椒江河口河床冲淤调整过程（可编辑）

椒江河口河床冲淤调整过程（可编辑） 国家海洋局第二海洋研究所 硕士学位论文 椒江河口河床冲淤调整过程 姓名:周鸿权 申请学位级别:硕士 专业:海洋地质 指导教师:李伯根 20070601摘 要 椒江河口位于浙江沿海中部,是典型的山溪性强潮河口,六十年代以后河 口及上游都受到不同程度的工程改造,在自然条件和人类活动的共同影响下, 河口河床经历了较大的冲淤调整。本文依据椒江河口多年的人类活动、水文泥 沙和水深地形等资料,对椒江流域及主要开发活动状况、河口地貌和河口水动 力泥沙条件进行了论述;利用 GIS技术对多年水深地形资料进行数字化处理和 冲淤定量计算,从河床纵横剖面和平面等方面系统地探讨了近 70年来椒江河口 河床泥沙冲淤变化和形态调整过程,认为河口河床冲淤调整主要经历了四个阶 段:1933~1962年自然条件下的缓慢冲刷阶段、1962~1984年的缓慢淤积阶段、 1984~1990的缓慢冲刷阶段、1990~2003年的人为加快冲刷阶段。结合前人的研 究,对河口河床长周期冲淤调整机理进行了简要探讨,顺直河段河床多年冲淤 调整受自然条件和人为作用的影响,也受葭芷心滩演变的影响;弯曲河段河床 多年冲淤调整受上游来水来沙的改变和河段由干流、支流汇流演变为单一弯曲 河道的河势影响。利用回归分析方法,尝试建立了宽深比与流域产流、产沙和 潮动力(潮差)的多元线性关系,揭示来水来沙对长周期河床冲淤调整的影响。 关键词:椒江;山溪性强潮河口;冲淤调整;河床形态;纵横剖面 Abstract Jiaojiang estuary, located the central areas of Zhejiang Province, is a typical mountain macro-tidal estuary. Lots of regulation has been actualized in this estuary and its upstream after 1960s. The riverbed of Jiaojiang estuary experienced great scour-accretion adjustment under the influence of natural condition and human activities. Based on the data of human activities, hydrographic, suspended sediment and bathorographies, this paper analyses the Jiaojiang drainage basin, main exploiture work, estuaryine geomorphology and the condition of hydrodynamic force and suspended sediment at first. Digitizing the topography and calculating the quantity of scour-accretion with application of the GIS technology, the process of sediment erosion-accretion and configulation adjustment of the riverbed of Jiaojiang estuary in the recent 70 years was studied, through the ways of analysing the cross section, longitudinal section and flat surface. The research showed that the esturine erosion-accretion process of Jiaojiang estuary experienced 4 main stages: slow scour in 1933~1962 without human effect, slow accretion in 1962~1984, slow scour in 1984~1990 and factitious accelerated scour in 1990~2003. On the basis of predecessor's research, the mechanism of the riverbed erosion-accretion adjustment of the Jiaojiang estuary in long-term was briefly discussed. It indicated that the erosion-accretion adjustment of straight reach riverbed is affected by the natuaral condition and human activities, and also influenced by the evolution of the Jiazi sand bank, and the erosion-accretion