苏北外条子泥沙洲潮沟系统动态变化分析

苏北外条子泥沙洲潮沟系统动态变化分析

潮沟是海滩和近海沙的特殊地形特征，其发育和发展可以作为评价整个海滩和沙区发展的重要依据。中国关于潮沟系统的研究始于20世纪80年代,如任美锷等研究了台风对江苏淤泥质海岸潮汐水道系统的活动性、平面形态的影响;张国栋等从沉积地质学角度对苏北港现代潮沟沉积结构、构造、发育阶段进行了研究;邵虚生、张忍顺等就苏北潮滩上潮水沟的类型、成因及控制因素进行了初步探讨;邵虚生还对长江口崇明岛、杭州湾北岸的潮水沟系统进行了简单论述;李炎等定性地论述了杭州湾庵东浅滩的潮水沟系统,指出潮水沟系统可有2～4级分支;孙效功等、崔承琦等利用分形分维的方法对黄河三角洲海岸潮沟系统进行了定量研究,量化了潮沟与潮滩发育之间的相关关系;陈才俊分析了江苏中部海堤大规模外迁后的潮沟发育,指出随潮滩的淤高、增宽和潮沟萎缩的同时,潮沟具有向多级发育的趋势。但目前多数研究是对某一时期潮沟系统的分析,而对较长时段内潮沟系统的详细动态演化过程、不同级别潮沟系统间的相互关系等研究欠佳;大多数研究对象集中于岸滩潮沟系统,对近岸沙洲潮沟系统研究较缺乏。本文在野外地貌、沉积物及水文调查基础上,结合利用1973～2000年10余张MSS、TM及SPOT遥感资料,对江苏岸外条子泥沙洲潮沟系统近期动态变化进行详细分析,以期掌握其变化的基本规律。1海洋水文条件江苏沿海中部近岸浅海陆架上分布有南北长约200km、东西宽约90km的辐射沙洲,以东台港为其辐射顶点,自该顶点向北、东和东南方向,共计分布有10余条形态完整的大型沙脊,分隔沙脊的是规模不等的潮汐通道,地质地貌状况十分复杂特殊。同时,该区域的海洋水文状况亦十分独特,江苏沿海潮汐主要受两个潮波系统的控制和影响,一是由东海传入黄海、自南向北传播的东海前进潮波系统;二是东海前进潮波系统受山东半岛的反射而产生的自北向南传播的南黄海旋转潮波系统,两个潮波系统的涨潮流在辐射沙洲的中部滩脊处相遇。由于辐射沙洲中部滩脊南、北两侧的沙洲地形条件不同,动力和地貌的响应程度亦不同,导致该地区形成复杂独特的地貌形态。研究区江苏岸外条子泥沙洲,位于辐射沙洲中心区,是众多沙洲中面积最大、距岸最近的沙洲(图1)。南北长约40km,东西宽约40km。以2000年卫片量计,低潮时(潮位162cm)出露面积为640.99km2。分割沙洲滩面的是4条南北向相通、东西向平行的潮沟系统,分别为死生港1——小灯桩港、死生港3——横港、西大港、高泥港。2地面控制点选取收集1973～2000年MSS、TM共14个时相遥感卫片(表1),选取近岸海域条子泥沙洲研究区。采用常规的目视解译,根据图像解译标志将各类地物要素界线描绘成图,详细解释各时期资料中条子泥沙洲形态及主要潮沟系统位置;结合野外定位资料(利用手持GPS在研究区自北向南、自西向东共采集42个地面控制点:公路交叉点,公路和沟渠交叉点,人工沟渠拐角或交叉点、公路与防潮堤岸交叉点,河闸和挡潮闸闸口,人工防潮海堤拐角或交叉点处等,在选点时尽量拉开点与点间距离,提高精确度),对地图进行配准,检验配准精度;对图像数字化,提出沙洲及水道,建立空间数据库,利用地理信息系统软件MapinfoProfessional对不同年代岸线、潮沟叠加对比,进行空间分析,计算沙洲面积变化状况及潮沟迁移摆动速度,以便反映动态变化过程。