萊州灣東部潮上帶土地利用對海岸蝕退的影響＊

李雪艷 王 慶 王紅艷 戰 超 王 昕 仲少云 杜國云

(魯東大學海岸研究所 煙臺 264025)

海岸是陸海直接作用的地帶,能量、物質輸運、轉化極其活躍,自然環境系統極其敏感和脆弱,極易受風暴潮和海平面上升等影響,導致海岸侵蝕及海水入侵(Nicholls et al,2006;Splinter et al,2011)。最近幾十年來,日益強烈的土地利用、水庫修建等人類活動,導致河流入海輸沙及徑流顯著減少,海岸蝕退在全球各地普遍發生,且程度有日益提高之趨勢(Yang et al,2003,2011a,b;Ericson,2006;Dallas et al,2011;Gao et al,2011)。海岸侵蝕除導致土地資源、人類財產直接損失外,還引發嚴峻的環境生態問題,制約、威脅著海岸帶可持續發展,成為影響海洋經濟發展的重要不確定性因素。

目前,海岸侵蝕或淤積放緩及其環境效應研究多集中于大河三角洲、平原海岸(Fanos,1995;Yang et al,2003;王兆印等,2005,2006;Ericson et al,2006),但對廣布的山地海岸關注和研究較少。從引發海岸蝕退及環境變遷的人為驅動力看,海水養殖產業的海岸環境效應近年來受到國內外學者重視和研究(Anh et al,2010;e Silva et al,2010;Berlanga-Robles et al,2011;Brojo et al,2011;Swapan et al,2011;戰超等,2013)。但是,關于潮上帶海水養殖對海岸動力地貌過程,尤其是地貌沖淤變化影響的研究還少見報道。萊州灣東部為典型的溫帶季風氣候區砂岸,是我國工廠化海水養殖業最發達地區之一(仲少云等,2015),同時也是我國海岸侵蝕發生暨研究較早(莊振業等,1989),而且目前蝕退仍很嚴重的岸段。因此,本文以萊州灣東岸為例,研究潮上帶海水養殖設施建設對海岸地貌沖淤和蝕退的影響。

1 區域背景

萊州灣系公元 1855年以來形成的弱潮海灣,為現代黃河三角洲將古渤海灣南部分隔而形成。海灣東部瀕臨膠東半島西北部山地,沿其山前堆積平原發育砂質海岸,總體呈NE-SW展布(圖1)。全新世中期該岸段為沙壩—瀉湖海岸,壩外有屺坶島、石虎嘴等基巖小島,后經島嶼連陸、瀉湖淤塞而成現代海岸(莊振業等,1994)。此砂岸系由NE-SW泥沙流塑造而成(蔡愛智,1980),而該泥沙流又系半島西北部界河、王河等山地河流輸沙、NE和NNE向波浪與NE-SW向海岸相互作用的結果(王琦等,1982)。

圖1 萊州灣東岸及本文計算區域的地理位置Fig.1 Geographical location of the eastern coast of Laizhou Bay and the area of study simulated

20世紀50年代末至60年代初,膠東半島西北部山地修建了大量水庫,界河、王河等河流中上游流域基本被水庫控制(王慶等,2003)。至20世紀80年代,開始出現該段海岸侵蝕后退的報道,是我國較早發現并研究的蝕退砂岸(莊振業等,1989)。有研究認為,水庫攔截導致河流入海輸沙減少是該段海岸蝕退的主要原因(莊振業等,1989;常瑞芳等,1993)。近期野外調查發現,從1990s年代初起該岸段蝕退范圍擴大,強度有越來越大的趨勢。

萊州灣東部屬不規則半日潮,平均潮差 1.0m;強浪和常浪向NE,平均波高1.06m,頻率22%。該海域為風暴潮多發區,1952年12月到2013年5月有21次災害性風暴潮,平均不到3年1次,羊角溝站記錄的最高潮位達6.74m。在風暴潮和其它波浪交替作用下,海岸線(大潮平均高潮線)與風暴潮時高潮線之間的潮上帶寬闊,20世紀80年代前為寬250—450m的平坦風沙地,風暴潮時可被海水淹沒(圖1)。80年代初起利用潮上帶修建養殖棚(池、塘)開展海水養殖,外側建有防浪堤。

