三门湾近期围填海工程对海洋环境综合影响分析

陈培雄 张鹤 周鑫 杨士瑛

摘要：指出了三门湾位于浙江沿海中部，为半封闭式海湾，三面群山环抱，一面临海，海湾呈西北一东南走向，是浙江省三大半封蔽型海湾之一。2000年以来三门湾内围填海速度更明显加快，其对海洋自然环境的累积影响也逐渐增大。近年来针对三门湾围填海的影响分析多以海床演变、水动力或者是水质环境中单一因子影响分析为主，尚未有将这些因素进行综合评价。采用历年现场采集调查资料成果对比的方法，首次从海底岸滩演变、海洋水动力环境、海洋水质、沉积物环境几个方面综合分析了三门湾近期大型围填海工程的海洋环境综合效应。同时利用三门湾实际冲淤状况验证了海床冲淤数值计算模型，并对海床冲淤进行了预测。通过三门湾海床整体淤积概况、水体的流速减小程度、沉积物重金属含量变化以及水域富营养化历年和季节性变化的综合特征分析认为：三门湾水域富营养化逐年增加的成因与陆域污染源的相关性较小，主要是因为三门湾围填海规模的持续发展导致湾内水动力环境减弱而使得水体环境的自我稀释能力下降引起的。

关键词：三门湾;填海造地工程;海洋环境;流速;富营养化

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0104-06

1 引言

海湾是海陆交界处的重要地理单元，也是人类从事海洋经济活动及发展旅游业的重要基地。三门湾作为浙江三大典型海湾之一，是一个西北一东南方向的半封闭式海湾，湾内滩涂面积为295 kniz，占三门湾海域面积（775 kmz）的38%[1]。三门湾海域建国以后陆续开始高滩围涂和港汊围堵，至今三门湾已围涂面积（包括堵港中的水面面积）33.2万亩（221.6 km2），占三门湾海域总面积的28.6%，总潮滩面积的75.1%。围涂60多年来，平均每10年占据4.7%的三门湾海域面积，12.3%的三门湾潮滩总面积。其中，2003～2013年围涂面积约10万亩，占已围涂总面积的30%左右，是围涂面积增加较快的时期，尤其是湾的顶部。2003～2013年实施和规划了一批大规模、大面积的填海造地工程：已竣工完成的主要有下洋涂工程、蛇蟠涂工程、晏站涂工程等，填海造地面积约1000 hmz以上;正在实施的填海造地工程有洋市涂区域农业围垦用海规划填海工程（406.5413 hm²）和牛山火电厂填海造地工程（108.3644hm²）[2]。另外，三门湾近期及中期围填海规划已经出台，预计到2020年大规模填海造地项目达13.85km²[3]。因此，需要对围填海工程对环境的影响进行分析和评价。

2 国内外研究现状

国内外学者对三门湾围填海影响进行了研究。为了进一步分析三门湾大型填海造地工程对海湾水动力和海床的影响，谢亚力等依据1949～2003年实测资料分析了三门湾内滩涂冲淤特性，概述了三门湾1949～2003年的填海造地情况及其对湾内海床演变的影响[13]。杨辉等[4]胡研究发现三门湾猫头水道自然状态下因强潮作用维持冲淤平衡，围填海影响下出现快速淤积，与其纳潮量锐减、落潮流削弱有关;夏小明，谢钦春[5]研究了人类活动对三门湾地貌变化尤其是潮滩和汊道发育的影响;许雪峰等[6]以蛇蟠涂和下洋涂围垦工程为例，讨论了前后两个围垦工程对湾内潮流流速的影响。LinLei等认为海湾内的围填工程通常会导致湾内潮流减弱，主要动力机制是由于围填海缩小了海湾的空间尺度，减小了驻波型潮波反射距离所致[7]。Yanagi T研究表明从1968年到1983年，由于海湾面积的缩小，日本的东京湾湾口流速减弱了约20%[8]。这类现象在日本的Ariake湾[9]、中国福建的多个海湾[10]、浙江的象山港[11]、辽宁的锦州湾[12]等地都有发现。这些研究多以模型模拟的方式定性进行三门湾围填海的影响分析，对于定量的研究内容较少，尤其是将海床演变、水动力和生态环境进行综合效益评价的还没有。本文采用现场采集调查资料成果以及历史调查研究成果对比的方法，试图从海底地形地貌、海洋水质环境和海洋沉积物环境等几个方面综合分析三门湾近期大型围填海工程所产生的环境影响，以期为综合评估海湾围填海工程的水动力和生态环境效应提供参考，也为海湾的环境资源管理和可持续利用提供科学的依据。

