施偉勇，戴志軍，謝華亮，張小玲

（1.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海200062）

杭州灣淤泥質(zhì)海岸岸線變化及其動態(tài)模擬

施偉勇1，戴志軍2＊，謝華亮2，張小玲2

（1.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海200062）

通過對杭州灣北岸南竹港－龍泉岸段實測岸灘斷面資料的統(tǒng)計分析，進(jìn)而對淤泥質(zhì)海岸岸線變化、影響因素及其動態(tài)模擬預(yù)報進(jìn)行探討。結(jié)果表明：因長江來沙減少以及侵蝕／淤積波自東向西移動，導(dǎo)致近10a來該岸段岸灘處于侵蝕狀態(tài)，其中岸線整體后退；因季節(jié)性的波侯作用，岸灘具有冬淤夏沖的特征，岸線則表現(xiàn)為冬漲夏退，因局部工程作用影響的岸線則具有冬退夏漲的特征。此外，基于－3m和－8m等深線構(gòu)建的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報岸線的變化是可行的。

岸線變化；淤泥質(zhì)海岸；動態(tài)模擬；杭州灣北岸

岸線變化是海岸演變和海岸帶集成管理的核心研究內(nèi)容［1－2］。由于復(fù)雜的自然過程及強烈的人類活動的疊加作用，全球海岸線一直處于動態(tài)演變狀態(tài)中。岸線的變化既具有長期性如超過千年尺度的歷史變遷，也具有短期和周期性變化特征，如一次臺風(fēng)過境岸線形態(tài)的瞬息突變以及隨季節(jié)性波浪或氣候驅(qū)動而出現(xiàn)的季節(jié)、年波動特征［3］。已有研究表明岸線的變化主要受控于全球氣候變化作用、構(gòu)造運動、三角洲物質(zhì)供給多寡、沿岸沙嘴的運動和漲落潮三角洲的移動、縱、橫向泥沙的輸運以及人類活動等作用［4］。目前對岸線形態(tài)變化及其演化機理、變遷預(yù)報的研究主要集中在沙質(zhì)海岸［5－7］，而涉及淤泥質(zhì)海岸岸線動態(tài)變化的分析則較少?；诖耍狙芯繉⒁院贾轂潮卑赌现窀郏埲膶崪y岸灘剖面資料為例，探討該岸段淤泥質(zhì)海岸岸線的近期動態(tài)變化特征，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對岸線的變化進(jìn)行模擬和預(yù)報，為該區(qū)域岸線資源的合理利用和岸灘防護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

龍泉—南竹港岸段地處杭州灣北岸中部，為金山與奉賢海岸的交界地帶（圖1）。該岸段沿岸修建有百年一遇的防汛海堤（約9m高，吳淞零點基面），海堤前沿為向海傾斜高度約為4～6m的混凝土低壩平臺，為防止海岸侵蝕和抵御臺風(fēng)與風(fēng)暴潮的襲擊，在該岸段同時布設(shè)有垂直于海堤、與海堤相連的間距不等的丁壩［8］。杭州灣北岸前沿水域?qū)儆跍\海半日潮，潮流主要呈現(xiàn)顯著的往復(fù)流形式，所測最大流速可達(dá)2.03m／s，自口門向金山石化總廠潮流呈兩頭大中間?。?］，近岸帶物質(zhì)組成普遍較細(xì)，以粉砂質(zhì)粘土為主。

圖1 研究區(qū)域和斷面設(shè)置Fig.1 The studied area and the section settings

2 資料收集與研究方法

2.1 資料收集

沿南竹港－龍泉岸段自東向西布設(shè)間隔約為1 000m的7個固定斷面。上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)海堤管理所自20世紀(jì)90年代開始對這些斷面進(jìn)行連續(xù)觀測，監(jiān)測以海堤平臺（9m）為起點，向海到水深約為10m、橫向距離為1 000m左右的水深位置，考慮到海堤平臺到前沿低壩平臺均為人工結(jié)構(gòu)，高程不變，因而在此主要繪制自4m到監(jiān)測水深位置的地形變化圖（圖2，在此僅列出2個年份冬、夏半年的地形變化）。收集的斷面資料時間序列為1998－11—2009－01，2003年前為半年監(jiān)測1次，其中自2003年開始為每年1月份開展監(jiān)測。

