江蘇南通沿岸圍填海強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 地理科學學院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023）

近年來，隨著海洋開發力度的增大，沿海地區海洋經濟在全國經濟中所占比重越來越大，地位也越來越重要。江蘇海洋經濟發展迅速，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構性短缺已然成為制約江蘇沿海地區經濟發展的重要瓶頸。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、農業用地需求，江蘇積極開展圍海和填海造地，圍填海用海呈現逐年上升的趨勢（王芳等，2009）。但隨著圍填海強度逐漸增大，海岸灘涂濕地資源保護和灘涂圍墾之間的矛盾也日漸突出（劉晴等，2013）。如何定量計算當前的圍填海開發強度，預測灘涂開發潛力，實現海岸帶資源承載力的科學評估，對資源環境保護前提下的灘涂合理開發利用非常重要。

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）。國內學者對圍填海潛力的研究多集中于海岸帶資源開發和濕地生態系統健康狀況評估領域，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） 細分為漁業承載力、水環境承載力等專項內容進行評價的專項評價方法（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體系寬泛、難以定量描述和實施成本代價高等缺點，實際應用難度較大，結果的經驗性較強；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海岸的圍填海強度定量評價及圍填海潛力評估需求。

據此，本文針對淤泥質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、岸灘形態動態變化條件下的圍填海強度定量計算方法，提出適合淤泥質海岸圍填海強度判定的定量分級方案，通過分析圍填海強度變化趨勢，實現圍填海開發潛力的預測，為我國圍填海開發活動的計劃管理和科學評估提供技術支撐。

1 研究區概況

研究區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，海域含沙量高，屬于典型的粉砂淤泥質海岸。根據岸段的侵蝕和淤積狀況調查，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-連興港岸段為穩定岸段。研究區目前自北向南分布有8 個建設用海、2 個灘涂養殖用海共計10 個重點圍填海工程，約占江蘇省重點工程用海數的一半。從岸線類型來看，主要有漁業岸線、港口岸線和工業岸線3 種。

圖1 研究區示意圖

2 數據與處理

2.1 岸線岸灘數據

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

表1 南通岸段基本情況

2.2 圍填海面積數據

圍填海面積數據根據Landsat ETM+遙感影像提取獲得，影像數據來自于地理空間數據云（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，一種是大片形狀規則的圍海養殖區，區域內的養殖水體光譜易于區分；另外一種是由線狀人工堤壩圍成的圍填區域，內部為海水或者灘涂，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 軟件中運用監督分類方法對基準岸線外具有明顯人工干預痕跡的斑塊進行自動提取，獲得圍填海區域初步解譯結果；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域進行目視解譯修正，提高圍填海工程解譯的準確率和完整性，生成2007-2013年的圍填海矢量圖，結果如圖2 所示；最后利用ArcGIS 軟件的面積解算功能，自動計算獲得各年份的圍填海面積（表2）。

2.3 圍填控制線數據

圍填控制線數據包括最大圍填規模控制線和適宜圍填規模控制線數據（圖3）。其中，最大圍填規模控制線的確定要求在該控制線范圍內圍填海工程不會明顯改變海岸整體形態，對海洋動力格局及維持周邊水道穩定性的控制性動力不產生明顯影響，通過建立大尺度東中國海潮波數學模型、南黃海海域中尺度潮流數學模型和小尺度輻射沙洲中南部海域的潮流數學模型，采用多尺度嵌套數值模擬手段，確定圍填海工程外包絡線，作為最大圍填規模控制線；適宜圍填規模控制線的確定要求在該控制線范圍內開展圍填用海項目建設時海洋環境可承載、資源利用可持續并與社會經濟條件相適應，通過多目標決策理論與方法，針對輻射沙洲中南部海域的海洋資源環境特點，構建多目標決策模型計算獲得（徐敏等，2012）。這兩條控制線分別對應區域內圍填海開發壓力很強和壓力狀況中等兩種壓力狀態。

