李雪艷 王 慶 王紅艷 戰(zhàn) 超 王 昕 仲少云 杜國云

(魯東大學(xué)海岸研究所 煙臺 264025)

海岸是陸海直接作用的地帶,能量、物質(zhì)輸運(yùn)、轉(zhuǎn)化極其活躍,自然環(huán)境系統(tǒng)極其敏感和脆弱,極易受風(fēng)暴潮和海平面上升等影響,導(dǎo)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(qiáng)烈的土地利用、水庫修建等人類活動(dòng),導(dǎo)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(fā)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(dǎo)致土地資源、人類財(cái)產(chǎn)直接損失外,還引發(fā)嚴(yán)峻的環(huán)境生態(tài)問題,制約、威脅著海岸帶可持續(xù)發(fā)展,成為影響海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要不確定性因素。

目前,海岸侵蝕或淤積放緩及其環(huán)境效應(yīng)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(guān)注和研究較少。從引發(fā)海岸蝕退及環(huán)境變遷的人為驅(qū)動(dòng)力看,海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的海岸環(huán)境效應(yīng)近年來受到國內(nèi)外學(xué)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(zhàn)超等,2013)。但是,關(guān)于潮上帶海水養(yǎng)殖對海岸動(dòng)力地貌過程,尤其是地貌沖淤變化影響的研究還少見報(bào)道。萊州灣東部為典型的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)砂岸,是我國工廠化海水養(yǎng)殖業(yè)最發(fā)達(dá)地區(qū)之一(仲少云等,2015),同時(shí)也是我國海岸侵蝕發(fā)生暨研究較早(莊振業(yè)等,1989),而且目前蝕退仍很嚴(yán)重的岸段。因此,本文以萊州灣東岸為例,研究潮上帶海水養(yǎng)殖設(shè)施建設(shè)對海岸地貌沖淤和蝕退的影響。

1 區(qū)域背景

萊州灣系公元 1855年以來形成的弱潮海灣,為現(xiàn)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(fā)育砂質(zhì)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(jīng)島嶼連陸、瀉湖淤塞而成現(xiàn)代海岸(莊振業(yè)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(jié)果(王琦等,1982)。

圖1 萊州灣東岸及本文計(jì)算區(qū)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(jì)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(jì)80年代,開始出現(xiàn)該段海岸侵蝕后退的報(bào)道,是我國較早發(fā)現(xiàn)并研究的蝕退砂岸(莊振業(yè)等,1989)。有研究認(rèn)為,水庫攔截導(dǎo)致河流入海輸沙減少是該段海岸蝕退的主要原因(莊振業(yè)等,1989;常瑞芳等,1993)。近期野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),從1990s年代初起該岸段蝕退范圍擴(kuò)大,強(qiáng)度有越來越大的趨勢。

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

調(diào)查表明,從20世紀(jì)90年代初以來,萊州灣東部潮上帶風(fēng)沙地大部為養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋,形成了平行岸線、寬達(dá)數(shù)百米,基本連續(xù)展布的養(yǎng)殖設(shè)施帶(仲少云等,2015)。土地覆被的高強(qiáng)度變化,必然導(dǎo)致風(fēng)暴潮消能空間及邊界條件變化。但是,關(guān)于其海岸地貌效應(yīng)及其對海岸侵蝕的影響尚缺乏專門研究,而其結(jié)果有助于解釋最近二十年隨著水庫修建時(shí)間的日漸久遠(yuǎn),該段海岸侵蝕不僅未因動(dòng)力地貌趨于平衡而減弱,反而越來越嚴(yán)重的地貌事實(shí)。

2 研究方法

在野外海岸地貌、沉積和蝕退狀況調(diào)查的基礎(chǔ)上,以界河口至石虎嘴岸段為典型岸段,運(yùn)用水動(dòng)力數(shù)值模擬方法,針對養(yǎng)殖設(shè)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(dòng)力進(jìn)行模擬計(jì)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(dòng)力地貌、沖淤狀態(tài)和侵蝕后退的影響。

2.1 模型搭建

根據(jù)該岸段水深、動(dòng)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(xué)研究所(DHI)開發(fā)的 MIKE21軟件進(jìn)行計(jì)算。所用動(dòng)量方程和連續(xù)方程分別如下:

