朱慶光, 倪文斐, 高建華, 賈建軍, 楊 磊, 龔緒龍, 汪亞平

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基于數(shù)值模擬與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的南黃海近岸沙脊與水道穩(wěn)定性評價(jià)

朱慶光1, 倪文斐2, 高建華1, 賈建軍3, 4, 楊 磊5, 6, 龔緒龍5, 6, 汪亞平1

(1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京210023; 2. University of Maryland Center for Environmental Science, MD Cambridge 21613, USA; 3. 國家海島開發(fā)與管理研究中心, 浙江杭州 310012; 4. 國家海洋局第二海洋研究所, 浙江杭州 310012; 5. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院, 江蘇南京210018; 6. 國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇南京210018)

以南黃海江蘇岸外輻射沙脊群為對象, 基于已驗(yàn)證的該區(qū)域沉積動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型模擬近30 a (1979~2011年)的水下地形演化, 計(jì)算輻射沙脊區(qū)域海底地形年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差, 對沙脊和水道的地貌穩(wěn)定性進(jìn)行定量評估。研究發(fā)現(xiàn), 地形變化標(biāo)準(zhǔn)偏差愈小, 地貌愈穩(wěn)定; 標(biāo)準(zhǔn)偏差愈高, 地貌愈不穩(wěn)定。定量地確定了南黃海輻射沙脊區(qū)域內(nèi)沙脊與水道穩(wěn)定性系數(shù)的時(shí)空分布, 發(fā)現(xiàn)主要淤積區(qū)域位于沙脊周圍, 近岸沙洲有淤高的趨勢; 主要侵蝕區(qū)位于水道, 沙脊間水道逐漸沖刷加深, 如西洋水道和黃沙洋水道。本研究提出的基于海底地形年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差確定地貌穩(wěn)定性評估方法, 可為海岸陸架地貌穩(wěn)定性研究、區(qū)域資源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)等提供參考。

沙脊; 潮汐水道; 地貌穩(wěn)定性; 數(shù)值模擬; 標(biāo)準(zhǔn)偏差; 南黃海

江蘇中部海岸外側(cè), 發(fā)育有全球獨(dú)特的輻射沙脊群地貌體系, 該體系南北長約200 km, 東西寬約140 km(圖1), 大體上以弶港為頂點(diǎn)、以黃沙洋為軸, 自岸向海成輻射狀展開[1-2]。該區(qū)域內(nèi)沙脊和深槽相間分布, 水深介于0~25 m, 部分沙洲在低潮時(shí)可露出水面并與陸地相連, 出露面積達(dá)2 125.45 km2, 形成了廣闊的岸外土地資源[3]。沙脊之間由潮汐通道分隔, 部分深槽水深條件優(yōu)越, 且地貌形態(tài)穩(wěn)定, 具備了建立天然深水良港的條件。

20世紀(jì)90年代以來, 由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要, 對于輻射沙脊群海域的研究主要集中在具有土地利用價(jià)值的大型沙洲, 以及近岸水深條件良好、具有工程意義的潮流通道[4]。朱大奎和龔文平[5]通過實(shí)測水文數(shù)據(jù)和地形演變分析對西洋水道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究, 發(fā)現(xiàn)西洋水道從20世紀(jì)60年代到90年代不斷沖寬刷深, 處于沖刷狀態(tài)。通過對跨度10~30 a不同時(shí)期的實(shí)測海底地形對比和鉆孔資料分析發(fā)現(xiàn), 黃沙洋、爛沙洋、大洪水道整體比較穩(wěn)定, 局部存在沖淤; 小廟洪水道口門呈現(xiàn)北淤南沖的趨勢[6-10]。倪文斐等[11]對苦水洋水道的沉積動(dòng)力特征進(jìn)行了研究, 并通過歷史海圖資料與最新的水道地形的對比, 進(jìn)一步探討了苦水洋水道的地形演變過程及穩(wěn)定性。隨著遙感技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展, 遙感觀測技術(shù)手段在沙洲和水道的地貌提取和演化趨勢分析等方面也得到了廣泛應(yīng)用。李海宇等[12]利用多期遙感影像和地形資料對輻射沙脊區(qū)域1980~1990年的地形演變趨勢進(jìn)行了定性分析。陳君等[13]利用多年遙感圖像解譯和現(xiàn)場實(shí)測水文資料,對東沙的地形、沉積特征, 以及30 a來的演化趨勢進(jìn)行了分析。高敏欽等[14]建立了輻射沙脊海域的水下數(shù)字高程模型, 定量計(jì)算了西洋水道和川腰港附近的沖淤變化。丁賢榮等[15]結(jié)合遙感觀測與地貌測量數(shù)據(jù), 研究了條子泥沙洲主要潮溝遷移與近期的地形沖淤過程。Liu等[16-17]通過對遙感圖片進(jìn)行水邊線提取的方法建立了東沙的精細(xì)化數(shù)字高程模型, 對東沙的地形演變進(jìn)行了定量化分析。

