人工島建設對海口灣沉積特征與泥沙運移的影響

肖哲宇，戚洪帥,2*，蔡鋒,2，劉根，趙紹華,2，朱君,2，雷剛,2，尹航

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.福建省海洋生態(tài)保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005)

1 引言

沿海城市承載著我國25%以上的人口，創(chuàng)造了55%以上的國民生產總值[1]。隨著城鎮(zhèn)化程度和人口的增加，沿海城市不斷擴張，現有土地已難以滿足城市建設的需要。人工島是為拓展陸地空間而建造的構筑物，在建設港口、機場、橋梁等基礎設施時能發(fā)揮重要作用，可以填補城市建設用地缺口，滿足經濟發(fā)展對土地的大量需求。近年來國內人工島建設大幅增加，先后建造了大連金州灣海上機場、龍口人工島群、漳州雙魚島、海南鳳凰島、海花島、南海明珠島等大量人工島。但隨之而來的是一系列環(huán)境問題，如施工過程中產生的懸浮泥沙使水體渾濁度上升，對工程區(qū)生態(tài)環(huán)境以及鄰近海域的珊瑚礁產生不利影響[2–3]，海床采砂也會影響浮游及底棲生物種類的多樣性[4]；建設迎水面長度過大的人工島會減弱水體交換速率，影響海域污染的消散速度[5]；人工島建設會改變鄰近動力環(huán)境，使海岸及航道出現不均勻的侵淤[6–7]，影響岸線景觀和生態(tài)環(huán)境。

近年來，人工島建設對近岸環(huán)境的影響已逐漸成為熱點問題。目前研究主要集中在人工島對潮流、波浪及泥沙沖淤的影響預測[8–10]、人工島鄰近海岸海灘形態(tài)以及岸線的監(jiān)測[11–13]、人工島建設后表層沉積物中黏土礦物組分變化[14]等方面，其中對人工島建設導致環(huán)境變化的模擬預測較多，對人工島建成后建設區(qū)域沉積特征的實測分析較少。沉積物作為沉積環(huán)境的最直觀表現，反映了區(qū)域內物源、動力條件的變化，對人工島建設前后沉積物特征進行比對分析，有助于深入理解人工島對周邊區(qū)域沉積動力環(huán)境的影響。

本文以南海明珠人工島為例，通過研究建設前后的表層沉積物變化，計算相關粒度參數并結合沉積動力分析、粒徑趨勢分析，探討了人工島建設對附近海域沉積動力條件和沉積物運移的影響。

2 研究區(qū)概況

?？跒潮迸R瓊州海峽，東部鄰近南渡江，為向北敞開的螺線型海灣。灣內海灘發(fā)育，岸線長約20 km，東西兩端被海甸島及后海基巖岬角所限制。近海地貌主要為水下淺灘，多發(fā)育在海灣東部和中部，后海附近離岸500 m 處有一平行岸線的潮流沖刷槽，深4～8 m，寬約2 km。灣內底質以砂–粉砂質為主，坡度平緩，水深多在5 m 以內。人工島擬建設區(qū)域水深較淺，其上部發(fā)育的淺灘水深僅0.7～1.3 m。南渡江在新埠島分汊，經北干流、橫溝河、海甸溪3 條支流入海，其中北干流為主要水沙排泄通道[15]。受20 世紀70 年代以來上游水壩建設和河道采砂的影響，南渡江三角洲逐漸停止增長，入海泥沙減少導致岸線發(fā)生侵蝕[16]。

南海明珠人工島位于?？跒澄鱾龋▓D1），于2010 年開工建設，2016 年竣工，圍海面積約為4.6 km2。人工島外緣輪廓呈圓形，直徑約為2.4 km，離岸距離約為2 km，人工島南部圍填于水下淺灘之上，造陸面積約為2.2 km2，北部為環(huán)抱式防波堤及游艇港池，港池內最大水深約為16 m。

圖1 南海明珠人工島及研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area and Nanhaimingzhu artificial island