2.2 研究方法

2.2.1 岸線位置確定

岸線作為海陸交界面［10］，由于潮汐水位的波動，其位置是變化的而非一個固定的位置。因此，當(dāng)對岸線形態(tài)及其位置的變化進(jìn)行研究時，存在確定岸線實際位置的可操作性問題。目前確定岸線位置主要有2種方法［10］，一種是基于海岸地貌的固有特征，如海蝕崖、高潮痕跡線以及干濕邊界；另一種方法是基于實測海岸剖面，利用多年潮汐水位資料推算當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫婊蚱骄叱蔽凰谄拭娴奈恢茫瑢⑵渥鳛榘毒€。本研究以吳淞零點為依據(jù)計算南竹港－龍泉所測剖面的零米位置線，將其作為岸線進(jìn)行分析。

2.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型簡介

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由許多并行運算的單元構(gòu)成，這些單元類似生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元。作為非線性動力學(xué)系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特色在于對信息的分布式存儲和并行協(xié)同處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅具有極強的集體運算能力和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力，而且具有很強的容錯和魯棒性，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型廣泛應(yīng)用于人工智能、自動控制以及其他學(xué)科的信息處理［11］。為便于推廣，本研究嘗試采用徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即基于多個輸入層和一個輸出層的多對一映射關(guān)系。本研究中，輸入層即為影響0m岸線進(jìn)退的因子，而輸出層為0m岸線的位置（圖3）。有關(guān)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的文獻(xiàn)甚多［11］，這里就不贅述。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 岸線變化特征

為便于對比，將1998－11和2004－10的地形繪制于圖4。由圖4可知，包括岸線在內(nèi)的等深線整體均在后退，即研究區(qū)岸段近10a來岸線整體處于侵蝕后退狀態(tài)。進(jìn)一步選擇斷面5和斷面3分別表征受“丁”字形碼頭工程影響和未受影響的岸段進(jìn)行分析，由圖5可知，無論是自然狀態(tài)抑或人為活動作用，南竹港－龍泉岸段自1998－11—2009－01約10a期間，岸線整體趨勢是以2006年為轉(zhuǎn)折點，在這之前處于快速侵蝕狀態(tài)，其中斷面3岸線退縮為3.25m／a，斷面5為9.25m／a。而2006年以后岸線略向海移動，但整體還是處于退縮狀態(tài)。同時考慮到杭州灣北岸岸灘剖面基本呈反“S”型，其中水下斜坡主要是－3～－5m之間，－8 m以深區(qū)地形變化基本不大，為通常所說的閉合水深［8，12］。因而以－3m表征水下斜坡的進(jìn)退，－8m則表征閉合水深的臨界位置，結(jié)果表明水下斜坡和臨近閉合水深點離海堤位置的距離和岸線相似，在2006年以前是快速遞減，隨后有所淤漲，而總體上處于侵蝕階段。

3.2 岸線的波動特征

就杭州灣北岸而言，5—10月為夏半年、11月—次年4月為冬半年，因而由斷面3和斷面5岸線在1998－11到2003年以前冬、夏監(jiān)測的位置比較（圖5），斷面3岸線處于明顯的波動特征，而且在冬半年（11月）岸線明顯處于淤積階段，在夏半年（6月）岸線處于侵蝕狀態(tài)，斷面5的波動特征較弱，且出現(xiàn)和斷面3相反的特征，即在夏半年岸線處于淤積狀態(tài)而冬半年處于侵蝕階段。水下斜坡－3m及臨近閉合水深位置－8m的季節(jié)性波動特征不明顯。研究區(qū)整體岸灘的變動，如圖6所示?？梢钥闯?，冬夏半年的岸灘地形等值線在夏半年是整體退縮，而在冬半年是整體淤漲。

3.3 影響岸線變化的因素

杭州灣北岸岸灘的變化主要受控于潮流、波浪以及長江口的來沙條件［13－14］。由于長江口的泥沙通過長江口與杭州灣的通沙通道或者由漲潮流從口外帶到杭州灣北岸［15］，故長江口來沙劇減將導(dǎo)致杭州灣北岸岸灘由淤積轉(zhuǎn)向侵蝕［14］。據(jù)記錄長江入海泥沙的大通水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在20世紀(jì)60年代長江入海泥沙高達(dá)5.1億t，20世紀(jì)70年代為4.2億t，20世紀(jì)80年代為4.3億t。2003年由于三峽首次蓄水到139m，長江當(dāng)年入海泥沙減為2.06億t，其中三峽庫區(qū)淤積量為1.24億t；2004年長江入海泥沙為1.47億t，三峽庫區(qū)淤積量為1.02億t；到2006年長江入海泥沙減少到0.86億t，而三峽庫區(qū)淤積量0.92億t，庫區(qū)淤積量與長江入海泥沙量相當(dāng)。顯然，南竹港－龍泉岸段在20世紀(jì)80年代屬于淤漲型岸灘［12］，但在長江上游修建一系列水庫特別是目前世界上最大的三峽水庫的運行，導(dǎo)致入海泥沙是近年來急劇下降，該岸段岸線出現(xiàn)侵蝕后退在所難免。同時，以圖2兩組不同年代的冬、夏地形等值線對比分析表明，沿岸泥沙輸運是以波狀的沙體即通常所說的侵蝕／淤積波為載體自西向東移動（圖中箭頭所指），圖4和圖6的箭頭亦表明此點，即泥沙在強勁的漲潮流作用下以波狀沙體向西移動，這和前人的研究具有一致性［13］。

