基于地图投影的莱州湾海岸侵蚀过程及深水变化分析

基于地图投影的莱州湾海岸侵蚀过程及深水变化分析

莱州湾南岸是指莱州湾顶部的小清河口至虎头崖段，长145公里。小清河至沙河为泥砂岩海岸，沙河至虎头崖为砂质海岸（图1）。发源于鲁中山地的小清河、弥河、白浪河、虞河、潍河、北胶莱河和沙河,在莱州湾南岸由南向北入海。莱州湾南岸是海岸侵蚀较为严重的岸段之一。1987年,王文海就该区域入海河流上游修建水库导致的海岸侵蚀进行过研究;1994年,吴桑云等曾报道过9216号风暴潮期间莱州湾南岸的海岸侵蚀;1999年,夏东兴等曾对这一区域1954-1976年22a的海岸侵蚀作过报道。本文利用历史资料对比的方法,对1958-2004年莱州湾南岸的海岸侵蚀过程进行分析,并估算了各因素对莱州湾海岸侵蚀影响的权重。1口深水地形为了研究莱州湾南岸海岸侵蚀过程及现状,收集了莱州湾沿岸11800号海图(数据为1958年所测,自歧河口至龙口港,比例尺1∶250000)、小清河口水深地形图(数据为1963年所测,自小清河口至虞河口,比例尺1∶100000)、11840号海图(数据为1984年所测,莱州湾,比例尺1∶150000)、2004年7月中国地质调查局青岛海洋地质研究所实测的小清河口附近的水深地形图(各图件范围见图1)和2001年8月29日黄河三角洲至莱州湾南岸TM遥感图像。将上述地图的海岸线、等深线和水深数据点用数字化板矢量化于Mapinfo中,将地图投影和水深基准面变换一致后,进行对比分析。2莱州湾南岸海岸侵蚀2.11深水值的基本概念本文称海岸线指的是平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线;水深值除特殊指明外,均从理论深度基准面起算。表1和图2给出了1958年和1984年2期海图海岸线和等深线对比结果。(1)海岸侵蚀速率对比结果表明,1958-1984年26a中,研究区侵蚀岸线长度合计107.7km,平均侵蚀速率为36m/a;侵蚀岸线占研究区岸线的74%,加权平均到整个研究区,则海岸侵蚀速率为27m/a。从图1和表1可以看出,研究区河口附近岸线后退较其它区域严重,如虞河口西侧,最大后退幅度为2700m,侵蚀速率为104m/a,北胶莱河口两侧平均蚀退1200m,侵蚀速率46m/a。从图2还可知,除小清河口外,1984年的海岸线与遥感图象显示的防潮坝外缘基本一致。(2)小清河口两侧变化幅度较1958-1984年26a中,莱州湾南岸5m等深线位置基本无变化。0m等深线在小清河口、潍河口和胶莱河口两侧变化幅度较大。小清河口两侧0m等深线后退达1700m,后退速率为65m/a;潍河口和胶莱河口附近0m等深线后退1200m左右,后退速率约为46m/a。胶莱河口东部至白沙河口附近,0m等深线平均后退了500m,后退速率约为27m/a(图2)。(3)侵蚀及下蚀海岸侵蚀不仅可表现在岸线后退,岸滩也会侵蚀下切。将1958-1984年水深数据经网格化生成DEM(数字高程模型)后,将2期的DEM相减,便得到1958-1984年莱州湾南岸岸滩下切侵蚀情况(图3)。1958-1984年,研究区总计有12.5×108m2的区域侵蚀,侵蚀体积为4.8×108m3,平均蚀低0.38m,平均蚀低速率为1.5cm/a;研究区总计有7.6×108m2的区域淤积,淤积体积为2.1×108m3,平均淤高0.28m,平均淤高速率为1.1cm/a。研究区净侵蚀面积为4.9×108m2,净侵蚀体积为2.7×108m3,平均净蚀低0.55m,平均净蚀低速率为2.1cm/a。