然而, 目前對于江蘇岸外輻射沙脊群海域沙脊與水道穩(wěn)定性的研究, 仍主要集中在東沙、條子泥、西洋等部分區(qū)域, 沙脊與水道的穩(wěn)定性評價(jià), 尚沒有可靠的評價(jià)方法。對于整個(gè)輻射沙脊系統(tǒng)而言, 地形實(shí)地測量艱難危險(xiǎn), 投入成本大; 遙感觀測手段雖然得到了長足的發(fā)展, 但是受限于反演水深的能力, 對潮汐水道的穩(wěn)定性評價(jià)仍存在一定誤差。因此, 基于沉積動(dòng)力學(xué)理論方法, 借助遙感、歷史海圖對比等手段, 建立一套較為完整的沙脊-水道地貌穩(wěn)定性評價(jià)體系, 對于該區(qū)域的海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文利用已有的地形資料, 建立了江蘇岸外輻射沙脊群地貌演化模型, 通過模型輸出輻射沙脊區(qū)域33 a地形數(shù)據(jù)的時(shí)間序列, 利用Matlab的統(tǒng)計(jì)分析功能, 計(jì)算地形數(shù)據(jù)年際變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 對沙脊和深槽的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析和評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

南黃海輻射沙脊群海域最主要的水動(dòng)力因素是潮汐, 東海的前進(jìn)潮波和黃海旋轉(zhuǎn)潮波控制著該海域的潮流場, 并在弶港附近海域交匯, 形成了具有輻聚輻散形式的潮流運(yùn)動(dòng)[2]。該區(qū)主要為正規(guī)半日潮, 潮差分布以新洋港為界向南北增加, 弶港至北坎一帶潮差最大, 平均潮差在4 m以上, 為強(qiáng)潮海岸; 其兩側(cè)潮差在2~4 m之間, 屬中潮海岸[18]。實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示該區(qū)潮流流速較強(qiáng), 平均流速為0.7~0.9 m/s, 強(qiáng)流速有利于沙脊-水道地貌的形成和改造[19]。

輻射沙脊的物質(zhì)基底主要是全新世海侵以來的古長江水下三角洲, 1855年黃河改道北歸后廢黃河水下三角洲的沉積物在潮流作用下向沙脊群輸運(yùn), 與南部現(xiàn)代長江沉積物一同成為沙脊群目前主要的沉積物來源[20]。南黃海海區(qū)底質(zhì)總體上以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主, 沉積物的類型主要有泥、粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂五種類型[20]。近岸海域在強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用下形成了終年存在的高懸沙濃度水體, 懸沙濃度的季節(jié)變化明顯, 冬季懸沙濃度最高, 整個(gè)海域平均懸沙濃度達(dá)0.3 kg/m3, 其次為春季, 夏季最低, 平均值僅為0.1 kg/m3[21]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

江蘇岸外輻射沙脊區(qū)域水動(dòng)力復(fù)雜, 地形變化劇烈, 實(shí)地地形測量艱難危險(xiǎn)且投入成本大, 因而通過傳統(tǒng)手段獲取該地區(qū)長時(shí)間的地形變化數(shù)據(jù)非常困難。本文采用數(shù)值模擬方法, 通過荷蘭Deltares研究所開發(fā)的Delft3D水動(dòng)力與沉積物輸運(yùn)數(shù)值模擬工具, 建立輻射沙脊區(qū)域的沉積動(dòng)力學(xué)模型(圖2), 模擬計(jì)算了該海域1979~2011年的地貌演化過程, 最終獲得該地區(qū)的地形變化時(shí)間序列。模型使用的原始地形是基于20世紀(jì)70年代海軍實(shí)際觀測水深, 海司航保部所制的1︰25萬水下地形圖(1979年)進(jìn)行數(shù)字化、空間插值所得到, 并校正到了平均海平面基準(zhǔn)面(85高程)。

