渤海湾天津滨海新区围海造陆前后海底冲淤变化

田立柱，王 福，裴艳东，李 勇，施佩歆，姜兴钰，李建芬，商志文，王 宏

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.中国地质调查局海岸带地质环境重点实验室，天津 300170；3.华北地质科技创新中心，天津 300170）

1970年以来，为解决港口、临港工业区、滨海开发区和部分农渔业用地需求，津冀沿海围海造陆面积669 km2[1]。遥感监测显示，天津滨海新区2000—2015年间围海造陆超过250 km2，海岸线由153 km增加到326 km，向海推进超过20 km[2]。大规模围填海，改变了局部潮流场，必然造成侵蚀淤积的变化。在全球海平面上升背景下，海底侵蚀和淤积将直接影响到海岸带工程的中长期安全和海岸生态环境保护修复布局，因此查明围海造陆造成的海底冲淤影响十分必要。

天津滨海新区位于渤海湾西岸，其岸线和近岸等深线展现出的“ε”状地貌格局，已被证明是古黄河公元1048年在天津塘沽入海堆积大量泥沙所致[3-5]。公元1194年古黄河离开渤海湾，改道苏北入海，并于公元1855年在山东东营入海[3，6-8]，期间渤海湾西部虽入海河流众多[9]，但向海输运的泥沙量十分有限，沉积供给主要源自湾外的泥沙复杂补给[10-15]，原有古黄河三角洲海岸遭受侵蚀改造，仅1870—1950年海水进侵造成约100 km2的土地损失，岸线变得平直[16-18]。天津滨海新区海底地形整体上西高东低，调查区海底水深范围在10 m之内，海底地势平坦，但在围海造陆区周边存在较大地形起伏，较之以往已形成显著的侵蚀和淤积现象。本文在遥感解译的围填海过程的基础上，确定围填海前后两个主要时段，通过12条垂直和平行海岸的海底地形地貌监测剖面数据，对该区围海造陆的海底冲淤影响进行了综合评价。

1 方法

1.1 遥感解译方法

遥感解译采用Landsat系列卫星遥感数据（MSS、TM、ETM+、LIO），多光谱数据几何分辨率为30 m，全色数据几何分辨率为15 m，遥感数据处理主要包括图像的几何校正、镶嵌，配准等[2]，主要对岸线和人工围填海工程海挡边界进行解译（图1）。

图1 滨海新区围海造陆进程与海岸线变化Fig.1 Land reclamation process and shoreline migration in the coast of Binhai New Area

1.2 海底冲淤变化监测方法

海底冲淤变化监测采用Himax型单波束全数字测深仪，以及EdgeTech 3100P型浅地层剖面仪系统开展。共设置了12条监测剖面，其中平行现代海岸线方向剖面4条，垂直现代海岸线方向剖面8条（图2），对比分析围海造陆前后海底水深及冲淤变化监测。

图2 近岸潮下带12条监测剖面位置示意图Fig.2 Position of 12 monitoring profiles in nearshore subtidal zone

Himax型单波束全数字测深仪水深测量精度优于2 cm；EdgeTech 3100P型浅地层剖面仪系统的浅地层结构测量精度约20 cm；定位系统采用K9信标机，导航定位准确度优于±5 m，进行实时动态测量。测量船在预定的测线方向上匀速直线航行，船速不大于5节。测量声速设为1 524 m/s，地层平均声度设定为1 600 m/s。潮位采用Win-situ型自容式潮位仪采集，测量精度2 cm。为降低水深数据测量误差，调查和后期数据处理时采用以下措施：（1）测深探头安装深度读取精确至1 cm；（2）船体起伏幅度要采用平滑处理；（3）水声速测量采用标准实际温度和盐度计算取得；（4）潮位仪采集压力数据经大气压校正后计算潮位；（5）潮位校正采用中心渔港、天津港、天津南港地区多站插值计算方法综合校正，潮位校正基准为理论深度基准面。为评价校正水深的综合误差，在地势平坦地区，在2015年对相同地点不同潮时校正的水深值进行重复测量比对，结果显示测量误差4～8 cm（表1）。

