罗源湾多年围填海工程对水动力环境的累积影响研究*

王勇智，孙惠凤，谷东起，闫文文

（国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

围填海活动曾作为人类改造自然和征服自然的杰出行为而被推崇，开发利用海洋空间资源，以寻求新的发展空间，在世界沿海国家非常普遍，尤以欧洲和亚洲国家的滨海地区最为突出［1－2］。全球围填海最成功的范例当属荷兰，全国1/4的国土是通过围填海实现。日本在过去的100年中填海12万km2，沿海城市约有1/3的土地是通过填海获得的。韩国、新加坡等国通过填海造地扩大耕地面积，提高粮食产量，增加城市建设和工业生产用地。为了解决人口众多、土地资源不足的问题，新中国成立至今，中国沿海地区先后兴起了4次大的围填海活动，至2011年，中国填海面积共计约12.5万hm2，围填海成为缓解用地压力的主要经济活动。然而，海湾既是众多海洋生物的栖息地和生物多样性的保护基地，又是维护海陆动态平衡的缓冲区，通过围填海取得巨大进步的同时，也给海湾资源与环境造成了巨大威胁和破坏。

罗源湾为福建省六大深水港湾之一，位于福建省东北部沿海。罗源湾形似倒葫芦状，北临鉴江半岛和三都澳，南隔黄岐半岛，东起可门口，向西深入罗源县与连江县境内中部（见图1）。湾内海底地形具有明显差异性，口门最大水深约－74m，除东北侧和南侧有一个－5和－10m的深槽贯穿湾内水域外，其余均为广大浅水区［3］。然而，为缓解人多地少的矛盾，罗源湾沿岸的罗源县和连江县大力推进滩涂湿地开发和临港工业建设，湾内围填海活动频繁，至2012年湾内累计围填海面积约96km2，导致大量滩涂湿地丧失，湾内多处小海湾遭到围填。因此，鉴于罗源湾区域土地资源日趋紧张以及港口工业和城镇建设等需要，通过研究罗源湾多年围填海工程对湾内水动力环境的累积影响效应，可为决策部门更好的保护罗源湾的海洋环境和渔业资源、促进经济和社会的可持续发展提供参考依据。

图1 罗源湾地理位置示意图Fig 1 The location map of Luoyuan Bay

海湾水交换和纳潮量是海洋环境科学研究的一个基本命题，是海湾生态环境保护和开发利用的基础。近二十年来，国内外都进行了很多关于河口和海湾水交换能力的研究工作。匡国瑞应用中村武弘的水质预测公式对乳山湾的海水交换率和环境容量进行了初步探讨［4］，许苏清利用箱式模型和数值模式计算了江湾海水交换时间［5］，魏泽勋计算了渤海海峡夏季与北黄海的水交换特征［6］，孙英兰基于三维潮流模式和污染物输运模式，定量分析了胶州湾和丁字湾的水交换能力［7］，赵亮研究了胶州湾水的存留时间和各个区域的水交换能力［8］，魏皓应用水质模型研究了渤海的水交换能力和半交换时间［9］，管卫兵等研究了榆林湾水交换能力和污染物输运过程［10］。胡建宇在分析罗源湾的潮流和余流特征的基础上，研究了湾内海水的交换率和半交换时间［11］。

1 罗源湾围填海历史及现状

1.1 罗源湾围填海历史

1960 年代，罗源湾海域面积约226.7km2，海湾岸线长度约155.66km，基本全部为自然岸线（基岩），人工岸线很少［1］。然而，随着罗源湾沿岸城镇化和工业化进程的不断推进，对土地的需求量持续增长，受背靠山地的制约，只能向海拓展空间，在这一过程中罗源湾内先后实施了大量围填海工程。据不完全统计，自上1960年代至今，罗源湾围垦工程共17处（见表1）［12］，围垦面积总计约71.96km2。其中1960年代，罗源湾完成围垦工程4处，围垦总面积5.23km2；1970年代，完成围垦工程4处，围垦总面积1.02km2；1980年代，完成围垦工程5处，围垦总面积31.47km2；1990年代，完成围垦工程3处，围垦总面积26.23km2；2000年以后完成罗源县白水围垦，围垦面积8km2。罗源湾围垦中大规模的围填海活动主要有大官坂围垦、松山围垦、白水围垦，面积合计58.6km2，占海湾内围垦总面积的81.44%。

