基于地圖投影的萊州灣海岸侵蝕過程及深水變化分析

基于地圖投影的萊州灣海岸侵蝕過程及深水變化分析

萊州灣南岸是指萊州灣頂部的小清河口至虎頭崖段，長145公里。小清河至沙河為泥砂巖海岸，沙河至虎頭崖為砂質(zhì)海岸（圖1）。發(fā)源于魯中山地的小清河、彌河、白浪河、虞河、濰河、北膠萊河和沙河,在萊州灣南岸由南向北入海。萊州灣南岸是海岸侵蝕較為嚴重的岸段之一。1987年,王文海就該區(qū)域入海河流上游修建水庫導(dǎo)致的海岸侵蝕進行過研究;1994年,吳桑云等曾報道過9216號風(fēng)暴潮期間萊州灣南岸的海岸侵蝕;1999年,夏東興等曾對這一區(qū)域1954-1976年22a的海岸侵蝕作過報道。本文利用歷史資料對比的方法,對1958-2004年萊州灣南岸的海岸侵蝕過程進行分析,并估算了各因素對萊州灣海岸侵蝕影響的權(quán)重。1口深水地形為了研究萊州灣南岸海岸侵蝕過程及現(xiàn)狀,收集了萊州灣沿岸11800號海圖(數(shù)據(jù)為1958年所測,自歧河口至龍口港,比例尺1∶250000)、小清河口水深地形圖(數(shù)據(jù)為1963年所測,自小清河口至虞河口,比例尺1∶100000)、11840號海圖(數(shù)據(jù)為1984年所測,萊州灣,比例尺1∶150000)、2004年7月中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所實測的小清河口附近的水深地形圖(各圖件范圍見圖1)和2001年8月29日黃河三角洲至萊州灣南岸TM遙感圖像。將上述地圖的海岸線、等深線和水深數(shù)據(jù)點用數(shù)字化板矢量化于Mapinfo中,將地圖投影和水深基準面變換一致后,進行對比分析。2萊州灣南岸海岸侵蝕2.11深水值的基本概念本文稱海岸線指的是平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線;水深值除特殊指明外,均從理論深度基準面起算。表1和圖2給出了1958年和1984年2期海圖海岸線和等深線對比結(jié)果。(1)海岸侵蝕速率對比結(jié)果表明,1958-1984年26a中,研究區(qū)侵蝕岸線長度合計107.7km,平均侵蝕速率為36m/a;侵蝕岸線占研究區(qū)岸線的74%,加權(quán)平均到整個研究區(qū),則海岸侵蝕速率為27m/a。從圖1和表1可以看出,研究區(qū)河口附近岸線后退較其它區(qū)域嚴重,如虞河口西側(cè),最大后退幅度為2700m,侵蝕速率為104m/a,北膠萊河口兩側(cè)平均蝕退1200m,侵蝕速率46m/a。從圖2還可知,除小清河口外,1984年的海岸線與遙感圖象顯示的防潮壩外緣基本一致。(2)小清河口兩側(cè)變化幅度較1958-1984年26a中,萊州灣南岸5m等深線位置基本無變化。0m等深線在小清河口、濰河口和膠萊河口兩側(cè)變化幅度較大。小清河口兩側(cè)0m等深線后退達1700m,后退速率為65m/a;濰河口和膠萊河口附近0m等深線后退1200m左右,后退速率約為46m/a。膠萊河口東部至白沙河口附近,0m等深線平均后退了500m,后退速率約為27m/a(圖2)。(3)侵蝕及下蝕海岸侵蝕不僅可表現(xiàn)在岸線后退,岸灘也會侵蝕下切。將1958-1984年水深數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)格化生成DEM(數(shù)字高程模型)后,將2期的DEM相減,便得到1958-1984年萊州灣南岸岸灘下切侵蝕情況(圖3)。1958-1984年,研究區(qū)總計有12.5×108m2的區(qū)域侵蝕,侵蝕體積為4.8×108m3,平均蝕低0.38m,平均蝕低速率為1.5cm/a;研究區(qū)總計有7.6×108m2的區(qū)域淤積,淤積體積為2.1×108m3,平均淤高0.28m,平均淤高速率為1.1cm/a。研究區(qū)凈侵蝕面積為4.9×108m2,凈侵蝕體積為2.7×108m3,平均凈蝕低0.55m,平均凈蝕低速率為2.1cm/a。