河口滩涂围垦对水动力环境影响研究综述

汤立群，卢 单,，赵慧明，周建康，郭传胜，刘大滨

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

滩涂是河口海岸区域陆海相互作用的集中地带，在地貌学上称为“潮间带”，指沿海大潮高潮位与低潮位之间的潮浸地带，其物理、化学、生物、地质等过程十分复杂。因在提高海岸防御能力、增加潜在土地资源和保护生物多样性等方面具有重要作用，滩涂围垦受到沿海国家的极大重视。河口海岸滩涂利用具有两面性：一方面，随着沿海经济的快速发展，利用滩涂拓展发展空间，已成为各国沿海地区突破土地资源“瓶颈”、推动经济社会发展的重要途径；另一方面，滩涂作为人类活动最为频繁的地区，高强度的开发利用直接或间接地改变了海岸带原有的地表形态及自然的物理化学过程，使得河口海岸滩槽动力地貌格局发生变化，增加了海岸带潜在风险[1]，造成沿海生态、资源环境、洪潮灾害及经济社会等诸多问题[2]。因此，实现滩涂资源保护与高效利用对保证各国沿海经济持续发展具有重要意义。国内外学者从水利工程学、地学、海洋学、环境学等不同学科角度，对河口海岸滩涂演变机理及利用影响机制等科学问题进行了大量研究，以尽量减少甚至避免滩涂围垦所引起的河口海岸线变化、水动力环境变化及洪涝灾害加剧等不利影响[3]。然而，目前相关研究更多的关注于特定滩涂利用的局部影响，是对滩涂单个功能影响的定量分析。而滩涂作为一个具有多重功能的资源，具有空间动态性、资源多功能性和利用模式多样性等诸多特点。更具前瞻性和综合性的研究需要从以下两方面进行，一是从资源承载力的角度评估滩涂利用所产生的影响以及滩涂资源利用和相关制约因素之间的互馈关系；二是从可持续发展角度对其承载力及资源状况进行科学、准确的评价。包括系统研究河口河势、防洪、滩槽稳定和海堤安全等约束要素对滩涂利用的响应机制，量化评估其累积效应和互馈机制，分析滩涂利用引起河口河势和滩槽稳定变化对海堤稳定的可能影响，为海堤安全风险评估提供水沙动力指标因子等。

综上，围垦作为一项储备土地资源的有效手段，对经济社会发展具有重要的推动作用，同时，作为一项显著改变海洋自然属性的人类海洋开发利用行为，如果缺乏科学的评估与规划，会对海洋生态环境带来不利影响，制约社会经济的可持续发展[4]。本文在介绍我国重点滩涂资源开发现状的基础上，综述了滩涂围垦在河口水动力、河口岸线及防洪排涝等水动力环境方面的影响，为后续整体系统开展河口海岸带滩涂利用与滩槽交换、河势演变、防洪御潮、海堤稳定的互馈关系提供前瞻性课题，科学指导河口滩涂利用的规划、实施与保护。

1 我国重点滩涂资源开发现状

我国海域接纳多条世界级大江大河，泥沙来源丰富，发育有约3万km2的滩涂。我国早在汉代已有小规模的围垦，唐代与宋代时江苏、浙江沿海农业和盐业日益发达，围垦规模逐渐扩大，出现了百里长堤。近70年来，中国大陆岸线开发利用程度持续而显著增加，尤其是20世纪90年代以来，岸线人工化趋势迅猛，自然岸线由20世纪40年代初的1.48万km(约占总海岸线的81.69%)持续降低至2014年的0.65万km(约占总海岸线的32.92%)[5]。

珠江三角洲沿海滩涂围垦发展较早，在改革开放初期的1980年，珠江口东岸区域就开始了一系列开发活动，前期开发方式为工程建设和围垦养殖相结合；1995年后，珠江口西岸区域开始进行较大规模的人类开发活动[6]。1978—2003年珠江河口围垦的滩涂总面积约561 km2，平均围垦强度达22.4 km2/a，大规模围垦主要分布在蕉门、横门、磨刀门、鸡啼门西滩(连岛大堤)、崖门等处[7]。随着社会经济的持续高速发展，珠江三角洲海岸演进呈现越来越快的趋势，河口向海延伸速度达100 m/a左右，局部延伸速度高达200 m/a，远大于长江河口20 m/a及黄河河口48 m/a的向海延伸速度[8]。