3研究结果3.1子粒洲潮沟系统的短期动态变化1入海流路初现该系列潮沟系统位于沙洲西北部,不同时期均为梁垛河闸入海潮沟,是与岸滩毗邻的重要潮沟系统(图2)。1973年11月16日卫片看出,梁垛河闸取大丫子港沿东北方向注入西洋,死生港只是一条发育于大丫子港南侧的小型潮沟,但死生港口门、大丫子港口门、梁垛河闸闸口三者连线几乎呈正三角形,且梁垛河闸闸口与死生港中段相距较近。此后,大丫子港北移萎缩,死生港发育壮大,中段急剧西移,南部尾梢段南伸与内王家槽串通;1980年10月24日卫片显示,死生港完全袭夺大丫子港成为梁垛河闸入海流路。1984年8月4日卫片显示,梁垛河闸下的死生港北移并分为二支,在其西南侧出现一条注入西大港的新潮沟(死生港1);死生港1在二分水滩脊处与内王家槽相通,在梁垛河闸闸口处亦与死生港相通;此后死生港缓慢向西北发展曲流并逐渐萎缩,而死生港1中段北移袭夺原死生港,与梁垛河闸相通;至1988年形成较为顺直的、独立的入海流路。1988～1995年间缺少卫片资料,很难判断这时内潮沟变化情况,暂不分析这期间变化状况(下同)。1996～2000年期间死生港1亦处于逐渐被袭夺中,向北发展曲流并逐渐萎缩,1996年卫片显示在其口门南侧发育一条较大型潮沟(死生港2),沟系发达,该潮沟的口门与梁垛河闸的距离与死生港1口门与梁垛河闸的距离几乎相等,且其尾梢逐渐向梁垛河闸闸口摆动,有袭夺死生港1趋势。2001年野外测量可知,死生港2已袭夺死生港1成为梁垛河的入海流路。2小灯桩港的发育情况该潮沟系统在不同时期均位于条子泥沙洲西南部,是与岸滩毗邻的重要潮沟系统(见图2)。1973年卫片中,内王家槽仅是位于沙洲南缘一条向滩脊处延伸的小沟汊;1974年夏,最佳天文条件引起的近地点塑望大潮在江苏沿海产生罕见高潮位,持续时间较长,冲刷能力较增强,在内王家槽南部口门处形成一条大型潮沟系统——条鱼港。条鱼港形成后向条子泥二分水滩脊处延伸,促使内王家槽规模增大;此后内王家槽向西摆动,向北延伸,向南发育弯道,尾梢分成多叉并与死生港相通,口门段迅速展宽;但自1980年后内王家槽尾梢不断萎缩、南退;至1988年内王家槽基本消失,而由小灯桩港向西摆动占据它原来位置。小灯桩港在1977年以前的卫片上尚没有痕迹,但在1978年卫片上却已有了较为明显的沟形,这表明在内王家槽不断发育壮大的过程中逐渐形成了小灯桩港,发育速度较快,很有可能是在原有的西大港南段废弃水道基础上发育起来的;1979年以后,小灯桩港发育逐渐成熟,至1988年已取代了内王家槽;1995～2000年迁移幅度不大,整体规模有逐渐萎缩的趋势。在小灯桩港逐渐萎缩同时,位于小灯桩港与西大港间的一条新生的潮沟系统——横港产生了。该潮沟在1997年以前的卫片上毫无迹象,综合分析1998～2000年卫片可知,1998年卫片上西大港西部两条分支中的一条有可能是横港的雏形,此后小灯桩港逐渐与西大港独立;至2000年,已成为一条南北向延伸、与岸平行的顺直潮沟系统。3西港形由水动力植物而组成的内部地区西大港是由南、北两个方向强大的潮流冲刷而成,发育历史较长(见图2),在1973年卫片上就已经具有明显的沟形,且规模较大。