莱州湾围填海工程对海洋环境的累积影响研究❋
2018-12-13于定勇李云路
田 艳, 于定勇, 李云路
(1.中国海洋大学工程学院, 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋地质工程勘察院, 山东 青岛 266071)
莱州湾围填海工程对海洋环境的累积影响研究❋
田 艳1,2, 于定勇1**, 李云路1
(1.中国海洋大学工程学院, 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋地质工程勘察院, 山东 青岛 266071)
本文以莱州湾海洋环境为研究对象,采用数值模拟,分别从海域空间、水动力和生态环境3个方面,分析了2000—2005年、2005—2010年和2010—2013年莱州湾3个阶段围填海工程对其海洋环境产生的累积影响。结果表明,2000—2013年围填海工程导致莱州湾的海域面积减小了约6.3%,岸线长度增加了18.1%;影响流速等级为Ⅲ级的海域面积累积约1 069 km2,大、小纳潮量分别减少了3.81%和4.76%;围填海工程还导致莱州湾的生物资源多样性程度和数量下降。十几年来的围填海对莱州湾海洋环境的累积影响较大。
围填海;海洋环境;累积影响
围填海是世界上沿海国家拓展海岸带空间的重要举措,大规模的围填海工程以欧洲和亚洲最为突出,有几百年围填海历史的荷兰,在二十世纪的两大工程—须德海工程和三角洲工程加快了经济发展,但同时给海洋渔业造成很大的威胁[1];近几十年在阿联酋的迪拜填海面积已达200 km2,而在巴林填海面积达91 km2,占其国土面积的11%[2],围填海工程造成这些阿拉伯国家的海岸线的累积开发强度超过40%[3]。在亚洲,新加坡的国土面积从1960年的581 km2增加到1986年的620.5 km2,使得沿岸占国土面积13%的红树林的面积降至不足3%。因此,围填海工程在拓展了海岸带空间同时,由于其改变了水深、流速和波浪条件,进而对海洋环境造成了一定的影响[2]。
累积影响相对于单一项目在一段时间的影响而言,具有叠加、协同和时间滞后、边界扩大等效应[4]。目前,国内外学者运用不同的方法进行了围填海工程对海洋环境累积影响的研究。Natalie C.Ban等[5]运用EIA从大范围尺度上研究了加拿大太平洋水域的环境,结果表明加拿大整个大陆架的太平洋海域均受到了不同程度的污染;AL-Madany IM等[6]在研究巴林海岸线过去几十年的填海活动对海岸带产生的环境影响时,提出了“经济—环境—社会”的综合评价模型,分析了填海活动带来的累积影响,结果表明围填海工程破坏了海洋生态和环境,给渔业经济带来了损失;Omran E. Frihy[7]选取了地中海沿岸13个海岸工程为例,运用定性的分析方法分析了这些海岸工程给海岸带带来的岸线冲刷、港口淤积和海水污染等,结果表明围填海工程对海岸带的生态系统产生破坏性的影响;陆荣华等[8]运用数值模拟的方法,对围填海引起的厦门湾的潮流动力累积影响进行了初步研究;俞炜炜等[9]以福建兴化湾为例,运用GIS技术评估了研究区域近40年来围填海所造成的生态服务损失,并预测了至2020年围填海可能对生态服务造成的累积影响;林桂兰等[10]运用灰色评估模式,对海湾资源开发的累积生态效应进行了研究。上述研究结果均表明:围填海工程对海洋环境会产生累积影响,且是不容忽视的,运用恰当的研究方法分析多项围填海工程产生的长期累积影响,是进行海洋管理和海域环境保护的重要依据。
不同的海域具有不同的环境特点,且由于海洋环境的复杂性和多项围填海工程对海洋环境影响的分散性和滞后性,所以,对围填海工程产生的海洋环境累积影响进行评估仍存在一定的困难,如何全面客观地研究围填海对海洋环境产生的累积影响已成为一个重要课题。
由于反映海洋环境累积变化的因素较多,为了有效的评价围填海对海洋环境的累积变化影响,本文的研究将从围填海工程引起的海域空间、水动力和海洋生态等累积变化的角度,运用数值模拟和数值分析相结合的方法,分析围填海工程对海洋环境产生的累积影响。
1 研究区域概况
