近期福建海坛海峡海床冲淤变化及影响因素研究

姚弘毅，郑承忠，徐 乐，王伟斌，蔚广鑫

(福建海洋研究所，福建 厦门 361013)

海坛海峡，位于福建中部福清半岛与福建最大岛屿海坛岛之间，北侧有大、小练岛和屿头岛，西北口为福清湾，北口与台湾海峡相接；南侧则有草屿岛将出口一分为二，东南口通往台湾海峡，南口则与兴化水道相连，具有典型的峡道特征[1]。峡道内滩槽交替，发育有岩滩、潮滩、潮流沙脊、冲刷槽和海底残丘多种地貌形态结构，并受到潮流和波浪共同作用，地形地貌和动力条件较为复杂[2]。研究表明在末次间冰期暖湿气候与现代暖湿气候的影响下，闽江携带的大量泥砂进入海坛海峡和海坛岛沿岸沉积，成为海坛岛海滩砂的主要来源[3]。汤建军等建立了二维浅水波数学方程，对海坛海峡的前进波特征进行了成功模拟，计算结果表明海峡内流速分布呈南北强、中间弱的特点[4]。王彬谕等利用MIKE21建立二维潮流数学模型，分析了海坛湾海域潮流动力情况[5]。卢惠泉等从海坛海峡的形成演变规律、水动力条件、海底地形地貌及沉积特征等方面系统探讨了在峡道效应作用下，海坛海峡的水动力环境和地貌变化[1]。

近年来，随着平潭综合实验区的开发建设，各项基础设施建设取得重大突破和进展。为了缓解岛内用地紧张和综合实验区进一步开放开发之间的矛盾，在平潭综合实验区成立后，幸福洋、猴屿、金井湾、金井作业区、安海澳等海湾和垦区进行了大规模的填海造地工程。而海坛海峡内丰富的海砂资源自然成为了填海造地工程所需巨量工程用砂的首要来源。大量海砂的开采将会降低海滩滩面，使海岸遭受更强的波浪袭击，导致礁石裸露，对滨海旅游业造成影响，同时强化海岸的侵蚀，对海岸堤防和建筑物造成威胁[6-7]。因此，本文根据多年海图以及实测地形数据等相关研究资料，对近期海坛海峡地形地貌变化开展了研究，不仅能增加对人类活动影响下峡道海域地貌演变的认识，同时对促进海峡资源合理有效地开发利用以及周边社会经济的可持续发展等都有着重要的现实意义。

1 研究区域概况

福建海坛海峡地形地貌变化复杂，分别在海峡两侧不同区域发育着岩滩、沙滩和泥滩3种地貌，在海底中发育着水下浅滩、潮流脊系和潮流三角洲3种地貌[1]。其所处的台湾海峡潮波整体上表现为前进波性质，近岸处表现为驻波，为正规半日潮。潮波由北向南传入海坛海峡，海峡内潮波属于前进波，南北开口既有前进波，又有驻波的特征[4]。海峡内潮流为正规半日潮，受峡道两侧地形边界条件限制，呈现为以往复流为主的形态，主要分潮流长轴方向与深槽线走向一致[1]，周年实测表层最大流速为1.27 m/s。根据平潭海洋站1980—2003年的统计资料，海坛海峡多年平均风速为9.0 m/s，多年月平均风速以11月的11.4 m/s为全年最大，而10月和12月的平均风速也分别达到11.1 m/s和11.2 m/s，以8月的6.7 m/s为全年最小。全年风向以东北偏北为最多，频率为43%，其次为东北向，频率为18%。受海峡地形的影响，海峡海域内的主要波浪类型为小风区形成的风浪和口门传入的涌浪叠加而成的混合浪[1]。对海峡中部2011年连续12个月波浪观测资料进行统计，结果表明海坛海峡的常浪向为NNE向，年出现率为34.09%；强浪向为NE和NNE，H1/10>1.5 m的年出现率分别为0.25%和0.09%。历史研究资料显示海坛海峡大部分海底表层沉积物较粗，主要为砂和细砂，在海峡两侧的海湾沉积物较细，主要为砂-粉砂-粘土、粘土质砂和粘土质粉砂[8]。

2 资料来源和研究方法

本文搜集了1999年至2015年的海图及实测地形数据(表1)，利用ArcGIS对其进行数字化处理，并应用Bursa-Wolf模型和各基准面转换关系，将水深数据的平面坐标统一为WGS 84坐标系统下Gauss-Kruger投影(中央经线为120°)，水深数值统一以当地理论最低潮面为基准。然后，将上述水深数据建立各年份的数字高程模型，开展冲淤计算。同时，在海坛海峡北部和南部分别取4个与主槽垂直的剖面，并对8个特征剖面的不同年份的断面形态进行了统计，剖面位置如图1所示。

