人工港島建設對海洋環境影響及生態防護措施研究

張 娜，任志杰，孫連成

(1.天津大學 建筑工程學院，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456；3.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

人工港島建設對海洋環境影響及生態防護措施研究

張 娜1,2，任志杰3，孫連成2

(1.天津大學 建筑工程學院，天津300072；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家
工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456；3.中交水運規劃設計院有限公司，北京100007)

人工島的建設必須對人工島建設過程中以及人工島建成后對周圍水環境空間海洋物理、海洋生態的影響進行充分的評估與分析。本研究依托天津港東疆第二人工港島工程，采用數學模型和物理模型試驗相結合方法，對人工港島建設對海洋環境影響進行了系統研究，并根據試驗結果分析了東疆人工港島建設存在的潛在環境保護問題，進而提出一系列適合港島建設生態防護的措施。

人工港島；環境影響；生態防護

近幾年，隨著人類對海洋空間利用需求的不斷增加，人工島建設工程日益增多。國內外在近海建設人工島已經有了很多成功的經驗，比如澳門國際機場[1]、迪拜帆船酒店[2]及日本大阪關西國際空港[3]、上海蘆潮港人工半島[4]等，但以往主要關注人工島的設計[5-7]、結構、人工島與周邊環境影響[8-11]、施工工藝[12]等，有關人工島生態建設與防護技術研究的較少，目前現有的生態建設研究主要還是針對陸域、天然海島[13]。

人工港島建設之初必須對人工島建設過程中以及人工島建成后對周圍海洋環境影響進行評估與分析，這對于防止和預防人工島建設后可能造成的海洋環境破壞具有積極的意義。本文將依托天津港東疆第二港島(下文簡稱“東疆二島”)工程，從水沙環境和生態兩個角度對東疆人工港島建設的合理性進行評估，并針對潛在的環境問題，提出一系列適合港島建設生態防護的措施，以填補人工港島海洋生態建設與防護技術研究的不足。

1 天津港海洋生態環境現狀

1.1自然環境狀況

天津港海岸類型為淤泥質海岸，灘面泥沙顆粒細，泥沙運移形態以懸移質為主；潮流動力相對較弱；隨著天津沿岸不斷實施的圍填造陸工程，大范圍的灘涂和淺灘水域被圍填，減小了近岸淺灘的范圍，水體含沙量逐漸降低。

1.2海水水質環境質量現狀

根據《天津市海洋環境狀況公報》和《2012年中國海洋環境狀況公報》中對天津海域水質現狀進行的評價，渤海灣入海河流水質較差，海河、薊運河、永定新河、潮白新河等河流入海斷面水質均為劣Ⅴ類。陸源排污導致渤海灣成為我國近岸海域海水污染嚴重區域之一，第四類和劣于第四類海水水質標準的海域面積約占整個海灣面積的三分之一。2009年以來，近岸沉積物質量持續受到多氯聯苯的影響，每年超第一類海洋沉積物質量標準的站位比例均在22%以上。部分生物體內石油烴及重金屬殘留水平較高。 渤海灣是赤潮多發區，2001年以來天津近岸幾乎每年發生赤潮災害。大規模圍填海工程使渤海灣成為我國濱海濕地生境和自然岸線喪失最嚴重的區域之一，天津市自然岸線保有率已不足5%。

1.3海洋生態現狀

近十幾年來，由于受環境污染、入海河流徑流量的變化、人類捕撈生產的壓力、陸源排污的污染、圍海造陸、環境水文的變化等諸多因素的影響，該水域在生物資源的群落結構、生物多樣性、數量與分布、魚卵仔稚魚數量與組成等方面，均發生了比較明顯的變化?！?012年中國海洋環境狀況公報》中指出灣內海洋漁業資源明顯衰退，產卵場退化，魚卵仔種類少。

中國水產科學研究院黃海水產研究所于2010年和2011年分別對天津港海域的魚類資源進行了調查，結果顯示白姑魚、鳀魚、綿鳚、鰳等重要經濟物種的主要產卵場位于渤海灣的中東部。規劃的天津港東疆二島位于渤海灣西部、主要保護對象產卵場的北部，因此規劃的填海區域不會對渤海灣內主要經濟魚類的主要產卵場、洄游通道造成重要的影響，但由于主要經濟物種產卵后會分散在近海索餌，因此圍填海工程實施后可能會造成魚類索餌范圍的縮小。

