江苏南通沿岸围填海强度与潜力定量评价研究

2015-03-22陈玮彤张东韩飞刘鑫

海洋通报 2015年4期

陈玮彤，张东，2，韩飞，刘鑫

（1.南京师范大学地理科学学院，江苏南京 210023；2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏南京 210023）

近年来，随着海洋开发力度的增大，沿海地区海洋经济在全国经济中所占比重越来越大，地位也越来越重要。江苏海洋经济发展迅速，但是由于人口不断聚集，土地空间不断紧缩，土地的资源性短缺和结构性短缺已然成为制约江苏沿海地区经济发展的重要瓶颈。江苏沿海滩涂总面积约750 万亩，占全国滩涂总面积的1/4 左右，拥有丰富的淤泥质海岸潮滩资源，也是江苏重要的潜在土地资源（陆晓燕等，2012）。为缓解工、农业用地需求，江苏积极开展围海和填海造地，围填海用海呈现逐年上升的趋势（王芳等，2009）。但随着围填海强度逐渐增大，海岸滩涂湿地资源保护和滩涂围垦之间的矛盾也日渐突出（刘晴等，2013）。如何定量计算当前的围填海开发强度，预测滩涂开发潜力，实现海岸带资源承载力的科学评估，对资源环境保护前提下的滩涂合理开发利用非常重要。

围填海潜力从概念上讲属于海岸带承载力范畴（付元宾等，2010）。国内学者对围填海潜力的研究多集中于海岸带资源开发和湿地生态系统健康状况评估领域，就研究方法而言，主要采用3 种方式（韩立民等，2008；熊永柱等，2008）：1）基于PSR（Pressure-State-Response）模型的综合评价方法（于定勇，2011）；2）细分为渔业承载力、水环境承载力等专项内容进行评价的专项评价方法（于永海等，2011；王静等，2010）；3）定量评价方法（付元宾等，2010）。3 种方法中，前两种方法存在指标体系宽泛、难以定量描述和实施成本代价高等缺点，实际应用难度较大，结果的经验性较强；第三种方法曾在基岩海岸开展了适用性研究，但未能考虑淤泥质海岸的滩涂冲淤变化特征、不同岸段冲淤速率差异以及岸外滩涂资源存量差异等因素，因此不能满足淤泥质海岸的围填海强度定量评价及围填海潜力评估需求。

据此，本文针对淤泥质海岸的冲淤变化特性，选择江苏省南通市岸外滩涂及围填海工程为研究对象，深入研究岸线、岸滩形态动态变化条件下的围填海强度定量计算方法，提出适合淤泥质海岸围填海强度判定的定量分级方案，通过分析围填海强度变化趋势，实现围填海开发潜力的预测，为我国围填海开发活动的计划管理和科学评估提供技术支撑。

1 研究区概况

研究区选择在江苏省南通市，北起海安县老坝港，南至启东市连兴港，该段海岸线总长209.49 km（图1）。南通岸段位于南黄海辐射沙脊群南部，总体潮流动力强，海域含沙量高，属于典型的粉砂淤泥质海岸。根据岸段的侵蚀和淤积状况调查，老坝港-东灶港岸段为淤积岸段，东灶港-蒿枝港岸段为侵蚀岸段，蒿枝港-连兴港岸段为稳定岸段。研究区目前自北向南分布有8 个建设用海、2 个滩涂养殖用海共计10 个重点围填海工程，约占江苏省重点工程用海数的一半。从岸线类型来看，主要有渔业岸线、港口岸线和工业岸线3 种。

图1 研究区示意图

2 数据与处理

2.1 岸线岸滩数据

岸线岸滩数据包括岸线长度、岸段类型以及岸滩淤长率。以江苏“908”专项调查获取的实测岸线为基准岸线，以实测岸线的测量年份——2006年为基准年，收集到近年来南通岸段的岸线岸滩基本数据如表1 所示（王建等，2012；王艳红等，2006）。

