南汇—奉贤杭州湾北岸岸滩水下岸坡三维EOF分析

南汇—奉贤杭州湾北岸岸滩水下岸坡三维
EOF分析
一
九九七年
第一期
华东师范大学(自然科学版) JoUrtlalofEastChinaNormalUniversitvaturalScience
N0I
I997
f7一
南汇—奉贤杭帅I湾北岸岸滩
水下岸坡三维EOF分析
龙胜平
(华东师范大学国际商学院上海200062)
金庆祥
(华东师范大学出版社上海200062)
提要本文根据南亍[—奉贤杭州湾岸段1983～1990年1:2.5万水下地形图,在建立地形场
数据库基础上,应用三维经验特征函数(EOF)方法,对该岸段的水下岸坡进行整体研究.第
一
特征函数的时空结构反映了80年代以来该岸段的冲淤基本格局,贡献率达6790%;第
二特征函数则反映了长江分水分沙对杭州湾北岸岸滩影响,贡献率为iii7%.研究结果表
明南汇—奉贤岸滩在纵向和横向上的冲淤特点:纵向上以半渡港为界.以东呈淤积状态.以
西整体呈冲刷趋势;横向上,8米等深线为一振动节点".冲淤呈反向变化.研究结果对这
一
地区的海岸带开发具有重要意义
关键词三维经验特征函数岸滩演变杭州湾数据库
中图分类号亍一一,～'.
/f水撵r
剖面塑造是海岸研究的一个基本理论课题.岸滩剖面的变化是海岸环境变化的蠹要表
现.而岸滩的冲淤变动是渡浪,潮流等共同作用岸滩的结果,也可以看作是在波浪,潮流
等外力作用下的一种强迫振动(金庆祥等,t988)因此,渡浪,潮流等在空间和时间上的
变化必然造成岸滩时间上和空间上响应的渡动分析这些波动的有效途径之一便是经验特
征函数(EmpiricOrthogonalFunctions,简称EOF)方法1976年WinantandAubrey结合南加利福尼亚海滩剖面的研究,讨论了经验特征函数的稳定性和敏感性.Penaand
Lanfrdi(1986)用经验特征函数研究了阿根廷Pinamar渔港海滩剖面的变化.然而,上述
研究都是在砂质海岸地区进行的.淤泥质潮滩发育的影响因素远较砂质海岸复杂,且由于
工作条件的恶劣,详尽的潮滩资料的获取非常困难,致使淤泥质潮滩研究长期以来处在定
性描述的阶段,特别是潮滩剖面形态的研究工作更显不足.金庆祥等(1988)首次应用二维
EOF方法分析了杭州湾北岸金汇港附近磷泥质潮滩随时间的波动,并将潮滩的变化分解
为三十主要函数,用以说明整个潮滩的变化规律章可奇(1995)应用二维EOF方法
了金汇港和漕泾四条断面.实践证明,应用经验特征函数对淤泥质岸滩进行定量计算和分
国家教委博士点基金项目
本文于1995年9月12日收到
7O?华东师范大学(自然科学版)1997年第1期
析是一种行之有效的方法.本文则引进三维EOF方法,揭示杭州湾北岸岸滩冲淤变化的
时空结构.由于资料原因,本文工作区域为金山以东的南汇至奉贤岸段(如图1),所以文
章中提到的杭州湾北岸均指南汇至奉贤海岸.
1E0F方法简介
EOF方法是将岸滩看成一个地形场,把地形高程观测数据展开成为时间上和空间上
相互独立的一系列特征函数,以反应出整个岸滩变化的总体规律,因此岸滩剖面上每个测
点变化P,TF~是孤立的波动,而是相互有关联的组台变动.由于我们感兴趣的是岸滩渡动
相对性,而不是岸滩高程本身,故此,在数据处理上首先对岸滩高程距平场进行展开
岸滩高程测点时间序列数据可表示为
^一h(x,y,) (1)
式中x,y代表某一测点在地形场中的位置,为观测时间,,代表空间观测点总数,
代表时间观测点总数.为正确反映岸滩地形的相对变化,可将岸滩地形变化性表示成时
间和空间的正交函数.
