江蘇南通沿岸圍填海強(qiáng)度與潛力定量評價研究

陳瑋彤，張東，2，韓飛，劉鑫

（1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

近年來，隨著海洋開發(fā)力度的增大，沿海地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)在全國經(jīng)濟(jì)中所占比重越來越大，地位也越來越重要。江蘇海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但是由于人口不斷聚集，土地空間不斷緊縮，土地的資源性短缺和結(jié)構(gòu)性短缺已然成為制約江蘇沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸。江蘇沿海灘涂總面積約750 萬畝，占全國灘涂總面積的1/4 左右，擁有豐富的淤泥質(zhì)海岸潮灘資源，也是江蘇重要的潛在土地資源（陸曉燕等，2012）。為緩解工、農(nóng)業(yè)用地需求，江蘇積極開展圍海和填海造地，圍填海用海呈現(xiàn)逐年上升的趨勢（王芳等，2009）。但隨著圍填海強(qiáng)度逐漸增大，海岸灘涂濕地資源保護(hù)和灘涂圍墾之間的矛盾也日漸突出（劉晴等，2013）。如何定量計(jì)算當(dāng)前的圍填海開發(fā)強(qiáng)度，預(yù)測灘涂開發(fā)潛力，實(shí)現(xiàn)海岸帶資源承載力的科學(xué)評估，對資源環(huán)境保護(hù)前提下的灘涂合理開發(fā)利用非常重要。

圍填海潛力從概念上講屬于海岸帶承載力范疇（付元賓等，2010）。國內(nèi)學(xué)者對圍填海潛力的研究多集中于海岸帶資源開發(fā)和濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評估領(lǐng)域，就研究方法而言，主要采用3 種方式（韓立民 等，2008；熊永柱 等，2008）：1） 基于PSR（Pressure-State-Response） 模型的綜合評價方法（于定勇，2011）；2） 細(xì)分為漁業(yè)承載力、水環(huán)境承載力等專項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行評價的專項(xiàng)評價方法（于永海等，2011；王靜 等，2010）；3） 定量評價方法（付元賓等，2010）。3 種方法中，前兩種方法存在指標(biāo)體系寬泛、難以定量描述和實(shí)施成本代價高等缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用難度較大，結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)；第三種方法曾在基巖海岸開展了適用性研究，但未能考慮淤泥質(zhì)海岸的灘涂沖淤變化特征、不同岸段沖淤速率差異以及岸外灘涂資源存量差異等因素，因此不能滿足淤泥質(zhì)海岸的圍填海強(qiáng)度定量評價及圍填海潛力評估需求。

據(jù)此，本文針對淤泥質(zhì)海岸的沖淤變化特性，選擇江蘇省南通市岸外灘涂及圍填海工程為研究對象，深入研究岸線、岸灘形態(tài)動態(tài)變化條件下的圍填海強(qiáng)度定量計(jì)算方法，提出適合淤泥質(zhì)海岸圍填海強(qiáng)度判定的定量分級方案，通過分析圍填海強(qiáng)度變化趨勢，實(shí)現(xiàn)圍填海開發(fā)潛力的預(yù)測，為我國圍填海開發(fā)活動的計(jì)劃管理和科學(xué)評估提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在江蘇省南通市，北起海安縣老壩港，南至啟東市連興港，該段海岸線總長209.49 km（圖1）。南通岸段位于南黃海輻射沙脊群南部，總體潮流動力強(qiáng)，海域含沙量高，屬于典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸。根據(jù)岸段的侵蝕和淤積狀況調(diào)查，老壩港-東灶港岸段為淤積岸段，東灶港-蒿枝港岸段為侵蝕岸段，蒿枝港-連興港岸段為穩(wěn)定岸段。研究區(qū)目前自北向南分布有8 個建設(shè)用海、2 個灘涂養(yǎng)殖用海共計(jì)10 個重點(diǎn)圍填海工程，約占江蘇省重點(diǎn)工程用海數(shù)的一半。從岸線類型來看，主要有漁業(yè)岸線、港口岸線和工業(yè)岸線3 種。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)與處理

2.1 岸線岸灘數(shù)據(jù)

岸線岸灘數(shù)據(jù)包括岸線長度、岸段類型以及岸灘淤長率。以江蘇“908”專項(xiàng)調(diào)查獲取的實(shí)測岸線為基準(zhǔn)岸線，以實(shí)測岸線的測量年份——2006年為基準(zhǔn)年，收集到近年來南通岸段的岸線岸灘基本數(shù)據(jù)如表1 所示（王建等，2012；王艷紅等，2006）。

