鱼山大桥工程海洋环境影响分析

姚震，谢挺，倪云林*，沈良朵

（1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022；2.国家海洋局东海分局舟山海洋工作站，浙江 舟山 316022）

0 引言

舟山国际绿色石化基地是以大宗石化产品储运中转加工交易中心为基础建设的现代大型一体化绿色石化产业基地，是舟山江海联运服务中心的重要组成部分。基地建设在舟山大、小鱼山岛围垦工程区内，面积约40 km2。岱山县鱼山大桥工程连接鱼山岛和岱山岛，是舟山国际绿色石化基地对外连接的唯一陆上交通干道。大桥的建设一方面可以为舟山国际绿色石化基地提供生活通道，便于人员的日常生活交通，另一方面也会对附近的海域环境造成一定影响。关于跨海大桥建设对海域环境的影响研究，主要围绕水动力环境展开。例如，庞启秀等[1]、张莞君等[2]、李孟国等[3]通过建立二维潮流数学模型，分别研究了温州大门大桥、青岛胶州湾大桥、港珠澳大桥对周围海区潮位、水流、潮通量等水动力环境的影响。本文探讨鱼山大桥工程对海域水动力、水质、沉积物、生态环境和渔业资源的影响，以期更加综合、科学地认识工程中的环境问题。

1 工程概况

岱山县鱼山大桥始于岱山县双合村后沙洋山嘴，沿西北方向往海里延伸，在花鼓山南侧转向西南，跨越2 000吨级航道后转向西北，在大鱼山东面约2 km处，跨过规划的围垦区海堤，终点与舟山国际绿色石化基地内规划道路相接，全长8.815 km（见图 1）。

大桥工程共有桥墩107根，其中，1—3号桥墩位于岱山侧潮间带，100—107号桥墩位于大鱼山东侧围垦区（不占用海域面积），其余均位于潮下带海域。1—25号、61—99号每个承台面积约70 m2，26—40号、45—60号每个承台面积约112 m2，41号和44号边墩面积各约209 m2，42号和43号主墩承台面积各约508 m2。

大桥主墩承台下部共布设28根直径3.0 m的灌注桩；边墩承台下部共布设16根直径2.5 m的灌注桩；引桥共有623根直径2.0 m的灌注桩，其中有15根位于潮间带，有40根位于大鱼山东侧围垦区，其余568根位于潮下带。

大桥工程所在海域最高潮位2.43 m（1985国家高程基准，下同），最低潮位-1.74 m，平均潮差2.79 m，平均落潮历时略大于平均涨潮历时。实测最大涨潮流速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。悬沙以粉砂为主，平均含沙量0.648 kg/m3[4]。

宁波海洋环境监测中心于2015年春、夏、秋、冬四季在工程区附近进行了海洋环境质量现状调查，调查站位布置如图2所示，调查内容包括水质、沉积物、生态和渔业资源。

图2 海洋环境质量现状调查站位Fig.2 The survey stations of present marine environment quantity condition

调查结果显示，工程周边海域的水质、沉积物各评价因子基本能满足GB 3097—1997《海水水质标准》[5]和GB 18668—2002《海洋沉积物质量》[6]中第一类标准限值的要求；浮游植物平均细胞丰度为12.2×102cells/dm3，浮游动物平均生物量84.64 mg/m3、平均密度为51.39 ind/m3，大型底栖生物平均生物量为1.71 g/m2、平均栖息密度为15.4 ind/m2，潮间带生物平均生物量为63.01 g/m2，平均生物密度为157 ind/m2；四季平均鱼卵密度为0.041 ind/m3、仔稚鱼密度为0.23 ind/m3。

2 大桥建设对海洋环境影响分析

2.1 水动力和泥沙冲淤环境影响分析

跨海桥梁的建设必然会改变工程附近海域的潮流场和泥沙场，进而影响海床泥沙的冲淤变化。利用MIKE21FM建立平面二维数值模型，通过改变底摩擦系数来实现对大桥桩基的模拟，进而定量计算大桥工程前后附近海域的流速变化及冲淤变化。

