围堰拆除后的区域水动力环境恢复作用研究

张翠萍，杨 毅，王金华，贾后磊 ，吴玲玲*，黄华梅

(1.国家海洋局南海海洋规划与环境研究院，广东 广州 510300；2.海南省海洋与渔业科学院，海南 海口 516001)

引 言

党的十八大将生态文明建设纳入“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局，十九大提出建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，以“社会主义生态文明观”为载体从价值、理论层面为生态文明建设提供了支撑。滨海湿地是宝贵的自然资源，是陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡地带，是海洋生物栖息和繁衍的关键区域，同时具有净化水质、防灾减灾等诸多功能，是沿海地区经济社会持续发展的重要基石。加强滨海湿地保护，是贯彻落实生态文明建设的重要举措。对于维护国家生态安全，构建海洋生态环境治理体系和海岸带生态屏障具有重要意义。

长期以来的围填海活动造成滨海湿地大面积减少，自然岸线锐减，对海洋和陆地生态系统造成较大损害[1-5]。2018年4月，国务院印发《国务院关于加强滨海湿地保护 严格管控围填海的通知》，提出要坚持生态优先、绿色发展，坚持最严格的生态环境保护制度，统筹陆海国土空间开发保护，实现海洋资源严格保护、有效修复、集约利用。为切实提高滨海湿地保护水平，恢复受损的滨海生态系统[6]，整体性、系统性开展围填区生态保护修复工作迫在眉睫。

影响与控制滨海湿地潮滩演变的因素非常复杂。根据已有研究成果，潮流和波浪是形成湿地潮滩剖面形态的主要驱动因素。在长期的潮流或波浪主导下，潮滩剖面形成凸型、凹型等典型的剖面形态，这种特有的地貌特征根本上是动力驱动下泥沙时空重新分布的结果。此外，底栖生物及盐沼湿地植物等的生长可通过对潮流波浪能量的削减以及对泥沙的捕获拦截也影响泥沙运动位移和演变过程，从而也对潮滩的剖面形态产生重大影响[7-8]。改善水动力条件可改变泥沙运移轨迹，促进潮滩发育，也是实现海洋生态有效修复的关键措施，可以最大程度恢复滨海湿地，减缓围填海工程对生物多样性的影响。目前国内外尚未看到关于历史遗留围填海处理中针对拆除围堰的水动力环境等生态环境恢复效果的研究。科学合理的对海洋生态工程进行效果评价或预判，可以及时掌握生态系统对人工恢复的响应和反馈情况，为生态修复决策制定提供科学参考，增强修复措施的有效性。

1 区域概况

研究区域选取珠海高栏港经济区西滩，填海区位于珠海市南水-高栏连岛大堤以东至东大堤之间的围填区域。围填区所在海域属弱潮河口，潮汐为不规则半日潮，落潮历时普遍大于涨潮历时，基本属于往复流，外海潮流受西南向沿岸流影响明显。

东大堤北起珠海市南水岛的牛鼻孔山，南至高栏岛的赤鱼头，长度为6 193 m，大堤中间留有510 m的口门。在东大堤建设前，其以西海域基本为水深小于0.5 m的浅滩，泥沙运动主要为波浪掀沙和潮流输沙。东大堤建成后，对环境的影响主要有：(1)泥沙向外海输运能力进一步减弱，东大堤前沿会淤积成水深小于0.3 m的浅滩。(2)水动力环境、冲淤环境以及生态环境将发生局部改变。(3)截断了拐进西滩的流路，减小了纳潮量，导致流速降低。(4)堤内冲淤环境受水动力变化的影响、淤积也相对静止。目前东大堤内存在大面积的围而未填区，这部分区域与外界基本无水动力交换，区内水质较差，滨海湿地系统服务功能受损。因此，有必要通过开展东大堤内围而未填区的部分进行围堰拆除数值模拟研究(共8.9 km，见图1)，量化围堰拆除后对于区域水动力环境的修复作用，为最大程度恢复受损的湿地生态系统提供技术参考。

图1 假设拆除围堰区域位置图(红线)