調查表明,從20世紀90年代初以來,萊州灣東部潮上帶風沙地大部為養殖設施覆蓋,形成了平行岸線、寬達數百米,基本連續展布的養殖設施帶(仲少云等,2015)。土地覆被的高強度變化,必然導致風暴潮消能空間及邊界條件變化。但是,關于其海岸地貌效應及其對海岸侵蝕的影響尚缺乏專門研究,而其結果有助于解釋最近二十年隨著水庫修建時間的日漸久遠,該段海岸侵蝕不僅未因動力地貌趨于平衡而減弱,反而越來越嚴重的地貌事實。

2 研究方法

在野外海岸地貌、沉積和蝕退狀況調查的基礎上,以界河口至石虎嘴岸段為典型岸段,運用水動力數值模擬方法,針對養殖設施帶所占潮上帶寬度的比例0%(即未利用)、30%和70%三種情境,分別對潮上帶土地利用/土地覆被變化后的海岸沉積動力進行模擬計算,分析土地利用對海岸帶波浪、潮流等的影響,揭示潮上帶土地利用/土地覆被變化對海岸動力地貌、沖淤狀態和侵蝕后退的影響。

2.1 模型搭建

根據該岸段水深、動力、沉積和地貌特征,基于二維淺水方程建立潮流場模型,采用丹麥水力學研究所(DHI)開發的 MIKE21軟件進行計算。所用動量方程和連續方程分別如下:

式中: t為時間;h為水深;x、y為笛卡爾坐標系中位移;η為自由水面高度;為流速在x、y方向分量;s為源匯項排放量;pa為當地大氣壓;f為科氏力系數( f = 2 Ω sinφ,Ω 為地球自轉角速度,φ為地理緯度);ρ為水密度;ρ0為標準水密度;us、vs為源匯項流速在x、y方向分量;sxx、sxy、syx、syy為輻射應力分量;Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯力項;τbx、τby為底摩擦力在x、y方向分量;τsx、τsy為表面摩擦力在x、y方向分量;g為重力加速度。

基于波作用守恒方程建立波浪場模型,如方程(4)所示:

基于對流擴散方程建立泥沙輸運數值模型,如方程(5)所示:

根據萊州灣及渤海的潮汐及潮流場基本特征,模 型 計 算 海 域 的 范 圍 確 定 為 點 Ⅰ(120°1.848′E,37°31.452′N)、點 Ⅱ(120°10.068′E,37°37.050′N)、點Ⅲ(120°14.622′E,37°32.916′N)、 點 Ⅳ(120°6.006′E,37°27.258′N)連線所構成的矩形區域(圖2),計算海域的初始流速和潮位均取值為 0,東邊界、西邊界和北邊界三個開邊界(圖2)的水位ζ通過潮位預報方法獲得,計算方程如公式(6)所示:

式中: A0為平均海面;Fi和(v0+u )i為天文要素;Hi和gi為調和常數。其中,調和常數選用4個分潮,包括O1和K1兩個日分潮、M2和S2兩個半日分潮。

計算海域的東邊界設為外海來浪方向(圖2)。根據2003年10月10—12日萊州灣“10.11”特大溫帶風暴潮資料,有效波高為4.5 m,波向為NE。水邊線位置隨潮位漲落而遷移,其最南位置為特大潮高潮線即潮上帶南界。因此,模型考慮了動邊界內網格節點的干濕變化,養殖設施帶前緣假定為直墻邊界。根據1985年測量結果編繪的1∶10000地形圖,計算岸段潮上帶南邊界大致與岸線平行,其寬度統一確定為450 m。