此外，杭州灣北岸泥沙在縱向輸移的同時還存在泥沙的橫向轉(zhuǎn)移，即受到季風(fēng)氣候影響，冬季在離岸西北風(fēng)作用下，近表層泥沙向岸輸運，夏季在向岸東南風(fēng)作用下，近底層泥沙發(fā)生離岸運動，從而導(dǎo)致岸灘出現(xiàn)冬淤夏沖的波動特征。由于局地工程的影響，如斷面5，因丁字碼頭的阻攔，導(dǎo)致東南風(fēng)作用形成的東南浪在碼頭內(nèi)遮蔽段發(fā)生繞射而能力減弱，泥沙發(fā)生堆積，冬季則因碼頭將水流橫向交換的路徑隔斷，而致使泥沙侵蝕岸線后退。因此，就研究區(qū)而言，岸線出現(xiàn)侵蝕后退的主要控制條件還是來自長江入海的泥沙減少，同時該岸段內(nèi)的泥沙主要以潮流為驅(qū)動形成的侵蝕／淤積波進(jìn)行縱向輸運，季節(jié)性的波浪作用則控制岸灘的冬淤夏沖波動，此外，海岸工程或碼頭主要影響局部泥沙輸運過程。

3.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的岸線預(yù)報模型

即使長江入海泥沙多寡是杭州灣北岸侵蝕／淤積與否的關(guān)鍵因素，但限于儀器以及長時間研究資料獲取的困難，進(jìn)入研究區(qū)的泥沙量目前依然難以準(zhǔn)確估算。同時該岸段目前也缺乏連續(xù)10a以上的潮流和波浪變化的觀測資料。因此，要將泥沙、潮流以及波浪動力因素考慮在內(nèi)對岸線進(jìn)行模擬和預(yù)報無疑存在較大的難度。基于此，本研究根據(jù)杭州灣北岸的動力地貌特征，即海岸由陸向海出現(xiàn)相對平緩區(qū)、水下斜坡以及閉合水深所處的平衡地帶3個典型動力地貌，這3個動力地貌單元因不同動力作用驅(qū)動下的泥沙縱向和橫向輸移而存在相互關(guān)聯(lián)的變化［12］。故擬以0m岸線、－3，－8m等深線分別表征各自的橫向動力地貌單元變化，嘗試構(gòu)建基于代表典型動力地貌單元的等深線變化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)對岸線演變的預(yù)報。

為此，將每年7個斷面的0m岸線、－3，－8m等深線進(jìn)行平均，并分別將0m岸線和－3，－8m等深線作相關(guān)分析，由圖7可知0m岸線和－3，－8m等深線的移動緊密相關(guān)，即岸線的變化和水下斜坡及其鄰近水下平衡地帶位置的進(jìn)退是相連的。進(jìn)一步分析滯后0.5a或1a的岸線和先期年度的－3，－8m等深線關(guān)系表明，滯后時間的相關(guān)程度總體要好于或近于同步（年）相關(guān)（圖7），其中0m與－3m等深線的滯后相關(guān)系數(shù)明顯好于同步相關(guān)系數(shù)，且都通過顯著度為0.01的檢驗（n＝15，P＜0.01，相關(guān)系數(shù)R＞0.61），然而0m與－8m等深線的滯后相關(guān)系數(shù)在2002年前要弱于同步相關(guān)系數(shù)。這表明岸線的變化很可能是由于水下侵蝕／淤積波的緩慢西向移動，爾后經(jīng)波浪的作用向岸或離岸輸送，因而岸線變化表現(xiàn)出與上年的水下斜坡移動相關(guān)較強，而與水下平衡帶的移動相關(guān)較弱，這或許與水下平衡地帶地貌本身活動性差有關(guān)。同時，南竹港－龍泉岸段2002年以前陸續(xù)修建的突堤，可能影響或者在一定程度阻隔泥沙的沿岸輸送，致使2002年以前的岸線與水下不同地帶等深線的變化相關(guān)程度較弱，具體的原因需要深入研究?；诖?，本研究利用先期年每個斷面－3，－8m等深線距離海堤的位置作為輸入層，當(dāng)年相應(yīng)的0m岸線位置作為輸出層，利用徑向基函數(shù)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練完成后即可利用當(dāng)年監(jiān)測的－3，－8m等深線的位置預(yù)測下一年固定斷面岸線位置的變化。由于南竹港－龍泉岸段0m與－8m和海堤之間的位置距離在2002年以前的相關(guān)程度較弱，這可能在一定程度影響預(yù)測的精度。

