基于gis的潮灘侵蝕與堆積的空間分布特征研究

基于gis的潮灘侵蝕與堆積的空間分布特征研究

海岸侵蝕和積累的研究、海岸海灘資源的開發(fā)和技術(shù)保護(hù)密切相關(guān)。受未來(lái)可能的海平面上升影響,海岸侵蝕、堆積模式將發(fā)生較大變化,加劇的侵蝕災(zāi)害日益引起人們重視。為及早防止未來(lái)可能加劇的海岸侵蝕災(zāi)害,研究目前海岸侵蝕、堆積空間模式無(wú)疑是必不可少的基礎(chǔ)性工作。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)海岸侵蝕和堆積模式已有較多的研究報(bào)道,主要從3個(gè)方面進(jìn)行研究,包括:海岸剖面的實(shí)測(cè)研究、海岸均衡態(tài)研究和海岸數(shù)值模擬研究。海岸剖面實(shí)測(cè)研究受斷面較少的影響,很難做到定量化;海岸均衡模式有較為成熟的理論體系,但是只適應(yīng)于封閉沙質(zhì)或基巖海岸,在自然條件下,環(huán)境因素是不斷改變的,海岸均衡剖面處于不斷破壞和不斷恢復(fù)的過(guò)程,能否建立均衡剖面取決于環(huán)境因子變化幅度、因子變化時(shí)間尺度和均衡剖面建立的時(shí)間尺度。尤其對(duì)于淤泥質(zhì)潮灘,生物作用復(fù)雜,是否存在均衡剖面、均衡的形態(tài)如何以及均衡剖面的發(fā)育過(guò)程現(xiàn)在還沒有定論。數(shù)字模擬在計(jì)算機(jī)發(fā)展的推動(dòng)下發(fā)展較快,但是對(duì)泥沙流的數(shù)學(xué)描述、沉積的物理、化學(xué)和生物動(dòng)力過(guò)程有待于進(jìn)一步深入。本文選取典型區(qū),通過(guò)野外潮灘高程詳測(cè),以地理信息系統(tǒng)為手段,從詳測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)特征、二維剖面、侵蝕堆積的空間分布,以及海岸線變化4個(gè)角度探討了長(zhǎng)江三角洲南岸海岸侵蝕、堆積的空間分布模式。目的在于:(1)探索利用地理信息系統(tǒng)空間分析功能研究灘地形態(tài)演變的方法。(2)分析上海奉賢灘地的侵蝕、堆積分布模式及規(guī)律,認(rèn)識(shí)該區(qū)的海岸侵蝕災(zāi)害。1潮灘及海岸沖淤研究區(qū)位于杭州灣北岸(圖1),長(zhǎng)江三角洲南緣,奉賢縣境內(nèi)。灘地高程在4m以下(吳淞基面),灘寬較窄,約為0.2～1.3km左右,潮灘外分布有深槽,水深達(dá)-8m。受杭州灣束窄地形的影響,東海潮波進(jìn)入后急劇收縮,能量迅速積聚,潮差自東向西增高,接近或大于4m,為強(qiáng)潮海岸。潮型為半日潮,漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)。水文測(cè)驗(yàn)漲潮流向270°N～E°285,落潮71°N～E°101,與岸線平行,呈往復(fù)流,潮流接近潮灘,水深變淺,方向漸轉(zhuǎn)向垂直于海岸。波浪以風(fēng)浪為主,一般情況下,波浪不大,年平均波高H1/10為0.4m,全年平均波高H1/10大于1m者占7%～8%。雖然平均波高較小,但臺(tái)風(fēng)期間出現(xiàn)大浪的最大波高可達(dá)4～6m。該區(qū)潮灘發(fā)育主要受杭州灣高能潮波以及長(zhǎng)江巨量泥沙的影響,其形成僅最近數(shù)千年的事,當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江南岸沙嘴伸展到某一階段,反曲沙洲形成以后,這里脫離淺海的條件,轉(zhuǎn)化為海灣的形式。