式中: t為時(shí)間;h為水深;x、y為笛卡爾坐標(biāo)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(xiàng)排放量;pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?f為科氏力系數(shù)( f = 2 Ω sinφ,Ω 為地球自轉(zhuǎn)角速度,φ為地理緯度);ρ為水密度;ρ0為標(biāo)準(zhǔn)水密度;us、vs為源匯項(xiàng)流速在x、y方向分量;sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量;Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯力項(xiàng);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(kuò)散方程建立泥沙輸運(yùn)數(shù)值模型,如方程(5)所示:

根據(jù)萊州灣及渤海的潮汐及潮流場基本特征,模 型 計(jì) 算 海 域 的 范 圍 確 定 為 點(diǎn) Ⅰ(120°1.848′E,37°31.452′N)、點(diǎn) Ⅱ(120°10.068′E,37°37.050′N)、點(diǎn)Ⅲ(120°14.622′E,37°32.916′N)、 點(diǎn) Ⅳ(120°6.006′E,37°27.258′N)連線所構(gòu)成的矩形區(qū)域(圖2),計(jì)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(gè)開邊界(圖2)的水位ζ通過潮位預(yù)報(bào)方法獲得,計(jì)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(diào)和常數(shù)。其中,調(diào)和常數(shù)選用4個(gè)分潮,包括O1和K1兩個(gè)日分潮、M2和S2兩個(gè)半日分潮。

計(jì)算海域的東邊界設(shè)為外海來浪方向(圖2)。根據(jù)2003年10月10—12日萊州灣“10.11”特大溫帶風(fēng)暴潮資料,有效波高為4.5 m,波向?yàn)镹E。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(dòng)邊界內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的干濕變化,養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣假定為直墻邊界。根據(jù)1985年測量結(jié)果編繪的1∶10000地形圖,計(jì)算岸段潮上帶南邊界大致與岸線平行,其寬度統(tǒng)一確定為450 m。

計(jì)算海域的水深按1985年測量的1∶250000海圖數(shù)據(jù)確定,西、北和東邊界的開邊界處水位根據(jù)點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的潮汐預(yù)報(bào)水位經(jīng)線性插值得到(圖2a)。采用三角形網(wǎng)格法對計(jì)算海域進(jìn)行單元?jiǎng)澐?其中,外海區(qū)域的網(wǎng)格空間步長約為 700 m,近岸區(qū)域的步長約為25 m(圖2b)。

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

圖2 計(jì)算區(qū)域水深分布和網(wǎng)格劃分Fig.2 The water depths and grids of the study region

2.2 模型驗(yàn)證

由于計(jì)算海域內(nèi)沒有水文測站,采用距離最近的龍口站1984年9月24日4時(shí)至25日4時(shí)的潮位資料進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示,該海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮,一日潮位變化包括兩個(gè)漲潮和落潮過程,存在顯著的高低潮不等現(xiàn)象(圖3)。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果,數(shù)值模擬計(jì)算潮位與實(shí)測潮位吻合較好,模擬結(jié)果符合動(dòng)力地貌演變研究的精度要求。據(jù)此確定潮流場模型的渦擴(kuò)散系數(shù)(Cs)為0.28,曼寧糙率系數(shù)(n)為32,干濕動(dòng)邊界相關(guān)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(shè)置為隨緯度不同而不同。

圖3 計(jì)算海域潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification on tidal level of the study region

