淤积型海湾整治修复效果综合评价——以厦门湾为例

杨金艳，罗福生，王爱军，于东生

(自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

近半个世纪以来，海湾的开发利用为沿海地区带来了巨大的经济效益，但同时也带来了一些严峻问题。多个海湾由于围垦、筑堤等工程活动而显著改变了原有自然属性，出现了不同程度的淤积现象，沉积速率不断加快，如胶州湾、泉州湾、三门湾等[1]。同时，高度密集的人类活动加大了海湾的生态环境压力，伴随海湾淤积加剧的还有水质恶化、海洋生物减少、生态价值降低、生态系统退化甚至崩溃等问题。随着海湾整治和生态修复工作的不断开展，世界各地的学者对不同类型修复工程的效果评价进行了研究。Ludwig等(2006)应用层次分析法(AHP)建立生态系统修复效果预评价体系，将其应用于康涅狄格河至切萨皮克湾的城市河口区生态修复方案对比[2]。对于滨海湿地生态修复工程，冯建祥等(2017)从生物群落结构、非生物环境质量及生态系统功能3个方面构建了滨海湿地生态修复效果定量评价指标体系，并对福建漳江口本土红树秋茄(Kandeliaobovata)替代入侵种互花米草(Spartinaalterniflora)生态修复效果进行了定量评价[3]。对于人工潟湖生态系统构建，叶维钧等(2014)在生态环境调查和分析的基础上，对上海金山城市沙滩人工潟湖水体修复工程的效果进行了评价[4]。对于人工鱼礁的生态修复工程，Marsden等(2016)对雷霆湾的人工珊瑚礁进行了5 a跟踪监测和采样，评价了人工珊瑚礁对鱼类种群的恢复效果，并以此对珊瑚礁尺度设计进行了反馈[5]。符小明等(2017)为评价海州湾生态修复工程实施的效果，在分析本底调查数据的基础上，通过效用函数估算海州湾生态修复治理目标的实现程度[6]。对于砂质海岸的整治修复工程，张明慧等(2017)采用高空间分辨率的卫星遥感影像对营口月亮湾海岸空间整治项目实施前后的海岸景观格局进行了监测，在此基础上构建了评价指标体系并评价了整治效果[7]。

很多海域空间整治工作以一整个海湾为实施对象，淤积型海湾的整治修复属于其中较为典型的整治形式，其目标多重、手段多样、效果多面的综合性特点突出，实施效果的评价存在一定复杂性。目前有一些学者开展了效果预评价研究，如王勇智等(2013)应用数值模拟方法，对淤积严重的丁字湾整治后的水动力环境变化进行了模拟预测，并给出了丁字湾整治修复的建议[8]；孙芹芹等(2015)在对安海湾整治修复设计的5种疏浚方案中，统计对比其资源效益、环境效益、生态效益和经济效益，为安海湾整治修复中疏浚方案的选择提供了参考[9]；杨蕙(2017)以安海湾清淤综合整治为例，综合考虑水文动力环境等9个方面因素，应用基于灰色关联度的模糊综合评价法对安海湾清淤综合整治进行了预评价[10]。这些预评价研究基本以水动力数学模型为基础，存在评价指标相对单一、假设条件较多、缺乏实测数据支撑的问题，整治效果的后评价研究还较为欠缺，尚未形成系统完整的效果评价技术方法和评价技术流程，无法满足我国海域海岸带空间资源综合整治工作的需求。本研究针对淤积型海湾整治修复工程进行效果评价，尝试构建项目效果评价技术指标体系和效果评价模型，并以厦门湾海域清淤整治工程为例进行了应用探索研究，以期为海域海岸带空间资源综合整治工作的开展提供参考。