表1 水深测量误差比对Table 1 Comparison of water depth measurement errors

渤海湾潮下带海底地势极为平坦（垂岸坡降约0.3‰～0.6‰），两次测线行船围剖面测线偏移在100 m内，平行海岸监测剖面位置重叠度导致的比对误差在3～6 cm，而垂岸剖面重叠度导致的比对误差小于

1 cm。

2 结果和讨论

2.1 遥感显示的围填海工程阶段划分

遥感围填海过程解译结果显示，渤海湾西岸天津滨海新区围填海工程划分为4个阶段。第一阶段为2003年及以前的零星填海阶段，主要滩涂的盐田改造、城市建设和天津港港口小规模扩建造陆工程；第二阶段为2004—2009年的温和填海阶段，主要围绕天津港扩建配套的围海造陆工程，即临港工业区、东疆港等中小规模的围海造陆工程；第三阶段为2010—2013年的快速填海阶段，围填海工程沿着岸线全面铺开，南港工业区、临港经济区、临港产业区、天津港扩建、滨海旅游区、中心渔港、北疆电厂等围海造陆工程全面开建，共计超过420 km2，实际上在2019—2010年现有造陆外围边界就已基本完成，2011—2013年将所围区域逐渐充填成陆；第四阶段为2014年及以后的基本无新增填海阶段。

2.2 围海造陆前后海底冲淤监测剖面对比

以2006—2009年获取的单波束和浅地层剖面调查数据，作为大规模围海造陆实施前的地形地貌本底，并在2015年实施原位重复测量监测。综合考虑测量误差和对比误差，海底冲淤变化监测门限为20 cm，该数值5～10倍于渤海湾厘米级的自然变化背景[19-20]。因此以单波束水深监测数据为基础，并辅助以浅地层剖面监测数据作为定性印证，可对海底显著冲淤进行识别（图3，图4）。

图3 No.1～No.6剖面水深与浅剖冲淤监测结果Fig.3 Erosion and siltation monitoring results of water depth and SBP in No.1～No.6 profiles

图4 No.7～No.Ⅳ剖面水深与浅剖冲淤监测结果Fig.4 Erosion and siltation monitoring results of water depth and SBP in No.7～No.Ⅳprofiles

2.2.1 No.1剖面

No.1剖面为垂直岸线方向剖面，位于现北疆电厂东南侧潮下带，南北方向、长度约4 km，水深向南变大。2006年水深为1.1～2.5 m，9年后的2015年该剖面整体上存在显著的淤积作用，主体淤积量在0.3～0.9 m，水深变为0.3～2.5 m，最大淤积区位于北疆电场东侧，原剖面中部的海底牡蛎礁也因大量淤积被埋藏消失，海底坡降增加约57%，由0.35‰变为0.55‰。

2.2.2 No.2剖面

No.2剖面为近似平行岸线方向剖面，位于现中心渔港东侧潮下带，东西方向、长度约4.8 km，水深向东变大。2006年水深为1.6～2.3 m，7年后的2015年该剖面西部侵蚀作用显著，侵蚀范围0.1～0.6 m，水深变为1.8～2.3 m，海底坡降显著变缓，由0.2‰变为0.09‰，坡降近乎水平，东部整体上存在微弱的淤积作用。

2.2.3 No.3剖面

No.3剖面为垂直岸线方向剖面，位于航母主题公园东南潮下带，NW-SE方向、长度约8 km，水深向东南变大。2007年水深0.4～4.3 m，8年后的2015年该剖面淤积显著，淤积范围0.1～0.6 m，水深变为0～3.6 m，浅部淤积厚度较大且较为均匀，海底坡降增加约14%，由0.47‰变为0.53‰。深部原较为平坦的海底形成约1m高差的明显起伏，淤积厚度变化大。

2.2.4 No.4剖面

No.4剖面为垂直岸线方向剖面，位于北塘蓟运河三岔河口外东南潮下带，NW-SE方向、长度约12 km，整体上水深向东南变大，但由于近岸地区开挖航道，水深变化复杂。2007年水深0～4.7 m，8年后的2015年该剖面淤积明显，淤积量0.1～0.4 m，水深变为0～4.2 m，深水区海底淤积厚度大。海底坡降一直保持稳定在0.6‰左右。