2 東疆二島平面布局

2.1平面布局

圖1 東疆二島平面布置圖Fig.1 Layout of the second island of Dongjiang

擬建東疆二島位于天津港港區陸域的東北部，北臨永定新河口南治導線，向西與東疆港區銜接從而與陸域連接；南臨天津新港主航道；東臨渤海灣海域。天津港東疆二島規劃總面積約41.3 km2，北端與東疆港區陸域相連，東至海域等深線約-5.5 m處，東西寬約3 km，南北長約13 km。為加強內湖水體交換速度，除通過主水道將內湖與外海連接外，在人工島北側和東側開通兩個水道，水道寬度在100～200 m之間，平面布局見圖1。二島陸域形成以港區疏浚物為主，同時在內湖水域、天津港內以及北塘港區邊灘會設置取泥區，底高程為-20.0 m。，這樣既可以減少疏浚物外拋的二次污染，也可以減少土方開挖的生態破壞。

2.2規劃結構

東疆二島規劃形成“一灣、兩廊、三島”的空間結構。

一灣：在東疆二島和東疆一島之間形成面積18 km2的生態港灣。

兩廊：在東疆二島北部和中部分別規劃一條景觀廊道，具有內灣水體交換和游艇通航使用功能。

三島：由兩條景觀廊道分割成的具有不同功能北島、中島、南島。

北島，發揮緊鄰東疆一島的優勢和區位特征，形成集管理服務、生活居住、海洋產業、物流加工為主要功能的島嶼。

中島，在規劃區中部，形成集高新技術產業、生活居住游地產、商貿服務、總部經濟等為主要功能的綜合島嶼。

南島，在規劃區南部，發揮其緊鄰天津港主航道的優勢，形成以碼頭作業、物流倉儲為主要功能的島嶼。

從天津港整體布局來看，東疆二島利用北側水道，保留東疆一島建成的外圍堤作為自然岸線，有利于維護環境穩定性、生態多樣性、資源稀缺性。用解構的方法，用水道將島分為3個離島。各個離島岸線規整，利于實施。同時，布置水道可改善島嶼內部水體交換，降低圍海造陸對生態環境的影響。人工島的平面形態首先應滿足功能需求，在此基礎上需考慮的因素包括波浪防護、人工島沖淤狀況、岸灘沖淤影響、環境生態影響、工程造價等，平面布置既要有利于土地資源的高效利用，又要充分考慮人工島及其對周邊生態環境的影響。

3 東疆二島建設對海洋環境的影響分析

東疆二島的開發建設為天津港提供了新的岸線和土地資源，但人工島的建設可能會改變建設區周邊海域的水動力泥沙環境，從而對海洋生態環境造成影響，因此在規劃階段必須對人工島建設過程中以及人工島建成后對周圍水環境空間海洋物理、海洋生態的影響進行充分的評估與分析，這對于防止和預防人工島建設后可能造成的海洋環境破壞具有積極的意義。

圖2 物理模型布置圖Fig.2 Arrangement of physical model

本研究采用物理模型和數值模擬方法對人工島建設工程對其周圍海洋環境及生態的影響進行了研究。針對波浪場研究采用的是MIKE 21 SW模塊，針對流場、污染物擴散以及水體交換研究采用的是MIKE21 FM模塊，關于淤泥質海岸泥沙問題則采用建立在對流擴散方程基礎上的懸沙運動方程來解決。潮流數學模型計算范圍采用大、小兩層模型嵌套計算，大模型范圍為整個渤海海域，小模型范圍為渤海灣海域，泥沙、水體交換以及污染物計算等均以渤海灣模型為計算范圍。物理模型試驗是采用整體潮流泥沙模擬技術，范圍北至規劃中的豐南港區，南至臨港產業區南端；西起海河船閘以上4 km，東至主航道36+0附近。南北方向約54 km，東西方向約40 km左右，模型按照平面比尺1: 900，垂直比尺1:100考慮，范圍如圖2所示。

圖3 工程前后流速變化Fig.3 Variation of flow velocity before and after the project

3.1對水動力環境影響

試驗結果表明，二島建設后沒有改變大范圍海域潮流運動規律，人工島東側流速減小，近人工島水域漲落潮平均流速減小在0.10 ms以上，至距工程以東8 km左右影響基本消除。鉆石島永定新河口處水道略有增大，位于防沙堤北側的兩條水道流速略有減小，平均流速變幅均在0.05 ms以內。工程對于南側的臨港經濟區港池航道以及北側的中心漁港航道的流速基本不產生影響。圖3為數模得到的工程前后流速變化等值線。

3.2對波浪場影響

圖4 設計高水位ENE向2 a一遇有效波高工程前后對比圖Fig.4 Comparison of significant wave heights before and after project

為了分析工程建設對波浪場的影響，將工程前后各向波高進行對比(工程后減去工程前)，對比結果見圖4。從工程波高對比分布來看，工程建設后工程區域外海方向的波浪基本無變化，僅工程區域南北兩側一定區域的波浪受到影響。由于各向波浪傳播至工程位置附近波向基本集中在SE—E向，工程前后波浪分布變化范圍也相對一致。由于天津港航道拓寬，使航道內波高有一定的增大，增加幅度不超過0.15 m；北塘港區波高受東疆二島掩護有所衰減，減小幅度在0.60 m以內；港島內部水域，由于周圍建筑物掩護波高相對較小。