目前罗源湾围垦中，用于农业种植面积约占围垦总面积的18.39%，用于海水养殖面积约占43.90%，用于工商贸等其他面积约占37.77%。随着罗源湾周边地区社会经济的发展，用于农业种植和水产养殖的垦区功能将逐渐发生变化，转向临港工业、港口运输和物流仓储以及城市建设等方面。

1.2 罗源湾围填海现状

目前，罗源湾的北岸和南岸均开展了大量的围填海工程，湾内多数海湾和岬角已实施了围填或已确权围填，罗源湾原先曲折的基岩海岸，已大量被钢筋混凝土构筑的平直人工岸线所取代。截至2012年罗源湾海湾面积约199.19km2，实际纳潮海域面积约为154.49km2，海湾海岸线长度约131.83km，其中人工岸线为36.74km，与1960年代相比，罗源湾海域面积减小了约27.51km2，由于多数围填海工程是在滩涂或浅水区海域实施，故湾内－5m以浅海域面积损失约25.27km2，占湾内－5m以浅海域面积的31.49%，海湾自然岸线长度损失了约21.22km，人工岸线的比例大大增加，自然亲水岸线所剩无几。此外，围填海造成湾内海岛灭失24个，给区域海洋生态系统稳定产生了较大压力。目前，罗源湾已开发利用海域面积约81.76km2（含养殖用海），海域使用强度较大，为43.21%，但多数为渔业养殖用海。根据《福州港总体规划》（2012）［13］，未来淡头港区、狮岐港区和牛坑湾等港区将动工建设，届时罗源湾海湾面积可能进一步缩小至176.69km2，自然岸线可能损失约60.9km。

2 模型简介

罗源湾为一个半封闭海湾，与外海的水交换仅通过宽度约2km的口门完成，故纳潮量和水交换率是支撑罗源湾资源环境和海洋经济可持续发展的重要海洋环境因素。近半个世纪以来，罗源湾内开展了多处大规模的围垦和围填工程，加之近年来环湾工业化与城镇化的迅速发展，推动了罗源湾沿岸围填海的需求，湾内大量滩涂湿地丧失，湾内多处小海湾遭到围填，直接导致罗源湾纳潮海域面积缩小。为反映不同时期围填海对罗源湾纳潮量和水交换率的影响，应用MIKE 3软件分别计算了罗源湾1960年代、1996年代和罗源湾现已确权海岸线条件下的海湾纳潮量和水交换率变化。

模型水动力环境模拟应用MIKE3模型的HD模块［14－15］，建立了3个典型年代的罗源湾海域三维潮汐潮流模型。罗源湾水交换的模拟应用MIKE3模型的ECOLAB模块中溶解保守物质扩散模型，针对3个典型年代分别建立了罗源湾三维区域海域模型，以分析多年围填海对罗源湾水交换能力的累积影响。罗源湾海域1960年代的模型水深资料采用旧版海图水深经数字化后得到，1996和2012年的罗源湾模型水深采用新版海图水深经数字化后得到，在部分围填海区使用工程勘察的实测水深加以修正。

3个典型年代模型的网格数分别为33 600、38 171、37 207个，最大分辨率为50m，在开边界处分辨率最小，为2 000m，垂向均匀分为6层，开边界采用东中国海大区模型所得的8个分潮（O1、P1、K1、N2、M2、S2、M4、MS4）的调和常熟计算给定开边界水位以驱动模型。

由于缺乏1960年代罗源湾海域的潮汐和潮流实测资料，故分别使用1994和2006年的实测潮汐和潮流资料作为模型的验证之用。经实测值和计算值的比较（图略），模型计算所得的潮位与潮流与实测值较为符合，说明模型采用的参数基本合理，计算方法可靠，能够模拟罗源湾内潮汐和潮流变化特征。