研究區(qū)受北部灣潮波以及瓊州海峽東口傳入的南海潮波控制，潮汐類型為不正規(guī)全日潮，潮流主要為往復流形式，優(yōu)勢流向為東西向。波浪以風浪為主，常浪向為ENE，頻率為30%，次常浪向為NE 向，頻率為23%。研究海域波高不大，浪高小于0.6 m 的年均頻率約為60%，小于1.5 m 的頻率達96%；年平均波周期為3 s，夏半年波周期略小于冬半年。研究區(qū)受風暴事件影響頻繁，年均2～3 個熱帶氣旋登陸或影響研究海域。

3 材料與方法

3.1 底質沉積物采樣

分別于人工島建設前后在研究海域進行表層沉積物采樣。2009 年12 月在擬建人工島區(qū)域共采集70 個樣品，采樣網格為1.0 km×1.0 km；2019 年9 月共采集151 個樣品，采樣網格為0.5 km×1.0 km（圖2）。分別將2009 年、2019 年采樣結果作為人工島建設前后典型的底質分布狀態(tài)以便于討論。

圖2 2009 年（a）和2019 年（b）?？跒巢蓸诱疚籉ig.2 Sample stations in the Haikou Bay in 2009 (a) and 2019 (b)

3.2 水深地形測量與分析

人工島建設前水深地形數據由2010 年海道測量局出版的《?？跒场泛D數字化獲得（圖2a）；人工島建設后水深地形數據綜合了2018 年與2019 年海圖以及2019 年8 月的單波束測深結果（圖2b）。本文通過兩期次水深地形的對比分析，利用ArcGIS 生成?？跒硾_淤變化圖。

3.3 沉積物分析

沉積物樣品中的礫石采用篩析法分析，使用孔徑間隔為0.5Φ 的篩網過篩；細粒沉積物經離心、清洗及超聲波震蕩、加入六偏磷酸鈉充分分散后使用Mastersizer 2000 型激光粒度儀進行粒度測試，粒度儀分析范圍為0.02～2 000 μm，同時使用雙氧水及稀鹽酸以去除沉積物中的生物碳酸鈣與其他有機質。沉積物分類采用Shepard 三角圖[17]，分級標準采用Udden-Wentworth 粒度分級[18]。粒度參數計算采用Folk-Ward方法[19]。由于兩次采樣范圍不同（圖2），因此選擇重合區(qū)域內的站位（2009 年59 個，2019 年98 個）經克里金插值作圖后對比沉積物組分及粒度參數變化。

本文采用Flemming 三角圖分析人工島建設前后?？跒乘畡恿l件以及沉積環(huán)境的變化。Flemming三角圖中劃分了25 個小區(qū)域，對應不同的沉積動力條件[20]。以沉積物中砂含量95%、75%、50%、25%、5%的值作為區(qū)域分界線，將三角圖劃分為S、A、B、C、D、E 共6 個區(qū)域，從S 區(qū)到E 區(qū)，砂含量逐漸減少，沉積物粒徑變細；以粉砂及黏土含量10%、25%、50%、75%、90%為界限，劃分為I～VI 共6 個水動力區(qū)，從I 區(qū)到VI 區(qū)，動力條件逐漸減弱。此方法已在海灣[21]、三角洲[22]、河口[23]等不同沉積環(huán)境中有較好的應用。

本研究同時也對甘藍型油菜如何響應BR進行了研究，結果表明合適濃度的外源BR處理可以促進油菜幼苗根的生長，過高濃度的BR反而產生抑制作用，研究結果與擬南芥一致，但甘藍型油菜的根對BR的敏感性比擬南芥更高。黑暗條件下BRZ處理可使甘藍型油菜幼苗的下胚軸伸長受到抑制，提示BR信號也參與了幼苗的光/暗形態(tài)建成，但是幼苗的子葉并未完全張開，根的生長差異也不明顯，說明BR信號介導的甘藍型油菜幼苗的光形態(tài)建成與擬南芥相似，但存在略微差異[33]。

