GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变

GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变 GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌 演变 第28卷第4期 2009年11月 台湾海峡 JOURNALOFOCEANOGRAPHYINTAIWANSTtLMT V01.28.No.4 Nov.,2009 (315支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变 徐晓晖,陈坚,赖志坤 (国家海洋局第三海洋研究所,海岸与海洋地质环境开放 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 ,福建厦门361005) 摘要:利用ArcGIS建立了闽江口1913,1950,1975,1986,1999,2005年海底数字地形模型,在坐标系 统和潮位基准面转换的基础上 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究了闽江口的岸线,浅滩面积,海底冲淤和河17断面地形近百 年来的变化特征.研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:?闽江口河道从1913年到2005年期间,梅花水道西段变窄,乌猪 水道向东迁移,琅岐岛东岸淤积;梅花镇东侧的闽江口南岸岸线向前推进,但近年来推进速率明显 减小.?梅花水道浅滩不断发育,闽江北支由单一的川石水道变成川石水道和壶江水道并存,并且 闽江北支成为闽江入海泥沙的主通道.(~1913—1950年间闽江口海底淤积较快,1913,1999年淤 积速率逐渐减小,1986,1999年间出现净冲刷.?河口三角洲前缘在河口南部以侵蚀后退为主,河 口区北部以进积为主. 关键词:海洋地质学;地貌演变;地理信息系统;闽江口;海底冲淤 DOI:10.3969/J.ISSN.1000—8160.2009.04.022 中图分类号:P736文献标识码:A文章编号:1000-8160(2009)04-0577-09 闽江是福建省最大的河流,为多水少沙的河流,流量居全国第三,对我国东海沿海地区海洋环境具有 重要的影响.闽江河口属山溪性强潮河口,水动力条件复杂,水下地形变化多样,泥沙堆积作用强烈,汊道甚 多,径流经梅花水道,川石水道,乌猪水道和熨斗水道人海(图1).其水流悬沙含量很高,浅滩发育,对福州泄 洪,排涝,经济建设与规划及福州港的通航等有着很大的不利影响.因此,对闽江口地貌演变进行研究具有重 要意义. 近年来,一些学者结合闽江航道整治工程,对闽江河口的沉积地貌特征,水文泥沙特征与拦门沙成因,咸 淡水混合及闽江口沉积结构与沉积作用等开展了研究J.随着3s技术的发展,一些学者已经开始应用遥感 技术分析闽江地貌演变.如周建军等(2004)根据多时相TM数据,对闽江口地区岸线进行解译,分析岸线和 浅滩变化;杜景龙(2005)和徐晓君等(2007)利用GIS技术分析河口演变?J.本文广泛收集了上世纪初 以来各个时期的海图资料,先利用汪家君(1995)的方法对海图进行坐标转换和深度基准面的转换,然后 利用GIS工具分析不同时段闽江口岸线,浅滩,海底冲淤及河口地形断面的变化特征. 1研究区基本概况 闽江口(图1)属于山溪性强潮多汊河口,潮型为正规半日潮,潮波近似驻波.从长安至口外,其潮差均在 4m以上.闽江口水域平均波高为0.9.,1.6m,最大波高达6.5m以上;混合浪是主要的波浪类型,浪向分布 与强风向分布接近,东北方向是强风向和主风向,冬季以东北向风浪为主,夏季以 东南偏东向的为主;外沙水 域的主要风浪为东北向,涌浪为东南偏东向,夏季涌浪作用较冬季强…. 闽江口f-lzk域被琅岐,粗芦,川石各岛分割为乌猪,熨斗,川石和梅花水道四汉人海.其中川石水道为闽 江口出海航道,发育有内沙和外沙2个浅滩,内沙位于川石水道口门,是川石水道的拦门沙体,外沙位于铁板 沙下游. 收稿日期:2008—07-24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40876043);福建省重大科技专项资助项目(2005YZ1013);福建省908专项资助项目(FJ908—02—02. 031 作者简介:徐晓晖(1985,),女,硕士研究生. 通讯作者:陈坚,教授级高工;E—mail:chenjian@tio.org.cn ? 578?