杭州灣圍墾工程引起的岸線變化對水環境的影響分析

黃賽花， 章琪宇， 嚴軍， 方強

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046; 2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310018; 3.浙江水文新技術開發經營公司，浙江 杭州 310000; 4.浙江省農村水利水電資源配置與調控關鍵技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

灘涂圍墾是海洋空間利用的一種方式，是將沿海灘涂漲落潮位差大的地段筑堤攔海，隨后排出堤內海水從而形成新的土地用于工農業生產的海洋工程。浙江省的灘涂資源占全國灘涂資源總量的13%左右，基本處于動態相對穩定狀態。經統計，截至2013年底，浙江省共圍墾灘涂20萬hm2，且圍墾面積還在逐年增加[1]。其中以杭州灣地區圍墾的灘涂最多，從20世紀70年代起至2014年，杭州灣共圍墾灘涂851.03 km2，杭州灣豐富的灘涂資源被充分地開發利用[2]。杭州灣圍墾工程的實施緩解了人口壓力與土地不足之間的矛盾，同時也對河口岸線與灣內水環境效應產生了影響。

近年來，已有專家學者對杭州灣岸線變化開展了研究。楊金中等[3](2002)利用多時相遙感資料對杭州灣南北兩岸的岸線進行調查，查明了岸線變遷規律及影響因素。施偉勇等[4](2012)通過對杭州灣北岸南竹港—龍泉岸段1999年至2009年的實測岸灘斷面資料的統計分析，發現該岸段在這10年處于侵蝕狀態的主要影響因素為季節變化與沿岸工程。孫麗娥等[5](2013)開展杭洲灣南岸和北岸的變遷驅動力分析，提出圍墾工程是杭洲灣海岸線變遷的主要驅動力。上述文獻主要研究杭洲灣岸線變化規律和影響因素，暫未涉及其岸線變化對周邊水域的影響。

針對杭州灣圍墾工程對水動力與水環境的影響，有專家學者運用實地考察和數值模擬等方法開展了具體的研究。韓曾萃等[6](2002)分析了大型調節水庫修建及治江縮窄兩種人類活動對河口咸水入侵的影響，但是該文采用一維模型進行分析。潘存鴻等[7](2013)通過建立錢塘江河口泥沙起動流速和挾沙能力公式得出涌潮是錢塘江河口沖淤的機理之一。魯友鵬等[8]研究不同時期杭洲灣圍墾工程引起的岸線變化對金塘水道流場的影響，發現杭洲灣岸線變化對水動力有累計變化的趨勢。邵明明等[9](2017)基于FVCOM模型，結合Landsat遙感資料，對杭州灣2005—2015年間岸線變化對潮波動力過程的影響進行分析，最后得出灣內高潮位抬升的結論。鄒志年等[10](2017)分析圍涂工程建設前后杭州灣整體無機氮和葉綠素的變化情況，但是未進行局部地區的變化情況分析。汪求順等[11](2019)建立平面二維溫排水數學模型來探究杭州灣強潮水域電廠溫排水過程中的熱擴散規律，并給出了水位和流速對溫升的定量關系。潘存鴻等[12](2019)基于杭州灣口內外實測潮汐資料，對杭州灣潮汐特征及時空變化進行了系統分析，同時分析了20世紀80年代以來潮汐特征變化的原因。李莉等[13]基于杭州灣三維水沙耦合數值模型,開展了圍墾工程地理位置對杭州灣水沙環境特征的影響的研究，得出各區域圍墾工程對灣內水沙環境特征參數的影響具有疊加效應。

上述研究主要分析圍墾工程對杭州灣整體的影響，直接分析各個圍墾區周邊水環境受圍墾工程影響的文獻較少。本文收集1997—2015年杭州灣海岸線的衛星影像資料，分析1997—2015年間杭州灣岸線的變化情況，并利用二維平面數學模型分1997—2007年和2007—2015年兩個階段模擬分析杭州灣圍墾工程導致的岸線變化對圍墾區周邊海域污染物的輸移規律和面積擴散變化特征的影響。研究結果可為杭州灣新區的科學建設與制定污染物合理排放措施提供參考。

