杭州湾围垦工程引起的岸线变化对水环境的影响分析

2021-05-18黄赛花章琪宇严军方强

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2021年2期

黄赛花，章琪宇，严军，方强

(1.华北水利水电大学，河南郑州 450046; 2.浙江水利水电学院，浙江杭州 310018; 3.浙江水文新技术开发经营公司，浙江杭州 310000; 4.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室，浙江杭州 310018)

滩涂围垦是海洋空间利用的一种方式，是将沿海滩涂涨落潮位差大的地段筑堤拦海，随后排出堤内海水从而形成新的土地用于工农业生产的海洋工程。浙江省的滩涂资源占全国滩涂资源总量的13%左右，基本处于动态相对稳定状态。经统计，截至2013年底，浙江省共围垦滩涂20万hm2，且围垦面积还在逐年增加[1]。其中以杭州湾地区围垦的滩涂最多，从20世纪70年代起至2014年，杭州湾共围垦滩涂851.03 km2，杭州湾丰富的滩涂资源被充分地开发利用[2]。杭州湾围垦工程的实施缓解了人口压力与土地不足之间的矛盾，同时也对河口岸线与湾内水环境效应产生了影响。

近年来，已有专家学者对杭州湾岸线变化开展了研究。杨金中等[3](2002)利用多时相遥感资料对杭州湾南北两岸的岸线进行调查，查明了岸线变迁规律及影响因素。施伟勇等[4](2012)通过对杭州湾北岸南竹港—龙泉岸段1999年至2009年的实测岸滩断面资料的统计分析，发现该岸段在这10年处于侵蚀状态的主要影响因素为季节变化与沿岸工程。孙丽娥等[5](2013)开展杭洲湾南岸和北岸的变迁驱动力分析，提出围垦工程是杭洲湾海岸线变迁的主要驱动力。上述文献主要研究杭洲湾岸线变化规律和影响因素，暂未涉及其岸线变化对周边水域的影响。

针对杭州湾围垦工程对水动力与水环境的影响，有专家学者运用实地考察和数值模拟等方法开展了具体的研究。韩曾萃等[6](2002)分析了大型调节水库修建及治江缩窄两种人类活动对河口咸水入侵的影响，但是该文采用一维模型进行分析。潘存鸿等[7](2013)通过建立钱塘江河口泥沙起动流速和挟沙能力公式得出涌潮是钱塘江河口冲淤的机理之一。鲁友鹏等[8]研究不同时期杭洲湾围垦工程引起的岸线变化对金塘水道流场的影响，发现杭洲湾岸线变化对水动力有累计变化的趋势。邵明明等[9](2017)基于FVCOM模型，结合Landsat遥感资料，对杭州湾2005—2015年间岸线变化对潮波动力过程的影响进行分析，最后得出湾内高潮位抬升的结论。邹志年等[10](2017)分析围涂工程建设前后杭州湾整体无机氮和叶绿素的变化情况，但是未进行局部地区的变化情况分析。汪求顺等[11](2019)建立平面二维温排水数学模型来探究杭州湾强潮水域电厂温排水过程中的热扩散规律，并给出了水位和流速对温升的定量关系。潘存鸿等[12](2019)基于杭州湾口内外实测潮汐资料，对杭州湾潮汐特征及时空变化进行了系统分析，同时分析了20世纪80年代以来潮汐特征变化的原因。李莉等[13]基于杭州湾三维水沙耦合数值模型,开展了围垦工程地理位置对杭州湾水沙环境特征的影响的研究，得出各区域围垦工程对湾内水沙环境特征参数的影响具有叠加效应。

上述研究主要分析围垦工程对杭州湾整体的影响，直接分析各个围垦区周边水环境受围垦工程影响的文献较少。本文收集1997—2015年杭州湾海岸线的卫星影像资料，分析1997—2015年间杭州湾岸线的变化情况，并利用二维平面数学模型分1997—2007年和2007—2015年两个阶段模拟分析杭州湾围垦工程导致的岸线变化对围垦区周边海域污染物的输移规律和面积扩散变化特征的影响。研究结果可为杭州湾新区的科学建设与制定污染物合理排放措施提供参考。

1 岸线变化分析

杭州湾海域的围垦工程使岸线产生了明显的变化，基于1997—2015年杭州湾岸线的部分卫星影像资料，通过数字化处理，采取同一河海界线，得到历年杭州湾岸线。岸线资料的上边界取到嘉绍大桥上游17 km处，下边界取到宁波镇海区，分别提取1997年、2007年及2015年这3个年份的岸线进行对比，结果如图1所示。根据围垦规模和对岸线的影响程度，重点研究杭州湾岸线处于北岸的尖山地区和南岸的上虞、余姚与慈溪地区的情况。杭州湾沿岸围垦面积变化情况见表1。

