基于长江污染物输沙的杭州市沿岸滩滩演变分析

基于长江污染物输沙的杭州市沿岸滩滩演变分析

浅滩带是一个特殊的海岸带，是人类生存和发展的重要场所。海岸线为海岸的最前沿,其位置的动态迁移是海岸变化的重要标志,对陆海相互作用的响应极为敏感。同时,岸线位置的进退变化亦直接影响沿海地区港口工程和海堤的安全和正常运行。在当前海平面上升以及海岸带人类活动急剧加强的作用下,岸线变化深受关注和重视[3~6],加强海岸线演变及其变化趋势的研究对于沿海地区生态安全及可持续发展具有十分重要的现实意义。本文以杭州湾北岸龙泉—南竹港的实测岸滩剖面资料为基础,通过分析该岸段淤泥质海岸对长江入海泥沙减少等因素的响应特征,探讨岸滩不同等深线进退的作用过程与受控机制,由此构建RBF(径向基)神经网络模型对岸线变化进行模拟和预报,可为杭州湾北部沿岸资源可持续开发利用和海堤防护提供指导依据。1海堤平台的丁坝段龙泉—南竹港岸段位于杭州湾北岸中部,地处上海市金山区与奉贤区海岸的交界地带,为上海市化学工业区的重要海上屏障(图1)。该岸段基本为人工控制,沿岸线修建有以百年一遇高潮位为设防标准的防汛海堤(吴淞高程,约高9m),海堤向外的中潮滩上为宽约4~6m的混凝土低坝平台,其外侧是异形块体及宽约50m的抛石带。为防止海岸侵蚀和抵御台风与风暴潮袭击,同时布设有垂直于海堤的多条丁坝。该岸段前沿水域属浅海半日潮,近岸水域涨潮平均流速为1~1.5m/s,落潮平均流速小于0.5m/s,涨落潮流路基本与岸线平行,近岸低潮带以浅区沉积物组成为砂—粉砂—粘土,以深水域海床沉积物为粉砂和粘土。沿龙泉—南竹港岸段自东向西布设间隔约为1km的7个固定断面(图1),其中断面4和断面5之间为上海化学工业区的大型丁字型码头,上海化学工业区海堤管理所自20世纪90年代起对这些断面进行连续观测,监测以海堤平台(9m)为起点,向海延伸约1km至水深10m左右位置。收集了1998~2009年的断面资料;同时收集近50年来长江大通站的年输沙量资料。本文以吴淞零点为高程基准,计算龙泉—南竹港所测剖面的零米线距离海岸的位置,将其作为岸线进行分析。2学习方法2.1因素间关联度法灰色关联分析方法,是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度,亦即“灰色关联度”作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色关联分析的主要作用是揭示各个子因素对主因素的影响大小规律,其最大优点是按因素间发展态势作分析,对数据量无过高要求,可避免关联度的量化结果和定性分析不一。该方法原理清晰、计算便捷,应用广泛。2.2rbf神经网络神经网络是由大量简单元件相互连接而成的复杂网络,具有良好的容错性与联想记忆功能,能够进行复杂的逻辑运算和非线性关系分析,在诸多领域得到广泛应用。而其中的径向基神经网络,即RBF神经网络(图2),结构简单、训练简洁且收敛速度快,能够逼近任何线性、非线性函数,构建的模型在经济预测、水运和地质等方面均具有良好适应性。本文采用径向基函数(RBF)神经网络模型,即基于多个输入层和一个输出层的多对一映射关系,在综合考虑影响杭州湾北岸岸滩变化的可能因子前提下,将直接影响海堤安全的0m岸线的位置变化作为输出层。3结果与分析3.1基本形貌分析在此以断面5为例,绘制该断面0m岸线、-3m、-5m和-8m等深线(图3),对1998~2009年的离岸堤距离变化进行分析。如图所示,杭州湾北岸龙泉—南竹港岸段1998~2009年的10余年间,0m岸线总体以2000、2003以及2005年为趋势节点,呈现阶段性侵蚀状态。由于杭州湾北岸岸滩剖面基本呈反“S”型,其中水下斜坡在-3~-5m之间,为该区域地形强烈变化地带;-8m以深地形基本无大变化,为通常所说的闭合水深。因而以-3m、-5m表征水下斜坡的进退,-8m表征闭合水深的临界位置,这三条等深线的变化基本反映了杭州湾北部沿岸的动态演变。由图3所示,-3m和-5m出现类似0m岸线的变化,而-8m总体上呈现向离岸趋近的特征。显然,研究区岸段近10年来似处于侵蚀状态,更进一步的分析还需利用最近的海图进行冲淤对比研究。3.2驳岸冲淤对年输沙量响应的影响据长江大通站水文泥沙资料,显示近50年来长江年均入海泥沙量总体上呈趋势性减少趋势(图4)。