人工港岛建设对海洋环境影响及生态防护措施研究

张 娜，任志杰，孙连成

(1.天津大学 建筑工程学院，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456；3.中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

人工港岛建设对海洋环境影响及生态防护措施研究

张 娜1,2，任志杰3，孙连成2

(1.天津大学 建筑工程学院，天津300072；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家
工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456；3.中交水运规划设计院有限公司，北京100007)

人工岛的建设必须对人工岛建设过程中以及人工岛建成后对周围水环境空间海洋物理、海洋生态的影响进行充分的评估与分析。本研究依托天津港东疆第二人工港岛工程，采用数学模型和物理模型试验相结合方法，对人工港岛建设对海洋环境影响进行了系统研究，并根据试验结果分析了东疆人工港岛建设存在的潜在环境保护问题，进而提出一系列适合港岛建设生态防护的措施。

人工港岛；环境影响；生态防护

近几年，随着人类对海洋空间利用需求的不断增加，人工岛建设工程日益增多。国内外在近海建设人工岛已经有了很多成功的经验，比如澳门国际机场[1]、迪拜帆船酒店[2]及日本大阪关西国际空港[3]、上海芦潮港人工半岛[4]等，但以往主要关注人工岛的设计[5-7]、结构、人工岛与周边环境影响[8-11]、施工工艺[12]等，有关人工岛生态建设与防护技术研究的较少，目前现有的生态建设研究主要还是针对陆域、天然海岛[13]。

人工港岛建设之初必须对人工岛建设过程中以及人工岛建成后对周围海洋环境影响进行评估与分析，这对于防止和预防人工岛建设后可能造成的海洋环境破坏具有积极的意义。本文将依托天津港东疆第二港岛(下文简称“东疆二岛”)工程，从水沙环境和生态两个角度对东疆人工港岛建设的合理性进行评估，并针对潜在的环境问题，提出一系列适合港岛建设生态防护的措施，以填补人工港岛海洋生态建设与防护技术研究的不足。

1 天津港海洋生态环境现状

1.1自然环境状况

天津港海岸类型为淤泥质海岸，滩面泥沙颗粒细，泥沙运移形态以悬移质为主；潮流动力相对较弱；随着天津沿岸不断实施的围填造陆工程，大范围的滩涂和浅滩水域被围填，减小了近岸浅滩的范围，水体含沙量逐渐降低。

1.2海水水质环境质量现状

根据《天津市海洋环境状况公报》和《2012年中国海洋环境状况公报》中对天津海域水质现状进行的评价，渤海湾入海河流水质较差，海河、蓟运河、永定新河、潮白新河等河流入海断面水质均为劣Ⅴ类。陆源排污导致渤海湾成为我国近岸海域海水污染严重区域之一，第四类和劣于第四类海水水质标准的海域面积约占整个海湾面积的三分之一。2009年以来，近岸沉积物质量持续受到多氯联苯的影响，每年超第一类海洋沉积物质量标准的站位比例均在22%以上。部分生物体内石油烃及重金属残留水平较高。 渤海湾是赤潮多发区，2001年以来天津近岸几乎每年发生赤潮灾害。大规模围填海工程使渤海湾成为我国滨海湿地生境和自然岸线丧失最严重的区域之一，天津市自然岸线保有率已不足5%。

1.3海洋生态现状

近十几年来，由于受环境污染、入海河流径流量的变化、人类捕捞生产的压力、陆源排污的污染、围海造陆、环境水文的变化等诸多因素的影响，该水域在生物资源的群落结构、生物多样性、数量与分布、鱼卵仔稚鱼数量与组成等方面，均发生了比较明显的变化。《2012年中国海洋环境状况公报》中指出湾内海洋渔业资源明显衰退，产卵场退化，鱼卵仔种类少。

中国水产科学研究院黄海水产研究所于2010年和2011年分别对天津港海域的鱼类资源进行了调查，结果显示白姑鱼、鳀鱼、绵鳚、鳓等重要经济物种的主要产卵场位于渤海湾的中东部。规划的天津港东疆二岛位于渤海湾西部、主要保护对象产卵场的北部，因此规划的填海区域不会对渤海湾内主要经济鱼类的主要产卵场、洄游通道造成重要的影响，但由于主要经济物种产卵后会分散在近海索饵，因此围填海工程实施后可能会造成鱼类索饵范围的缩小。