图1 杭州湾岸线变化情况示意图

表1 杭州湾沿岸围垦面积统计

由图1和表1可知：1997—2007年，杭州湾围垦工程主要位于北岸的尖山段与南岸的慈溪段，其中尖山段围垦面积约52.6 km2，慈溪段围垦面积约53.9 km2，其他地方围垦面积变化相对不大，围垦多是顺岸向湾内小范围推进；2007—2015年，杭洲湾岸线变化主要发生在南岸的上虞、余姚和慈溪这3个地区，在余姚治江围涂一期工程、上虞市世纪丘治江围涂工程和余姚治江围涂二期工程等围垦工程影响下，杭洲湾南岸岸线向北大规模推进，人工岸线迅速增长，3个地区的新增陆域面积达到254.2 km2，占1997—2015年间围垦总面积的44%。总体来说，1997—2015年间，杭州湾南岸较北岸沿岸滩涂的开发利用情况较为明显，且南岸海域开发利用强度不断增加。

2 计算模型

2.1 控制方程

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

对流扩散方程：

(4)

式中：h为水深；c为化合物质量浓度；Dx、Dy分别为x、y方向上的扩散系数；φ为衰减系数；s=Qs(cs-c)；Qs为排污口流量；cs-c为化合物相对质量浓度。

2.2 模型建立

2.2.1 计算范围

1997—2015年间，杭州湾岸线复杂多变，采用非结构三角形网格剖分计算域，通过网格生成模块，控制网格疏密及尺度，在围垦区附近海域进行网格加密，网格尺度最小为3 m，在远离围垦区海域，网格相对稀疏，网格距为1 000 m，不同尺度网格之间平滑过渡，计算域网格剖分结果如图2所示。

图2 计算域网格剖分

2.2.2 边界条件

模型的上游采用富春江水电站的流量资料作为上边界条件，下游采用芦潮港、镇海实测潮位值作为下边界条件。

2.2.3 初始条件

模型的初始条件包括初始流速和初始水位(水深)，初始条件设定的目的是让模型平稳启动，上游初始水位和流量的设定应尽可能与模拟开始时刻的实际河流水动力条件一致。由于缺乏相关资料，初始流速和水位的数值均设为0。

2.2.4 模拟时间和空间步长

模型中的时间步长与空间步长取值越小，则模型计算结果的精度越高。然而，随着时间和空间步长的减小，计算的时间和工作量将大大增加。本次模型计算时间步长根据收敛条件判断数CFL(Courant,Friedrichs,Lewy)进行动态调整，确保模型计算稳定进行，平均时间步长取值0.5 s，最短时间步长取为0.001 s。

2.3 模型验证

2.3.1 潮位和潮流的验证

以2012年4月在杭州湾围垦区附近9个测点的潮流测验资料进行验证，各水文验证站位置如图1所示，同时进行附近的潮位资料验证。由于篇幅有限，文中选取潮位测站#3与潮流测站H1和H9进行验证，验证结果分别如图3和图4所示。

图3 潮流测站H1、H9流速和流向验证结果

图4 潮位测站#3潮位验证结果

从图3验证结果来看，潮位一般误差为10～30 cm，误差在10%以内。图4的潮流验证结果显示，各测站的计算潮位值和实测潮位值比较接近，平均涨落潮流速误差基本在±15%以内。总体而言，单站流向和流速的模拟结果能较好地反映研究区域的潮流特征，可为污染物扩散输运模拟提供水动力条件。

2.3.2 水质验证

杭州湾水域水质变化与湾内河流无机氮、无机磷、硅的输入直接有关[14]，选取无机氮为研究物质，主要研究围垦工程引起的岸线变化对杭州湾内无机氮的质量浓度及无机氮输移扩散面积的影响。取2017年6月15日余姚与慈溪围垦区附近的水质测站A1和A2的无机氮实测质量浓度进行验证，水质测站的位置如图1所示。验证结果如图5所示。图5表明，杭州湾内无机氮的质量浓度的模拟值与实测值处于同一数量级内，且误差较小，说明该模型可用于该区域的水环境分析。

图5 水质测站A1和A2处的无机氮质量浓度验证结果

3 污染物扩散输运范围的变化

由上述的岸线变化分析可知：杭州湾北岸的尖山地区与杭州湾南岸的上虞、余姚和慈溪地区1997—2015年近20年围垦面积占研究区域围垦总面积的一半以上，文中选取这4个围垦区沿岸水质作为研究对象，选取无机氮作为典型污染物，分别模拟1997年、2007年、2015年这3个年份围垦工程实施后引起的杭洲湾岸线变化对无机氮质量浓度变化及不同质量浓度无机氮扩散面积变化的影响情况。无机氮污染物扩散输运计算方案见表2。