3 研究結(jié)果

3.1 對波高的影響

潮上帶養(yǎng)殖設(shè)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(fēng)暴潮作用12h和24h后,養(yǎng)殖設(shè)施占潮上帶比例30%和70%時(shí)近岸波高較0%(即沒有修建養(yǎng)殖池)時(shí)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(qiáng)呈現(xiàn)非單調(diào)變化的趨勢,養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例30%時(shí)最大。在不同的土地利用/土地覆被情境下,三個(gè)剖面波高的沿程波動(dòng)性差異顯著,但總體上自海向陸波動(dòng)均減小。在岸線兩側(cè)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(dǎo)致的能量損耗引起波高沿程衰減,在接近岸線時(shí)因發(fā)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(shè)置的直墻邊界位置不同,其所產(chǎn)生的反射波與入射波相互疊加后的結(jié)果也有所不同,從而導(dǎo)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?zhèn)鞑ミ^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(dòng)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(fēng)暴潮作用時(shí)間不同,也會(huì)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(shí)刻,水流主流向在近岸海域?yàn)镹E向,在靠近北邊界海域轉(zhuǎn)為NW向,在靠近西邊界海域則轉(zhuǎn)為NNE—E向。落急時(shí)刻,西邊界附近海域水流流向?yàn)镾W向,東邊界附近由NE向轉(zhuǎn)為EES向,共同流出北邊界。潮上帶養(yǎng)殖設(shè)施修建后,萊州灣東部海域的流場特征發(fā)生了顯著改變。隨著養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例的增大,無論落急時(shí)刻還是漲急時(shí)刻,東邊界附近流速矢量分布更加密集,流速顯著增大?？拷B(yǎng)殖設(shè)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(shí)刻西邊界海域水流主流向,由初始未建養(yǎng)殖設(shè)施時(shí)的NE向逐漸轉(zhuǎn)為E向(圖5)。

潮上帶養(yǎng)殖設(shè)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(xiàn)先減小—后增大—再減小的變化趨勢。在岸線兩側(cè),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(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例為 30%時(shí),除距岸約0.8—1.7 km范圍外,計(jì)算海域流速較未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用0%)時(shí)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(shí),除距岸約5.0 km之外范圍外,計(jì)算海域流速較覆蓋比例30%時(shí)顯著增大,岸線附近流速達(dá)0.41 m/s(圖6a和圖6b)。

對于剖面 2-2,養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例為 30%時(shí),潮上帶和距岸約3.0 km范圍內(nèi)流速較未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用0%)時(shí)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(shí),整個(gè)計(jì)算范圍內(nèi)流速較覆蓋比例30%時(shí)顯著增大,岸線附近流速達(dá)到0.41 m/s(圖6c和圖6d)。

對于剖面 3-3,養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例為 30%時(shí),潮上帶和距岸約 0.60 km范圍內(nèi)流速較未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用 0%)時(shí)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(shí),岸線附近流速較覆蓋比例30%時(shí)顯著增大,達(dá) 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(biāo)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(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例的提高,海岸地貌沖淤強(qiáng)度和分布范圍均顯著增大。侵蝕區(qū)域不斷向外海擴(kuò)展,向下游延伸,最遠(yuǎn)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(fēng)暴潮作用 12h后,潮上帶未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用 0%)時(shí),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(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例30%時(shí),東北岸段地貌沖淤發(fā)生調(diào)整,8.0 m等深線附近侵蝕帶向外海擴(kuò)展,局部達(dá)10.0 m等深線,5.0 m水深以外NE-SW向侵蝕條帶向外海擴(kuò)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(dá)0.06—1.0 m(圖7c)。養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例70%時(shí),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(dá)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(dá)0.08—1.50 m(圖7e)。

風(fēng)暴潮作用24h后,潮上帶未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用0%)時(shí),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(dá) 1.5—2.5m(圖7b)。養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例30%時(shí),海岸地貌沖淤調(diào)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(dá)1.0—1.5 m;東北段岸線附近侵蝕條帶進(jìn)一步向外海和陸側(cè)展寬,侵蝕深度達(dá)2.0—3.0 m(圖7d)。養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例70%時(shí),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(dá) 1.5—2.0m;岸線附近侵蝕條帶繼續(xù)向西南延伸、向外海和陸側(cè)展寬,侵蝕深度達(dá)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(biāo)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(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例的提高,各個(gè)剖面的侵蝕深度均隨之增強(qiáng),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(fēng)暴潮作用 12h后,對于剖面 1-1,潮上帶未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用0%)時(shí),岸線附近侵蝕明顯,養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣侵蝕微小;養(yǎng)殖設(shè)施覆蓋比例 30%和70%時(shí)侵蝕強(qiáng)度顯著增大,集中在距岸約4.0 km范圍內(nèi)(圖8a),養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣侵蝕略有增強(qiáng)。對于剖面2-2,未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用 0%)時(shí),岸線附近呈微侵蝕;覆蓋比例 30%時(shí),岸線附近仍呈微侵蝕,但比未建養(yǎng)殖設(shè)施時(shí)略有增強(qiáng);覆蓋比例為70%時(shí),岸線附近侵蝕較顯著,集中在距岸約 0.60 km 范圍內(nèi);不同覆蓋比例時(shí)養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣侵蝕均很微弱(圖8c)。對于剖面 3-3,未建養(yǎng)殖設(shè)施(即土地利用 0%)時(shí),基本處于沖淤平衡狀態(tài);覆蓋比例 30%時(shí),岸線附近和養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣出現(xiàn)微弱侵蝕,其余仍處于沖淤平衡狀態(tài);覆蓋比例70%時(shí),岸線附近和養(yǎng)殖設(shè)施帶前緣侵蝕較顯著(圖8e)。