隨著形態(tài)的轉(zhuǎn)變,動(dòng)力條件也發(fā)生轉(zhuǎn)化,自舟山群島而來(lái)的漲潮流因地形的影響逐漸增強(qiáng),而長(zhǎng)江水流因沙嘴的伸展對(duì)灣內(nèi)影響逐漸減弱,杭州灣北岸隨著漲潮強(qiáng)度的增加而向后塌陷,一直到宋末元初坍到現(xiàn)在海岸附近。目前,該段海岸沖淤主要受制于長(zhǎng)江口泥沙供應(yīng)量的變化,這種變化與南匯嘴灘地的淤長(zhǎng)存在某種周期反對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)南匯嘴及蘆潮港岸灘淤長(zhǎng),大量泥沙沉于該岸灘時(shí),則進(jìn)入杭州灣沿岸的泥沙將減少,灣內(nèi)即受沖刷,反之,蘆潮港及南匯嘴受沖刷杭州灣奉賢岸段將淤長(zhǎng),這種周期約為25年左右。自1987年以來(lái),南匯嘴前端淤積向東南偏轉(zhuǎn),蘆潮港灘地開始淤長(zhǎng),奉賢岸段0m線灘地受沖刷后退。2學(xué)習(xí)方法2.1同灘地、水下地形監(jiān)測(cè)潮灘侵蝕、堆積空間分析是通過(guò)2個(gè)時(shí)段地形水準(zhǔn)詳測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,高程采用吳淞基面,水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間分別為1990年11月和1998年11月,監(jiān)測(cè)范圍為整個(gè)奉賢灘地及臨近水下地形,東西向長(zhǎng)35km,南北向?qū)?km,包括海堤以外到高程-10m處。測(cè)點(diǎn)間距視地形起伏而定,南北向?yàn)?0～300m間隔,其中灘地測(cè)量間隔在100m以內(nèi),水下地形測(cè)量間隔為100m～300m不等,東西向測(cè)點(diǎn)為300m～500m間隔,測(cè)點(diǎn)總數(shù)為1373個(gè)。測(cè)量垂直分辨率為cm,測(cè)量精度可以滿足灘地形態(tài)演變研究。2.2潮灘地現(xiàn)行地形特征和侵蝕、堆積、沉積分布模式將測(cè)點(diǎn)數(shù)字化成圖,坐標(biāo)采用北京坐標(biāo)系(公里網(wǎng))?？臻g分析在VerticalMapper1.5環(huán)境下進(jìn)行,利用Tin模塊(TriangularIrregularNetwork)進(jìn)行高程插值分析,建立1990年和1998年高程、坡度柵格圖(Grid),使2年的圖處于同樣的坐標(biāo)體系和網(wǎng)格分辨率,格網(wǎng)邊長(zhǎng)為0.05km。將高程?hào)鸥駡D按高程進(jìn)行分類劃分,得出潮灘及水下地形高程等值線圖,了解該區(qū)灘地的詳細(xì)形態(tài)特征;然后利用柵格運(yùn)算工具對(duì)2年的高程?hào)鸥駡D像做減法運(yùn)算,從而得到該區(qū)地形變化柵格圖,即侵蝕、堆積分布柵格圖;再用高程散點(diǎn)圖和侵蝕與堆積分布柵格圖、坡度分布柵格圖分別作疊加分析,獲取各點(diǎn)的侵蝕、堆積量與坡度值;導(dǎo)出數(shù)據(jù),利用統(tǒng)計(jì)與繪圖軟件Origin5.0分析侵蝕堆積的統(tǒng)計(jì)特征、侵蝕與堆積和高程、坡度的關(guān)系。為了分析該區(qū)灘地的演變模式,需要分析灘地的侵蝕、堆積的空間分布、二維剖面和標(biāo)準(zhǔn)潮位的變化。利用侵蝕、堆積的柵格圖建立侵蝕與堆積等值線圖,分析侵蝕、堆積的空間分布。選取受人為影響小的剖面,分別與2年的高程圖疊加獲取剖面高程數(shù)據(jù),建立標(biāo)準(zhǔn)剖面的二維變化圖,研究潮灘演變的規(guī)律。