3.3對污染物擴散影響分析

據2004年《天津市質量公報》統計，永定新河口COD入?？偭考s為53 429 t；非汛期入海流量取為平水年的平均值約為40 m3s。在計算中采用長時間序列全潮潮流動力條件模擬工程方案前后非汛期永定新河口連續排污30 d后排污濃度擴散情況。圖4給出了工程前后COD連續排放30 d后的濃度擴散分布情況。整體來看，工程建設后工程海域COD擴散相同濃度最大范圍有所減小，而濱海旅游區內大于4 mgL的濃度范圍略有增加。根據中華人民共和國國家標準《海水水質標準》規定，濱海風景旅游區水域屬于第三類水質，COD≤4 mgL，建議北塘濱海旅游區位于永定新河口側出口設閘，在排污期間關閉閘門以保證區內水質。

5-a 工程前 5-b 工程后圖5 永定新河口連續排放30天后濃度擴散分布Fig.5 Concentration diffusion distribution of Yongding estuary in 30 days

3.4對水體交換影響分析

假設本項目水域內部劣于外部，附近無外源載荷，外部濃度設為0.5單位，內部濃度設為1單位。采用長時間序列全潮潮流動力條件對工程前后各區域水體交換情況進行模擬，對5 d、10 d、30 d后各區域水體交換率進行統計，結果見表1。

表1 工程前后水體交換率平均值統計Tab.1 Average water exchange rate before and after the project

東疆二島建設后天津港由于口門段流速的增加，會加速二島主水道至口門段之間水體的交換，而鉆石島內水體交換會略有下降。但本身鉆石島水體交換情況較好，5 d就可以達到70%以上，因此對鉆石島不會帶來較大影響。人工島內湖水域水體交換較好，交換10 d后，水體交換率可以達到60%以上。

3.5對泥沙環境及地形沖淤變化影響

通過試驗研究得到，東疆二島建設后天津港北防波堤以北和二島東邊界之間、天津港南疆東邊界局部、二島北側取泥區以及鉆石島外側呈淤積趨勢，其中取泥區淤積最重，最大淤厚可以達到3.5 m，在北防波堤堤根拐角處最大淤積厚度接近1.0 m，在人工島外側東北轉角位置、以及取泥區東側，局部會出現沖刷，最大沖深約0.45 m，需要在局部采取一定的抗沖刷措施，保證護岸的穩定性。二島建設對海洋特別保護區內地形沒有影響。

東疆二島的建設使近岸流場發生變化，同時，使工程海域含沙量進一步降低，對周邊港區的泥沙回淤會產生一定的影響，尤其是距離工程最近的北塘港區和天津港主港區，淤積量均減小，對中心漁港和臨港工業區航道淤積基本不會產生影響。

3.6潛在生態環境問題

從海洋生態環境影響而言，東疆二島陸域的形成，占用了底棲生物的生境，代替其的是以附著生物為特征的生物群落，可使近岸海域的動物量減少。港區建設后，港口、碼頭建設會擾動周圍的水域，改變其水域生存環境，致使這片區域生存的動物被迫遷徙其它地方或者因為施工和船舶穿行而死亡，對動物物種豐度造成一定影響，甚至使某些物種喪失。

東疆二島建成后將形成一巨大內湖水域，要盡量降低內湖水域的水污染；陸域外圍要加大防護，防止沖刷的同時，盡量與生態相結合。此外，施工期間的疏浚、吹填等施工活動，對規劃區域附近的海域生態環境會造成一定的負面影響，要加強施工期環境監管。

4 東疆二島生態防護措施

4.1港區水環境污染防治

4.1.1 工業企業水污染治理

針對工業企業污染排放，杜絕源頭是重點，必須加大監管力度，規劃期內大力推行總量控制和排污許可證制度，所有污染源必須持證排污、在核定的允許排放量內達標排放；重點企業按要求安裝污水處理運行監控儀，并實行聯網遠程監控。

4.1.2 人工濕地

針對二島內湖水域的水污染，可以在東疆二島內結合聯系內灣與外圍海域的生態走廊建設一定面積的濕地公園，充分利用生態系統自我恢復功能，輔之以人工措施，使自然濕地變為人工濕地，減輕濕地硬化對生態的影響，保護濕地區域的生物多樣性，維護濕地區域的生態完整性和穩定性，促進東疆的環境建設。

