最近60年来胶东半岛气候变化和人类活动对五龙河口(丁字湾)动力地貌演变的影响

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河流径流与输沙是河口海岸地区最重要的陆域物质来源之一,其变化必然导致河口海岸水动力、水环境、沉积、地貌及资源和生态环境的深刻变化。研究表明,最近数十年来,全球许多河流入海径流、泥沙量都呈不同程度的减少趋势,其原因主要是气候变化和人类活动(如流域内水库堤坝建设、土地覆被变化以及调水引水等)的影响。20世纪50年代以来,全球范围内气候变化十分显著,特别是对兼具海洋、陆地两种热力性质,并且人类活动影响十分显著的沿海地区,因而必将对沿海山地河流入海径流、泥沙总量产生显著影响,从而引起河口海湾动力地貌的演变。本研究以位于我国最大的半岛—胶东半岛南部的五龙河流域为例,对最近60年来胶东半岛气候变化特征,以及五龙河流域内气候变化和人类活动对山地河流入海径流、泥沙变化的影响进行了研究;并采用潮流数值模拟方法,对五龙河口(丁字湾)水文水动力条件进行模拟,从而分析河流水文过程变化以及湾内滩涂围垦等人类活动对近60年来丁字湾沉积动力地貌演变的影响。首先,利用胶东半岛近50年来的年平均、年最高、最低温度以及全年累计降水量、6~9月降水数据,采用Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法以及有序聚类分析法,分析了胶东半岛最近约60年来气温和降水的变化特征。结果显示:最近60年来胶东半岛气候变化特征主要表现为先是降水量于1980年前后开始明显减少,而后气温于1990年前后突然显著上升。其中,年平均温度呈显著上升趋势,并在1990年前后发生显著的增温突变;升温主要是年最低温度上升的结果,而年最高温度变化趋势及变化幅度均不明显。年降水量有所减少,大多数水文站年降水在1980年前后发生突变,但部分站点突变时间为1966年;年降水量减少主要是由6~9月降水减少造成的,同时6~9月降水在全年中所占比重也略有下降。此外,半岛东南部各气候要素突变时间较西北部偏早,降水减少幅度也更为明显。比较而言,胶东半岛同期温度变化趋势与我国大部分地区基本一致,但降水量以显著减少为特征。其次,采用Mann-Kendall非参数检验法、累积距平法、有序进聚类分析法及线性回归等数学方法,对最近60年来气候变化和人类活动对五龙河入海径流、泥沙变化的影响进行了研究。结果表明,20世纪50年代以来五龙河入海径流、泥沙量均呈现出显著的阶段性逐级减少趋势。最近60年来,五龙河年径流量和输沙量主要集中在6-9月;主要受年降水量变化影响,年径流量从1980年开始显著减少,并在1966年出现较大波动;受年降水和径流变化影响显著,年输沙量也分别在1966和1980年呈逐级减少突变;总体来看,年输沙量减少的趋势性要强于径流量。除气候变化影响外,1966年以来流域内大面积坡耕地改梯田和园地、林地建设等人类活动,也是造成河流径流、泥沙减少的重要原因。整体而言,最近60年来,气候变化和人类因素分别造成五龙河入海水沙总量减少约70-80%和20-30%。最后,根据1961、1981、1995和2010年五龙河口(丁字湾)大比例尺海图和地形图,利用3S技术确定近50年来丁字湾地貌类型、分布及变化特征,分析河流水文过程变化、海湾滩涂围垦影响下丁字湾边界条件变化,并利用潮流数值模拟方法模拟不同边界条件下潮汐潮流动力特征。结果表明,最近50年来,丁字湾海岸地貌类型间转化十分显著,主要表现为潮滩等自然地貌类型面积明显减少,而养殖池、盐田等人工地貌类型面积显著增加;同时,潮汐汊道淤塞,并不断萎缩。丁字湾海岸地貌类型转换和地貌冲淤状态变化表现出显著的阶段性:1961-1981年,丁字湾基本处于不受人类活动影响的自然演变阶段,由于延续了海湾形成后持续至今的缓慢淤积状态,水面向滩涂的净转入,此时期丁字湾处于涨潮不对称状态。从70年代末80年代初开始,随着堤坝的修建及大面积滩涂转化为养殖池等人类活动显著改变了海湾地貌结构和边界条件,丁字湾仍为水面向滩涂净转入,但是转换速率明显增加,同时丁字湾涨潮不对称程度增高,从而进入快速淤积阶段。1995年后,随着人类对海湾大规模的开发利用活动基本结束,丁字湾水面与潮滩互相换转面积和速率显著变小,且基本持平,但由前期水面向潮滩净转入开始转为由滩涂向水面净转入,丁字湾由不断增强的涨潮不对称向落潮不对称状态突然逆转,即丁字湾地貌在经历一个快速淤积阶段后开始呈现侵蚀趋势。因此,整体看来,1995年以前丁字湾整体以淤积为主,主要表现在湾顶河口部分向下移动,丁字湾中部的南岸以及湾口北岸淤积较明显。而1995年后丁字湾开始呈现侵蚀趋势,并推测这种趋势在今后一段时间内可能有所加强。这说明人类活动深刻改变了丁字湾原有的地貌冲淤演化趋势。同时,胶东半岛南部其他典型潮汐汊道海湾在同时期也表现出相似的变化特征。此外,最近50年来,随着海湾边界条件显著变化,丁字湾平均高、低潮位均有所下降,但平均潮差有所增加;丁字湾涨潮历时大致呈单调递减趋势,落潮历时则逐渐增加,且越靠近湾顶,涨、落潮历时变化幅度越显著;但涨、落潮流历时变化过程比较复杂,相应地,涨、落潮流流速表现出与涨、落潮流历时相反的趋势。同时,丁字湾潮流悬浮泥沙浓度变化十分显著,虽然1981年后五龙河入海泥沙量显著减小,但由于大量的人工建筑来沙,因此直到1995年,潮流悬浮泥沙浓度较之前明显增加,而1995年后悬浮泥沙浓度又明显减少。总之,整体而言,最近60年来胶东半岛丁字湾潮流动力地貌演变是人类活动和五龙河流域水文要素变化共同作用的结果。但与五龙河受流域人类活动影响不显著,而气候变化,主要是1980前后开始的降水变化,是影响流域水文要素变化的主要原因不同,丁字湾地貌类型转化、冲淤状态及潮流动力特征演变受1980年前后开始的人类对海湾大规模开发利用活动的影响更为显著。人类活动使丁字湾地貌类型及边界条件在十几年的时间尺度上被显著改变,同时使海湾潮流动力特征根据新的海湾边界条件重新达到平衡,并发生冲淤状态的逆转,因而对丁字湾动力地貌演化产生深远影响。
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