侵蝕區(qū)主要集中在海岸線至0m等深線之間,該區(qū)域凈侵蝕體積為2.2×108m3;除河口區(qū)外,0～2m等深線區(qū)域為淤積區(qū);2～5m等深線的區(qū)域有沖有淤;5～8m等深線區(qū)域,中部有大片侵蝕區(qū),以淤積為主。8m等深線以深則為淤積區(qū)。最大侵蝕區(qū)出現(xiàn)在虞河口、濰河口和北膠萊河口,最大下蝕1.5m,下蝕速率達5.8cm/a。小清河口南部侵蝕厚度為0.3m,平均下蝕速率為1.2cm/a。2.21海域侵蝕主要表現(xiàn)1984年后,萊州灣南岸除小清河口外,其余區(qū)域岸線位置基本穩(wěn)定。1984年以來萊州灣海岸侵蝕主要表現(xiàn)為岸灘下蝕和沉積物粒徑變大。下文以小清河河口為例,給出研究區(qū)海岸侵蝕狀況。(1)海底地形剖面對比分析研究區(qū)歷史資料較少,自1984年之后,沒有更新的萊州灣水深地形圖。2004年,小清河航務(wù)管理局為了羊口港的擴建和航道整治,委托中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所在小清河口航道及附近區(qū)域進行了1∶5000水深地形測量,測量范圍很小,不宜將其與1958年和1984年小比例尺海圖進行對比。為此,利用1963年出版的小清河河口1∶100000水深地形圖與2004年水深地形圖進行海底地形剖面對比,分析小清河河口附近5m等深線以淺岸灘演變趨勢(剖面位置如圖1中Ⅰ-Ⅰ′,Ⅰ點坐標為119.09721°E,37.26106°;Ⅰ′點坐標為119.18980°E,37.29236°N)。對比結(jié)果見表2和圖4。通過剖面對比可知,40多年間,海區(qū)5m等深線以淺侵蝕遠大于淤積,最大侵蝕厚度可達1.0m,平均為0.43m;最大侵蝕速率為2.4cm/a,平均為1.04cm/a。海區(qū)不同水深范圍海底沖淤變化不盡相同,在2m等深線以淺和4m等深線以深,海底侵蝕較為強烈,為侵蝕段;在2.5～4m水深范圍內(nèi),海底侵蝕并不明顯,局部甚至有淤積發(fā)生。從圖4可知,1963年以來,小清河口南側(cè)0m等深線向岸遷移1.0km多,-2.0m等深線僅向岸遷移200m左右,-3.0m和-4.0m等深線變化甚微,-4.5m等深線向岸遷移1.5km。對比前文分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)小清河河口南部區(qū)域,1984年以來,侵蝕區(qū)范圍由海岸線至0m等深線發(fā)展到海岸線至2m等深線,侵蝕區(qū)范圍有所擴大;1958-1984年,小清河口南側(cè)平均下蝕速率為1.2cm/a;而1963-2004年為1.04cm/a,岸灘下蝕速率有所下降。(2)海底沉積物粒徑20世紀80年代初至20世紀末,天津水運工程研究所對本區(qū)表層沉積物進行了多次研究,其結(jié)果表明,近20a來小清河口至彌河口之間淺海水域的沉積物中值粒徑明顯變大,特別是2.0m等深線以淺水域更為明顯(表3)。表層沉積物粒徑的變化趨勢與岸灘演化的趨勢是一致的。如前所述,1963年和2004年2期海圖對比結(jié)果表明,水深2m以淺和水深4m以深屬侵蝕段,水深2.5～4.0m段為平衡段。這一現(xiàn)象表明,20世紀80年代以來,由于入海泥沙量的大量減少,導(dǎo)致了海底沉積物改造和再分配過程。在波浪作用范圍內(nèi)淺海區(qū)細粒物質(zhì)流失,使沉積物粗化,這一過程也必然導(dǎo)致海底地形的變化。3海底相對上升區(qū)研究區(qū)海岸位于渤海三大海灣之一的萊州灣南岸,地處濰北平原海面相對上升區(qū),眾多河流泥沙的注入形成了廣闊的平原淤泥質(zhì)海岸;該區(qū)又是風(fēng)暴潮災(zāi)害頻發(fā)區(qū)。萊州灣海岸侵蝕主要影響因素有3項:海面相對上升、入海泥沙量急劇減少和風(fēng)暴潮災(zāi)害。3.1進入聚合期20世紀2080年代的海底結(jié)構(gòu)國內(nèi)外有些學(xué)者使用Bruun法則來研討海面相對上升與海岸侵蝕的關(guān)系。