在沉積物搬運過程中，沉積物的粒度參數會沿搬運方向發(fā)生變化，因此可以利用粒度特征的空間差異來確定沉積物的運移方向。本文采用基于Gao-Collins方法的Fortran 程序[24]對?？跒橙斯u建設前后沉積物運移進行分析。Gao 和Collins[25–26]在Mclaren 等研究的一維泥沙運移模型的基礎上建立了二維沉積物運移趨勢分析方法（GSTA），其采用粒度參數計算采樣點與相鄰各點間的多個粒徑趨勢矢量，最終合成單一的趨勢向量。目前Gao-Collins 方法已經被廣泛應用于海灘[27]、陸架[28]等環(huán)境中。

4 結果

4.1 沉積物類型變化

海口灣人工島建設前后表層沉積物類型主要有黏土質粉砂、砂–粉砂–黏土、砂質粉砂、粉砂質砂、砂以及礫質砂（圖3a）。人工島建設前海口灣以砂和粉砂質砂為主，主要分布于海灣西北部以及中部人工島擬建設區(qū)域；其次為砂質粉砂和黏土質粉砂，主要分布于海甸島與人工島建設區(qū)域之間以及近岸區(qū)域；礫質砂主要分布于?？跒澄鱾壬钏畢^(qū)，灣內含量少。人工島建設后灣內沉積物類型以黏土質粉砂為主，主要分布于海口灣東南側、人工島西側以及近岸區(qū)域。在人工島建設后，?？跒澄鞅辈可凹胺凵百|砂明顯減少，礫質砂消失，東南部黏土質粉砂的分布區(qū)域由海甸島附近擴大到整個?？跒硟龋▓D3b）。

圖3 人工島建設前(a)和建設后(b)表層沉積物類型Fig.3 Surface sediment types before the construction (a) and after the construction (b) of artificial island

4.2 沉積物組分含量變化

人工島修建后灣內砂組分以減少為主（圖4a），海灣東部最大變化量為–50%，在人工島西側出現–90%的極大值；在?？跒潮眰壬钏畢^(qū)以及人工島與?？诟壑g，砂含量增加了10%～40%。與砂含量的變化相反，人工島西側的粉砂含量增加了20%～60%，黏土含量增加了10%～30%；?？跒硸|側粉砂和黏土的增加量分別在10%～30%、10%～20%之間（圖4b 和圖4c）。人工島建設后?？跒潮韺映练e物組分發(fā)生明顯變化，大部分區(qū)域砂含量降低，粉砂和黏土含量增加。人工島建設前?？跒硟鹊[石含量低，僅個別站位高于10%，建設后未見礫石組分。

圖4 表層沉積物各組分含量變化Fig.4 Contents changes of surface sediment components

4.3 沉積物粒度參數變化

人工島建設前海口灣表層沉積物平均粒徑（Mz）均值為2.69Φ，極值范圍在–0.52Φ 至6.41Φ 之間（圖5a）。?？跒澄鞅辈砍绷髁魉佥^大[29]，表層沉積物以中–粗砂為主，平均粒徑普遍小于3.00Φ；?？跒持胁繙\灘水深小于5 m，以1.07Φ～2.94Φ 的細砂和中砂為主；在?？跒车臇|側存在平行于岸線并向西延伸的舌狀細粒沉積區(qū)，主要為4.05Φ～6.40Φ 的粉砂。總體上人工島建設前?？跒骋粤叫∮?.00Φ 的砂質沉積物為主，僅在?？跒硸|北側及近岸部分區(qū)域有粉砂、黏土質沉積物分布。

人工島建設后?？跒潮韺映练e物平均粒徑范圍在–0.10Φ～7.48Φ 之間，均值為4.71Φ，灣內沉積物粒徑大面積變細（圖5b）。海口灣東部粉砂質沉積物平均粒徑由4.05Φ～6.40Φ 上升至4.01Φ～7.47Φ，原有的舌狀細粒沉積區(qū)擴大到整個海口灣東部。同時人工島西側及?？诟鄹浇某练e物粒徑也不同程度變細。