1 淤积型海湾整治效果评价方法

1.1 淤积型海湾的生态环境问题和机理分析

海湾的快速淤积及一系列生态环境问题是对沿海人类活动影响急剧变化的响应。以胶州湾为例，周春艳等(2010)发现2008年胶州湾人工岸线增至158.8 km，自然岸线仅19.3 km，1863—2008年胶州湾面积缩小了38.6%，1935年之后的缩小速率是其之前的13倍，纳潮量由1935年的1.36×109m3减少到了2005年的1.11×109m3[11]；戴纪翠等(2006)综合不同学者的计算结果发现胶州湾在人类活动影响下沉积速率明显加快[12]；沈志良(2002)发现胶州湾海水中的无机氮含量从20世纪60年代的0.03 mg/dm3升至21世纪初的0.29 mg/dm3[13]；吴玉霖等(2005)发现中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)等偏好富营养环境的藻类成为胶州湾最明显的浮游植物优势种，浮游植物多样性指数下降[14]；孙松等(2011)发现胶州湾浮游动物群落结构也发生了重大改变[15]；曾晓起等(2005)发现胶州湾及其邻近水域游泳生物趋于小型化[16]。胶州湾在高强度的人类活动影响下生态功能明显退化。

淤积型海湾的问题机理可参考图1。从图1可以看出，水动力条件的减弱和泥沙来源的增加是导致海域产生淤积的直接因素。一般来说，大面积的围填海和海水养殖会导致海湾水域面积缩减，海湾纳潮量减少，进而水动力条件明显减弱；在某些海域，海堤等构筑物的建设会缩减甚至截断原有的潮流通道，导致水动力条件发生明显改变。水动力条件的减弱引起水流携带泥沙的能力下降，使得泥沙淤积可能性增大。若遇到外部环境变化导致的泥沙输入的增加，海湾淤积风险将明显上升。海湾明显淤积有可能改变原有的沉积环境，同时水动力的减弱不利于污染物的扩散，海湾水质和生态环境将受到影响，进而影响海域的生态和景观功能。

图1 海湾淤积问题机理及影响Fig.1 Mechanism and impacts of bay siltation

淤积型海湾的整治修复通常是综合性的整治工程，涉及通航、环境整治、生态修复、旅游资源提升等多方面的目标，对当地的生态环境和经济社会发展都有一定影响，为得到科学准确的评价结果，需要全方位把握信息，建立完善合理的评价指标体系和评价方法。淤积型海湾整治修复效果评价的主要流程见图2。

图2 淤积型海湾整治修复效果综合评价流程Fig.2 Flow chart for evaluation of silted bay restoration

1.2 评价要素确定

评价淤积型海湾的整治修复是否达到“治本”的效果，需要判断其是否解决了导致海湾淤积的根本性问题，整治措施、整治目标与海湾淤积成因存在明显的指向关系，如海域面积严重缩减的海湾主要考虑拓展、恢复水面，海堤阻挡原有潮流通道的海湾主要考虑恢复潮流通道和通航能力，排污累积的底泥和水体污染的海湾主要考虑底泥处理、排污治理、改善水体环境等。在确定评价要素时，海湾问题成因及项目修复目标应作为重要参考。表1给出了不同问题成因的淤积型海湾整治修复应考虑的主要评价要素，当海湾存在多个问题成因并采用多种整治修复措施时，主要的评价要素也相应增加。

表1 淤积型海湾整治修复主要评价要素的确定

1.3 评价方法和指标筛选

淤积型海湾整治修复属于综合性整治工程，可采用多因子综合评价方法。依据已确定的评价要素进行指标细化，建立适合的评价指标体系。除了项目本身对指标筛选有决定作用外，工程前期专家咨询成果、指标数据的合理性、同指征不同指标数据获取的经济性对比、指标获取手段都会对单个项目效果评价指标体系的确定产生影响。

1.4 指标数据获取

在获取指标数据时，需注意指标数据的获取时间节点和可对比性，这与项目实施情况、历史数据资料获得情况有关。对于尚未实施的项目或已开展工程对海湾影响很小的项目，可根据评价指标体系全面开展工程前、后期的数据监测，必要时可在项目实施期间开展跟踪监测了解指标数据的变化情况，历史监测数据可作为参考。此种方法评价指标覆盖全面，数据可对比性强，评价结果较为准确。对于已经处于进行中或已经完工的项目，需着重参考历史监测数据和资料，必要时进行后续补充监测。由于历史监测数据和资料有可能并不完整，在此种情况下做效果评价时，评价指标的全面性和评价结果的准确性可能有所欠缺，但仍有一定参考价值。指标数据可由多种手段获得，除实际调查监测以外，也可以采用数值模拟、物理模型模拟、遥感数据分析等方式获取。