文中的计算模型不考虑水体温度和盐度的因素，初始条件仅包括初始流量与初始水位。考虑到初始条件的精确取值仅影响模型达到稳定状态所需时间的长短而非模型计算的精度与结果，故将1997年、2007年和2015年这3个年份的初始流速与初始水位条件的数值均设置为0。

由《海水水质标准》(GB 3097—1997)可知，研究区域海水无机氮的质量浓度不大于0.3 mg/L即为合格水质。因此，文中选取0.3 mg/L以上质量浓度扩散面积展开研究。模拟结果如图6所示。

表2 无机氮扩散输运计算方案设计

图6 杭州湾湾内-水体中无机氮的输运变化

3.1 无机氮扩散总面积变化

结合1997—2015年间尖山、上虞、余姚和慈溪地区围垦面积的变化情况与对应年份这些地区的无机氮扩散总面积变化情况，计算这4个地区单位新增围垦面积对应的无机氮扩散面积，计算结果见表3。

由表3可知：1997—2007年间，杭洲湾围垦工程主要发生在北岸尖山地区和南岸慈溪地区，尖山、上虞、余姚每增加1 km2围垦面积，增加的无机氮扩散面积分别为2.2、7.9、5.3 km2，其中上虞地区无机氮扩散面积新增最多，而慈溪地区的无机氮扩散面积则呈现减少的趋势；2007—2015年间，杭洲湾围垦工程主要发生在南岸，尖山、上虞、余姚和慈溪这4个地区每新增1 km2围垦面积，无机氮扩散面积均有所减少，其中尖山地区的无机氮扩散面积减少最多，减少54.4 km2；慈溪地区1997—2015年单位新增围垦面积下无机氮扩散面积均处于减少状态，但是2007—2015年减幅下降了73%。对比这4个地区单位新增围垦面积下无机氮扩散面积变量可知：前一阶段(1997—2007年)围垦，无机氮扩散面积主要以增加为主；后一阶段(2007—2015年)围垦，无机氮扩散面积呈现减少的趋势。总体上来说，1997—2015年间,杭州湾无机氮扩散面积呈现略有减小的趋势。

3.2 南北岸无机氮输移范围变化

图7给出了研究区域不同质量浓度无机氮扩散面积随围垦面积增加而呈现出的阶段性变化关系，由图7可直观地研究1997—2007年和2007—2015年这两个阶段杭洲湾南北岸围垦工程对湾内无机氮扩散变化规律的影响，得到如下结论。

注：图例▲表示无机氮质量浓度变化的起始年份为1997年，■表示无机氮质量浓度变化转折点发生在2007年，

由图7可知：1)1997—2007年这一阶段,杭洲湾南北岸围垦对无机氮扩散面积的影响如下：尖山地区0.7 mg/L以下质量浓度区无机氮扩散面积减小104.9 km2，0.7 mg/L以上质量浓度区无机氮扩散面积增加222.5 km2，整体上无机氮扩散面积呈现增加的趋势；上虞和余姚地区不同质量浓度的无机氮扩散面积均有所增加；慈溪地区不同质量浓度的无机氮扩散面积呈现减小的趋势。这是因为，尖山、上虞和余姚地区均开展围垦工程，导致这3个地区对应河段束窄，过水面积减小，无机氮扩散面积有一定程度的增加。慈溪地区对应河段仅受南岸围垦工程的影响，无机氮扩散面积减少。

2)2007—2015年这一阶段，杭洲湾北岸围垦面积远小于南岸围垦面积，这一阶段主要考虑南岸围垦对湾内无机氮扩散面积变化规律的影响：尖山和上虞地区不同质量浓度无机氮扩散面积均呈现下降的趋势；余姚地区0.7 mg/L以下质量浓度区无机氮扩散面积减小86.3 km2，0.7 mg/L以上质量浓度区无机氮扩散面积增加6.6 km2，整体上无机氮扩散面积呈现减少的趋势；慈溪地区不同质量浓度的无机氮扩散面积继续减小，但是减幅略有下降。这是因为，该阶段主要是杭洲湾南岸开展围垦工程，河道束窄程度较上一阶段减小，无机氮扩散面积变化呈现下降的趋势。

对比以上两个阶段杭洲湾南北两岸围垦工程对湾内无机氮扩散面积的影响可知，杭洲湾南北两岸围垦对湾内污染物的扩散规律变化的影响存在差异。其中，北岸围垦会引起比较显著的无机氮扩散面积增大，而南岸围垦对无机氮扩散面积影响呈现阶段性变化特征，即前一阶段(1997—2007年)南岸围垦会引起无机氮扩散面积略有增大，其扩散面积变化幅度显著小于北岸；后一阶段(2007—2015年)随着南岸围垦面积增加且岸线位置外移，在围垦区对应河段海湾束窄作用下，湾内水体动力略有增强，便于污染物输移，最终反而呈现此时污染物整体扩散面积减小的变化规律。