表1 南通岸段基本情况

2.2 围填海面积数据

围填海面积数据根据Landsat ETM+遥感影像提取获得，影像数据来自于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）。围填海工程通常具有明显的形状、纹理与光谱特征，一种是大片形状规则的围海养殖区，区域内的养殖水体光谱易于区分；另外一种是由线状人工堤坝围成的围填区域，内部为海水或者滩涂，因此两者在遥感影像上清晰可辨。

围填海面积信息提取时，首先在Envi 软件中运用监督分类方法对基准岸线外具有明显人工干预痕迹的斑块进行自动提取，获得围填海区域初步解译结果；然后以海域管理部门的围填海宗海shp 图为背景，对自动提取的围填海区域进行目视解译修正，提高围填海工程解译的准确率和完整性，生成2007-2013年的围填海矢量图，结果如图2 所示；最后利用ArcGIS 软件的面积解算功能，自动计算获得各年份的围填海面积（表2）。

2.3 围填控制线数据

围填控制线数据包括最大围填规模控制线和适宜围填规模控制线数据（图3）。其中，最大围填规模控制线的确定要求在该控制线范围内围填海工程不会明显改变海岸整体形态，对海洋动力格局及维持周边水道稳定性的控制性动力不产生明显影响，通过建立大尺度东中国海潮波数学模型、南黄海海域中尺度潮流数学模型和小尺度辐射沙洲中南部海域的潮流数学模型，采用多尺度嵌套数值模拟手段，确定围填海工程外包络线，作为最大围填规模控制线；适宜围填规模控制线的确定要求在该控制线范围内开展围填用海项目建设时海洋环境可承载、资源利用可持续并与社会经济条件相适应，通过多目标决策理论与方法，针对辐射沙洲中南部海域的海洋资源环境特点，构建多目标决策模型计算获得（徐敏等，2012）。这两条控制线分别对应区域内围填海开发压力很强和压力状况中等两种压力状态。

图2 南通市2007-2013 围填海用地分布示意图

表2 南通各岸段2007-2013年份围填海面积

图3 适宜围填规模、最大围填规模示意图

由适宜围填规模控制线和最大围填规模控制线分别与基准岸线形成闭合的包络面，可统计出不同岸段类型的适宜围填海面积和最大围填海面积。当实际围填海面积大于适宜围填海面积时，表明进一步围填海开发会对研究区的海洋环境开始产生影响；当实际围填海面积大于最大围填海面积时，表明研究区不再适宜新增围填海项目和扩大围填海规模。

运用ArcGIS 计算，研究区内不同岸段的适宜围填海和最大围填海面积规模如表3 所示。可以看出，老坝港—东灶港由于滩涂资源丰富，适宜围填海面积和最大围填海面积较大；东灶港—蒿枝港由于岸线较短，且属于侵蚀岸段，总体岸外滩涂资源存量较少；蒿枝港—连兴港为稳定岸段，其岸线长度虽然大于东灶港—蒿枝港，但是由于滩涂资源存量少于东灶港—蒿枝港，因此适宜围填海面积和最大围填海面积较小。

表3 最大围填海与适宜围填海面积

3 围填海开发定量评价方法

3.1 淤泥质海岸围填海开发强度定量计算模型

基岩海岸的围填海强度R 定义为某一岸段范围内围填海用海面积S 与岸线长度L 之比，即R=S/L（付元宾等，2010）。考虑到淤泥质海岸不同于基岩海岸，存在淤积岸段、侵蚀岸段和稳定岸段类型，不同岸段类型具有不同的淤积速率以及岸外滩涂资源存量，不同类型岸段在围填海强度计算时不能一概而论。同时，由于每种类型岸段的所有分岸段未必连续且淤长率可能各不相同，因此定义淤泥质海岸某一类型岸段的围填海强度定量计算公式为：

式中：Ri为某一类型岸段的围填海强度（hm2/km），i 分别代表淤积、侵蚀和稳定岸线类型之一；Si，j为i 类型岸段的j 分段岸线拥有的围填海用海总面积（hm2）；n 为i 类型岸段的j 分岸段数；Li，j为i 类型岸段分段岸线在基准年的海岸线长度（km）；fi为i 类型岸段的资源调节系数。当对i 类型岸段进行强度计算时，由于各个岸段的资源存量不同，可通过fi来进行平衡，计算方法如下：