3 围填海对罗源湾对纳潮量和水交换的影响

3.1 流态变化

对比罗源湾各个时期的流场图（见图2～4）可以看出，罗源湾海域的流态总趋势并没有显著的变化，涨潮时，湾外潮流通过罗源湾湾口、可门水道及狮岐水道进入内湾，围填海工程对湾内潮流形态的影响基本限于工程附近海域。1960年代时，罗源湾海岸线曲折，湾内大官坂、松山和白水三大围垦区尚未实施围垦工程，为实际纳潮海域，涨落潮时潮流可自由进出上述内湾。1996年，由于多个围垦工程和港口工程的建设，湾内多个内湾遭到围垦或围填，罗源湾的海域面积明显缩小，致使罗源湾的纳潮量大大减小，围填海工程附近的流态发生了变化，尤其是三大围垦区工程的围堤前沿海域流态变化尤为显著。2012年，罗源湾内虽然无大规模的围填工程实施，但南岸和北岸陆续实施了多个港口工程和临港工业的围填海项目，海岸线变得越发平直，海湾纳潮海域面积进一步缩小。通过各时期流场计算结果分析可以看出，罗源湾自1970年代，由于围填海工程建设，海域面积显著缩小，可门水道和狮岐水道流速相比1960年代年分别减小了11.4%和9.3%。虽然罗源湾内无较大的径流注入，主要深槽水深维持良好，但纳潮量减小和水动力条件的减弱是罗源湾环境容量下降和水质环境降低的的主要原因之一。

图3 1960年代罗源湾海域垂向平均流流态分布图Fig.3 The depth averaged current vector distribution in 1960s

图4 1996年罗源湾海域垂向平均流流态分布图Fig.4 The depth averaged current vector distribution in 1996

本研究选取了位于罗源湾内深槽和围填海工程前沿的部分特征点（见图5和表2），以分析各时期围填海工程对罗源湾湾流速大小的影响。表2中给出了各时期特征点大潮涨潮时和落潮时的最大流速和流向，其中变化幅度百分比表示了各时期潮流特征点流速与1960年代和1996年的相对变化率。从表2可以看出，围填海工程的修建一般会使罗源湾内潮流流速变小，除在大规模围垦工程前沿海域流向变化较大外，湾内其他海域的流向变化相对较小。三大围垦工程实施后，湾内的主要的可门水道和狮岐水道的最大流速均有不同程度的减小，可门水道中T4、T7和T8特征点的最大流速与1960年代相比，减小了约3.15%～29.11%，狮岐水道中T13、T16、T18和T23特征点的最大流速与1960年代相比，减小了约4.17%～45.05%，尤以位于水道末端的特征点的最大流速减小幅度为最大，涨潮时的最大流速减小幅度要明显高于落潮时的最大流速。松山、白水和大官坂三大围垦工程建设后，由于岸线的剧变，垦区围堤前沿特征点的流速和流向均发生了不同程度的变化，围堤前沿特征点的最大流速减小幅度为9.07%～53.31%。进入21世纪后，随着福州地区城市化和港口工业的快速发展，罗源湾北岸和南岸凭借良好的港口环境和优越的地理区位，重点发展港口工程和临港工业建设，开始了新一轮的填海造地高潮。2012年，罗源湾海域特征点的流速继续减小，但减小幅度较小，湾内可门水道和狮岐水道特征点（T4、T7、T8、T13、T16、T18和 T23）的最大流速与1996年相比，又减小了约1.85%～15.25%。

图5 2012年罗源湾海域垂向平均流流态分布图Fig.5 The depth averaged current vector distribution in 2012

表2 各个时期大潮期特征点涨急和落急时流速和流向变化Table 2 Variation in the velocity and direction of feature points during the spring tide at flood and ebb tide in different periods

3.2 纳潮量变化

由于海洋的潮汐现象，把从低潮到高潮海湾所能容纳海水的量称为纳潮量。纳潮量的大小可以直接影响海湾与外海的交换程度，从而制约海湾的自净能力，因此对维持海湾的良好生态环境至关重要。本研究通过计算高、低潮时罗源湾容纳海水的体积差得到纳潮量值，再对其进行大、中、小和全潮平均，计算了1996和2012年纳潮量相对于1960年代的变化率（见表3）。表明围填海工程造成罗源湾内水域面积减少，流场变化，进而导致整个海湾纳水体积和纳潮量减少。

从表3中可看出，罗源湾的海湾纳潮量随围填海工程的实施呈逐年递减的趋势。罗源湾那内三大围垦工程竣工后，罗源湾的全潮平均纳潮量由1960年代的8.74×108m3锐减至1996年的6.94×108m3，并持续减小，至2012年海湾全潮纳潮量约为6.26×108m3。1996年罗源湾大、中、小潮期的纳潮量与1960年代罗源湾海域纳潮量相比，分别减小了约12.15%、10.74%和12.29%，而2012年罗源湾大、中、小潮期的纳潮量与1996年罗源湾海域纳潮量相比，又分别减小了约8.47%、11.60%和10.08%。1996年罗源湾海域全潮纳潮量相当于1960年代的79.41%，而2012年罗源湾海域全潮纳潮量仅相当于1960年代的71.62%。由此可见，虽然罗源湾内的围填海工程多是在滩涂或水深小于－5m的浅海海域实施，但围填工程仍占用了大量纳潮海域面积，特别是三大围垦工程的围垦面积约占1960年代罗源湾海湾面积的约27%，直接导致了湾内实际纳潮海域面积的大量丧失，对罗源湾纳潮量的影响十分明显。罗源湾内围海致使海湾纳潮量进一步减小的同时，引起水环境容量降低，致使水体污染负荷加重和污染物扩散净化能力减弱，加速污染物在海底积聚，进而引起海水水质下降。