計算海域的水深按1985年測量的1∶250000海圖數據確定,西、北和東邊界的開邊界處水位根據點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的潮汐預報水位經線性插值得到(圖2a)。采用三角形網格法對計算海域進行單元劃分,其中,外海區域的網格空間步長約為 700 m,近岸區域的步長約為25 m(圖2b)。

根據潮上帶養殖始于潮上帶向陸側,然后自陸向海展寬、平行海岸延伸的實際情況(仲少云等,2015),通過調整潮上帶南界至養殖設施帶北側前緣距離,即養殖設施覆蓋占潮上帶寬度的比例即潮上帶土地利用程度,設定了三種不同的情境分別模擬計算: 潮上帶未利用(即土地利用0%)、150 m寬養殖設施帶(即土地利用30%)和300 m寬養殖設施帶(即土地利用70%)。

圖2 計算區域水深分布和網格劃分Fig.2 The water depths and grids of the study region

2.2 模型驗證

由于計算海域內沒有水文測站,采用距離最近的龍口站1984年9月24日4時至25日4時的潮位資料進行驗證。結果顯示,該海域屬于不規則半日潮,一日潮位變化包括兩個漲潮和落潮過程,存在顯著的高低潮不等現象(圖3)。根據驗證結果,數值模擬計算潮位與實測潮位吻合較好,模擬結果符合動力地貌演變研究的精度要求。據此確定潮流場模型的渦擴散系數(Cs)為0.28,曼寧糙率系數(n)為32,干濕動邊界相關的干水深為 0.005 m,淹沒水深為 0.05 m,濕水深為0.1 m;科氏力設置為隨緯度不同而不同。

圖3 計算海域潮位驗證Fig.3 Verification on tidal level of the study region

3 研究結果

3.1 對波高的影響

潮上帶養殖設施覆蓋對近岸波高影響顯著。對于選取的剖面1-1、2-2和3-3,在風暴潮作用12h和24h后,養殖設施占潮上帶比例30%和70%時近岸波高較0%(即沒有修建養殖池)時均顯著增大,且越靠近岸線位置,增大幅度越大。波高隨著潮上帶土地利用程度的增強呈現非單調變化的趨勢,養殖設施覆蓋比例30%時最大。在不同的土地利用/土地覆被情境下,三個剖面波高的沿程波動性差異顯著,但總體上自海向陸波動均減小。在岸線兩側存在自海向陸先增大、岸線附近最大、再減小的趨勢。波浪自外海向近岸傳播過程中,受底部摩阻等導致的能量損耗引起波高沿程衰減,在接近岸線時因發生破碎而迅速減小,在岸線附近完全破碎(圖4)。

由于模型所設置的直墻邊界位置不同,其所產生的反射波與入射波相互疊加后的結果也有所不同,從而導致不同土地利用程度下波高大小的不同?？紤]到海底地形的粗糙程度不同,不同剖面的底摩阻均不同,波浪在不同剖面傳播過程中損耗的能量也有差別,因此不同剖面波高的沿程衰減變化也不同。再者,由于土地利用改變了海岸動力邊界條件,致使同一剖面不同土地利用程度下的波浪沿程變化特征也不盡相同。此外,風暴潮作用時間不同,也會影響近岸波高大小和分布。

圖4 不同土地利用情境下波高剖面分布圖Fig.4 Distribution of wave height in different land use scenarios

3.2 對水流的影響

受NE向波浪入射方位的影響,在東邊界附近海域的水流流速比其他位置處的流速大。漲急時刻,水流主流向在近岸海域為NE向,在靠近北邊界海域轉為NW向,在靠近西邊界海域則轉為NNE—E向。落急時刻,西邊界附近海域水流流向為SW向,東邊界附近由NE向轉為EES向,共同流出北邊界。潮上帶養殖設施修建后,萊州灣東部海域的流場特征發生了顯著改變。隨著養殖設施覆蓋比例的增大,無論落急時刻還是漲急時刻,東邊界附近流速矢量分布更加密集,流速顯著增大?？拷B殖設施帶附近海域流速呈遞增趨勢,流向自NE向SW方向。此外,漲急時刻西邊界海域水流主流向,由初始未建養殖設施時的NE向逐漸轉為E向(圖5)。

