大河三角洲河口海岸演化机理模型研究(I)模式理论与进展

收稿日期:2002-07-22;修订日期:2002-11-12 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40271020);中国科学院知识创新工程方向性项目(KZCX2-207-05、KZCX2-202-01);中国科学院知识创新工程领域前沿项目 作者简介:李国胜(1963-),男,江苏常州人,研究员。

主要从事海陆相互作用过程遥感与GIS 模拟研究。

大河三角洲河口海岸演化机理模型研究:(I )模式理论与进展李国胜1,李柏良1,王　凯2(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101; 2.中国科学院海洋研究所,青岛　266071)摘要:从水沙通量变化对大河三角洲河口海岸建造及地貌演化的影响机理角度,通过研究目前国际上普遍采用的统计模型、几何模型、沉积动力学模型,以及数值模拟模型四种方法在建立大河三角洲河口海岸演化机理模型研究中的各自特点和不足,提出了建立宏观尺度机理模型的初步设想,并对运用Lagrange 余流建立海岸演化机理模型所涉及的余流场的尺度转换、总余流场的建立和表达、用长期余流场构建泥沙起动、输运和沉积条件模式以及一线模型与三维动力模式耦合等关键性问题,提出了初步解决方案。

关　键　词:河口海岸;水沙通量;长期演化;机理模型;研究进展中图分类号:P737.12+1 文章编号:1000-0585(2003)01-0021-091　引言大河三角洲沿岸及其邻近的浅海陆架区以其巨大的河流物质供应和复杂的水动力条件,成为全球变化研究的典型区域。

因此,在一些全球性大型国际研究计划如IG BP 中的全球海洋通量联合研究、海岸带陆海相互作用研究,以及全球海洋生态系统研究与监测等,都把大河三角洲区域海陆相互作用研究作为全球变化研究的重要领域加以重视。

1991年成立的海岸带陆海相互作用(LOICZ )核心计划委员会积极有效地推动了新技术方法在海陆相互作用研究中的应用。

例如建立港湾环流—海岸海洋耦合模式,研制海岸风暴潮漫滩模式,建立与岸线稳定性有关的信息系统,对飓风灾害对海岸系统的影响进行模拟研究等。

随着遥感对地观测系统的建立以及地理信息系统技术的应用,运用观测、分析和解译、模拟、验证和预测等方法来研究海陆相互作用问题,精确阐明海洋—陆地—人类活动相互作用过程,从而获得对海岸系统的科学认识正在成为国际海陆相互作用研究的重要方向和发展趋势。

由于气候、海面、河流(径流与泥沙)入海通量和人类活动的变化,经常引起海岸带的物质输移、浅海环流、潮汐和波浪等要素的不同时间和空间尺度的变化,因此,对河流(径流与泥沙)入海通量及边界条件发生变化时的河口海岸演化机制研究,已经成为当前国际全球变化研究的前沿课题之一[1]。

大河三角洲区域的河口海岸演变,通常研究的长期海岸变化,不仅时间跨度大(年际以上时间尺度),涉及的空间范围从数千米到数万米,第22卷　第1期2003年1月地 理 研 究GEO GRAPHICAL RESEARCH Vol.22,No.1Jan.,2003而且动力条件也常常随着河流(径流与泥沙)入海通量及边界条件的改变而变化,因此海岸演变的物理机制非常复杂。

以我国黄河三角洲及其邻近海岸的演化为例,河流(径流与泥沙)入海通量及边界条件的变化一直影响和制约着黄河三角洲及其周边海岸的发育[2,3]。

最近50余年来,黄河口的平均入海输沙量达8.81亿吨/年以上,而1950～1985年的年平均输沙量达到10.6亿吨。

这些泥沙的输入,使河口向海洋延伸,三角洲岸线以每年150m 左右的速度向前淤进,累计造陆面积3000多km 2。

然而,上世纪70年代以来,黄河下游河道连年断流,而且时间越来越长。

1995年黄河下游河道断流122天,1996年断流136天。

黄河持续断流的产生,不仅阻断了黄河水量对大海输入,而且也同时断绝了黄河泥沙的输入,使三角洲发生了剧烈蚀退及动态平衡调整现象。

1979.10～1980.8三角洲面积减少了3km 2,1985.11～1986.6三角洲面积减少66km 2,1986.6～1987.5三角洲面积又减少了19km 2。