2 东疆二岛平面布局

2.1平面布局

图1 东疆二岛平面布置图Fig.1 Layout of the second island of Dongjiang

拟建东疆二岛位于天津港港区陆域的东北部，北临永定新河口南治导线，向西与东疆港区衔接从而与陆域连接；南临天津新港主航道；东临渤海湾海域。天津港东疆二岛规划总面积约41.3 km2，北端与东疆港区陆域相连，东至海域等深线约-5.5 m处，东西宽约3 km，南北长约13 km。为加强内湖水体交换速度，除通过主水道将内湖与外海连接外，在人工岛北侧和东侧开通两个水道，水道宽度在100～200 m之间，平面布局见图1。二岛陆域形成以港区疏浚物为主，同时在内湖水域、天津港内以及北塘港区边滩会设置取泥区，底高程为-20.0 m。，这样既可以减少疏浚物外抛的二次污染，也可以减少土方开挖的生态破坏。

2.2规划结构

东疆二岛规划形成“一湾、两廊、三岛”的空间结构。

一湾：在东疆二岛和东疆一岛之间形成面积18 km2的生态港湾。

两廊：在东疆二岛北部和中部分别规划一条景观廊道，具有内湾水体交换和游艇通航使用功能。

三岛：由两条景观廊道分割成的具有不同功能北岛、中岛、南岛。

北岛，发挥紧邻东疆一岛的优势和区位特征，形成集管理服务、生活居住、海洋产业、物流加工为主要功能的岛屿。

中岛，在规划区中部，形成集高新技术产业、生活居住游地产、商贸服务、总部经济等为主要功能的综合岛屿。

南岛，在规划区南部，发挥其紧邻天津港主航道的优势，形成以码头作业、物流仓储为主要功能的岛屿。

从天津港整体布局来看，东疆二岛利用北侧水道，保留东疆一岛建成的外围堤作为自然岸线，有利于维护环境稳定性、生态多样性、资源稀缺性。用解构的方法，用水道将岛分为3个离岛。各个离岛岸线规整，利于实施。同时，布置水道可改善岛屿内部水体交换，降低围海造陆对生态环境的影响。人工岛的平面形态首先应满足功能需求，在此基础上需考虑的因素包括波浪防护、人工岛冲淤状况、岸滩冲淤影响、环境生态影响、工程造价等，平面布置既要有利于土地资源的高效利用，又要充分考虑人工岛及其对周边生态环境的影响。

3 东疆二岛建设对海洋环境的影响分析

东疆二岛的开发建设为天津港提供了新的岸线和土地资源，但人工岛的建设可能会改变建设区周边海域的水动力泥沙环境，从而对海洋生态环境造成影响，因此在规划阶段必须对人工岛建设过程中以及人工岛建成后对周围水环境空间海洋物理、海洋生态的影响进行充分的评估与分析，这对于防止和预防人工岛建设后可能造成的海洋环境破坏具有积极的意义。

图2 物理模型布置图Fig.2 Arrangement of physical model

本研究采用物理模型和数值模拟方法对人工岛建设工程对其周围海洋环境及生态的影响进行了研究。针对波浪场研究采用的是MIKE 21 SW模块，针对流场、污染物扩散以及水体交换研究采用的是MIKE21 FM模块，关于淤泥质海岸泥沙问题则采用建立在对流扩散方程基础上的悬沙运动方程来解决。潮流数学模型计算范围采用大、小两层模型嵌套计算，大模型范围为整个渤海海域，小模型范围为渤海湾海域，泥沙、水体交换以及污染物计算等均以渤海湾模型为计算范围。物理模型试验是采用整体潮流泥沙模拟技术，范围北至规划中的丰南港区，南至临港产业区南端；西起海河船闸以上4 km，东至主航道36+0附近。南北方向约54 km，东西方向约40 km左右，模型按照平面比尺1: 900，垂直比尺1:100考虑，范围如图2所示。

图3 工程前后流速变化Fig.3 Variation of flow velocity before and after the project

3.1对水动力环境影响

试验结果表明，二岛建设后没有改变大范围海域潮流运动规律，人工岛东侧流速减小，近人工岛水域涨落潮平均流速减小在0.10 ms以上，至距工程以东8 km左右影响基本消除。钻石岛永定新河口处水道略有增大，位于防沙堤北侧的两条水道流速略有减小，平均流速变幅均在0.05 ms以内。工程对于南侧的临港经济区港池航道以及北侧的中心渔港航道的流速基本不产生影响。图3为数模得到的工程前后流速变化等值线。

3.2对波浪场影响

图4 设计高水位ENE向2 a一遇有效波高工程前后对比图Fig.4 Comparison of significant wave heights before and after project