潮上帶養殖設施覆蓋比例的提高顯著增大了近岸海域流速。不同土地利用/土地覆被情境下,剖面1-1,2-2和3-3的流速總體上自海向陸呈現先減小—后增大—再減小的變化趨勢。在岸線兩側,自海向陸先劇增、再劇減的趨勢更加顯著,岸線附近流速最大(圖6)。

對于剖面 1-1,養殖設施覆蓋比例為 30%時,除距岸約0.8—1.7 km范圍外,計算海域流速較未建養殖設施(即土地利用0%)時顯著增大,岸線附近流速由0.29 m/s 增至 0.37 m/s;覆蓋比例 70%時,除距岸約5.0 km之外范圍外,計算海域流速較覆蓋比例30%時顯著增大,岸線附近流速達0.41 m/s(圖6a和圖6b)。

對于剖面 2-2,養殖設施覆蓋比例為 30%時,潮上帶和距岸約3.0 km范圍內流速較未建養殖設施(即土地利用0%)時顯著增大,最大流速由0.26 m/s 增至0.34 m/s;覆蓋比例70%時,整個計算范圍內流速較覆蓋比例30%時顯著增大,岸線附近流速達到0.41 m/s(圖6c和圖6d)。

對于剖面 3-3,養殖設施覆蓋比例為 30%時,潮上帶和距岸約 0.60 km范圍內流速較未建養殖設施(即土地利用 0%)時顯著增大,而且越靠近岸線增幅越大,岸線附近流速由0.12 m/s 增至0.30 m/s;覆蓋比例70%時,岸線附近流速較覆蓋比例30%時顯著增大,達 0.36 m/s(圖6e和圖6f)。

圖5 不同土地利用情境下流場及流速流向特征Fig.5 Velocity and direction of ocean currents in different land use scenarios采用UTM坐標系。

圖6 不同土地利用情境下各剖面的流速分布圖Fig.6 Distribution of current velocity in different land use scenarios

3.3 海岸地貌沖淤及其分布

潮上帶土地利用對海岸地貌沖淤及其分布影響顯著?？傮w上來看,隨著潮上帶養殖設施覆蓋比例的提高,海岸地貌沖淤強度和分布范圍均顯著增大。侵蝕區域不斷向外海擴展,向下游延伸,最遠至 10 m等深線附近。其中,岸線附近侵蝕最為顯著,形成NE-SW向侵蝕條帶,岸線顯著后退(圖7)。

風暴潮作用 12h后,潮上帶未建養殖設施(即土地利用 0%)時,東北岸段較西南岸段侵蝕顯著,在5.0 m 水深以外有 NE-SW 向侵蝕條帶,侵蝕深度0.04—0.08 m,主要在8.0 m等深線附近及以淺,岸線附近局部侵蝕顯著;而西南岸段侵蝕深度多在0.04 m以下,岸線附近及潮上帶侵蝕深度 0.04—0.08 m(圖7a)。養殖設施覆蓋比例30%時,東北岸段地貌沖淤發生調整,8.0 m等深線附近侵蝕帶向外海擴展,局部達10.0 m等深線,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶向外海擴展,侵蝕深度 0.06—1.0 m;而西南岸段侵蝕深度在 0.04 m左右,岸線附近及潮上帶侵蝕深度達0.06—1.0 m(圖7c)。養殖設施覆蓋比例70%時,東北岸段侵蝕范圍顯著增大,8.0 m等深線附近侵蝕條帶局部到達10.0 m等深線以外,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶也向外海延展,侵蝕深度 0.08—1.50 m;而西南岸段侵蝕深度多在0.04—0.08 m,岸線附近及潮上帶侵蝕深度達0.08—1.50 m(圖7e)。