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

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

4 討論

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

如上述,三個(gè)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(yǎng)殖設(shè)施時(shí),三個(gè)剖面的最大流速均不超過0.29m/s(圖6)。據(jù)有關(guān)研究,該流速僅能起動(dòng)部分細(xì)砂(竇國仁,1960,1999;武漢水利電力學(xué)院河流動(dòng)力學(xué)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(nèi)有微弱侵蝕,剖面3-3則基本處于沖淤平衡狀態(tài)(圖8)。此外,計(jì)算區(qū)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(qiáng)度較其它區(qū)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(fā)生最顯著的區(qū)域。

隨著養(yǎng)殖設(shè)施持續(xù)擴(kuò)建,覆蓋比例達(dá)70%時(shí),剖面1-1和2-2岸線附近和距岸5km范圍內(nèi)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(dòng)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(nèi)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(jì)算區(qū)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(yīng),且流速增大越顯著處侵蝕也越顯著。

計(jì)算海域?qū)儆趯挏\型區(qū)域,水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度。因此,可將實(shí)際三維浪流運(yùn)動(dòng)簡化為二維模型,但在預(yù)測地貌沖淤演變時(shí)略顯不足,無法同時(shí)直觀地呈現(xiàn)剖面地貌形態(tài)和平面岸線的進(jìn)退。此外,本研究僅考慮了一種風(fēng)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(yīng)。

5 結(jié)論

自從20世紀(jì)80年代中期開始,在潮上帶大規(guī)模地修建海水養(yǎng)殖設(shè)施,到 90年代初期在岸線與防護(hù)林之間形成了基本連續(xù)的養(yǎng)殖設(shè)施帶,深刻地改變了海岸水動(dòng)力邊界條件,致使風(fēng)暴潮時(shí)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(dòng)減小,岸線兩側(cè)先增大、岸線附近達(dá)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(cè)先劇增、再劇減。潮上帶養(yǎng)殖設(shè)施修建顯著改變了原有的地貌演變趨勢,侵蝕強(qiáng)度和范圍均顯著增大。隨著養(yǎng)殖設(shè)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(jì)80年代中期以來的潮上帶土地利用對海岸邊界改變,導(dǎo)致風(fēng)暴潮能量強(qiáng)度及分布發(fā)生深刻變化,是本地區(qū)最近二十年來海岸蝕退的重要原因。

王 慶,楊 華,仲少云等,2003.山東萊州淺灘的沉積動(dòng)態(tài)與地貌演變.地理學(xué)報(bào),58(5): 749—756

王 琦,周 莉,呂亞男,1982.萊州灣東緣沿岸沉積物的特征及運(yùn)移趨勢.海洋通報(bào),(1): 32—42

王兆印,程東升,劉 成,2005.人類活動(dòng)對典型三角洲演變的影響—Ⅰ長江和珠江三角洲.泥沙研究,(6): 76—81

王兆印,程東升,劉 成,2006.人類活動(dòng)對典型三角洲演變的影響—Ⅱ黃河和海河三角洲.泥沙研究,(1): 76—81

仲少云,王 慶,戰(zhàn) 超等,2015.最近50年來萊州灣東部典型砂岸潮上帶土地利用變化研究.海洋與湖沼,46(2):410—419

莊振業(yè),陳衛(wèi)民,許衛(wèi)東等,1989.山東半島若干平直砂岸近期強(qiáng)烈蝕退及其后果.青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),19(1): 90—98