1 岸線變化分析

杭州灣海域的圍墾工程使岸線產生了明顯的變化，基于1997—2015年杭州灣岸線的部分衛星影像資料，通過數字化處理，采取同一河海界線，得到歷年杭州灣岸線。岸線資料的上邊界取到嘉紹大橋上游17 km處，下邊界取到寧波鎮海區，分別提取1997年、2007年及2015年這3個年份的岸線進行對比，結果如圖1所示。根據圍墾規模和對岸線的影響程度，重點研究杭州灣岸線處于北岸的尖山地區和南岸的上虞、余姚與慈溪地區的情況。杭州灣沿岸圍墾面積變化情況見表1。

圖1 杭州灣岸線變化情況示意圖

表1 杭州灣沿岸圍墾面積統計

由圖1和表1可知：1997—2007年，杭州灣圍墾工程主要位于北岸的尖山段與南岸的慈溪段，其中尖山段圍墾面積約52.6 km2，慈溪段圍墾面積約53.9 km2，其他地方圍墾面積變化相對不大，圍墾多是順岸向灣內小范圍推進；2007—2015年，杭洲灣岸線變化主要發生在南岸的上虞、余姚和慈溪這3個地區，在余姚治江圍涂一期工程、上虞市世紀丘治江圍涂工程和余姚治江圍涂二期工程等圍墾工程影響下，杭洲灣南岸岸線向北大規模推進，人工岸線迅速增長，3個地區的新增陸域面積達到254.2 km2，占1997—2015年間圍墾總面積的44%?？傮w來說，1997—2015年間，杭州灣南岸較北岸沿岸灘涂的開發利用情況較為明顯，且南岸海域開發利用強度不斷增加。

2 計算模型

2.1 控制方程

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

對流擴散方程：

(4)

式中：h為水深；c為化合物質量濃度；Dx、Dy分別為x、y方向上的擴散系數；φ為衰減系數；s=Qs(cs-c)；Qs為排污口流量；cs-c為化合物相對質量濃度。

2.2 模型建立

2.2.1 計算范圍

1997—2015年間，杭州灣岸線復雜多變，采用非結構三角形網格剖分計算域，通過網格生成模塊，控制網格疏密及尺度，在圍墾區附近海域進行網格加密，網格尺度最小為3 m，在遠離圍墾區海域，網格相對稀疏，網格距為1 000 m，不同尺度網格之間平滑過渡，計算域網格剖分結果如圖2所示。

圖2 計算域網格剖分

2.2.2 邊界條件

模型的上游采用富春江水電站的流量資料作為上邊界條件，下游采用蘆潮港、鎮海實測潮位值作為下邊界條件。

2.2.3 初始條件

模型的初始條件包括初始流速和初始水位(水深)，初始條件設定的目的是讓模型平穩啟動，上游初始水位和流量的設定應盡可能與模擬開始時刻的實際河流水動力條件一致。由于缺乏相關資料，初始流速和水位的數值均設為0。

2.2.4 模擬時間和空間步長

模型中的時間步長與空間步長取值越小，則模型計算結果的精度越高。然而，隨著時間和空間步長的減小，計算的時間和工作量將大大增加。本次模型計算時間步長根據收斂條件判斷數CFL(Courant,Friedrichs,Lewy)進行動態調整，確保模型計算穩定進行，平均時間步長取值0.5 s，最短時間步長取為0.001 s。

2.3 模型驗證

2.3.1 潮位和潮流的驗證

以2012年4月在杭州灣圍墾區附近9個測點的潮流測驗資料進行驗證，各水文驗證站位置如圖1所示，同時進行附近的潮位資料驗證。由于篇幅有限，文中選取潮位測站#3與潮流測站H1和H9進行驗證，驗證結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 潮流測站H1、H9流速和流向驗證結果