1975—2017年，长江三角洲滩涂面积整体呈降低趋势，但存在区域差异，20世纪90年代后降低趋势较为明显，总体降低速率约为21.7 km2/a[9]。其中，江苏沿海滩涂数量众多，分布最广，面积约占全国总滩涂面积的1/4[10]。解放后至2006年底，江苏沿海地区累计匡围滩涂170多次，匡围滩涂总面积达2 493 km2，用途则以农业生产、水产养殖、国营盐场为主[11]。垦区主要分布于南通市的如东，盐城市的东台、大丰、射阳和响水，连云港市的连云区[12]。浙江省濒临东海，海域辽阔，港湾岛屿众多，海岸线曲折而漫长，滩涂资源约占全国滩涂资源总量的13%左右[13]。1950—2017年，全省滩涂围垦面积达2 806 km2，为浙江省经济社会的可持续发展特别是拓展发展空间发挥了重要作用[14]。据资料统计，浙江省有近1/4的耕地是千百年来经过滩涂围垦所形成的，这些地区现已成为经济发达地区和富庶、繁荣的美好家园[15]。上海地处长江入海口特殊的地理位置，长江所携带的泥沙在入海口沉淀淤积，使得滩涂资源不断增多，解放后上海市在长江口附近共匡围滩涂1 000 km2，相当于上海市陆地面积的近20%。围垦滩涂主要分布在长江口北支崇明岛北沿、东滩，长江口南支长兴岛北部，长江口南岸浦东新区三甲港至南汇嘴及杭州湾北岸[16]。

环渤海区域包括辽宁省、河北省、天津市和山东省，沿海滩涂围垦造地发展最晚。但2000年以来围垦规模不断扩大，年均增长186.28 km2。到2016年围垦土地面积为4 745.42 km2，占全国围垦总面积的52.0%[17]。海岸带开发活动主要集中在辽东湾北部、渤海湾至莱州湾南部、辽宁省东部，以天津市和河北省所在的渤海湾地区海岸线变化最剧烈[18]。环渤海已成为我国围填海的重心区域，由于围填海和河口三角洲增长，20世纪40年代以来渤海面积萎缩速率大于82 km2/a，2000年以来萎缩速率更高达141 km2/a，渤海自然岸线的长度急剧下降，由1990年的1 397 km减少为2014年的561 km，占岸线总长度的比例由54.92%下降为16.18%[19]。

2 河口滩涂围垦对水动力环境的影响

2.1 对水动力的影响

沿海滩涂的围垦将天然潮滩转换为人工海岸，使潮滩失去了对潮能的存储与耗散作用，导致剩余潮汐能的重分布，从而使沿岸潮差、无潮点位置发生改变，而沿岸潮差的增加可能使人们面临的风暴潮等海岸灾害更加严峻[20]。据估计，在韩国西海岸修建的长33 km的大堤导致了西南黄海潮汐的M振幅可能增加了0.03 m以上。沿海的快速发展已经导致了渤海潮汐动力学的显著变化，在1976—2002年，莱州湾西部M2潮汐振幅增加超过0.2 m[21]。台州湾浅海滩涂大规模围垦后，河口缩窄，水域面积大幅度减少，使得围垦区域附近海域分潮波振幅减小、潮波向岸传播的速度减慢，海域最大高潮位降低约0.12 m[22]；渤海湾围垦后水动力呈现潮流动力减弱，常波浪动力减弱、强波浪动力增强的变化趋势，含沙量分布呈现常动力条件下减小、强动力条件下近岸海域减小、建筑物前海域增大的整体趋势[23]。

围垦工程不仅会局部改变潮汐范围，还会由于潮汐能的重新分配而改变整个区域的水位。研究发现潮汐能的重新分配将局部效应扩展到更大的范围，从而产生远场效应，任何一侧的潮汐动力学变化都会影响另一侧[24]。围垦后潮汐不对称性质也会发生改变[25]，1935—1966年间胶州湾进行了大规模的土地复垦，导致这一时期水动力发生了重大变化，胶州湾东北部的M4潮幅值急剧上升了80%，导致了M2-M4潮时不对称性显著增加；与此同时，通过内湾和外湾入口的M2潮汐能通量减少了50%以上[26]。人类围垦活动对长江口水动力影响显著，长江口北支由河控通道转变为潮控通道，分水分沙比急剧下降(分流比由1915年的25%下降到2005年的3%)，涨潮流的含沙量远远大于落潮流的含沙量[27]；北支河段平均高潮潮位增加，平均低潮潮位降低，盐水入侵更深，南支的盐度等值线变得稀疏[28]。长江口的部分沉积物(细沙至中沙)堵塞了上升流，导致向海深度逐渐减小；泥沙输入量的减少迫使长江三角洲发生过渡，河口由不对称河口向受波浪影响的偏斜河口过渡[29]。另外，有研究指出围垦后的莱州湾潮流在不同的方向和速度下变化，海水变得越来越深，潮汐范围越来越大[30]。

