杨留柱, 杨莉玲, 潘洪州, 刘超群, 喻丰华

海洋地貌学

人类活动影响下的钦州湾近期滩槽冲淤演变特征

杨留柱1,2,3, 杨莉玲1,2, 潘洪州1, 2, 刘超群1,2, 喻丰华1,2

1. 珠江水利委员会珠江水利科学研究院, 广东 广州 510611; 2. 水利部珠江河口动力学及伴生过程调控重点实验室, 广东 广州 510611; 3. 中山大学海洋学院, 广东 广州 510275

根据1980年代以来水下地形数据和遥感影像资料, 综合运用遥感与地理信息系统(geographic information system, GIS)、数值模拟等技术手段, 分析了钦州湾近期高强度人类活动影响下的滩槽平面变化和冲淤演变特征, 从动力地貌角度对演变原因进行了探讨。研究表明, 内湾茅尾海近期整体淤积, 2m等深线以浅的高滩淤积强度显著大于其他水域, 局部槽道由于人工采砂和潮流动力增强而出现冲刷。外湾整体以淤积为主, 但强度小于内湾, 滩和槽的冲淤特征差异显著, 西航道、中水道和边滩淤积, 中滩和东航道冲刷。高强度人类活动前后钦州湾涨、落潮量分别减少约4.59%和4.04%, 潮流动力减弱, 导致茅尾海不断淤积; 外湾中部岸线向海大幅推进, 使得中滩涨落潮流流势集中, 潮流速普遍增加0.1~0.2m·s–1, 是中滩大范围冲刷的主要原因; 东航道浚深后, 中槽涨落潮流向东航道产生归槽, 导致潮流动力减弱, 中槽萎缩。水平Kelvin数变化表明, 人类活动对外湾东航道和中水道的影响最大, 东航道稳定性增强, 中水道持续萎缩; 西航道受到影响较小, 稳定性基本保持不变。

钦州湾; 人类活动; 动力地貌; 演变特征

海湾是受海、陆共同作用的特殊水体, 具有独特的生态环境和极有价值的各类资源, 在航运、旅游、海水养殖等社会经济方面发挥着巨大作用。海湾地区一般是人口密集地区, 经济发达, 港口航道建设、滩涂围垦等人类活动对海湾的潮流、泥沙运动产生直接影响, 进而影响到海湾滩槽格局变化。人类活动对海湾尤其是河口湾的演变产生了显著影响, 甚至改变了自然状态下的演变趋势(Jabaloy- Sánchez et al, 2010; Jeuken et al, 2010; Wang et al, 2015; Wu et al, 2016; Xie et al, 2017)。关于钦州湾的已有研究主要集中在以下几个方面: 1) 钦州湾水沙运动特征(郑暖方, 1988; 李树华等, 1989; 高劲松等, 2014); 2) 钦州湾滩槽稳定性(张伯虎等, 2010; 王玉海等, 2010); 3) 钦州湾沉积动力环境等(黎广钊等, 2001, 2002; 阎新兴等, 2006; 张伯虎等, 2011)。关于人类活动对钦州湾滩槽冲淤演变影响的研究相对较少, 主要关注于单项工程如围填海对钦州湾地形变化影响与预测(王玉海, 2013; 董德信等, 2014, 2015)。研究钦州湾近期滩槽演变特征, 并综合各项人类活动分析其演变原因, 对于钦州湾的开发治理、港口建设、航道管理等具有一定的实际意义。

1 研究区概况

钦州湾位于北部湾顶部, 广西海岸中段, 是广西沿岸最大的重要海湾。该湾由内湾(茅尾海)、湾颈(鹰岭水道)和外湾(狭义上的钦州湾)三部分组成, 中间狭窄, 岛屿众多, 两端开阔, 呈哑铃状, 东、西、北三面为陆地环绕, 南面与北部湾相通, 北面有钦江、茅岭江注入, 是一个半封闭的天然河口湾。该湾口门宽29km, 纵深39km, 岸线长336km, 总面积380km2。茅尾海为陆相河流沉积地貌, 水深普遍小于2m, 由于钦江和茅岭江运入的泥沙在河口附近沉积而不断向海推进, 形成广阔的沙质和泥沙质潮间浅滩、潮沟、河口沙坝、潮流冲刷深槽等, 大致成近南北向展布。外湾与北部湾海域相连, 为陆架浅海, 发育水下浅滩地貌, 具有典型的潮流三角洲地貌特征: 湾中部有南南东和南南西向水深在4m 以内的沙洲分布(中滩), 将外湾潮汐通道分割成东航道和西航道, 航道水深普遍在10m以上, 中滩中部由于落潮流的不断冲刷发育一条南北向深槽, 即中水道。鹰岭水道是连接内湾与外湾的潮汐通道, 由于地形狭窄, 涨落潮流速较大, 通道在潮流冲刷作用下发育深槽, 水深在10m以上, 如图1所示。自20世纪90年代以来, 钦州湾经过大规模围填造地、港口航道建设、无序采砂等各种高强度开发活动, 其滩槽冲淤演变特征发生显著变化。

