嚴(yán)鑌鑌，韓文章，徐霄尉

（舟山市自然資源測繪設(shè)計(jì)中心，舟山 316000）

0 引言

填海造地用海將海域資源變?yōu)橥恋刭Y源，屬于嚴(yán)重改變海域自然屬性的方式，因此對海洋環(huán)境影響也最大，尤其是大型圍填海工程，不僅造成填海區(qū)本身海洋生物資源受損和海洋生態(tài)環(huán)境破壞，還改變了周邊潮流流速流向等水動力條件，對周邊水下地形地貌也帶來一定的變化，甚至對周邊海洋功能區(qū)造成持續(xù)性影響，這些因素很可能導(dǎo)致一些難以挽回的生態(tài)后果發(fā)生[1-2]。因此，如何加強(qiáng)對大型圍填海工程的事中事后監(jiān)管，開展大型圍填海工程水下地形地貌動態(tài)監(jiān)測，不僅是海洋管理部門對大型圍填海項(xiàng)目加強(qiáng)管理的要求，也是海洋環(huán)境保護(hù)和生態(tài)用海的要求[3]。雖然當(dāng)前部分單位結(jié)合有關(guān)項(xiàng)目也開展了相關(guān)研究，但由于缺乏系統(tǒng)的理論知識和技術(shù)研究，在開展圍填海工程水下地形地貌變化監(jiān)測中，本文擬提出一種針對填海工程水下地形地貌變化監(jiān)測的具體技術(shù)方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 魚山島用海情況、圍填海開發(fā)概況

魚山島填海造地工程中，規(guī)劃區(qū)用地是依托大、小魚山島進(jìn)行填海造地所得，填海規(guī)模較大，影響范圍和程度也相對較大。且魚山填海工程填海區(qū)水較深，可以直觀了解深水區(qū)填海對周圍水下地形造成的實(shí)際沖淤變化，并據(jù)此可以分析沖淤變化是否會對海堤工程的安全產(chǎn)生的影響。

在當(dāng)前，填海方式單一，基本都是采用簡單的海岸向海延伸、海灣截彎取直或利用多個島嶼為依托進(jìn)行圍填。這樣的填海雖然經(jīng)濟(jì)效益較高，但忽視了資源的利用效率和生態(tài)環(huán)境價值，造成自然岸線縮減、海灣消失、島嶼數(shù)量下降、自然景觀破壞，還會造成近岸海域生態(tài)環(huán)境破壞，海水動力條件失衡，海底地形地貌改變以及海域功能受損等情況發(fā)生。

根據(jù)本次圍填海工程水下地形變化動態(tài)監(jiān)測研究的需求，結(jié)合當(dāng)前舟山群島新區(qū)圍填海項(xiàng)目實(shí)施情況，如圖1 所示。本次研究報(bào)告選定的研究對象為魚山填海工程[4]，主要分析圍填海工程前后對水下地形以及相關(guān)要素的影響。

圖1 魚山填海工程規(guī)劃圖（一期、二期工程和遠(yuǎn)期規(guī)劃）

1.2 海域動態(tài)監(jiān)管現(xiàn)狀

圍填海項(xiàng)目動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測雖然對加強(qiáng)圍填海項(xiàng)目用海監(jiān)管發(fā)揮了重要作用，但隨著國家全面深化改革要求進(jìn)一步加強(qiáng)事中事后監(jiān)管要求的提高[5]，特別是國家對圍填海海域使用和環(huán)境保護(hù)管理要求的提高，當(dāng)前動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測制度在實(shí)施過程中暴露出一些問題。

監(jiān)測的主要對象以圍填海工程本身為主，監(jiān)測的基本內(nèi)容主要是圍填海用海位置與審批對比，工程實(shí)施后對水下地形地貌環(huán)境和周圍海洋功能區(qū)的影響，實(shí)際情況是僅憑現(xiàn)場踏勘和陸域測量是無法做出判斷的。

其次，由于沖淤變化發(fā)生在水下，通過衛(wèi)星遙感影像和現(xiàn)場陸域測量等手段可能無法直觀地發(fā)現(xiàn)，必須通過水下測量手段長期對工程區(qū)海底地形地貌進(jìn)行測量，形成水下地形圖，并經(jīng)對比分析后，才能直觀地了解工程實(shí)施后對水下地形、沖淤平衡引起的變化[6-7]。