海岸線的進(jìn)退量可以通過(guò)比較2年DEM上標(biāo)準(zhǔn)潮位線(平均高潮位、平均潮位、平均低潮位)的變化而定。整個(gè)分析過(guò)程如圖2所示。3結(jié)果與分析3.1侵蝕與堆積特征圖3是測(cè)點(diǎn)侵蝕、堆積量和高程、坡度的關(guān)系,縱坐標(biāo)為1998年和1990年的高程差,即1990～1998年累積侵蝕、堆積量,正為堆積,負(fù)為侵蝕,橫坐標(biāo)分別為高程(a)和坡度(b)。垂直線MLT(MeanLowTideLevel,0.26m)代表平均低潮位高程,MT(MeanTideLevel,1.98m)代表平均潮位高程,MHT(MeanHighTideLevel,3.58m)代表平均高潮位高程,以上潮位均取蘆潮港站1990～1999年的10年平均資料。水平線為侵蝕、堆積的分界線,其上測(cè)點(diǎn)均有堆積現(xiàn)象,其下為侵蝕點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)侵蝕、堆積量、坡度值均為1998年測(cè)點(diǎn)圖和侵蝕堆積、坡度柵格圖疊加分析而獲得,在分析過(guò)程中,去除丁壩和港口等人為影響突出的測(cè)點(diǎn),力求使分析能夠反映該區(qū)潮灘演變的基本狀況。由圖3a可以看出,堆積區(qū)分布高程范圍較窄,集中于-7～-9.5m高程范圍內(nèi)的深水區(qū),8年累積堆積量在0～1.79m之間;一小部分布于平均潮位以上的高灘區(qū),累積堆積量在0～1.31m之間,其中,平均潮位以上絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)累積堆積量在0～0.27m之間。侵蝕區(qū)高程分布范圍較廣,分布于不同高程的岸坡,其中平均潮位到平均高潮位(高程為1.98～3.58m)的大量測(cè)點(diǎn)累積侵蝕量在0～1.31m之間,以0～0.52m之間的測(cè)點(diǎn)最多;平均低潮位到平均潮位的絕大多測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為侵蝕(高程0.26～1.98m),累積侵蝕量為0～1.57m,并呈現(xiàn)自平均潮位到平均低潮位侵蝕量增加的趨勢(shì),這將導(dǎo)致岸坡變陡;平均低潮位到-7m水深處,累積侵蝕量約為1～3m,極少數(shù)可達(dá)4m,為侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū),侵蝕量以-4m高程處最大,向深水和低潮灘方向減少,這導(dǎo)致高程-4m以下的岸坡坡度減小,高程-4m以上的岸坡坡度增大,岸前深槽向岸逼近;高程-7m以下的水下地形區(qū),累積侵蝕量較小,侵蝕量主要在1.5m以內(nèi),且該區(qū)侵蝕測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)少于堆積測(cè)點(diǎn)數(shù)。同時(shí)考慮不同區(qū)域侵蝕與堆積測(cè)點(diǎn),將分布于平均潮位以上、平均潮位和平均低潮位之間、平均低潮位到-7m水深之間、高程在-7～-10之間的測(cè)點(diǎn)分別求均值,概括各區(qū)侵蝕、堆積的總體特征,得出以下結(jié)論:平均潮線以上的潮灘,以侵蝕為主,侵蝕量為0.23m,年侵蝕率為2.8cm/a。平均低潮位到平均潮位,侵蝕量略大,達(dá)0.52m,年侵蝕率為6.5cm/a。平均低潮位到-7m高程的岸前深槽區(qū),為侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū),平均可達(dá)1.43m,年侵蝕率為17.9cm/a。