人工島修建前海口灣絕大部分區(qū)域沉積物的分選系數（σi）小于0.40，均值為0.36，分選良好，僅在北部潮流通道及灣內個別含礫站位分選較差（圖5c）。海口灣砂質沉積物主要為潮流侵蝕產物，經波浪與潮流持續(xù)搬運分選后在灣內形成較穩(wěn)定的淺灘堆積體[12]，其沉積物分選普遍較好。人工島修建后?？跒潮韺映练e物分選系數范圍在0.40～3.37 之間，均值為2.30，分選明顯變差（圖5d）。?？跒硸|北部與人工島南部近岸區(qū)域分選系數增加，絕大部分區(qū)域大于2.00，這與灣內工程建設等人類活動直接相關。

圖5 表層沉積物粒度參數變化Fig.5 Grain size parameters changes of surface sediment

5 討論

5.1 人工島對表層沉積物粒度的影響

人工島建設前沉積物粒度曲線為雙峰，粒徑為1Φ～3Φ 的砂質沉積物頻率較高（圖6b）；建設后粒徑曲線中粗粒組分峰值降低，細粒組分峰態(tài)變寬，總體明顯變細。工程建設后表層沉積物中砂質組分明顯減少，但灣內不同位置沉積物變細的程度存在差異（圖6a），這說明人工島可能一定程度上影響了細粒沉積物在灣內的分布。工程建設前表層沉積物較低的分選系數表明當時灣內動力條件穩(wěn)定，沉積物能持續(xù)接受分選，水動力和物源處于動態(tài)平衡之中，而人工島建設影響灣內潮流流速及波浪強度，使海灣東側和人工島波影區(qū)內動力減弱，懸移質更易在灣內沉積，導致分選系數普遍增大。

圖6 人工島建設前后表層沉積物粒徑頻率分布曲線Fig.6 Frequency distribution curves of surface sediment grain size before and after the construction of artificial island

圖7 表層沉積物Flemming 三角圖Fig.7 Flemming’s ternary diagram of surface sediment sample stations

?？跒潮韺映练e物分布受到長期物源變化與填海工程建設的影響。海口灣內主要有兩種物源，砂質表層沉積物主要來自海底侵蝕的湛江組地層，海灣東部的粉砂及黏土質沉積物主要來源于南渡江入海泥沙。潮流侵蝕產生的碎屑物質經波浪分選形成平行于岸線的沙壩堆積體及淺灘[12]，而南渡江輸入的粉砂及黏土沉積物由NE 向波浪及西向沿岸流搬運至灣內[30–31]。20 世紀末以來，南渡江因水壩建設入海沉積通量逐年降低，三角洲前緣侵蝕后退。根據南渡江下游龍?zhí)琳緦崪y數據，南渡江年均懸移質輸沙量和含沙量均呈減小趨勢[32]，導致海口灣東部的細粒沉積物來源減少。通過分析1963–2003 年多期次等深線可知，近年來海口灣海底地形總體穩(wěn)定，但灣內局部呈略微侵蝕狀態(tài)[12]。因此在人工島建設前，海口灣物源相對不足并維持著緩慢的侵蝕過程。近年來，填海項目建設一定程度上影響了?？跒车钠胶膺^程。海甸島、新埠島、?？诟酃こ坦袒侵藓蜑稠數陌毒€，減少了南渡江三角洲侵蝕產物的輸入；位于?？跒持胁康娜斯u影響波浪及往復潮流流速，與其他工程共同作用使?？跒痴诒纬潭仍鰪姟?/p>

?？跒潮韺映练e物受到潮流、波浪、徑流、沿岸流等多動力因素的綜合控制，上述結果表明，在瓊州海峽水動力總體穩(wěn)定及南渡江物源供給減少的背景條件下，人工島與其他填海工程的建設導致海口灣內沉積動力下降，表層沉積物變細。

