淤泥質(zhì)潮灘剖面沖淤演變數(shù)值模擬分析--以河北省滄州市為例.docx

1、2012年9月ACTAOCEANOLOGICASINICASeptember2012淤泥質(zhì)潮灘剖面沖淤演變數(shù)值模擬分析以河北省滄州市為例韓曉慶褚玉娟2,李晶3,朱偉龍。趙宇。高偉明仆(1.河北省國十資源利用規(guī)劃院，河北石家莊050051.2.河北省科學院地理科學研究所，河北石家莊050011；3.瑞和安惠項目管理集團.河北石家莊050013;4.河北師范大學資源與環(huán)境科學學院河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室，河北石家莊050024)摘要：為全面剖析淤泥質(zhì)潮灘變化規(guī)律及演變特征，運用修改后的輸沙公式建立了淤泥質(zhì)潮灘演變數(shù)值模型。經(jīng)2000,2007年野外實測數(shù)據(jù)驗證，表明該模型各參數(shù)設(shè)置準確，較其

2、實地反演了灘涂剖面變化過程，可用于淤泥質(zhì)潮灘的模擬計算。根據(jù)數(shù)值模型計算結(jié)果得出如下結(jié)論：1987-2010年河北省滄州市淤泥質(zhì)潮灘坡度不斷增大，但增長速率變化不大，為0.002X10-3。0m等深線上部坡度逐漸變緩，年均降低0.021X10-3；下部坡度不斷變陡，年均增長0.022X10-3。研究區(qū)潮灘未達平衡狀態(tài)，其坡度將進一步變陡。該輸沙模型及研究結(jié)論對淤泥質(zhì)潮灘的保護具有重要的理論指導意義，為其科學開發(fā)管理提供實際參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：滄州市；淤泥質(zhì)潮灘；剖面；演變；數(shù)值模擬中圖分類號：P76文獻標志碼：A文章編號：0253-4193(2012)05-0111-051引言淤泥質(zhì)潮灘主要指分

3、布在河口海岸潮間帶由粘性細顆粒泥沙組成的灘地，通常擁有豐富的水產(chǎn)資源、巨大的土地供應(yīng)潛力及濕地生態(tài)價值，是人類進行海岸開發(fā)和環(huán)境保護等工作的重點地區(qū)。無論是圍灘造地、保灘護岸，還是固灘穩(wěn)槽、水產(chǎn)養(yǎng)殖，都會從不同角度要求闡明潮灘剖面的塑造機制和發(fā)育規(guī)律。因此，只有掌握潮灘的發(fā)育規(guī)律及沖淤動態(tài)，才能有效地對其進行開發(fā)和保護。作為海陸相互作用的敏感地帶，淤泥質(zhì)潮灘受波浪、泥沙、沿岸流、地質(zhì)條件等諸多因素影響，使海灘剖面時空變化極為夏雜。潮灘面積寬廣、水淺灘平、變化頻繁的特點給常規(guī)調(diào)查和觀測帶來很大困難，因此研究深度相對較低。許多研究者通過現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)、水槽試驗和遙感數(shù)據(jù),利用數(shù)學、物理等方法來反演潮

4、灘地形信息及沖淤演變情況t2-,6o例如：Loha-niE綜合利用機載專題制圖儀(ATM)數(shù)據(jù)及克利金法構(gòu)建了海岸數(shù)字商程模型(DEM),通過實測數(shù)據(jù)驗證DEM數(shù)據(jù)的準確性后，繼而分析岸灘沖淤變化;Mason等"幻利用遙感手段獲得水邊線并建立了水動力模型，測定了1992-1997年英格蘭西北部莫克姆灣岸灘蝕淤變化，研究得出在Leven,Kcnt和Lune海灣的潮間帶出現(xiàn)較大規(guī)模的侵蝕；樊社軍等通過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減模式，得到了波浪和潮流底切力在不同岸灘上的時空分布規(guī)律；曹祖德等g-通過理論分析和水槽試驗，揭示出粉砂質(zhì)海岸的泥沙淤積物中懸移質(zhì)和推移質(zhì)

5、比例，并提出粉砂質(zhì)海岸淤積的計算方法。上述研究者在各自領(lǐng)域取得部分成果，但其成果應(yīng)用的廣度和深度仍有待提高。本研究將傳統(tǒng)的輸沙公式進行改進.配以實測數(shù)據(jù)驗證.定代反演河北省滄州市淤泥質(zhì)潮灘沖淤變化狀況.并分析共演變特征.取得了較滿意的結(jié)果。2研究區(qū)概況研究區(qū)位于河北省滄州市，轄黃驊市、海興11.介于38°16'38°37'N,117°34'117°50E之間的滄州市岸灘.潮灘形態(tài)整體呈北北西南南東向（圖1）.38*40'N38*40'N3830'38'20'38*10,圖1研究區(qū)域位置示意圖