2.2.5 No.5剖面

No.5剖面为垂直岸线方向剖面，位于东疆港沙滩东侧潮下带，NW-SE方向、长度约8 km，整体上水深向东南变大。2007年水深2.6～6.0 m，8年后的2015年该剖面西部和中部淤积显著，淤积量0.1～0.7 m，水深变为1.9～6.0 m，海底坡降变陡约22%，由0.41‰变为0.53‰。

2.2.6 No.6剖面

No.6剖面为垂直岸线方向剖面，位于东疆港沙滩东南侧潮下带，NW-SE方向、长度约5 km，整体上水深向东南变大。2007年水深3.7～5.3 m，8年后的2015年该剖面西部和中部淤积显著，淤积量0.3～1.3 m，水深变为2.3～5.3 m。海底坡降变陡约73%，由0.37‰变为0.59‰。

2.2.7 No.7剖面

No.7剖面为垂直岸线方向剖面，位于临港产业区外围海挡东南侧潮下带，NW-SE方向、长度约4 km，整体上水深向东变大。2009年水深4.9～5.9 m，6年后的2015年该剖面遭受显著的海底侵蚀，侵蚀量0.1～0.9 m，水深变为5.8～5.9 m，海底坡降显著变缓，由0.28‰变为0.03‰，坡降近乎水平。

2.2.8 No.8剖面

No.8剖面为垂直岸线方向剖面，位于南港工业区南边界潮下带处临近海挡，东西方向、长度约7 km，整体上水深向东变大。2009年水深1.8～4.1 m，6年后的2015年该剖面近岸区浅水区接受了显著的淤积，淤积量0.2～0.9 m，东端深水区遭受显著的海底侵蚀，侵蚀量可达0.4 m，剖面上水深变为1.0～4.5 m。海底坡降变陡约54%，由0.35‰变为0.54‰。

2.2.9 No.I剖面

No.I剖面为平行岸线方向剖面，位于滨海妈祖园至北疆电厂外围潮下带，NE方向、长度约19 km，整体上水深向SW缓慢增加。2009年水深0～3.0 m，6年后的2015年该剖面由西南至东北存在明显的淤积和侵蚀区交替现象，淤积区为北疆电厂南侧和滨海旅游区东侧，淤积量0.2～0.8 m，侵蚀区为北疆电厂东侧和中心渔港与北疆电厂之前的围海造陆海挡豁口，侵蚀量0.2～0.4 m。

2.2.10 No.Ⅱ剖面

No.Ⅱ剖面为平行岸线方向剖面，位于东疆港东侧潮下带，NE方向、长度约7 km，深度向NE方向渐深。2006年水深3.3～4.8 m。8年后的2015年该剖面普遍接显著淤积，淤积量0.4～0.7 m。

2.2.11 No.Ⅲ剖面

No.Ⅲ剖面为平行岸线方向剖面，位于临港产业区南部的东侧潮下带，向南延伸到南港航道外侧，近SN走向，长度约13 km。2009年水深5.0～5.5 m，剖面上地势弱北倾近乎水平，头尾高差0.5 m。6年后的2015年该剖面由南至东形成明显的淤积-侵蚀区域交替现象，水深3.8～6.0 m，水深变化达2.2 m，且海底坡降出现反转，地形南倾，侵蚀量可达2 m，而淤积量可达1.8 m。

2.2.12 No.Ⅳ剖面

No.Ⅳ剖面为平行岸线方向剖面，位于南港工业区东侧，NE走向，长度约7 km。2009水深3.7～4.2 m，剖面上地势弱北倾近乎水平，头尾高差0.5 m。6年后2015年该剖面水深3.9～4.9 m，地形起伏达1 m，且海底坡降出现反转，地形南倾，南部普遍接受了显著的侵蚀侵蚀量可达0～1.3 m，中部侵蚀量约0.2 m。

2.3 围海造陆导致的海底冲淤变化

滨海新区沿岸大规模修建沿海工程，突兀的海挡人为改变了沉积可容空间格局，沉积物向岸方向补给加剧，区域水动力条件发生巨大改变，在海挡外侧势必会形成一个新的自然海岸带，海底地形调整也必然是一个剧烈和长期的过程。对比分析2015年海底地形地貌实测水深与浅地层剖面数据，发现围海造陆外围海底冲淤与海底地形发生显著调整，呈现出北部淤积南部侵蚀的整体格局（图5）。