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 適宜圍填規模、最大圍填規模示意圖

由適宜圍填規模控制線和最大圍填規模控制線分別與基準岸線形成閉合的包絡面，可統計出不同岸段類型的適宜圍填海面積和最大圍填海面積。當實際圍填海面積大于適宜圍填海面積時，表明進一步圍填海開發會對研究區的海洋環境開始產生影響；當實際圍填海面積大于最大圍填海面積時，表明研究區不再適宜新增圍填海項目和擴大圍填海規模。

運用ArcGIS 計算，研究區內不同岸段的適宜圍填海和最大圍填海面積規模如表3 所示。可以看出，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 圍填海開發定量評價方法

3.1 淤泥質海岸圍填海開發強度定量計算模型

基巖海岸的圍填海強度R 定義為某一岸段范圍內圍填海用海面積S 與岸線長度L 之比，即R=S/L（付元賓等，2010）。考慮到淤泥質海岸不同于基巖海岸，存在淤積岸段、侵蝕岸段和穩定岸段類型，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度計算時不能一概而論。同時，由于每種類型岸段的所有分岸段未必連續且淤長率可能各不相同，因此定義淤泥質海岸某一類型岸段的圍填海強度定量計算公式為：

式中：Ri為某一類型岸段的圍填海強度（hm2/km），i 分別代表淤積、侵蝕和穩定岸線類型之一；Si，j為i 類型岸段的j 分段岸線擁有的圍填海用海總面積（hm2）；n 為i 類型岸段的j 分岸段數；Li，j為i 類型岸段分段岸線在基準年的海岸線長度（km）；fi為i 類型岸段的資源調節系數。當對i 類型岸段進行強度計算時，由于各個岸段的資源存量不同，可通過fi來進行平衡，計算方法如下：

式中：Smax 表示整個研究區所能承受的最大圍填海面積（hm2），即研究區最大圍填規模控制線與基準岸線形成閉合的包絡面的面積；L 表示基準年內研究區的海岸線總長度（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），即該岸段所對應的最大圍填規模控制線與該段岸線形成閉合的包絡面的面積。

當對整個研究區進行評價時，fi為1，此時淤泥質海岸圍填海開發強度計算公式退化為：

可以看出，與基巖海岸圍填海強度的定義公式一致。

3.2 淤泥質海岸圍填海開發強度等級劃分方案

圍填海強度的等級劃分標準直接關系到圍填海潛力的計算，是圍填海強度評價方案的關鍵環節之一。要用統一的圍填海強度等級劃分標準來評價岸外灘涂資源分布不均的岸段，必須協調岸段的實際利用狀況和潛力來進行設定。本研究在參照前人劃分標準分為5 個等級的方案基礎上（付元賓 等，2010；劉洋等，2011），根據淤泥質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模和最大圍填規模數據，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，來限定圍填海強度最高等級對應的閾值，作為海岸資源可承載的最高級別，計算如下：

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

其中：Rpro 表示整個研究區適宜圍填海面積對應的強度值（hm2/km），Spro 表示整個研究區的適宜圍填海面積（hm2），計算結果為223。

根據計算結果并參照南通淤泥質海岸的圍填海工程實際情況，最終修正選擇250 為4 級強度級別對應的強度上限，200 為3 級強度級別對應的強度上限，并按照一定的梯度，確定出5 個圍填海強度等級，制定適合淤泥質海岸的圍填海強度等級劃分表，如表4 所示。

表4 圍填海強度等級劃分表

3.3 淤泥質海岸圍填海開發潛力計算模型

研究區海岸為淤泥質海岸，伴隨著海岸的淤積與侵蝕，灘涂面積始終處于動態的變化中，因此在進行圍填海潛力定量計算時，必須充分考慮淤積和侵蝕導致灘涂面積的增減給圍填海潛力計算帶來的變化。根據圍填海強度等級劃分方案，當圍填海強度級別為1 級、2 級時，以3 級圍填海強度對應的最大圍填海面積作為圍填海供應潛力上限；當圍填海強度為3 級、4 級時，以4 級圍填海強度能容納的最大圍填海面積作為圍填海的供應潛力上限；當圍填海強度級別達到5 級時，認為圍填海已經超出海岸帶承載力，在現有條件下已經不具備圍填海開發潛力。據此設計淤泥質海岸的圍填海潛力定量計算模型如下：

