基于長(zhǎng)江污染物輸沙的杭州市沿岸灘灘演變分析

淺灘帶是一個(gè)特殊的海岸帶，是人類生存和發(fā)展的重要場(chǎng)所。海岸線為海岸的最前沿,其位置的動(dòng)態(tài)遷移是海岸變化的重要標(biāo)志,對(duì)陸海相互作用的響應(yīng)極為敏感。同時(shí),岸線位置的進(jìn)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(yùn)行。在當(dāng)前海平面上升以及海岸帶人類活動(dòng)急劇加強(qiáng)的作用下,岸線變化深受關(guān)注和重視[3~6],加強(qiáng)海岸線演變及其變化趨勢(shì)的研究對(duì)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(shí)意義。本文以杭州灣北岸龍泉—南竹港的實(shí)測(cè)岸灘剖面資料為基礎(chǔ),通過分析該岸段淤泥質(zhì)海岸對(duì)長(zhǎng)江入海泥沙減少等因素的響應(yīng)特征,探討岸灘不同等深線進(jìn)退的作用過程與受控機(jī)制,由此構(gòu)建RBF(徑向基)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)岸線變化進(jìn)行模擬和預(yù)報(bào),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(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)。1海堤平臺(tái)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(xué)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(shè)防標(biāo)準(zhǔn)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(tái),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(tái)風(fēng)與風(fēng)暴潮襲擊,同時(shí)布設(shè)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(shè)間隔約為1km的7個(gè)固定斷面(圖1),其中斷面4和斷面5之間為上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)的大型丁字型碼頭,上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)海堤管理所自20世紀(jì)90年代起對(duì)這些斷面進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),監(jiān)測(cè)以海堤平臺(tái)(9m)為起點(diǎn),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(shí)收集近50年來長(zhǎng)江大通站的年輸沙量資料。本文以吳淞零點(diǎn)為高程基準(zhǔn),計(jì)算龍泉—南竹港所測(cè)剖面的零米線距離海岸的位置,將其作為岸線進(jìn)行分析。2學(xué)習(xí)方法2.1因素間關(guān)聯(lián)度法灰色關(guān)聯(lián)分析方法,是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度,亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法?；疑P(guān)聯(lián)分析的主要作用是揭示各個(gè)子因素對(duì)主因素的影響大小規(guī)律,其最大優(yōu)點(diǎn)是按因素間發(fā)展態(tài)勢(shì)作分析,對(duì)數(shù)據(jù)量無過高要求,可避免關(guān)聯(lián)度的量化結(jié)果和定性分析不一。該方法原理清晰、計(jì)算便捷,應(yīng)用廣泛。2.2rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單元件相互連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),具有良好的容錯(cuò)性與聯(lián)想記憶功能,能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算和非線性關(guān)系分析,在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而其中的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(圖2),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、訓(xùn)練簡(jiǎn)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(jì)預(yù)測(cè)、水運(yùn)和地質(zhì)等方面均具有良好適應(yīng)性。本文采用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,即基于多個(gè)輸入層和一個(gè)輸出層的多對(duì)一映射關(guān)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(duì)1998~2009年的離岸堤距離變化進(jìn)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(shì)節(jié)點(diǎn),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(qiáng)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(jìn)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(dòng)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(jìn)一步的分析還需利用最近的海圖進(jìn)行沖淤對(duì)比研究。3.2駁岸沖淤對(duì)年輸沙量響應(yīng)的影響據(jù)長(zhǎng)江大通站水文泥沙資料,顯示近50年來長(zhǎng)江年均入海泥沙量總體上呈趨勢(shì)性減少趨勢(shì)(圖4)。