2 研究方法

研究区域位于珠海市高栏岛连岛大堤与东大堤之间。本着节约集约用海的原则，按照能用尽用的思路，拟对区域建设用海范围内已填成陆部分尽量维持现状，对围而未填区内的围堰进行拆除，以打通潮汐通道，促进滨海湿地潮间带滩涂发育和植被生长。本研究采用数值模拟分析方法，在东大堤建设完成后，分析整体西滩片区围填海实施前后以及拆除分隔围堰(假设拆除)后的水动力环境恢复作用。

本研究通过ELCIRC模型，采用有限体积元方法对二维潮流运动基本方程组进行离散，计算得出流速、流向、潮位。考虑滩地随涨、落潮或淹没或露出，采用活动边界技术来保证研究结果的精度和连续性。

(1)

(2)

(3)

模型边界条件包括两种，即闭边界条件和开边界条件。闭边界条件即水陆交界条件。本研究采用干湿点判断法处理潮滩活动边界。开边界条件包括河流开边界条件和外海开边界条件。河流开边界为5个，即东江、流溪河、北江、西江和潭江，其水量特征值采用多年平均流量。外海开边界由8个主要分潮(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1)的潮汐调和常数叠加确定。

为拟合岸线和填海区围堰等复杂边界，计算模式采用网格布设灵活且边界拟合较好的非结构三角形网格，并对工程区域进行局部加密。计算范围及网格布置见图2。模型计算区域选择由21°11.8′～23°2.8′N，112°14.5′～114°27.5′E为外海开边界构成的区域，东西长约229.1 km，南北宽约209.7 km。工程模型计算网格节点共37 042个，三角形网格数65 197个。模型计算水深通过中国人民解放军海军司令部航海保证部和中华人民共和国海事局出版的项目模型区域相关海图水深确定。

图2 计算范围网格示意图

3 结果与讨论

3.1 模型验证

采用2016年9月20日至9月21日大潮期3个潮位站和9个潮流站逐时观测资料对模型进行验证，潮位与潮流站位分布见图3。图4给出了代表性站位实测潮位值和潮流值的比较结果。潮位验证的平均绝对误差为9.6 cm，流速和流向的验证也基本上与实测数据一致。

图3 潮位与潮流站位分布图

图4 代表性潮流站的流速流向验证图

根据验证结果，计算和实测流速变化趋势大体一致，流向两者验证结果也较好。总体而言，模型计算结果基本能够反映围填海项目附近海域的潮流运动特征。

3.2 水动力环境恢复作用

3.2.1 围填海实施前后水动力环境变化

西滩片区围填海实施后东大堤东侧水道内涨落潮流流向变化不大，但更趋向于南北向，离东大堤越近，潮流变化越明显。东大堤东侧海域，以东大堤口门为界，北侧海域流速变化较小，南侧流速变化相对较大；落急时刻流速变化大于涨急时刻流速变化。通过特征点(T8—T13)前后潮流特征(图6)对比来看，东大堤和围填海实施后，东大堤内水动力条件发生了较大改变，集中体现在东大堤口门处以及部分狭窄水道流速增大较为明显。

3.2.2 围堰拆除对水动力环境恢复状况分析

本研究假设东大堤内围而未填区的分隔围堰全部拆除(长度约8.9 km)。根据数值模拟分析，围堰拆除前后项目用海区域落急与涨急时刻流速大小变化等值线图见图7和图8。围填海实施后，区域附近的潮汐通道深槽内落急最大流速为84 cm/s，东大堤口门最大落急流速为120 cm/s，靠近东大堤的水道内潮流流速相对较大，最大落急流速可达51 cm/s。与拆除前相比，围堰拆除后项目附近海域流速变化较大，分析原因主要是围堰拆除后东大堤内侧纳潮面积增大，可容纳交换的海水量增多，导致潮汐通道的流速增大，东大堤口门及其附近区域流速也有所增大。

图5 特征点位置图

图6 西滩片区围填海实施前后各潮流特征点的流速变化情况(cm/s)

图7 假设围堰拆除后落急与涨急流场(左：落急，右：涨急)

图8 假设围堰拆除前后流速大小变化图(左：落急，右：涨急)