adjustment of bend reach riverbed is affected by the change of runoff and the adjustment of this reach from conflux to common bend river. Adopting the method of regression analysis, the relational expression of the ratio of the river width and depth with flow and sediment from drainage basin, tidal dynamictidal range was gave, trying to interpret the effect of these factors to the erosion-accretion adjustment of riverbed in long-term Key Word: Jiaojiang Estuary; Mountain Micro-Tidal Estuary; Erosion-Accretion Adjustment; Riverbed Configulation; Cross and Longitudinal Section 椒江河口河床冲淤调整过程 第一章 绪论 1.1 研究意义 [1] 河床演变学是研究在水流的作用下河床的形态及其变化的科学 。河床演 变是水流、泥沙与河床相互作用的反映,水流和河床构成了一个反馈系统,水 流作用于河床,使河床发生变化,而河床形态的变化又反过来影响水流结构, 两者相互依存,相互影响,又相互制约。河流中泥沙是水流和河床相互作用的 纽带,河床演变通过河床泥沙的冲淤调整来实现。 河床冲淤调整的根本原因可以归结为输沙的不平衡,当上游来沙量大于本 河段水流输沙能力时,水流不能将上游来沙全部带走,泥沙沉积到河床上,本 河段就将发生淤积,河床升高;反之,当上游来沙量小于本河段水流输沙能力 时,即来沙量不能满足水流输沙的能力,就需要由河床供沙弥补 不足,本河段 就将产生冲刷,河床降低。 河口是河流由内陆向海洋的过渡区域,受河流和海洋两种动力因素的双向 作用,相互消长,形成了特殊的河口区河床冲淤演变。该区域具备了河流和海 [2] 洋两种环境的特征,河床冲淤演变相对比较复杂 ,不仅受到流域来水、来沙 因素的控制,而且也受到潮汐潮流动力因素和海域来沙的控制,同时还受到波 浪作用等的影响。河口河床形态为与各个水文要素、能量分布及边界条件等趋 向平衡,作出不停的调整。显然,双向动力、多因素影响的河口段河床冲淤调 整相对于只有单向水流作用的内陆河流段更趋复杂。 为了兴利除害,使河流更好地为经济发展和良好社会效益服务,人们对河 流进行了大量工程建设,用于整治和开发。特别是经济发展走在前沿的河口海 岸地区,随着经济的发展,都不同程度地面临着日益紧张的土地资源匮乏、淡 水资源短缺和航运压力等各方面的问题,对河流、河口区域加大了开发力度, 向海要地、河流各段的水库建设、河口海岸带的港口航道及整治工程建设。人 类活动对于自然环境的影响和作用日益加大,而对受上下游综合作用的河口, 这种影响尤为突出。工程建设改变河口上游径流的自然下泄、人为改变来水来 沙,河口段及口外工程建设又改变了河口河床形态、潮动力作用和海域来沙, 对河口河床冲淤演变产生深刻的影响。河口段河床为了适应新的水动力条件, 短期内快速进行了冲淤调整,变化往往比自然条件下更加剧烈。而这种非周期 1椒江河口河床冲淤调整过程 的调整又直接关系到工程建设的成败,直接关系到河口区沿岸港口、航道以及 其它资源能否可持续利用。研究工程作用下河口河床冲淤调整过程及其机理, 不仅能够具有丰富河口河床演变理论的学术价值,而且能够为更好地了解自然 环境对工程建设的响应,具有现实的应用价值。 浙江中部至福建沿海,自北向南分布着灵江(椒江)、瓯江、飞云江、鳌江、 交溪、霍童溪、闽江等数条源短流急的山溪性河流。其河口径流影响深刻,潮 [3] 差大,潮流作用强,在河口分类上独具一格,统称为山溪性强潮河口 。这些 山溪性强潮河口对于当地经济的发展极其重要,是当地的淡水来源、航运中心, 成为河口城市发展的依托。 [4] 椒江河口位于浙江沿海中部 。干流发源于浙江西部丘陵山地,流经台州 2 地区五个县(市)全长 197.7km,流域面积 6519km,列浙江省沿海第三大河流。 河口潮流界在临海城西三江口,潮区界在永安溪望良店。河口隐蔽条件好,受 风浪作用不大,主要受潮流和径流双向作用的控制,径流流量集中,暴涨暴落, 对于河床形态的塑造起到重要作用,且潮流作用强劲,多年平均潮差为 4.05m, 最大潮差达到 7.2m,是典型的山溪性强潮河口。 位于椒江口的海门港是浙江省主要港口之一,是浙江省中部和台州地区的 重要贸易口岸,1983年国务院批准海门港办理远洋国轮外贸运输义务后,出口 物资直达香港、朝鲜、日本等港口,海门港口逐步建设成综合性港口,是台州 地区发展外向型经济的窗口。对主要依托港口发展经济的台州地区,椒江河口 的开发、整治和维护对该地区的经济可持续发展有着举足轻重的地位。