侵蚀区主要集中在海岸线至0m等深线之间,该区域净侵蚀体积为2.2×108m3;除河口区外,0～2m等深线区域为淤积区;2～5m等深线的区域有冲有淤;5～8m等深线区域,中部有大片侵蚀区,以淤积为主。8m等深线以深则为淤积区。最大侵蚀区出现在虞河口、潍河口和北胶莱河口,最大下蚀1.5m,下蚀速率达5.8cm/a。小清河口南部侵蚀厚度为0.3m,平均下蚀速率为1.2cm/a。2.21海域侵蚀主要表现1984年后,莱州湾南岸除小清河口外,其余区域岸线位置基本稳定。1984年以来莱州湾海岸侵蚀主要表现为岸滩下蚀和沉积物粒径变大。下文以小清河河口为例,给出研究区海岸侵蚀状况。(1)海底地形剖面对比分析研究区历史资料较少,自1984年之后,没有更新的莱州湾水深地形图。2004年,小清河航务管理局为了羊口港的扩建和航道整治,委托中国地质调查局青岛海洋地质研究所在小清河口航道及附近区域进行了1∶5000水深地形测量,测量范围很小,不宜将其与1958年和1984年小比例尺海图进行对比。为此,利用1963年出版的小清河河口1∶100000水深地形图与2004年水深地形图进行海底地形剖面对比,分析小清河河口附近5m等深线以浅岸滩演变趋势(剖面位置如图1中Ⅰ-Ⅰ′,Ⅰ点坐标为119.09721°E,37.26106°;Ⅰ′点坐标为119.18980°E,37.29236°N)。对比结果见表2和图4。通过剖面对比可知,40多年间,海区5m等深线以浅侵蚀远大于淤积,最大侵蚀厚度可达1.0m,平均为0.43m;最大侵蚀速率为2.4cm/a,平均为1.04cm/a。海区不同水深范围海底冲淤变化不尽相同,在2m等深线以浅和4m等深线以深,海底侵蚀较为强烈,为侵蚀段;在2.5～4m水深范围内,海底侵蚀并不明显,局部甚至有淤积发生。从图4可知,1963年以来,小清河口南侧0m等深线向岸迁移1.0km多,-2.0m等深线仅向岸迁移200m左右,-3.0m和-4.0m等深线变化甚微,-4.5m等深线向岸迁移1.5km。对比前文分析结果,发现小清河河口南部区域,1984年以来,侵蚀区范围由海岸线至0m等深线发展到海岸线至2m等深线,侵蚀区范围有所扩大;1958-1984年,小清河口南侧平均下蚀速率为1.2cm/a;而1963-2004年为1.04cm/a,岸滩下蚀速率有所下降。(2)海底沉积物粒径20世纪80年代初至20世纪末,天津水运工程研究所对本区表层沉积物进行了多次研究,其结果表明,近20a来小清河口至弥河口之间浅海水域的沉积物中值粒径明显变大,特别是2.0m等深线以浅水域更为明显(表3)。表层沉积物粒径的变化趋势与岸滩演化的趋势是一致的。如前所述,1963年和2004年2期海图对比结果表明,水深2m以浅和水深4m以深属侵蚀段,水深2.5～4.0m段为平衡段。这一现象表明,20世纪80年代以来,由于入海泥沙量的大量减少,导致了海底沉积物改造和再分配过程。在波浪作用范围内浅海区细粒物质流失,使沉积物粗化,这一过程也必然导致海底地形的变化。3海底相对上升区研究区海岸位于渤海三大海湾之一的莱州湾南岸,地处潍北平原海面相对上升区,众多河流泥沙的注入形成了广阔的平原淤泥质海岸;该区又是风暴潮灾害频发区。莱州湾海岸侵蚀主要影响因素有3项:海面相对上升、入海泥沙量急剧减少和风暴潮灾害。3.1进入聚合期20世纪2080年代的海底结构国内外有些学者使用Bruun法则来研讨海面相对上升与海岸侵蚀的关系。