福建三沙湾地貌和沉积变化对围垦和养殖的响应

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海湾作为连接陆地与海洋的关键区域,是人口、经济活动最密集的区域。近百年来,随着人类生产水平和需求的提高,围垦和养殖等强烈人类活动成为影响海岸地区自然过程的显著因素,探求其对河口海岸、海湾自然过程的影响成为地球科学、生态环境科学最重要的科学问题之一。三沙湾是中国东海典型的近封闭性海湾,近几十年发展成为世界上最大的大黄鱼养殖基地,且围垦活动强度远高于其他区域。目前,大范围的围垦和养殖如何影响湾内地貌环境还未获得足够的关注,系统性的调查分析仍有待深入。本文根据三沙湾80年来的海图资料和30年来的遥感调查,结合现场的沉积物采样、浅地层剖面、水文泥沙的观测,讨论围垦、养殖活动对三沙湾的冲淤环境变化的定量影响,为讨论沿海人类活动对海岸区域自然过程的影响提供典型案例和参考。结果表明:(1)1934-2018年,三沙湾地貌和冲淤发生了显著的变化。80年来,总岸线由738.2 km减少到695.8 km,减少了5.74%。0 m等深线以上的面积从279.1 km2变为324.9 km2,但是潮滩的面积从279.1 km2变为239.7 km2,减少了39.2 km2(22.01%),年均减少0.48 km2。冲淤总体上呈现“浅水淤积,深水冲刷”特征,淤积和冲刷面积分别为423.42 km2和372.15 km2,淤积和冲刷体积分别为7.61×108m3和23.56×108m3,垂向沉积速率和垂向侵蚀速率分别为2.2 cm/a和7.9 cm/a。(2)近百年来,浅水区域的沉积过程发生了显著的变化。1)高中潮滩柱样粒度组分上下较为均一,沉积物分类主要为粘土质粉砂;低潮滩柱样在垂向上有明显的分层,下部沉积物分类为砂质粉砂,上部为粘土质粉砂;航道浅地层沉积属性为粉砂质砂;通过CIC模式计算,潮间带上部垂向沉积速率在0.96-1.08 cm/a之间,潮间带下部的垂向沉积速率为1.04 cm/a。2)以90 cm为界,潮间带上部在90cm上下的浅地层层理均为平行层理,但是低潮滩90 cm以下浅地层层理由平行层理过渡到下凹层理,90 cm以上为上凸层理。3)潮滩测线沉积物的平均粒径范围在4.60μm-64.52μm之间,呈现潮间带粗而潮沟里相对较细的特征。(3)1934-2018年,三沙湾围垦和养殖面积发生了显著的变化。80年来,围垦面积由1934年的0 km2增加到1996年28.86 km2,进而增加到2018的99.1km2,平均每年增加1.18 km2。养殖面积由1995年16.53 km2增加到2020年235.1km2,增幅达到了1322%。对养殖区与非养殖区的实测资料表明,三沙湾的潮流以落潮流占优,悬沙浓度变化基本受流速控制,特征主要为落潮历时大于涨潮历时;落潮流速大于涨潮流速;落潮悬沙浓度大于涨潮悬沙浓度。(4)三沙湾围垦和养殖对地貌和沉积过程产生了显著影响。1)围垦的增加导致自然滩涂在海湾中的占比下降,围垦面积的增加速度大于自然潮滩面积的减少速度。围垦导致三沙湾的纳潮量由1934年的3.60×109m3减少到2015年的3.27×109m3。纳潮量减少导致潮滩区域流速减少和深槽区域流速增加的动力调整。2)同时,动力调整导致围垦区域外高潮滩淤积加强,淤积带向外延伸;滩槽交汇区域的浅地层由90 cm以下的下凹层理变为90 cm以上的上凸层理;也导致从围垦大堤向外的剖面上,粒度从围垦大堤外的细颗粒向潮间带过渡过程中逐渐变粗。3)密集的养殖网箱使湾内垂向流场发生了显著变化,非养殖区全潮周期内垂线上的平均流速梯度分别达到0.017和0.063,而养殖区的则垂向流速梯度仅有0.007和0.002,导致垂向流速剖面呈现类抛物线形,垂线上最大流速由表层下移到次表层(0.4H,H为即时水深)处,一般在10 m左右达到最大值,自0.4H后又逐步减少的异常现象,底层流速基本与垂线平均流速相等,使得近底层水体动力消耗增加,底层泥沙再悬浮和冲刷加强,成为三沙湾“深水冲刷”变化的主要因素之一。
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