中尺度海岸演化是与人类社会经济活动关系最为密切的海岸科学研究领域。但长期以来，多数研究将长尺度、小尺度海岸演化方法直接应用到中尺度的海岸演化问题和实践。对于中尺度海岸演化，其海岸系统单元的泥沙收支关系体现了影响中尺度海岸演化与各个尺度的自然驱动因素和人文驱动因素相互作用结果，反映了海岸演化的本质过程及其状态，建立海岸泥沙收支关系是理解中尺度海岸演化的核心工作。本文在总结和提炼多尺度海岸演化研究基础上，以渤海湾为研究区，通过GIS空间分析、数学建模等方法研究渤海湾海岸及海底冲淤演化的过程与驱动机制，提出了基于泥沙收支关系的中尺度海岸演化研究框架，利用NLINE三维海岸模式实现了研究区中尺度海岸演化的过程反演及情景分析。　　 本文首先总结渤海湾海岸在宏观长尺度上的演化过程，从黄河入海口位置变迁、黄河入海泥沙收支、沿岸泥沙输送的角度，提出了研究渤海湾西海岸贝壳堤发育与海岸演化关系的新视角。笔者在总结海岸演化尺度划分及其相关研究基础上，针对中尺度海岸线变化速率研究取样不连续的问题，提出了基于空间连续的海岸线变化速率计算方法。利用海岸线分维算法分析了海岸演化过程，基于海岸剖面提取及海底冲淤机制的数学建模研究了渤海湾中尺度海岸演化及海底冲淤过程与驱动机制。　　 研究发现，空间连续的海岸线变化速率计算方法更好地表达了海岸线变化的精细特征，尤其针对海岸侵蚀淤积比较复杂的地区，空间连续的计算方法更能准确反映中尺度海岸演化的泥沙收支本质。利用该方法计算渤海湾西岸海岸线变化速率，结果显示：在20世纪80年代至90年代间，渤海湾西部的唐驹河河口至高沙岭岸段为高速侵蚀岸段(侵蚀速率为20～40m/a)，季家堡至唐家堡岸段为高速淤积岸段(侵蚀速率最高可达100m/a)；其他岸段海岸线变化较为平稳，变化幅度较小，侵蚀或淤积两种演化状态交替出现。　　 海岸线分维数计算结果表明：在1935～1959期间，渤海湾海岸线分维数处于增长状态，但1983年渤海湾海岸线分维数降到最小。考虑到同一类型海岸地区处于淤积状态的海岸分维数要高于侵蚀状态的海岸分维数，作者认为1935～1959年期间，渤海湾海岸整体处于淤积状态；1959～1983年期间，渤海湾整体海岸线演化状态从淤积、稳定状态逐步转变为侵蚀状态。　　 基于渤海湾三期地形数据，利用DEM构建及GIS空间分析方法，提取了渤海湾海岸剖面的变化特征。岸滩剖面变化显示：渤海湾中尺度海岸演化过程与结果具有较大的时间和空间差异性，不同海岸区域呈现不同的演变特征。渤海湾海岸剖面演变存在3种基本类型：强淤积型、弱淤积型和动态稳定型。强淤积型(1＃-4＃剖面)，其变化特征为剖面整体向前推进，且剖面前缘迅速变陡。弱淤积型(5＃-11＃，13＃-14＃剖面)，变化特征为1935～1959年期间剖面快速向前推进，但1959～1983年期间处于动态平衡状态。动态稳定型(15＃-23＃剖面)，剖面变化幅度较小，坡度基本保持不变。　　 数学建模是理解空间现象演进的重要手段。本文尝试利用Logistic回归模型解释渤海湾海底冲淤驱动机制。建模发现：影响渤海湾海底冲淤的主要动力因素是波浪作用。模型中月均波高因子对海底冲淤的作用系数绝对值要远远高于其他因子，系数的正负则表明因子对冲淤格局的影响方向。地貌因素和水深也对海底冲淤有一定影响，不同地貌类型对海底冲淤概率的作用存在差异。水深越大则淤积和侵蚀出现的概率越小，水深越浅，出现淤积的概率越大。海底底质类型对冲淤的影响也存在类似机制，淤泥质底质类型的网格出现淤积的概率高，而沙质底质的海域出现侵蚀的概率较高。表层、中层和底层的潮流动能对渤海湾海域的海底冲淤格局没有影响。　　 在本文设置的三个网格尺度模型上，尽管不同尺度模型影响海底冲淤格局机制的因子存在细微差别，但整体上三个网格尺度模型中影响海底冲淤的驱动因素和因子作用强度及方向基本一致，这与陆地系统不同网格尺度上空间驱动机制模型存在较大差异明显不同。　　 