为了能 够兴利除害特别是发展椒江口航运事业,近几十年来椒江上游及河口都受到不 同程度的改造,主要有 1962年永宁江上游修建长潭水库、1987年开始的椒江 口长顺坝工程、1994开始到 1998堵口的永宁江口建闸工程及 1998年以后的椒 江口长顺坝东延工程及导流槽工程等,这些工程的建设势必会改变河床边界, 从而改变水流结构,使河口河床冲淤和形态发生变化。 对椒江河口河床冲淤和形态长周期的调整过程进行研究,并对其机理进行 探讨,加深对工程作用下山溪性强潮河口河床冲淤演变过程的认识,从而更好 地掌握工程环境效应,为椒江河口资源的合理开发与可持续发展提供科学依据; 同时也是为其它山溪性强潮河口的整治提供可以借鉴的经验,有利于更有效的 规划和开发其它河口,具有学术价值和现实意义。2椒江河口河床冲淤调整过程 1.2 研究现状 1.2.1 河口河床冲淤演变研究现状 河床冲淤演变研究始于上世纪五、六十年代,通过基础研究的开展、国家 重大的调查、研究项目的实施及各河流、沿海工程建设的影响研究,取得了大 [5] 量成果 。而河口海岸地区凭借其天然的地域优势,向来是人口密集、经济发 达、交通便利的地区,随着经济的发展,河口三角洲地区更成为发展前沿,与 开发和整治河口直接相关的河口河床冲淤演变也就成为了河流动力学、地质地 貌学、工程地质环境、城市规划等学科研究的热点,备受学者关 注。 Simon J. Blott等通过历史趋势分析和特征地貌评价对 150年以来默西河口 [6] (The Mersey Estuary)长周期特征地貌变化及其机理进行了论述 ;J.Avoine 和 //.en等通过历史地形对比,论述了 Seine河口 17世纪以来的地貌变化, 特别对 130年以来由于在围垦、防波堤等工程影响下的河口河床冲淤演变进行 [7] 了分析 ;阿斯旺大坝 1970年建成以后,对下游河道、河口产生了深刻影响, 学者对大坝库区泥沙淤积、下游河道冲淤演变和尼罗河口海岸变化等进行了大 [8~11] 量研究 ;Daphne Van De Wal运用历史海图和实测资料,对英国 Ribble河口 [12] 地貌长期演变过程作了论述 。Biedenharm研究了 Mississbi 河口三角洲近期 [13] 的冲淤演变规律 。 国内河口的研究主要集中在几个大河口上,对长江口、黄河口、珠江口、 钱塘江口等河口进行了大量的调查研究。长江是我国第一大河流,陈吉余根据 长江口近 2000 年历史演变过程的研究,将长江的发育模式宏观地概括五个部 [14] 分:南岸边滩向外扩展、北岸沙岛并岸、河口束狭、河道成型和河槽加深 ; 恽才兴以长江口近期冲淤演变基本规律为主线,从动力沉积学和动力地貌学角 [15] 度在宏观上揭示近半个世纪以来长江河口冲淤变化的特点 ;贺松林剖析了长 [16] 江分汊口的变化,概化出分汊口的组构模式 ;杨世伦分析了近 50年来长江入 [17] 海泥沙的变化趋势及对水下三角洲冲淤演变的影响 ;王永红、吴华林等对长 [18~19] 江口不同部位的冲淤变化进行了定量分析 。 庞家珍、司书亨论述了黄河口近代的历史变迁、河口水文特征与泥沙淤积 分布以及河口演变对黄河下游的影响,并简要地探讨了河口治理的原则,并提 出筑坝约束河道不是解决之道,长远观点还是要着眼于水土保持、减少泥沙来 3椒江河口河床冲淤调整过程 [20~22] [23] 量 ;尹学良对造成黄河下游河床演变的基本问题 、陆中臣对黄河下游河 [24] [25] 床冲淤演变的地貌临界问题 、曹文洪对黄河口演变机理 、徐永年对引水工 [26] 程对黄河下游及河口河床冲淤调整的影响 、韩巧兰、金?生对小浪底工程后 [27~28] 黄河下游河道演变规律分别进行了研究 。 珠江河口是典型的河网三角洲河口,李平日论述了一万年以来珠江三角洲 [29] [30] 的演变过程 ;乔彭年研究了珠江三角洲的演变历史过程 ;李春初论述了现 代珠江河口具有发展的阶段性、形式的多样性和冲淤的不平衡性三个特点,并 [31] 分析了近 5000~6000年来纵向、横向上的冲淤演变规律 ;李静通过对珠江口 主要河道纵横剖面的对比分析,发现 20世纪 80年代前以淤积为主,而后以冲 [32] 刷为主 。钱塘江是典型的强潮河口,以其波澜壮阔的涌潮而闻名,戴泽蘅阐 述了钱塘江河口的历史演变、流域径流、潮汐、径流、河床冲淤变化的特征, [33] 并对河口整治和围垦后的河床变形及环境变化 ;余炯利用近 50年来连续水深 [34] 地形资料,分析了钱塘江河口的冲淤变化和河床变形特点 。 潮汐河口区段受陆域径流来水来沙和海域来水来沙的双向作用,两者是河 口存在的动力基础,两者相互影响。黄胜认为河口区的河床演变 特点主要取决 于径流潮流强弱的对比和泥沙的来源及数量,以及河口区的地质地貌等条件, [35] 并按照径流和潮流流量比对河口进行了分类 。韩曾萃利用国内外十几个河口 的数据,回归拟合河口河相关系,说明径流和潮流对河口河床演变的作用,量 [36] 化解释“径流是河口的生命”,指出径流通过改变潮流来对河床演变产生作用 。 河床形态既要与流域产水产沙的特征相适应,又受制于海洋潮汐潮流、波浪的 [2] 周期变化,河床冲淤及形态就会向着尽量满足这种双向动力的趋势进行调整 ; 由于径流因素季节性的改变,而潮汐因素每时都在改变,所以河床短时期或者 [37] 局部的调整较大,大范围或者长周期而言其变化是微小的 ,河床的这种调整 [1] 实质上就是组成河床的边界物质――泥沙的冲刷、搬运和沉积的过程 。