20世纪60年代,长江入海泥沙为5.1×108t;70年代为4.2×108t;80年代为4.3×108t;90年代为3.4×108t;而21世纪初不足2×108t。尤其在2006年三峡工程建成后水库首次蓄水至156m,当年长江入海泥沙仅为0.86×108t。入海泥沙的减少与杭州湾北岸岸滩出现阶段性侵蚀的年份基本一致;而2000年前龙泉—南竹港岸段基本保持原有状态,即冲淤相对平衡,也和长江入海泥沙在此期间差异不大也有一定关系。进一步将7个断面的0m岸线、-3m、-5m、-8m等深线距海堤的位置进行平均,分别与大通年输沙量进行相关分析(图5)。结果表明,等深线位置的变化和入海泥沙的多寡呈现正相关,即杭州湾北岸的岸滩冲淤变化受控于长江入海泥沙的增减。考虑到等深线的变化对年输沙量响应可能存在滞后性,且7个断面实际观测资料时间序列较短,故再次对7个断面的0m岸线、-3m、-5m、-8m等深线进行平均,分别与大通年输沙量进行灰色关联分析(图6),结果表明,滞后一年的灰色关联度均大于同步相关,即滞后的关联程度总体上优于同步的关联程度,即岸线及等深线的后退滞后于长江入海泥沙的减少。长江入海泥沙通过长江口与杭州湾的泥沙通道或由涨潮流从口外带入到杭州湾北岸,而杭州湾北岸岸段在历史上曾经历大淤涨至大侵蚀和20世纪50年代以来侵蚀与淤涨交替的变化过程。因长江上游修建一系列水库,特别是2003年三峡水库运行后,使长江入海泥沙量近年来急剧减少,杭州湾北岸侵蚀明显加强,使该岸段岸线出现侵蚀后退。因此,长江口来沙剧减必然导致杭州湾北岸岸滩由淤积转向侵蚀。此外,每年夏秋之交的台风和热带风暴引起的风浪和增水影响,成为造成本区短期内滩地冲刷及围堤工程破坏的主要因素。近年来影响较为强烈的台风有199810、200012、200509、200716号。台风过境时引起的近岸增水和产生大的波况环境,使泥沙发生快速离岸运动,近岸沙坝被削平,海滩前滨侵蚀变陡,进而引起海岸侵蚀。200509号“麦莎”台风过境后,岸滩近岸水下类似沙坝的堆积体被削平、凹处填洼,水下平台改造成锯齿或较小的坝—槽,坝田淤积,抛石散乱,丁坝部分受损。因此,就本研究区而言,岸线出现侵蚀后退的系统性因素是长江入海泥沙的减少,而季节性的台风和热带风暴则在短期内控制岸滩的冲淤波动。另外,南汇边滩和杭州湾北岸围垦工程也是造成该岸段岸滩发生局部冲刷的影响因素。3.3径向基函数法通过灰色关联分析,长江入海泥沙多寡是杭州湾北岸侵蚀淤积与否的关键影响因素。但该岸段目前缺少长时间尺度的潮流及波浪变化的实际观测资料,因此若将潮流和波浪动力因素考虑在内对岸线进行模拟预报必然存在相当大的难度。我们先前的工作是将-3m、-5m以及-8m和0m岸线构建神经网络模型预测次年的0m岸线变化,没有考虑到长江入海泥沙这一控制性因子。因此,本文进一步以0m岸线、-3m、-5m、-8m等深线位置以及大通年输沙量,尝试构建基于代表典型动力地貌单元的等深线变化的RBF神经网络模型,实现对岸线的预报。基于此,本文利用先期年每个断面-3m、-5m、-8m等深线距离海堤的位置和大通年输沙量作为输入层,当年相应的0m岸线位置作为输出层,利用径向基函数构建神经网络进行网络训练,当训练完成后即可利用当年监测的-3m、-5m、-8m等深线的位置及大通年输沙量预测下一年固定断面0m岸线位置的变化。由于断面S4、断面S5紧邻“丁”字型码头,受人类工程影响较大,对预报结果会产生较大误差,因此不参与岸线预报。图7为基于径向基函数构建的神经网络模型对S1、S2、S3、S6和S7五个断面岸线位置进行的模拟和预报,其中2009年断面的岸线位置值为利用训练后的神经网络进行预报所得。结果显示,断面S3相对误差较大外,其余断面的相对误差均在20%左右,而断面S1、S2、S7的相对误差仅为16%~17%,总体而言误差较小。因此以-3m、-5m、-8m等深线的距岸堤位置值和大通年输沙量为输入向量,利用径向基函数在神经网络中训练,构建后一时间步长的岸线位置变化值为输出变量的神经网络模型是可行的,这为在现有实测资料条件下预测未来时段岸线变化提供了新的途径和方法。4侵蚀后10年来本文基于灰色关联和神经网络模型对杭州湾北岸龙泉—南竹港岸段的实测岸滩断面进行研究,结果表明:(1)杭州湾北岸龙泉—南竹港岸滩近10年来侵蚀与淤积交替出现,但总体处于侵蚀后退状态。(2)长江入海泥沙剧减