基于長江污染物輸沙的杭州市沿岸灘灘演變分析

基于長江污染物輸沙的杭州市沿岸灘灘演變分析

淺灘帶是一個特殊的海岸帶，是人類生存和發(fā)展的重要場所。海岸線為海岸的最前沿,其位置的動態(tài)遷移是海岸變化的重要標志,對陸海相互作用的響應極為敏感。同時,岸線位置的進退變化亦直接影響沿海地區(qū)港口工程和海堤的安全和正常運行。在當前海平面上升以及海岸帶人類活動急劇加強的作用下,岸線變化深受關注和重視[3~6],加強海岸線演變及其變化趨勢的研究對于沿海地區(qū)生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文以杭州灣北岸龍泉—南竹港的實測岸灘剖面資料為基礎,通過分析該岸段淤泥質(zhì)海岸對長江入海泥沙減少等因素的響應特征,探討岸灘不同等深線進退的作用過程與受控機制,由此構(gòu)建RBF(徑向基)神經(jīng)網(wǎng)絡模型對岸線變化進行模擬和預報,可為杭州灣北部沿岸資源可持續(xù)開發(fā)利用和海堤防護提供指導依據(jù)。1海堤平臺的丁壩段龍泉—南竹港岸段位于杭州灣北岸中部,地處上海市金山區(qū)與奉賢區(qū)海岸的交界地帶,為上海市化學工業(yè)區(qū)的重要海上屏障(圖1)。該岸段基本為人工控制,沿岸線修建有以百年一遇高潮位為設防標準的防汛海堤(吳淞高程,約高9m),海堤向外的中潮灘上為寬約4~6m的混凝土低壩平臺,其外側(cè)是異形塊體及寬約50m的拋石帶。為防止海岸侵蝕和抵御臺風與風暴潮襲擊,同時布設有垂直于海堤的多條丁壩。該岸段前沿水域?qū)贉\海半日潮,近岸水域漲潮平均流速為1~1.5m/s,落潮平均流速小于0.5m/s,漲落潮流路基本與岸線平行,近岸低潮帶以淺區(qū)沉積物組成為砂—粉砂—粘土,以深水域海床沉積物為粉砂和粘土。沿龍泉—南竹港岸段自東向西布設間隔約為1km的7個固定斷面(圖1),其中斷面4和斷面5之間為上?；瘜W工業(yè)區(qū)的大型丁字型碼頭,上?；瘜W工業(yè)區(qū)海堤管理所自20世紀90年代起對這些斷面進行連續(xù)觀測,監(jiān)測以海堤平臺(9m)為起點,向海延伸約1km至水深10m左右位置。收集了1998~2009年的斷面資料;同時收集近50年來長江大通站的年輸沙量資料。本文以吳淞零點為高程基準,計算龍泉—南竹港所測剖面的零米線距離海岸的位置,將其作為岸線進行分析。2學習方法2.1因素間關聯(lián)度法灰色關聯(lián)分析方法,是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度,亦即“灰色關聯(lián)度”作為衡量因素間關聯(lián)程度的一種方法?；疑P聯(lián)分析的主要作用是揭示各個子因素對主因素的影響大小規(guī)律,其最大優(yōu)點是按因素間發(fā)展態(tài)勢作分析,對數(shù)據(jù)量無過高要求,可避免關聯(lián)度的量化結(jié)果和定性分析不一。該方法原理清晰、計算便捷,應用廣泛。2.2rbf神經(jīng)網(wǎng)絡神經(jīng)網(wǎng)絡是由大量簡單元件相互連接而成的復雜網(wǎng)絡,具有良好的容錯性與聯(lián)想記憶功能,能夠進行復雜的邏輯運算和非線性關系分析,在諸多領域得到廣泛應用。而其中的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡,即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(圖2),結(jié)構(gòu)簡單、訓練簡潔且收斂速度快,能夠逼近任何線性、非線性函數(shù),構(gòu)建的模型在經(jīng)濟預測、水運和地質(zhì)等方面均具有良好適應性。本文采用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡模型,即基于多個輸入層和一個輸出層的多對一映射關系,在綜合考慮影響杭州灣北岸岸灘變化的可能因子前提下,將直接影響海堤安全的0m岸線的位置變化作為輸出層。3結(jié)果與分析3.1基本形貌分析在此以斷面5為例,繪制該斷面0m岸線、-3m、-5m和-8m等深線(圖3),對1998~2009年的離岸堤距離變化進行分析。如圖所示,杭州灣北岸龍泉—南竹港岸段1998~2009年的10余年間,0m岸線總體以2000、2003以及2005年為趨勢節(jié)點,呈現(xiàn)階段性侵蝕狀態(tài)。由于杭州灣北岸岸灘剖面基本呈反“S”型,其中水下斜坡在-3~-5m之間,為該區(qū)域地形強烈變化地帶;-8m以深地形基本無大變化,為通常所說的閉合水深。因而以-3m、-5m表征水下斜坡的進退,-8m表征閉合水深的臨界位置,這三條等深線的變化基本反映了杭州灣北部沿岸的動態(tài)演變。由圖3所示,-3m和-5m出現(xiàn)類似0m岸線的變化,而-8m總體上呈現(xiàn)向離岸趨近的特征。顯然,研究區(qū)岸段近10年來似處于侵蝕狀態(tài),更進一步的分析還需利用最近的海圖進行沖淤對比研究。3.2駁岸沖淤對年輸沙量響應的影響據(jù)長江大通站水文泥沙資料,顯示近50年來長江年均入海泥沙量總體上呈趨勢性減少趨勢(圖4)。20世紀60年代,長江入海泥沙為5.1×108t;70年代為4.2×108t;80年代為4.3×108t;90年代為3.4×108t;而21世紀初不足2×108t。