,l
Af)=^)+∑Ⅱc,(f)(1.2)
式中,Ⅱ是归一化因子,c(f)为时间特征函数,)为空间特征函数.
口=(^')(1,3)
式中^为第i个特征函数的特征值.
计算时,通过坐标变换
)一0(14)
则:.2式为
h(x,yf)=h(x,)=∑ac(Oe)(15)
j一1
关于c(f),ei)和i的求法,由最小方差原理将发结为解下列特征方程:
A=^ek(=1,2,…,,t)
Be=c(=1,2,…,n,)(16)
而
A=上旧日1
nr月
肛(日日)()
式中上标代表矩阵的转置.特征值的总和等于矩阵的原始量.A和具有非零特征值. 一
般在处理上,只要取前项<min(n,Ⅳ))就可以近似地代表岸滩高程的相对
变化,eP:
^)≈h(xJ,)+∑口Ci(Oe,(xCe)
这里可以把空间特征函数el,e2……,,看成是个分渡,而岸滩的相对变化就是近似地
南汇—奉贤杭州湾北岸岸滩水下岸坡三维EOF分析?7l?
由这个个分渡合成的结果.个分波在某一时刻所作的贡献太小,则取决于该时刻时间特征函数值的大小
应用EOF方法对岸滩剖面的动态进行分析,其优点非常显着:(1)可以压缩大量资料,滤去非本质的随机挠动.(2)易于找出主成分.由于岸滩的波动是波浪,潮汐潮流,泥沙供给等各种物理因素.生物,化学因素综合作用的结果,而这些因素又彼此关
联,相互制约.因此,要在这些错综复杂的变化中找出起主导作用的因子,定量比较各因
子的重要性是不容易的.而通过经验特征函数分析,求得各特征函数的贡献率,通过贡献
率大小的比较,就可以找出起主导作用的因子.f3)各组特征函数是相互正交,互不相关
的.空间特征函数只依赖空间的变化,时间函数只依赖于时间的变化,这样便于分离空间
和时间上的波动正是因为如此,经验特征函数分析方法在地学领域内越来越引起研究者
们的重视,获得越来越广泛的应用.
2资料来源和处理
在这项研究过程中,首先对上海市水利局提供的1983～1990年l:2.5万历年南汇奉贤岸滩地形图进行数字化,一共选4l条剖面,其中南汇东濉9条,南汇南濉22条,奉
贤l0条.每条剖面取20个采样点,为了更准确的反映潮濉部分的冲淤情况,在近岸部分
每隔l[】(】米取一个点,共取l0点,另外距岸较远的l0个点每点间隔为250米.每条剖面
的第二十点总在一70米水深以外,所以我们认为这样的剖面结构能够充分反映潮滩和水
下岸坡的冲淤情况
借助于FOXBASE数据库管理系统,以每条剖面空间坐标和岸滩高程,Y,=)
为字段名,每年的采样点构成一个由60个字段,41个记录组成的岸滩高程信息管理数据
库.最后,把每年的数据库连接在一起,构成杭卅l湾北岸岸滩冲淤历年变化数据库管理系
统,为今后的研究奠定基础.同时,我们还读取了每条段面等深线的离岸距离,构成另外
一
个数据库,以便随时调用本文研究的目的在于揭示杭州湾北岸岸滩冲淤的宏观整体变
动,所以,研究中排除了局部地区由于工程等原因造成的地形上的奇异点五十年代末以
后南汇南滩受到严重冲刷,1960年芦潮港修建的挡潮排涝闸在1961年汛期因海岸侵蚀而
全部坍没倒毁;1962年在原址内400米处重建新闸,1964年为保护水闸及稳定岸滩,在
港口两侧建东一丁坝和西一丁坝;1971年修建东二丁坝,东三丁坝及西二丁坝,西三丁
坝.六条丁坝在稳定岸线的同时,改变了坝前水流的边界条件,使强大的水流能量集中,
从而在坝前区域产生淘蚀,坝前水深逐渐增大,先是在东三坝前出现深坑,继而西三坝前
也出现了深坑,两个深坑在不断扩大,最后在1981年连通合并,1987年最大水深达l1.15米.从其形成过程可知,此段深槽实际上是一个堤头冲刷坑但1987年以后,因水沙环境的急剧变化,冲刷坑迅速淤浅,至1989年冲刷坑已基本消失.如此局部的大冲
大淤不利于研究整体效应,所以在计算时排除了芦潮港六条丁坝所在的剖面同样,小勒
港附近,由于局部地形因素,在岸边曾一度出现一l059米的深坑,1990年的测图显示深
坑范围已经大大减小,水深也变为7.07米.所以我们认为这也是一个特殊地区,计算时
也不加考虑(此类特殊地形变动以后另作研究.