運(yùn)用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證, 結(jié)果表明該模型能夠較準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)域的水動(dòng)力場和懸沙濃度場[22]。本研究組2011年在苦水洋海域獲得了高質(zhì)量海底地形數(shù)據(jù), 將模型輸出的苦水洋地區(qū)2011年模擬地形與實(shí)測地形進(jìn)行對比, 發(fā)現(xiàn)數(shù)值模型的結(jié)果與實(shí)測資料較吻合[22], 最大誤差為5 m, 平均誤差在±2 m以內(nèi)。因此, 將數(shù)值模擬獲得的整個(gè)南黃海輻射沙脊群海域的海底地形作為最新一期的數(shù)據(jù)(圖3), 可用于地貌穩(wěn)定性的分析和研究。

2.2 地貌穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)

標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviations, std)是統(tǒng)計(jì)學(xué)上一種量度數(shù)據(jù)分布離散程度的標(biāo)準(zhǔn), 用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小, 數(shù)據(jù)分布偏離平均值就越少, 反之亦然。將其應(yīng)用到地形數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析中, 計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)地形數(shù)據(jù)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 可以反映地形數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性。若標(biāo)準(zhǔn)偏差越大, 則地形數(shù)據(jù)偏離平均值的程度越大, 地形隨時(shí)間波動(dòng)的不穩(wěn)定性增強(qiáng); 反之, 標(biāo)準(zhǔn)偏差越小, 地形數(shù)據(jù)偏離平均值的程度越小, 地形較穩(wěn)定, 波動(dòng)小。

利用已驗(yàn)證的江蘇輻射沙脊群地貌演化模型, 逐年輸出1979~2011年輻射沙脊區(qū)域的地形數(shù)據(jù)(圖3)。通過Matlab對輸出的面狀地形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列的穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì), 利用軟件內(nèi)置std函數(shù)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)33 a地形變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差(圖2)。

其中,為統(tǒng)計(jì)年數(shù), 取值33;x為第年的地形高程值;為該點(diǎn)33 a地形高程平均值。將2011年的地形數(shù)據(jù)與1979年的地形數(shù)據(jù)作差, 將標(biāo)準(zhǔn)偏差根據(jù)該點(diǎn)的凈沖淤狀況, 賦以正負(fù)號, 正值判定為淤積, 負(fù)值判定為沖刷, 最終以帶符號的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為地貌穩(wěn)定性指標(biāo)。

3 結(jié)果

3.1 沙脊-水道穩(wěn)定性分級

利用Matlab對穩(wěn)定性指標(biāo)的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于–10~10之間, 且99%的數(shù)據(jù)位于–5.5~5.5之間(圖4), 分布在這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)基本代表了整個(gè)輻射沙脊區(qū)域地貌演化的穩(wěn)定性分布, 故為了計(jì)算方便, 將以標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量的穩(wěn)定性指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)選取為–5.5~5.5之間, 并均勻劃分為11個(gè)等級。

通過Matlab軟件對輻射沙脊地區(qū)地貌沖淤穩(wěn)定性作圖, 將統(tǒng)計(jì)得到的以標(biāo)準(zhǔn)偏差來衡量的沖淤穩(wěn)定性指標(biāo)從–5.5~5.5等值分為11級: –0.5~0.5為0級, 處于地貌沖淤穩(wěn)定狀態(tài); –0.5~–1.5為1級侵蝕; –1.5~–2.5為2級侵蝕; –2.5~–3.5為3級侵蝕; –3.5~ –4.5為4級侵蝕; <–4.5為5級侵蝕; 0.5~1.5為1級淤積; 1.5~2.5為2級淤積; 2.5~3.5為3級淤積; 3.5~4.5為4級淤積; >4.5為5級淤積(圖5)。

3.2 地貌演變及沖淤穩(wěn)定性分析

整體來看, 不同位置的水道-沙脊的演化趨勢和穩(wěn)定性不盡相同, 輻射沙脊地區(qū)淤積的范圍要大于沖刷的面積(圖5), 主要的淤積區(qū)域分布在沙脊周圍, 近岸主要沙洲有淤高的趨勢; 主要的侵蝕區(qū)分布在水道中, 沙脊間的主要水道逐漸沖刷加深, 如西洋水道和黃沙洋水道等; 部分的侵蝕和淤積區(qū)域呈條帶狀交替出現(xiàn), 在蔣家沙和爛沙洋近岸沙洲區(qū)域尤為明顯。

西洋和小陰沙是整個(gè)輻射沙脊地區(qū)沖淤變化最劇烈的區(qū)域(圖6), 西洋的穩(wěn)定性等級為–5, 在這32 a的演化過程中發(fā)生了劇烈的侵蝕過程, 這與朱大奎和龔文平[5]、黃海軍等[23]的研究較為符合。西大港向弶港方向沖刷延伸, 同時(shí)東大港也不斷侵蝕加深, 東、西大港之間的沙脊穩(wěn)定等級為5, 沿西洋向西北方向迅速發(fā)育并淤高。小陰沙的穩(wěn)定性等級也達(dá)到了5, 淤積明顯, 尤其是靠近東沙的區(qū)域, 變化最為劇烈。