式中：Smax 表示整个研究区所能承受的最大围填海面积（hm2），即研究区最大围填规模控制线与基准岸线形成闭合的包络面的面积；L 表示基准年内研究区的海岸线总长度（km）；Smaxi，j表示i 类型岸段j 分段岸线所能承受的最大围填海面积（hm2），即该岸段所对应的最大围填规模控制线与该段岸线形成闭合的包络面的面积。

当对整个研究区进行评价时，fi为1，此时淤泥质海岸围填海开发强度计算公式退化为：

可以看出，与基岩海岸围填海强度的定义公式一致。

3.2 淤泥质海岸围填海开发强度等级划分方案

围填海强度的等级划分标准直接关系到围填海潜力的计算，是围填海强度评价方案的关键环节之一。要用统一的围填海强度等级划分标准来评价岸外滩涂资源分布不均的岸段，必须协调岸段的实际利用状况和潜力来进行设定。本研究在参照前人划分标准分为5 个等级的方案基础上（付元宾等，2010；刘洋等，2011），根据淤泥质海岸的冲淤变化特性，利用围填海控制线所确定的适宜围填规模和最大围填规模数据，来对等级划分阈值做出重新定义。其中，利用最大围填海面积与岸线长度的比值，来限定围填海强度最高等级对应的阈值，作为海岸资源可承载的最高级别，计算如下：

其中：Rmax 表示整个研究区最大围填海面积对应的强度值（hm2/km），计算结果为275；同理，以适宜围填海规模对应的面积与岸线长度的比值，来限定中间第3 级对应的阈值，作为海岸资源环境健康的临界级别，即：

其中：Rpro 表示整个研究区适宜围填海面积对应的强度值（hm2/km），Spro 表示整个研究区的适宜围填海面积（hm2），计算结果为223。

根据计算结果并参照南通淤泥质海岸的围填海工程实际情况，最终修正选择250 为4 级强度级别对应的强度上限，200 为3 级强度级别对应的强度上限，并按照一定的梯度，确定出5 个围填海强度等级，制定适合淤泥质海岸的围填海强度等级划分表，如表4 所示。

表4 围填海强度等级划分表

3.3 淤泥质海岸围填海开发潜力计算模型

研究区海岸为淤泥质海岸，伴随着海岸的淤积与侵蚀，滩涂面积始终处于动态的变化中，因此在进行围填海潜力定量计算时，必须充分考虑淤积和侵蚀导致滩涂面积的增减给围填海潜力计算带来的变化。根据围填海强度等级划分方案，当围填海强度级别为1 级、2 级时，以3 级围填海强度对应的最大围填海面积作为围填海供应潜力上限；当围填海强度为3 级、4 级时，以4 级围填海强度能容纳的最大围填海面积作为围填海的供应潜力上限；当围填海强度级别达到5 级时，认为围填海已经超出海岸带承载力，在现有条件下已经不具备围填海开发潜力。据此设计淤泥质海岸的围填海潜力定量计算模型如下：

其中：

式中：Pi表示i 类型岸段的围填海潜力值（hm2）；SⅢ，j、SⅣ，j分别表示等级划分方案中i 类型岸线在3 级和4 级强度级别所能容纳的最大围填海面积（hm2）；Mi表示i 类型岸段由于淤积或侵蚀带来的围填海资源面积改变量（hm2）；Vi，j表示i 类型岸段j 分岸段的平均淤长率（m·a-1）；a 表示年数，K3、K4分别表示等级划分表中3 级强度和4 级强度级别对应的强度上限阈值。

对整个研究区进行潜力计算时，潜力值为各类型岸段的围填海潜力值之和，即：

因此，围填海开发潜力实际上对应于各强度级别下剩余的滩涂面积资源存量。根据该资源存量的大小以及当前的围填海开发速率，可以推算出海岸带能够继续开发的年限，即为海岸带的开发潜力。