表1 南通岸段基本情況

2.2 圍填海面積數(shù)據(jù)

圍填海面積數(shù)據(jù)根據(jù)Landsat ETM+遙感影像提取獲得，影像數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）。圍填海工程通常具有明顯的形狀、紋理與光譜特征，一種是大片形狀規(guī)則的圍海養(yǎng)殖區(qū)，區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)殖水體光譜易于區(qū)分；另外一種是由線狀人工堤壩圍成的圍填區(qū)域，內(nèi)部為海水或者灘涂，因此兩者在遙感影像上清晰可辨。

圍填海面積信息提取時，首先在Envi 軟件中運(yùn)用監(jiān)督分類方法對基準(zhǔn)岸線外具有明顯人工干預(yù)痕跡的斑塊進(jìn)行自動提取，獲得圍填海區(qū)域初步解譯結(jié)果；然后以海域管理部門的圍填海宗海shp 圖為背景，對自動提取的圍填海區(qū)域進(jìn)行目視解譯修正，提高圍填海工程解譯的準(zhǔn)確率和完整性，生成2007-2013年的圍填海矢量圖，結(jié)果如圖2 所示；最后利用ArcGIS 軟件的面積解算功能，自動計(jì)算獲得各年份的圍填海面積（表2）。

2.3 圍填控制線數(shù)據(jù)

圍填控制線數(shù)據(jù)包括最大圍填規(guī)模控制線和適宜圍填規(guī)?？刂凭€數(shù)據(jù)（圖3）。其中，最大圍填規(guī)模控制線的確定要求在該控制線范圍內(nèi)圍填海工程不會明顯改變海岸整體形態(tài)，對海洋動力格局及維持周邊水道穩(wěn)定性的控制性動力不產(chǎn)生明顯影響，通過建立大尺度東中國海潮波數(shù)學(xué)模型、南黃海海域中尺度潮流數(shù)學(xué)模型和小尺度輻射沙洲中南部海域的潮流數(shù)學(xué)模型，采用多尺度嵌套數(shù)值模擬手段，確定圍填海工程外包絡(luò)線，作為最大圍填規(guī)?？刂凭€；適宜圍填規(guī)?？刂凭€的確定要求在該控制線范圍內(nèi)開展圍填用海項(xiàng)目建設(shè)時海洋環(huán)境可承載、資源利用可持續(xù)并與社會經(jīng)濟(jì)條件相適應(yīng)，通過多目標(biāo)決策理論與方法，針對輻射沙洲中南部海域的海洋資源環(huán)境特點(diǎn)，構(gòu)建多目標(biāo)決策模型計(jì)算獲得（徐敏等，2012）。這兩條控制線分別對應(yīng)區(qū)域內(nèi)圍填海開發(fā)壓力很強(qiáng)和壓力狀況中等兩種壓力狀態(tài)。

圖2 南通市2007-2013 圍填海用地分布示意圖

表2 南通各岸段2007-2013年份圍填海面積

圖3 適宜圍填規(guī)模、最大圍填規(guī)模示意圖

由適宜圍填規(guī)模控制線和最大圍填規(guī)?？刂凭€分別與基準(zhǔn)岸線形成閉合的包絡(luò)面，可統(tǒng)計(jì)出不同岸段類型的適宜圍填海面積和最大圍填海面積。當(dāng)實(shí)際圍填海面積大于適宜圍填海面積時，表明進(jìn)一步圍填海開發(fā)會對研究區(qū)的海洋環(huán)境開始產(chǎn)生影響；當(dāng)實(shí)際圍填海面積大于最大圍填海面積時，表明研究區(qū)不再適宜新增圍填海項(xiàng)目和擴(kuò)大圍填海規(guī)模。

運(yùn)用ArcGIS 計(jì)算，研究區(qū)內(nèi)不同岸段的適宜圍填海和最大圍填海面積規(guī)模如表3 所示?？梢钥闯?，老壩港—東灶港由于灘涂資源豐富，適宜圍填海面積和最大圍填海面積較大；東灶港—蒿枝港由于岸線較短，且屬于侵蝕岸段，總體岸外灘涂資源存量較少；蒿枝港—連興港為穩(wěn)定岸段，其岸線長度雖然大于東灶港—蒿枝港，但是由于灘涂資源存量少于東灶港—蒿枝港，因此適宜圍填海面積和最大圍填海面積較小。