東沙的外圍受到了輕微侵蝕, 穩(wěn)定等級–2~ –1之間, 說明東沙的面積在減小, 這與宋召軍等[24]的研究以及江蘇“908”近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)的結(jié)果一致。幾條主要的潮溝切割挖深在某些程度上也影響著東沙的沖淤演變, 東沙內(nèi)緣區(qū)域存在穩(wěn)定性等級為1的斑狀淤積。

條子泥沙洲近30 a來沖淤劇烈, 穩(wěn)定性等級主要在–3~3之間(圖7a), 相對穩(wěn)定區(qū)主要分布在弶港近岸和二分水灘脊, 沖淤格局呈現(xiàn)北沖南淤的特征, 外緣邊灘相對沖淤活躍, 這與丁賢榮等[15]通過遙感與地面測量相結(jié)合的方法研究近40 a來?xiàng)l子泥的沖淤演化得出的結(jié)論是一致的(圖7b)。

陳家塢槽和苦水洋均為輕微沖刷狀態(tài), 穩(wěn)定性等級由外海到近岸從–1減小到–2, 說明越往近岸方向沖刷程度越強(qiáng), 總體而言這兩條潮汐通道基本保持著穩(wěn)定和暢通(圖8)。毛竹沙和外毛竹沙在向海側(cè)非常穩(wěn)定, 穩(wěn)定性分級保持在0, 沖淤變化非常小, 但是隨著近岸水深的減小, 外毛竹沙的穩(wěn)定性分級增加到2左右, 在近岸側(cè)出現(xiàn)了較強(qiáng)的淤積。

位于輻射沙脊群南部的蔣家沙、河豚沙和太陽沙是淤積比較劇烈的區(qū)域(圖9)。它們的穩(wěn)定性分級普遍分布在2左右, 部分區(qū)域可到達(dá)4, 沙脊整體不斷淤高并向海生長。位于它們之間的幾條潮汐水道不斷沖刷挖深, 使得這3個(gè)沙脊出現(xiàn)了淤高變窄的趨勢。

黃沙洋整體的穩(wěn)定性分級保持在–2左右, 近30余年來不斷沖刷變寬, 近岸段水道受到強(qiáng)烈侵蝕。爛沙洋則較為穩(wěn)定, 僅在北部區(qū)域出現(xiàn)了穩(wěn)定性分級為–1的輕微沖刷, 整體沖淤基本平衡, 與鄒欣慶等[9]的研究結(jié)果較為吻合。

4 討論

本研究通過建立江蘇岸外輻射沙脊群地貌演化數(shù)值模型, 計(jì)算輻射沙脊區(qū)域地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差, 旨在建立該區(qū)域沙脊-水道沖淤穩(wěn)定性評估的分級標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法。結(jié)果表明, 研究區(qū)主要的淤積區(qū)域分布在沙脊周圍, 近岸主要沙洲有淤高的趨勢, 小陰沙、蔣家沙、河豚沙和太陽沙淤積劇烈。在東海前進(jìn)潮波和黃海旋轉(zhuǎn)潮波的控制下, 漲潮流在輻射沙脊區(qū)域占優(yōu)勢, 細(xì)顆粒沉積物有向岸輸運(yùn)的趨勢[25], 因此在細(xì)顆粒物質(zhì)不斷供給的條件下近岸沙洲和潮灘逐漸淤高。該區(qū)域內(nèi)的侵蝕區(qū)則主要分布在水道中, 沙脊間的主要水道在潮流作用下不斷沖刷加深, 尤其在潮流作用較強(qiáng)的區(qū)域, 如西洋水道和黃沙洋水道等, 出現(xiàn)了強(qiáng)烈的沖刷和侵蝕。從結(jié)果上看, 地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差所確定的沙脊與水道穩(wěn)定性系數(shù)的空間分布, 與輻射沙脊區(qū)域近30余年來的沖淤演化格局基本保持一致[5, 9, 15, 23-24], 該方法用于輻射沙脊地貌沖淤穩(wěn)定性的分級和評估是比較可靠的。