图5 围海造陆后近岸海底冲淤总量Fig.5 Total amount of Erosion and siltation on the nearshore seabed after land reclamation

2.3.1 海底冲淤空间分布

滨海新区北部海域整体以淤积为主，淤积成片分布，淤积中心位于天津港航道防波堤以北，最大可达1.3 m，主体淤积厚度0.4～0.6 m，在北塘蓟运三岔河口处，淤积厚度0.2～0.4 m；侵蚀区位于北疆电厂东侧和中心渔港与北疆电厂之前的围海造陆海挡豁口处，最大侵蚀量0.4～0.6 m。

滨海新区南部整体以侵蚀为主，海底侵蚀作用在围海造陆边界东侧潮下带造成大面积深度达1.3～2.0 m的沉积物损失。淤积受限主要出现在临港产业区内转角处，以及南港工业区南堤南侧，淤积厚度最大分别可达1.8 m和0.9 m，另外在临港产业区南侧孤立海挡外延也形成了一个狭小的淤积区。

2.3.2 垂直岸线的海底坡降变化

2006年原国家海洋局天津908专项调查数据显示，海河口、蓟运河口一带的海底平均坡降在0.6‰～0.7‰之间，其它海域的近岸海底地形较缓，平均坡降在0.3‰～0.4‰之间[20]。

2007年和2009年冲淤监测数据显示，这些坡降特征一直在维持。但2015年所有显示为淤积区的海底坡降均显著增加，至0.53‰～0.60‰，已接近河口区强物源供给背景的自然坡降值；而在侵蚀区，原有海底坡降却被改造至近乎水平。

2.3.3 平行岸线的海底坡降变化

北部围海造陆外侧海底沿岸方向上的坡降趋势，围海造陆前后保持一致。如北疆电厂至生态城一带，水深渐深趋势依旧保持，但北疆电厂至中心渔港一带冲淤相间出现，导致地形产生明显起伏，局部平行岸线方向上的坡降可达0.4‰。

围海造陆后，南部围海造陆外侧海底沿岸方向上段的坡降趋势，有发生逆转的趋势。原有微弱的南高北低的坡降（平均0.05‰）趋势被打破，形成北高南低的反转坡降（平均坡降0.2‰）。围海造陆后一些局部地区，如临港产业区内转角处，因冲淤作用形成超高的不稳定海底坡降（1.5‰）。

3 结论

（1）滨海新区围海造陆可划分为四个阶段：2003年及以前，零星填海期；2004年进入温和填海期；2010年进入巨量填海期，且当年造陆外围边界就已基本完成；2014年及以后基本无新增填海活动。

（2）以2006—2009年数据作为背景，对比分析围海造陆后2015年海底水深与浅地层剖面数据，发现围海造陆外围海底冲淤与海底地形发生显著调整。北部海域整体以淤积为主，淤积中心位于天津港航道防波堤以北，最大可达1.3 m，北疆电厂东侧和中心渔港海挡豁口处，形成小范围的海底侵蚀，最大侵蚀量0.4～0.6 m；南部海域整体以侵蚀为主，海底侵蚀作用在围海造陆边界东侧潮下带造成大面积深度达1.3～2.0 m的沉积物损失；淤积作用仅出现在临港产业区及南港工业区的南侧，淤积厚度最大分别可达1.8 m和0.9 m。

（3）淤积区的垂岸海底坡降显著增加，至0.53‰～0.60‰，已接近河口区强物源供给背景的自然坡降值，而在侵蚀区，原有海底坡降却被改造至近乎水平；北部海域，沿造陆轮廓方向的海底坡降趋势，在围海造陆前后保持一致，局部相间出现冲、淤作用导致地形明显起伏，局部平行岸线方向上的坡降可达0.4‰；南部海域，沿造陆轮廓方向的海底坡降趋势发生逆转。临港产业区内转角处，因冲淤作用形成1.5‰的超高不稳定海底坡降。