西大港近期的动态变化为:一是西大港的位置,始终是近似地位于沙洲中部,并大致将沙洲分为几乎相等的两部分;二是西大港摆动的范围,其东西摆动范围大致在条子泥纵向分布的两个较高滩脊之间,仅在水动力状况较为活跃时期会有个别分支潮沟超越这个界限,大部分时期均在这一范围内摆动;三是西大港规模(如长度、宽度等方面)的变化,从总体上讲,自1973年至今随着沙洲面积的不断扩大,西大港的规模有了较大的增加,尤其是当其处于不稳定的调整时期时,其潮沟分支较为复杂,如1998～2000年期间。4南部潮滩高脊内港型东大港位于西大港与高泥港间(见图2)。1973年卫片上尚未显示出东大港的位置,直至1977年随着沙洲向东扩展,发育了南北串通的东大港,南部与外王家槽连通,北部与西洋相通,在潮滩高脊处潮沟沟形不清晰,沟槽较浅。这种与西大港平行、南北串通的状态一直持续到1988年。在此期间,其规模通常会随着西大港和高泥港的摆动或扩张趋势而发生与之相反的变化。从1996～2000年卫片上可以看出,其北段沟系已萎缩不见,而南段沟系的位置及规模却总体变化不大,这主要是由于南部沙洲面积较大,为了渲泄该处滩面水,东大港南段得以保存,可以认为是西大港南段东支入海流路。5残留潮砂通道高泥港是位于条子泥最东部的潮沟系统,通常是外围小沙洲并滩后与条子泥滩面之间的残留潮汐通道(见图2)。1979年卫片上可以明显地看出由于高泥并滩而形成高泥港,其后随着外围小沙洲不断并滩,高泥港逐渐东移,但摆动幅度不大,相对较为稳定。3.2潮沟摆动的稳定性1)就各潮沟系统整体而言,西大港摆动幅度及速度最大,在所有潮沟系统中最活跃、最不稳定(表2、3),最大摆幅可达9.55km/a;死生港、内王家槽与小灯桩港次之,三者摆幅通常小于4km/a;东大港和高泥港摆幅相对最小,一般小于1.5km/a。通常当潮沟处于不稳定调整期时,其摆动速度和幅度会达到极值;在正常的发育演化过程中,其摆动速度和幅度较稳定,变化幅度不大。2)就某一潮沟系统的不同沟段而言,亦具有不同的摆动幅度(见表2、3)。通常死生港、内王家槽及小灯桩港的口门段摆动幅度较大,中段和尾梢段摆动幅度较小;西大港整个沟系的摆动幅度均较大;东大港、高泥港各个沟段的摆动幅度均较小。对于死生港与小灯桩港而言,潮沟的一侧有河闸闸口、垦区外堤坝等依托,在正常的天气状况下对潮沟摆动和演变起到较大控制作用;另一侧则是易于冲淤的平坦滩地,导致潮沟有很大的活动空间。对于发育于沙洲中部的西大港而言,摆动空间较大,且两侧没有明显的控制点,亦没有其它大型潮沟系统的发育,因而摆幅很大。对于东大港和高泥港而言,其潮沟两侧的边滩高差较大,使潮沟受到较大束缚,通常需要极大的动力条件下才能促使其发生摆动等现象,因而在其长时期的发育过程中基本比较稳定,很少出现大范围内摆动现象。3)潮沟的运动形式各种各样,基本类型有5种:延伸、平移、旋转、反向侧移、复杂变化,以及其它一些组合类型。这一方面表明潮沟的发育趋势,如当死生港、内王家槽等潮沟在发育初期时,其尾梢段使处于不断向二分水滩脊伸展的过程,说明该潮沟是处在不断发展壮大的过程中;另一方面也表明潮沟对水沙条件、动力状况改变以及突发事件所产生的地貌响应,如1996～1997年西大港便发生了反向侧移,查证资料发现这种现象极有可能是受到了1997年11年号台风的强烈作用,导致潮沟发生急剧的反向变化(图3)。