果綜合評價指數結果所屬區間一致。

廈門的大面積圍填海和構筑物建設使得水動力條件減弱，產生明顯淤積并導致了水體和沉積物的環境問題，徑流與陸域的入海污染物加重了海域的生態環境壓力。廈門海域清淤整治工程改善水動力條件的主要目標切合廈門海域環境問題的關鍵因素，因此，廈門海域清淤整治工程效果綜合評價中水動力環境和泥沙沉積環境指標權重相對較高，以體現整治工程主要目標的完成度；工程前后海域沉積物質量總體保持原等級，西海域硫化物等級由部分二類轉為一類，有機碳等級由一類轉為部分二類[26-27]，沉積物質量環境指標得分不高；海水化學和底棲生物指標上的得分較低，可能與施工干擾較大、海域周邊徑流與陸源排污的總量有所增加有關。

圖4 廈門海域清淤整治工程實施前后典型指標的變化Fig.4 Typical evaluation parameters before and after Xiamen Bay restoration project(a、b)的數據引自文獻[25]，(c-h)的數據引自文獻[26-27]。

圖5 2011年和2016年廈門灣入海污染物排放量變化Fig.5 Amount of pollutants discharged into Xiamen Bay in 2011 and 2016數據引自文獻[26-27]。

表4 廈門海域清淤整治工程項目效果綜合評價指數計算表

需要注意的是：①淤積型海灣清淤整治效果綜合評價的關鍵在于對問題成因的透徹分析，項目措施要能夠解決環境問題，項目目標才能指導效果評價指標體系的建立，在實際應用中，主要評價要素與項目目標很可能不完全一致，此時評價指標體系的建立則不應受項目目標的制約；②在指標權重分配上，對于受多重外部因素影響的指標，無法體現項目本身的作用，則不建議賦予過高權重，如本研究廈門海域清淤整治工程中，九龍江及陸源排污口的統計污染物入海總量均有增加趨勢，直接影響水質相關指標，增殖放流活動也會影響底棲生物的相關指標數據，在進行評價時，相應指標的總權重宜作下調；③需要掌握項目的實施進度情況以及項目實施期間海灣的環境情況，了解是否有重大環境風險事件的發生，是否會對海灣環境造成長期影響進而影響項目效果評價數據的可對比性；④本模型內的生物生態環境指標較為簡單，需要進一步完善；⑤對于景觀環境和社會經濟效益的相關要素，公眾滿意度和支付意愿調查亦可成為量化對比指標的考慮選項。

3 結論

本研究在分析海灣淤積環境問題成因機理的基礎上，系統梳理了淤積型海灣整治修復工程效果評價的流程和技術方法，初步形成淤積型海灣整治修復效果綜合評價技術指標體系。建立的評價模型在廈門海域清淤整治工程實踐中的應用結果顯示，項目的效果綜合評價指數為84.2，與項目預期整治效果一致，模型有較好的適用性。

致謝：衷心感謝自然資源部第三海洋研究所黃浩、龍鄒霞和陳文鋒在本研究數據收集過程中給予的支持和幫助。