2.1.1 数学模型建立与验证

1）计算区域和网格

计算区域包括整个大小鱼山、岱山岛、衢山岛、大小长途山、大小洋山。模型网格采用非均匀三角形网格，在大鱼山和岱山岛之间的工程区域进行网格加密，整个区域节点数109 310个，单元数211 143个；最大网格边长1 200 m，最小网格边长20 m。

2）边界条件

模型的固边界取法向流速为0；在潮滩区采用动边界处理，对网格节点进行“干出”或“淹没”判断；对外海水边界采用11个分潮进行逐时潮位预报，分潮调和常数通过附近潮位站和同潮时图确定。

3）模型验证

利用国家海洋局第二海洋研究所的水文测验数据作为验证资料（站位分布见图1），结果显示，计算潮位与实测潮位较吻合，高低潮位误差一般在±15 cm以内，相对误差在5%以内（图3）；计算流速与实测资料相位一致，涨落急流速和流速变化过程较为一致，相对误差在10%以内，流向的拟合亦较好，无论涨潮还是落潮与实测值相比，差值一般在15°以内（图4）。

总体而言，潮位与潮流的计算结果较为满意，说明模型计算参数设置是准确、合理的，所构建的潮流模型是准确可靠的，可以用于工程后潮位、潮流的影响预测。

图3 双合站潮位验证Fig.3 Tidal level verification at Shuanghe station

图4 2号站大潮期流速流向验证Fig.4 Current velocity and direction verification at No.2 station during spring tide

2.1.2 水动力条件影响分析

从工程前后涨、落潮平均流速变化来看，受桥墩阻流作用的影响，涨、落潮流速分别在涨潮背流面（大桥的北侧）和落潮背流面（大桥的南侧）有所减小，但减小幅度有限，约为1～3 cm/s；但在主通航孔水域，由于桥墩的建设在一定程度上减小了海域的过水断面，涨、落潮流速增大了约0.5～1.5 cm/s。

因此，工程前后全潮平均流速在大桥轴线南北两侧均出现减小，减小幅度约为1～2.5 cm/s不等，在主通航孔水域出现增加，增加幅度约为0.5～1.5 cm/s（图 5）。

图5 工程前后全潮平均流速变化Fig.5 Velocity change of whole tide current before and after the project

2.1.3 海床冲淤变化

工程前后水动力条件的变化会引起海床的冲淤变化。根据窦国仁的潮汐水流悬沙运动微分方程，结合挟沙力公式如下：

式中：S为含沙量；q为单宽流量；H为水深；ω为悬沙沉速，取0.000 4 m/s；S*为水流挟沙能力；α为泥沙沉降机率，取0.45。

对式（2）在一个潮周期T进行积分和差分变换，可得到一个潮周期T时段内的海床冲淤强度：

可以得到工程后的冲淤公式[7]：

假设工程前后上下游来沙量不发生变化，即S1=S2，有：

则1 a的冲淤强度为：

第1年工程海域的冲淤变化整体表现与流速变化较为一致，鱼山大桥轴线南北两侧水域整体表现为淤积，淤积范围在2 000 m以内，淤积厚度基本小于0.2 m；最大淤积厚度可达0.5 m左右，发生在主通航孔两侧主桥墩周围的小范围内；主通航孔处则表现为冲刷，冲刷厚度在0.4～0.5 m之间。工程后海床最终冲淤量采用刘家驹公式来估算[8]：

式中：PK为工程后经过时间t的冲淤量；K2=0.13；SK为工程前的年平均含沙量；V1、V2分别为工程前、后的流速；d1、d2分别为工程前、后水深。当冲淤平衡时，PK=0，故有：