相較于傳統(tǒng)的僅計(jì)算單一沖淤變化所確立的地貌穩(wěn)定性評價(jià)方法, 例如江蘇“908”調(diào)查專項(xiàng)通過計(jì)算1979年和2006年的地形沖淤評估輻射沙脊地貌穩(wěn)定性, 本研究建立的年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)充分考慮了長周期的地形變化, 能夠更準(zhǔn)確、合理地對大范圍輻射沙脊地區(qū)的沙脊-水道穩(wěn)定性進(jìn)行評估。但這種方法也存在一些不足之處, 本文采用的地貌演化數(shù)值模型所模擬的是1979~2011年輻射沙脊地區(qū)自然條件下的地貌演化過程, 并未考慮人類活動(dòng)對地貌演化造成的影響, 圍墾、港口建設(shè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等大規(guī)模人類活動(dòng)將會(huì)對當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件和地貌演化造成劇烈影響[15, 26-28]。在這類人類活動(dòng)比較頻繁的區(qū)域, 本文得到的沖淤穩(wěn)定性分級可能與實(shí)際情況存在出入, 應(yīng)當(dāng)充分考慮人類活動(dòng)的影響采用更精細(xì)的手段進(jìn)行局地評估。同時(shí), 本文針對的是以潮汐為主要驅(qū)動(dòng)力塑造下的近岸沙脊-水道沖淤演化, 并未考慮極端動(dòng)力條件下的地貌過程, 在江蘇近岸海域, 臺風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮對海岸沉積速率、沉積結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征和地貌格局會(huì)產(chǎn)生重大影響[29], 破壞地貌系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在未來的研究工作中, 可將極端動(dòng)力條件下的地貌演化過程納入穩(wěn)定性評價(jià)中, 從而獲得更為完善的輻射沙脊群地貌穩(wěn)定性分布。

利用地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差評估近岸沙脊-水道地貌穩(wěn)定性的方法, 并不局限于本文所采用的特定研究手段, 通過遙感手段獲取的DEM、實(shí)地GPS-RTK測量的地形變化等都可采用這一方法進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析, 計(jì)算同一時(shí)間段內(nèi)地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差, 獲得地貌穩(wěn)定性分級指標(biāo)。通過不同研究手段獲得的穩(wěn)定性分級指標(biāo)間的比較和驗(yàn)證, 可以進(jìn)一步合理地對該區(qū)域的地貌穩(wěn)定性進(jìn)行評估。隨著研究的推進(jìn)和數(shù)據(jù)的不斷積累, 逐步建立不同區(qū)域的地貌穩(wěn)定性指標(biāo), 最終納入到統(tǒng)一的輻射沙脊群地貌沖淤穩(wěn)定性評價(jià)體系中(圖10)。

雖然本研究是以輻射狀沙脊系統(tǒng)地貌穩(wěn)定性為主要研究對象, 但是通過地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)評估地貌穩(wěn)定性這一方法仍然適用于其他沙脊系統(tǒng), 前提是必須有長期連續(xù)的逐年地形數(shù)據(jù)來進(jìn)行年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)。今后也應(yīng)該拓寬研究范圍, 結(jié)合沉積動(dòng)力學(xué)指標(biāo), 應(yīng)用到不同的海岸地貌系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究中。關(guān)于如何運(yùn)用沉積動(dòng)力學(xué)方法對海岸地貌穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià), 前人已有不少研究, 其中比較有代表性的是海底沙波遷移機(jī)制[30]和潮汐汊道穩(wěn)定性[31]研究, 這類研究對象與沙脊-水道地貌系統(tǒng)具有一定的相似性, 今后可將地形變化標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與在這類地貌系統(tǒng)中建立的沉積動(dòng)力學(xué)指標(biāo)相結(jié)合, 進(jìn)一步完善海岸地貌穩(wěn)定性的評價(jià)體系。

5 結(jié)論

采用地形數(shù)據(jù)年際變化標(biāo)準(zhǔn)偏差, 對近岸沙脊-水道的地貌穩(wěn)定性定量評估的方法是可行的。本文利用已有的地形資料, 建立了江蘇岸外輻射沙脊群地貌演化模型, 通過Matlab的統(tǒng)計(jì)分析功能, 計(jì)算地形數(shù)據(jù)年際變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 定量地確定了江蘇岸外輻射沙脊區(qū)域內(nèi)沙脊與水道穩(wěn)定性系數(shù)的時(shí)空分布。

地形變化標(biāo)準(zhǔn)偏差與沙脊-水道地貌穩(wěn)定性的關(guān)系是: 標(biāo)準(zhǔn)偏差愈小愈穩(wěn)定, 愈高愈不穩(wěn)定。

輻射沙脊群主要的淤積區(qū)域分布在沙脊周圍, 近岸沙洲有淤高的趨勢, 小陰沙、蔣家沙、河豚沙和太陽沙淤積劇烈; 主要的侵蝕區(qū)分布在水道中, 沙脊間的主要水道逐漸沖刷加深, 如西洋水道和黃沙洋水道。

[1] 中國人民解放軍海軍司令部航海保證部. 射陽河口至呂四港海圖[M]. 天津: 中國航海圖書出版社, 2001. The Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters. Seachart from the Sheyanghe River Estuary to Lüsi Port[M]. Tianjin: China Navigation Publications Press, 2001.