台湾海峡28卷 图1闽江口地势及地形断面分布 Fig.1MapandtopographyprofileofMinjiangEstuary 图中的直线表示选取的剖面 2研究资料与方法 2.1研究资料 本文所用的闽江口海图资料分别为:比例尺为1:64900的1913年海图;比例尺为1:64820的1950年 海图;比例尺为1:50000的1975年海图,该图海域系1967,1968,1973年测量;比例尺为1:30000的1986年 海图,该图海域系1983,1985年测量;比例尺为1:30000的1999年海图;比例尺为l:30000的2005年海 图.历史海图采用从中国人民解放军海军航海保证部获取的经扫描仪扫描得到的电子栅格图. 值得指出的是,1913年和1950年的海图由英国海军出版,其采用的投影系统和水 深基面一致,本文把 它们简称为"英版图";1975年以后的海图由中国人民解放军海军航海保证部出版,投影系统与水深基面一 致,简称为"中版图".2005年的中版图采用WGS84坐标系,1999年的采用北京54坐标系,1975,1986年的 不明,考虑到我国制图历史,应该与1999年的一致;英版图坐标系统不明.2个版式的图采用墨卡托投影,中 版图基准纬线为北纬26.O6,英版图基准纬线为北纬26.05'.中版图水深基面为理论深度基准面,英版图的 水深基面为正常大潮低潮面(1owwaterofordinaryspringtides). 2.2研究方法- 用ArcGIS软件的ArcScan模块系统功能,开展图像配准和海岸线,等深线,水深点数字化,采用m4sing 内插的网格化方法对数据进行加密,使离散的数据连续化,生成规则格网,形成闽江口海底数字高程模型 (DEM).对选定年份的DEM数据进行栅格运算,生成闽江口海底冲淤变化分布图. 为了便于比较,本文参照汪家君(1995)的方法进行坐标转换和深度基准面的转换.坐标系统的转换 采用测图控制点法,即选取2幅同一海区海图的相同测图控制点,它们经纬度的差值就是它们的平面坐标改 正数.本文在每幅海图上选取了4个控制点,对比后精度可达到0.0015..深度基准面的转换采用潮信资料 法,即将2幅海图的平均海面之差值作为它们深度基准面的差值,也就是深度基准面改正数.本文选取不同 时期海图上相同验潮站的平均海面值的差值作为基准面的改正数.通过上述转换后统一了所有海图的坐标 系统和水深基准面. 4期徐晓晖等:GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变?579? 3结果与讨论 3.1岸线变迁 闽江口海域各时期海岸线的变化见图2. 1913,1950年间,比较明显的变化是粗芦岛西岸向乌猪水道推进了约1000m,而西岸也缩进上千米,其 他部分岸线变化不大.而粗芦岛对面的陆地,即乌猪水道的西岸向水道推进,导致水道变窄,水道弯曲程度减 小,水道各处宽度也趋于接近.琅岐岛南岸有冲有淤,梅花水道江心洲扩大,梅花水道南岸淤涨. 1975年间,比较明显的变化是琅岐岛东侧岸线向海推进了约700m;梅花水1950— 道南岸侵蚀后退400 多米,梅花镇东侧闽江口南岸岸线向海推进了900多米,呈淤积状态. 1975—1986年岸线变化主要集中在琅岐岛南面的雁行洲和三分洲上,琅岐岛已经和雁行洲,三分洲在 人工建堤后连接在一起,使得整个梅花水道西部的过水断面明显减小. 1986年以后岸线变化不大,主要集中在琅岐岛的东侧岸线,因围垦养殖向海推进约900m.梅花镇以东 闽江口南岸向外略有淤涨,1986—2005年总共淤涨了不到300m,速度不如1975年以前了. 图2闽江口历史海岸线分布 Fig.2HistoricalshorelinesofMinjiangEstuary a.1913—1950~岸线变化,b.1950—1975年岸线变化,c.1975—1986年岸线变化,d.19862005年岸线变化 3.2海底冲淤变化 闽江口海底冲淤变化见图3和表1. 1913—1950年间,水道和河口区总体表现为淤积.梅花水道,梅花镇以东,琅岐岛以东都表现为强烈淤 积,37a中平均累计淤积厚度达1.1m,年均淤积0.030m/a;粗芦岛北部和琅岐岛东南方向有少量冲刷,37a 中平均累计刷深0.62m,年均刷深0.017m/a;淤积面积为3.35x10.m.,冲刷面积为 1.56×10.m,37a中闽 江口净淤积沙量为2.70×10m.,净淤积速率为0.073×10.m./a. 1950,1975年间,水道和近岸表现为较强烈冲刷,川石水道,琅岐岛以北和以东表现为冲刷,25a中平均 累计刷深0.69m,年均刷深0.028m/a;口外,梅花水道南部,琅岐岛北部以淤积为主.25a中平均累计淤积厚 ? 58O?