由于缺少對大型圍填海項(xiàng)目周邊水下地形的動態(tài)監(jiān)測，用海單位沒有及時發(fā)現(xiàn)填海工程實(shí)施后海堤前沿及周邊海域的實(shí)際沖淤變化，錯失了補(bǔ)救時機(jī)，致使新建海堤發(fā)生開裂甚至坍塌。例如螞蟻島西北側(cè)圍填海工程，就曾發(fā)生過坍塌事故，經(jīng)查海堤堤腳被大幅沖刷是導(dǎo)致海堤坍塌的主要原因之一。圍填海工程也會造成周圍海域發(fā)生淤積，例如釣梁大型圍填工程導(dǎo)致螺門港發(fā)生嚴(yán)重淤積，港內(nèi)大型船舶無法進(jìn)出，需要對港區(qū)海域定期疏浚。

因此，開展大型圍填海工程水下地形地貌動態(tài)監(jiān)測，及時掌握水下地形變化情況，不僅對保障工程安全起到重要作用，也是海洋管理部門加強(qiáng)圍填海管理、保護(hù)海洋資源環(huán)境的有效手段[8]。

2 研究方法與內(nèi)容

本次大型圍填海工程對水下地形地貌影響的動態(tài)監(jiān)測研究主要是通過選擇具有典型代表的魚山島大型圍填海工程，收集填海區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)資料；根據(jù)填海工程的海域使用論證報(bào)告和沖淤數(shù)模分析結(jié)論，制定動態(tài)監(jiān)測方案，開展實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，給出水下地形變化的分析結(jié)論；最終依據(jù)研究對象的水下地形變化監(jiān)測與分析結(jié)論，探討圍填海工程水下地形變化動態(tài)監(jiān)測的可行性和必要性，提出監(jiān)測的技術(shù)規(guī)程和技術(shù)要求[9]。

2.1 研究方法

根據(jù)課題研究要求和實(shí)際工作開展情況，本次課題研究共分為四個階段，技術(shù)路線如下圖2 所示。

圖2 技術(shù)路線流程圖

水下地形測量實(shí)施技術(shù)主要分為三部分：

導(dǎo)航和測點(diǎn)定位：采用差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）技術(shù)。潮位控制：采用驗(yàn)潮站方法，用測深水尺進(jìn)行人工觀測。水深測量：選用單波束雙頻測深儀，其測深精度為H×1‰±1 cm（H 為實(shí)時水深值）。

將測深儀及DGPS 信標(biāo)機(jī)固定于測量船上，安裝示意圖見圖3，引導(dǎo)測船進(jìn)入需要測量的位置后，按事先布設(shè)的測線，進(jìn)行測點(diǎn)定位和測深，并根據(jù)偏航顯示數(shù)據(jù)，隨時修正測船的航向，使測船始終保持在斷面線上航行，按同樣的方法施測全部測線。

圖3 設(shè)備安裝示意圖

海岸線測量包括海島海岸線、海堤和碼頭等沿海構(gòu)筑物的測量，基巖海岸處以多年平均大潮高潮線形成的痕跡線為海岸線，砂礫和淤泥質(zhì)海岸以大潮高潮線為海岸線，有人工海堤處以海堤擋浪墻平臺向海側(cè)的外緣線為海岸線。用RTK 測量儀器各特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際定點(diǎn)測量。實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)時存入并現(xiàn)場繪制地形。部分達(dá)不到采集要求的點(diǎn)位，用全站儀補(bǔ)充測量。

2.2 研究內(nèi)容

本文主要針對大型圍填海工程對水下地形以及沖淤對周圍海洋開發(fā)區(qū)和功能區(qū)以及生態(tài)紅線的影響進(jìn)行討論，并在2016 年和2017 年先后對魚山島圍填海工程進(jìn)行了實(shí)測。外業(yè)測量先后分為兩段，第一部分測量區(qū)域?yàn)榇笮◆~山西北側(cè)海域，第二部分測量區(qū)域?yàn)槿龎K，分別是大小魚山南堤外側(cè)，大魚山東堤外側(cè)、小魚山西堤外側(cè)，如圖4 所示。

圖4 測區(qū)范圍示意圖

魚山島水下地形概況：魚山海域海岸線以基巖海岸為主，海蝕地貌發(fā)育。測區(qū)水下地形起伏明顯，主島大魚山南北有潮流沖刷的深潭，深潭處水深最大超過40 m。大小魚山之間以及東南、西北兩側(cè)水深較小，主要為水深小于5 m 的水下淺灘，5 m 等深線最遠(yuǎn)處距海島岸線約4 km。