一般 来说,河口河床总体上的冲淤调整具有大潮冲刷、小潮淤积,洪季冲刷、枯季 淤积,丰水年冲刷、枯水年淤积等周期性规律,且深槽和浅滩冲淤往往呈相反 [38~42] 趋势 。 近些年来,随着流域和河口地区大量的工程建设,改变了河流的边界条件, 从而改变了水流结构,造成河床的进一步冲淤调整。这种人为作用下河口河床 冲淤的强制性调整,历时短,幅度大,往往比自然条件的变化更为强劲,而河 4椒江河口河床冲淤调整过程 床演变又会反过来影响工程。八十年代来以后,国内河口海岸领域开始逐步重 视人类活动对于自然环境的作用和影响。严以新利用数学模型,分析了长江口 航道整治工程一、二、三期及远期工程北槽落潮流分流比的变化,探讨工程与 河床演变之间的相互作用,认为治理工程对河势的稳定是有利的, 河床冲淤演 [43] 变的趋势也不会对工程形成大的威胁 。冯卫兵认为三峡大坝建设以后,减少 [44~45] 了上游来沙,对于南汇边滩的淤涨不利,也就会减慢围垦造地的速度 。黄 镇国、王兆印探讨了人为作用对珠江三角洲河道演变的影响,认为联围筑闸、 河道采沙、围海造地等改变了河道地形,导致了水位和流量的变化,部分河段 [46~47] 由于水流集中、流速加大而利于输沙,大部分河口河段则趋于淤积 。人类 活动作用下河口河床长周期和非周期的冲淤调整过程及其机理日益成为河口领 域研究热点。 1.2.2 山溪性强潮河口及椒江河口研究现状 [3] 山溪性强潮河口是独具特色的一类潮汐河口 ,径流源短流急、流量洪枯 悬殊、洪水暴涨暴落,潮差大,潮流作用强劲,其河床冲淤及形态 受径流和潮 流控制,洪季径流对河口的塑造影响深刻,而在历时较长的枯季,河口受潮流 作用的控制。这类河口河床冲淤演变的特点有别于长江这类源远流长、多水少 沙的平原河口,有别于黄河这类弱潮多沙的强堆积性河口,有别于珠江这类多 口入海的网状三角洲河口。目前对于大河口河床演变的研究较多,而对于山溪 性强潮河口的研究相对较少。潘存鸿分析了曹娥江的径流特别是汛期的特点, 探讨了径流对于河床冲淤调整的作用,认为存在洪冲枯淤、汛期大冲、秋季大 [48] 潮期大淤的特点 。姚严明利用平面二维数模,以鳌江为例,分析了围垦工程 [49] 对山溪性强潮河口潮流的影响 。陆永军利用二维泥沙数模,分析了瓯江口围 海工程对动力环境的影响,底床变形计算表明围海工程并没有改变瓯江口河床 [50] 冲淤演变的趋势 。 椒江是典型的山溪性强潮河口,不少科研单位及学者对椒江河口水文泥沙 及其口内港口航道淤积作了大量的调查研究,上个世纪 70年代至 90年代早期 主要注重于河口形成过程,沉积、地貌特征,水文泥沙特征,港区航道淤积原 [3][39][51~61] 因以及最大浑浊带形成等方面研究 ;毕敖洪论述了椒江河口的历史塑 造过程、地貌单元演变及水沙特征,指出来自陆域的底沙参与河口造床作用、 5椒江河口河床冲淤调整过程 构成局部堆积地貌,并河床具有洪冲枯淤、大潮大淤、小潮小淤、丰水年 [39] 刷深、小水年淤浅等冲淤演变规律 。王秀云分析了永宁江建长潭水库前后来 水来沙、椒江感潮河段的河势变化,认为海域来沙丰富的椒江河口,是依赖山 [57] 水流量来维持生命的,长潭水库的修建造成了感潮河段的淤积 。 孙志林对强 混合河口最大浑浊区的成因进行了研究,认为相应强切应力场的存在是形成椒 [61] 江河口 TM的根本原因 。90年代中后期至今的近十年来,谢钦春研究小组通 过国家自然科学基金资助项目(49276274)着重对椒江河口最大浑浊带进行了 悬沙垂向分布特征、悬沙粒径分布变化、高浑浊水混合过程、细颗粒泥沙沉积 动力机制、底部泥沙运移与沉积作用、泥跃层形成机理以及浮泥运动规律诸方 [62~71] 面进行了深入的研究 。 这些研究成果主要注重于椒江河口悬沙和底沙的分布及其交换特征、河床 的历史塑造过程以及局部工程、局部区域的河床冲淤演变,然而椒江河口自 80 年代后进行了大规模的整治工程,河口河床必然会作出相应的冲淤调整,椒江 河口在自然条件及水库修建、长顺坝工程、永宁江堵口等人为活动的综合影响 下,河床冲淤长周期的调整过程及其机理至今尚未进行过系统的研究。 1.3 研究方法 经过了数十年研究,特别是 80年代以后,由于工程建设的需要,河口河床 冲淤演变的研究得到了长足的发展,取得了大量的研究成果;随着学科的发展、 理论水平的提高、大量仪器的使用和改进、计算机技术的广泛应用,研究技术 和方法也日渐成熟和完善。河口河床冲淤演变的技术路线是动力、沉积、地貌 相结合,原型观测、模型试验(物模、数模)、系统计算分析相结合,从静态的 [1][5] 到动态的描述进而到数值描述相结合,多手段、多学科结合运用等方法 。 1.3.1 原型观测 原型观测研究主要是利用用各种仪器对研究河段水深和水文泥沙进行测 验,通过对数据加以计算、比较、分析来探讨河床的冲淤演变。利用测深仪等 技术测量河口研究区域或典型断面的水深,结合历史地形资料, 比较河床横断 [24][72] [73][74] 面、纵断面的变化 ,计算河床冲淤量 ;利用流速仪、CTD和自记浊度 仪等技术,对河口流速和含沙量、粒径、沉速进行测量并加以分析,了解研究 [75] [64][68] 区域的水动力及泥沙变化 ,认识最大浑浊带动态 ,进而对河床形态的短 6椒江河口河床冲淤调整过程 [76][77] 周期调整及其港口、航道洄淤强度的影响进行分析 ;利用测得断面流速、 [78~80] 水深资料,对已有的河口河相关系进行改进 ,分析研究区域纵横断面调整 规律及影响因素,阐明河床冲淤动力机理。