图1 钦州湾水下地形

图中茅尾海为2016年测图; 外湾及鹰岭水道为2014年海图; 高程基准为1985国家高程基准; 红色点为2016年6月水文观测站点

Fig. 1 Underwater topography of Qinzhou Bay

2 研究资料和方法

本研究所用地形资料主要有茅尾海2009、2016年的水下高程图, 外湾及鹰岭水道2004、2014年的海图; 遥感影像主要包括20世纪80年代以来钦州湾Landsat系列和国产高分卫星影像, 分辨率分别为30m和16m。地形资料处理方法如下: 1) 将海图、地形测图数字化, 得到水下地形高程数据, 统一高程基面和坐标系, 基准面采用1985国家高程基准; 2) 以Arcgis软件为平台, 采用Kriging内插方法将得到的水下地形高程数据插值生成数字高程模型(DEM); 3) 通过不同年代DEM数据提取等高线并叠加对比, 分析钦州湾滩槽格局变化; 将DEM数据进行高程叠合分析, 按地貌特征分区计算各单元容积及冲淤变化量, 并生成不同时段的冲淤变化图。

遥感影像处理方法如下: 1) 对遥感卫星影像进行几何校正、影像配准、图像增强等预处理, 突出显示水体流态、流路等信息; 2) 选取历史多期遥感影像, 根据影像提取历年岸线, 将不同年代岸线叠加分析岸线变化特征3) 根据潮汐、上游径流等情况, 选取相似水文组合条件下的遥感影像, 结合已有数值模拟成果, 分析钦州湾开发前后潮流动力变化。

为分析钦州湾大开发前后潮流动力变化情况, 基于不规则网格有限体积近岸海洋模型FVCOM模式(finite volume coastal ocean model)建立了钦州湾二维潮流数值模型(Chen et al, 2003)。计算网格采用三角形无结构网格, 分布如图2所示, 整个钦州湾水域划分为83702个网格, 最小网格步长为7m, 最大网格步长为5000m, 对重点研究区域进行局部加密处理。数值模拟时间为2016年6月10日10:00至2016年7月11日0:00, 时间步长为30s。上边界茅岭江与钦江均采用流量过程控制, 下边界由潮汐调和常数计算所得。分别于2016年6月19—20日、23—24日和28—29日期间在钦州湾水域开展了大、中、小潮连续27h的水文观测, 观测内容主要有分层流速、盐度、悬沙、水深等, 共计布设6个测站, 测站布设如图1所示。利用观测水文资料对模型计算潮流进行了验证, 限于篇幅本文仅列出部分站点验证情况, 如图3、4所示。从实测流速与模拟结果对比成果来看, 数学模型计算的流速基本与实测的流速趋势保持一致, 可能由于未能考虑风、浪等影响, 部分测点最大流速有所偏差。数值模拟结果总体是可信的, 可适用于后续分析。

图2 模型计算网格示意图

图3 大潮测次流速及流向验证

图4 小潮测次流速及流向验证

3 钦州湾近期冲淤演变特征

3.1 滩槽格局平面变化特征

3.1.1 茅尾海

茅尾海2009—2016年间0、2m等深线的对比如图5所示。滩槽平面变化主要有如下特征:

1) 0m等深线向深水推移显著, 浅滩淤积强度较大。0m等深线向湾内深水区推移, 向海最大推移距离1100m, 平均推移距离280m, 表明0m水深以浅浅滩淤积强度较大。

2) 茅岭江及大榄江出口段深槽保持稳定, 并向下游延伸; 湾内中部涨潮槽呈萎缩态势, 东侧涨潮槽向上游拓宽延伸。

图5 2009—2016年间茅尾海(内湾)等高线对比

从2m深槽变化来看, 茅岭江出口2m深槽上段保持基本稳定, 下段向南有所延伸, 延伸约1000m; 大榄江东出口2m深槽宽度有一定缩窄, 同时向下游延伸约420m; 湾内中部涨潮槽由于两侧浅滩淤积, 2m深槽宽度缩窄约200m; 东侧涨潮槽呈不断发育态势, 2009年以来向上游延伸约1700m, 与已有涨潮槽贯通。