4)西大港西侧近岸潮沟系统的摆动均具有一定的周期性,而西大港东侧潮沟系统则相对较为稳定。综上,死生港从开始发育到消失需要大约16年时间;计算分析稳定性系数可知1,死生港系列潮沟扫荡该片滩面亦需要16～17年时间。同理,内王家槽、小灯桩港、横港系列潮沟的摆动周期约为15年。相对而言,东大港和高泥港的摆动则不具有周期性,在一定程度上可以说,自产生后便处于不断东移、萎缩过程中;西大港摆动则通常限制在东西约15km左右、南北约35km左右范围内,周期受外界条件影响较大。5)潮沟的摆动有突变和渐变两种形式。突变往往与某种特殊的突变事件相关,如当发生特大风暴潮时,极易引起沙洲潮沟系统的重新调整,如产生新的沟系、大型沟系产生分支、已趋衰亡的沟系重新复活等。渐变往往与来水来沙条件的正常变化相关,当来水量来沙量发生变化时,潮沟的主流流向就会发生相应的变化,使边滩发生冲刷或淤积,引起潮沟的左右摆动。尤其当潮沟的挟沙能力较大时,这种现象最明显。3.3子沉积物洲潮沟系统的自动调整1进行物质和能量交换沙洲上任何一个潮沟系统均是直接或间接与外海相通的开放系统,与外部环境不断进行物质和能量交换,涨潮时潮流将大量泥沙和水输送至潮滩上部,落潮时潮流又将部分泥沙和水泄入滨外水域。潮沟会有一定的冲淤变化。潮沟的自动调整作用便是不断朝着水沙输移平衡的方向发展,外在表现为潮沟的形状变化和迁移摆动。2潮沟系统平衡布局的确定表现为多因素的综合调整,体现在某一潮沟的宽度、比降、流速、含沙量、形状等方面的调整变化,各潮沟系统之间的连通关系等。由于整个沙洲潮沟系统始终处于不断地动态变化之中,因而很难确定哪一种布局就是平衡布局,若我们假定当沙洲各个潮沟系统同时达到沟形较为顺直的情况时,认为整个沙洲潮沟系统基本达到了南北水沙输移的平衡,形成了平衡布局。由此,根据现有资料,近20年来,整个沙洲潮沟系统的平衡布局仅出现1988年,此时条子泥沙洲的整体布局是4条南北贯通的潮沟系统,在东西方向上平行分布,潮沟中部大致相隔6～7km;在南北方向上,大致以二分水滩脊为界,南北段呈对称分布,且南北段规模大致相等。同时,对于各部分滩面亦具有各自的平衡布局。3条子泥沙洲的规模由卫片可知,沙洲潮沟系统有一个很明显的特点,即自沙洲中部向两侧潮沟系统规模逐渐减小。位于沙洲中部的西大港是沙洲上规模最大的潮沟系统;向西为规模较小的死生港3——横港、死生港1——小灯桩港,向东为规模较小的高泥港。其中,死生港1、死生港3、横港、小灯桩港的雏形均为西大港的分支,其规模仅为西大港的一半,甚至更小;高泥港的规模更小。主要是由于条子泥沙洲位于南北两个潮波系统相汇地区,南北两侧涨、落潮流主轴的连线基本上是与岸相平行,在这条线上的潮沟系统即为水动力较强、规模较大的西大港;通过历年卫片分析发现,西大港就象是个潮沟“生产基地”,其西岸会不断地产生分支并向西南、西北摆动,成为该处滩面的主要潮沟系统。4潮沟的运动表现形态水沙条件分析1)各个主干潮沟系统的摆动幅度、速率均不相同,位于沙洲中部的西大港在所有潮沟系统中表现得最为活跃、最不稳定,死生港、内王家槽与小灯桩港次之,东大港和高泥港的摆幅最小;某一潮沟系统的各个沟段亦具有不同的摆动幅度、速率,往往与水沙条件的变化密切相关。2)西大港西侧