5.2 人工島對沉積物運移的影響

本文使用2009 年70 個站位及2019 年77 個站位進行粒徑趨勢分析。在計算過程中，采樣間距過小將產生噪聲[33]，且規(guī)則的采樣網格計算結果較為可靠[34]，因此去除2019 年南北方向上部分過密的站位，使采樣網格間距為1.0 km（與2009 年一致），同時采用賈建軍等[34]的方式計算特征距離。結果表明，人工島修建前?？跒潮韺映练e物總體運移趨勢是從灣外向灣內輸運，在海灣西部以東南向輸運為主，海灣東部以西南向輸運為主（圖8a）。在人工島擬建設區(qū)域，海口灣西部向灣內搬運的沉積物有匯聚的趨勢，形成該處較淺的砂質淺灘。海口灣東部是南渡江細粒物質進入灣內沉積的主要區(qū)域，由于具有多種物源，其粒徑趨勢更為復雜，但整體仍表現為由深水區(qū)向灣頂及近岸的港口、岬角遮蔽段等弱動力區(qū)域運移。人工島修建后，?？跒潮韺映练e物總體保持了由灣外到灣內的運移趨勢，但局部運移方向明顯改變，海灣西部主要的運移趨勢由東南向轉變?yōu)槟舷?，?？跒硸|側人工島與海甸島之間出現局部匯集（圖8b）。在人工島西側附近的站位，建設前輸運箭頭的匯集趨勢消失，沉積物繞過人工島向岸運移；在人工島波浪遮蔽區(qū)，輸運箭頭有向岸匯聚的趨勢。

圖8 ?？跒潮韺映练e物運移趨勢Fig.8 Trend of surface sediment transport in the Haikou Bay

由于瓊州海峽受到兩端傳入的不同類型潮波影響，海峽南岸余流、懸沙及底質輸運均以東向為主[35–36]。?？跒吵绷髦饕獮橥鶑土?，人工島修建前東向漲潮流作為該區(qū)域的優(yōu)勢流向將后海附近瓊州海峽產生的泥沙向東帶入灣內[12]，控制著海灣西部的沉積物運移趨勢；NE 向的波浪將灣口附近的沉積物向近岸搬運，使灣內淺水區(qū)沉積物向西南運移。人工島修建后?？跒硠恿l件減弱，灣內沉積物輸運方向受到影響。

數值模擬結果顯示，由于人工島減少了過水斷面，東西向潮流通過海口灣時發(fā)生環(huán)島繞流[37–38]。工程建設后，潮流經過人工島時在背流面形成低流速區(qū)，島南北側流速稍有增加（圖9），同時人工島遮擋了NE 向波浪，在島與海岸之間形成波影區(qū)[39]。人工島建設較大地減弱了東向流，南渡江物源更易在海口灣內沉積，使人工島東西兩側表層沉積物變細；人工島南部為水深小于5 m 的近岸淺水區(qū)域，受波浪作用明顯，島對波浪的遮蔽作用使人工島南側沉積物變細，觀測結果顯示該區(qū)域內海岸線向海淤進（圖10b），未來會形成向海突出的堆積體[12]。結果表明，?？跒乘畡恿εc沉積物粒度特征變化有較好的相關性。

圖9 人工島建設后漲潮流（a）和落潮流（b）流速變化模擬（據文獻[38] 修改）Fig.9 Numerical simulation result of flood current (a) and ebb current (b) speed after the construction of artificial island (modified from reference [38])

此外，人工島完工后?？跒?0 m、20 m 等深線仍然保持穩(wěn)定，只有5 m 等深線變化較明顯（圖2）。5 m等深線總體在?？跒硸|側淤進，西側侵蝕，海甸島西側以及人工島南部潮流通道明顯淤淺，人工島西北部雙灘地形處侵蝕變深。兩期水深變化量顯示（圖10a），工程建設后?？跒硸|側及近岸淺水區(qū)域以淤積為主，與表層沉積物變細區(qū)域基本一致。等深線及水深變化表明，研究區(qū)由建設前的輕微侵蝕向淤積狀態(tài)轉變，海口灣東側大片區(qū)域淤積，但淤積量不高。