Bruun法则可以用下述方程表示:R=LB+hSR=LB+hS式中,R为岸线后退速率;L为从水深h到岸线的距离;B为滩肩高度;h为近岸沉积物分布的水深限度;S为海平面上升量。在Bruun法则里,h称闭合深度,是指砂质海岸系统中近岸沉积物的分布深度。但在淤泥质海岸,h的确定应考虑到地貌、沉积、动力的综合依据。整个莱州湾海底沉积都是沿岸河流入海泥沙作用的结果,没有残留沉积,如果以莱州湾湾口水深作为闭合水深,显然已远远超出海岸剖面调整的范围。莱州湾水深8m以浅区域,等深线相对密集且基本平行于岸线展布,属于水下岸坡,组成物质为粉砂质砂,近几十年来岸坡冲淤多变;而在水深8m以深区域,等深线相对稀疏,为广阔的浅海平原,组成物质为粗粉砂,处于渤海中部沉积区,基本上是一堆积区。所以,就地貌和沉积而言可把8m作为闭合深度。另外,就水动力而言,研究区的50年一遇波高和周期分割为H1/3=5m和T=7.0s,泥沙强烈活动水深也为8.3m左右。因此,研究区闭合水深取为8m是合适的,距岸线约为18km。为了估算海面相对上升对研究区海岸侵蚀的贡献,可以假定海岸剖面在垂直方向上没有净收支。结合前文分析,可以将水深8m以浅的剖面看作是“均衡剖面”。如此,满足了应用Bruun法则的条件。张锦文等给出了1952-1994年羊角沟验潮站实测逐时潮位资料反映的该海域平均海面变化,计算结果指出,1957年平均海面为305cm,而1984年为308cm,则1957-1984年,羊角沟附近海域海面变化平均速率为1.1mm/a;夏东兴等指出,研究区地面沉降速率为2mm/a,故本区海面相对上升量约为3.1mm/a。按照Brunn法则计算,每年因海面相对上升引起的海岸侵蚀速率为7m/a。研究区海岸侵蚀速率加权平均为27m/a,则海面相对上升的贡献大小为26%。3.2黄河泥沙对研究区海岸、海底冲淤的影响前文分析计算表明,研究区河流输沙主要参与水深8m以浅地形剖面的塑造,1958-1984年,水深8m以浅的区域泥沙净侵蚀总体积为2.71×108m3。区域泥沙中值粒径取为0.08mm,故泥沙干容重为1.1kg/m3,则泥沙侵蚀量为3.0×108t。除黄河外,研究区还有小清河及其支流淄河、弥河、潍河和北胶莱河等几条较大河流携带大量泥沙入海。其中,黄河自1855年改道自山东北部注入渤海以来,流路多变,在小清河附近入莱州湾时段有1897年6月-1904年7月沿丝网沟入莱州湾;1929年7月-1934年9月由宋春荣沟、甜水沟入莱州湾;1934年9月-1953年7月经神仙沟、甜水沟和宋春荣沟入海。上述时期黄河入海泥沙对研究区西北部海岸及海底冲淤变化影响极大,宋春荣沟至淄脉河段岸线大幅度淤进,1959年以后,该段海岸基本稳定。1953年7月-1976年5月,黄河自三角洲北部入海,此时,黄河入海泥沙很难直接到达研究区。1976年5月以后,黄河自清水沟入海,此时,黄河泥沙中粗粒部分(粒径大于0.032mm)主要堆积在河口,细粒部分呈悬浮状态,直接向东扩散距离很短,主要在往复流的作用下分2支向南北扩散,南支沉积较快,扩散不超过小清河口。由上述可以看出,除黄河在丝网沟、宋春荣沟和甜水沟入海时期外,其余时段黄河泥沙对研究区海岸及海底冲淤变化影响很小。若不考虑黄河泥沙对研究区的影响,1958-1984年小清河及其支流淄河、弥河、潍河和北胶莱河等河流或因为上游建水库、修建拦水闸,或因为降水量的减少而使向海输沙量急剧减少(表4)。将建水库(闸)以前的泥沙量当作维持海岸稳定的标准。研究区20世纪80年代之后为枯水年,1981-1984年入海泥沙量按照0处理。