可见,通量条件变化对三角洲的长期演化过程起到关键性的作用。

如何科学合理地定量分析现行黄河三角洲及其邻近海岸区域,在不同的河流来水来沙条件下的边界蚀淤动态平衡临界关系,建立水沙通量变化条件下的大河三角洲海岸长期演化的机理模型,为黄河三角洲地区的可持续发展提供科学理论依据已是当务之急。

正是由于这些原因,基于通量(径流与泥沙)变化条件的大河三角洲及其邻近河口区域的海岸动态平衡调整(侵蚀或淤积)研究得到了国内外地貌学家、河口海岸学家、水利学家、物理海洋学家等的广泛关注。

2河口海岸演化模拟模型的研究现状大河三角洲河口海岸演化的研究工作尽管在国内很早就已经起步[4],并且已经取得了大量研究成果,但是,长期以来国内外学者对入海通量(径流与泥沙)变化条件下的大河三角洲河口海岸长期演化机理研究,从解决问题方法的角度来看,归纳起来基本是按照统计模型、几何模型、沉积动力模型,以及数值模拟模型四种技术路线进行的:第一,统计学模型方法。

长期以来,国内外学者对三角洲宏观演变的研究工作大多使用统计模型方法。

郭永盛等根据灰色系统的GM (1,1)模型利用输沙量来预测黄河三角洲的演化[5];孙效功、杨作升利用单输入、单输出的线性系统模型和最小二乘辨识算法来计算模拟现代黄河三角洲在水沙通量变化条件下的面积变化[6];李希宁等根据多年黄河三角洲地区的面积变化量与黄河年输入的水沙量进行相关分析,并得到了冲淤平衡的临界值[7]。

许炯心运用统计方法估算出当黄河入海年泥沙量为2.78亿吨、入海年水量为76.7亿m 3时,黄河三角洲造陆过程处于临界平衡状态[8]。

统计模型虽然在宏观上可以找到水沙通量对三角洲蚀淤作用的平衡点,但是却并没有考虑对三角洲的长期演化过程有直接影响的动力条件,研究性质仅限于统计规律,无法从机理上对三角洲的长期演化进行很好的解释,而且也无法对海岸变化的具体位置进行预测。

第二,几何学模型方法。

钱春林在研究引滦工程对滦河三角洲的影响中把三角洲的形状模拟成典型扇形,然后根据河流输沙量、海洋动力输沙量来计算海岸线的变化[9\〗。

冯金良、张稳也把滦河三角洲的演化看成椭圆形参数的变化[10]。

利用几何学模型来研究三角洲的演化实际上是对三角洲的形状作了概化,然后利用空间几何的方法来估算由于河流输入对三角洲冲淤的影响,虽然这些模型参数化了海洋动力学要素的影响,但是,这些结果只是对具有规则形状的三角洲的长期演化规律比较适用,对形态复杂的三角洲来说并不22　地 理 研 究22卷适用,模拟精度也较低。

第三,沉积动力学模型方法。

这种方法的要点是把潮流、波浪要素引入到大河三角洲河口海岸沉积动力学模型中,进而实现对大河三角洲河口海岸的演化机制阐述。

Ariathu 2rai and Krone [11],Cole and Miles [12],Holly [13],Teision and Latteux [14],Christopher [15],Van Rijn [16],Ebrahim and Jean [17]等,以及国内学者张世奇[18]、曹祖德等[19]、窦国仁等[20]、Shi et al.[21]、曹文洪[22]等都对此作过研究,一般都是根据潮流、波浪基本方程计算出潮流速度和波浪要素,然后代入泥沙输运方程中,计算由不平衡输沙运动引起的河床和海底三角洲地形的冲淤变化。