表3 最大圍填海與適宜圍填海面積

3 圍填海開發(fā)定量評價方法

3.1 淤泥質(zhì)海岸圍填海開發(fā)強(qiáng)度定量計(jì)算模型

基巖海岸的圍填海強(qiáng)度R 定義為某一岸段范圍內(nèi)圍填海用海面積S 與岸線長度L 之比，即R=S/L（付元賓等，2010）。考慮到淤泥質(zhì)海岸不同于基巖海岸，存在淤積岸段、侵蝕岸段和穩(wěn)定岸段類型，不同岸段類型具有不同的淤積速率以及岸外灘涂資源存量，不同類型岸段在圍填海強(qiáng)度計(jì)算時不能一概而論。同時，由于每種類型岸段的所有分岸段未必連續(xù)且淤長率可能各不相同，因此定義淤泥質(zhì)海岸某一類型岸段的圍填海強(qiáng)度定量計(jì)算公式為：

式中：Ri為某一類型岸段的圍填海強(qiáng)度（hm2/km），i 分別代表淤積、侵蝕和穩(wěn)定岸線類型之一；Si，j為i 類型岸段的j 分段岸線擁有的圍填海用?？偯娣e（hm2）；n 為i 類型岸段的j 分岸段數(shù)；Li，j為i 類型岸段分段岸線在基準(zhǔn)年的海岸線長度（km）；fi為i 類型岸段的資源調(diào)節(jié)系數(shù)。當(dāng)對i 類型岸段進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時，由于各個岸段的資源存量不同，可通過fi來進(jìn)行平衡，計(jì)算方法如下：

式中：Smax 表示整個研究區(qū)所能承受的最大圍填海面積（hm2），即研究區(qū)最大圍填規(guī)?？刂凭€與基準(zhǔn)岸線形成閉合的包絡(luò)面的面積；L 表示基準(zhǔn)年內(nèi)研究區(qū)的海岸線總長度（km）；Smaxi，j表示i 類型岸段j 分段岸線所能承受的最大圍填海面積（hm2），即該岸段所對應(yīng)的最大圍填規(guī)?？刂凭€與該段岸線形成閉合的包絡(luò)面的面積。

當(dāng)對整個研究區(qū)進(jìn)行評價時，fi為1，此時淤泥質(zhì)海岸圍填海開發(fā)強(qiáng)度計(jì)算公式退化為：

可以看出，與基巖海岸圍填海強(qiáng)度的定義公式一致。

3.2 淤泥質(zhì)海岸圍填海開發(fā)強(qiáng)度等級劃分方案

圍填海強(qiáng)度的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系到圍填海潛力的計(jì)算，是圍填海強(qiáng)度評價方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要用統(tǒng)一的圍填海強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)來評價岸外灘涂資源分布不均的岸段，必須協(xié)調(diào)岸段的實(shí)際利用狀況和潛力來進(jìn)行設(shè)定。本研究在參照前人劃分標(biāo)準(zhǔn)分為5 個等級的方案基礎(chǔ)上（付元賓 等，2010；劉洋等，2011），根據(jù)淤泥質(zhì)海岸的沖淤變化特性，利用圍填海控制線所確定的適宜圍填規(guī)模和最大圍填規(guī)模數(shù)據(jù)，來對等級劃分閾值做出重新定義。其中，利用最大圍填海面積與岸線長度的比值，來限定圍填海強(qiáng)度最高等級對應(yīng)的閾值，作為海岸資源可承載的最高級別，計(jì)算如下：

其中：Rmax 表示整個研究區(qū)最大圍填海面積對應(yīng)的強(qiáng)度值（hm2/km），計(jì)算結(jié)果為275；同理，以適宜圍填海規(guī)模對應(yīng)的面積與岸線長度的比值，來限定中間第3 級對應(yīng)的閾值，作為海岸資源環(huán)境健康的臨界級別，即：