最后,我们选取汇角到金汇港东共30条剖面,600个采样点,对l983年到l990年逐年岸滩高程原始数据矩阵进行EOF计算
72?华东师范大学(自然科学版)1997年第l期
3计算结果分析
计算结果(表1)表明,第一,第二,第三特征函数的累积贡献率达到85.21%,因此前三个特征函数就已解释了杭卅l湾北岸岸滩的大部分变化情况
表1南汇南滩,奉贤岸滩三维经验特征函数计算结果
特征函数{特征根l贡献率(%)累积贡献率(%)
12.5896l67906790
2i0.4261I11177908
3102339I6138521
4j01888l4.959咀16
3.1第一特征函数
第一特征函数的贡献率为
679O%,这就说明杭州湾北岸
岸滩高程变动的大部分可以由第
一
特征函数来解释.第一特征函
数代表了岸滩的平均冲淤趋势.
第一时间特征函数呈单调下
降(图2),第一空间特征函数的
空间结构则表现为南汇南滩大部
分地区和金汇港西侧为负值;峰
值出现在汇角附近,往西迅速递
减(图3,图4).南汇南滩的半渡
港与泻水槽之间的近岸部分开始
出现正值,从此往西正值范围扩
大,但峰值出现在中港附近的近图l研究区位置示意图
岸部分奉贤境内,除金汇港以西的近岸部分为负值外,几乎所有剖面都呈现正值. 罄j
\,
j
\\
..,...
年
图2第一时间特征函数
表明岸滩冲淤幅度上的递减.
从第一特征函数来看,在.v)<0区域中,
ClOI(x)的数值从负到正,表明是递增
的,根据原始数据对高程的定义,Ah递增代
表淤积,因此,在e.(x,y)<0的区域,从
1983到1990年时段内呈现淤积趋势,淤积的
最强烈部位在忙角附近.从1983年到1990
年,汇角0米和50米等深线分别向海移动
1050米和1300米,强烈的淤积致使汇角水闸
淤塞报废,r)J在空间上自东向西递减,
在【,Y)>0区域中,C【(f)【(,Y)的数值从正到负,表明△^是递减的,表
明e【)>0的区域在1983~1990年时段内呈冲刷的趋势,冲刷的范围主要集中在奉贤
境内和南汇西部地区,冲刷幅度最大处在中港附近,中港东侧顺坝外脚趾高程1983年
馨
螬
南汇—奉贤杭州湾北岸岸滩水下岸坡三维EOF分析?73?
为265米,而1990年降为一O22米,平均每年刷深36厘米.冲刷强度自中港往西递减.
孽
蟮
图3第一空间特征函数,于零)图4第一空间特征函数f大干零)
第～特征函数的这种时空结构反映了八十年代以来杭卅l湾北岸岸滩冲淤的基本格局:
南汇南滩呈淤积趋势,而且淤积最强的部位总是在水下岸坡坡度最陡的地方,淤积幅度总
体上自东向西递减.南奉交界以西则呈冲刷状态,冲刷幅度亦是自东向西递减.众所周
知,岸滩的冲淤过程就是泥沙在各种动力作用下侵蚀和淤积过程.长江口作为杭卅l湾北岸
岸滩泥沙的主要来源,其泥沙数量和方向都直接影响着杭卅l湾北岸岸滩的冲淤变换.