3.1.2 钦州湾(外湾)

钦州湾(外湾)2004—2014年间4、7、10m等深线对比如图6所示。湾滩槽平面变化主要有如下特征:

1) 中滩西部(中水道以西)4m等深线以浅浅滩基本消失, 7m以浅浅滩向东西两侧淤积推进。

图6a显示, 2004年中滩西部(中水道以西) –4m等高线以浅浅滩仍连片集中分布, 至2014年浅滩大面积消失, 只在东侧有零星分布; 从–7m等高线来看, 中滩向东西两侧淤积, 平均推进约110m。

2) 中水道处于萎缩状态, 北部的淤积切断了中水道和西航道的联系, 中水道成为中滩上的孤立槽道。

中水道7m深槽北段淤积显著, 长约1700m的深槽消失, 目前中水道北段与西航道的联系已被切断; 南段7m深槽消失约420m, 中水道整体处于淤积萎缩状态, 已成为中滩上的孤立槽道。

3) 东、西航道由于中滩向东西两侧推进, 道宽度有一定缩窄。

东航道和西航道中上部7m深槽由于两侧浅滩的淤积, 航道宽度有一定缩窄, 平均缩窄约110m。

4) 东航道12m深槽与外海贯通。

2004年东航道12m深槽仅分布在鹰岭水道出口附近, 2004—2008年间进行了10万吨级深水航道疏浚, 疏浚总量约4530.7×104m3, 水道普遍挖深约4m(王玉海等, 2010), 至2014年12m深槽已与外海贯通。

图6 2004—2014年间外湾等高线对比

a. –4m; b. –7m; c. –12m

Fig. 6 Comparison of –4 m (a), –7 m (b), and –12 m (c) contours in the Outer Bay during 2004-2014

3.2 滩槽冲淤变化特征

3.2.1 茅尾海

茅尾海2009—2016年间冲淤速率分布见图7, 冲淤统计结果见表1。茅尾海整体以淤积为主, 淤积总量2803×104m3, 平均淤积速率0.04m·a–1。淤积主要集中在0m以浅的高滩面(85高程), 占淤积总量的92%, 速率在0.04~0.06m·a–1; –4 ~ –2m等高线间的滩面淤积强度较小, 速率在0.02m·a–1左右。冲刷区主要集中在茅岭江出口段深槽以及内湾东侧, 下切速率在0.1m·a–1以上。近年来茅尾海非法采砂活动突出, 主要集中在青草坪即茅岭江出口(王丹, 2016), 与茅岭江冲刷区基本重合, 因此茅岭江出口冲刷主要由采砂活动引起; 内湾东侧冲刷与外湾东航道的浚深有关, 航道浚深引起内湾东侧涨潮流动力增加而发生冲刷。

图7 2009—2016年间茅尾海冲淤速率分布

3.2.2 钦州湾(外湾)

外湾整体以淤积为主, 但强度小于内湾, 2004—2014年间淤积2073×104m3, 淤积速率0.01m·a–1, 滩和槽的冲淤特征差异显著, 西航道、中水道和边滩淤积, 中滩和东航道冲刷。西航道淤积速率在0.05m·a–1左右, 从断面变化来看(断面位置见图8), 深槽水深变化不大, 但宽度缩窄明显, 断面宽度缩窄约500m, 如图9; 中水道上段淤积明显, 淤积速率在0.1m·a–1左右; 0~4m水深边滩滩整体淤积, 淤积量2742×104m3, 平均淤积速率0.03m·a–1, 淤积区域主要集中在三墩公路沿线附近区域尤其是东侧水域, 三墩公路建成后阻断了东滩的潮流运动, 潮流动力减弱, 泥沙淤积显著; 中滩中上部显著下切, 平均下切2m, 速率在0.2m·a–1, 中滩南部淤积, 淤积速率在0.03m·a–1; 东槽整体下切, 平均下切3m, 速率在0.3m·a–1左右, 远超自然状态下的冲刷速率。

图8 2004—2014年间钦州湾冲淤速率分布

dm1、dm2为选取的横断面

Fig. 8 The speed of scour and silting of the Outer Bay during 2004-2014

表1 钦州湾冲淤特征参数统计表

图9 2004—2014年间断面dm1(a)和dm2(b)形态变化图

4 钦州湾演变原因初探

1) 滩涂围垦与港口建设显著减小钦州湾纳潮量, 潮流动力减弱, 是茅尾海不断淤积的主要原因之一。

1987年以来钦江河口湾岸线变化见图10所示, 钦州湾围垦面积共4633.12hm2。总体来看, 钦江河口湾岸线变化主要集中在2005—2015年间, 此期间占总变化面积的75%, 空间上主要集中在鹰岭水道南口、外湾金鼓江出口两侧, 此区域的岸线边界发生了显著变化, 开发利用方式以港口、道路建设为主。