3 材料与方法

水文测验为多船同步，即在冬、夏两季大、中、小潮期间对13條水文泥沙测验垂线实施同步周日连续观测。①流速、流向、悬沙含沙量：按六点法（即表层、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底层）。②水温：大、中、小潮27 h连续观测，取样时间间隔2h，按六点法（与海流观测同）进行。③盐度、悬沙颗粒分析：在大、小潮第一次涨急、涨憩、落急、落憩时取样，观测层次采用三点法。④潮位观测：从水文泥沙观测前6 d开始，连续观测1个月（冬、夏两季各1个月），采样间隔为10 min。⑤底质颗粒分析：在大、小潮落憩时采样。⑥气象（风速、风向、气温、天气现象）和海况：大、中、小潮连续观测，间隔3h（即02、05、08、11、14、17、20和23时）观测一次。水文测验及同步潮位观测站位布置见图1。

生态环境调查：海洋环境调查过程中的样品采集、贮存、运输、预处理及分析测定过程均按《海洋调查规范》GB12763 - 2007和《海洋监测规范》GB17378 - 2007中的要求进行。水质要素（pH、DO、NH4+-N、重金属等）按照《海洋监测规范》（GB17378-2007）、《海洋调查规范》（GB/T 12763 - 2007）、《水质分析大全》（科学技术文献出版社重庆分社，1989）规定的标准进行测试分析。沉积物要素（底质类型、有机质含量、重金属等）按照《海洋监测规范》（ GB 17378 - 2007）进行测试分析。海洋生物要素调查方法如表1。生物体质量分析测试按照国标《海洋监测规范》GB17378.6 - 2007。

4 水动力影响

4.1 海床演变与冲淤影响分析

4.1.1 数值模型

潮流是泥沙运动的载体，岸滩和水下地形对流场的分布和变化有直接影响，而潮流是造成泥沙输运，导致海床冲淤变化，从而对地貌形态进行再塑造的最根本原因。因此，研究工程引起的海床冲淤变化，关键就是水动力场和含沙量场的模拟，两者的分布和变化是海域泥沙运动的主导因素。

分析采用荷兰Delft水利研究所开发的Delft- 3D的Delft - Flow模块，该模型既能模拟三维水动力，也能模拟二维流场，本文采用二维模式。通过平面二维数学模型计算分析三门湾内的围涂工程建成前后三门湾潮流场变化。

计算的水准基面为1985国家高程基准面。采用直接坐标系右手系，三门湾内水下地形采用2013年1月的实测地形资料，湾外区域则由2007年海图拼接而成。

数学模型计算范围应包含研究的对象并且工程对边界的影响足够小，同时边界条件容易取得。考虑到上述因素，计算范围为整个三门湾、海游溪及亭旁溪，外边界雀儿岙至韭山列岛一线，见图2。计算域的总面积约3268 km²。

模型采用正交曲线网格，为保证数模计算的精度，在水流和地形变化梯度比较大的区域适度加密网格，在围垦区域附近对网格进一步细化，最小网格5m，总网格数为480×522，网格布置见图3。