根據東疆二島內、外灣的地形、水資源等條件，提出合理地構造人工地形的方法，根據土壤鹽分含量，研究濕地的植物的選擇和配置方式，提出東疆二島內、外灣人工濕地重構關鍵技術，構建東疆二島內、外灣新的人工濕地，改善生態環境。

4.2增殖放流和人工魚礁

針對魚類數量減少問題，可通過增殖放流和人工魚礁來達到恢復或增加漁業資源種群數量和資源量的方法。我國從20世紀50年代開始就進行增殖研究和放流活動，多年實踐表明，增殖放流是恢復水生生物資源的有效手段。人工魚礁主要通過人工魚礁的流場效應來實現增殖漁業資源，流場效應與礁體的結構形式密切相關，不同礁體其產生的流場效應差別很大。在實施前期要進行專項研究。

4.3生態護岸

東疆二島與一島形成環狀島嶼，人工陸域外側面對外海，受風浪、水流以及風暴潮等影響較大，因此人工護岸的選擇要以抵御波浪沖擊、加劇波浪破碎、減小波浪爬坡為主，結構宜采用混凝土塊體。對于人工陸域內側，即內湖水域護岸，波浪作用相對較弱，可以結合生物工程和結構工程來達到景觀生態設計的要求。

生態型護岸首先出現于河流岸坡的防護，且應用比較廣泛，但在海岸工程中應用少，其關鍵難題在于海岸生態恢復型護岸需要承受一定波浪作用，目前能夠承受波浪作用的生態護岸結構較少，也缺乏針對該類型護岸進行的系統研究。從國際發展的趨勢看，無論是單純的海岸生態恢復工程和考慮圍海工程影響的情況，將生態自然過程和滿足生態恢復功能的水工結構相結合是海岸利用的發展趨勢。目前，國內正在開展一種生態恢復型鹽生植物蜂巢護岸技術的研究，具有十分重要的科學意義和應用價值。該項技術采用蜂巢生態護坡材料，即新型生態修復技術(HPS)是發達國家新興起的一種地質災害防治和水土保持加固技術，其核心是采用新型高分子合成材料，替代鋼筋水泥等傳統材料，對地表土壤進行永久性固定和修復。

4.4生態監測

生態監測是采用生態學的方法，對各類生態系統結構和功能的時空格局的度量。近幾年無人機遙感系統由于具有低成本、高機動性、高安全性和高分辨率等技術特點，使其在環境保護中的應用具有得天獨厚的優勢，可應用于建設項目環境保護管理、環境監測、環境監察、環境應急和生態保護等方面。

東疆二島建設過程中或建設后，可采用無人機進行生態監測。確定生態建設工程的治理面積和工程質量，實現政府或企業對工程的動態監測，服務于有關生態建設工程的管理、監督和科學決策。

5 結語

本文依托天津港東疆第二人工港島工程，采用數值模擬、物理模型試驗等手段分析了人工島建設對海洋環境的影響，并在此基礎上提出了人工島建設中可應用的防護措施。該項成果可為近海人工島的規劃、研究、設計與開發建設提供參考依據，同時對重視海洋生態、發展海洋資源具有重要意義。

(1)文中針對東疆二島建設對環境可能帶來的影響，提出了5種生態防護技術，每項技術都是一個復雜的學科體系，需要根據具體問題開展詳細的研究，因此這里只提出一個宏觀的方向性意見。

(2)目前海洋工程建筑物護岸以混凝土結構為主，不滿足生態建設的理念，而生態護岸技術能將生態自然過程和滿足生態恢復功能的水工結構相結合，這將是海岸利用的發展趨勢，然而目前很少，而且更沒有達到推廣應用的程度，因此，下一步可開展海洋生態護岸的研究，對于推動科學技術進步具有十分重要的科學意義，也符合我國“十三五”規劃的發展要求。

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Research on the influence on marine environment and protection technology of the construction of artificial port island

ZHANGNa1,2,RENZhi-jie3,SUNLian-cheng2

(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China;3CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China.)

The impact of artificial island construction on the surrounding marine physics, marine ecological environment must be evaluated and analyzed in the process of artificial island construction. Based on the project of Tianjin Dongjiang second artificial island, the mathematical model and physical model test was used to study the effect of artificial island construction on the marine environment. According to the results of test, the potential environmental problems of Dongjiang artificial island construction were analyzed. Then, a series of measures for the construction of ecological protection were put forward in this paper.

artificial port island；environmental effect；ecological protection technology

2017-03-14；

2017-06-05

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目(TKS 170203)；國家重點研發計劃課題(課題編號：No.2016 YFC0402603和課題編號：No.2016YFC0402605)；留學人員科技活動項目擇優資助經費

張娜(1979-)，女，天津市人，副研究員，主要從事港口和航道工程研究。

Biography:ZHANG Na(1979-)，female,associate professor.

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0477-07