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胶州湾演变对人类活动的响应

史经昊  
【摘要】: 本文基于胶州湾多年历史资料,并以环境流体动力学模型(EFDC)为基础,建立起一个环境动力学综合模型。通过实测资料对模型的验证,模拟了胶州湾四个年份的水动力、水交换、泥沙运动和底床冲淤演变过程。根据实测和模拟结果,提取了胶州湾形态、动力和环境指标。根据上述指标,从几何形态、水动力、水交换和底床冲淤几方面,对一百多年以来胶州湾演化过程进行较为系统地研究,重点探讨人类活动对胶州湾演化的影响。 1935年以前,胶州湾岸线主要处于自然演变状态。1935年之后,在人类活动的影响下,胶州湾岸线发生了剧烈变化。各种岸线类型和长度的历史变化反映了人类对胶州湾开发利用的几个阶段。从1863年到2005年间,胶州湾总水域面积减少了37.2%,最低低潮线以深的区域面积减少了近10%,潮滩面积缩小了70.8%。胶州湾体积逐渐缩小,大潮平均高潮位体积缩小了9.7%。胶州湾几何形态演变可划分为三个阶段:上个世纪三十年代以前,为自然演化阶段;上个世纪三十年代到八十年代,为自然因素和人为因素共同作用阶段;上个世纪九十年代以后,人为因素起主导作用。 近几十年来胶州湾潮汐、潮流和余流的变化表明,胶州湾水动力呈现出逐渐弱化的状态。湾内潮振幅减少相位提前。从1966年到2008年,湾内M2分潮振幅平均减少了2cm,相位提前了1度。胶州湾潮流流速逐渐减小,尤其内湾减少程度更大。从1935年到2008年,湾口最大表层涨潮流速降低了0.71m/s,减少了近40%;落潮流速降低了0.42·m/s,减少了约30%。余流环流结构表现为强度变弱,范围减小,局部余流涡旋消失。 纳潮量的降低主要是水域面积缩小造成的。近百年以来,胶州湾纳潮量减少了26%。从1966年到2008年,各子海湾纳潮量均有所减小。影响水交换时间的主要因素有三个:水体相对湾口的距离,潮余流场结构和潮滩地貌。1966年以来,胶州湾水交换时间变化趋势总体上保持一致:从湾口向湾顶递增,东部海区大于西部。1986年之前胶州湾水交换能力有所增加,1986年之后逐年降低。目前,胶州湾整体平均滞留时间为42天。各区域水交换能力的变化有所不同。回流因子变化表明在上个世纪九十年代胶州湾动力场结构得到根本改变。水域面积、海湾体积、纳潮量、回流因子、水体混合程度和相应的平均滞留时间是影响胶州湾水交换能力的主要因素,这些因素之间相互影响,相互制约。此外,通过引入一个混合因子,对纳潮量模式进行修正,使之适用于部分混合的海湾水交换时间的计算。 海床变化可以分为三个阶段:自然变化阶段、自然和人为因素共同作用阶段和人为因素为主阶段。上个世纪九十年代是胶州湾冲淤形势转换关键时期。上个世纪九十年代以前,潮滩和浅水区淤积,深水区侵蚀,整个潮汐汊道得到很好的维持;九十年代期间,胶州湾呈冲淤平衡状态,为冲淤形势转换时期。九十年代以后,潮滩和浅水区受到侵蚀,湾内深水区发生淤积,水道淤积变浅,口门区域也开始淤积,口门外落潮三角洲缓慢淤积增长,胶州湾将面临加速消亡的危险。 一百多年以来胶州湾演变过程具有很强的阶段性:上个世纪三十年代以前为自然演变阶段;上个世纪三十年代至今是人为因素参与下的演变阶段,以上个世纪九十年代为转折期,这一阶段又可以分为三个时期。以上两个阶段都不同程度的表现出了以下演化过程:胶州湾几何形态变化导致了水动力场的变化,水动力场的变化造成了水交换过程以及泥沙运动的变化,近而导致海床变化。而海床的变化又会改变海湾几何形态,从而又影响到水动力场,胶州湾在这种循环过程中不断缩小,最终消亡。根据各方面综合演化过程,最终确定上个世纪九十年代初海岸状态为利用“警戒线”,目前胶州湾已经处于相当危险的境地。 基于一个数值试验对胶州湾的未来进行探讨,结果表明海湾水交换能力将继续恶化,整个海湾体系将朝着泻湖类型发育,港口航道功能受到严重威胁。并通过分析海湾口门附近泥沙净运移的方法,对基岩口门潮汐汊道稳定性判别方法进行了初步探讨。此方法在胶州湾得到很好地应用,获得了海床冲淤演化过程和海湾冲淤转换期。此外,根据本文的研究成果和国内外海湾开发经验和教训,对胶州湾的利用和保护提出了相关建议。其中最重要的一点是严禁继续填海。此外,要使胶州湾环境得到根本的好转,必须实施环境修复工程。 通过近3年的研究工作,本论文获得了以下几方面的创新性认识: (1)理论研究方面: 明确了百年以来胶州湾演化过程,划分了不同的变化阶段,揭示了人类活动对胶州湾的影响。 ①空间变化方面:制定了统一的岸线分类标准和量算原则,获得详细胶州湾岸线演化过程和现状。 ②纳潮量和水交换方面:准确量算了海湾纳潮量的变化;研究了几十年来水交换能力变化过程,并修正了简单纳潮量模式,使之适用于部分混合的海湾水交换时间的计算。 ③海床变动方面:获得了海湾冲淤转换期和海床冲淤演化阶段,初步探讨了基岩口门潮汐汊道稳定性判别方法。 (2)实际应用方面: 获得比较准确的百年以来胶州湾空间形态、纳潮量、水动力、水交换和海床冲淤等指标的较长演化序列和海湾利用的“警戒线”,对胶州湾的发展具有重要的参考价值。该项研究依托青岛市规划局“环湾保护、拥湾发展”专题二《胶州湾岸线变化及其对泥沙运动的影响》,研究成果被青岛市《发展中的环胶州湾地区保护研究总报告》应用。


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