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，K3、K4分別表示等級劃分表中3 級強度和4 級強度級別對應的強度上限閾值。

對整個研究區進行潛力計算時，潛力值為各類型岸段的圍填海潛力值之和，即：

因此，圍填海開發潛力實際上對應于各強度級別下剩余的灘涂面積資源存量。根據該資源存量的大小以及當前的圍填海開發速率，可以推算出海岸帶能夠繼續開發的年限，即為海岸帶的開發潛力。

4 應用實例

4.1 南通圍填海開發強度定量計算

根據表1、表2 的數據，利用公式（1）、（2）計算出2007-2013年南通海岸各岸段的圍填海強度R 如圖4 所示：

圖4 2007-2013年南通圍填海強度變化

從圖4 可以看出，三段海岸圍填海強度不斷增大，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的大規模圍海開發建設，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，圍填海強度等級為3 級，目前開發壓力相對較小，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，因此圍填海強度雖然也處于3 級范圍，但是開發強度已經大于老壩港—東灶港岸段。

4.2 南通圍填海開發潛力定量計算

通過對當前圍填海強度的計算，得出當前圍填海所處等級，再運用公式（6）-（9） 計算，得出各岸段的圍填海開發潛力。其中，淤積面積的計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也處于動態變化中，南通各岸段的圍填海潛力計算如表5 所示。

表5 南通岸段圍填海潛力計算表

4.3 南通岸段圍填海供應時間預測

根據2007-2013年各岸段的圍填海強度變化規律，通過線性、對數和多項式模型擬合對比，選擇可決系數R2最大的擬合方案為最優方案，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時間進行預測，得到圍填海面積S 變化的時間序列方程，結果如圖5 所示：

以各岸段的潛力值P 的全部發揮為時間界限上限，得到的預測結果表明：如果按照現有的開發速度持續開發，老壩港—東灶港淤積岸段可供應開發時間為8 a，東灶港—蒿枝港侵蝕岸段可供應開發時間為1 a，蒿枝港—連興港穩定岸段可供應開發時間為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，適宜繼續開發，但開發的過程中需要注重圍填海域的節約利用。東灶港—蒿枝港岸段為侵蝕海岸，如果繼續按照現有的開發速度連續開發，1 a即將圍填海的資源消耗殆盡，從而對區域內海岸和近岸的海洋資源造成嚴重影響，因此該岸段存在較大的圍填海壓力，建議保持現狀，不宜進行進一步開發，這一結論與目前海門市濱海新區建設的現狀相吻合。蒿枝港—連興港為穩定岸線，每年以緩慢的淤長速度增長，由于近年來開發速度慢，因此預測開發年限為11 a。但由于該段岸外灘涂資源存量少，因此蒿枝港—連興港岸段建議進行小范圍的圍填海開發，不適宜布局大型圍填海工程。

5 結論與討論

圍填海開發強度與潛力的定量評價對海岸帶空間資源合理開發利用具有重要意義。本研究針對淤泥質海岸的沖淤變化特征，擴展定義了適用于淤泥質海岸的圍填海強度與潛力定量評價模型，并成功運用該模型進行了江蘇南通淤泥質岸段的圍填海強度計算及圍填海潛力預測，強度計算結果與南通當前的海岸帶實際開發狀況相近，潛力預測結果可為南通岸段的圍填海開發提供參考。

從研究方法來看，本研究還存在以下不足：1） 圍填海強度的計算僅考慮了岸線長度與相應的圍填海面積，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在現有的強度計算模型中，會給圍填海強度計算帶來一定程度的低估；2） 所提出的淤泥質海岸圍填海開發強度等級劃分方案還需要更多的實例來驗證，可行的驗證方案包括把研究區擴大到整個輻射沙脊群區域，把研究區擴大到整個江蘇省等，從而在研究區內同時包含淤泥質海岸和基巖海岸。這些實例還需進一步分析研究，來提高所定義的模型的實用性。

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