高程-7m以下的深水岸坡,以堆積為主,平均堆積量為0.43m,年堆積率為5.3cm/a。由圖3b看出,堆積區(qū)主要集中于坡度小于0.1°的平緩地區(qū),侵蝕區(qū)分布于坡度0.1°～1.0°的區(qū)域,侵蝕量與坡度呈正相關(guān),回歸分析得出以下相關(guān)關(guān)系:Y=0.062?0.12X(3?1)Y=0.062-0.12X(3-1)式中Y為年侵蝕、堆積率,單位m,正為堆積,負(fù)為侵蝕,X為坡度,相關(guān)系數(shù)為-0.75,置信度達(dá)到了0.0001的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。由侵蝕、堆積和坡度的關(guān)系可以推斷,如果岸坡的侵蝕、堆積過(guò)程導(dǎo)致坡度減小,岸坡侵蝕區(qū)域減弱,如果岸坡的侵蝕、堆積過(guò)程導(dǎo)致坡度變大,岸坡形態(tài)將更有利與侵蝕,侵蝕呈加劇趨勢(shì)。3.2潮灘及潮灘侵蝕的物質(zhì)運(yùn)移特征奉賢海岸剖面以灘面較窄,岸坡坡度大,深槽逼岸為特征。動(dòng)力特征表現(xiàn)為強(qiáng)勁潮流和泥沙補(bǔ)給不足。當(dāng)北岸強(qiáng)潮沿岸線向?yàn)硟?nèi)推進(jìn),流向偏向垂直海岸的方向,因岸坡陡峭,流速暴漲,底層流速大,水流垂直紊動(dòng)強(qiáng),對(duì)灘前陡坡產(chǎn)生強(qiáng)烈侵蝕,上凹岸坡的波折點(diǎn)向陸移動(dòng),岸坡后退;落潮流因岸坡陡亦表現(xiàn)為加速快,把侵蝕的泥沙帶入動(dòng)力影響較小的平緩深水岸坡。圖4是在奉賢潮灘東西部選取的潮灘斷面,在1998年和1990年的DEM圖上重新取樣獲得的潮灘演變剖面圖,三號(hào)塘剖面(a)位于潮灘的西部,灘面稍寬,有高灘分布,三團(tuán)港站剖面(b)位于潮灘的東部,灘面較窄,目前基本上沒有高灘。由奉賢西部三號(hào)塘剖面圖看出,從1990年到1998年的8年間,高程在0.26m(平均低潮位)以上的低、中、高潮灘,坡度較小,侵蝕量較小,1998年潮灘高程比1990年略低;高程在0.26～-7m的灘前海岸,坡度最大,侵蝕量亦最大,陡坡因侵蝕向岸逼近,且坡度進(jìn)一步增大,結(jié)合前面侵蝕、堆積量和坡度的關(guān)系可以推測(cè),該區(qū)侵蝕呈加劇趨勢(shì);-7m以下地形坡度趨于平緩,大多數(shù)岸坡表現(xiàn)為微淤。由奉賢東部的三團(tuán)港剖面圖看出,1990～1998年的8年期間,高程在0.26m以上的低、中、高潮灘,坡度大于三號(hào)塘剖面,侵蝕量亦較大,1998年潮灘高程與1990年潮灘高程相比,灘面被大量刷低,已經(jīng)沒有高灘;高程0.26以下的岸坡和三號(hào)港剖面呈現(xiàn)一致的趨勢(shì),即灘前深槽逼岸,侵蝕加劇,-7m以下為微淤為主的平緩岸坡。從剖面整體來(lái)看,奉賢潮灘物質(zhì)的運(yùn)移特征表現(xiàn)為潮灘和灘前陡坡侵蝕,侵蝕物在深水岸坡堆積,侵蝕、堆積量在-9.5m基本平衡,岸坡在-8m以上變化較大,自-8m高程線以下,岸坡變化隨堆積量逐漸減少而減小,地形趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖1(a)侵蝕、堆積與高程的關(guān)系也可知,堆積主要集中于-9.5m以上的深水岸坡,-9.5m以下堆積量較小。如果從泥沙的輸入、輸出平衡角度來(lái)分析海岸的均衡態(tài),可以認(rèn)為該區(qū)閉合深度為-9.5m(吳淞高程)。3.3侵蝕與堆積特征圖5是利用1998年和1990年的高程?hào)鸥駡D做減法運(yùn)算,并按照侵蝕、堆積量劃分不同等級(jí),建立奉賢縣灘地及水下地形侵蝕、堆積分布圖。