为了分析工程建设对波浪场的影响，将工程前后各向波高进行对比(工程后减去工程前)，对比结果见图4。从工程波高对比分布来看，工程建设后工程区域外海方向的波浪基本无变化，仅工程区域南北两侧一定区域的波浪受到影响。由于各向波浪传播至工程位置附近波向基本集中在SE—E向，工程前后波浪分布变化范围也相对一致。由于天津港航道拓宽，使航道内波高有一定的增大，增加幅度不超过0.15 m；北塘港区波高受东疆二岛掩护有所衰减，减小幅度在0.60 m以内；港岛内部水域，由于周围建筑物掩护波高相对较小。

3.3对污染物扩散影响分析

据2004年《天津市质量公报》统计，永定新河口COD入海总量约为53 429 t；非汛期入海流量取为平水年的平均值约为40 m3s。在计算中采用长时间序列全潮潮流动力条件模拟工程方案前后非汛期永定新河口连续排污30 d后排污浓度扩散情况。图4给出了工程前后COD连续排放30 d后的浓度扩散分布情况。整体来看，工程建设后工程海域COD扩散相同浓度最大范围有所减小，而滨海旅游区内大于4 mgL的浓度范围略有增加。根据中华人民共和国国家标准《海水水质标准》规定，滨海风景旅游区水域属于第三类水质，COD≤4 mgL，建议北塘滨海旅游区位于永定新河口侧出口设闸，在排污期间关闭闸门以保证区内水质。

5-a 工程前 5-b 工程后图5 永定新河口连续排放30天后浓度扩散分布Fig.5 Concentration diffusion distribution of Yongding estuary in 30 days

3.4对水体交换影响分析

假设本项目水域内部劣于外部，附近无外源载荷，外部浓度设为0.5单位，内部浓度设为1单位。采用长时间序列全潮潮流动力条件对工程前后各区域水体交换情况进行模拟，对5 d、10 d、30 d后各区域水体交换率进行统计，结果见表1。

表1 工程前后水体交换率平均值统计Tab.1 Average water exchange rate before and after the project

东疆二岛建设后天津港由于口门段流速的增加，会加速二岛主水道至口门段之间水体的交换，而钻石岛内水体交换会略有下降。但本身钻石岛水体交换情况较好，5 d就可以达到70%以上，因此对钻石岛不会带来较大影响。人工岛内湖水域水体交换较好，交换10 d后，水体交换率可以达到60%以上。

3.5对泥沙环境及地形冲淤变化影响

通过试验研究得到，东疆二岛建设后天津港北防波堤以北和二岛东边界之间、天津港南疆东边界局部、二岛北侧取泥区以及钻石岛外侧呈淤积趋势，其中取泥区淤积最重，最大淤厚可以达到3.5 m，在北防波堤堤根拐角处最大淤积厚度接近1.0 m，在人工岛外侧东北转角位置、以及取泥区东侧，局部会出现冲刷，最大冲深约0.45 m，需要在局部采取一定的抗冲刷措施，保证护岸的稳定性。二岛建设对海洋特别保护区内地形没有影响。

东疆二岛的建设使近岸流场发生变化，同时，使工程海域含沙量进一步降低，对周边港区的泥沙回淤会产生一定的影响，尤其是距离工程最近的北塘港区和天津港主港区，淤积量均减小，对中心渔港和临港工业区航道淤积基本不会产生影响。

3.6潜在生态环境问题

从海洋生态环境影响而言，东疆二岛陆域的形成，占用了底栖生物的生境，代替其的是以附着生物为特征的生物群落，可使近岸海域的动物量减少。港区建设后，港口、码头建设会扰动周围的水域，改变其水域生存环境，致使这片区域生存的动物被迫迁徙其它地方或者因为施工和船舶穿行而死亡，对动物物种丰度造成一定影响，甚至使某些物种丧失。

东疆二岛建成后将形成一巨大内湖水域，要尽量降低内湖水域的水污染；陆域外围要加大防护，防止冲刷的同时，尽量与生态相结合。此外，施工期间的疏浚、吹填等施工活动，对规划区域附近的海域生态环境会造成一定的负面影响，要加强施工期环境监管。

4 东疆二岛生态防护措施

4.1港区水环境污染防治

4.1.1 工业企业水污染治理

针对工业企业污染排放，杜绝源头是重点，必须加大监管力度，规划期内大力推行总量控制和排污许可证制度，所有污染源必须持证排污、在核定的允许排放量内达标排放；重点企业按要求安装污水处理运行监控仪，并实行联网远程监控。

