1985年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析

刘大海,陈小英,徐 伟,张志卫，张 杨，宫 伟

(1.中国海洋大学，青岛 266100； 2.国家海洋局 第一海洋研究所，青岛 266061； 3.国土资源部 海洋油气资源和环境地质重点实验室，青岛 266071； 4.青岛海洋地质研究所，青岛 266071；5.国家海洋技术中心，天津 300112；6.中国地质大学，武汉 430074)

1985年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析

刘大海1,2,*,陈小英3,4,徐 伟5,张志卫1,2，张 杨6，宫 伟1

(1.中国海洋大学，青岛 266100； 2.国家海洋局 第一海洋研究所，青岛 266061； 3.国土资源部 海洋油气资源和环境地质重点实验室，青岛 266071； 4.青岛海洋地质研究所，青岛 266071；5.国家海洋技术中心，天津 300112；6.中国地质大学，武汉 430074)

研究围填海前后的海岸带生态系统服务价值变化对促进海域管理和海洋资源可持续发展具有重要意义。以黄河三角洲孤东海岸为例，依据1985—2005年该地区剖面地形实测资料以及利津水文站的水沙资料，利用海岸地形演变方法对冲淤数据进行了处理，并结合生态系统服务价值理论方法，分析了围填海前后的生态系统服务价值变化。结果表明：孤东海岸剖面表现为严重侵蚀下切，其中海洋作用占主导地位。根据冲淤演变结论，孤东海域可被分为堤内区、堤根区、堤前区和远岸区，1985—2005年各区生态系统服务价值变化情况表明，孤东海域围堤后生态系统服务价值损失巨大，并且随建堤时间增长而日益增大，而丁坝的修建可以有效改善沉积环境，减少生态损失。

孤东；海岸；冲淤演变；生态系统服务

海岸带是沿海地区经济发展的重要载体，世界上有大约2/3的大城市和60%的人口分布在离海岸线100 km以内的海岸带区域[1]。随着沿海地区经济的持续快速发展，大规模的海岸带开发尤其是围填海导致的海岸带生态损益问题逐渐引起关注，因此需要一种科学可行的方法对其生态损益进行量化。

对生态系统服务进行系统定量研究始于20世纪70年代的《人类对全球环境影响》(“Man′s Impact on the Global Environment”)报告。1997年，Daily[2]和Robert Costanza[3]分别对生态系统服务的研究历史、理论、方法进行了系统的讨论。国内关于生态价值的评估最早始于20世纪80年代初[4-6]；90年代末，欧阳志云、王如松[7-9]对生态系统服务进行系统研究，自此正式掀开了我国开展生态系统服务研究的序幕。

在我国海洋与海岸带生态系统服务方面，2006年前的研究相对较少，从2006年开始，海洋生态系统服务概念被推广到全国，相关研究步入快速发展期。《福建省海湾数模与环境研究》[10]项目启动结集成书，陈尚[11]、彭本荣[12-13]、苗丽娟[14]、郑伟[15]等从不同角度系统阐述并验证了海洋生态系统原理及评估方法。随着对海岸带生态系统服务研究的深入，陈伟琪[16]、俞炜炜[17]、李铁军[18]等学者开始尝试将海岸带生态系统服务研究应用到围填海环境影响的定量研究中。与陆地生态系统相比，海洋和海岸带生态系统具有复杂性、流动性等特点，定量研究往往是评价某特定时间的状态，且难以剥离海洋动力条件等的影响。在围填海的生态系统服务影响方面，有两个问题需要考虑：

(1)能否建立一种通用模式，动态测算围填海前后海岸带生态系统服务的变化？

(2)河口海岸演变时空特征受来水来沙等要素影响，如何提取其中的围填海环境影响？

为解决以上问题，本研究尝试提出一种基于冲淤演变的生态损益评估方法。即首先分析孤东海堤围填前后海岸演变过程，然后进行海岸的冲淤变化条件下的情景模拟，在以上基础上对海岸带生态系统服务价值损失进行了计算。通过本研究，旨在揭示海岸带区域人类活动对生态系统的影响，为今后合理利用岸线和近岸海域资源提供科学依据。

