淤泥质潮滩剖面冲淤演变数值模拟分析--以河北省沧州市为例.docx

1、2012年9月ACTAOCEANOLOGICASINICASeptember2012淤泥质潮滩剖面冲淤演变数值模拟分析以河北省沧州市为例韩晓庆褚玉娟2,李晶3,朱伟龙。赵宇。高伟明仆(1.河北省国十资源利用规划院，河北石家庄050051.2.河北省科学院地理科学研究所，河北石家庄050011；3.瑞和安惠项目管理集团.河北石家庄050013;4.河北师范大学资源与环境科学学院河北省环境演变与生态建设实验室，河北石家庄050024)摘要：为全面剖析淤泥质潮滩变化规律及演变特征，运用修改后的输沙公式建立了淤泥质潮滩演变数值模型。经2000,2007年野外实测数据验证，表明该模型各参数设置准确，较其

2、实地反演了滩涂剖面变化过程，可用于淤泥质潮滩的模拟计算。根据数值模型计算结果得出如下结论：1987-2010年河北省沧州市淤泥质潮滩坡度不断增大，但增长速率变化不大，为0.002X10-3。0m等深线上部坡度逐渐变缓，年均降低0.021X10-3；下部坡度不断变陡，年均增长0.022X10-3。研究区潮滩未达平衡状态，其坡度将进一步变陡。该输沙模型及研究结论对淤泥质潮滩的保护具有重要的理论指导意义，为其科学开发管理提供实际参考依据。关键词：沧州市；淤泥质潮滩；剖面；演变；数值模拟中图分类号：P76文献标志码：A文章编号：0253-4193(2012)05-0111-051引言淤泥质潮滩主要指分

3、布在河口海岸潮间带由粘性细颗粒泥沙组成的滩地，通常拥有丰富的水产资源、巨大的土地供应潜力及湿地生态价值，是人类进行海岸开发和环境保护等工作的重点地区。无论是围滩造地、保滩护岸，还是固滩稳槽、水产养殖，都会从不同角度要求阐明潮滩剖面的塑造机制和发育规律。因此，只有掌握潮滩的发育规律及冲淤动态，才能有效地对其进行开发和保护。作为海陆相互作用的敏感地带，淤泥质潮滩受波浪、泥沙、沿岸流、地质条件等诸多因素影响，使海滩剖面时空变化极为夏杂。潮滩面积宽广、水浅滩平、变化频繁的特点给常规调查和观测带来很大困难，因此研究深度相对较低。许多研究者通过现场观测数据、水槽试验和遥感数据,利用数学、物理等方法来反演潮

4、滩地形信息及冲淤演变情况t2-,6o例如：Loha-niE综合利用机载专题制图仪(ATM)数据及克利金法构建了海岸数字商程模型(DEM),通过实测数据验证DEM数据的准确性后，继而分析岸滩冲淤变化;Mason等"幻利用遥感手段获得水边线并建立了水动力模型，测定了1992-1997年英格兰西北部莫克姆湾岸滩蚀淤变化，研究得出在Leven,Kcnt和Lune海湾的潮间带出现较大规模的侵蚀；樊社军等通过定量分析近岸波浪和潮流的作用特征，建立了近岸波浪的衰减模式，得到了波浪和潮流底切力在不同岸滩上的时空分布规律；曹祖德等g-通过理论分析和水槽试验，揭示出粉砂质海岸的泥沙淤积物中悬移质和推移质

5、比例，并提出粉砂质海岸淤积的计算方法。上述研究者在各自领域取得部分成果，但其成果应用的广度和深度仍有待提高。本研究将传统的输沙公式进行改进.配以实测数据验证.定代反演河北省沧州市淤泥质潮滩冲淤变化状况.并分析共演变特征.取得了较满意的结果。2研究区概况研究区位于河北省沧州市，辖黄骅市、海兴11.介于38°16'38°37'N,117°34'117°50E之间的沧州市岸滩.潮滩形态整体呈北北西南南东向（图1）.38*40'N38*40'N3830'38'20'38*10,图1研究区域位置示意图

6、研究区潮滩宽度为35km,平坦广阔，岸线较平立滩面坡度小于1/2000.以风浪为主，涌浪比例较小；海区全年以东向浪最多（10.06%）、东北向次之（9.38%）；溉不正规半日潮，II潮不等现象突出，海平面季节变化显蓍；海水流向呈极有规彳K的逆时针方向.海流为一天两周的旋转流。在研究区共有14条河流.均系行洪排沥河，入海沙代随行洪排涝水ht大小而增减，多年平均入海水ht为2.23X108m，入海沙量为687k".3研究方法3.1输沙率计算在计算淤泥质海岸泥沙输沙率时，根据研究区实际情况.假设在同一海洋动力作用下分别产生悬移质输沙及推移质输沙952°J.然后分别计算悬移质输沙率