6、研究區(qū)潮灘寬度為35km,平坦廣闊，岸線較平立灘面坡度小于1/2000.以風浪為主，涌浪比例較?。缓^(qū)全年以東向浪最多（10.06%）、東北向次之（9.38%）；溉不正規(guī)半日潮，II潮不等現(xiàn)象突出，海平面季節(jié)變化顯蓍；海水流向呈極有規(guī)彳K的逆時針方向.海流為一天兩周的旋轉(zhuǎn)流。在研究區(qū)共有14條河流.均系行洪排瀝河，入海沙代隨行洪排澇水ht大小而增減，多年平均入海水ht為2.23X108m，入海沙量為687k".3研究方法3.1輸沙率計算在計算淤泥質(zhì)海岸泥沙輸沙率時，根據(jù)研究區(qū)實際情況.假設(shè)在同一海洋動力作用下分別產(chǎn)生懸移質(zhì)輸沙及推移質(zhì)輸沙952°J.然后分別計算懸移質(zhì)輸沙率

7、（衣）和推移質(zhì)輸沙率（gob）.-者相加即為總輸沙率（q）og=%+&，（1）q、=艮心心=心4,（2）式中.少為懸、推共存時的懸移質(zhì)輸沙率；處為懸、推共存時的推移質(zhì)輸沙率；f為水動力全部形成懸沙的懸移質(zhì)輸沙率；b為水動力全部形成底沙運動的推移質(zhì)輸沙率以.，燈分別為懸、推共存時懸移質(zhì)輸沙和推移質(zhì)輸沙的分兄系數(shù).為確定奴和虹，設(shè)波浪、水流作用下懸、推共存時懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙率占總輸沙率的比例分別為和加，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懸移質(zhì)輸沙率的確定由于粉砂質(zhì)海岸泥沙運動時在底部存在高濃度含沙水體，因此計算懸移質(zhì)輸沙率時應(yīng)分主水體和臨底水體兩部分考慮。主水體懸移質(zhì)輸沙率的盤可用下式表示：?<M|=/»lW|51,（7）式中，如為水深；S為流速E為含沙ht。臨底高濃度含沙水體懸移質(zhì)輸沙率qq可用下式表示：（8）式中，么“b，Sb分別為臨底層的叩度、流速和含沙設(shè)hbAhh,；ub=Au«；Sb=,并令A=人MM.,則式（8）可寫成下式：如2=,（9）式中，A為系數(shù)。3.1.2推移質(zhì)輸沙率qM的確定推移質(zhì)輸沙率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，平為單寬無缺綱推移質(zhì)輸沙函數(shù)；W為輸沙水力強度函數(shù)；W,為泥沙臨界起動水力強度函數(shù)亦為床面阿切應(yīng)力；L為泥沙起動時臨界床面奶切應(yīng)加3,為泥沙沉降速度；A、為待定系數(shù)。將式（10）（13）整理后得：3.2輸沙公式驗證利用所建立的輸沙公式對研究區(qū)的潮灘坡度變化進行驗證計算。在驗證過程中，根據(jù)各參數(shù)計算研究區(qū)范圍內(nèi)懸移質(zhì)及推移質(zhì)輸沙做，并進一步推算潮灘坡度變化情況，以檢驗各模擬參數(shù)的準確性。自20世紀90年代起，在研究區(qū)內(nèi)各大河流上游修建了大型水庫，致使入海泥沙后顯著減少，在個別年份入海泥沙量近乎為0

10、。因此，本研究在統(tǒng)計泥沙量時未將河流入海泥沙考慮在內(nèi)，僅考慮波浪及潮汐產(chǎn)生的泥沙沉積最。岸灘起算年份采用1987年河北省海岸帶與灘涂資源綜合調(diào)查實測數(shù)據(jù)所確定的潮灘坡度，起始點位于馮家堡東北側(cè)一看護養(yǎng)蝦池的房角，高程為1.5m,為使各年份數(shù)據(jù)有可比性，其余測點均統(tǒng)一到此點商程。2000年之前灘涂調(diào)查使用的是傳統(tǒng)測量儀器，測所長度及精度皆不甚理想，而旦點數(shù)較少，其他點由空間數(shù)據(jù)內(nèi)播及外推得出。2007年，在國家“908專項”河北省海岸帶調(diào)查項目的支持下，使用更先進的測量儀器RTKGPS,與傳統(tǒng)的測量儀器相比，該儀器工作半徑更K（理論半徑為13km）,精度進一步提高（亞厘米級），而旦失誤率亦大幅降

11、低。利用潮汐表選擇當日退潮時刻，實測潮灘長度為5km。為了與之前的數(shù)據(jù)相比較，本研究統(tǒng)計至長度4km范圍。利用2000年河北省海洋資源調(diào)查時的實測岸灘坡度數(shù)據(jù),驗證該模型各參數(shù)設(shè)置的準確性。通過計算,誤差為00.22m（表1）。因模型的起點固定，最小誤差是測危的起始位置；誤差最大值出現(xiàn)在距起點1km的位置，誤差率為22%。通過現(xiàn)場觀測，當?shù)鼐用裨谠撐恢梅胖媚緲?、漁網(wǎng)等設(shè)施，利用潮汐漲落拉網(wǎng)捕魚.致使該處淤高；該模型模擬的是自然狀態(tài)F淤泥質(zhì)潮灘的沉積過程，沒有考慮人為因素，故最終結(jié)果比計算值大0.22m；在距岸較近處計算值偏小,而在距岸較遠處計算值則偏大。其原因可能是新建人工設(shè)施影響近岸段沖淤平