莱州湾位于渤海南部,山东半岛北部,西起现代黄河新入海口,东至龙口的屺姆角(118.8°E~120.4°E,36.9°N~38.1°N)。1990年代,莱州湾是重要的渔业和海盐生产基地,莱州湾海底地形单调平缓,由于河流泥沙堆积,水深大部分在10 m以内,海湾西部最深处达18 m。平均潮差(龙口)0.9 m,最大可能潮差2.2 m。西段受黄河泥沙影响,潮滩宽6~7 km,东段仅500~2000年以前,莱州湾已经开始了围填海的开发活动,主要用途包括渔业、盐业和港口码头建设。据统计,莱州湾2000以前的围填海面积约2 358.7 hm2。2000年后,莱州湾实施了大规模的围填海工程,2009年山东省将用海区划分为“九大集中区”和“十小集中区”,到2020年“九大十小”用海区规划海陆总面积约1 500 km2,包括近岸陆地800 km2,集中用海700 km2。莱州湾包括四个大集中区,其中潍坊滨海生态旅游度假区和龙口湾临港高端产业聚集区的围填海工程已完成围填海面积约57.8 km2。
2 海域空间累积变化
围填海工程对海湾海洋环境影响表现之一就是使海岸线不断向海一侧推进,单个围填海工程由于占用岸线不长,并且海水具有流动性,所以对海洋环境的影响具有分散性和滞后性,往往被人们忽视。但多项围填海工程在较长时间尺度的累积下,变化程度是很可观的,对海洋环境的影响大多也是不可逆的[12]。
人类活动是海岸线变化的重要因素,而多项围填海工程使得海岸线的长度和形态发生了显著变化。本文收集了莱州湾2000、2005、2010和2013年4期的遥感影像,运用ENVI4.8和ArcGIS10.0软件进行处理,以1∶50 000地形图为底图,以2000年的遥感影像图作为基准,进行其他时相数据的几何校正。通过对4期的海岸线进行识别,对莱州湾的海岸线进行了提取(见图1、2、3、4),以此来分析海岸线的长度变化和海岸线的变迁情况(见表1、2)。
通过表1和2统计分析可见,在过去十几年间莱州湾人工岸线呈持续增加,但是,2005-2010年阶段,岸线总长度出现负增长,主要是围填海裁弯取直造成岸线的长度和形态发生了变化;2010-2013年阶段,岸线长度出现增加的趋势,主要是采用了离岸人工岛的围填海方式增加了人工岸线的长度。
图1 2000年莱州湾岸线分布Fig.1 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2000
图2 2005年莱州湾岸线分布Fig.2 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2005
图3 2010年莱州湾岸线分布Fig.3 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2010
图4 2013年莱州湾岸线分布Fig.4 The shoreline distribution of Laizhou Bay in 2013
/km
Note:①Artificial shoreline;②Sandy shoreline;③Muddy shoreline;④Bedrock shoreline;⑤Total
表2 海域空间累积变化对比表Table 2 Comparison of sea space accumulation changes
Note:①Different otages;②Artificial shoreline;③Sandy shoreline;④Muddy shoreline;⑤Bedrock shoreline;⑥Reclamation area
3 水动力环境累积变化
本文运用MIKE21的水动力模型,采用提取的遥感数据获得岸线数据,水深资料来源以海图为主,通过数字化方法得到计算区域的水深,原始水深数据点相对网格划分较少的区域,通过插值法获得,部分海域水深结合当年卫星海图进行修正。
3.1 模型简介及验证
为了准确模拟工程区域的水动力环境,考虑模型的计算精度,本文将水动力的计算区域确定为:118.8°E~120.4°E,36.9°N~38.1°N。计算模型三角形网格个数为28 314个,网格节点数为15 685个。最大网格面积为10 000 m2,最小网格面积为2 500 m2。
采用水动力的控制方程:
水流连续性方程:
(1)
x方向动量方程:
(2)
y方向动量方程:
(3)
式中:ζ为水位,即由静水面向上起算的海面;t为时间;H为总水深,H=d+ζ,d为静水深;u、v分别为x、y向的水深平均流速;x、y为笛卡尔坐标f为科氏系数,f=2ωsinθ,ω为地球自转角速度,θ为计算区域的维度;g为重力加速度;ρ为水的密度;εx、εy分别为水平涡粘系数在x、y向的分量;τbx、τby分别为x、y向的底床剪切力。