本文通過實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)字建模相結(jié)合，將2016 年實(shí)測與2017 年實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行時間上的對比，突出圍填海工程前后，魚山島水下地形與沖淤量的變化；并通過數(shù)值模擬，與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到相關(guān)性誤差，最終得到一套精準(zhǔn)度較高的水下地形監(jiān)測方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 2017 年水下地形實(shí)測結(jié)果

3.1.1 測區(qū)選擇。2017 年現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于圍堤建設(shè)速度加快，2016 年測量區(qū)域大部分被包圍進(jìn)海堤內(nèi)側(cè)。海堤內(nèi)側(cè)部分海域已經(jīng)拋石，水下地形變化受人為因素干擾較大，再對圍區(qū)內(nèi)進(jìn)行水下地形測量意義不大，結(jié)合今后規(guī)劃，經(jīng)過比選，遵循等效原則，重新選擇了南區(qū)、西區(qū)和東區(qū)研究海域。

3.1.2 測區(qū)水下地形描述。實(shí)地測量并總結(jié)測區(qū)水下地形情況如下表1 所示。

表1 魚山島2017 實(shí)測結(jié)果

3.2 2015 至2017 年水下地形變化分析

3.2.1 南區(qū)水下地形沖淤對比分析。南區(qū)位于連接大魚山和小魚山的南堤的南側(cè)海域，南堤于2015 年開始拋石施工，2016 年9 月海堤合攏，2017 年7 月進(jìn)行南堤南側(cè)海域的水下地形實(shí)測，海堤合攏前進(jìn)后共歷時10 月。

此時間段南堤沖淤主要趨勢為：在離岸100~700 m、水底高程為-10~-20 m 之間，該范圍淤積和沖刷并存，基本上以離岸500 m 為分界線，500 m 以內(nèi)以淤積為主，500 m 以外以沖刷為主。且越靠近小魚山淤積和沖刷越明顯，小魚山東南1 km 處淤積或沖刷現(xiàn)象不明顯?？梢姾５掏旯ず蟮匦巫兓黠@的區(qū)域主要位于小魚山島附近范圍，測區(qū)其他區(qū)域地形相對穩(wěn)定。

離南堤500 m~1500 m 范圍，水底高程在-20~35 m之間，整體表現(xiàn)以沖刷為主，各等深線往內(nèi)側(cè)移進(jìn)40~70 m 之間。

3.2.2 西區(qū)水下地形沖淤對比分析。西區(qū)位于小魚山島北側(cè)，魚山西大堤西側(cè)海域，該處海域島礁集中，島礁重多，潮流變化較為復(fù)雜，圍堤合攏后，該處潮流流速流向等變化較大，分兩個區(qū)塊分析，一是北小礁北側(cè)海域，另一塊為南小礁南側(cè)海域。

研究對比區(qū)域一（北小礁北側(cè)海域）：

2015 年至2016 年整體上呈現(xiàn)淤積趨勢。從垂向比較來看，整體上淤積幅度為0.5 m 左右。從平面對比來看，-5 m、-6 m 和-7 m 等深線整體向深水區(qū)移動了50 m 左右，移動幅度相對比較均勻。

研究區(qū)域二（南小礁南側(cè)海域）：

2015 年至2017 年整體上呈現(xiàn)沖刷趨勢。從垂向比較來看，沖刷幅度在0.5~1.5 m 之間，整體上淤積幅度為1 m 左右。從平面對比來看，-5 m 等深線向淺水區(qū)移動了120 ~350 m 之間，-6 m 等深線向淺水區(qū)移動了100~190 m 之間。

3.2.3 東區(qū)水下地形沖淤對比分析。東區(qū)位于大魚山島東側(cè)約2.5 km 處，該處海洋開發(fā)活動比較集中，東區(qū)西側(cè)約9 km2為大規(guī)模圍區(qū)，同時東區(qū)也是跨海橋梁、海底管線等集中登陸區(qū)，屬于對沖淤變化比較敏感的海區(qū)。

截止2017 年7 月，該區(qū)域東堤尚在拋石階段，內(nèi)側(cè)大魚山至東堤的隔堤部分岸段已經(jīng)拋石完工并露出海面。研究海域位于東堤前沿至外側(cè)，魚山大橋與大魚山島東部圍區(qū)的登陸處，東西600 m 寬度，南北1 700 m 范圍內(nèi)，該處地形相對平坦，水底高程在-6~-8 m 之間。