其中：Rpro 表示整個研究區(qū)適宜圍填海面積對應(yīng)的強(qiáng)度值（hm2/km），Spro 表示整個研究區(qū)的適宜圍填海面積（hm2），計(jì)算結(jié)果為223。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并參照南通淤泥質(zhì)海岸的圍填海工程實(shí)際情況，最終修正選擇250 為4 級強(qiáng)度級別對應(yīng)的強(qiáng)度上限，200 為3 級強(qiáng)度級別對應(yīng)的強(qiáng)度上限，并按照一定的梯度，確定出5 個圍填海強(qiáng)度等級，制定適合淤泥質(zhì)海岸的圍填海強(qiáng)度等級劃分表，如表4 所示。

表4 圍填海強(qiáng)度等級劃分表

3.3 淤泥質(zhì)海岸圍填海開發(fā)潛力計(jì)算模型

研究區(qū)海岸為淤泥質(zhì)海岸，伴隨著海岸的淤積與侵蝕，灘涂面積始終處于動態(tài)的變化中，因此在進(jìn)行圍填海潛力定量計(jì)算時，必須充分考慮淤積和侵蝕導(dǎo)致灘涂面積的增減給圍填海潛力計(jì)算帶來的變化。根據(jù)圍填海強(qiáng)度等級劃分方案，當(dāng)圍填海強(qiáng)度級別為1 級、2 級時，以3 級圍填海強(qiáng)度對應(yīng)的最大圍填海面積作為圍填海供應(yīng)潛力上限；當(dāng)圍填海強(qiáng)度為3 級、4 級時，以4 級圍填海強(qiáng)度能容納的最大圍填海面積作為圍填海的供應(yīng)潛力上限；當(dāng)圍填海強(qiáng)度級別達(dá)到5 級時，認(rèn)為圍填海已經(jīng)超出海岸帶承載力，在現(xiàn)有條件下已經(jīng)不具備圍填海開發(fā)潛力。據(jù)此設(shè)計(jì)淤泥質(zhì)海岸的圍填海潛力定量計(jì)算模型如下：

其中：

式中：Pi表示i 類型岸段的圍填海潛力值（hm2）；SⅢ，j、SⅣ，j分別表示等級劃分方案中i 類型岸線在3 級和4 級強(qiáng)度級別所能容納的最大圍填海面積（hm2）；Mi表示i 類型岸段由于淤積或侵蝕帶來的圍填海資源面積改變量（hm2）；Vi，j表示i 類型岸段j 分岸段的平均淤長率（m·a-1）；a 表示年數(shù)，K3、K4分別表示等級劃分表中3 級強(qiáng)度和4 級強(qiáng)度級別對應(yīng)的強(qiáng)度上限閾值。

對整個研究區(qū)進(jìn)行潛力計(jì)算時，潛力值為各類型岸段的圍填海潛力值之和，即：

因此，圍填海開發(fā)潛力實(shí)際上對應(yīng)于各強(qiáng)度級別下剩余的灘涂面積資源存量。根據(jù)該資源存量的大小以及當(dāng)前的圍填海開發(fā)速率，可以推算出海岸帶能夠繼續(xù)開發(fā)的年限，即為海岸帶的開發(fā)潛力。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 南通圍填海開發(fā)強(qiáng)度定量計(jì)算

根據(jù)表1、表2 的數(shù)據(jù)，利用公式（1）、（2）計(jì)算出2007-2013年南通海岸各岸段的圍填海強(qiáng)度R 如圖4 所示：

圖4 2007-2013年南通圍填海強(qiáng)度變化

從圖4 可以看出，三段海岸圍填海強(qiáng)度不斷增大，圍填海面積總體隨著時間的推移而增長，對海岸帶的資源承載壓力也逐漸增大。其中東灶港—蒿枝港由于海門市濱海新區(qū)的大規(guī)模圍海開發(fā)建設(shè)，在2013年已突破4 級下限，接近海域所能承受的最大圍填海規(guī)模。老壩港—東灶港沿岸，由于其豐富的岸外灘涂資源，圍填海強(qiáng)度等級為3 級，目前開發(fā)壓力相對較小，處于適宜圍填的階段。蒿枝港—連興港岸段自身岸線長，灘涂資源存量少，因此圍填海強(qiáng)度雖然也處于3 級范圍，但是開發(fā)強(qiáng)度已經(jīng)大于老壩港—東灶港岸段。

4.2 南通圍填海開發(fā)潛力定量計(jì)算

通過對當(dāng)前圍填海強(qiáng)度的計(jì)算，得出當(dāng)前圍填海所處等級，再運(yùn)用公式（6）-（9） 計(jì)算，得出各岸段的圍填海開發(fā)潛力。其中，淤積面積的計(jì)算通過累加各分岸段平均淤長率與分岸段長度的乘積獲得。考慮到每年淤積面積的變化，圍填海潛力值P也處于動態(tài)變化中，南通各岸段的圍填海潛力計(jì)算如表5 所示。