20世紀(jì)60年代,長(zhǎng)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(jì)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(dāng)年長(zhǎng)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(duì)平衡,也和長(zhǎng)江入海泥沙在此期間差異不大也有一定關(guān)系。進(jìn)一步將7個(gè)斷面的0m岸線、-3m、-5m、-8m等深線距海堤的位置進(jìn)行平均,分別與大通年輸沙量進(jìn)行相關(guān)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(guān),即杭州灣北岸的岸灘沖淤變化受控于長(zhǎng)江入海泥沙的增減。考慮到等深線的變化對(duì)年輸沙量響應(yīng)可能存在滯后性,且7個(gè)斷面實(shí)際觀測(cè)資料時(shí)間序列較短,故再次對(duì)7個(gè)斷面的0m岸線、-3m、-5m、-8m等深線進(jìn)行平均,分別與大通年輸沙量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析(圖6),結(jié)果表明,滯后一年的灰色關(guān)聯(lián)度均大于同步相關(guān),即滯后的關(guān)聯(lián)程度總體上優(yōu)于同步的關(guān)聯(lián)程度,即岸線及等深線的后退滯后于長(zhǎng)江入海泥沙的減少。長(zhǎng)江入海泥沙通過長(zhǎng)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(jì)50年代以來侵蝕與淤漲交替的變化過程。因長(zhǎng)江上游修建一系列水庫,特別是2003年三峽水庫運(yùn)行后,使長(zhǎng)江入海泥沙量近年來急劇減少,杭州灣北岸侵蝕明顯加強(qiáng),使該岸段岸線出現(xiàn)侵蝕后退。因此,長(zhǎng)江口來沙劇減必然導(dǎo)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(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴引起的風(fēng)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(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)有199810、200012、200509、200716號(hào)。臺(tái)風(fēng)過境時(shí)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(yùn)動(dòng),近岸沙壩被削平,海灘前濱侵蝕變陡,進(jìn)而引起海岸侵蝕。200509號(hào)“麥莎”臺(tái)風(fēng)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(tái)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(zhǎng)江入海泥沙的減少,而季節(jié)性的臺(tái)風(fēng)和熱帶風(fēng)暴則在短期內(nèi)控制岸灘的沖淤波動(dòng)。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(guān)聯(lián)分析,長(zhǎng)江入海泥沙多寡是杭州灣北岸侵蝕淤積與否的關(guān)鍵影響因素。但該岸段目前缺少長(zhǎng)時(shí)間尺度的潮流及波浪變化的實(shí)際觀測(cè)資料,因此若將潮流和波浪動(dòng)力因素考慮在內(nèi)對(duì)岸線進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)必然存在相當(dāng)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(luò)模型預(yù)測(cè)次年的0m岸線變化,沒有考慮到長(zhǎng)江入海泥沙這一控制性因子。因此,本文進(jìn)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(dòng)力地貌單元的等深線變化的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)岸線的預(yù)報(bào)?；诖?本文利用先期年每個(gè)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(dāng)年相應(yīng)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(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,當(dāng)訓(xùn)練完成后即可利用當(dāng)年監(jiān)測(cè)的-3m、-5m、-8m等深線的位置及大通年輸沙量預(yù)測(cè)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(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大誤差,因此不參與岸線預(yù)報(bào)。圖7為基于徑向基函數(shù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)S1、S2、S3、S6和S7五個(gè)斷面岸線位置進(jìn)行的模擬和預(yù)報(bào),其中2009年斷面的岸線位置值為利用訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)報(bào)所得。結(jié)果顯示,斷面S3相對(duì)誤差較大外,其余斷面的相對(duì)誤差均在20%左右,而斷面S1、S2、S7的相對(duì)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(luò)中訓(xùn)練,構(gòu)建后一時(shí)間步長(zhǎng)的岸線位置變化值為輸出變量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是可行的,這為在現(xiàn)有實(shí)測(cè)資料條件下預(yù)測(cè)未來時(shí)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(guān)聯(lián)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)杭州灣北岸龍泉—南竹港岸段的實(shí)測(cè)岸灘斷面進(jìn)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(zhǎng)江入海泥沙劇減