围堰拆除对水动力环境的恢复范围主要是围堰拆除附近区域以及东大堤外侧海域。落急时东大堤东侧附近区域以及西滩片区拆除前狭窄水道内流速减小，减小幅度最大为-100 cm/s, 东大堤口门附近区域、东大堤东侧大部分海域以及围堰拆除附近区域流速增大，增大幅度最大为57 cm/s，流速变化幅度大于1 cm/s的地点距离东大堤最远距离为东大堤东侧7.2 km，流速变化幅度大于5 cm/s的地点距离东大堤最远距离为东大堤东侧2.1 km。涨急时大堤北部东侧附近区域以及拆除前狭窄水道内流速减小，东大堤口门附近区域、东大堤东侧大部分海域以及围堰拆除附近区域流速增大，流速变化幅度大于1 cm/s的地点距离东大堤最远距离为东大堤东侧6.7 km，流速变化幅度大于5 cm/s的地点距离东大堤最远距离为东大堤东侧1.0 km。围堰的拆除对附近海域水动力的影响范围较大，很大程度上改善了东大堤东侧附近海域水动力条件，促进潮沟发育，恢复滨海湿地生境，通过植被保育和生态空间划定等措施间接促进潮滩的形成与发育[7]。

假设围堰拆除后东大堤东侧水道内水动力恢复作用不明显，在东大堤东侧外海海域，流速变化不大，但离东大堤口门越近，水动力环境改善越明显。特征点前后潮流特征对比结果(图6)可以得出，围堰拆除实施后，拆除区域内潮流都发生了较大改变，除拆除前的狭窄水道流速有所减小外，其他区域基本上流速基本上都有所增大。拆除围堰后水动力环境得到改善的区域约2 300 hm2。

3.3 纳潮量改善状况

本研究以鸡啼门出口海域作为断面计算假设围堰拆除后纳潮量改善状况。通过数值模拟的方法计算出高潮时、低潮时水域的面积，基于计算网格在高潮和低潮的水位差值得出平均潮差，计算鸡啼门附近区域纳潮量。

东大堤和围填海建设前鸡啼门附近区域的纳潮量约为190.6×106m3，东大堤和围填海实施后鸡啼门附近区域的纳潮量约为160.8×106m3，纳潮量约减少了15.6%。假设围而未填区分隔围堰全部拆除，鸡啼门附近区域的纳潮量约为167.5×106m3，纳潮量可增加4.2%。东大堤内侧恢复贯通外海的滨海湿地面积约297 hm2，通过改善区域水动力条件提升生态服务功能的滨海湿地面积约200 hm2。

4 结论与建议

4.1 结论

假设对围填海区内的部分围堰拆除后，根据数值模拟分析结果，部分围堰拆除后对于东大堤东侧外海的广阔海域的流速影响不大，但对东大堤内侧围填海区域内的水域水动力条件改善明显，距离口门越近，水动力环境改善越明显。围堰拆除后纳潮量增加4.2%，打通潮汐通道恢复滨海湿地约279 hm2，水动力环境得到改善的区域约2 300 hm2。可见，部分围堰拆除对于改善小范围区域的水动力条件作用较大，对于改善区域咸淡水交汇湿地生境具有较大作用。

4.2 建议

西滩片区围填海工程已完成接近十年，目前围而未填区域或已填成陆空置区域经自然恢复，东大堤内外水域岸滩已达到新的冲淤平衡，已基本形成相对稳定的生态系统。因此围堰拆除工程应注意拆除前、拆除过程中和拆除后的相关影响和问题。通过开展专题研究，制定可行的拆除施工方案，注意避免造成二次损害；充分利用现有条件营造滩涂生境，同时跟进拆除后的湿地生境修复，促进海岸带生态系统的良性发展。围堰拆除后应进行拆除区域内的生态恢复，创造浅海滩涂自然淤积和演替的环境条件，促进潮间带滩涂发育[9]；以现有水草为基础，潮间带种植桐花等原生红树植被，最终形成水草沉水植被-潮间带植被-潮上带抗性植被的发育演替序列。生态修复综合考虑陆域生态系统和海洋生态系统的有机联系，考虑生境的整体性和生物群落的过渡完整性，营造一个有梯度序列的健康生态系统[10-11]。