在过去70年的土地围垦过程中，由于洋流的减少，悬沙浓度逐渐减弱[31]。围垦会减少细粒沉积物的容纳空间从而导致悬浮沉积物浓度的增加[1]。1923—1983年，由于填海工程，东京湾的海面面积减少了25%，湾内M2潮幅值和湾口水交换量分别减少了8%和35%；东京湾河口附近的表层沉积物由于潮汐波幅的减小而由砂变为粉砂[32]。围垦之后，由于边界条件的改变，导致了水沙运行环境的改变，涨落潮流特性随之变化，净输沙格局也相应变化。围垦后槽蓄量减小，涨、落潮动力减小，潮流所挟带的沙量也随之减小[33]。

水动力变化影响河流动力与海洋动力在纵向的消长对比关系，同时水流、潮流动力在平面分布也会发生偏移，从而影响其物理作用、化学作用以及生态过程随时间和空间的变化，其过程十分复杂。当前的学者大多应用MIKE21、TELEMAC-2D及FVCOM等数值模拟软件分析人类活动对局部范围河口水动力的影响，加上人类活动漫长且复杂多变，使得模拟计算的可靠性及精度不尽如人意，同时河床随水动力具有自我调整作用，其水动力过程就更加复杂与特殊，需要开展整体系统的研究。

2.2 对河口岸线及纳潮量的影响

合理的滩涂围垦增加了土地资源、深水岸线资源，拓展了社会的发展空间。但在海岸线进退的驱动力上，人类活动作为叠加在泥沙淤积和海水侵蚀两大自然驱动力基础上的第三驱动力，加剧了海岸线变化特征的复杂性[34]。河口的滩涂围垦可以带来大量的土地，但同时也会改变原有的河口及延伸地区的海岸线，使工程水域的流场发生改变，影响泥沙的运移，进而改变了原有海床长期稳定的冲淤状态，使海底地形重新调整以适应变化了的水流、泥沙动力场[35]。众多的围垦填海项目及海岸带开发利用项目改变了海洋水动力环境，而沿岸的水土流失打破了海床的冲淤平衡，大量的泥沙淤积加快了海岸线向着由陆地向海洋的方向推进[36]。有研究指出，2006—2009年江苏海岸线快速向海推进，且区域的围垦面积越大海岸线推进速率越快[37-38]。对三门湾海岸线的时空变化及其所受人为干扰程度的研究表明，人为因素对三门湾海岸线变化的影响大于自然因素，围垦工程是三门湾岸线变化的主导因素[39]。此外，各种海岸线类型的历史变化揭示了人类对渤海的密集开发利用情况，由于人类活动的影响，渤海的海岸线类型和面积自2002年以来发生了迅速的变化，岸线总长度增加633.7 km，年均增长25.3 km，大量的自然滩涂被盐塘、文化塘、围垦地所取代，海岸线变化的主要原因是围垦和筑堤[40]。

海湾纳潮量定义为海湾高潮水量与低潮水量之差，纳潮量的数值主要取决于海湾高、低潮时潮位的变化和海域面积的变化[41]。总水域面积的缩小和总岸线的增长必然会破坏原有的水动力条件，使得纳潮量减小，海水交换能力下降，挟沙能力随之减弱，势必会引起海湾的淤积[42]，如渤海湾海岸线的变化导致了最大潮汐增加了0.1～0.2 m[43]。有研究指出，乐清湾水域由于围垦等海湾开发，50多年来纳潮量减少17.69%，随着海湾开发建设加速，海域纳潮量减少速率也加快[44]。曾相明等[45]在POM(princeton ocean model)模型的基础上，对象山港不同时期的岸线与地形进行模拟，发现象山港1963—2010年围垦后大潮纳潮量减少12.7%，中潮纳潮量减少12.7%，小潮纳潮量减少12.4%，全潮平均纳潮量减少12.6%。

利用Landsat MSS/TM/ETM+、RS及GIS等技术能够有效支持监测河口岸线变迁的过程，但由于潮位变化、地形和季节气候等因素的影响，提取的海岸线的精度难免存在误差；再加上海岸线上持续不断的人类活动，河口区域岸线变化特征在时空上更加复杂。另一方面，海岸线的变化会引起海湾纳潮量变化，海湾纳潮量又与水体的自净能力息息相关，深刻影响着河口区域的生态环境，但前人就此方面研究较少，需要更进一步的深入研究。

2.3 对防洪排涝的影响

围垦滩涂是增加土地资源的重要手段，经过科学论证的合理的围垦对局部的行洪不会产生明显影响，有的甚至会起到稳定河床节点的作用，有助于河势趋稳调整。但围垦不当会破坏滩涂湿地形态使河流行洪受到影响，导致围垦区上游城镇受洪水、台风等自然灾害的侵犯[46]。近十几年来，杭州钱塘江行洪的滩地上围垦造田达3.3万hm2，导致钱塘江中下游河口断面只有原河道宽的1/4，水面宽度仅为钱塘江入海口宽度的1/10，潮水一来河水水位显著抬高[47]。同时各条入海水道随着围垦和联垦而不断延长，大大增加了泄洪难度[48]。不合理的围垦所导致的水量集中、蓄滞洪能力减小及网河区水文特征发生变异，对滩槽演变和泄洪产生深远的影响。白藤堵海工程初期，各口门低潮水位抬升0.1～0.3 m，高潮水位降低0.2 m左右，内涝加剧[49]。1996年东台市三仓垦区围垦，由于规划不周，标准偏低，全线海堤在即将竣工时被潮冲刷决口，被迫退建，并提高标准，造成千万元的直接经济损失[50]。