[2] 任美鍔. 江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報(bào)告[M]. 北京: 海洋出版社, 1986. Ren Meie. The Integrated Survey Report of Coastal Zone and Tidal Flat Resources in Jiangsu Province[M]. Beijing: China Ocean Press, 1986.

[3] 張長寬. 江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)總報(bào)告[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011. Zhang Changkuan. Special Report on Offshore Marine Comprehensive Survey and Evaluation in Jiangsu[M]. Beijing: Science Press, 2011.

[4] 張忍順, 陳才俊, 曹瓊英. 江蘇岸外沙洲及條子泥并陸前景研究[M]. 北京: 海洋出版社. 1992. Zhang Renshun, Chen Caijun, Cao Qiongying. Shoal’s Merging Prospect for Jiangsu Offshore Sand Banks and the Tiaozini Sand Bank[M]. Beijing: China Ocean Press, 1992.

[5] 朱大奎, 龔文平. 江蘇岸外海底沙脊群西洋水道的穩(wěn)定性分析[J]. 海洋通報(bào), 1994, 13(5): 36-43. Zhu Dakui, Gong Wenping. Stability analysis of Xiyang Channel in submarine sand ridges of offshore of Jiangsu[J]. Marine Science Bulletin, 1994, 13(5): 36-43.

[6] 蔡明理, 馬仲荃. 江蘇輻射沙洲潮汐通道建港可行性初探-以黃沙洋為例[J]. 海岸工程, 1992, (3): 34-42. Cai Mingli, Ma Zhongquan. On the feasibility of port building in theareas of Jiangsu radial shoal using the tidal-channels, A case study of Huangsayang[J]. China Coastal Engineering, 1992, (3): 34-42.

[7] 陳可鋒, 陸培東, 喻國華. 輻射沙脊小廟洪水道口門形態(tài)演變及其水動(dòng)力機(jī)制研究[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 51(2): 101-106. Chen Kefeng, Lu Peidong, Yu Guohua.Hydrodynamicmechanism of morphology revolution of theXiaomiaohong TidalChannelin radial sand ridges, Jiangsu Province[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2012, 51(2): 101-106.

[8] 朱大奎, 龔文平. 蘇北岸外海底沙脊群內(nèi)大洪水道的穩(wěn)定性分析[J]. 海岸工程, 1994, 13(4): 1-12. Zhu Dakui, Gong Wenping. Study of the stability of Dahong Tidal Channel in the North Jiangsu offshore submarine ridges[J]. China Coastal Engineering, 1994, 13(4): 1-12.

[9] 鄒欣慶, 殷勇, 馬勁松. 爛沙洋穩(wěn)定性研究[J]. 第四紀(jì)研究, 2006, 26(3): 334-339. Zou Xinqing, Yin Yong, Ma Jinsong. The stability of the Lanshayang Channel[J]. Quaternary Sciences, 2006, 26(3): 334-339.

[10] 何華春, 鄒欣慶, 李海宇. 江蘇岸外輻射沙脊群爛沙洋潮流通道穩(wěn)定性研究[J]. 海洋科學(xué), 2005, 29(1): 12-16. He Huachun, Zou Xinqing, Li Haiyu. Stabilityof major tidal channel in radial submarine sand ridges system offJiangsu Province[j]. Marine Sciences, 2005, 29(1): 12-16.

[11] 倪文斐, 汪亞平, 鄒欣慶, 等. 南黃海輻射沙脊群苦水洋海域的沉積動(dòng)力特征及穩(wěn)定性研究[J]. 海洋通報(bào), 2013, 32(6): 66-77. Ni Wenfei, Wang Yaping, Zou Xinqing, et al. Studyon the sediment dynamics and stability of the Kushuiyang Tidal Channel at radial sand ridges inthe Southern Yellow Sea[J].Marine Science Bulletin, 2013, 32(6): 66-77.

[12] 李海宇, 王穎. GIS與遙感支持下的南黃海輻射沙脊群現(xiàn)代演變趨勢分析[J]. 海洋科學(xué), 2002, 26(9): 61-65. Li Haiyu, Wang Ying. Change detection and trend analysis of the present evolution in submarine sand ridges of South Yellow Sea supported by GIS & remote sensing[J]. Marine Sciences, 2002, 26(9): 61-65.