尤其在2006年三峽工程建成后水庫首次蓄水至156m,當年長江入海泥沙僅為0.86×108t。入海泥沙的減少與杭州灣北岸岸灘出現(xiàn)階段性侵蝕的年份基本一致;而2000年前龍泉—南竹港岸段基本保持原有狀態(tài),即沖淤相對平衡,也和長江入海泥沙在此期間差異不大也有一定關系。進一步將7個斷面的0m岸線、-3m、-5m、-8m等深線距海堤的位置進行平均,分別與大通年輸沙量進行相關分析(圖5)。結(jié)果表明,等深線位置的變化和入海泥沙的多寡呈現(xiàn)正相關,即杭州灣北岸的岸灘沖淤變化受控于長江入海泥沙的增減?？紤]到等深線的變化對年輸沙量響應可能存在滯后性,且7個斷面實際觀測資料時間序列較短,故再次對7個斷面的0m岸線、-3m、-5m、-8m等深線進行平均,分別與大通年輸沙量進行灰色關聯(lián)分析(圖6),結(jié)果表明,滯后一年的灰色關聯(lián)度均大于同步相關,即滯后的關聯(lián)程度總體上優(yōu)于同步的關聯(lián)程度,即岸線及等深線的后退滯后于長江入海泥沙的減少。長江入海泥沙通過長江口與杭州灣的泥沙通道或由漲潮流從口外帶入到杭州灣北岸,而杭州灣北岸岸段在歷史上曾經(jīng)歷大淤漲至大侵蝕和20世紀50年代以來侵蝕與淤漲交替的變化過程。因長江上游修建一系列水庫,特別是2003年三峽水庫運行后,使長江入海泥沙量近年來急劇減少,杭州灣北岸侵蝕明顯加強,使該岸段岸線出現(xiàn)侵蝕后退。因此,長江口來沙劇減必然導致杭州灣北岸岸灘由淤積轉(zhuǎn)向侵蝕。此外,每年夏秋之交的臺風和熱帶風暴引起的風浪和增水影響,成為造成本區(qū)短期內(nèi)灘地沖刷及圍堤工程破壞的主要因素。近年來影響較為強烈的臺風有199810、200012、200509、200716號。臺風過境時引起的近岸增水和產(chǎn)生大的波況環(huán)境,使泥沙發(fā)生快速離岸運動,近岸沙壩被削平,海灘前濱侵蝕變陡,進而引起海岸侵蝕。200509號“麥莎”臺風過境后,岸灘近岸水下類似沙壩的堆積體被削平、凹處填洼,水下平臺改造成鋸齒或較小的壩—槽,壩田淤積,拋石散亂,丁壩部分受損。因此,就本研究區(qū)而言,岸線出現(xiàn)侵蝕后退的系統(tǒng)性因素是長江入海泥沙的減少,而季節(jié)性的臺風和熱帶風暴則在短期內(nèi)控制岸灘的沖淤波動。另外,南匯邊灘和杭州灣北岸圍墾工程也是造成該岸段岸灘發(fā)生局部沖刷的影響因素。3.3徑向基函數(shù)法通過灰色關聯(lián)分析,長江入海泥沙多寡是杭州灣北岸侵蝕淤積與否的關鍵影響因素。但該岸段目前缺少長時間尺度的潮流及波浪變化的實際觀測資料,因此若將潮流和波浪動力因素考慮在內(nèi)對岸線進行模擬預報必然存在相當大的難度。我們先前的工作是將-3m、-5m以及-8m和0m岸線構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測次年的0m岸線變化,沒有考慮到長江入海泥沙這一控制性因子。因此,本文進一步以0m岸線、-3m、-5m、-8m等深線位置以及大通年輸沙量,嘗試構(gòu)建基于代表典型動力地貌單元的等深線變化的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型,實現(xiàn)對岸線的預報。基于此,本文利用先期年每個斷面-3m、-5m、-8m等深線距離海堤的位置和大通年輸沙量作為輸入層,當年相應的0m岸線位置作為輸出層,利用徑向基函數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡進行網(wǎng)絡訓練,當訓練完成后即可利用當年監(jiān)測的-3m、-5m、-8m等深線的位置及大通年輸沙量預測下一年固定斷面0m岸線位置的變化。由于斷面S4、斷面S5緊鄰“丁”字型碼頭,受人類工程影響較大,對預報結(jié)果會產(chǎn)生較大誤差,因此不參與岸線預報。圖7為基于徑向基函數(shù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡模型對S1、S2、S3、S6和S7五個斷面岸線位置進行的模擬和預報,其中2009年斷面的岸線位置值為利用訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡進行預報所得。結(jié)果顯示,斷面S3相對誤差較大外,其余斷面的相對誤差均在20%左右,而斷面S1、S2、S7的相對誤差僅為16%~17%,總體而言誤差較小。因此以-3m、-5m、-8m等深線的距岸堤位置值和大通年輸沙量為輸入向量,利用徑向基函數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡中訓練,構(gòu)建后一時間步長的岸線位置變化值為輸出變量的神經(jīng)網(wǎng)絡模型是可行的,這為在現(xiàn)有實測資料條件下預測未來時段岸線變化提供了新的途徑和方法。4侵蝕后10年來本文基于灰色關聯(lián)和神經(jīng)網(wǎng)絡模型對杭州灣北岸龍泉—南竹港岸段的實測岸灘斷面進行研究,結(jié)果表明:(1)杭州灣北岸龍泉—南竹港岸灘近10年來侵蝕與淤積交替出現(xiàn),但總體處于侵蝕后退狀態(tài)。(2)長江入海泥沙劇減