长江口与杭卅l湾的泥沙交换主要以如下两种形式进行的:(1)长江径流扩散后.一部
分泥沙以冲淡水的形式随强劲的涨潮流进入杭卅J湾北部,一部分泥沙刷在涨潮时绕过南汇
嘴随涨潮流而进入杭州湾北岸水域由于长江口潮渡和杭州湾潮波的差异,在南汇东滩与
南滩之问形成的横比降是实现上述泥沙交换的主要机制.从低潮位到中潮位的时段内,长
江口南岸水位比杭州湾E岸水位高f以年平均低潮位为例,长江口中浚站为O.6O 米,芦潮
港站仅为O.22米),长江i:1水沙直接进入杭州湾北岸;而从中潮位到高潮位,则是杭州湾
北岸水位高于长江口南岸,杭:H1湾北岸水沙进人长江口f2)夏季是长江的洪水期,大量
泥沙人海后,由于盐淡水的交汇及台湾暖流从外部海域北上,促使半数以上的泥沙在口门
附近沉积,形成规模宏大的水下三角洲.冬季,在东北风的作用下,堆积在长江口的细颗
粒泥沙在波浪作用下再度悬浮;同时,由于台湾暖流的退缩,长江冲淡水主轴偏南,使得
长江南槽口外至绿华,大戢附近悬沙浓度成倍增加,大量泥沙由此南下,造成杭州湾水域
的高含沙量时期所以,长江口与杭州湾泥沙交换的多少直接决定了杭州湾北岸岸滩的冲
74?华东师范大学旧然科学版)1997年第1期
淤变化状况;而泥沙交换量的多少又直接取决于南北港和南北槽的分水分沙,及南支底沙
的下移情况若南槽的分水分沙量比较高,杭州湾北岸岸滩获得的泥沙就多,相应地南汇
南滩向外淤涨.在淤涨的同时,在长江口扩散水流和波浪共同作用下在南汇嘴形成的状似
沙嘴的拦头沙,对长江口和杭州湾的水沙交换起到了类似丁坝的作用,拦头沙摆动的角
度直接控制了南汇南滩的冲淤态势.
近年来,由于长江口南北槽的分水分沙发生变化和南槽底沙的下移出海,进入杭州湾
水域的泥沙增加,加上东滩侵蚀,迫使汇角拦头沙向南偏转.汇角及其以西海岸由于受
到拦头沙的掩避作用,淤涨幅度较大,特别是冬季因海水含沙量高,故而淤涨最为激烈.
随着拦头沙南摆,潮流顶冲位置西移,中港附近形成潮能积聚的峰值,岸滩侵蚀最为强
烈.往西侵蚀幅度逐渐衰减.第一特征函数反映了这一情况.
为了更直观,更明了地反映杭州湾北岸岸滩纵向的冲淤情况,我们选取了上述各剖面
孽
\/
\.
J●JJft,
正
圉5第-"tt,il司特征函数
部正值,离岸部分为负值f图6):相反
值,离岸部分为正值(图7),图上显示,
近.
中2,0和5.0米等深线,将其离岸距离作EOF
分析.结果表明,20米和50米等深线第一特
征函数的贡献率分别占到9195%和8905‰.
足以反映杭卅l湾北岸岸滩冲淤的基本情况计算
结果同样显示了上述冲淤趋势.
3.2第二特征函数
第二特征函数的贡献率为lJl7%.从第二
时间特征函数上看,cff)从1983年到1987年
呈单调递减,而l987年至1990年则为单调递增
(图5)第二空间特征函数的空间结构表现在南
汇南滩和奉贤东部地区的潮滩和水下岸坡的近岸
在奉贤西部海岸的潮滩和水下岸坡近岸部分为萤
第二空间特征函数的正负转换大约在80米深线附
在2(,Y)>0区域中,C(f)(x,y)的数值从正到负表明,在1983年到1987年期
间,杭州湾北岸8米以浅部分为相对冲刷的范围,其变幅以水下岸坡部分为最大研
究表
明,自五十年代末至八十年代初,南汇南滩近岸部分总的趋势是冲蚀刷深,随着冲刷强
度的增加,在芦潮港丁坝前出现冲刷槽.而在这期间,奉贤海岸近年部分则处于总体淤
涨阶段.因此,在e2yo的区域发生的冲刷情况是从五十年代末开始的
八七年以后南汇南滩和奉贤海岸则产生相反的变化,表明在l987I99o年
问,2(.]>0的区域表现为相对淤积实际上,正是在这个淤积背景下,芦潮港丁坝前冲刷槽在这段时期内很快趋于消失.