高强度的滩涂围填使得河口涨落潮量均有所减小, 在同时考虑岸线和水下地形变化的条件下, 利用前述模型对大规模开发前后茅尾海涨落潮量变化进行了统计, 断面位置如图10, 统计结果见表2。MWH1—MWH3断面涨潮量分别减少9.03%、2.80%、1.94%, 减少幅度上游至下游逐渐减小; 落潮量分别减少3.58%、5.81%、2.72%, 中部断面减小幅度最大。纳潮量的减少会引起潮流动力的弱, 同时潮流挟沙能力减弱, 导致更多的上游来沙在内湾淤积。

图10 1987—2015年钦州湾岸线变化图

表2 2004—2014年间高强度人类活动下茅尾海涨落潮量变化统计

2) 外湾中部大幅缩窄, 使得中滩涨落潮流流势集中、流速增大, 导致中滩出现冲刷。

由图10可知, 钦州湾岸线变化最为显著地区域位于外湾中部的东西两侧, 东侧主要是三墩公路及三墩作业区码头的建设, 工程完工于2009年底, 岸线以近南向向海延伸约13.8km; 西侧是防城港核电站防波堤的建设, 岸线以东南向向海延伸约4km。由于东西两侧的围填, 外湾中部宽度减小约6.5km, 减幅达32%, 中部过流断面大幅缩窄。图11为主要围填工程建设前后钦州湾洪季涨、落急流变化图。由图11b可知, 在两侧围填作用下, 外湾中部水流集中, 涨、落潮流速有所增大, 涨急流速增幅介于0.1~0.2m·s–1之间, 落潮流速局部最大增幅达0.2m·s–1。中滩涨落潮流速的增加, 使得–4m以浅的浅滩出现冲刷。

图11 主要围填工程建设前后洪季涨急(a)和落急(b)流速变化

3) 三墩公公路对外湾东侧近岸区的落潮流产生显著地阻流和挑流作用, 公路沿线两侧近岸区域发生明显淤积。

图12为三墩公路和作业区建设前后钦州湾落潮流遥感流势对比, 在三墩公路建设前东航道落潮流主要以SE向输出湾外, 随着东航道的浚深和三墩公路的建设, 落潮流在三墩作业区北侧由SE向急转SW向, 同时三墩作业区人工岛对落潮落产生明显的挑流作用, 在公路沿线两侧形成缓流区。图11显示, 在工程建设前后, 公路西侧凹位水域的涨、落潮流速减幅均在0.1m·s–1以上, 流速的减弱为泥沙在区域的落淤提供了条件。

图12 三墩公路建设前(a)、后(b)落潮流遥感流势对比

4) 三墩公路的建设和东航道浚深是导致中水道萎缩及东航道稳定的主要原因。

由图11可知, 中水道和东航道涨落潮流速较三墩公路建设前减小约0.2m·s–1, 潮流动力减弱导致槽道的萎缩, 目前航道疏浚主要位于东航道, 因此东航道保持稳定而中水道萎缩。同时东航道的浚深使得更多潮流由中水道汇向东航道, 中水道动力进一步减弱, 是导致中槽萎缩的间接原因。

为进一步对比分析大规模工程前后各深槽侧向迁移能力及稳定性, 参考Zhong等(2018)运用水平Kelvin数(horizontal Kelvin number,eh)研究黄海南部潮汐通道稳定性的方法, 通过计算dm1、dm2所在深槽的eh分析工程建设对槽道稳定性影响(断面见图10)。eh由Cheng等(2017)提出, 用来表示平流梯度和科氏力在产生侧向环流中的相对重要性。eh越大, 侧向环流不对称性越强, 深槽侧向迁移的可能性越大, 深槽越不稳定, 反之亦然。其计算公式如下:

eh=c(1)

其中为科氏力参数(, ω=7.27×10–5,为当地纬度, 取21.6);深槽宽度;深槽最大流速;为重力加速度;为深槽最大水深,为盐收缩系数, 取7.7×10–4psu–1;c水平最大盐度差值, 经分析实测水文数据后取6。