圖10 人工島建設前后水深變化及波影區(qū)岸線變化Fig.10 Changes of water depth and shoreline in shadow zone before and after the construction of artificial island

由于河道采砂和上游水壩建設的影響，20 世紀80 年代后南渡江入海沉積通量逐漸下降，?？跒吵练e物供應減少，在此背景下?？跒车匦屋^為穩(wěn)定，南渡江三角洲岸線侵蝕后退。2000 年后，海口市開展的一系列填海項目一定程度上影響了南渡江三角洲及?？跒车乃畡恿统练e物運移。2007–2011 年間，新埠島、海甸島等工程已建設完畢，在此之后南海明珠島是?？跒硟茸钪饕奶詈９こ獭Ｐ虏簫u是南渡江三角洲西北側重要的泥沙來源[16]，其填海形成的人工岸線向海前進約1 km，減少了南渡江泥沙的西向沿岸輸運；海甸島工程向海口灣內延伸，形成硬岬角并增加了海灣的遮蔽程度；?？诟蹟r截沿岸輸運的沉積物，使灣頂更加封閉；南海明珠島擠壓灣內過水斷面、減弱潮流及波浪，進一步降低了海口灣動力條件。人工島位于海灣中部、占地面積較大，對區(qū)域流場的影響相比于海甸島等基于海岸的圍堰填海更加明顯。水動力、沉積物、水下地形均顯示海口灣東側變化較大，這與人工島遮擋東向優(yōu)勢流，在海灣東部形成弱動力區(qū)有直接的關系?？傮w上，人工島建設是研究區(qū)沉積物發(fā)生變化的主要原因。

劉曉強和楊燕華[40]的研究中，2016 年5 月和12 月的底質采樣顯示海口灣東部均以粉砂、黏土為主，沉積物粒度參數分布與本文2019 年采樣結果類似，說明?？跒潮韺映练e物變細是一個長期的持續(xù)過程。由于填海工程的影響未來將持續(xù)存在，海口灣沉積過程將逐漸向新的平衡轉化，細粒陸源沉積物在海灣內將繼續(xù)增多。

6 結論

對南海明珠人工島建設前后的表層沉積物、運移趨勢、動力環(huán)境變化的分析結果表明，南海明珠人工島的建設減弱了?？跒硟炔ɡ艘约皷|西向潮流，導致南渡江泥沙更易在灣內堆積，?？跒潮韺映练e物明顯變細，輸運方向改變。具體如下：

（1）南海明珠人工島建設前，?？跒潮韺映练e物主要有砂、粉砂、黏土3 種組分，人工島完工后，?？跒潮韺映练e物組分中砂質組分減少，粉砂及黏土組分增加，灣內沉積物的粒徑變小，分選變差。

（2）南海明珠人工島建設前后，?？跒潮韺映练e物粒度自東向西均由細變粗，但南海明珠人工島建設后細粒沉積物分布范圍更廣。在陸源沉積物供給減少的背景下，南海明珠人工島建設后?？跒车某练e動力明顯減弱，沉積物更偏向粉砂及黏土端元。

（3）南海明珠人工島建設減弱了海口灣局部潮流及波浪強度，是灣內沉積物特征變化的主要原因。南海明珠人工島建設后，由灣外向灣內的沉積物運移趨勢不變，但海灣西部沉積物向東南的運移趨勢減弱，而海灣東部西南向的沉積物運移趨勢增強。在?？跒硸|部以及人工島波影區(qū)，存在匯集的運移趨勢；在人工島西側，沉積物繞過人工島向岸輸運。

人工島建設通常直接引起沉積環(huán)境變化，使周邊區(qū)域沉積物特征發(fā)生改變，而被影響的沉積物輸運平衡可能誘發(fā)海岸侵蝕、港灣淤積等諸多問題。在人工島建設工程中應合理規(guī)劃布局，減少工程項目對海域動力的影響以保護附近港口航道、海岸及海灣系統的穩(wěn)定性。

致謝：感謝海南省海洋開發(fā)設計研究院、?？谑泻Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心的數據支持。