1.5 模型评价

1.5.1 指标权重确定 本研究中的指标权重采用AHP[17]结合适当的专家咨询方法来确定。在指标体系的每一层中，将元素进行两两比较，构造重要性判断矩阵。表2中目标层A下要素层B的判断矩阵如下：

AB1…B8

其中矩阵M有如下的性质：Mij>0，Mij=1/Mji，Mii=1。在对元素之间重要程度的判断过程中，对于比较复杂的项目，应当由多位专家填写判断矩阵，然后根据多个结果，取平均值之后获得，以避免单人认知的局限性。为保证层次分析法结果的合理性，需要对判断矩阵进行一致性检验。计算公式如下：

(1)

式(1)中：CI为一致性指标，λmax为矩阵最大特征根，n为矩阵阶数；CI值越小一致性越好。再计算检验值CR=CI/RI，RI为随机一致性指标，与判断矩阵的阶数有关。CR<0.1时，判断矩阵具有比较好的一致性，否则需要调整判断矩阵。要素层判断矩阵满足一致性即获取要素层权重，而后对每一个要素的指标层构造判断矩阵，获取指标在单要素内的权重，最后得到每个具体指标相对目标层的总权重，其计算公式如下：

Wi=WBi·WCi

(2)

式(2)中：Wi为第i个评价指标的总权重，WBi为第i个评价指标所属的要素在要素层中的权重，WCi为第i个评价指标在指标所属的单个要素中的权重。

1.5.2 指标变化的评价得分 对于项目实施前后两个时间节点的指标数据，此处采用定性和定量相结合的方式给出评价得分的标准参照，以百分制方法进行评价打分。定量化对比分析可用于如空间规模、水动力环境、泥沙沉积环境和生物生态环境等评价要素层的指标。定性和定量相结合的方法可用于沉积物质量环境、水质环境、景观环境和社会经济效益等评价要素层的指标。表3给出了淤积型海湾整治修复效果评价指标参数的得分参考值。

表2 淤积型海湾整治修复效果评价指标体系

表3 淤积型海湾整治修复效果评价指标参数的得分参考

续表3

1.5.3 综合评价 淤积型海湾整治修复项目效果综合评价指数采用如下公式进行计算：

(3)

式(3)中：HI为效果综合评价指数，n为所采用的评价指标数量(个)，Wi为评价指标总权重，Si为指标变化得分。对于效果综合评价指数，此处认为60分即为初步达到整治的效果，80分则表示整治效果较好，低于60分则整治效果较差，没有达到预期目标。

2 厦门湾清淤整治效果综合评价

2.1 研究区概况

厦门湾位于福建省东南部，面积为230.14 km2，属构造成因港湾，兼有河口湾性质，西侧有福建省第二大河流九龙江汇入。湾内大部分海域水深为5～10 m，最大水深在30 m以上。海湾属正规半日潮海区，平均潮差约为4 m，潮流属规则半日潮流、往复流。湾内有中华白海豚、文昌鱼等海洋珍稀物种，以及以红树林为代表的海洋生态湿地分布。

多位学者从不同角度分析了近年来厦门湾的环境变化及其影响。吴丹丹等(2011)通过遥感影像图对比结合文献资料统计研究了厦门湾的海岸线变迁，发现1950年以后厦门海域填海总面积达到125.74 km2[18]；杨顺良(1996)认为嵩鼓航道1938—1969年间的明显淤积与高集海堤、集杏海堤、马銮海堤的建设用土及西海域纳潮量的减少显著相关[19]；蔡锋等(1991)发现整个同安湾(本研究以东海域指代)在高集海堤建设之后处于不同程度的淤积状态，沉积速率增加[20]；蒋荣根等(2014)根据2003—2012年监测数据对厦门海域水体富营养化状况进行了综合评价，认为厦门海域水体富营养化压力等级为中高级， 富营养化状态等级为中级[21]；陈鹏等(2014)研究发现厦门湾自然湿地的面积从1989年的275.82 km2减少至2010年的238.60 km2，滨海湿地退化程度加剧[22]；吝涛等(2006)认为厦门海岸带湿地变化对海湾生态环境产生的影响主要为水质恶化，近海底栖生物多样性降低、局部群落变化显著，泥沙淤积造成厦门主要航道淤积，水产养殖产量下降，珍稀海洋动物数量减少、分布变化明显等5个方面[23]。