2015-2017 年，該范圍總體呈現(xiàn)沖刷趨勢，雖然沖刷幅度較小，但沖刷的趨勢比較明顯，總體沖刷幅度約為0.5 m 以內(nèi)。

從平面對比看，-7 m 向淺水區(qū)移動200 m 以內(nèi)，-8 m 向淺水區(qū)移動400 m。

3.3 沖淤對周圍海洋開發(fā)活動的影響分析

周圍海洋開發(fā)活動主要分為港口岸線、無居民島、橋梁和海底管線等，魚山填海工程對港口岸線（南區(qū)）、無居民島（西區(qū)）、橋梁和海底管線（東區(qū)）的影響分析結(jié)論，以及是否繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測的建議統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 填海對水下地形影響分析結(jié)論

由于各個圍堤合攏時間不同，參照舟山地區(qū)海域圍填海經(jīng)驗(yàn)，圍填海周邊海底地形一般3~5 年后才可達(dá)到?jīng)_淤平衡，因此圍區(qū)周邊的沖淤變化尚在進(jìn)行，周邊地形尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。為全面了解圍堤合攏后海底地形的變化狀態(tài)，也為印證沖淤變化提供理論研究依據(jù)，引用圍填海工程數(shù)學(xué)和物理模型專題研究報(bào)告的相關(guān)結(jié)論[10]。

3.3.1 潮流模擬結(jié)果。（1）建設(shè)前漲潮潮流。大魚山東南側(cè)由于東南側(cè)岸線基本垂直于漲潮流向，整體處于漲潮流的迎流面，漲潮流在東南側(cè)分為兩股，分別沿大魚山東南側(cè)岸線向南北方向流去，大魚山東南側(cè)海域漲潮流流速相對較弱。而大魚山南北兩端的磯頭岸線對漲潮流起到了挑流的作用，而且兩側(cè)都為深槽，漲潮流速相對較強(qiáng)，但整體還較為平整。大魚山西北側(cè)處于漲潮流的背流面，因此，西北側(cè)漲潮動力較弱，而且受小魚山等小島嶼的影響，水道縱橫交錯，漲潮流流向不一致，漲潮流態(tài)較為復(fù)雜。（2）建設(shè)前落潮潮流。大魚山西北側(cè)處于落潮流的迎流面，潮流在西北側(cè)分為兩股，分別沿大魚山西北側(cè)岸線向南北方向流去，漲潮動力較弱，而且受到小魚山等島嶼的影響，水道內(nèi)落潮流不規(guī)則，落潮流態(tài)較為復(fù)雜。而大魚山南北兩端的磯頭岸線對落潮流起到了挑流的作用，而且兩側(cè)都為深槽，因此落潮流速相對較強(qiáng)，但整體較為平整。大魚山東南側(cè)處于落潮流的背流面，受到大魚山的遮蔽作用，形成落潮流的流影區(qū)，因此落潮動力較小。其矢量圖如圖5 所示。

圖5 工程建設(shè)前后流矢疊加圖（落急，紅色為工程后，黑色為工程前）

3.3.2 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果。（1）完工前后潮流變化。從流向的變化看：工程實(shí)施后，漲潮時段東側(cè)圍堤整體處于漲潮流的迎流面，漲潮流頂沖圍堤后分為南、北兩股，各自沿著圍堤前后分為南、北兩股，沿著圍堤前繼續(xù)行進(jìn)，流向行進(jìn)，流向基本平行于堤線走向，較為平順；漲潮流繞過大魚山南北兩端的磯頭后流態(tài)較為平順，南防波堤的建設(shè)阻擋了原本由大小漁山之間的潮流通道的漲潮水流，漲落急流矢有一定的偏轉(zhuǎn)，尤其是在小魚山島西北側(cè)至西堤和北堤轉(zhuǎn)角處，由于南堤和西堤的建設(shè)，局部會產(chǎn)生旋渦。另外受到小魚山等小島嶼的影響，水道縱橫交錯，漲潮流流向不一致，因此漲潮流態(tài)較為復(fù)雜，流速流向均發(fā)生較大變化。落潮時，落潮流基本上與漲潮路相同，方向反流基本上與漲潮路相同，方向相反。從流速變化看，大魚山東側(cè)圍堤前沿及外圍一片流速明顯減小，該堤的兩個堤角處流速增大，而堤與大魚山交接處的流速則減小。西堤前沿流速普遍減小，兩個堤角附近則流速有所增大，南堤前沿流速減小。工程建設(shè)前后漲落潮平均流速變化值見圖6。（2）完工后最終沖淤趨勢預(yù)測。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)論，魚山大型圍填海工程結(jié)束并達(dá)到?jīng)_淤平衡后，西堤線外圍主要表現(xiàn)為沖刷為主，局部淤積。西堤北堤角轉(zhuǎn)角處海域表現(xiàn)為淤積。南防波堤南側(cè)及北堤北側(cè)的擬建碼頭外圍呈沖刷趨勢。各個區(qū)域工程實(shí)施沖淤平衡后海域地形變化見圖7。