4 应用实例

4.1 南通围填海开发强度定量计算

根据表1、表2 的数据，利用公式（1）、（2）计算出2007-2013年南通海岸各岸段的围填海强度R 如图4 所示：

图4 2007-2013年南通围填海强度变化

从图4 可以看出，三段海岸围填海强度不断增大，围填海面积总体随着时间的推移而增长，对海岸带的资源承载压力也逐渐增大。其中东灶港—蒿枝港由于海门市滨海新区的大规模围海开发建设，在2013年已突破4 级下限，接近海域所能承受的最大围填海规模。老坝港—东灶港沿岸，由于其丰富的岸外滩涂资源，围填海强度等级为3 级，目前开发压力相对较小，处于适宜围填的阶段。蒿枝港—连兴港岸段自身岸线长，滩涂资源存量少，因此围填海强度虽然也处于3 级范围，但是开发强度已经大于老坝港—东灶港岸段。

4.2 南通围填海开发潜力定量计算

通过对当前围填海强度的计算，得出当前围填海所处等级，再运用公式（6）-（9）计算，得出各岸段的围填海开发潜力。其中，淤积面积的计算通过累加各分岸段平均淤长率与分岸段长度的乘积获得。考虑到每年淤积面积的变化，围填海潜力值P也处于动态变化中，南通各岸段的围填海潜力计算如表5 所示。

表5 南通岸段围填海潜力计算表

4.3 南通岸段围填海供应时间预测

根据2007-2013年各岸段的围填海强度变化规律，通过线性、对数和多项式模型拟合对比，选择可决系数R2最大的拟合方案为最优方案，最终老坝港—东灶港、蒿枝港—连兴港选择采用线性回归模型，东灶港—蒿枝港选择采用一元二次回归模型，分别对围填海潜力与供应时间进行预测，得到围填海面积S 变化的时间序列方程，结果如图5 所示：

以各岸段的潜力值P 的全部发挥为时间界限上限，得到的预测结果表明：如果按照现有的开发速度持续开发，老坝港—东灶港淤积岸段可供应开发时间为8 a，东灶港—蒿枝港侵蚀岸段可供应开发时间为1 a，蒿枝港—连兴港稳定岸段可供应开发时间为11 a。其中，老坝港—东灶港离辐射沙脊群最近，资源存量较多，每年以较快的速度不断淤长，适宜继续开发，但开发的过程中需要注重围填海域的节约利用。东灶港—蒿枝港岸段为侵蚀海岸，如果继续按照现有的开发速度连续开发，1 a即将围填海的资源消耗殆尽，从而对区域内海岸和近岸的海洋资源造成严重影响，因此该岸段存在较大的围填海压力，建议保持现状，不宜进行进一步开发，这一结论与目前海门市滨海新区建设的现状相吻合。蒿枝港—连兴港为稳定岸线，每年以缓慢的淤长速度增长，由于近年来开发速度慢，因此预测开发年限为11 a。但由于该段岸外滩涂资源存量少，因此蒿枝港—连兴港岸段建议进行小范围的围填海开发，不适宜布局大型围填海工程。

5 结论与讨论

围填海开发强度与潜力的定量评价对海岸带空间资源合理开发利用具有重要意义。本研究针对淤泥质海岸的冲淤变化特征，扩展定义了适用于淤泥质海岸的围填海强度与潜力定量评价模型，并成功运用该模型进行了江苏南通淤泥质岸段的围填海强度计算及围填海潜力预测，强度计算结果与南通当前的海岸带实际开发状况相近，潜力预测结果可为南通岸段的围填海开发提供参考。

从研究方法来看，本研究还存在以下不足：1）围填海强度的计算仅考虑了岸线长度与相应的围填海面积，但是岸线的曲折程度、围填海工程的形状与分布、工程占有岸线长度等信息无法体现在现有的强度计算模型中，会给围填海强度计算带来一定程度的低估；2）所提出的淤泥质海岸围填海开发强度等级划分方案还需要更多的实例来验证，可行的验证方案包括把研究区扩大到整个辐射沙脊群区域，把研究区扩大到整个江苏省等，从而在研究区内同时包含淤泥质海岸和基岩海岸。这些实例还需进一步分析研究，来提高所定义的模型的实用性。

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