台湾海峡28卷 度达0.95m,年均淤积0.038m/a;淤积面积为2.93x 10.m ,冲刷面积为1.69×10.m,25a中闽江口净淤 积沙量为1.61×10m,净淤积速率为0.064× l0.m3/a. 1975—1986年间,南北2个水道变化不大,以略 冲为主,仅在岸边略有淤积;口外以淤积为主.1la 中,闽江口平均累计刷深0.54m,年均刷深0.009m/a; 平均累计淤积厚度达0.64m,年均淤积0.058m/a;淤积 图3闽江121海底冲淤变化分布 Fig.3ChangesofseabedtopographydistributioninMinjiangEstuary 图中正值表示冲刷,负值表示淤积;a.1913—1950年,b.1950.一1975年,c.1975—1986年,d.1986—1999年,e.1999-2005年 面积为2.61×10m,冲刷面积为1.91×10.m2,净淤积沙量为0.64×10.m3,净淤积速率为0.058× 10.m/a. 1986,1999年间,海底冲淤总体变化不大.北支川石水道主要呈弱的冲刷,梅花水道外侧有冲有淤,可 能反映水道滩槽的迁移.13a中,其平均累计刷深0.60m,年均刷深0.046m/a;平均累计淤积厚度达0.59m, 年均淤积0.045m/a;冲刷面积为2.43×10m,淤积面积为2.10×10.m,13a中闽江口 净冲刷沙量为O.22 ×10.111,净淤积速率为一0.017×10.rn/a,整体呈现冲刷的状态. 1999,2005年间,川石水道,琅岐岛北部均表现为较强烈淤积.口外也以淤积为主,个别地方表现为冲 刷.6a中,闽江口平均累计刷深0.41m,年均刷深0.069m/a;平均累计淤积厚度达0.52m,年均淤积0.087 m/a;淤积面积为3.49×10.m2,冲刷面积为1.05×10.m,6a中闽江口净淤积沙量为1.40×10.m.,净淤积速 率为0.233×10.m3/a. 纵观该河口区自1913年以来的海底地形变化可见,1986,1999年间是一个特殊时期,河口区整体呈冲 刷状态,其余年份呈淤积状态.另外,1913,1999年各时期淤积面积不断减少,直至1986—1999年问呈净冲 4期徐晓晖等:GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变 刷,1999,2005年间则反常地得到快速地增大,超过以往各时期,达到1913—1950年间的3倍. 表1闽江口海底近期冲淤变化 Tab.1ChangeofcoastalerosionanddepositioninMinjiangEstuary 淤积量冲刷量淤积面积冲刷面积平均淤积平均冲刷净淤积量净淤积净淤积速率时 段(年份) /10sm3/10sm3/100m2/10a111厚度/m厚度/m/108m厚度/m/108m3?a一1 1913—19503.670.973.351.561.1OO.622.70O.550.073 1950—19752.781.172.931.690.95O.691.61O.350.064 1975—19861.671.O32.611.9l0.640.540.64O.140.058 1986—199l91.241.462.102.430.59O.60一O.22一O.o5—0.017 1999—2Oo51.830.433.491.O50.520.411.40O.310.233 3.3浅滩变化 河口浅滩的变化反映了入河河槽的迁移和河口地貌的变化.从表2,3和图4可见, 闽江口0m等深线在 1913,2005年共92a的时间里,总体表现为面积在增加,但在不同的时间段内,面积有增加也有减小.1913年 0m以浅的面积为0.65X10.m2,1950年0m以浅的面积为0.85×10.m2,比1913年增加了0.2X10.m,面积变 化速率为0.54X10m/a.1975年0m以浅的面积为0.86X10.in,比1950年增加了0.1X10.m2,面积变化速率 为0.04X10m2/a.1986年0m以浅的面积为1.07X10.ITI,比1975年增加了0.21X10.m2,面积变化速率为 1.91×10m/a.1999年0m以浅的面积为0.86×10m,比1986年减小了0.21X10.m,面积变化速率为一1.92 ×10m./a. 2005年0m以浅的面积为0.92X10m2,比1999年增加了0.06×10.m2,面积变化速率为1.67× 10in/a(表2,3). 表2闽江口0m线以浅面积 Tab.2Areaabove0misobathinMinjiangEstuary 『年份19131950l9751986l9992o05 面~,/108mO.65O.85O.861.07O.82O.92 表3闽江口0m线以浅面积变化速率 Tab.3Changingrateforo2,'eaabove0misobathinMinjiangEstuary l时段(年份)1913,19501950—1975l975,19861986一l999199I9—2005 面积变化速~g/10m?a一0.540.041.91—1.921.67 梅花水道,1913年时2处浅滩把水道分为南北中3个分支;1950年时北侧浅滩与琅岐岛东部和南部的 浅滩相接,水道逐渐变成为2个分支的形态,且水下河道方向向东偏转,水下河道变窄.1975年以后浅滩向 南迁移,南部分支水道逐渐变窄,水下河道几乎变成单河道形态,此外浅滩还向梅花水道上游推进.1986年 时北部分支被冲开,南部分支封闭,再次形成2个水下河道形态,方向朝向东北.1999年以后浅滩进一步发 育,水下河道形态变得不规则,心滩状,且进一步缩窄. 