随着河口研究的进展和深入,各种 仪器设备得到改进,新的仪器也不断地应用进来,实现了水文、泥沙、水深地 形的更精确测量。 1.3.2 物理模型 物理模型运用相似性原理,将需要研究的河口原型按一定的比例缩小后, 在实验室里建立模型,并依据典型的实测资料,通过河床几何形态、水流运动 和泥沙运动相似调试,从而在实验里复演原型的水流、泥沙运动,对工程作用 下的河口河床变化进行研究。从 1885年 Renolds建立 Mersey河口模型后,潮 汐河口物理模型的应用已经有了一百多年的历史,近几十年内我国一些大型的 河口整治工程都应用了物理模型,如上世纪七十年代射阳河闸下裁弯和局部动 床模型、长江口江北沙北泓河段淤积模型,八十年代大量围涂后建立的钱塘江 口悬沙淤积和局部动床模型,九十年代辽河口营口港区西水道泥沙淤积及局部 动床模型、长江口水深航道整治模型等。窦国仁提出了悬沙和底沙物理模型的 [81] 相似理论,实现了在一个模型中进行波浪和潮流共同作用下的全沙试验 。熊 绍隆利用悬沙淤积和局部动床模型,对钱塘江河口和杭州湾进一 步整治围涂后, [82] 北岸澉浦至乍浦深槽的冲淤变化进行了分析 。物理模型研究比较直观,特别 是对于工程作用下局部泥沙冲淤变化的模拟,方法极具应用价值。但是物理模 型研究成本大,且只能为特定河口研究服务,同时还受到模型用材和本身的比 尺效应等因素的限制。 1.3.3 数学模型 数学模型是在综合了流体力学、计算数学及各种生产应用技术而发展起来 的一种新技术手段,应用始于二十世纪六十年代。数模就是在确定边界的研究 区域,用一定的网格和离散方法,对水流、泥沙和河床变形方程进行离散求解, 以实现在计算机上模拟水流、泥沙的运动和河床变形过程。原型测量分析和物 理模型的运用是传统的研究方法,而数学模型因其计算速度快、所耗成本低、 修改方便等优点,逐渐成为国内外河口研究的主要方法。窦国仁导出风浪和潮 流共同作用下的悬沙输移方程式和挟沙能力公式,成功建立了河口海岸平面二 [83] 维泥沙数学模型,为数模在河口河床冲淤演变研究中的应用奠定了基础 。马 7椒江河口河床冲淤调整过程 福喜综合考虑了潮流、波浪对水体和泥沙的作用及泥沙的絮凝沉降作用,建立 [84] 二维泥沙数值模型,模拟悬沙输移,预估河床冲刷和堆积部位的调整 。张进 新利用 DlEFT3D软件建立二维泥沙数模,分析了长江口深水航道整治工程的导 [85] 流堤建设对河床冲淤演变的影响 。数学模型的基础是流体力学、泥沙动力学, 而泥沙问题相当复杂,现在泥沙动力学的成果也主要以经验、半经验公式为主, 加上对河口泥沙絮凝、浮泥运动等复杂因素的不易处理,所以泥沙输移和河床 冲淤变化的数值模拟的发展受到一定限制。 1.3.4 数理统计方法 随着计算机技术的发展、河口多年水文资料的累积,数理统计方法越来越 多地应用于河口河床冲淤演变研究。赵庆英利用单因子回归统计方法,建立了 [86] 长江口南槽地形变化与上游来水来沙之间的关系 。张鹰应用多因子逐步回归 [60] 统计方法,建立了椒江口挟沙能力与流速、水深、潮差之间的关系 。许全喜 运用 BP神经网络技术,以上游来水来沙及下游边界条件为基本因子,尝试对 [87] 河道深泓线变化进行预报 。宋立松利用集对分析方法,揭示了河口断面的主 [88] [89] [90] 要地貌单元的变化关系 。黄卫凯 、沈健 利用经验特征函数EOF模型, 分别研究了长江口南槽河床断面和长江河口拦门沙的复杂变化。宋立松应用 [91] GM1,1灰色理论,预估了钱塘江口围垦工程后河床的回淤过程 ; 而杨清书在 其博士论文中也利用灰色理论模型,预测了珠江三角洲主要河道的冲淤演变趋 [92] 势 。 1.3.5 GIS与 DEM技术 地理信息技术引入河口河床冲淤演变研究中,实现了河床冲淤变化的定量 计算。这种手段主要是利用 Mapinfo、Surfer、ARCGIS等软件建立水深数值高 程模型(DEM),然后对不同年份的 DEM进行叠合,从而计算出河床冲淤变化 的量值分布。在近几年这种方法已经成为分析河口河床冲淤变化的重要手段。 钟瑚穗利用 ARC/INFO软件对遥感水深数据进行分析,计算了嵊泗渔港东侧建 [93] 设防波堤后,港区的淤积分布及淤积量 。吴华林应用地理信息系统和数字化 仪,结合长江口 100多年的海图资料,从横剖面、深泓线纵剖面、平面变化等 [94] 多个角度对长江口拦门沙的冲淤变化进行了分析 。Pace Wilber应用 ArcView [95] 软件,对纽约港浅海湾的冲淤变化进行了研究 。张艳杰利用 GIS技术,对长 [96] 江口北港河床冲淤变化和沙体输移作了研究 。