風暴潮作用24h后,潮上帶未建養殖設施(即土地利用0%)時,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶有三分之一展寬至10.0 m等深線,侵蝕深度0.04—0.08 m;在東北岸段 5.0 m水深到岸線附近,新形成了 NE-SW向平行岸線的侵蝕條帶,侵蝕深度達 1.5—2.5m(圖7b)。養殖設施覆蓋比例30%時,海岸地貌沖淤調整顯著,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶有三分之二展寬至10.0 m等深線外,侵蝕深度達1.0—1.5 m;東北段岸線附近侵蝕條帶進一步向外海和陸側展寬,侵蝕深度達2.0—3.0 m(圖7d)。養殖設施覆蓋比例70%時,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶整體延至10.0 m等深線附近,侵蝕深度達 1.5—2.0m;岸線附近侵蝕條帶繼續向西南延伸、向外海和陸側展寬,侵蝕深度達到2.5—3.0 m,局部3.0 m以上(圖7f)。

圖7 不同土地利用情境下的海岸沖淤變化分布圖Fig.7 Coastal erosion/accretion in different land use scenarios采用UTM坐標系。

3.4 海岸橫剖面變化

潮上帶土地利用對海岸橫剖面沖淤變化影響顯著。隨著潮上帶養殖設施覆蓋比例的提高,各個剖面的侵蝕深度均隨之增強,侵蝕范圍也隨之增大,閉合深度則隨之變深至約10.0 m,閉合位置外推至距岸約5.0—6.0 km(圖8)。

風暴潮作用 12h后,對于剖面 1-1,潮上帶未建養殖設施(即土地利用0%)時,岸線附近侵蝕明顯,養殖設施帶前緣侵蝕微小;養殖設施覆蓋比例 30%和70%時侵蝕強度顯著增大,集中在距岸約4.0 km范圍內(圖8a),養殖設施帶前緣侵蝕略有增強。對于剖面2-2,未建養殖設施(即土地利用 0%)時,岸線附近呈微侵蝕;覆蓋比例 30%時,岸線附近仍呈微侵蝕,但比未建養殖設施時略有增強;覆蓋比例為70%時,岸線附近侵蝕較顯著,集中在距岸約 0.60 km 范圍內;不同覆蓋比例時養殖設施帶前緣侵蝕均很微弱(圖8c)。對于剖面 3-3,未建養殖設施(即土地利用 0%)時,基本處于沖淤平衡狀態;覆蓋比例 30%時,岸線附近和養殖設施帶前緣出現微弱侵蝕,其余仍處于沖淤平衡狀態;覆蓋比例70%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕較顯著(圖8e)。

風暴潮作用24h后,對于剖面1-1,潮上帶未建養殖設施時,岸線附近和距岸約1.0 km內水下岸坡侵蝕顯著,養殖設施帶前緣侵蝕非常微弱。覆蓋比例30%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕均明顯增強,距岸約4.0 km范圍內水下岸坡侵蝕增強。覆蓋比例70%時,岸線附近、養殖設施帶前緣和距岸約4.0 km范圍內水下岸坡侵蝕均顯著(圖8b)。對于剖面 2-2,未建養殖設施時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕顯著,范圍集中在距岸約0.60 km內。覆蓋比例30%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕略有增強,范圍集中在距岸約0.60 km內。覆蓋比例 70%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕顯著,距岸約 6.0 km范圍內水下岸坡出現輕微侵蝕(圖8d)。對于剖面 3-3,未建養殖設施時,處于沖淤平衡狀態,岸線附近和養殖設施帶前緣微弱侵蝕。覆蓋比例30%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕略有增強。覆蓋比例70%時,岸線附近和養殖設施帶前緣侵蝕顯著,距岸約4.0 km范圍內水下岸坡出現輕微侵蝕(圖8f)。

圖8 不同土地利用情境下各剖面形態變化圖Fig.8 Changes in shape of cross-sections in different land use scenarios