则1958-1984年,研究区建水库(闸)后泥沙亏损总量为1.25×108t。因研究区1958-1984年8m水深以浅的区域泥沙总亏损量为3.0×108t,则入海泥沙量的减少对区域海岸侵蚀的贡献大小为42%。3.3风暴潮侵蚀风险Krieble等通过长期对Delaware附近海岸剖面观察与测量,提出了如下经验公式对风暴潮造成的岸线后退进行估计:I=0.3048−1×HS(td12)0.3(3)Ι=0.3048-1×ΗS(td12)0.3(3)式中,I为风暴潮引起的海岸后退量(m);H为近岸波高(m);S为风暴潮增水(m);td为风暴潮持续时间(h)。研究区风暴潮致灾过程如下:由于海底地形平坦,风暴潮大浪在远处就发生破碎,传至岸滩区,波高在1.0～1.5m以下,没有防护的岸段,海岸被侵蚀后退;在有防护的岸段,上述波高叠加上高水位,对防潮坝进行冲击,使其在波激流作用下倒塌,直至决口和不断扩大,海水进而侵入虾池、盐田和陆地,造成损失。为了估计1958-1984年风暴潮对研究区海岸侵蚀的贡献大小,需要了解研究区风暴潮发生频率。根据1949-2002年以来的资料统计,研究区风暴潮发生频率如表5所示。根据表5所列之结果,设定近岸波高为1.25m,风暴潮增水为2.5m,持续时间为1d,每年大于2m增水风暴潮发生频率为0.8,则因风暴潮所引起的海岸侵蚀速率为1.25×2.5×(2412)0.3÷0.3048×0.8=10m/a1.25×2.5×(2412)0.3÷0.3048×0.8=10m/a。研究区海岸侵蚀速率平均为27m/a,则风暴潮的贡献大小为37%。3.4海岸侵蚀因素前文分析计算结果表明,海面相对上升、入海泥沙量减少和风暴潮3种因素对研究区海岸侵蚀的贡献大小分别为26%,42%,37%,三者之和为105%,超出部分应为计算误差。误差产生的原因分析如下。就入海泥沙量减少而言,泥沙来源的枯竭意味着海岸迅速后退。前文中指出,区域海岸线至0m线之间特别是河口区域,滩面蚀低最为严重,即是对入海泥沙急剧减少的一种响应。前文计算认为河流输沙减少对海岸侵蚀的贡献大小为42%,偏小,原因在于:(1)将建水库(闸)前的河流年入海泥沙量作为维持海岸不侵蚀的量,实际上,在1956-1979年,海岸侵蚀就已经发生。因而,建水库(闸)前的泥沙量小于海岸稳定所需之泥沙量。从这方面讲,泥沙亏损量估计偏小。(2)在泥沙亏损量的估计中,没有考虑黄河入海泥沙对研究区的影响。如前文所述,1976年5月以后,黄河入海泥沙可以直接扩散到小清河河口附近,并在莱州湾中部沉积,间接扩散范围则大的多。1958-1984年,黄河输沙量渐次减少,但黄河来沙的减少对研究区泥沙亏损的作用很难估计。(3)研究区波浪常浪向为偏北向,位于莱州湾湾顶潮流流速弱区,有利于泥沙向湾顶堆积。莱州湾沿岸河流入海泥沙的减少也会导致研究区泥沙量的亏损。基于上述原因,使得泥沙亏损量估计偏小,使得入海泥沙量锐减对海岸侵蚀贡献大小计算结果偏小。就风暴潮而言,在一次强天气过程过后,如果泥沙来源充足,在一定时期内,被侵蚀的海岸在一定程度上可以自我恢复。但在研究区,泥沙来源不足,1958-1984年,泥沙亏损至少为42%,加上由于海面相对上升造成的泥沙亏失为26%,则海岸侵蚀可恢复量为32%,故风暴潮的贡献大小为37%×68%=25%。另外,泥沙的亏损所造成的岸滩下蚀和海面相对上升,均可导致风暴潮和波浪作用力增大,但计算时,又无法将此考虑在内,故风暴潮的作用被夸大了。因此,风暴潮对于区域海岸侵蚀的