潮位和潮流的验证资料采用2011年1月4—5日(大潮期)P1测点(119.2°E,37.5°N)的实测值。本文给出了P1测点大潮的潮位、流速、流向实测值与计算值的验证结果。根据《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程(JTS/T231—2010)》[13],计算结果应符合流速出现的时间允许偏差为±0.5 h,流速过程的形态基本一致,测点涨落潮段平均流速允许偏差为±10%。如图5、6和7所示。结果表明:潮位、流速及流向的实测值和计算值基本相符,该模型能较真实地模拟计算出莱州湾海域的流场。
图5 P1测点大潮潮位验证Fig.5 Verification of spring tidal level at station P1
图6 P1测点大潮流速验证Fig.6 Verification of spring tidal velocity at station P1
图7 P1测点大潮流向验证Fig.7 Verification of spring tidal direction at station P1
3.2 潮流场分析
本文模拟了莱州湾2000、2005、2010和2013年四个不同时期的涨急和落急时刻潮流。从结果可以看出四种工况的潮流过程和流场分布特征基本一致,明显的变化主要表现在围填海工程海域,工程使附近海域的流速和流向发生了变化,本文给出了2000年和2013年的潮流图(见图8、9)。
图8 2000年莱州湾涨急和落急时刻潮流图
图9 2013年莱州湾涨急和落急时刻潮流图
3.3 流速变化
流速变化是反映海湾水动力变化的重要指标,围填海使海湾流速发生了变化。本文模拟计算了3个阶段的流速变化,给出了莱州湾2000—2013年涨、落急时刻的流速累积变化图(见图10、11)。选择涨落急时刻流速变化值进行统计分析。
为了衡量围填海工程对水动力环境的累积影响程度,借鉴渤海湾围填海开发活动对最大流速影响等级表[14],根据莱州湾潮流场流速变化的范围,本文提出了莱州湾围填海工程对流速影响等级表,具体等级划分见表3。
图10 2000—2013年涨急时刻流速累积变化分布图
图11 2000—2013年落急时刻流速累积变化分布图
影响程度(C)Influencedegree流速范围/cm·s-1Velocityrange轻(Ⅲ级)5gt;C≥2中(Ⅱ级)10gt;C≥5重(Ⅰ级)C≥10
根据莱州湾流速累积变化图和流速影响等级表,将莱州湾2000—2005年、2005—2010年和2010—2013年的围填海工程对流速影响等级面积统计如表4和5。结果表明,由于围填海工程的实施造成莱州湾的潮流场发生变化,围填海工程的附近区域流速改变值大于30 cm/s,莱州湾围填海工程的实施使海域流速具有明显的累加效应。
表4 涨急时刻流速影响等级面积统计表Table 4 The statistical current velocity influence rating scale at the flood tide /km2
3.4 纳潮量变化
纳潮量是表征半封闭海湾生存能力的重要指标,它的变化直接影响海湾的潮流特性[15]。围填海工程的实施导致了莱州湾海域纳潮量的变化,从长远来看,围填海引起的纳潮量的变化可能破坏水动力条件和海域生态的动态平衡。同时,纳潮量的减小还将影响污染物的迁移扩散,降低海湾的自净能力[16]。
表5 落急时刻流速影响等级面积统计表Table 5 The statistical current velocity influence rating scale at the ebb tide /km2
本文为研究围填海工程对莱州湾海域纳潮量的影响,设置了湾口断面(118.8°E~120.4°E,36.9°N~38.1°N),以此计算大小潮期海域空间变化前后湾内的纳潮量变化。计算结果表明,2013年现状下莱州湾大潮时的纳潮量为8.659 89×109m3,小潮时的纳潮量为 6.203 42×109m3。分析计算结果表明,由于2000年后大规模的围填海工程的实施,莱州湾海域面积减小,流场变化,导致了纳潮量的减少。十几年间,大潮纳潮量累积减少了3.81%,小潮纳潮量累积减少了4.76%。