董礼先等曾借用潮流场对沉积物输运的关系来研究海床的冲淤过程,并利用沉积动力学的方法找出潮流对泥沙输运的作用,然后计算瞬时沉积量[23]。

这种方法虽然综合考虑了河口海岸地区泥沙运移所遇到的各种作用(径流、潮流、波浪等作用),以及研究断面的瞬时输沙率和瞬时沉积量,对河口地区的河床和河口附近的三角洲演变进行了比较好的模拟,但是这种模拟是建立在短时间尺度之上的,它的研究对象主要是瞬时的泥沙启动、扩散、沉积、再悬浮条件,而要进行长时间尺度及更大空间尺度的模拟就必须使用长期连续的资料或者进行概化处理。

第四,数值模拟模型方法。

数学模型是研究大河三角洲河口海岸演化效果较理想的工具,它不存在比尺效应等问题,改变模型参数很容易实现,且在合理考虑各种因素时,其结果可达到相当高的精度。

在平衡海岸,大河三角洲河口海岸的宏观演变模型是从一维模型(一线模型one -line model )开始的。

一线模型最初由Pelnard -Considere 引入[24],Bakker 把一线模型发展成为两维模型[25,26]。

Walton and Chiu 在总结一线模型分析方法的基础上发展出了非线性模型[27]。

Hanson and Kraus 比较系统地总结了一线模型方法,研究了沿岸输沙率的表述方法,并得到沙量平衡方程[28]。

Dabees and Kamphuis 建立了三维模型来模拟海岸在不同等深线下的蚀淤情况[29]。

张长宽[30],以及秦淮仁、贺江成[31]等都应用了一线模型对我国的一些沙质海岸地区的海岸线变化进行了研究。

虽然以数值模拟为基础的一线模型可以预测三角洲海岸的长期演化,但这种方法所面临的核心问题是如何进行横向输沙率和沿岸输沙率的准确计算[32～34]。

沿岸输沙率通常可以采用波能流法和潮流法来计算[35],这种方法不需要考虑波浪和潮流对泥沙的启动、沉积等条件,而只需要知道海底地形条件和波浪、潮流的一些指标就可以了,所得到的输沙率一般多为一个和多个潮汐周期下的一定空间内的输沙率,如果要想得到长时间尺度下的输沙率,一般都采取在时间上和空间上积分的办法,但是这种方法也同样需要连续(或平均)的相关资料。

近十几年来许多科学家为沿岸输沙率经验模型的发展做了大量的工作[36～42],他们对沿岸输沙经验参数、波浪条件、输沙的垂直变化都作了深入的研究。

横向输沙率一般可以采用类似河口沉积动力学的方法来计算,Swart 曾经在研究海岸横断面演变的时候,利用波浪与泥沙粒径输运关系给出了横向输沙率的公式[43],Kriebel and Dean 提出用微分的方法计算每单位体积的横向输沙率方法[44]。

樊社军等曾经在连云港淤泥质岸滩的侵蚀与堆积动力机制和剖面模式的研究中根据沉积物的水动力(波浪、潮流等)特征计算了横向输沙率和断面演变模式[45]。

3建立宏观尺度河口海岸演化机理模型的基本思路从以上四种研究方法的特点(见表1)及其研究对象、时间尺度、空间尺度、研究重　1期李国胜等:大河三角洲河口海岸演化机理模型研究:(I )模式理论与进展23　点和所需条件来看,虽然它们各具特色,但明显存在两方面的缺陷。

第一,统计模型和几何模型并不是机理模型,因而不能对大河三角洲海岸的长期演化进行机理性解释。