1 研究区概况

孤东位于现行黄河入海口北侧(图1)。1985年，当地政府在黄河口北侧孤东海岸围建海堤。1987年孤东海堤全面竣工，围海造地76 km2，全长约17 km。海堤的修建导致孤东岸滩由快速淤积转为强烈的侵蚀，局部区域的堤前水深达到5 m[19]，且呈现出加剧变深的趋势。1998—2003年孤东近岸海域平均蚀深0.73 m，孤东北大堤近堤水深已达4—5 m[20]。根据胜利油田有限公司孤东采油厂的海底地形勘测及流场调查，从等深线变化看，5 m等深线已逼近堤前150—500 m处[21]。本研究选取孤东海堤前的GD1、GD2和GD3三条剖面作为研究区域。

图1 研究区剖面位置图Fig.1 Location map of the study area

2 研究方法

2.1 海岸演变过程分析

结合孤东海岸剖面形态特征，对海岸冲淤变化过程进行分析，并从黄河入海泥沙减少和海洋动力条件增强等角度，对孤东海岸冲淤变化机理进行研究。

2.1.1 海岸剖面形态特征分析

运用麦夸特法，对孤东1985—2005年海岸地形进行特征分析。分析结果表明，海岸剖面GD1、GD2属于上冲下淤型。剖面前坡段较陡，坡降2‰左右，尾坡段坡度逐渐变缓。剖面GD3位于孤东南部，距离现行河口较近，剖面形态呈缓慢淤积型。剖面前坡段坡降1‰左右。约8 m水深以浅，淤积幅度较小，剖面变化不大；8 m水深以深，淤积幅度增大。

2.1.2 海岸冲淤变化过程分析

自1985年孤东围堤以来，孤东海堤堤前海域遭受了不同程度的侵蚀。剖面GD1和GD2距离河口较远，河口来沙对该区影响较小。1985年以来，剖面GD1和GD2在10 m水深以浅，几乎全部遭受强烈侵蚀。北大堤GD1尤为显著。GD1的2 m等深线向岸靠近了3.02 km，4 m等深线向岸靠近了3.07 km，10 m以深的岸段才开始缓慢淤积。

距离河口较近的剖面GD3受河口来水来沙影响作用较大，尤其在深水区。在浅水区，剖面表现为缓慢淤积或者侵蚀。剖面GD3的2 m等深线在1985—2005年期间向岸后退了1.25 km。而10 m以深的岸段表现为快速淤积，其中，1995—2001年期间淤积幅度最大。这是由于1996年黄河尾闾于清8分汊入海，该区接受的泥沙量迅速增大，水下岸坡表现为向海淤进。

2.1.3 海岸冲淤变化机理研究

孤东海岸1985年建堤使得原来的自然岸线成为人工海岸，海洋动力条件发生了很大变化，再加上近年来黄河入海水沙的减少，使得河海相对作用地位改变，海岸地形也随之不断调整，进入重新塑造阶段。

海洋动力条件的变化主要体现在波浪和潮流两个方面。渤海是一个半封闭的海湾，波浪以风浪为主，波浪的大小随风速大小而变化。据李向阳[22]，孤东海域NE、SE和NW向浪出现频率分别是26.28%、22.85%和15.49%，NE向浪为常浪向。一般而言，波浪对底部沉积物的扰动主要是在破波带以内，其作用主要表现在起动、搬运泥沙和波流结合输沙。而在黄河三角洲远岸区，波高1.5 m以上的波浪对10 m以内海底泥沙产生推移作用[23-24]。孤东大堤修建后，岸线呈NW和NNE走向，几乎垂直于强浪和常浪向，使得波浪作用增强。当波浪向岸传播时，波浪发生破碎，对海堤进行强烈冲击并形成了反射波，对堤前海域海底泥沙产生剧烈扰动，大量泥沙被掀起，并向外扩散。潮流是孤东近岸海域泥沙输移的主要动力。在孤东近岸，NW方向的落潮流占优势，近堤海底泥沙被波浪掀起后，随落潮流向NW方向搬运，使近堤泥沙亏损，造成海岸侵蚀，堤前水深增加。