7、（衣）和推移质输沙率（gob）.-者相加即为总输沙率（q）og=%+&，（1）q、=艮心心=心4,（2）式中.少为悬、推共存时的悬移质输沙率；处为悬、推共存时的推移质输沙率；f为水动力全部形成悬沙的悬移质输沙率；b为水动力全部形成底沙运动的推移质输沙率以.，灯分别为悬、推共存时悬移质输沙和推移质输沙的分兄系数.为确定奴和虹，设波浪、水流作用下悬、推共存时悬移质和推移质输沙率占总输沙率的比例分别为和加，即：S=n艮q_+虹qc(3)S=奴qg+虹'(4)由式（3）和式（4）可求得：b、=亦（/感+«(5)Ab小°>»加。*.+乎q*.(6)3.

8、1.1悬移质输沙率的确定由于粉砂质海岸泥沙运动时在底部存在高浓度含沙水体，因此计算悬移质输沙率时应分主水体和临底水体两部分考虑。主水体悬移质输沙率的盘可用下式表示：?<M|=/»lW|51,（7）式中，如为水深；S为流速E为含沙ht。临底高浓度含沙水体悬移质输沙率qq可用下式表示：（8）式中，么“b，Sb分别为临底层的叩度、流速和含沙设hbAhh,；ub=Au«；Sb=,并令A=人MM.,则式（8）可写成下式：如2=,（9）式中，A为系数。3.1.2推移质输沙率qM的确定推移质输沙率q°b可用下式表示：<p=Ab（W-W,）F2,（10）<p=q

9、-/p、gd（11）W=r/（p,p）gd5o,（12）W<=（hp）gdso,（13）式中，平为单宽无缺纲推移质输沙函数；W为输沙水力强度函数；W,为泥沙临界起动水力强度函数亦为床面阿切应力；L为泥沙起动时临界床面奶切应加3,为泥沙沉降速度；A、为待定系数。将式（10）（13）整理后得：3.2输沙公式验证利用所建立的输沙公式对研究区的潮滩坡度变化进行验证计算。在验证过程中，根据各参数计算研究区范围内悬移质及推移质输沙做，并进一步推算潮滩坡度变化情况，以检验各模拟参数的准确性。自20世纪90年代起，在研究区内各大河流上游修建了大型水库，致使入海泥沙后显著减少，在个别年份入海泥沙量近乎为0

10、。因此，本研究在统计泥沙量时未将河流入海泥沙考虑在内，仅考虑波浪及潮汐产生的泥沙沉积最。岸滩起算年份采用1987年河北省海岸带与滩涂资源综合调查实测数据所确定的潮滩坡度，起始点位于冯家堡东北侧一看护养虾池的房角，高程为1.5m,为使各年份数据有可比性，其余测点均统一到此点商程。2000年之前滩涂调查使用的是传统测量仪器，测所长度及精度皆不甚理想，而旦点数较少，其他点由空间数据内播及外推得出。2007年，在国家“908专项”河北省海岸带调查项目的支持下，使用更先进的测量仪器RTKGPS,与传统的测量仪器相比，该仪器工作半径更K（理论半径为13km）,精度进一步提高（亚厘米级），而旦失误率亦大幅降

11、低。利用潮汐表选择当日退潮时刻，实测潮滩长度为5km。为了与之前的数据相比较，本研究统计至长度4km范围。利用2000年河北省海洋资源调查时的实测岸滩坡度数据,验证该模型各参数设置的准确性。通过计算,误差为00.22m（表1）。因模型的起点固定，最小误差是测危的起始位置；误差最大值出现在距起点1km的位置，误差率为22%。通过现场观测，当地居民在该位置放置木桩、渔网等设施，利用潮汐涨落拉网捕鱼.致使该处淤高；该模型模拟的是自然状态F淤泥质潮滩的沉积过程，没有考虑人为因素，故最终结果比计算值大0.22m；在距岸较近处计算值偏小,而在距岸较远处计算值则偏大。其原因可能是新建人工设施影响近岸段冲淤平