4.1.2 海床冲淤影响结果和讨论

海床冲淤模型采用2003～2013年的三门湾实际冲淤状况进行验证。考虑到三门湾2003～2013年10年间规模较大的围涂有蛇蟠围涂、晏站围涂和下洋涂围涂，根据围涂合拢时间，采用2006年实测地形，计算出蛇蟠和晏站围涂工程在2006～2013的7年间产生的冲淤影响;采用2006年实测地形，计算出下洋涂围涂工程在2006～2013的期间产生的冲淤影响，然后将两者线性叠加，得到三门湾海域2006～2013年7年间的冲淤变化，并与这7年间的实际冲淤情况进行对比，见图4和图5。

可见，实际冲淤与计算出的冲淤分布基本一致：猫头水道、满山水道、蛇蟠水道等都发生了不同程度的淤积，且猫头水道内的深潭淤积量较大，三门核电海域的一期码头前沿、小深潭和大深潭都发生了较大程度的淤积，模型基本复演了验证区域的地形变化，冲淤特性和变化量级相当，表明海床冲淤模型能够较好的模拟出三门湾实际的冲淤情况。

选取3条断面和取排水口附近的2个敏感点进行验证，断面和敏感点布置见图6，计算值与实测值的比较见表2。可见，各断面、敏感点计算与实测的冲淤趋势基本一致，冲淤幅度也比较接近，表明海床冲淤模型能够较好的模拟出三门湾实際的冲淤情况。

经验证，泥沙模型中主要参数取值为：沉降几率α为0.2，沉降速度0.0005 m/s，泥沙于密度γ=725 kg/m3，区域含沙量取本次验证计算冬夏季平均值。

2003～2006年冲淤分布见图7。由图可见三门湾近期海床以淤积为主，淤积主要发生在下洋涂南侧、蛇蟠水道、猫头水道中部、满山水道中部、猫头山嘴北侧水域淤积幅度最高可达2.0 m以上。冲刷主要发生在局部区域，如石浦水道西侧、珠门港西侧及猫头山嘴南侧局部区域，冲刷幅度约小于1.0 m。2006年4月至2013年冲淤分布见图4。由图可见，三门湾海床2006～2013年以淤积为主，下洋涂南侧、蛇蟠水道东北侧、猫头水道、满山水道、猫头山嘴北侧沿岸，淤积幅度平均在1.0m左右，最高可达到2.0 m以上。冲刷主要发生在满山水道局部、猫头水道区域及沥洋港西侧，冲刷幅度基本小于1.0 m。总体而言，三门湾历史上处于缓慢淤积过程。2003～2013年，由于三门湾顶部区域大范围、大规模的围涂造地，减少了海域的纳潮量，导致三门湾海床以淤积为主，淤积主要发生在下洋涂南侧、蛇蟠水道、猫头水道、满山水道、猫头山嘴北侧沿岸，淤积幅度在2.0m以上。长期海域纳潮量的减小以及淤积的加重会造成海水交换能力减弱，海水自净能力骤减，水质、底质环境恶化，使海湾环境功能减弱。冲刷仅为局部地区，冲刷幅度总体小于1.0 m。

4.2 潮流流速变化

三门湾潮流流速分析采用2013年夏、冬两季在三门湾布设的13个潮流周日连续观测站进行分析。从图9和图10可以看出围涂工程实施后所引起的涨落潮流平均速变化主要分布在猫头水道、满山水道、蛇蟠水道、力洋港和青山港内。其中猫头水道的平均流速减小约0.04～0.07 m/s，满山水道的平均流速减小约0.02～0.04 m/s，蛇蟠水道的平均流速减小约0.04～0.14m/s，力洋港平均流速减小约0.08～0.12 m/s，青山港平均流速减小约0.06～0.11 m/s。根据实测潮流资料分析表明：三门湾海域潮差大、潮流急。冬季实测最大涨、落潮流速分别为1.28 m/s和1.39 m/s;夏季实测最大涨、落潮流速分别为1.59 m/s和1.77 m/s;三门湾海域潮流场的基本特征为：流速的季节变化为夏季略大于冬季;落潮流速普遍要大于涨潮流速，最大潮流流速皆发生在落潮流中。将2003年春、秋调查数据和2013年冬、夏季调查数据进行对比可知：三门湾的潮流场近年来具有相似的变化规律，流速季节变化为秋季略大于春季;夏季略大于冬季。2003年春季整个测区实测最大流速为1.78 m/s，秋季最大流速为2.02 m/s，均出现在三门湾口，最大流速均为落潮流。围填海工程并没有改变三门湾潮流场的变化规律，但由数据对比可以看出，由于2013年时一些大型填海在造地工程已经实施，使得湾内纳潮量已逐年减小，因而导致流速亦逐年减小。湾内纳潮量和流速的减小将会减少湾内海水交换、降低海水自净能力，增大了湾内水质和底质污染的可能性。