川石水道,1913年时为单一河道,壶江岛南侧的壶江水道尚在发育中,且略受梅花水道外延伸浅滩的阻 隔,有与梅花水道外水下河道汇流的趋势.1950年时仍为单一河道,壶江岛南侧壶江水道进一步发育,口外 阻隔水流的浅滩逐渐消失,与梅花水道浅滩发育相比,川石水道明显成为闽江人海的主通道.1975年时壶江 岛南侧水道形成,成为双河道形态,口外浅滩的阻隔作用进一步减弱.1999年以后,壶江岛东南侧分割壶江 水道与川石水道的浅滩略有增大,其余变化不大. ? 582?台湾海峡28卷 图4闽江NOm等深线分布 Fig.4DistributionofOmisobathinMinjiangEstuary 川石岛东南侧浅滩,1950年时分割成2个部分;1975,1986年逐渐成为1个,面积扩大;1999年分裂成 2个部分,面积大大减小;1999年以后又逐渐扩大.此浅滩的分裂及面积变化影响自东北而来的涨潮流,也反 映了河口区泥沙的堆积与侵蚀. 3.4河口断面地形 河口断面地形的变化也能反映河口区的侵蚀与堆0 积.在本研究区范围内自西向东选取了7个横断面 (图5),剖面的位置见图1.本文重点研究三角洲前缘斜.目 坡的变化,探讨三角洲前缘的发展特征.10 不同时期水深数据范围不一,故仅选取了可供对比. 的部分探讨三角洲前缘斜坡在三角洲演变中的特征,选 取的范围见图5各剖面.各剖面特征如表4—6. 起点距,m 500010000 图5闽江口剖面 Fig.5ProfilesofMinjiangEstuary 4期徐晓晖等:GIS支持下近百年来闽江口海底地形地貌演变?583? 0 5 后 露10 15 0 5 10 15 20 5O00 起点距/m 10000l5Oo0 5000 起点艇 1000015000 5000 起点距,m O 5 目 10 l5 O 5 E 藤10 15 20 5000 起点距,m l0000l5000 5000 起点距,瑚 5000 起点距,m 图5(续)闽江口剖面 Fig.5(cont.)ProfilesofMinjiangEstuary 表4闽江口水下三角洲前缘各剖面不同时期平均堆积厚度(m) Tab.4AveragepilethicknessofeachprofileinunderwaterdeltafrontofMinjiangEstuaryduri ngdifferentperiods 时段(年份)剖面1剖面2剖面3剖面4剖面5剖面6剖面7 1913—19500.14—0.70一O.51—0.05O.820.07O.20 1950一l975O.31O.160.62O.360.550.47O.44 1975,1986一O.3l一O.2o—0.410.49O.28O.19O.13 1986,1999一0.O8—O.O80.04一O.1O一O.28O.12一O.08 1999—2oo50.O8O.19一O.020.140.26O.090.20 表5闽江口水下三角洲前缘各剖面不同时期平均堆积速率(om/a) Tab.5AverageaccumulationrateofunderwaterdeltafrontofMinjiangEstuaryduringdiffere ntperiods 时段(年份)剖面1剖面2剖面3剖面4剖面5剖面6剖面7 1913—19500.38—1.89—1.38—0.142.22O.190.54 1950—19751.240.642.481.4_42.2O1.881.76 1975—1986—2.82—1.82—3.734.452.551.731.18 1986—1999一O.62一O.620.3l一O.77—2.150.92一O.62 1999一l051.333.17—O.332.334.331.503.33 O加 县,* Om加 露 ? 584?台湾海峡28卷, 表6闽江口各剖面不同时期一lOm线推进距离(m】 Tab.6Fonvaz'ddistanceof一10misobathofeachprofileofMinjiangEstuaryduringdifferentperiods 时段(年份)剖面1剖面2剖面3剖面4剖面5剖面6剖面7 1913—1950—288—560—476—214l33678366 1950,1975—2O668o919 1975—1986一177173—14147614O369198 l986^-1999—1o4—1141O2O一3l1—574—576 l999,2o()5138—4 总体来看,1913,2005年闽江口水下三角洲南部为多侵蚀,北部多为淤积,推测与川石水道逐渐发育为 闽江主输出水沙的通道有关.