12、衡,岸滩均衡剖面重塑所致。整体模拟结果表明，除距岸1km处岸滩剖面与计算值有所出入外,其余部分均反演效果较好。尤其是0m等深线附近，整体形态与实际岸线基本吻合,各点误差均不超过0.1m,在误差允许范围内，这表明计算模型及相关参数基本合理。表12000年潮滩剖面测值与计算值验证年份距离，''km012341987测缺值/m1.50.902000测缺值/m1.51.000.300.100.4计算值/m1.50.780.230.010.3误差ffl/m00.220.070.09-0.1在此基础上修改相关参数，并进一步验证根据2007年“908专项”河北省海岸带调

13、查实测潮滩削面。结果表明误差进一步减小，误差值在。0.05m之间。对距岸lkm处已基本修正准确，计算值与实测值仅差0.04m；在距岸3km附近误差最小，仅为0.005m（见表2）；测量最远处误差为0.05m,与2000年模拟结果相比，其精确度提高50%。这表明参数修改后的模型能够较好的反演自然岸线的变化，甚至在一些局部区域，如在0.5m等深线附近，得到较好地模拟结果。尤其在距岸2km处，计算结果显示该处Om等深线有向岸演进的趋势，亦符合研究区实际变化情况。最终确定各参数：人=0.2,不=76.1%,如=24.1%»Ab=15.67,虹=0.47。经过上述两个时段，尤其是第2时段潮滩剖

14、面实测数据验证，结果表明各部分误差均控制在0.1m以内，计算值与实测值基本吻合，模拟结果的精度符合研究要求。这说明所建立的模型正确,各参数确定合理，能较准确地反演潮滩变形的实际情况.可用于模拟河北省沧州市淤泥质潮滩冲淤变化的情况。表22007年潮滩剖面测值与计算值验证年份距离/km012341987测歆值/m1.50.900.200.10-0.302007测-值/m10.01一0.47计算值/m1.51.080.370.015-0.42设差值/m00.040.04-0.005一0.053.32010年潮滩剖面计算下部分又呈现出不同特征。在0m等深线以上，根据修改后的模型计算

15、2010年研究区淤泥即距岸2km附近坡度逐年降低一1987年坡降质潮滩剖面（表3,图2）0从计算潮滩剖面形态来为0.65X10-3»2000年为0.60X103；2007年降看，随着时间的演进，岸滩剖面的坡降逐渐增大，低到0.55X107;2010年潮滩坡度为0.49X但增长速度变化不大。与1987年坡度相比，20001年均降低0.021X10-30距岸2km以F，坡年坡度增大0.0250X107,年均增高0.0019X度逐年增大一1987年坡降仅0.25X10'3；200010-七2007年坡度为0.4925XW增K率达年达0.35X10-3»2007年增到0.4

16、4X10_3；20100.0021X10-3；2010年坡度增大0.0475X10-3,年坡度已增至0.51X10-3，年均增长0.022X年均增长0.0020X10-3。以0m等深线为界，上、IO%表31987,2000,2007,2010年潮滩剖面统计值年份距«/kmM;KU/V10123419871.50.900.200.10-0.300.4502000测ftffl/m1.510.300.10一0.400.4752007测量值/m10.010.470.49252010计算值/m20-0.490.4975012341987年2000年-20

17、07年2010*距离/km图21987年、2000年.2007年、2010年潮滩剖面图4结论综合运用前后20余年的实测数据及修改后的输沙公式，对河北省淤泥质潮滩剖面进行模拟计算。（1）经2000,2007年两次实测数据验证，结果表明所利用模型各参数设置合理，较真实地反演了潮滩剖面变化的实际情况.验证结果吻合较好.可用于计算淤泥质潮滩剖面的变化情况。（2）经上述模型计算2010年淤泥质岸滩剖而坡度，分析得出1987-2010年潮滩坡度不断增大，增长速率变化不大，为0.0020X10但0m等深线上、下呈现不同特征上部坡度逐渐变缓，下部坡度不断变陡。研究区潮滩未达平衡状态，整体剖面将进-步变陡。（3

18、）该修改后的输沙模型及研究结论对淤泥质潮滩的保护具有重:要的理论指导意义，为其科学开发管理提供实际参考依据。参考文献：F11时仲.陈古余.虐志英.中国淤混质潮滩沉积研究的进展J1.地球科学讲展.1996,11（6）:555-562.2SHORTAD.Threedimensionalbeach-stagemodel。.JGeology,1979,87：553571.3C(X?()G(),HARETJ.HUNTLEY1)A.Beachcusps：acomparisonofdataandtheoriesfortheirk>rmationJ.JCoastalRes.1999.15(3),741-

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