厦门湾的淤积和环境问题成因主要有：①高集海堤建设导致东、西海域的联系基本切断，各自成为半封闭海湾，海湾性质发生改变，水动力环境和沉积环境有利于泥沙的淤积；②多年来大量的围填海建设导致海湾面积缩减、纳潮量显著减少、水动力环境弱化、淤积加速，不利于水体交换；③人口增长、经济发展带来的入海污染物不断增加，海湾水质恶化；④生物生态环境因水域空间缩减、水质恶化受到影响，中华白海豚数量、文昌鱼资源和红树林面积均明显减少。

2.2 厦门湾清淤整治行动概况

2008年厦门海域清淤整治工程正式启动，主要内容包括：海域清淤工程、海堤开口改造工程和淤泥处置工程。参考图3，项目规划：清淤1.51×108m3；对高集海堤、集杏海堤、马銮海堤等进行开口改造，高集海堤开口800 m并设桥，集杏海堤和马銮海堤开口设闸并提高防洪、防潮等级；设置弃泥区平衡清退用地，规划纳泥1.60×108m3[24]。预期达到的主要目标：①恢复东、西海域的水体交换，改善东、西海域的水动力条件；②改善东、西海域的水质环境和泥沙冲淤环境；③拓展中华白海豚的生存空间；④开辟小型船舶航道；⑤改善海域景观。

2.3 综合评价应用结果及讨论

2.3.1 指标体系筛选 本研究选取2011年和2016年作为厦门海域清淤整治工程的评价时间节点，收集的资料主要有项目前期设计资料、数值模拟、水文观测、沉积物特征分析调查数据、历年厦门海洋环境状况公报、卫星图片以及新闻报刊发布的工程进展信息等。根据项目特点，对照厦门海域清淤整治工程的预期目标，在表2要素层目标分类中，空间规模的改善并不属于项目的主要目标，同时项目实施对空间规模的改善也不明显，因此剔除此项。泥沙沉积环境要素层中，对于悬浮泥沙指标，考虑到厦门西海域悬浮泥沙主要为海域来沙，受九龙江入海泥沙影响很大，同时海域实测悬沙浓度较低，一般不超过0.05 kg/m3，因此采用全潮输沙通量作为对比参数。水质环境要素层中，选用化学需氧量和厦门海域的典型超标因子无机氮和活性磷酸盐作为对比参数，同时参考评价等级的变化。生物生态环境要素层中，渔业资源指标由于数据资料缺乏未做考虑，敏感生物指标选用火烧屿站的中华白海豚年观测头次的变化幅度作为对比参数。景观环境要素层中，由于厦门海域清淤整治工程内容主要为清淤和海堤开口改造，人造沙滩和红树林种植为依托本项目的附属工程，因此旅游景观指标在本次评价中未纳入。

2.3.2 参数打分及计算 本研究采用AHP进行计算得到要素层B重要性判断矩阵的权重向量为(0.35，0.20，0.11，0.11，0.11，0.06，0.06)。赋值评分采用表3中阶梯赋值结合线性插值的方式进行，对应的指标数据中，纳潮量、水体半交换周期、流速大小和泥沙回淤指标数据通过数值模拟计算获取，滩涂景观、通航能力和防洪能力指标数据通过相关工程设计资料获取，其他指标数据由现场监测得到。

参考图4，数值模拟计算表明，工程实施能够使得东、西海域的纳潮量增加，高集海堤断面产生5.8×107m3的净纳潮通量，东、西海域的水体半交换周期自256 h缩短至173 h，海域水动力环境得到增强[25]。监测数据显示，东、西海域的平均悬浮物浓度和活性磷酸盐平均浓度均有不同程度下降，而无机氮平均浓度有所增高；浮游植物的多样性指数有所下降，潮下带底栖生物的多样性指数有所提高；火烧屿观测站的白海豚从2011年的215头次/a增长至2016年的349头次/a，观测头次明显增加[26-27]。同时，对比同期九龙江和厦门陆源排污口主要入海污染物排放量，如图5所示，2016年九龙江入海污染物总量为25.60 t，相比2011年的24.40 t增加了4.9%，其中总氮为7.41 t，增加了49.7%，总磷为33.10 t，增加了91.3%。2016年厦门陆源排污口的主要入海污染物为2.47 t，相比2011年的1.48 t增加了66.9%[26-27]。