在2)<0的区域,其冲淤变化情况正好与e(,)>o区域的变化情况相反.
对比l987年前后长江口分水分沙的变化过程,这一变化特征与杭卅I湾北岸的第二特
征函数变化极为吻合,如赋予第二特征函数一定的物理概念,即在平均岸滩变化基础上,
第二特征函数反映了长江口分水分沙对杭州湾北岸岸滩演变的影响.
由此可知,杭州湾北岸岸滩冲淤不仅在纵向上有变化,在横向上也存在着明显的波
孽
南汇—奉贤杭州湾北岸岸滩水下岸坡三维EOF分析-75?
动.横向上的波动与纵向上的变化可互为补充.同时,第二时间特征函数表明这种波动在
1987年发生了突变,使得冲淤格局发生了根本性的变化.在本项研究过程中.我们发现
无论冲淤如何变化,8米等深线附近是～个十分明显的冲淤"平衡点"或称"节点"节点
以上若冲刷,下部则成淤积;上部若淤积,下部则冲刷关于"节点的动力机理究竟是什
么尚有待进一步研究
孽
图6第二空间特征函数{大于零)图7第二空间特征函数(/b于零,
3.3第三特征函数
第三特赶函数的贡献率为6.13%,从第三时间特在函数看,C(,)从1983～1984年呈递增,l984～l985年呈递减,1985～l987年递增,1987～1988年呈递减,1988～1989年
呈递增,1989--1990年递减.第三空间特征函数的表现也极为复杂,在南汇南滩的离岸
区域绝大部分为负值,其余地区正负相互交错.这说明杭州湾北岸岸滩冲淤存在着周期更
短,空间结构变化更为复杂的波动,这可能与波浪,风暴,海平面变化,沿岸各种形式的
海岸工程有关影响第三特征函数变动的因素也有待进一步的研究.
3.4结语
通过EOF分析,我们发现第一,第二特征函数的累积贡献率达79.08%,它们各自
代表的物理意义明确研究结果表明:(I)杭州湾北岸岸滩大致以南汇南滩的泻水槽与半
渡港为界,南汇南滩总体平均扶况表现为八十年代以来呈现淤积趋势,奉贤海岸除金汇港
西部柘林地区仍呈现淤积状态外,整体表现为冲刷趋势.因与泥沙来源和潮能的聚散相联
系,使得淤积峰值和冲刷峰值分别出现在南汇汇角及中港附近,峰值往西总体上呈衰减趋
'
76?华东师范大学(自然科学版)1997年第】期
势.(2)潮滩和水下岸坡近岸部分与离岸部分之间存在明显的冲淤变化,冲淤"节点大致
在8米等深线附近冲擀过程在1987年出现突变.(3)第三特征函数的时空结构极为复
杂,证明影响杭州湾北岸岸滩冲淤变化的因素很复杂.尤其是沿岸大量的海岸工程足以对
岸滩冲淤变化产生明显的影响=
致谢国家教委博士学科专项基金项目.研究过程中始终得到华东师范大学河口海岸研究所陈吉
余教授的悉心指导,上海市水利局陈科信高级工程师为研究工作的顺利进行创造了条件,井提出了许多
宝贵的意见.在此谨表谢眈l
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,longthenorthbankofHangzhouBaywithasealeofl:25000sincel983tol9903D emipricalorthogonalfunction(EOF)wasfirstusedtostudythestructureoftemporalandspa. tia1variationofthecoastaIevolution.Thebasiccharacterofthenearshoreprofilesevolution wasexpressedbythefirstemipricalorthogonalfunction.whoseCOntributionratewasupto 67.90%.Thesecondemipficalorthogonalfunction.whosecontributionratewasl117%.was usedtoexplaintheeffectofthechangesoftheChan鲥iaugEstuaryonthenearshoreprofiles evolution.Itwasprovedthat3D-EOFwasaveryuseru1methodtocoasta1researchandthere —suitsofthepresentpaperwasofimportantsignificancetothecoataldevelopmentand nlauagentofthenorthbankofHangzhouBay.
Keywords3D—EOFCoastalevolutionHangzhouBayDatabase。