表3 3个典型年代罗源湾纳潮量变化Table 3 Variation in tidal prism of different periods in luoyuan Bay /×108 m3

3.3 水交换变化

应用保守污染物浓度扩散模型模拟罗源湾内的污染物扩散情况来计算湾内的水交换率。初始时刻，设置罗源湾内部所有网格点上的污染物浓度均为100，湾外网格点的浓度均为0。其他水动力条件保持不变，分别计算了各时期罗源湾30、60和90d的水交换率情况以及湾内50%水交换时所需的天数和水交换率分布情况（见表4和图6）。计算结果表明，各时期罗源湾内的水交换率均有较大的差异，不论在湾口还是湾内，罗源湾1960年代的水交换率要明显优于1996年和2012年。1960年代，罗源湾30d平均水交换率为65.96%，至1996年湾内30d平均水交换率减小了约19.17%，而至2012年湾内30d水交换率与1960年代相比则减小了约21.42%。随着时间的加大，加之罗源湾的海湾面积相对较小，各时期的湾内水交换率的差异逐渐减小。在湾内选取了15个特征点，用以比较罗源湾各时期特征点的水交换变化特征，可发现，位于深槽和水道附近特征点的30d水交换率减小幅度较小，而位于湾顶、滩涂和海湾中部的特征点的30d水交换率存在较大幅度的减小，最大减幅为30.92%，说明水动力条件相对较差的海域受影响更为明显。1960年代时，罗源湾内半水交换时间约为11.47d，1996和2012年的湾内半水交换时间则分别较1960年代延长了约1.74和2.42d，并且1996年和2012年湾内水体半交换时的污染物等值线分布形态与1960年代的分布形态呈现出了较为明显的差异。由此可见，罗源湾围填海工程对湾内水交换率的影响非常大，围填海大大降低了罗源湾的水交换能力及污染物自净能力，并且围填海工程主要用于水产养殖、港口码头和临港工业等，又从另一个方面加大了湾内污染物的排放量，这两方面的共同作用会更加不利于湾内污染物的及时净化，致使湾内水环境质量进一步恶化。

表4 3个典型年代罗源湾水交换率变化Table 4 Variation in water exchange rate of different periods in luoyuan Bay /%

图6 潮流和水交换特征点位置示意图Fig.6 The location of the feature points in Luoyuan Bay

表5 各个时期特征点30d水交换变化特征Table 5 Variation in 30d-water exchange rate of feature points of different periods in luoyuan Bay

图7 三个典型年代50%水交换时罗源湾水交换分布图Fig.7 The semi-water exchange rate distribution of different periods in Luoyuan Bay

3.4 海洋生态环境变化

为反映3个典型时期罗源湾海域的海洋生态环境变化，应用罗源湾海域1991年5月、2006年5月、2009年7月和2012年4月共4次水质、沉积物和海洋生物调查资料［1，7－8］，对罗源湾的水质环境、沉积物环境和生物资源进行纵向比较分析。分析结果表明，罗源湾的水环境质量下降较大，沉积物质量基本没有变化，海洋生物多样性呈下降的趋势。

3.4.1 水质环境 1991年5月，罗源湾水质质量优良，DO、COD、无机磷、石油、重金属（Cu、Pb、Cd）含量均符合一类海水水质标准，仅少数站位无机氮超出一类海水水质标准。2006年5月，罗源湾DO含量符合一类海水水质标准，COD、石油、重金属（Cu、Pb、Cd）含量符合二类海水水质标准。无机氮含量有近一半站位超出二类海水水质标准，仅有少数几个站位符合海水一类水质标准，底层个别站位超出四类海水水质标准。无机磷浓度有大半站位超出二类海水水质标准，个别站位超出四类海水水质标准。2009年7月，罗源湾DO、COD、石油、重金属（Cu、Pb、Cd）含量均符合二类海水水质标准，无机氮和活性磷酸盐含量大部分站位超出二类海水水质标准。2012年4月，罗源湾DO、COD、石油、重金属（Cu、Pb、Cd）含量均符合二类海水水质标准，大部分站位的活性磷酸盐和所有站位的无机氮值监测结果超出第二类海水水质标准。