Bruun法則可以用下述方程表示:R=LB+hSR=LB+hS式中,R為岸線后退速率;L為從水深h到岸線的距離;B為灘肩高度;h為近岸沉積物分布的水深限度;S為海平面上升量。在Bruun法則里,h稱閉合深度,是指砂質(zhì)海岸系統(tǒng)中近岸沉積物的分布深度。但在淤泥質(zhì)海岸,h的確定應(yīng)考慮到地貌、沉積、動力的綜合依據(jù)。整個萊州灣海底沉積都是沿岸河流入海泥沙作用的結(jié)果,沒有殘留沉積,如果以萊州灣灣口水深作為閉合水深,顯然已遠遠超出海岸剖面調(diào)整的范圍。萊州灣水深8m以淺區(qū)域,等深線相對密集且基本平行于岸線展布,屬于水下岸坡,組成物質(zhì)為粉砂質(zhì)砂,近幾十年來岸坡沖淤多變;而在水深8m以深區(qū)域,等深線相對稀疏,為廣闊的淺海平原,組成物質(zhì)為粗粉砂,處于渤海中部沉積區(qū),基本上是一堆積區(qū)。所以,就地貌和沉積而言可把8m作為閉合深度。另外,就水動力而言,研究區(qū)的50年一遇波高和周期分割為H1/3=5m和T=7.0s,泥沙強烈活動水深也為8.3m左右。因此,研究區(qū)閉合水深取為8m是合適的,距岸線約為18km。為了估算海面相對上升對研究區(qū)海岸侵蝕的貢獻,可以假定海岸剖面在垂直方向上沒有凈收支。結(jié)合前文分析,可以將水深8m以淺的剖面看作是“均衡剖面”。如此,滿足了應(yīng)用Bruun法則的條件。張錦文等給出了1952-1994年羊角溝驗潮站實測逐時潮位資料反映的該海域平均海面變化,計算結(jié)果指出,1957年平均海面為305cm,而1984年為308cm,則1957-1984年,羊角溝附近海域海面變化平均速率為1.1mm/a;夏東興等指出,研究區(qū)地面沉降速率為2mm/a,故本區(qū)海面相對上升量約為3.1mm/a。按照Brunn法則計算,每年因海面相對上升引起的海岸侵蝕速率為7m/a。研究區(qū)海岸侵蝕速率加權(quán)平均為27m/a,則海面相對上升的貢獻大小為26%。3.2黃河泥沙對研究區(qū)海岸、海底沖淤的影響前文分析計算表明,研究區(qū)河流輸沙主要參與水深8m以淺地形剖面的塑造,1958-1984年,水深8m以淺的區(qū)域泥沙凈侵蝕總體積為2.71×108m3。區(qū)域泥沙中值粒徑取為0.08mm,故泥沙干容重為1.1kg/m3,則泥沙侵蝕量為3.0×108t。除黃河外,研究區(qū)還有小清河及其支流淄河、彌河、濰河和北膠萊河等幾條較大河流攜帶大量泥沙入海。其中,黃河自1855年改道自山東北部注入渤海以來,流路多變,在小清河附近入萊州灣時段有1897年6月-1904年7月沿絲網(wǎng)溝入萊州灣;1929年7月-1934年9月由宋春榮溝、甜水溝入萊州灣;1934年9月-1953年7月經(jīng)神仙溝、甜水溝和宋春榮溝入海。上述時期黃河入海泥沙對研究區(qū)西北部海岸及海底沖淤變化影響極大,宋春榮溝至淄脈河段岸線大幅度淤進,1959年以后,該段海岸基本穩(wěn)定。1953年7月-1976年5月,黃河自三角洲北部入海,此時,黃河入海泥沙很難直接到達研究區(qū)。1976年5月以后,黃河自清水溝入海,此時,黃河泥沙中粗粒部分(粒徑大于0.032mm)主要堆積在河口,細粒部分呈懸浮狀態(tài),直接向東擴散距離很短,主要在往復(fù)流的作用下分2支向南北擴散,南支沉積較快,擴散不超過小清河口。由上述可以看出,除黃河在絲網(wǎng)溝、宋春榮溝和甜水溝入海時期外,其余時段黃河泥沙對研究區(qū)海岸及海底沖淤變化影響很小。若不考慮黃河泥沙對研究區(qū)的影響,1958-1984年小清河及其支流淄河、彌河、濰河和北膠萊河等河流或因為上游建水庫、修建攔水閘,或因為降水量的減少而使向海輸沙量急劇減少(表4)。將建水庫(閘)以前的泥沙量當(dāng)作維持海岸穩(wěn)定的標準。研究區(qū)20世紀80年代之后為枯水年,1981-1984年入海泥沙量按照0處理。則1958-1984年,研究區(qū)建水庫(閘)后泥沙虧損總量為1.25×108t。