4 海洋生态环境累积影响变化
为了反映3个阶段莱州湾海域的海洋生态环境变化,本文采用半水交换率、海洋生物多样性指数和生物资源损失量等来衡量围填海工程对海洋生态环境的累积影响。
4.1 水交换变化
本文采用保守物质的对流—扩散模型,分别模拟莱州湾2000年、2005年、2010年和2013年4种海岸线的污染物的迁移扩散情况。对流扩散方程如下:
(4)
模型的初始条件设置莱州湾湾内相对浓度为1,湾外和边界浓度均为0,计算时间步长150 s,其它条件的设置和水动力相同。计算莱州湾的半水交换率,也就是湾内污染物的平均浓度降为初始浓度一半所需要的时间。计算结果如表6。
表6 莱州湾半水交换率时间表
计算结果表明,围填海工程对莱州湾的水交换的影响比较明显,2000—2013年水质浓度的半水交换率的时间增加了22 d。围填海工程降低了莱州湾的水交换能力和污染物的自净能力,另外沿海海洋开发和入海河流给海洋带来的污水污物,更加加重了莱州湾水环境的负荷。
4.2 海洋生物多样性的变化
水环境的恶化直接对海洋生物资源造成明显的累积和传导效益,生物资源也呈现不断恶化态势。2000年以来莱州湾的生态系统一直处于不健康或亚健康状态,小清河口海域底栖生物种类和数量明显减少,耐污种逐渐增多。整个莱州湾鱼卵仔鱼数量呈下降趋势,小清河口海域已不适宜鱼卵仔鱼的生长发育[17]。
根据中国海洋公报数据监测统计,莱州湾重要经济生物产卵场和渔业资源衰退趋势未得到有效遏制。陆源排污和海洋开发是影响莱州湾生态系统健康的主要因素[17-18],围填海工程减小了纳潮量,延长了海湾的水交换时间,使海水的自净能力降低,将会给海洋生物的生存环境带来不同程度的影响。近十年来,浮游动植物和大型底栖动物的种类数明显减少,2004年莱州湾的浮游植物和大型底栖的种类数分别是95种和132种;2013年浮游植物和浮游动物的种类数量分别是44和103种[19]。莱州湾的浮游植物和大型底栖动物的多样性指数变化,如图12所示。
莱州湾海域的浮游植物的种类多样性从2005—2013年总体呈现逐年下降的趋势;2010年8月与2005年8月相比大型底栖动物多样性比明显下降,2011年后多样性呈现优良状态。浮游植物和大型底栖动物的多样性指数的变化趋势与人类的用海方式密切相关。
图12 浮游植物和大型底栖动物多样性指数变化图Fig.12 Variation of phytoplankton and benthos diversity index
4.3 海洋生物资源量的变化
围填海工程占用大量的滩涂资源,损害了渔业资源的生存环境,使海洋生物资源栖息地丧失。根据《山东省海洋生态损害赔偿和损失补偿评估方法》[20],莱州湾各生物类型平均生物量分别为:鱼类是6.44 kg/hm2;甲壳类和头足类是2.44 kg/hm2;潮间带天然底栖动物是1 718 kg/hm2。根据莱州湾近十几年来的围填海面积得出各生物资源的损失量,计算结果如表7所示。
表7 莱州湾生物资源损失量Table 7 Loss of biological resources in Laizhou Bay /t
Note:①Different stages;②Fish;③Crustaceans and cephalopods;④Intertidal natural benthos
通过计算数据表明,2000—2013年填海对莱州湾的渔业资源、甲壳类和头足类等生物资源量的累积影响不大,但是造成潮间带的天然底栖动物的累积损失量是较大的。
5 结论
本文依据莱州湾2000年、2005年、2010年和2013年的遥感影像图及海洋水质和生态监测数据,从环境累积变化方面分析了围填海工程对整个莱州湾海洋环境产生的累积影响:
(1) 2000—2013年莱州湾围填海面积总计为371.46 km2,围填海直接导致海域面积缩小了约6.3%,同时岸线长度和形态发生了较大的变化,莱州湾2013年的海岸线长度相比2000年增加了102.5 km,年均增加了7.89 km。其中人工岸线增长了135.1 km。
(2) 根据数值计算,围填海改变了莱州湾海域的水动力环境,落急时刻流速影响为Ⅲ级的面积累积约为1 069 km2。同时,围填海导致纳潮量的下降,十几年间,莱州湾大潮纳潮量累积减少了3.81%,小潮纳潮量累积减少了4.76%。