式中：q1、q2分别为工程前、后的单宽流量。

从工程后最终冲淤结果（图6）可以看到，鱼山大桥轴线南北两侧整体表现出淤积，最终淤积厚度在0.3～1 m之间；主通航孔水域表现为冲刷，最终冲刷厚度可达1.5 m左右。

图6 工程后冲淤平衡分布Fig.6 Balanced distribution of erosion-deposit after the project

2.2 生态环境影响分析

2.2.1 对浮游植物和浮游动物影响分析

浮游植物和浮游动物都是海洋物质转换过程中的重要环节，为海洋动物提供了数量庞大、营养丰富的饵料。大桥桩基施工引起的悬浮泥沙一方面会造成水质浑浊，水体透明度下降，直接影响浮游植物光合作用的效率，导致局部海域浮游植物生物量减少；另一方面会影响浮游动物的生长率、摄食率。研究表明，当悬浮物浓度增量为50 mg/L时，浮游动物枝角类的摄食率下降13%～83%[9-10]。因此，在大桥施工期间，浮游植物和浮游动物的生长和繁殖会受到不同程度的影响，但这种影响在施工结束后就会消除。

2.2.2 对底栖生物和潮间带生物影响分析

鱼山大桥工程桩基的施工会直接造成桩基处底栖生物和潮间带生物的永久性损失，同时也会对桩基周边的底栖生物和潮间带生物造成一次性损失。本文将桩基直接占用的面积作为计算永久性损失的面积，将桩基承台垂直投影区外扩10 m的面积作为计算一次性损失的面积。根据鱼山大桥的结构设计，底栖生物永久性损失的面积约为2 059.84 m2，一次性损失的面积约为62 875.16 m2；潮间带生物永久性损失的面积约为47.1 m2，一次性损失的面积约为2 382.9 m2。由此，根据宁波海洋环境监测的调查数据，可以计算底栖生物和潮间带生物的损失量：

W底栖永久=1.71 g/m2×2 059.84 m2=3.52 kg

W底栖一次性=1.71 g/m2×62 875.16 m2=107.52 kg

W潮间带永久=63.01 g/m2×47.1m2=2.97 kg

W潮间带一次性=63.01 g/m2×2 382.9 m2=150.15 kg

大桥工程桩基施工所引起的悬泥沙浓度的增高可能影响鱼卵、仔鱼和幼体的正常发育，悬浮泥沙堵塞生物的腮部造成窒息死亡，损失数量取决于悬泥沙污染物的浓度和扩散范围。参照海洋生物资源损害估算公式[11]，可得到本工程造成的生态损失面积及死亡率（见表1）与渔业资源损失量（见表 2）。

表1 大桥工程悬浮物影响程度统计Table 1 The SS influence degree of Yushan Bridge

表2 渔业资源损失量统计Table 2 Loss of fish resources

可以看出，鱼山大桥工程对底栖生物和潮间带生物的影响可接受。

3 结语

1）在大桥桥墩的阻流作用下，鱼山大桥轴线两侧潮流流速出现减小，减小幅度约1～2.5 cm/s不等，而在主通航孔水域出现增加，幅度约0.5～1.5 cm/s。受此影响，在大桥轴线两侧2 000 m范围内，第1年淤积厚度在0.2～0.5 m之间，最终淤积厚度约0.3～1 m；在主通航孔水域则表现为冲刷，第1年冲刷厚度在0.4～0.5 m之间，最终冲刷厚度可达1.5 m左右。

2）桩基施工会造成底栖生物和潮间带生物的永久性损失和一次性损失。其中，底栖生物永久性损失量为3.52 kg，一次性损失量为107.52 kg；潮间带生物永久性损失量为2.97 kg，一次性损失量为150.15 kg。生态环境影响可接受。

3）桩基施工引起的悬浮泥沙浓度增高既会使浮游植物和浮游动物的生长和繁殖受到不同程度的影响，也会造成渔业资源的损失，其损失量分别为鱼卵1.1×105个、仔稚鱼 6.0×105个、成鱼19.92 kg，但这种影响在施工结束后就会消除。