4.1.2 人工湿地

针对二岛内湖水域的水污染，可以在东疆二岛内结合联系内湾与外围海域的生态走廊建设一定面积的湿地公园，充分利用生态系统自我恢复功能，辅之以人工措施，使自然湿地变为人工湿地，减轻湿地硬化对生态的影响，保护湿地区域的生物多样性，维护湿地区域的生态完整性和稳定性，促进东疆的环境建设。

根据东疆二岛内、外湾的地形、水资源等条件，提出合理地构造人工地形的方法，根据土壤盐分含量，研究湿地的植物的选择和配置方式，提出东疆二岛内、外湾人工湿地重构关键技术，构建东疆二岛内、外湾新的人工湿地，改善生态环境。

4.2增殖放流和人工鱼礁

针对鱼类数量减少问题，可通过增殖放流和人工鱼礁来达到恢复或增加渔业资源种群数量和资源量的方法。我国从20世纪50年代开始就进行增殖研究和放流活动，多年实践表明，增殖放流是恢复水生生物资源的有效手段。人工鱼礁主要通过人工鱼礁的流场效应来实现增殖渔业资源，流场效应与礁体的结构形式密切相关，不同礁体其产生的流场效应差别很大。在实施前期要进行专项研究。

4.3生态护岸

东疆二岛与一岛形成环状岛屿，人工陆域外侧面对外海，受风浪、水流以及风暴潮等影响较大，因此人工护岸的选择要以抵御波浪冲击、加剧波浪破碎、减小波浪爬坡为主，结构宜采用混凝土块体。对于人工陆域内侧，即内湖水域护岸，波浪作用相对较弱，可以结合生物工程和结构工程来达到景观生态设计的要求。

生态型护岸首先出现于河流岸坡的防护，且应用比较广泛，但在海岸工程中应用少，其关键难题在于海岸生态恢复型护岸需要承受一定波浪作用，目前能够承受波浪作用的生态护岸结构较少，也缺乏针对该类型护岸进行的系统研究。从国际发展的趋势看，无论是单纯的海岸生态恢复工程和考虑围海工程影响的情况，将生态自然过程和满足生态恢复功能的水工结构相结合是海岸利用的发展趋势。目前，国内正在开展一种生态恢复型盐生植物蜂巢护岸技术的研究，具有十分重要的科学意义和应用价值。该项技术采用蜂巢生态护坡材料，即新型生态修复技术(HPS)是发达国家新兴起的一种地质灾害防治和水土保持加固技术，其核心是采用新型高分子合成材料，替代钢筋水泥等传统材料，对地表土壤进行永久性固定和修复。

4.4生态监测

生态监测是采用生态学的方法，对各类生态系统结构和功能的时空格局的度量。近几年无人机遥感系统由于具有低成本、高机动性、高安全性和高分辨率等技术特点，使其在环境保护中的应用具有得天独厚的优势，可应用于建设项目环境保护管理、环境监测、环境监察、环境应急和生态保护等方面。

东疆二岛建设过程中或建设后，可采用无人机进行生态监测。确定生态建设工程的治理面积和工程质量，实现政府或企业对工程的动态监测，服务于有关生态建设工程的管理、监督和科学决策。

5 结语

本文依托天津港东疆第二人工港岛工程，采用数值模拟、物理模型试验等手段分析了人工岛建设对海洋环境的影响，并在此基础上提出了人工岛建设中可应用的防护措施。该项成果可为近海人工岛的规划、研究、设计与开发建设提供参考依据，同时对重视海洋生态、发展海洋资源具有重要意义。

(1)文中针对东疆二岛建设对环境可能带来的影响，提出了5种生态防护技术，每项技术都是一个复杂的学科体系，需要根据具体问题开展详细的研究，因此这里只提出一个宏观的方向性意见。

(2)目前海洋工程建筑物护岸以混凝土结构为主，不满足生态建设的理念，而生态护岸技术能将生态自然过程和满足生态恢复功能的水工结构相结合，这将是海岸利用的发展趋势，然而目前很少，而且更没有达到推广应用的程度，因此，下一步可开展海洋生态护岸的研究，对于推动科学技术进步具有十分重要的科学意义，也符合我国“十三五”规划的发展要求。

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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

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(TKS 170203)；国家重点研发计划课题(课题编号：No.2016 YFC0402603和课题编号：No.2016YFC0402605)；留学人员科技活动项目择优资助经费

张娜(1979-)，女，天津市人，副研究员，主要从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