入海水沙量的减少亦为一个至关重要的因素。根据利津站1950—2006年水沙数据统计，黄河多年平均入海径流量为317.96×108m3，多年平均入海沙量为7.79×108t。1950年来，黄河入海径流量和来沙量呈明显下降趋势。尤其在1986年之后，平均入海径流量为144.42×108m3，较多年平均入海径流量减少了54.58%，较1950—1985年均径流量419.18×108m3减少了65.54%；黄河年平均入海沙量仅为3.16×108t，为多年平均值的40.6%，较1950—1985年均来沙量10.49×108t减少了69.88%。

综上可知，海洋冲淤变化与入海水沙量的减少及海洋动力条件的增强有着密切联系。

2.2 基于海岸演变的情景模拟

在海岸演变分析基础上，开展研究区情景模拟。研究区为孤东海堤前的GD1、GD2和GD3三条剖面之间的典型区域，其范围包括向陆5 km，向海至黄河入海泥沙扩散的外边界。结合前文冲淤变化分析，可将研究区域由自近岸向远岸划分为堤内、堤根、堤前、远岸4个区域。

堤内区 指孤东海堤内的围填区域。围堤后，油田的开发建设完全改变了地表的现状，使得滩涂、沼泽、芦苇等生态环境遭到毁灭性的破坏。作为一种典型多胁迫下的退化生态系统，有大片重盐碱地和光滩，基本没有植被，风沙化趋势明显，土壤的改良利用困难。这种破坏性的填海活动使河口湿地的生态系统服务几乎完全丧失。

堤根区 指孤东海堤的堤根海域。围堤前，堤根区是河口湿地。围堤后，由于海堤修建改变了原有的水动力环境，再加上黄河来水来沙的减少，该区形成以海洋动力侵蚀作用为主的沉积环境。原来由于翅碱蓬草甸的保护作用，当地生态受到的压力会相对平缓。而孤东大堤的修建使得人工海岸代替了原本的自然岸线，对堤前海域的沉积环境产生了不利影响，造成严重的海岸侵蚀。

堤前区 指堤根区外的堤前海域。围堤前，是滨海湿地、河流作用占主导，主要呈淤积趋势；围堤后，受到孤东海堤围填、海潮侵袭和黄河改道、来水来沙减少等因素影响，海洋作用占主导，主要呈侵蚀趋势。该区域生物类型单一，群落结构简单，抗干扰能力差，在围堤后，沉积环境发生巨大改变，生态系统不断受到威胁，处于物质、能量、结构和功能的非均衡状态。

远岸区 指堤前区以外的区域。围堤后影响不明显，不纳入计算。

2.3 参数及公式

2.3.1 参数设定及数据来源

假设研究区域为封闭系统，设定条件如下：

假设条件1 封闭的经济和环境体的假设。即在一个经济体里，所有的物质与能量活动均不存在与外界交流的情况；

假设条件2 环境、经济二元制的假设。即环境是环境系统，经济是经济系统，人类是经济系统的一部分。

假设条件3 时间价值的假设。根据当前利率水平，设定无风险的年贴现率为3.6%。设定2010年为测算基准年，年贴现率始终保持为3.6%。

在数据方面，参考黄河三角洲生态系统服务价值评估结果[25]：即研究区域的食品生产、原料生产、氧气生产、气候调节、污染控制、生物控制、栖息地、旅游娱乐、文化美学、教育科研等逐年生态系统服务单位面积价值约为42.127万元 hm-2a-1，孤东海岸带生态系统的干扰调节服务功能的单位价值为2.49×107元 km-1a-1。

2.3.2 测算公式

不同区域生态系统服务损失按照下述公式进行计算：

R1=W1×A1

R2=W1×A2+W2×L1

R3=W3×V1+W4×L2

式中，R1为堤内区生态系统服务损失，R2为堤根区生态系统服务损失，R3为堤前区生态系统服务损失，W1为单位面积生态系统服务价值，W2为单位岸线生态系统服务价值，W3为单位体积土石方成本，W4为单位岸线防浪设施成本，A1为总围填土地面积，A2为年侵蚀面积，L1为围填岸线长度，L2为防浪设施长度，V1为年冲淤体积，