5 水环境质量

5.1 海水水质环境

根据2013年春、夏、秋、冬四季在三门湾区域采集的水质监测结果分析可知：2013年悬浮物变化范围为（12～1269）mg/L，平均值为242 mg/L，总体上悬浮物含量有所下降，垂直分布上同样为表层低于底层。pH值、总碱度变化范围分别为7.84～8.15和（2.05～2.88）mmol/L，平均值分别为8.03和2.30 mmol/L，pH值总体上没有变化，而总碱度则略有上升。DO、COD和BOD含量分别为（5.04～10. 14） mg/L、（0.22～3.84）mg/L和（0.11～1.88）mg/L，平均值分别为7.52 mg/L，1.26 mg/L和0.77 mg/L，DO、COD与BODs含量有所下降。表层海水石油类浓度变化范围在0.008 mg/L～0.046 mg/L之间，含量略有上升。硝酸盐态氮、亚硝酸盐态氮、铵盐态氮和活性磷酸盐磷的浓度变化范围分别为（ 0.258～0.853） mg/L，（ 0.000～0.060） mg/L、（0.003～0.036） mg/L和（0.018～0.052） mg/L，四季平均值分别为0. 533mg/L，0.011 mg/L、0.011 mg/L和0.037mg/L。

将2013年数据与2005年夏、秋、冬和2016年春季四季调查结果列表进行对比（表3），结果可见：2005年三门湾水体悬浮物变化范围较大，变化范围为（18～4534） mg/L，平均值为419mg/L，总体表现为表层含量低于底层。pH值、总碱度变化范围分别为（7.84～8.2和（1.72～2.45） mmol/L，平均值分别为8.04和2.12mmol/L。DO、COD和BOD5含量分别为（5.02～10.82） mg/L、（0.29～3.78）mg/L和（0.14～2.91） mg/L，平均值分别为7.96 mg/L，1.45 mg/L和0.77 mg/L。DO的垂直分布在夏季表现为表层高、底层底的特征，其它三个季节垂直变化则比较均匀。表层海水石油类浓度变化范围在<6.5 μg/L（低于检测限）～29.4 μg/L之间。硝酸盐态氮、亚硝酸盐态氮、铵盐态氮和活性磷酸盐磷的浓度变化范围分别为（0.289～0.678） mg/L，（0.000～0.055）mg/L、（0.007～0.245） mg/L和（0.006～0.075） mg/L，四季平均值分别为0.494 mg/L，0.010mg/L、0.034 mg/L和0.029 mg/L。