其次，中尺度海岸演化的本质在于其海岸系统单元的泥沙收支，其结果直接决定了海岸演化的过程与状态。本文借鉴海岸系统泥沙收支的基本原理和构建方法，在三个尺度上构建了渤海湾海岸系统的泥沙收支。　　 从渤海湾整个海域泥沙收支及其数量关系来看，在1983-1989年期间，整个渤海湾海岸系统泥沙收支结构中，最大部分是渤海湾海岸系统的泥沙沉积，其量值高于渤海湾的泥沙来源。渤海海域向渤海湾的悬浮泥沙输送是渤海湾海岸系统泥沙来源的主要部分，而渤海湾沿岸河流对海岸系统泥沙来源的贡献较小(最高比例为14％)。渤海湾海域向渤海的悬浮泥沙输出占总泥沙支出的比例也较小(最高比例为6％)。研究时段内年平均泥沙收支的结果为负，说明整个渤海湾海岸系统泥沙处于收支不平衡状态，泥沙支出需要通过海岸侵蚀产生的泥沙源为补充，这也从一个量化的角度佐证了渤海湾整体上处于侵蚀状态。　　 海岸封闭深度是进行海岸泥沙输运及海岸演化模拟的基础工作，本文按照经验公式计算渤海湾各个海岸段的封闭深度，结果表明：渤海湾海岸各岸段的封闭深度存在较大差异。黄河三角洲和老黄河口附近海岸的封闭深度为—16m(1＃-4＃剖面)，渤海湾西段海岸的封闭深度约为-6m～-9m(5＃-9＃，12＃-13＃剖面)。渤海湾北部海岸封闭深度在-10m～-14m(19＃-23＃剖面)。综合渤海湾海岸系统泥沙收支的影响因素，利用GIS空间叠加，本文界定了渤海湾海岸泥沙收支单元，以其建立其泥沙收支区域模式。　　 通过构建海岸系统单元的泥沙收支，可以定性地判断海岸演化的变化趋势。但反演海岸线及岸滩的精细变化过程，就需要在更小网格尺度上构建沿岸方向和横向方向的泥沙收支关系，为基于NLINE三维海岸模式反演海岸变化的精细过程提供模型数据输入。　　 通过综合计算网格尺度上泥沙收支各个因子，本文发现在天津港一歧口区泥沙收支单元沿岸方向泥沙收支和横向方向泥沙收支随水深变化出现明显的差异：水深较小时，沿岸方向的泥沙收支随水深增加逐渐增大，不同水深网格横向方向的泥沙收支变化幅度较小。除河口入海口处，由于河流入海泥沙方向为横向，横向泥沙收支与沿岸方向的泥沙收支量值相差不大，水深较浅处网格的沿岸泥沙收支占据主导地位。到达4.0m-5.0m水深左右，沿岸方向的泥沙收支达到最高值，其后随水深增大而逐渐变小，5.5m-6.0m水深的网格横向泥沙收支在量值上超过沿岸泥沙收支。这就说明渤海湾天津港—歧口区单元上泥沙输送的形式主要是悬浮泥沙输送，沿岸流作用下的泥沙输送不是主要部分。　　 本文最后基于离散到网格尺度的沿岸方向和横向方向的泥沙收支计算结果，利用NLINE海岸演化基本原理和控制方程，模拟了综合作用及单一情景条件下天津港—歧口区海岸泥沙收支单元的海岸线和岸滩等值线的演进过程。　　 模拟结果显示：天津港—歧口区海岸泥沙收支单元内0m海岸线的变化幅度较小，随着水深增大，岸滩等深线变化幅度逐步加大，变化幅度最大值出现在4.0m-5.0m等深线左右。其后随水深增加.岸滩变化幅度逐渐变小，在7.0m等深线附近，岸滩前后变化幅度小于5m。从整个岸滩的横向变化来看，虽然淤泥质海岸的泥沙运动多样化，岸线岸滩变化复杂，岸滩不存在一个完全类似沙质海岸的均衡剖面，但整体上看，在海洋动力及地形地貌和悬浮泥沙输送综合作用下，渤海湾淤泥质海岸存在其动态平衡关系。　　 情景分析是解决复杂多变环境下不确定问题的重要方法。基于近岸浪流条件的天津港—歧口区泥沙收支单元的情景分析，本文模拟了单纯近岸浪流动力情景下的海岸泥沙收支及其基于海岸泥沙收支的海岸线演化和岸滩变化响应过程。模拟结果发现：在浪流动力情景下，渤海湾天津港—歧口区海岸单元内的输沙量较小，海岸线及岸滩变化的幅度远小于综合条件作用下的岸线及岸滩变化幅度。　　 本研究由国家自然科学基金项目资助(项目编号40771030)。