8椒江河口河床冲淤调整过程 1.4 本文研究内容 本文在收集椒江河口多年水深地形资料及上下游控制站长期水沙和潮位资 料的基础上,首先对椒江流域及河口水文泥沙条件、地貌形态和主要开发活动等 状况进行分析,阐明椒江作为山溪性强潮多沙河口的水文泥沙特征,并分析了椒 江河口的河床形态,特别对河口主要洲滩地貌和深槽进行详细叙述;运用 GIS 技术,对河口多年水深地形资料进行数字化处理,着重从纵横剖面和平面冲淤变 化及形态调整对椒江河口河床长周期的冲淤调整过程进行系统的定量分析,以期 能够揭示近 70年来椒江河口河床在自然条件和人为作用的综合 影响下冲淤调整 过程及其规律;再结合前人的研究,对椒江河口的冲淤调整机理作简要的探讨; 最后应用数理统计中的回归分析方法,分析椒江河口河床长周期冲淤调整与流域 产水产沙和潮动力作用之间的响应,尝试寻求河口河床冲淤变化与这些影响因素 的多元线性回归关系。9椒江河口河床冲淤调整过程 第二章 资料来源及处理方法 2.1 主要资料 本文采用的水深地形资料主要是由台州海门港务局、浙江省交通规划设计院 和交通部天津航道局测量的椒江口 1962 年海图、1970、1974、1977、1986、 1989、1990、1991、1992、1993、1994、1995、1996、1997、1998、1999、2000、 2001、2002、2003等 19个年份的水深地形测图以及 1933、1943两年份外版 海图,共 22个特征年份水深地形资料。其中 1933、1943年两个年份水深地形 资料为北京坐标系下墨卡托投影,而 1962年以后年份均为北京坐标系下的高斯- 克里格投影;1933~1970年水深数据为理论深度基准面,1974年及以后年份均为 吴淞基面; 1933、 1943年两年份地形图比例尺为 1:40000, 1962、 1970年为 1:10000, 1974年及以后年份均为 1:5000。 收集了椒江流域及河口人类活动资料,收集了椒江上游永安溪柏枝岙站、 始丰溪百步和沙段站 1957至 2005年间径流水沙资料,同时收集了椒江河段 上下游验潮站 1952~2003年间月水位资料及上世纪八十年代以后的椒江河 段水文泥沙测验等资料。 2.2 主要处理方法主要采用水动力、沉积、地貌相结合的方法,应用的技术手段主要是地理信 息系统(GIS)和数理统计方法中的回归分析,应用地理信息系统(GIS)技术 对水深地形资料进行数字化,建立数字高程模型(DEM),再对不同年份的 DEM 进行处理,从而研究椒江河口的冲淤调整过程;利用回归方法分析冲淤变化对水 动力泥沙因素的响应。 2.2.1 地理信息系统(GIS)技术 地理信息系统(Geographic Information System,简称 GIS)自 20世纪 60年 代随着计算机的发展而兴起,是信息系统的一种,是以采集、存储、管理、描述、 [97] 分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统 。具体地说,它是以空 间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,对空间相关数据进行采集、管理、 分析、模拟和显示,并采用地理模型分析方法,适时提供多种空间和动态的地理 10椒江河口河床冲淤调整过程 信息,为地理研究综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算 机应用系统。地理信息系统工具(GIS-Tool),也称为地理信息系统开发平台或外壳,是 一组具有图形图像数字化存储管理、查询检索、分析运算和多种数出等地理信息 基本功能的软件包。目前,国内外已经研制了一批地理信息系统工具,我国常用 的有 Mapinfo公司的 Mapinfo系统、美国环境系统研究所的 ARC/INFO系统、澳 大利亚 GENASYS?公司的 GENAMAP、北京大学的城市之星(City Star)、中国 地质大学的 MapGIS系统、武汉测绘大学的吉奥之星(GeoStar)等。数字地形模型(Digital Terrain Model,简称 DTM),可以定义为“空间地形 数据集合的统称,是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述”。而 DEM (Digital Elevation Model,简称 DEM)就是空间变量或地面特性为高程的 DTM, 从而 DEM具有了三维的意义。 应用 GIS技术对数据的处理过程一般包括图件扫描、配准后数字化、基准面 统一、内插并生成数字高程模型(DEM),再对不同年份的 DEM进行处理得到 需要的分析数据和结果。 将地形图资料输入计算机系统,并转化为相关分析软件能够直接调用的数据 格式,这一过程就是数字化。以前一般都用数字化仪来进行数字化,现在也常用 GIS软件作数字化。数字化前的配准需要选择正确的坐标系,目前我国主要有北 京 54和西安 80两种坐标系,而投影常采用墨卡托投影和高斯- 克里格投影。 内插技术是形成数字高程模型的重要技术。内插就是根据已有观测点的数据 计算未观测点的数据的过程,由于实测地形数据一般是不规则排列的,为获取规 则网格的 DEM,就要进行数据内插。内插方法常用的有最小曲率法、样条函数 法、距离加权法、克里金法(Kriging)等,其中克里金法是一种地形统计内插方 法,精度较高,同时保留原始点数据,目前在地学研究中比较常用。 本文应用 GIS软件对椒江河口近 70年来的水深地形资料进行处理,坐标统 一采用北京 54坐标系、高斯-克里格投影(Gauss-Kruger),基面统一为理论深度 基准面。 