闽江口水下三角洲北部在1986,1999年表现为侵蚀,其余年份主要为淤积,与 上游水口电站大坝的建设导致的拦蓄泥沙有关. 4结论 历史海图的对比及GIS工具的应用可为河口区地形地貌演变提供定量化的数据,在河口区演化研究中 可发挥重要作用. 闽江口从1913年到2005年期间,梅花水道西段变窄,乌猪水道岸线向东迁移;梅花镇东侧的闽江口南 岸岸线向海推进,但近年来推进速率明显减小. 1913,2005年间,梅花水道浅滩逐渐发育,水下河道变小变浅;闽江北支则由单一的川石水道变成由川 石水道和壶江水道并存的形态,其口f-I~'1-浅滩逐渐冲刷,水下河道流势日益顺畅.而梅花水道口门浅滩日益 发育,其输送水沙的作用减弱,闽江人海泥沙主要通过北支输出. 1913—1950年间闽江口海底淤积较强烈,1913,1999年河口区淤积速率逐渐减小,1986—1999年间还 出现净冲刷,与人工建堤导致的人海泥沙供应量减少有关.1999—2005年间淤积速率反常地增高,原因有待 研究. 河口三角洲前缘在河口南部以侵蚀后退为主,河口区北部以进积为主,反映了河口水下河道物质输送的 差异. 参考文献: [1]《中国海湾志》编纂委员会.中国海湾志(第十四万7k册nn)[M].北京:海洋出版社,1998. 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SeabedmorphologicalevolutioninMinjiangEstuary inrecentonehundredyearsbasedonGIStools XUXiao—hui,CHENJian,LAIZhi—kun (ThirdInstituteofOceanography,SOA,Xiamen361005,China) Abstract:WithtoolsofArcGIS,theDEMmodelofMinjiangEstuaryinyearof1913,1950,1975,1986,1995and 2005areestablished.Characteristicsofeoasdinechange,shoalchanges,seabedmorphologicalevolutionandpIDfile terrainchangesduringperiodof1913and2005arestudied.Theresultsshowthatfimflyduring1913—2005,the westpartofMeihuachannelbecamen&ITOWandWuzhuchannelhadmovedeastward.WhiletheshorelineofI.angqi IslandwasdepositingtheshorelineinthesouthbankofMinjiangEstuaryexpandeduntilrecentyearswhenthe expandingrateslowdown.Secondly,theshoalatthemouthofMeihuaChanneldevelopedcontinuallywhen,innorth branch,coexistingwithsub— channelsofChuanshiandHujiangtheprevioussingleMinjiangchannelsformedan importantchannelfor咖 sp0nofmudandsandtothesea.Thethird,sanddepositoccurredheavilyinthe estuaryfrom1913to1950,thedepositingratedeclinedgraduallyinperiodfrom1913to1999anderosionappeared from1986to1999.Lastly,theerosionmainlyoccurredinthesouthofunderwaterslopeofpre—deltainMinjiang Riverwhileitaccretedgenerallyinthenorthpart. Keywords:marinegeology;geomorphologyevolution;GIS;MinjiangEstuary;seabedscouranddeposition DOI:1O.3969/J.ISSN.1000—8160.2009.04.022 (责任编辑:郭水伙)