圖8為基于徑向基函數(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型對7個斷面的岸線位置進(jìn)行模擬和預(yù)報，其中2009－01斷面的岸線位置值為利用訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)報所得，除第7個斷面岸線相對誤差為30%、斷面2岸線相對誤差為18%，其他斷面誤差均小于15%，可見，總體而言誤差相對較小，故以－3，－8m等深線的位置值為輸入向量、利用徑向基函數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，構(gòu)建后一時間步長的岸線位置變化值為輸出變量的網(wǎng)絡(luò)模型還是可行的，因此這就為在研究區(qū)地形已知的情況下推知未知時段的岸線進(jìn)退變化提供可能。

4 結(jié) 論

本研究通過對杭州灣北岸南竹港－龍泉岸段的實測岸灘斷面分析，探討淤泥質(zhì)海岸岸線的變化性質(zhì)并對其進(jìn)行預(yù)報，主要結(jié)論包括：

1）杭州灣北岸南竹港－龍泉岸灘近10a來處于侵蝕狀態(tài)，其中2006年前岸線為快速后退階段，2006年后岸線向海有所淤漲，但整體是處于退縮狀態(tài)，這主要是由于長江入海泥沙量劇減以及侵蝕／淤積波向西輸移引起的。

2）杭州灣北岸南竹港－龍泉岸灘具有冬淤夏沖的特征，其中岸線則具有冬天向海推漲、夏季退縮的季節(jié)性波動性特征，這是由季節(jié)性波候作用引起的，而部分岸段出現(xiàn)的冬退夏漲的特征則可能歸因于局部工程的影響。

3）根據(jù)杭州灣北部岸灘的動力地貌特征，以水下斜坡－3m、水下平衡地帶－8m作為輸入向量、后一時間步長的岸線作為輸出向量，基于徑向基函數(shù)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于岸線的演化預(yù)報是可行的，為岸線變遷預(yù)警提供了理論依據(jù)。

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Shoreline Change and Its Dynamic Simulation in the Muddy Coast Area of the Hangzhou Bay

SHI Wei－Yong1，DAI Zhi－Jun2，XIE Hua－Liang2，ZHANG Xiao－Ling2
（1.Second Institute of Oceanography，SOA，Hangzhou 310012，China；2.State Key Lab of Estuarine and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 20006，China）

The measured data from a muddy coast segment located from the Nanzhu Harbor to Longquan in the northern coast area of the Hangzhou bay were analyzed statistically.The shoreline change and its influencing factors as well as associated dynamic simulation in the muddy coast segment were discussed.The results show that the beach of the muddy coast segment has been being in an erosion state in recent 10 years due to the decreasing in the incoming sediments from the Yangtze River and the moving of erosion／accretion waves from east to west.This will cause the whole shoreline in the area studied to retreat.Moreover，due to the action of seasonal wave climate，the beach of the muddy coast segment is in a silting state in winter half year and an eroding state in summer half year.As a result，the shoreline is pushed seaward in winter half year and retreated landward in summer half year.However，some parts of the shoreline may be retreated landward in winter half year and advanced seaward in summer half year because of the impacts of local engineering actions.As to the prediction of shoreline changes，it is possible to use the BF neural network mode with input vectors of－3mand－8misobaths.

shoreline change；muddy coast；dynamic simulation；northern coast of the Hangzhou bay

April 14，2010

P737

A

1671－6647（2012）01－0036－09

2010－04－14

國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項——高強度開發(fā)下杭州灣北岸近岸動力響應(yīng)及岸灘穩(wěn)定性分析研究（JG0917）；國家自然科學(xué)基金——高濁度河口及其臨界海域的陸海相互作用（41021064），杭州灣北岸侵蝕淤泥被遷移及其沉積動力過程（41076050）；上海市科技攻關(guān)項目——長江口海平面上升對城市安全影響及應(yīng)對關(guān)鍵技術(shù)研究（10dz1210600）。

施偉勇（1972－），男，浙江縉云人，高級工程師，主要從事河口海岸地貌及水文等方面研究.E－mail：swyhz1989＠163.com

＊通訊作者，E－mail：zjdai＠sklec.ecnu.edu.cn

（張 騫 編輯）