[13] 陳君, 王義剛, 張忍順, 等. 江蘇岸外輻射沙脊群東沙穩(wěn)定性研究[J]. 海洋工程, 2007, 25(1): 105-113. Chen Jun, Wang Yigang, Zhang Renshun, et al. Stabilitystudy on the Dongsha Sandbanks insubmarine radial sand ridges field offJiangsu coast[J]. China Coastal Engineering, 2007, 25(1): 105-113.

[14] 高敏欽, 徐亮, 黎剛. 基于DEM的南黃海輻射沙脊群沖淤演變初步研究[J]. 海洋通報(bào), 2009, 28(4): 168- 176. Gao Minqin, Xu Liang, Li Gang. The study of scouring and silting evolution of radiative sand ridge filed ofthe South Yellow Sea in support of DEM[J]. Marine Science Bulletin, 2009, 28(4): 168-176.

[15] 丁賢榮, 康彥彥, 葛小平, 等. 輻射沙脊群條子泥動(dòng)力地貌演變遙感分析[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 39(2): 231-236. Ding Xianrong, Kang Yanyan, Ge Xiaoping, et al. Tidalflat evolution analysis using remotesensing onTiaozini flat of the radial sand ridges[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2011, 39(2): 231- 236.

[16] Liu Y, Li M, Cheng L, et al. Topographic mapping of offshore sandbank tidal flats using the waterline detection method: A case study on the Dongsha Sandbank of Jiangsu Radial Tidal Sand Ridges, China[J]. Marine Geodesy, 2012, 35(4): 362-378.

[17] Liu Y, Li M, Zhou M, et al. Quantitative analysis of the waterline method for topographical mapping of tidal flats: A case study in the Dongsha Sandbank, China[J]. Remote Sensing, 2013, 5(11): 6138-6158.

[18] 張忍順. 江蘇省淤泥質(zhì)潮灘的潮流特征及懸移質(zhì)沉積過程[J]. 海洋與湖沼, 1986, 17(3): 235-245. Zhang Renshun. Characteristics of tidal current and sedimentation of suspended load on tidal mud flat in Jiangsu Province[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1986, 17(3): 235-245.

[19] 諸裕良, 嚴(yán)以新, 薛鴻超. 南黃海輻射沙洲形成發(fā)育水動(dòng)力機(jī)制研究-Ⅰ. 潮流運(yùn)動(dòng)平面特征[J]. 中國科學(xué)(D輯: 地球科學(xué)), 1998, 28(5): 403-410. Zhu Yuliang, Yan Yixin, Xue Hongchao. Hydrodynamicmechanisims investigation forthe formationof radiative sand ridge filed of theSouth Yellow Sea-Ⅰ, Planarfeatures of tidal current movement[J]. Science in China (Series D), 1998, 28(5): 403-410.

[20] 王穎. 黃海陸架輻射沙脊群[M]. 北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002. Wang Ying. RadiativeSand Ridge Filed of theSouth Yellow Sea[m]. Beijing: China Environmental Science Press, 2002.

[21] 邢飛, 汪亞平, 高建華, 等. 江蘇近岸海域懸沙濃度的時(shí)空分布特征[J]. 海洋與湖沼, 2010, 41(3): 459-468. Xing Fei, Wang Yaping, Gao Jianhua, et al. Seasonal distributions of the concentrations of suspended sediment along Jiangsu coastal sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2010, 41(3): 459-468.

[22] 倪文斐. 黃南黃海輻射沙脊群區(qū)水道-沙洲-潮灘體系的地貌動(dòng)力過程模擬[D]. 南京: 南京大學(xué), 2014. Ni Wenfei. Numericalsimulation on the geomorphodynamics of tidal channel-sand ridge-tidal flat system in the Southern Yellow Sea[D]. Nanjing: Nanjing University, 2014.

[23] 黃海軍, 李成治. 南黃海海底輻射沙洲的現(xiàn)代變遷研究[J]. 海洋與湖沼, 1998, 29(6): 640-645. Huang Haijun, Li Chengzhi. A study on the present evolution of submarine radial sand ridges in the Southern Yellow Sea using remote sensing images[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1998, 29(6): 640-645.

[24] 宋召軍, 黃海軍, 王珍巖, 等. 蘇北潮灘的近期變化分析[J]. 海洋科學(xué), 2008, 32(6): 25-29. Song Zhaojun, Huang Haijun, Wang Zhenyan, et al. Spatial-temporal changes oftidal flatsin NorthJiangsu Province[J]. Marine Sciences, 2008, 32(6): 25-29.