由表3分析可见，2005年和2013年三门湾水质环境调查数据无显著差异。三门湾大型的填海造地工程对于水质环境没有形成明显的影响。

5.2 水体富营养水平评价

水体营养盐含量多少对该区域环境的影响可以用富营养化指数来评价，本文根据营养状态指数（E）值大小来表示该海域富营养化水平，公式如下[14]：

E=CODX DIN×DIP×106/4500

（1）

其中COD为化学需氧量，DIN为溶解态无机氮，DIP为无机磷。

当E≥1时，表明水体已达富营养化。

图11展示了此次海域调查站位分布图。表4显示了本次调查海域四季的海水E值及其与历史数据的比较，由评价结果可以看出，本次调查该海域四季水体均呈现明显的富营养化状态，E值在2.85～15.56之间，底层水体富营养化程度大于表层水。在季节变化上，富营养化程度秋季最为严重，冬季次之，秋、冬季E值明显高于春、夏两季。与历史资料对比可以看出，三门湾海域水体富营养化程度呈现加重趋势，本次調查四季E值与2005～2006年度相比，仅夏季E值略低，其它三季E值也明显升高。值得注意的是，本次调查秋、冬季E值较前两次调查增幅明显，尤其秋季，底层水体E值平均为15.56，是2005～2006年底层水体E值的2.39倍，远远高于历史同期数据，反映出围填海工程后三门湾海域不仅富营养化程度逐渐加重，而且季节变化差异显著，秋季富营养化程度为一年中最大，冬季次之，春、夏季稍弱。这主要是因为三门湾海域围填海工程实施后，湾内纳潮量较低，湾内海水流速变慢，海水交换较少，降低了海水自净能力，降低了海域水环境容量，使得污染物富集，污染物量增大。从对应的数据也可以看出，水体中无机氮和磷酸盐含量均是秋季最高，而COD含量也是秋季和冬季明显较高。

5.3 沉积物环境质量

三门湾沉积物环境调查于2013年夏冬两季进行。调查结果显示三门湾海域夏季沉积物在湾内以粉砂和砂质粉砂为主，湾口基本为粉砂。冬季除了湾口部分站位为泥质外，整个三门湾的沉积物均为粉砂。夏、冬两季沉积物中值粒径均值为7.83 μm，夏季以湾内区最高，冬季则主要在中部出现高值。含水率平均为48.57%，中部海域的沉积物含水率在夏季较高，而冬季则是湾内较高。沉积物除铜、总铬外，其它重金属参数与石油类均符合海洋沉积物质量I类标准。在夏季的沉积物调查中，夏季共有4个站位铜含量略超I类，冬季则仅有1个站位略超I类。总铬含量调查在夏季有3个站位略超I类标准，冬季则有8个站位超I类。铜、总铬含量最大超标（I类）指数分别为1.14（夏季）与1.14（冬季），但均符合沉积物II类标准。需要适当展开，分析原因。

将2013年的调查数据与2005年春秋两季调查的历史数据进行比对可知：2005年三门湾沉积物中重金属铜变化范围（20～31.5）×10^-6，均值23.3×10^-6;铅变化范围（23～36）×10^-6，均值31.7×10^-66;锌变化范围（96～119.5）×10^-6，均值107.8×10^-6;镉的变化范围（0.1～0.28）×10_6，均值为0.14×10^-6，汞变化范围（0.05～0.1）×10^-6，均值0.08×10 ^-66;砷变化范围（10.8～14.2）×10^-6，均值11.8×10^-6。而2013年调查结果显示，铜的变化范围（17～40）×10^-6，均值为27×10^-6;铅的变化范围（24～37）×10^-6，均值为32×10^-6;锌的变化范围为（18～103）×10^-6，均值71×10^-6;镉的变化范围（0.11～0.21）×10^-6，均值0.17×10^-6，汞的变化范围（0.03～0.06）×10^-6，均值为0.05×10^-6;砷的变化范围为（10.0～15.9）×10^-6，均值为13.6×10^-66。

分析表明：2005年至2013年期间，沉积物重金属含量无显著差异。三门湾大型的填海造地工程对于沉积物重金属的含量没有形成明显的影响。三门湾沿岸附近居民以养殖、捕捞为主要收入来源，饲料的大量投放加上鱼类粪便及居民生活废物一起分解所产生的氮磷营养物质，导致海区营养盐含量偏高;三门湾沿岸大型工业不多，因此该海区水质、沉积物基本未受重金属污染（表5）。