(3) 围填海工程对莱州湾的生态系统造成一定的累积影响,近十几年间,莱州湾的浮游动植物的种数和多样性基本呈下降趋势;填海工程导致填海区域的底栖动物的损失量是较大的。
(4) 围填海影响了莱州湾的水动力环境,动力条件的改变削弱了海水的交换能力和自净能力;同时,工程的实施影响了莱州湾的生态环境,对海洋生物资源量造成明显的累积效应。因此,围填海工程对莱州湾海洋环境的累积影响是较大的。
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责任编辑 陈呈超
ResearchontheAccumulationofMarineEnvironmentinLaizhouBay
TIAN Yan1,2, YU Ding-Yong1, LI Yun-Lu1
(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Geo-Marine Engineering Survey,Qingdao 266071, China )
This paper takes marine environment in Laizhou Bay as the research object. The cumulative effect of coastal reclamation on the marine enviroment has been analyzed from maritime space, hydrodynamic and ecological environment cumulative changes for three stages of 2000—2005, 2005—2010 and 2010—2013 through numerical simulation method.The results show that the sea area has been reduced about 6.3%, and shoreline length has been increased 18.1%.The affecting velocity level for III of the sea area has been accumulated about 1 069 km2, and large and small tidal volume has been reduced 3.81% and 4.76%.The reclamation also leads to a decline in biological resources of diversity and quantity in Laizhou Bay. The large scale of the reclamation in the Laizhou Bay has a greate impact on the marine environment.
reclamation; marine environment; cumulative effect
TV143
A
1672-5174(2018)01-117-08
10.16441/j.cnki.hdxb.20150266
田艳, 于定勇, 李云路. 莱州湾围填海工程对海洋环境的累积影响研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2018, 48(1): 117-124.
TIAN Yan, YU Ding-Yong, LI Yun-Lu. Research on the Accumulation of Marine Environment in Laizhou Bay[J]. Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(1): 117-124.
山东省基金重点项目(ZR2013EEZ002)资助
Supported by Nature Science Foundation of Shandong Province(ZR2013EEZ002)
2015-05-11;
2016-04-21
田 艳(1982-),女,博士生。E-mail:tianyan8209@163.com
❋❋ 通讯作者:E-mail:dyyuol@ouc.edu.cn