3 海坛海峡海床冲淤变化

3.1 2007—2015年福建海坛海峡北部近期冲淤变化

图2为2007年至2015年福建海坛海峡北部西侧水道及附近海床冲淤变化，从图中可以看出，西侧水道整体冲淤变化幅度相对较小，冲淤变化幅度均在2 m以下，以轻微淤积为主；淤积区域主要集中在北侧老牛礁与赤礁屿附近的分流浅滩以及箩屿附近水域，淤积强度在2～5 m之间，局部点淤积强度达到5 m以上；而冲刷区域主要分布在西侧水道靠近幸福洋一侧、箩水道与四屿水道间的浅滩以及西侧水道进入福清湾的转角处，冲刷强度在2.0～13.5 m之间。整体上，该区域冲刷面积与淤积面积大体相当(表2)，但是淤积区域以0～2 m的轻微淤积为主，而强度在5 m以上的冲刷区域面积明显大于淤积区域，淤积区平均淤积厚度为0.82 m，冲刷区平均厚度为1.79 m。经计算，计算范围内表现为净冲刷2 614.48×104m3，平均净冲刷厚度为0.48 m。

表2 1999—2015年海坛海峡水下海床冲淤变化特征值

续表2

3.2 2010—2015年福建海坛海峡南部近期冲淤变化

2010年至2015年，福建海坛海峡南侧海床冲淤变化图(图3)显示研究区域内以0.5～2.0 m的淤积为主，局部大幅度的冲刷或淤积主要分布在近岸工程较为集中的金井湾和金井作业区附近，冲刷强度可达到15.0～23.6 m，淤积的强度则在10 m以上，局部可达20 m以上。从表2也能看出，研究区域内淤积面积是冲刷面积的2倍多，达到36.07 km2，表现为净淤积4 298.90×104m3，平均净淤积厚度为0.82 m，年淤积速率为0.10 m/a。

3.3 1999—2015年福建海坛海峡整体冲淤变化

1999年至2015年，福建海坛海峡大箩屿以北、明江屿至石牌草屿一线以南区域存在大范围的集中冲刷区，冲刷强度在5.0～15.0 m，局部可达到15.0 m以上；而大箩屿以南至草屿以及明江屿至石牌草屿一线以北的区域则以0.5～2.0 m的轻微淤积为主，局部存在有强度较大的强冲刷或强淤积区(图4)。整体上，海坛海峡冲刷区面积为148.68 km2，大于淤积区面积，净冲刷量为7 843.83×104m3，年净冲刷率为0.04 m/a(表2)。经计算统计，幸福洋西侧的集中冲刷区(图4中黑框范围)冲刷面积达到了39.32 km2，净冲刷量达到了8 413.68×104m3，平均冲刷厚度为1.77 m，年冲刷速率则为0.11 m/a(表2)。幸福洋冲刷区的净冲刷量(8 413.68×104m3)大于整个海坛海峡的净冲刷量(7 843.83×104m3)，表明近期海坛海峡整体处于轻微淤积状态，而幸福洋巨大的冲刷量使得海坛海峡整体表现为冲刷。

4 特征剖面形态变化

本次研究在海峡内共设置了8条剖面，其中P1剖面位于老牛礁、青礁屿南侧，赤礁屿北侧，起于海坛海峡北部西侧水道中线，横过中部赤礁屿和青礁屿浅滩，止于北香炉屿西北侧(图1A)。从图5A可以看出西水道在1999年至2013年表现为持续冲刷状态，年平均冲刷速率为0.42 m/a；中央水道和东水道在1999年至2007年表现为轻微淤积，淤积厚度为2 m左右，至2013年又表现为冲刷状态；2013年至2015年，P1剖面的三个水道均表现为不同程度的淤积。

P2剖面位于石牌草屿北侧，起于海坛海峡北部西水道中线，止于和平村西侧近岸水域(图1A)。从图5B中可以看出1999年至2007年，P2剖面整体变化较小。2013年后中部浅滩表现为轻微淤积，浅滩两侧坡面明显变陡，而滩顶高程基本保持不变；2013年后，东水道东侧斜坡发生侵蚀，坡面逐渐变缓，5 m以上区域则存在年际间的不均衡冲刷和侵蚀，2013年曾出现一个侧水道，水深达到10 m，至2015年次水道水深又恢复至1999年的7 m。