圖6 工程建設(shè)前后平均流速變化值

圖7 工程實(shí)施沖淤平衡后海域地形變化圖

東堤：處于漲潮流的迎流面、落潮流的流影區(qū)，故東堤的堤前淤積較為顯著，靠近大魚山的堤段前沿海床則表現(xiàn)為淤積，最大淤積2 m 以上。而堤角處由于挑流作用，流速增加，流速加大造成堤角沖刷，兩個堤角一帶海床明顯沖刷，西南堤腳沖刷幅度最大，可能達(dá)到4 m。

南堤：連接大魚山與小魚山之間的潮流通道被封，海堤前沿近處沿潮流較小，呈現(xiàn)淤積趨勢，最大淤積幅度在2 m 以上；而海堤前沿遠(yuǎn)處由于大魚山與小魚山之間的潮流改為流經(jīng)此處，由于流速變急，所以海堤前沿800 m 以外大范圍海域呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)，平均沖刷幅度在0.5~1 m 之間，沖刷區(qū)域主要位于小魚山島南側(cè)區(qū)域，南北寬度約為2.5 km。

西堤：西堤前沿以峙崗山為南北分界線，呈現(xiàn)“南沖刷、北淤積”的趨勢，峙崗山以南區(qū)域以沖刷為主，峙崗山以北區(qū)域以淤積為主。北側(cè)區(qū)域淤積1 m 左右，靠近海堤處淤積幅度較大，往外幅度逐漸較小，沖淤范圍沿堤寬度為1 km；南側(cè)沖淤幅度平均為1 m 左右，局部沖淤幅度可達(dá)到2 m，沖淤范圍沿堤寬度為2 km。

3.3.3 對比分析。舟山海區(qū)圍填海沖淤平衡一般需要5 年左右，經(jīng)過長時間觀測，將實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析，結(jié)論如表3 所示。

表3 實(shí)測與數(shù)值模擬對比結(jié)果分析對比表

實(shí)測與數(shù)值模擬對比結(jié)果表明，除因東堤尚未完工導(dǎo)致實(shí)際沖淤變化與預(yù)測的結(jié)果相反外，其他西堤和南堤實(shí)測地形變化與預(yù)測結(jié)果在沖淤趨勢上基本一致，差異主要體現(xiàn)在沖淤定量上，究其原因，除數(shù)值模擬本身的局限性和沖淤平衡期限尚未達(dá)到等影響因素以外，還有其他實(shí)際因素，例如數(shù)值模擬預(yù)測的前提是魚山一期所有圍填同時合攏，而受施工條件限制，實(shí)際上海堤合攏時間前后可能差一年以上。

4 結(jié)論

舟山大型圍填海工程的實(shí)施改變了周圍水動力條件，進(jìn)而引起周圍水下地形發(fā)生變化[10]。數(shù)值模擬只是一種理論研究，具有一定的局限性，與實(shí)際存在一定差異。本課題選取了魚山填海項(xiàng)目作為典型實(shí)例進(jìn)行研究，通過對水下地形及岸線外業(yè)實(shí)測得出動態(tài)沖淤變化數(shù)據(jù)，并將實(shí)測沖淤數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)論進(jìn)行了對比分析。

通過對比發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)完工的南堤和西堤附近海域?qū)嶋H沖淤趨勢與數(shù)模預(yù)測基本一致，但在沖淤幅度的預(yù)測上仍存在一定差異，東堤由于尚未完工，趨勢預(yù)測相反。由此可見，在泥沙含量高、島礁眾多、施工順序改變的海區(qū)，沖淤趨勢或數(shù)值與數(shù)模相比存在一定差異。因此，大型圍填海工程沖淤數(shù)值模擬僅供作為參考。

針對當(dāng)前大型圍填海工程尚無水下地形動態(tài)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)供參考的情況下[11-12]，本文在總結(jié)此次水下地形動態(tài)監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)和吸取教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，提出了一套實(shí)用性和操作性強(qiáng)的大型圍填海水下地形動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，供技術(shù)單位在實(shí)施水下地形監(jiān)測時提供借鑒，為今后水下地形動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的出臺提供參考。