3 结果分析

3.1 堤内区损失测算结果与分析

运用MapInfo软件对1980年岸线和围堤后岸线进行比较，可以计算出研究区域的围填面积为6616 hm2。经公式测算可知，孤东海岸带堤内区生态系统服务损失高达27.87亿元/a。

可得，孤东海堤修建后，堤内生态系统服务损失巨大，年均损失超过27.87亿元。

3.2 堤根区损失测算结果与分析

运用MapInfo软件对研究区域内的孤东海堤的堤长进行测算，GD1至GD2堤长9919.28 m，GD2至GD3堤长4865.96 m。研究区域内的年侵蚀面积根据GD1—GD3剖面数据计算得到。

综上，孤东海岸带堤根区年均生态系统服务损失≈3.84亿元。孤东海堤修建前，堤根区生态系统服务的年均价值为4.35亿元，修建后迅速降至0.51亿元，仅为围填前的11.72%。

各年计算结果见图2、图3和图4。

图2 孤东海堤堤根区生态系统服务价值Fig.2 Ecosystem service values at root area of the levee in Gudong

图3 孤东海堤修建后堤根区生态系统服务损失Fig.3 Ecosystem services loss at root area of the levee in Gudong

采取FIR 滤波器进行降噪，脉冲响应设定为5，可得出降噪后的损失变化。

图4 孤东海堤堤根区生态系统服务各年损失(降噪)Fig.4 Ecosystem services loss at root area of the levee after moving average in Gudong

综合上图可看出：(1)1976—1985年，孤东海岸带生态系统服务价值呈稳定上升趋势。(2)1987年孤东海堤修建之后，孤东海岸带生态系统服务价值骤降，生态系统服务损失急剧上升，1988—2000年出现一个稳定的损失上升期。1995—1997年生态系统服务损失数据出现波动，这是由于1996年黄河改道，河口距离孤东更近，来水来沙量增加。(3)2001年后损失开始减少。原因是2001年修建的十八桥丁坝、三号排涝站丁坝能有效改善该区域的沉积环境，降低堤根区的生态系统服务价值损失。根据胜利油田有限公司孤东采油厂的海底地形勘测及流场调查，也能验证这一点。堤前部分断面出现淤积现象[26-27]，这主要是孤东东大堤两条丁坝共同作用改变流场的效果。(4)从生态系统服务价值看，1976 —1987年堤根区生态系统服务的年均价值为4.35亿元，1988—2005年迅速降至0.51亿元，仅为围填前的11.72%，孤东海岸带堤根区生态系统服务的年均价值损失高达3.84亿元，损失巨大。

3.3 堤前区损失测算结果与分析

根据3个剖面数据的分析，由于GD3剖面靠近现行河口，剖面的地形、冲淤受黄河来水来沙影响显著，堤前区的冲淤体积数据波动较大，因此仅选择GD1—GD2作为典型区域进行测算。根据调查和研究，当地土石方成本约为100元/ m3，防潮设施价值与干扰调节功能重叠，不纳入计算，根据GD1—GD2的堤前区年冲淤体积，计算得到1988年后孤东海堤堤前区生态系统服务年损失达到26亿(图5)。

由于堤前区同时受海陆作用影响，采取FIR 滤波器进行降噪，然后将以上数据的脉冲响应设定为3，可得出降噪后的损失图(图6)。

图5 孤东海堤堤前区生态系统服务各年损失Fig.5 Ecosystem services loss at infront area of the levee in Gudong

图6 孤东海堤堤前区生态系统服务各年损失(降噪)Fig.6Ecosystem services loss at infront area of the levee after moving average in Gudong

结合上图，得出以下结论。(1)孤东海堤堤前区的生态系统服务损失在围填以后呈现持续上升趋势。具体发展情况是：围堤初期基本是冲，但围堤沉积环境比较复杂，时冲时淤，1993年以后开始逐年加快，1996年开始，即黄河改道时期，沉积环境动荡了两年，稳定下来以后侵蚀速度急剧加快。(2)1988年后孤东海堤堤前区生态系统服务年损失达到26亿以上，至2005年已经达到45亿之多，损失巨大，影响深远。

3.4 远岸区损失测算结果与分析

根据前面计算结果，在孤东远岸，距离海堤约12 km处，存在一条冲淤平衡带，从多年数据来看，该区生态系统基本维持平衡，不需要计算生态损失，因此不进行进一步讨论计算。