P3剖面位于石牌草屿南侧，起于海坛海峡北部西水道中线，终于玉屿仔西南偏西测680 m处(图1A)。1999年至2007年，P3剖面处于相对稳定的状态，整体冲淤变化幅度均在0.5 m以下，冲淤变化较小(图5C)。而到了2013年，中部浅滩一分为二，形成一个次级水道，水深达到12.58 m。东水道底部发生冲刷，水深最大处达到了13.68 m。至2015年，经过进一步的动态平衡调整，两个浅滩的顶高程降低了0.66 m，新形成的次级水道水深稳定在了10 m；东水道与2013年相比，发生冲刷，东侧坡度变陡。

P4剖面位于幸福洋西侧(图1A)。1999年至2007年，P4断面浅滩高程变化较小，而东水道则存在一个显著的淤积过程，最大淤积厚度达到了4.97 m(图5D)。2007年至2015年，P4断面整体进入了剧烈冲刷状态，冲刷深度在0.85～5.00 m之间。

P5剖面位于南青屿南部、大屿岛北部，起于福清县东翰镇大壤村东南侧，横过西侧水道、中部浅滩、海坛海峡中央水道，止于平潭娘宫(图1B)。1999年至2013年P5剖面西侧水道、中部浅滩以及中央海坛海峡中央水道均呈现冲刷状态(图5E)，与1999年相比，冲刷幅度在0.5～2.2 m不等，而至2015年，中部浅滩整体向西移动了约130 m，导致西侧水道和中央水道的西侧斜坡发生淤积，而东侧斜坡则表现为侵蚀。

P6剖面位于大屿岛南部，起于福清县东翰镇后营村东侧，横过西侧水道、中部浅滩、海坛海峡中央水道，止于吉钓岛(图1B)。如图5F所示，P6在1999年、2010年和2013年地形总体变化不大，西侧水道的西侧斜坡略有侵蚀，东侧斜坡和中部浅滩与2010年相比略有淤积，淤积厚度1～4 m；海坛海峡中央水道西侧斜坡下部与2010年相比略有淤积，东侧斜坡上部呈冲刷状态，与2010年相比，刷深强度较大，达2～3 m/a。2015年P6剖面整体发生淤积，较2013年，淤积厚度1 m左右。

P7剖面位于可门岛东部、东进岛南部，起于可门岛，横过西侧次水道、中部浅滩、海坛海峡中央水道，止于珩尾滩(图1B)。从图5G可以看出，P7剖面西侧次水道略有淤积；于1999年至2013年，中部浅滩变化较小；至2015年浅滩东侧发生冲刷。海坛海峡中央水道从1999年至2010年均呈冲刷状态，冲刷深度达4 m；而从2010年至2013年转为淤积状态，与2010年相比，淤积厚度达5.4 m，淤积强度达2 m/a；至2015年中央水道最大水深基本恢复到1999年的29.3 m。

P8剖面位于南海乡西北部，起于南海乡与平潭岛之间的水道，止于平潭岛西南侧近岸浅滩(图1B)。如图5H所示，P8剖面在2002年、2010年和2013年地形总体变化不大，南海乡与平潭岛之间的水道南侧斜坡与2010年比略有侵蚀，北侧斜坡与2010比略有淤积，平潭岛西南侧近岸浅滩与2010年比呈冲刷状态，刷深幅度较大，达2～12 m，该处地形变化应与海沙盗采有关。较2013年，至2015年南海乡与海坛岛之间的水道呈淤积状态。

5 近期福建海坛海峡海床冲淤变化因素分析

从上面的分析可以看出，近期海坛海峡整体上处于轻微淤积状态，局部区域存在不平衡冲淤，卢惠泉等的研究结果也印证了这一点[1]，而竹屿口至幸福洋是一个集中的强冲刷区域。海坛海峡两侧陆域广泛分布有火山岩、花岗岩丘陵、台地、砂质海积平原和风积平原，新构造运动的间歇性上升，导致地表侵蚀、水土流失，从而为海峡两岸边滩提供了丰富的泥沙；随沿岸流南下的闽江下泄泥沙也成为海坛海峡的另一个重要泥沙来源[1，3]。这都为近期海坛海峡的整体淤积状态提供了丰富的物质基础，然而围填海工程、航道疏浚以及海砂开采等用海行为对海坛海峡局部海床冲淤变化起着重要的影响作用。