12、衡,岸灘均衡剖面重塑所致。整體模擬結(jié)果表明，除距岸1km處岸灘剖面與計算值有所出入外,其余部分均反演效果較好。尤其是0m等深線附近，整體形態(tài)與實際岸線基本吻合,各點誤差均不超過0.1m,在誤差允許范圍內(nèi)，這表明計算模型及相關(guān)參數(shù)基本合理。表12000年潮灘剖面測值與計算值驗證年份距離，''km012341987測缺值/m1.50.902000測缺值/m1.51.000.300.100.4計算值/m1.50.780.230.010.3誤差ffl/m00.220.070.09-0.1在此基礎(chǔ)上修改相關(guān)參數(shù)，并進一步驗證根據(jù)2007年“908專項”河北省海岸帶調(diào)

13、查實測潮灘削面。結(jié)果表明誤差進一步減小，誤差值在。0.05m之間。對距岸lkm處已基本修正準確，計算值與實測值僅差0.04m；在距岸3km附近誤差最小，僅為0.005m（見表2）；測量最遠處誤差為0.05m,與2000年模擬結(jié)果相比，其精確度提高50%。這表明參數(shù)修改后的模型能夠較好的反演自然岸線的變化，甚至在一些局部區(qū)域，如在0.5m等深線附近，得到較好地模擬結(jié)果。尤其在距岸2km處，計算結(jié)果顯示該處Om等深線有向岸演進的趨勢，亦符合研究區(qū)實際變化情況。最終確定各參數(shù)：人=0.2,不=76.1%,如=24.1%»Ab=15.67,虹=0.47。經(jīng)過上述兩個時段，尤其是第2時段潮灘剖

14、面實測數(shù)據(jù)驗證，結(jié)果表明各部分誤差均控制在0.1m以內(nèi)，計算值與實測值基本吻合，模擬結(jié)果的精度符合研究要求。這說明所建立的模型正確,各參數(shù)確定合理，能較準確地反演潮灘變形的實際情況.可用于模擬河北省滄州市淤泥質(zhì)潮灘沖淤變化的情況。表22007年潮灘剖面測值與計算值驗證年份距離/km012341987測歆值/m1.50.900.200.10-0.302007測-值/m10.01一0.47計算值/m1.51.080.370.015-0.42設(shè)差值/m00.040.04-0.005一0.053.32010年潮灘剖面計算下部分又呈現(xiàn)出不同特征。在0m等深線以上，根據(jù)修改后的模型計算

15、2010年研究區(qū)淤泥即距岸2km附近坡度逐年降低一1987年坡降質(zhì)潮灘剖面（表3,圖2）0從計算潮灘剖面形態(tài)來為0.65X10-3»2000年為0.60X103；2007年降看，隨著時間的演進，岸灘剖面的坡降逐漸增大，低到0.55X107;2010年潮灘坡度為0.49X但增長速度變化不大。與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年坡降僅0.25X10'3；200010-七2007年坡度為0.4925XW增K率達年達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，年均增長0.022X年均增長0.0020X10-3。以0m等深線為界，上、IO%表31987,2000,2007,2010年潮灘剖面統(tǒng)計值年份距«/kmM;KU/V10123419871.50.900.200.10-0.300.4502000測ftffl/m1.510.300.10一0.400.4752007測量值/m10.010.470.49252010計算值/m20-0.490.4975012341987年2000年-20

17、07年2010*距離/km圖21987年、2000年.2007年、2010年潮灘剖面圖4結(jié)論綜合運用前后20余年的實測數(shù)據(jù)及修改后的輸沙公式，對河北省淤泥質(zhì)潮灘剖面進行模擬計算。（1）經(jīng)2000,2007年兩次實測數(shù)據(jù)驗證，結(jié)果表明所利用模型各參數(shù)設(shè)置合理，較真實地反演了潮灘剖面變化的實際情況.驗證結(jié)果吻合較好.可用于計算淤泥質(zhì)潮灘剖面的變化情況。（2）經(jīng)上述模型計算2010年淤泥質(zhì)岸灘剖而坡度，分析得出1987-2010年潮灘坡度不斷增大，增長速率變化不大，為0.0020X10但0m等深線上、下呈現(xiàn)不同特征上部坡度逐漸變緩，下部坡度不斷變陡。研究區(qū)潮灘未達平衡狀態(tài)，整體剖面將進-步變陡。（3

18、）該修改后的輸沙模型及研究結(jié)論對淤泥質(zhì)潮灘的保護具有重:要的理論指導意義，為其科學開發(fā)管理提供實際參考依據(jù)。參考文獻：F11時仲.陳古余.虐志英.中國淤混質(zhì)潮灘沉積研究的進展J1.地球科學講展.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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