2.2.2 回归分析方法 数理统计方法已经在各个领域广泛应用,一般包括:方差分析、正交实验 11椒江河口河床冲淤调整过程 设计、聚类分析、因子分析、相关分析等,本文主要应用回归分析。 回归分析主要是用来研究变量之间既有关联、又不存在确定性的 数值对应的 [98] 相互关系,这种关系一般称为相关关系 。在回归分析中,把变量分为两类,一 类是自变量 x、x??x,另一类是因变量 y。 1 2 n [99] 在回归分析中研究的主要问题是 : (1) 确定 y与 x、x??x 间的定量关系表达式,即回归方程。 1 2 n (2) 对求得的回归方程的可信度进行检验。 (3) 判断自变量 x(j1,2,„,n)对 y 有无影响。 j (4) 利用所求得的回归方程进行预测和控制。 由于非线性回归模型可以转化为线性回归模型,所以本文只对线性回归方法 作简要介绍,首先介绍一元线性回归模型。 假定现有 x,, y x,, y ? x,等 y n组实测数据,需要建立y与x的 11 22 nn回归关系。以最小二乘法为例,如果用 β + β x作为y(yx β + β )的最小二 01 01 乘估计,经验回归方程为: yx + β β (1) 01 [98]其中 β 、 β 分别是 β 、 β的最小二乘估计值 。 0 1 0 1须满足此回归方程的距离平方和 Q, β β在所有回归 方程ya +bx 01 (ab 、 ?R)中最小,即有: n Qy , ββ? yminQa,b (2) 01 ? i i i 1 可以通过下式来求解满足 minQa ,b的a、b: n?Q ?2ya?bx 0 ?ii?ai 1 (3)? n ?Q?2ya?bxx 0 ?iii?b i 1 这样求得的a、b即为 β 、 β ,化解上式得: 0 1β=ll /1 xy xx (4)β=yβ x?01 12 椒江河口河床冲淤调整过程 n n n n 1 1 2 其中x x,y y,lx ?x ,lx ?xy ?y。 ? ? ? ? i i xx i xy i i n n i 1 i 1 i 1 i 1 称此时的距离平方和为残差平方和: n 2 , βββ ? [y +βx]l?βl(5) ? 01iy 0 1y 1xy i 1 n 2 其中ly ?y 。 yy ? i i 1 此时得到的回归方程所揭示的规律性强不强,效果如何,还需要 通过对回归 系数 β进行假设检验,做出判断: 1 HH :0 β? , : β 0 (6) 01 1 1 如果拒绝H ,那么可以认为所考虑的自变量x对因变量y有显著 的影响,此时 0 认为经验回归方程1的效果是显著的。 nn 2 22 引入回归平方和Uy ?y [ βx?x]ββl l ??11 1 ii xxyy ii 11 则有:Ql? βl ? l U yy 1 xy yy 即:lQ +U (7) yy 回归平方和U反映了在总的离差平方和l 中,由于x和y的 线性回归系数 β yy 1 的作用而引起的波动部分,残差平方和Q是除了x对y的线性影响以外的一切因 素(包括非线性影响及随机误差等)引起y的数据波动部分。回归平方和U越大, 或即残差平方和Q越小,回归的效果就越好。严格地说,线性回归效果的好坏取 决于U在总平方和l 中的比(Ul / )的大小,此值越大,回归的效果就越好。 yy yy U 用经验简单相关关系r 来表征线性回归的效果,由 7式知 r ?1, r越接 l yy 近于 1,线性回归的效果就越好。 引入误差 ε,并加上适当的条件,得到一元正态线性模型: i yx + ββ +εii 01i2 εσ ?Ni 0, , 1,2,?n(8) i ,, εε ?ε相互独立 12 n可以证明以下一些结果:13椒江河口河床冲淤调整过程 n 1 2 y yN ~ββ + x,σ /n (9) ? i 01 n i 1 2 ββ ~Nl ,σ / (10) 1 1 xx 22 Qn /~ σχ ?2(11) 且y、 β 与Q相互独立。从而得到:0 2 1 x 2 ββ ~ N ,σ + (12)0 0 nl xx 再由(11)式可得: 2 2 σ Qn /2为方差 σ 的无偏估计。 (13) 由式 10、12可得, β 、 β 分别是 β 、 β的无偏估计,且 0 1 0 1 ββlN σ ?0,1 (14) 1 1 xx 2 22 从而可以知道,当H 成立时,Uσχ1,且Ul β 与Q独立,故: 0 1 xx 2 U σ 2 FU? σ? F 1,n 2 2 Qn /2 σ 因此,在显著性水平 α下,由FF? 1,n 2(15) 1α 确定了一个检验H 的拒绝域。如果经过检验,得到了拒绝H 的统 计结论,可以 0 0 称回归系数 β 的效果是显著的,否则为不显著。 1对于多元线性回归,其回归方程为:yx β++ββ ?+ x (16) 011 pp 其中 β , β,?, β 为偏回归系数,可以通过正规方程组求解: 0 1 p p nn xx b x y,k0,1,?,p (17) ?? ik i j j ? ik i ji 01 i1 可以通过以下假设对偏回归系数进行检验: H:0 β ? β (18) 01 n 同样采用 F检验,由回归平方和的均方和残差平方和的均方之比 Up FF ? ,pnp?1 1α Qn1p 确定的拒绝域给出了显著性水平 α的一个检验,具体的推导和 计算过程在此不再 赘述。