根据厦门湾淤积和环境问题成因，选取水动力环境、泥沙沉积环境、沉积物质量环境、水质环境、生物生态环境、景观环境和社会经济效益等7个评价要素及对应的14个评价指标，采用AHP计算要素层及每个单要素下指标层的权重分配，根据公式(2)和表3对所有评价指标进行了总权重分配和打分，根据公式(3)计算得到厦门海域清淤整治工程项目的效果综合评价指数为84.2，具体指标权重及参数得分见表4。

2.3.3 讨论 对比项目预期目标，厦门海域清淤整治工程的实施，增加了厦门湾纳潮量，改善了水动力条件；水质环境和泥沙冲淤环境得到一定程度的改善；中华白海豚的观测头次显著增加；东、西海域恢复连通，增设小型船舶进出航道；海域景观得到改善。综合各方面来看，项目达到了较好的预期整治效果，与效果综合评价指数结果所属区间一致。

厦门的大面积围填海和构筑物建设使得水动力条件减弱，产生明显淤积并导致了水体和沉积物的环境问题，径流与陆域的入海污染物加重了海域的生态环境压力。厦门海域清淤整治工程改善水动力条件的主要目标切合厦门海域环境问题的关键因素，因此，厦门海域清淤整治工程效果综合评价中水动力环境和泥沙沉积环境指标权重相对较高，以体现整治工程主要目标的完成度；工程前后海域沉积物质量总体保持原等级，西海域硫化物等级由部分二类转为一类，有机碳等级由一类转为部分二类[26-27]，沉积物质量环境指标得分不高；海水化学和底栖生物指标上的得分较低，可能与施工干扰较大、海域周边径流与陆源排污的总量有所增加有关。

图4 厦门海域清淤整治工程实施前后典型指标的变化Fig.4 Typical evaluation parameters before and after Xiamen Bay restoration project(a、b)的数据引自文献[25]，(c-h)的数据引自文献[26-27]。

图5 2011年和2016年厦门湾入海污染物排放量变化Fig.5 Amount of pollutants discharged into Xiamen Bay in 2011 and 2016数据引自文献[26-27]。

表4 厦门海域清淤整治工程项目效果综合评价指数计算表

需要注意的是：①淤积型海湾清淤整治效果综合评价的关键在于对问题成因的透彻分析，项目措施要能够解决环境问题，项目目标才能指导效果评价指标体系的建立，在实际应用中，主要评价要素与项目目标很可能不完全一致，此时评价指标体系的建立则不应受项目目标的制约；②在指标权重分配上，对于受多重外部因素影响的指标，无法体现项目本身的作用，则不建议赋予过高权重，如本研究厦门海域清淤整治工程中，九龙江及陆源排污口的统计污染物入海总量均有增加趋势，直接影响水质相关指标，增殖放流活动也会影响底栖生物的相关指标数据，在进行评价时，相应指标的总权重宜作下调；③需要掌握项目的实施进度情况以及项目实施期间海湾的环境情况，了解是否有重大环境风险事件的发生，是否会对海湾环境造成长期影响进而影响项目效果评价数据的可对比性；④本模型内的生物生态环境指标较为简单，需要进一步完善；⑤对于景观环境和社会经济效益的相关要素，公众满意度和支付意愿调查亦可成为量化对比指标的考虑选项。

3 结论

本研究在分析海湾淤积环境问题成因机理的基础上，系统梳理了淤积型海湾整治修复工程效果评价的流程和技术方法，初步形成淤积型海湾整治修复效果综合评价技术指标体系。建立的评价模型在厦门海域清淤整治工程实践中的应用结果显示，项目的效果综合评价指数为84.2，与项目预期整治效果一致，模型有较好的适用性。

致谢：衷心感谢自然资源部第三海洋研究所黄浩、龙邹霞和陈文锋在本研究数据收集过程中给予的支持和帮助。