3.3 水体交换能力变化

污染物随流体的运动称为水体的物理自净能力，而水体的物理自净能力与水体交换能力密切相关[15]。水体交换能力通常用水体交换时间来表征，指水体全部或部分更新所需要的时间。文中采用水体交换时间来进一步衡量围垦工程对杭州湾水质的影响。在已建立的二维潮流以及浓度对流扩散数值模型的基础上，采用浓度示踪方法计算水体半交换时间。半交换时间类似于放射性同位素的半衰期，为某海域保守物质质量浓度通过对流扩散稀释到原始质量浓度一半所需要的时间。通过数值模型对1997年、2007年和2015年的岸线条件下杭州湾水质进行模拟，数值模型初始时湾内质量浓度场为1 mg/L，开边界质量浓度为0 mg/L，在考虑钱塘江上游来流量的条件下模拟30 d，每隔6 h统计一次杭州湾内保守物质平均质量浓度，并根据模拟结果绘制湾内保守物质平均质量浓度随时间的变化曲线，如图8所示。选取时间间隔为5 d的平均质量浓度绘制水体交换率时间曲线来确定该模拟结果下杭州湾水体半交换时间，结果如图9所示。

由图8可知，杭洲湾河口地区物质扩散受潮汐作用显著，扩散具有往复性。保守物质涨潮期间随潮流上溯，落潮期间随潮流下泄；开始阶段，湾内物质的质量浓度均呈现快速下降趋势；随后湾内保守物质的质量浓度整体变化仍进一步降低，但呈现出新的变化特征，即平均质量浓度的下降变幅逐渐趋缓且变化速率趋于减小。

图8 杭州湾保守物质的质量浓度随时间的变化曲线

图9 杭州湾水体交换率随时间的变化曲线

由图9可知，杭州湾1997年的水体半交换时间为14.75 d，2007年的水体半交换时间为14.25 d，2015年的水体半交换时间为14.35 d。相对于1997年，2007年的水体交换率增长2%～3%，造成这种现象的原因是尖山段的围垦使得北岸岸线变得平滑，水流发生了变化，导致沿程水体交换率增加，交换时间减少；相对于2007年，2015年的水体交换率减小0.1 d，这是因为南岸的围垦使河道缩窄，水体交换率减小，水体交换时间增加。整体来说，杭洲湾北岸围垦有利于提高水体交换能力，加速污染物的稀释速度；南岸围垦会减少湾内纳潮量，减弱潮汐作用，不利于污染物的扩散。但是整体来看，湾内水体交换能力还是呈现增强的趋势。

4 结论与建议

4.1 结论

利用影像资料绘制杭州湾1997年、2007年和2015年的岸线图，对围垦区岸线变化数据进行整理，运用数值模型进行1997年、2007年和2015年杭州湾围垦前后周边海域的水环境模拟，重点分析围垦前后的岸线变化对杭州湾水环境效应的影响，得出以下结论：

1)1997—2015年，杭州湾岸线变化较大，第一阶段(1997—2007年)的变化主要发生在杭州湾南岸的慈溪段以及北岸的尖山段，尖山段岸线呈盾尖状向杭州湾内南推，慈溪段等南岸岸线多是顺岸向湾内小规模推进，海域利用方式主要为滩涂围垦，滩涂开发利用度不大；第二阶段(2007—2015年)主要在杭州湾南岸兴起了较大规模的围垦工程，围垦面积占1997—2015年围垦总面积的一半，主要利用方式仍为滩涂围垦，杭州湾海域开发利用强度明显增加。

2)1997—2015年，杭州湾南北两岸围垦前后在整体上会使湾内污染物扩散面积呈现减小的趋势。

3)杭州湾南北岸围垦对湾内污染物的扩散面积变化规律的影响存在差异。其中，北岸围垦会引起比较显著的污染物扩散面积增大，而南岸围垦对污染物扩散面积的影响呈现阶段性变化特征。即前一阶段(1997—2017年)，南岸围垦引起污染物扩散面积略有增大，污染物扩散变化幅度显著小于北岸；后一阶段(2007—2015年)，随着南岸围垦面积增加且岸线位置外移，在围垦区对应河段海湾束窄作用下，湾内水体动力略有增强，便于污染物输移，最终反而呈现此时污染物整体扩散面积减小的变化规律。

4)杭州湾1997—2015年间的围垦工程对于该区域水体交换能力的影响较为明显：北岸围垦会增强水体交换能力，南岸围垦则会减弱水体交换能力；但是整体来看，水体交换能力还是呈现增强的趋势，说明围垦工程有利于增强水体交换能力。