因研究區(qū)1958-1984年8m水深以淺的區(qū)域泥沙總虧損量為3.0×108t,則入海泥沙量的減少對區(qū)域海岸侵蝕的貢獻大小為42%。3.3風(fēng)暴潮侵蝕風(fēng)險Krieble等通過長期對Delaware附近海岸剖面觀察與測量,提出了如下經(jīng)驗公式對風(fēng)暴潮造成的岸線后退進行估計:I=0.3048?1×HS(td12)0.3(3)Ι=0.3048-1×ΗS(td12)0.3(3)式中,I為風(fēng)暴潮引起的海岸后退量(m);H為近岸波高(m);S為風(fēng)暴潮增水(m);td為風(fēng)暴潮持續(xù)時間(h)。研究區(qū)風(fēng)暴潮致災(zāi)過程如下:由于海底地形平坦,風(fēng)暴潮大浪在遠處就發(fā)生破碎,傳至岸灘區(qū),波高在1.0～1.5m以下,沒有防護的岸段,海岸被侵蝕后退;在有防護的岸段,上述波高疊加上高水位,對防潮壩進行沖擊,使其在波激流作用下倒塌,直至決口和不斷擴大,海水進而侵入蝦池、鹽田和陸地,造成損失。為了估計1958-1984年風(fēng)暴潮對研究區(qū)海岸侵蝕的貢獻大小,需要了解研究區(qū)風(fēng)暴潮發(fā)生頻率。根據(jù)1949-2002年以來的資料統(tǒng)計,研究區(qū)風(fēng)暴潮發(fā)生頻率如表5所示。根據(jù)表5所列之結(jié)果,設(shè)定近岸波高為1.25m,風(fēng)暴潮增水為2.5m,持續(xù)時間為1d,每年大于2m增水風(fēng)暴潮發(fā)生頻率為0.8,則因風(fēng)暴潮所引起的海岸侵蝕速率為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。研究區(qū)海岸侵蝕速率平均為27m/a,則風(fēng)暴潮的貢獻大小為37%。3.4海岸侵蝕因素前文分析計算結(jié)果表明,海面相對上升、入海泥沙量減少和風(fēng)暴潮3種因素對研究區(qū)海岸侵蝕的貢獻大小分別為26%,42%,37%,三者之和為105%,超出部分應(yīng)為計算誤差。誤差產(chǎn)生的原因分析如下。就入海泥沙量減少而言,泥沙來源的枯竭意味著海岸迅速后退。前文中指出,區(qū)域海岸線至0m線之間特別是河口區(qū)域,灘面蝕低最為嚴重,即是對入海泥沙急劇減少的一種響應(yīng)。前文計算認為河流輸沙減少對海岸侵蝕的貢獻大小為42%,偏小,原因在于:(1)將建水庫(閘)前的河流年入海泥沙量作為維持海岸不侵蝕的量,實際上,在1956-1979年,海岸侵蝕就已經(jīng)發(fā)生。因而,建水庫(閘)前的泥沙量小于海岸穩(wěn)定所需之泥沙量。從這方面講,泥沙虧損量估計偏小。(2)在泥沙虧損量的估計中,沒有考慮黃河入海泥沙對研究區(qū)的影響。如前文所述,1976年5月以后,黃河入海泥沙可以直接擴散到小清河河口附近,并在萊州灣中部沉積,間接擴散范圍則大的多。1958-1984年,黃河輸沙量漸次減少,但黃河來沙的減少對研究區(qū)泥沙虧損的作用很難估計。(3)研究區(qū)波浪常浪向為偏北向,位于萊州灣灣頂潮流流速弱區(qū),有利于泥沙向灣頂堆積。萊州灣沿岸河流入海泥沙的減少也會導(dǎo)致研究區(qū)泥沙量的虧損?；谏鲜鲈?使得泥沙虧損量估計偏小,使得入海泥沙量銳減對海岸侵蝕貢獻大小計算結(jié)果偏小。就風(fēng)暴潮而言,在一次強天氣過程過后,如果泥沙來源充足,在一定時期內(nèi),被侵蝕的海岸在一定程度上可以自我恢復(fù)。但在研究區(qū),泥沙來源不足,1958-1984年,泥沙虧損至少為42%,加上由于海面相對上升造成的泥沙虧失為26%,則海岸侵蝕可恢復(fù)量為32%,故風(fēng)暴潮的貢獻大小為37%×68%=25%。另外,泥沙的虧損所造成的岸灘下蝕和海面相對上升,均可導(dǎo)致風(fēng)暴潮和波浪作用力增大,但計算時,又無法將此考慮在內(nèi),故風(fēng)暴潮的作用被夸大了。因此,風(fēng)暴潮對于區(qū)域海岸侵蝕的