圖4 潮位測站#3潮位驗證結果

從圖3驗證結果來看，潮位一般誤差為10～30 cm，誤差在10%以內。圖4的潮流驗證結果顯示，各測站的計算潮位值和實測潮位值比較接近，平均漲落潮流速誤差基本在±15%以內?？傮w而言，單站流向和流速的模擬結果能較好地反映研究區域的潮流特征，可為污染物擴散輸運模擬提供水動力條件。

2.3.2 水質驗證

杭州灣水域水質變化與灣內河流無機氮、無機磷、硅的輸入直接有關[14]，選取無機氮為研究物質，主要研究圍墾工程引起的岸線變化對杭州灣內無機氮的質量濃度及無機氮輸移擴散面積的影響。取2017年6月15日余姚與慈溪圍墾區附近的水質測站A1和A2的無機氮實測質量濃度進行驗證，水質測站的位置如圖1所示。驗證結果如圖5所示。圖5表明，杭州灣內無機氮的質量濃度的模擬值與實測值處于同一數量級內，且誤差較小，說明該模型可用于該區域的水環境分析。

圖5 水質測站A1和A2處的無機氮質量濃度驗證結果

3 污染物擴散輸運范圍的變化

由上述的岸線變化分析可知：杭州灣北岸的尖山地區與杭州灣南岸的上虞、余姚和慈溪地區1997—2015年近20年圍墾面積占研究區域圍墾總面積的一半以上，文中選取這4個圍墾區沿岸水質作為研究對象，選取無機氮作為典型污染物，分別模擬1997年、2007年、2015年這3個年份圍墾工程實施后引起的杭洲灣岸線變化對無機氮質量濃度變化及不同質量濃度無機氮擴散面積變化的影響情況。無機氮污染物擴散輸運計算方案見表2。

文中的計算模型不考慮水體溫度和鹽度的因素，初始條件僅包括初始流量與初始水位?？紤]到初始條件的精確取值僅影響模型達到穩定狀態所需時間的長短而非模型計算的精度與結果，故將1997年、2007年和2015年這3個年份的初始流速與初始水位條件的數值均設置為0。

由《海水水質標準》(GB 3097—1997)可知，研究區域海水無機氮的質量濃度不大于0.3 mg/L即為合格水質。因此，文中選取0.3 mg/L以上質量濃度擴散面積展開研究。模擬結果如圖6所示。

表2 無機氮擴散輸運計算方案設計

圖6 杭州灣灣內-水體中無機氮的輸運變化

3.1 無機氮擴散總面積變化

結合1997—2015年間尖山、上虞、余姚和慈溪地區圍墾面積的變化情況與對應年份這些地區的無機氮擴散總面積變化情況，計算這4個地區單位新增圍墾面積對應的無機氮擴散面積，計算結果見表3。

由表3可知：1997—2007年間，杭洲灣圍墾工程主要發生在北岸尖山地區和南岸慈溪地區，尖山、上虞、余姚每增加1 km2圍墾面積，增加的無機氮擴散面積分別為2.2、7.9、5.3 km2，其中上虞地區無機氮擴散面積新增最多，而慈溪地區的無機氮擴散面積則呈現減少的趨勢；2007—2015年間，杭洲灣圍墾工程主要發生在南岸，尖山、上虞、余姚和慈溪這4個地區每新增1 km2圍墾面積，無機氮擴散面積均有所減少，其中尖山地區的無機氮擴散面積減少最多，減少54.4 km2；慈溪地區1997—2015年單位新增圍墾面積下無機氮擴散面積均處于減少狀態，但是2007—2015年減幅下降了73%。對比這4個地區單位新增圍墾面積下無機氮擴散面積變量可知：前一階段(1997—2007年)圍墾，無機氮擴散面積主要以增加為主；后一階段(2007—2015年)圍墾，無機氮擴散面積呈現減少的趨勢?？傮w上來說，1997—2015年間,杭州灣無機氮擴散面積呈現略有減小的趨勢。