[25] Zhang R. Suspended sediment transport processes on tidal mud flat in Jiangsu Province, China[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 1992, 35(3): 225-233.

[26] 何華春, 施楊, 殷勇, 等. 如東縣紫菜養(yǎng)殖對潮灘地貌的沖淤影響[J]. 第四紀(jì)研究, 2012, 32(6): 1161- 1172. He Huachun, Shi Yang, Yin Yong, et al. Impact of porphyra cultivation on sedimentary and morphological evolution of tidal flat in Rudong, Jiangsu Province[J]. Quaternary Sciences, 2012, 32(6): 1161-1172.

[27] 吳小根, 王愛軍. 人類活動(dòng)對蘇北潮灘發(fā)育的影響[J]. 地理科學(xué), 2005, 25(5): 104-110. Wu Xiaogen, Wang Aijun. Impacts of human beings' activities on North Jiangsu TidalFlat[J]. Scientia Geographica Sinica, 2005, 25(5): 104-110.

[28] 朱慶光, 馮振興, 徐夏楠, 等. 圍墾工程影響下的江蘇弶港潮灘剖面的演化機(jī)制[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2014, 3: 21-29. Zhu Qingguang, Feng Zhenxing, Xu Xianan, et al. Evolution of tidal flat profiles under the influence of land reclamation in Jiangsu Province[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2014, 3: 21-29.

[29] 任美鍔, 張忍順, 楊巨海, 等. 風(fēng)暴潮對淤泥質(zhì)海岸的影響-以江蘇省淤泥質(zhì)海岸為例[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 1983, 3(4): 1-24. Ren Meie, Zhang Renshun, Yang Juhai, et al. The influence of storm tide on mud plain coast, with special reference to Jiangsu Province[J].Marine Geology & Quaternary Geology, 1983, 3(4): 1-24.

[30] 王偉偉, 閻軍, 范奉鑫. 波流聯(lián)合作用下的海底沙波移動(dòng)對海底底床穩(wěn)定性影響的研究進(jìn)展[J]. 海洋科學(xué), 2007, 31(3): 89-93. Wang Weiwei, Yan Jun, Fan Fengxin. The research situation of bed-form stability influenced by seabed sand wave migration under wave combined current conditions[J].Marine Sciences, 2007, 31(3): 89-93.

[31] 高抒. 潮汐汊道形態(tài)動(dòng)力過程研究綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2008, 23(12): 1237-1248. Gao Shu. Morphodynamicprocesses of tidal inlets: A review[J]. Advances in Earth Sciences, 2008, 23(12): 1237-1248.

Evaluating the geomorphological stability of coastal sand ridges and tidal channels in the southern Yellow Sea using numerical simulation and statistical methods

ZHU Qing-guang1, NI Wen-fei2, GAO Jian-hua1, JIA Jian-jun3, 4, YANG Lei5, 6,GONG Xu-long5, 6, WANG Ya-ping1

(1. School of Geographic and Oceanographic Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 2. Center for Environmental Science, University of Maryland, Cambridge 21613, USA; 3. State Research Centre for Island Exploitation and Management, Hangzhou 310012, China; 4. Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China; 5. Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China; 6. Key laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources, Nanjing 210018, China)

This study establishes a geomorphological evolution model for the radial sand ridge system off the Jiangsu coast. By calculating the standard deviation (std) of the inter-annual variability of terrain elevation data output from the model, a quantitative classification of geomorphological stability for the sand ridges and tidal channels is proposed. The relation between std and geomorphological stability shows that the higher the std is, the more unstable the landform is, and vice versa. The results indicate that the major siltation areas are around the sand ridges, especially some nearshore sand banks, while the areas of major erosion are in the tidal channels between the sand ridges (e.g., the Xiyang Channel, the Kushuiyang Channel). Based on the inter-annual variability std of the terrain elevation data, this quantitative analysis method for evaluating geomorphological stability shows potential for applicability and is significant to geomorphological research, regional resource exploitation, and environment protection on coastal continental shelves.

sand ridges; tidal channels; geomorphological stability; numerical simulation; standard deviation; the southern Yellow Sea

(本文編輯: 李曉燕)

[Natural Science Foundation of China, No.41376044; China Geological Survey, No.1212011220005, No.1212011220002]

Oct. 8, 2015

P737.2

A

1000-3096(2016)08-0119-10

10.11759/hykx20151008005

2015-10-08;

2015-12-02

國家自然科學(xué)基金(41376044); 中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(1212011220005, 1212011014002)

朱慶光(1991-), 男, 廣東韶關(guān)人, 碩士研究生, 從事海洋沉積動(dòng)力學(xué)研究, E-mail: zhuqg1991@163.com