莊振業(yè),鞠連軍,馮秀麗等,1994.山東萊州三山島—刁龍嘴地區(qū)沙壩瀉湖沉積和演化.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),14(4):43—52

武漢水利電力學(xué)院河流動(dòng)力學(xué)及河道整治教研組,1961.河流動(dòng)力學(xué).北京: 中國工業(yè)出版社,27—41

戰(zhàn) 超,王 慶,夏艷玲等,2013.膠東半島南部典型海灣地貌過程對灘涂養(yǎng)殖的響應(yīng).海洋與湖沼,44(2): 283—291

唐存本,1964.泥沙起動(dòng)規(guī)律.水利學(xué)報(bào),(2): 73—77

常瑞芳,莊振業(yè),吳建政,1993.山東半島西北海岸的蝕退與防護(hù).青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),23(3): 60—68

竇國仁,1960.論泥沙起動(dòng)流速.水利學(xué)報(bào),(4): 44—60竇國仁,1999.再論泥沙起動(dòng)流速.泥沙研究,(6): 1—9

蔡愛智,1980.刁龍咀海岸的發(fā)育.海洋與湖沼,11(3):204—210

Anh P T,Kroeze C,Bush S R et al,2010.Water pollution by intensive brackish shrimp farming in southeast Vietnam:Causes and options for control.Agricultural Water Management,97(6): 872—882

Berlanga-Robles C A,Ruiz-Luna A,Bocco G et al,2011.Spatial analysis of the impact of shrimp culture on the coastal wetlands on the Northern coast of Sinaloa,Mexico.Ocean &Coastal Management,54(7): 535—543

Dallas K L,Barnard P L,2011.Anthropogenic influences on shoreline and nearshore evolution in the San Francisco Bay coastal system.Estuarine,Coastal and Shelf Science,92(1):195—204

e Silva C A R,Dávalos P B,da Silveira Lobo Sternberg L et al,2010.The influence of shrimp farms organic waste management on chemical water quality.Estuarine,Coastal and Shelf Science,90(1): 55—60

Ericson J P,V?r?smarty C J,Lawrence Dingman S et al,2006.Effective sea-level rise and deltas: Causes of change and human dimension implications.Global and Planetary Change,50(1—2): 63—82

Fanos A M,1995.The impact of human activities on the erosion and accretion of the Nile Delta coast.Journal of Coastal Research,11(3): 821—833

Gao S,Wang Y P,Gao J H,2011.Sediment retention at the Changjiang sub-aqueous delta over a 57 year period in response to catchment changes.Estuarine,Coastal and Shelf Science,95(1): 29—38

Nicholls R J,Tol R S J,2006.Impacts and responses to sea-level rise: a global analysis of the SRES scenarios over the twenty-first century.Philosophical Transactions of the Royal Society A,364(1841): 1073—1095

Paul B G,Vogl C R,2011.Impacts of shrimp farming in Bangladesh: Challenges and alternatives.Ocean &Coastal Management,54(3): 201—211

Splinter K,Palmsten M L,Holman R A et al,2011.Comparison of measured and modeled run-up and resulting dune erosion during a lab experiment.In: Wang P,Rosati J D,Roberts T M eds.Coastal Sediments 2011: bring together theory and practice.Miami,Florida,USA: Word Scientific Publishing,782—795

Swapan M S H,Gavin M,2011.A desert in the delta:Participatory assessment of changing livelihoods induced by commercial shrimp farming in Southwest Bangladesh.Ocean &Coastal Management,54(1): 45—54

Yang S L,Belkin I M,Zhao Q Y et al,2003.Delta response to decline in sediment supply from the Yangtze River: evidence of the recent four decades and expectations for the next half-century.Estuarine,Coastal and Shelf Science,57(4):689—699

Yang S L,Milliman J D,Li P et al,2011a.50,000 days later:Erosion of the Yangtze River and its delta.Global and Planetary Change,75(1—2): 14—20

Yang Z S,Ji Y J,Bi N S et al,2011b.Sediment transport off the Huanghe (Yellow River)delta and in the adjacent Bohai Sea in winter and seasonal comparison.Estuarine,Coastal and Shelf Science,93(3): 173—181