5.1 海砂开采对海床冲淤变化的影响

海峡两岸的风化以及闽江南下挟沙沿岸流为海坛海峡带来了大量的悬浮泥沙，同时由于海坛海峡特殊的地质地貌形态，在水动力对沉积物的分选作用下，海峡深槽两侧斜坡以及水深较浅的浅滩形成了良好的沉积环境，有利于细颗粒泥沙的沉积[1-2，8]，使得海坛海峡蕴藏着丰富优质的海砂资源。海坛海峡竹屿至长江滨分布有大型铸型用砂矿，而海坛岛沿岸则分布有探明储量为1.0亿t的水泥标准砂，海坛芦洋浦是全国唯一的标准砂矿生产供应基地[9]。另一方面，近年来随着平潭综合实验区的开发建设，在海坛岛西岸进行了大量围填海工程，据统计仅幸福洋和金井湾、金井作业区围填海工程，填海面积就分别达到了约14.61 km2和10.29 km2(图6和图7)。大面积的围填海工程，对海砂也有着巨量的需求，而竹屿口至和平村西侧海域断面水深较浅，浅滩发育(图5C、D)，存有大量海砂资源。P4剖面的整体大幅度冲刷侵蚀形态也与海砂开采后的特征相符，因此，大量的海砂开采是导致该区域发生冲刷的主要原因。

5.2 围填海工程及航道疏浚对海床冲淤变化的影响

近年来，海坛岛大量填海造地工程的建设以及航道疏浚对海坛海峡局部的地形演变有重要影响。以娘宫码头至金井作业区段岸线为例，金井作业区2#～5#泊位的填海施工导致2013年后P6剖面东部地形发生突变(图5F)。金井进港航道及金井作业区港池疏浚则导致大屿岛至金井作业区码头前沿的水域发生明显冲刷，局部冲刷强度达到15～22 m(图8)。而娘宫支航道的疏浚，则使得大屿岛至壳屿间的水道深槽水深增大，而深槽两边的浅滩发生淤积(图8)，深槽形态由宽浅向窄深演变，有利于船只的航行以及航道维护。另一方面，金井湾和金井作业区填海工程进一步束窄了海坛海峡南部的水道，使得该区域的水动力作用有所增强，也是导致该区域深槽发生冲刷的原因之一。根据填海工程完成后的2014年实测大潮水文数据显示，5#泊位前沿水域的水流呈现往复流形态，大潮落潮垂线平均流速为0.68 m /s，而涨潮垂线平均流速则达到了1.10 m/s，表现为净的涨潮输沙，单宽输沙量为20.10 t/m·d。

6 结论与讨论

6.1 近期福建海坛海峡海床冲淤变化

1999—2015年，在闽江随沿岸流南下的悬浮泥沙补给下，除竹屿口至和平村海域外，海坛海峡整体处于轻微淤积的状态，但由于幸福洋西侧冲刷区巨大的冲刷量，使得海坛海峡在研究区域内整体表现为净冲刷状态，年平均冲刷速率为0.04 m/a。铸造用砂、标准水泥砂矿开采以及海坛海峡内填海造地用砂，使得幸福洋西侧海域的海砂被大量开采，导致该区域发生剧烈冲刷，平均冲刷厚度为1.77 m，年平均净冲刷速率达到0.11 m/a。海坛海峡东岸围填海工程以及海峡内航道疏浚等用海行为则对其局部海床冲淤变化产生重大影响。

由此可见，海坛海峡内存在大量海砂开采活动，而海砂开采，尤其是无序的非法开采活动，将引发一系列突出的环境和工程问题，例如海岸侵蚀、海水入侵以及底床破坏，这可能给工程环境、航运、管道缆线和水产养殖带来消极影响[10]。

6.2 海砂开采管理与监管建议

首先应对海坛海峡及其周边的海砂资源和开采区域的海砂储量及开采情况进行摸底，委托有资质的相关单位对海砂资源储量、范围、性质等进行充分而详细地调查。同时开展区域性海砂开采规划的编制，对区域内海砂的开采范围、限采范围、每年海砂开采的总量、海砂开采船只数量等指标进行合理规划。以福州市政府和平潭综合实验区管委会牵头，委托有资质的单位开展海砂开采海洋环境影响评价和海域使用论证，对适宜海砂开采的区域，采取招、拍、挂的形式出让海砂开采权，并引导海砂开采形成规模化企业，大力发展12 海里以外及台湾浅滩海砂开采[11]。

另一方面，在涉及围填海的项目审批上，应严格把关，能采用其他回填材料的，一律使用可替代材料回填，减少海砂的使用，杜绝填海项目随意性使用海砂的现象。相关海洋主管部门应加强对新建采砂船的审批监管，并引导相关造船企业转产转业，从源头上遏制采砂船的过快增长。同时，组织发改委、边防、海警、海事、海洋、公安、国土资源等单位联合执法，对海上非法采砂活动进行严厉打击，并加大对非法采砂活动的处罚力度。

6.3 海岸防护建议

对已造成侵害的海岸岸线，可采取海堤、丁坝以及离岸堤等工程手段对岸滩堤岸进行防护；对侵蚀严重或具有旅游开发利用价值的岸滩可采用海滩补沙的方式进行防护，并可与生物护岸措施相结合，以达到较好的海岸防护效果。