洪水会造成大规模的基础设施破坏及严重的人员伤亡，而河口滩涂围垦会改变所在海湾的纳潮量，影响防洪排涝，使沿海城市在处理风暴潮和内涝等突发性自然灾害时产生风险隐患。围垦工程附近区域的海岸线变化可以引起更高的风暴潮，且风暴潮增加约七成是海岸线变化导致的[51]。吴玮等[52]基于ADCIRC模型对台风路径和强度，以及有、无围堤的假设进行数值模拟，表明温州近岸的围垦工程实施后增大了风暴潮漫滩淹没风险。同时，茅洲河河口围垦导致潮位最大壅高0.459 m，潮差减小，涨、落潮量缩减，最大潮量减幅为3.54%，围垦区西侧水域流速最大增加值约0.5 m/s[53]；渤海湾大规模围垦导致渤海湾最大潮汐增加0.1～0.2 m，总水位接近或超过海湾港口的警戒水位[54]。围垦后海河口潮位表现出的潮差增大、高潮位增高给防洪带来更加严峻的挑战，高潮位增高要求防洪工程的防洪标准也随之增高，或者说使得现有的防洪标准变相降低；另外，潮差增大也给防洪排涝增加了难度[55]。围垦工程引起的水位变化率与海平面上升的影响相似，甚至大于海平面上升的影响[56]。而海平面的上升会导致我国沿海地区的一系列环境灾害，如海岸侵蚀、海水入侵、沿海低地洪涝灾害等[57]。有专家预测2010—2030年上海地区相对海平面上升10～16 cm，使得上海近岸海域潮位增高8～24 cm，设计高潮位抬升16 cm，设计波高上升12.48 cm[58]。在世纪之交，海平面以上不到1 m的沿海低地将被淹没，三角洲面临洪水威胁的地区将增长50%[59]。

大多数河口进行围垦后会新建海堤护岸，与天然海岸线相差巨大，河口区域的潮汐波浪、地貌及泥沙条件等都将发生变化，纳潮量减小，风暴潮强度及发生频率增大，区域水文平衡遭到破坏，增大了防洪压力及防洪成本。在今后的研究中，应该充分应用精细化的数值模型计算、局部的物理模型试验以及大数据长系列水沙浪流资料分析，系统论证滩涂围垦对水流动力、纳潮量、河口岸线及河床稳定等方面的影响，科学指导河口滩涂进行合理高效的开发利用。

3 结语及展望

a. 河口水动力环境复杂多变、影响甚广，围垦改变了潮汐的范围，使潮滩失去了对潮能的存储与耗散作用，还会由于潮汐能的重新分配而改变整个区域的水位；潮汐不对称性质随之发生改变，分水分沙比急剧下降，盐水入侵，悬沙浓度逐渐减弱。

b. 河口海岸的滩涂围垦影响河流动力与海洋动力在纵向的消长对比关系，同时水流、潮流动力在平面分布上也会发生偏移，从而影响水沙盐运动在时空上的分配过程，应从系统的观点进行整体模拟与评价。

c. 围垦加剧了海岸线变化特征的复杂性，沿岸的水土流失打破海床的冲淤平衡，大量的泥沙淤积加快了海岸线向着由陆地向海洋的方向推进；使得纳潮量减小，海水交换能力下降，挟沙能力随之减弱；随着海湾开发建设加速，海域纳潮量减少速率也加快。

d. 滩涂围垦会破坏湿地形态，导致水量集中、蓄滞洪能力减小及网河区水文特征发生变异，使河流行洪受到影响；围垦后河口潮差增大、高潮位增高，增大了风暴潮漫滩淹没风险，给防洪排涝增加了难度，也间接降低了现有工程的防洪标准。

滩涂资源保护与高效利用已成为事关沿海经济持续发展的重大问题之一。在当前大力推进河流生态保护的新时代，应更多地关注于滩涂利用对生态环境的影响。在水(潮)流动力、河口岸线变化和防洪御潮等方面进行整体系统地模拟，从资源承载力的角度科学评估滩涂围垦所产生的影响，揭示滩涂资源利用和相关制约因素之间的互馈关系，让规划更合理、开发更科学、保护更有效、城市更美好，实现真正意义的滩涂资源高效开发与保护。