各槽道参数选取及Kelvin数计算结果如表3所示。工程建设后, 中水道水深显著减小, 宽度增加明显(–4m以深, 下同), 流速有所减小, 因此其eh增幅最大, dm1和dm2平均增加约169%, 说明工程后中槽稳定性差, 与上述中水道不断萎缩结论一致; 东航道水深增加显著, 宽度有所缩窄, 流速有一定减小, 其eh较工程前显著减小, 平均减小约59%, 表明工程后东航道稳定性有所增强; 西航道宽度和水深均变化不大, 因此其深槽保持基本稳定。上述分析可知, 滩涂围填、航道疏浚等人为活动对外湾东航道和中水道的影响最大, 东航道稳定性增强, 中水道持续萎缩; 西航道受到影响较小, 稳定性保持基本不变。

表3 开发前后主要深槽水平Keh变化情况

5 结论

茅尾海近期整体淤积, 2m水深以浅的高滩淤积强度显著大于其他水域, 局部槽道由于人工采砂和潮流动力增强而出现冲刷。外湾整体以淤积为主, 但强度小于内湾, 滩和槽的冲淤特征差异显著, 西航道、中水道和边滩淤积, 中滩和东航道冲刷。

滩涂围垦与港口建设显著减小钦州湾纳潮量, 涨、落潮量平均减幅分别为4.59%、4.04%(MWH1—MWH3断面平均)。潮流动力减弱, 导致茅尾海不断淤积。外湾中部岸线向海大幅推进, 使得中滩涨落潮流流势集中, 潮流速普遍增加0.1~0.2m·s–1, 是中滩出现冲刷的主要原因。

三墩公路建设后中槽涨、落潮流速均显著减小, 直接导致了中水道萎缩; 东航道的浚深使得潮流由中槽汇向西槽, 中水道潮流动力进一步减弱, 是导致中槽萎缩的间接原因。eb值变化显示, 大规模人类活动对外湾东航道和中水道的影响最大, 东航道稳定性增强, 中水道持续萎缩; 西航道受到影响较小, 稳定性基本保持不变。

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Characteristics of recent evolution in Qinzhou Bay influenced by human activities

YANG Liuzhu1,2,3, YANG Liling1,2, PAN Hongzhou1, 2, LIU Chaoqun1,2, YU Fenghua1,2

1. The Pearl River Hydraulic Research Institute, Guangzhou 510611, China; 2. Key Laboratory of dynamics and associated process of the Pearl River Estuary, Ministry of water resources; 3. Sun Yat-sen University, Guangzhou, 510611, China

Based on the underwatertopographical data and remote sensing data from the 1980s, we analyze the characteristics of shoal-trough pattern change and erosion-siltation evolution in Qinzhou Bay under the influence of recent high intensity human activities. We also discuss the reasons from the aspect of dynamic geomorphology combining the methods of remote sensing, GIS, and numerical simulation. The results indicate that the Maowei Sea showed overall deposition, the siltation intensity of the shallow water area above the 2m isobath was significantly greater than that in the other areas, and the channel was characterized by erosion due to artificial sand mining and enhancement of tidal current. The outer bay was dominated by deposition, but its deposition rate was less than that of the inner bay. The scouring and silting characteristics of the shoal and trough were significantly different. The west channel, middle channel, and the side foreland were dominated by deposition, while Middle Shoal, East Channel were characterized by scour. Due to high intensity human activities, the flood and ebb tidal capacity of the Maowei Sea reduced 4.6% and 4%, respectively, which caused continuous deposit. The coastline in the middle of the outer bay has been pushed toward the sea significantly, which made the tidal current concentrated and increased velocity by 0.1~0.2 m·s–1, leading to the erosion of the Middle Shoal. The deepening of the East Channel made flow in the Middle Channel move to the East Channel, which made the Middle Channel shrink. The changes of the horizontal Kelvin number indicate that human activities have greater impact on the East and Middle channels of the outer bay. The stability of the East Channel is enhanced and the Middle Channel continues to shrink, while the stability of the West Channel remains basically unchanged.

Qinzhou Bay; human activities; dynamic geomorphology;evolution characteristics.

10.11978/2019013

http://www.jto.ac.cn

P737.12

A

1009-5470(2019)06-0041-10

2019-01-23;

2019-02-23。

林强编辑

国家重点研发计划项目(2018YFC0407804); 国家自然科学基金项目(51779280); 广西水利厅科技项目(201602)

杨留柱(1983—), 男, 河南省开封市人, 高级工程师, 博士研究生, 主要从事河口海岸演变方面研究。E-mail: yanglzhlz@qq.com

*致谢: 感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见，感谢编辑部对本文的修改和完善！

2019-01-23;

-02-23.

National Key Research and Development Project(2018YFC0407804) ; National Natural Science Foundation of China(51779280); Scientific and Technological Projects of Guangxi Water Resources Department(201602)

YANG Liuzhu. E-mail: yanglzhlz@qq.com

Editor: LIN Qiang