3.2 南北岸無機氮輸移范圍變化

圖7給出了研究區域不同質量濃度無機氮擴散面積隨圍墾面積增加而呈現出的階段性變化關系，由圖7可直觀地研究1997—2007年和2007—2015年這兩個階段杭洲灣南北岸圍墾工程對灣內無機氮擴散變化規律的影響，得到如下結論。

注：圖例▲表示無機氮質量濃度變化的起始年份為1997年，■表示無機氮質量濃度變化轉折點發生在2007年，

由圖7可知：1)1997—2007年這一階段,杭洲灣南北岸圍墾對無機氮擴散面積的影響如下：尖山地區0.7 mg/L以下質量濃度區無機氮擴散面積減小104.9 km2，0.7 mg/L以上質量濃度區無機氮擴散面積增加222.5 km2，整體上無機氮擴散面積呈現增加的趨勢；上虞和余姚地區不同質量濃度的無機氮擴散面積均有所增加；慈溪地區不同質量濃度的無機氮擴散面積呈現減小的趨勢。這是因為，尖山、上虞和余姚地區均開展圍墾工程，導致這3個地區對應河段束窄，過水面積減小，無機氮擴散面積有一定程度的增加。慈溪地區對應河段僅受南岸圍墾工程的影響，無機氮擴散面積減少。

2)2007—2015年這一階段，杭洲灣北岸圍墾面積遠小于南岸圍墾面積，這一階段主要考慮南岸圍墾對灣內無機氮擴散面積變化規律的影響：尖山和上虞地區不同質量濃度無機氮擴散面積均呈現下降的趨勢；余姚地區0.7 mg/L以下質量濃度區無機氮擴散面積減小86.3 km2，0.7 mg/L以上質量濃度區無機氮擴散面積增加6.6 km2，整體上無機氮擴散面積呈現減少的趨勢；慈溪地區不同質量濃度的無機氮擴散面積繼續減小，但是減幅略有下降。這是因為，該階段主要是杭洲灣南岸開展圍墾工程，河道束窄程度較上一階段減小，無機氮擴散面積變化呈現下降的趨勢。

對比以上兩個階段杭洲灣南北兩岸圍墾工程對灣內無機氮擴散面積的影響可知，杭洲灣南北兩岸圍墾對灣內污染物的擴散規律變化的影響存在差異。其中，北岸圍墾會引起比較顯著的無機氮擴散面積增大，而南岸圍墾對無機氮擴散面積影響呈現階段性變化特征，即前一階段(1997—2007年)南岸圍墾會引起無機氮擴散面積略有增大，其擴散面積變化幅度顯著小于北岸；后一階段(2007—2015年)隨著南岸圍墾面積增加且岸線位置外移，在圍墾區對應河段海灣束窄作用下，灣內水體動力略有增強，便于污染物輸移，最終反而呈現此時污染物整體擴散面積減小的變化規律。

3.3 水體交換能力變化

污染物隨流體的運動稱為水體的物理自凈能力，而水體的物理自凈能力與水體交換能力密切相關[15]。水體交換能力通常用水體交換時間來表征，指水體全部或部分更新所需要的時間。文中采用水體交換時間來進一步衡量圍墾工程對杭州灣水質的影響。在已建立的二維潮流以及濃度對流擴散數值模型的基礎上，采用濃度示蹤方法計算水體半交換時間。半交換時間類似于放射性同位素的半衰期，為某海域保守物質質量濃度通過對流擴散稀釋到原始質量濃度一半所需要的時間。通過數值模型對1997年、2007年和2015年的岸線條件下杭州灣水質進行模擬，數值模型初始時灣內質量濃度場為1 mg/L，開邊界質量濃度為0 mg/L，在考慮錢塘江上游來流量的條件下模擬30 d，每隔6 h統計一次杭州灣內保守物質平均質量濃度，并根據模擬結果繪制灣內保守物質平均質量濃度隨時間的變化曲線，如圖8所示。選取時間間隔為5 d的平均質量濃度繪制水體交換率時間曲線來確定該模擬結果下杭州灣水體半交換時間，結果如圖9所示。