4 討論

從20世紀90年代以來,萊州灣東岸潮上帶風沙地大部分已為工廠化海水養殖棚(池、塘)及相關設施所覆蓋,在海岸線與防護林之間形成了一條平行于岸線,并基本連續展布的養殖設施帶(仲少云等,2015)。野外調查結果顯示,隨著養殖設施帶的修建,最近20多年來萊州灣東岸蝕退范圍擴展、程度加重,與本文水動力數模計算結果相吻合,由此可見,本文所建立的數值模型是切實可行的。

如上述,三個剖面的流速總體上自海向陸先減小—后增大—再減小,岸線附近的流速最大。潮上帶未建養殖設施時,三個剖面的最大流速均不超過0.29m/s(圖6)。據有關研究,該流速僅能起動部分細砂(竇國仁,1960,1999;武漢水利電力學院河流動力學及河道整治教研組等,1961;唐存本,1964)。因此,除岸線附近的侵蝕相對顯著外,僅在剖面 1-1和 2-2距岸1km范圍內有微弱侵蝕,剖面3-3則基本處于沖淤平衡狀態(圖8)。此外,計算區域東北岸段的岸線附近,形成了 NE-SW 向平行岸線的侵蝕條帶,侵蝕強度較其它區域顯著(圖7)。由此可見,流速最大的岸線附近也是地貌侵蝕發生最顯著的區域。

隨著養殖設施持續擴建,覆蓋比例達70%時,剖面1-1和2-2岸線附近和距岸5km范圍內水下岸坡流速顯著增大,最大值0.41m/s,剖面1-1增大更顯著。剖面3-3岸線附近流速較其它海域增大顯著,最大值0.36m/s(圖6)。除礫石和部分粗砂外,上述流速幾乎能起動所有粒級的泥沙(竇國仁,1960,1999;張瑞瑾等,1961;唐存本,1964)。因此,剖面1-1和2-2岸線附近和距岸 5km范圍內水下岸坡侵蝕均顯著,剖面1-1更為顯著,剖面3-3岸線附近侵蝕顯著(圖8)。此外,在計算區域東北岸段,岸線附近平行海岸的侵蝕條帶向下游延伸至西邊界附近,10m等深線附近及其以淺侵蝕深度也顯著增大(圖7)。由此可見,侵蝕顯著部位與流速增大部位對應,且流速增大越顯著處侵蝕也越顯著。

計算海域屬于寬淺型區域,水平尺度遠大于垂直尺度。因此,可將實際三維浪流運動簡化為二維模型,但在預測地貌沖淤演變時略顯不足,無法同時直觀地呈現剖面地貌形態和平面岸線的進退。此外,本研究僅考慮了一種風暴工況,在今后研究中可考慮多種工況來全面深入地探討潮上帶土地利用的地貌沖淤效應。

5 結論

自從20世紀80年代中期開始,在潮上帶大規模地修建海水養殖設施,到 90年代初期在岸線與防護林之間形成了基本連續的養殖設施帶,深刻地改變了海岸水動力邊界條件,致使風暴潮時岸線附近波高和流速變化顯著。其中,波高沿橫剖面自海向陸波動減小,岸線兩側先增大、岸線附近達到最大后再減小;流速自海向陸先減小后增大再減小,岸線兩側先劇增、再劇減。潮上帶養殖設施修建顯著改變了原有的地貌演變趨勢,侵蝕強度和范圍均顯著增大。隨著養殖設施覆蓋比例的提高,在平面分布上,沿岸侵蝕條帶向下游延伸,向外海展寬;在剖面分布上,岸線附近的侵蝕深度和范圍均明顯增大,水下岸坡閉合水深加大,閉合位置向外海推移。因此,20世紀80年代中期以來的潮上帶土地利用對海岸邊界改變,導致風暴潮能量強度及分布發生深刻變化,是本地區最近二十年來海岸蝕退的重要原因。

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