由此可见，罗源湾海水环境质量自1991年以来总体呈下降趋势，养殖、工业化和城镇化排放的废水导致海域无机氮和活性磷酸盐含量上升较明显，湾内绝大部分海域水质基本已经不能符合水产养殖业的要求。

3.4.2 海洋生物多样性 由表5可发现，从1991年至今，罗源湾内的浮游植物、浮游动物和底栖生物的总种数、优势种种数、数量和丰度都呈下降趋势，浮游动植物优势种的分布也相应发生了一定变化，说明罗源湾海洋生物群落结构已发生了变化，围填海对底栖动物及其群落结构均产生了显著的破坏效应。

表6 罗源湾海洋生物资源变化Table 6 Marine biological resources variation in Luoyuan Bay

3.4.3 围填海对罗源湾海洋生态环境的影响 虽然，工业化和城镇化的进程中产生的废水和废物，会直接导致罗源湾海洋环境质量的下降。然而，围填海工程对罗源湾水动力衰减具有显著的影响：直接导致海湾纳潮量减少，海水交换能力下降，海湾污染物稀释能力大大降低，自净能力变差，从而间接影响了罗源湾海水环境质量。同时，围填海工程导致的局部潮流流态改变和自净能力下降，围填海也直接或间接对近岸海域生态系统产生影响，引起生态系统结构和功能的演变，导致了附近海区浮游植物、浮游动物生物多样性的普遍降低及优势种和群落结构的变化；围填海对底栖生物的威胁更直接，围填海工程中的吹填、掩埋等造成底栖环境条件剧变，引起底栖生物数量减少、群落结构改变和生物多样性降低。而且，罗源湾内大量围垦工程均是在滩涂或浅海上实施，直接掩埋和挤占了经济鱼虾类的栖息地、索饵场和育幼场，直接影响了海湾生物资源的减少是毋庸置疑的。此外，前人借助GIS和遥感分析的方法，估算了每年排污罗源湾的COD总排放量约为11 446t/a［16］，TN和TP的总排放量约为5 027和607t/a，且超过60%的入海污染物来源于海上水产养殖，因此，污染物的大量排放也进一步加剧了罗源湾内水环境质量的恶化。虽然，根据有关规划，罗源湾内的养殖将逐步退出，但随着海峡西岸经济区建设的推进，沿岸生产和生活污染物的排放量也随之增加，故罗源湾的海洋环境质量仍面临较大的压力。

4 结语

罗源湾地处闽浙丘陵地带，土地资源不足，沿岸港湾多，并且滩涂资源丰富，因此，围填海成为湾内城市空间扩展和工业发展用地的主要途径。但围填海导致湾内大面积滩涂和浅海资源丧失，截至2012年，罗源湾海域面积减小了约27.51km2，海湾自然岸线损失了约21.22km，直接导致海湾纳潮量减小，加剧了水质恶化，给罗源湾海洋生态环境带来了巨大压力。应用数值模型分析了3个典型时期围填海影响下的罗源湾水动力环境变化，表明多年持续的围填海工程虽未造成罗源湾整体流态的显著变化，但由于围填海导致湾内实际纳潮海域面积逐渐萎缩，湾内潮流的最大流速呈现出逐步减小的趋势，尤以湾顶附近、滩涂附近和围堤前沿海域最为明显，最大减幅约67.92%。与1960年代相比，罗源湾1996年和2012年纳潮量分别减小了约20.59%和28.38%，湾内30d的平均水交换率分别减少19.17%和21.42%，半交换时间延长了约1.74和2.42d，海湾中部和湾顶附近海域水交换能力受持续围填海的影响最大，最大减幅为30.92%。虽然罗源湾内无较大径流注入，主要深槽水深维持良好，但纳潮量减小、水动力条件减弱和沿岸生产生活污染物排放是罗源湾港环境容量下降和水质环境降低的的主要原因。因此，为了能够更好地利用罗源湾的海域和滩涂等资源，建议改变罗源湾现有的截弯取直和顺岸平推式的围填海方式，优化港区的平面布置，同时大力整合码头资源，使宝贵的岸线资源得到最大化利用，从而能够保护环境的基础上满足人们的需求，合理开发海湾空间资源。

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