該區(qū)侵蝕、堆積特征表現(xiàn)為東西向帶狀分布,自北到南可分為明顯的3個(gè)帶:侵蝕潮灘分布帶、強(qiáng)烈侵蝕深槽岸坡帶和呈輕微堆積的水下岸坡帶。從1990年到1998年潮灘累積侵蝕量一般在0～2m,其中西部累計(jì)侵蝕量低于中部、東部,為0～1m,中部、東部的不少地區(qū)達(dá)1～2m。低潮灘的前沿深槽區(qū)為該區(qū)侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū),和灘前深槽岸坡因侵蝕而后退有關(guān),大部分地區(qū)累積侵蝕量為2m以上,一些深槽地帶侵蝕量超過(guò)2.5m,呈不連續(xù)分布。灘前深槽強(qiáng)烈侵蝕區(qū)在西部距岸線較遠(yuǎn),中部和東部距岸線相對(duì)較近,尤其東部目前已無(wú)高灘存在,深槽逼岸,致使東部侵蝕比西部更加劇烈,累積侵蝕量大于2.5m的地帶幾乎連為一體,對(duì)海岸帶的發(fā)展造成極大的危害。廣闊的水下地形都有輕微的堆積,大部分地區(qū)8年累積堆積量為0～1m以內(nèi),東西向差別不大,累積堆積量高于1的高值區(qū)成斑塊狀分布,其分布位置和岸前深槽區(qū)的侵蝕高值區(qū)相對(duì)應(yīng),這種分布的相關(guān)關(guān)系和深槽區(qū)強(qiáng)烈侵蝕導(dǎo)致的潮流含沙量增加有關(guān)。奉賢潮灘的侵蝕、堆積特征主要受杭州灣的潮流動(dòng)力控制,潮波在灣口向?yàn)硟?nèi)傳播的過(guò)程中,由于北岸水深,島嶼少,傳播的速度比南岸快,潮波由灣口向西推進(jìn),水面變窄,流速增加,潮流因加速挾沙能力增加,形成侵蝕流。近年來(lái),南匯嘴向東南方向淤長(zhǎng),長(zhǎng)江泥沙流對(duì)杭州灣的影響減少,使該區(qū)潮流的侵蝕能力進(jìn)一步增強(qiáng)。奉賢縣低灘前沿有深槽分布,因水深增加,潮流流速大,在向?yàn)┑剡\(yùn)動(dòng)過(guò)程中,岸坡較陡,水深急劇變淺,流速增加,高能潮流對(duì)潮灘形成強(qiáng)烈的侵蝕,表現(xiàn)為岸坡后退和灘面的刷低,形成該區(qū)的潮灘侵蝕帶和強(qiáng)烈侵蝕深槽帶。強(qiáng)烈侵蝕的泥沙隨退潮潮流帶入水下岸坡,產(chǎn)生堆積,形成廣闊的水下岸坡微淤帶。3.4潮位線的估算海岸侵蝕導(dǎo)致岸線后退,潮灘淹沒,由于海岸線隨潮位變化而向陸和海擺動(dòng),為合理估算海岸線的長(zhǎng)期變化,采用多年平均標(biāo)準(zhǔn)潮位線,及多年平均潮位,多年平均高潮位和多年平均低潮位。奉賢縣沒有潮位站分布,這里選取臨近的蘆潮港站潮位資料估算,利用1990～1999年共10年的潮位資料計(jì)算出多年平均潮位、多年平均高潮位和多年平均低潮位的高程,在1990和1998年的DEM圖中內(nèi)插相應(yīng)高程的等高線即標(biāo)準(zhǔn)潮位線的分布位置。由于圍墾以及灘地刷低,海堤以外的一些灘地已低于平均潮位,所以計(jì)算海岸線變化采用多年平均低潮位的變化。在1998年低潮位線上每隔2km取一個(gè)樣點(diǎn),計(jì)算其到1990年平均低潮位線的垂直距離,最后將所有的樣點(diǎn)位移量求和平均算出該區(qū)平均低潮位8年間向陸地后退了252m,年平均速率為31m。4侵蝕、堆積特征通過(guò)對(duì)奉賢潮灘長(zhǎng)期水準(zhǔn)詳測(cè),利用GIS的空間分析方法對(duì)奉賢淤泥質(zhì)潮灘海岸侵蝕、堆積進(jìn)行分析,可歸納以下結(jié)論:潮灘侵蝕、堆積的空間分布南北向呈明顯3個(gè)帶,自北