表5 南通岸段圍填海潛力計(jì)算表

4.3 南通岸段圍填海供應(yīng)時間預(yù)測

根據(jù)2007-2013年各岸段的圍填海強(qiáng)度變化規(guī)律，通過線性、對數(shù)和多項(xiàng)式模型擬合對比，選擇可決系數(shù)R2最大的擬合方案為最優(yōu)方案，最終老壩港—東灶港、蒿枝港—連興港選擇采用線性回歸模型，東灶港—蒿枝港選擇采用一元二次回歸模型，分別對圍填海潛力與供應(yīng)時間進(jìn)行預(yù)測，得到圍填海面積S 變化的時間序列方程，結(jié)果如圖5 所示：

以各岸段的潛力值P 的全部發(fā)揮為時間界限上限，得到的預(yù)測結(jié)果表明：如果按照現(xiàn)有的開發(fā)速度持續(xù)開發(fā)，老壩港—東灶港淤積岸段可供應(yīng)開發(fā)時間為8 a，東灶港—蒿枝港侵蝕岸段可供應(yīng)開發(fā)時間為1 a，蒿枝港—連興港穩(wěn)定岸段可供應(yīng)開發(fā)時間為11 a。其中，老壩港—東灶港離輻射沙脊群最近，資源存量較多，每年以較快的速度不斷淤長，適宜繼續(xù)開發(fā)，但開發(fā)的過程中需要注重圍填海域的節(jié)約利用。東灶港—蒿枝港岸段為侵蝕海岸，如果繼續(xù)按照現(xiàn)有的開發(fā)速度連續(xù)開發(fā)，1 a即將圍填海的資源消耗殆盡，從而對區(qū)域內(nèi)海岸和近岸的海洋資源造成嚴(yán)重影響，因此該岸段存在較大的圍填海壓力，建議保持現(xiàn)狀，不宜進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，這一結(jié)論與目前海門市濱海新區(qū)建設(shè)的現(xiàn)狀相吻合。蒿枝港—連興港為穩(wěn)定岸線，每年以緩慢的淤長速度增長，由于近年來開發(fā)速度慢，因此預(yù)測開發(fā)年限為11 a。但由于該段岸外灘涂資源存量少，因此蒿枝港—連興港岸段建議進(jìn)行小范圍的圍填海開發(fā)，不適宜布局大型圍填海工程。

5 結(jié)論與討論

圍填海開發(fā)強(qiáng)度與潛力的定量評價對海岸帶空間資源合理開發(fā)利用具有重要意義。本研究針對淤泥質(zhì)海岸的沖淤變化特征，擴(kuò)展定義了適用于淤泥質(zhì)海岸的圍填海強(qiáng)度與潛力定量評價模型，并成功運(yùn)用該模型進(jìn)行了江蘇南通淤泥質(zhì)岸段的圍填海強(qiáng)度計(jì)算及圍填海潛力預(yù)測，強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與南通當(dāng)前的海岸帶實(shí)際開發(fā)狀況相近，潛力預(yù)測結(jié)果可為南通岸段的圍填海開發(fā)提供參考。

從研究方法來看，本研究還存在以下不足：1） 圍填海強(qiáng)度的計(jì)算僅考慮了岸線長度與相應(yīng)的圍填海面積，但是岸線的曲折程度、圍填海工程的形狀與分布、工程占有岸線長度等信息無法體現(xiàn)在現(xiàn)有的強(qiáng)度計(jì)算模型中，會給圍填海強(qiáng)度計(jì)算帶來一定程度的低估；2） 所提出的淤泥質(zhì)海岸圍填海開發(fā)強(qiáng)度等級劃分方案還需要更多的實(shí)例來驗(yàn)證，可行的驗(yàn)證方案包括把研究區(qū)擴(kuò)大到整個輻射沙脊群區(qū)域，把研究區(qū)擴(kuò)大到整個江蘇省等，從而在研究區(qū)內(nèi)同時包含淤泥質(zhì)海岸和基巖海岸。這些實(shí)例還需進(jìn)一步分析研究，來提高所定義的模型的實(shí)用性。

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