4 结论与讨论

在方法上提出了一种基于冲淤演变的生态损益评估方法，并以孤东海岸为例进行了应用。通过应用发现，该评估结果受人类干扰较大，以胶州湾、长江口等区域为例，这些区域的围填海等人类活动非常频繁，很难剥离数据的变异特征，也就无法解释数据变动的真实原因。但对于有连续观测数据，且环境背景清楚的区域具有一定的适用性。

在研究方面，根据海岸演变分析和情景研究，将孤东海岸带分为堤内区、堤根区、堤前区和远岸区，并对堤内区、堤根区和堤前区进行生态系统服务损失测算。结果表明，孤东海堤围填以后，海堤内侧生态系统服务的年均损失达到27.87亿元，海堤根部生态系统服务年均损失达到3.84亿元，堤前区域生态系统服务的年均损失达到26亿元。

通过结果分析可知，丁坝的修建能有效改善孤东海域沉积环境，降低生态系统服务价值损失。这表明好的平面设计方案确实能大幅减少围填海工程对河口湿地的环境影响。当前，应该迅速采取措施改变孤东海堤堤前的沉积环境，以避免更大的环境影响和生态损失。

综上所述，在河口湿地进行围填海工程必然会付出昂贵的生态代价。今后对于在红树林、河口湿地、海湾和沙坝潟湖等典型海岸带生态系统进行的围填海工程，应在项目审批上慎之又慎，必须围填的，应认真考虑围填海方式和平面设计方案，尽量减少围填海工程对河口湿地的影响。

致谢：丁德文院士、石学法研究员对论文写作给予的帮助，特此致谢。

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Analysis of the evolution and value of coastal ecosystem services at Gudong Coast in the Yellow River Delta since 1985

LIU Dahai1,2,*,CHEN Xiaoying3,4,XU Wei5,ZHANG Zhiwei1,2,ZHANG Yang6,GONG Wei1

1CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China2FirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China3KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourcesandEnvironmentalGeology,MinistryofLandandResources,Qingdao266071,China4QingdaoInstituteofMarineGeology,Qingdao266071,China5NationalOceanTechnologyCenter,Tianjin300112,China6ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China

Globally,coastal ecosystems are among the most intensively used and threatened natural systems which is acting on numerous critical benefits (i.e.ecosystem services) that are of great importance to the Earth′s life-support system.Therefore,valuing the ecosystem services before and after sea reclamation is crucial to marine management and the sustainable development of marine sources.In this study,based on the observed and collected data of subaqueous bedforms,sediments and hydrodynamics from 1985 to 2005,we analyzed coastal evolution and valued ecosystem services at Gudong Coast in the Yellow River Delta after the building of Gudong seawall in 1985,using ecological and dynamical geomorphology method.The results showed that the north coasts of Gudong had suffered from serious erosion because of dominated marine condition while the south coasts of Gudong controlled by water and sediments discharged from the Yellow River estuary.Gudong coasts were thus divided into four areas:back area of the levee,root area of the levee,infront area of the levee and outer sea area of the levee.It is demonstrated that the value loss of coastal ecosystem services at Gudong coasts during 1985—2005 was huge and would be larger in the future according to the loss appraisal of ecosystem services.Whereas,the groins could improve sedimentary environment at Gudong coasts and then reduce the loss of ecosystem services effectively.

Gudong; coasts; erosion and deposition; ecosystem services

海洋公益性行业科研专项经费资助项目(200805063)；海岛海岸带区域发展潜力评估技术研究资助项目(200905005-04)

2013-04-28;

2013-08-28

*通讯作者Corresponding author.E-mail:liudahai@fio.org.cn

10.5846/stxb201304280862

刘大海,陈小英,徐伟，张志卫，张杨，宫伟.1985年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析.生态学报,2014,34(1):115-121.

Liu D H,Chen X Y,Xu W,Zhang Z W,Zhang Y,Gong W.Analysis of the evolution and value of coastal ecosystem services at Gudong Coast in the Yellow River Delta since 1985.Acta Ecologica Sinica,2014,34(1):115-121.