14椒江河口河床冲淤调整过程 第三章 椒江流域概况、河口地貌特征及主要开发活动 3.1 椒江流域概况 椒江流域是浙江省沿海第三大流域,三面环 山,北以天台山为分水岭,与曹 娥江流域分界;西以大盘山为分水岭,与钱塘江流域分界;南由北 雁荡山为分水 岭,与瓯江流域分界。椒江自河源至入海口(牛头颈)全长 190km,流域面积约 2 6290 km,其中山地面积占 80%,沿江两岸稍有准平原,下游河口两岸海积平原 发育,人与自然环境的影响也显著。 椒江为浙江沿海第三大入海河流。其上游系山溪性河流,奔流山地丘陵间, 河道弯曲,河床比降沿程较大。上游永安溪发源于仙居牛坞尖,自西南向东北流, 至临海三江村与来自天台的始丰溪汇合成灵江。永安溪自河源至三江村,集水面 2 2 积 2635 km,全长 128km,河道平均坡度 1.5?;始丰溪集水面积 1610 km,全 2 长 119 km,河道平均坡度 3.1?,这两溪流集水面积累计 4245 km。自三江村向 东流入灵江,经临海后于大田港汇合,仍东流至黄岩三江口南岸纳永宁江后称椒 2 江,至三江口集水面积已达 5263 km;河道逐渐平坦,易受外海潮 波上溯影响, 潮汐可上溯至临海上游 12km的毛良店,距海口(牛头颈)约 60km,潮流可上 行至三江村,表明潮区界与潮流界相距仅 3.5 km。永宁江是椒江最大的支流,发 源于黄岩、永加、仙居三县交界的大寺基灯尖,东流经宁溪,过长潭后进入平原 地区,至黄岩县城与来自温黄平原的西江相汇,再东流至三江口与灵江汇合,集 2 2 水面积 840km,全长 77km,河道处于长潭以上的区段平均坡度 8.9?,长潭以 下的区段平坦。 椒江自三江口至海口(牛头颈)河段长约 12km,河道顺直,河床坡度变缓, 平均约为 0.4?,平均河宽约 1.5 km,最大河宽 1.8km,在海口牛头颈与小园山 之间的断面受矶头控制,河宽仅为 0.97km,出海口后,河道迅速展宽,由喇叭 型海湾(台州湾)进入东海(图 2-1)。 收集到的水深地形资料显示,椒江河口多年水深地形测量主要集中在灵江下 游石仙妇至入海口(牛头颈)河段,因此选择该河段作为本文的研究区(图 2-1)。15椒江河口河床冲淤调整过程 图 2-1 椒江流域与研究区位置16椒江河口河床冲淤调整过程 3.2 椒江河口地貌形态 椒江河口平面外形轮廓深受 NS向和 EW向两组断裂构造控制,局部岸段受 基岩矶头影响,形态呈藕节状,在石仙妇至三山河段形成强制性直角型河湾,自 此至海口河段,由于沿岸受基岩节点和岸堤的限制,河段难以自由弯曲,显得平 直。为了能更好地分析椒江口上下游的微地貌形态及冲淤特征,本文以三山为界, 将研究区分为弯曲河段和顺直河段两个区段。 椒江口河床形态以洲滩地貌为主要特征,局部深槽发育。从 1962年测量的 水深地形资料看,来自流域的砂粒组分粗颗粒物质主要集中堆积在牛头颈以内的 河口段,以推移质运动形式塑造了河口洲滩特征地貌,主要有西庄边滩、江口沙、 黄礁西沙、黄礁沙和葭芷心滩,从这些特征地貌形态分布可以看出,由于黄礁沙 和葭芷心滩发育于河道中心部位,使顺直河段构成南槽和北槽; 在受径流或落潮 流主流顶冲、矶头挑流作用的岸段沿岸和两岸均有基岩节点缩窄的河段发育着深 于理论最低潮面 5m的深槽,主要有石仙妇、江口、黄礁、黄礁东、三山、栅浦 及牛头颈等深槽,但这些深槽地貌的尺度明显小于洲滩特征地貌(图 2-2)。 3.2.1 洲滩特征地貌形态 ?. 西庄边滩 位于弯曲河段的凸岸上段,作为强制性弯道的主体特征地貌,平 面形态呈上游长、下游短不对称的弧型分布,宽度从上游往下游一般由 250m逐 渐增至最宽 800m,高程从上游向下游则由理论最低潮面以上 2.9m渐降到 0m。 其下游受涨潮流的冲刷作用所形成倒套,与凸岸近乎平行分布,长约 1200m,口 门宽约 200m,最大水深 2m。 ?. 江口沙 位于灵江与永宁江合流缓流区、又靠弯道凹岸侧顶部,平面形态呈 近等腰三角型分布,尖端指向下游,很大程度上是具合流沙咀性质的江心洲,其 下层中细沙组成,覆盖在浅海淤泥基底上。当江口沙顶部发展到 一定的高度后, 高潮漫滩,粘性物质落淤,形成呈“沙层-沙泥互层-泥层”的沉积层序。 ?. 黄礁西沙 位于江口沙东北、西庄边滩下游的部位,又处弯道中间,很可能 是属于洪峰下泄切割西庄边滩尾部分离性质的浅滩。平面形态呈不规则椭园状分 布,近东北?西南向,长轴约 1300m,短轴约 400m,高程大多在理论最低潮面 以上 0.3~0.8 m,局部约 1m左右。17椒江河口河床冲淤调整过程图 2-2 1962年椒江河口形势18椒江河口河床冲淤调整过程 ?. 黄礁沙 位于黄礁西沙下游,根部与江口沙相连,具江口尾部部分歧主干灵 江和支流永宁江下泄南北主流动力缓流性质的水下延续堆积沙体,南部可能受涨 潮流和三山矶头挑流作用的影响,塑造“蟹钳”状平面形态。主钳为东西向,与 河段走向一致,长约 800m,宽约 100m,高程多在理论最低潮面以上 1.1~1.3m, 局部为 2~3m;北支钳呈微弧往北凸分布,长约 2800m,中部最宽 500~600m, 高程大多在理论最低潮面上 0.3~2.2m,中部局部最高为 2.6m; 南支钳呈微弧往 南凸分布,