由圖8可知，杭洲灣河口地區物質擴散受潮汐作用顯著，擴散具有往復性。保守物質漲潮期間隨潮流上溯，落潮期間隨潮流下泄；開始階段，灣內物質的質量濃度均呈現快速下降趨勢；隨后灣內保守物質的質量濃度整體變化仍進一步降低，但呈現出新的變化特征，即平均質量濃度的下降變幅逐漸趨緩且變化速率趨于減小。

圖8 杭州灣保守物質的質量濃度隨時間的變化曲線

圖9 杭州灣水體交換率隨時間的變化曲線

由圖9可知，杭州灣1997年的水體半交換時間為14.75 d，2007年的水體半交換時間為14.25 d，2015年的水體半交換時間為14.35 d。相對于1997年，2007年的水體交換率增長2%～3%，造成這種現象的原因是尖山段的圍墾使得北岸岸線變得平滑，水流發生了變化，導致沿程水體交換率增加，交換時間減少；相對于2007年，2015年的水體交換率減小0.1 d，這是因為南岸的圍墾使河道縮窄，水體交換率減小，水體交換時間增加。整體來說，杭洲灣北岸圍墾有利于提高水體交換能力，加速污染物的稀釋速度；南岸圍墾會減少灣內納潮量，減弱潮汐作用，不利于污染物的擴散。但是整體來看，灣內水體交換能力還是呈現增強的趨勢。

4 結論與建議

4.1 結論

利用影像資料繪制杭州灣1997年、2007年和2015年的岸線圖，對圍墾區岸線變化數據進行整理，運用數值模型進行1997年、2007年和2015年杭州灣圍墾前后周邊海域的水環境模擬，重點分析圍墾前后的岸線變化對杭州灣水環境效應的影響，得出以下結論：

1)1997—2015年，杭州灣岸線變化較大，第一階段(1997—2007年)的變化主要發生在杭州灣南岸的慈溪段以及北岸的尖山段，尖山段岸線呈盾尖狀向杭州灣內南推，慈溪段等南岸岸線多是順岸向灣內小規模推進，海域利用方式主要為灘涂圍墾，灘涂開發利用度不大；第二階段(2007—2015年)主要在杭州灣南岸興起了較大規模的圍墾工程，圍墾面積占1997—2015年圍墾總面積的一半，主要利用方式仍為灘涂圍墾，杭州灣海域開發利用強度明顯增加。

2)1997—2015年，杭州灣南北兩岸圍墾前后在整體上會使灣內污染物擴散面積呈現減小的趨勢。

3)杭州灣南北岸圍墾對灣內污染物的擴散面積變化規律的影響存在差異。其中，北岸圍墾會引起比較顯著的污染物擴散面積增大，而南岸圍墾對污染物擴散面積的影響呈現階段性變化特征。即前一階段(1997—2017年)，南岸圍墾引起污染物擴散面積略有增大，污染物擴散變化幅度顯著小于北岸；后一階段(2007—2015年)，隨著南岸圍墾面積增加且岸線位置外移，在圍墾區對應河段海灣束窄作用下，灣內水體動力略有增強，便于污染物輸移，最終反而呈現此時污染物整體擴散面積減小的變化規律。

4)杭州灣1997—2015年間的圍墾工程對于該區域水體交換能力的影響較為明顯：北岸圍墾會增強水體交換能力，南岸圍墾則會減弱水體交換能力；但是整體來看，水體交換能力還是呈現增強的趨勢，說明圍墾工程有利于增強水體交換能力。

4.2 建議

根據上述的結論，為進一步減少杭州灣圍墾工程對灣內水體污染的影響，給予以下兩點建議：

1)對于后續的杭州灣圍墾工程建設可優先考慮開展南岸地區的圍墾。

2)在杭州灣南岸開展圍墾工程的時候可將工程區域選址向杭州灣下游偏移。