基于信息熵理论对渤海土地复垦对物质输运影响的评估

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Assessment of land reclamation effects on material transport in the Bohai Bay based on information entropy theory

定量评估渤海湾大规模围垦对物质输运的影响，构建FVCOM潮汐耦合风浪流场模型，结合粒子追踪与信息熵理论分析网络节点输入熵与输出熵变化。结果显示围垦后近曹妃甸港输入熵增160%，近天津港输出熵降167%，揭示围垦导致物质聚集与扩散能力显著改变，为海洋生态管理提供量化评估框架。

　　本研究聚焦于中国渤海湾区域，探讨大规模填海活动对海洋物质输送动态的影响。渤海湾作为中国北方的一个半封闭海湾，其平均水深约为18米，周围地区经济活跃，拥有众多港口。随着填海工程的推进，该区域的海岸线发生了显著变化，自1990年至2022年间，填海总面积增加了1,513.83平方公里，导致海岸线向海延伸，并且海岸线长度从413.23公里增加至718.98公里。这些变化不仅改变了渤海湾的地理格局，也对海洋动力学、水交换能力以及物质输送过程产生了深远影响。

为了评估填海活动对物质输送的影响，本研究采用了一种创新的方法，即结合拉格朗日流网络（LFNs）的信息熵理论与数值模拟技术。信息熵作为衡量系统混乱程度的重要指标，广泛应用于多个领域，如物理化学过程、数据集分析、河流水质空间分析以及地下水污染评估。在海洋环境中，信息熵被用来研究海表温度的分布模式，并优化海洋监测传感器的布设方案。这种理论的应用，使得研究人员能够从一个新的角度理解填海活动对物质输送路径和空间分布的影响。

在本研究中，信息熵被分为输入熵和输出熵两种类型。输入熵用于衡量物质的聚集程度，而输出熵则用于评估物质的扩散能力。通过构建有限体积社区海洋模型（FVCOM）和拉格朗日粒子追踪模型，研究团队模拟了渤海湾的流场和粒子分布情况。这些模型能够捕捉到由潮汐和风场共同作用下的海洋动力学变化，从而揭示填海活动对物质输送机制的具体影响。

研究结果显示，填海活动对渤海湾的物质输送产生了显著的季节性变化。在夏季，由于风场的作用，物质呈现“北聚南散”的输送模式；而在冬季，物质则呈现“南聚北散”的输送趋势。这种季节性变化反映了填海工程对海洋动力环境的改变，以及风场和潮汐耦合对物质输送路径的影响。在填海之后，靠近曹妃甸港的区域输入熵增加了约160%，表明物质的聚集模式更加集中；而靠近天津港的区域输出熵减少了约167%，说明物质的扩散能力有所下降。这些变化表明，填海活动对物质的聚集和扩散过程产生了显著影响，增加了系统在这些方面的不确定性。

通过将信息熵理论引入拉格朗日流网络分析，本研究提供了一种有效的定量方法，用于评估海岸工程对海洋生态系统的影响。这种方法不仅能够揭示填海活动对物质输送路径的改变，还能为海洋环境管理提供科学依据。在填海工程实施前后，物质输送模式的变化为海洋环境监测和可持续发展提供了重要参考。此外，研究还发现填海活动对渤海湾的风暴潮产生了影响，进一步说明了填海工程对海洋动力环境的复杂作用。

为了验证研究模型的准确性，本研究采用了观测数据进行模型校准。潮汐模型的验证基于Yu（2021）的研究成果，该研究评估了渤海湾的潮汐水平和流速，提供了可靠的参考数据。风潮耦合的水动力模型则通过系统比较潮汐水平和流速进行验证，确保了模型在模拟填海对物质输送影响时的可靠性。这些验证过程表明，所采用的模型能够准确反映填海工程对海洋动力环境的改变，以及物质输送模式的动态变化。

本研究还探讨了信息熵在海洋流网络中的动态机制。在潮汐模型中，潮汐流是唯一的驱动力，决定了海湾内物质输送的结构。在潮汐流较强的区域，如靠近曹妃甸的海岸、西部海岸和南部海岸，物质的聚集和扩散模式表现出明显的差异。这些差异反映了填海活动对潮汐流的改变，以及由此带来的物质输送路径的变化。通过引入信息熵理论，研究人员能够更全面地理解填海活动对物质输送的影响，并为海洋环境管理提供新的视角。

研究团队在本研究中采用了多种方法，包括卫星遥感技术和数值模拟方法，以评估填海活动对海洋环境的影响。卫星遥感技术因其经济性、高效性和大范围覆盖能力，被广泛用于识别填海区域的空间变化，并评估其对环境的影响。而数值模拟方法则能够深入探讨填海活动对近岸动力环境和物质输送的影响，通过计算关键指标如停留时间、悬浮泥沙通量和潮汐能量输送，实现对水交换能力和生态过程的定量分析。此外，一些研究引入了拉格朗日相干结构（LCS）技术，以揭示填海活动对物质输送的潜在影响。

本研究的创新之处在于将信息熵理论与拉格朗日流网络分析相结合，提供了一种新的评估方法。通过这一方法，研究人员能够更系统地分析填海活动对物质输送的影响，并揭示其背后的生态机制。研究结果表明，与传统的拉格朗日描述方法相比，信息熵在实际海洋环境中表现出更高的鲁棒性。输入信息熵能够反映物质的空间分布特征，而输出信息熵则能够评估物质的扩散能力。这种定量方法不仅能够帮助研究人员理解填海活动对物质输送的影响，还能为海洋环境管理提供科学支持。

在本研究中，研究团队还进行了参数敏感性分析，探讨了信息熵在不同条件下的变化情况。这一分析包括对积分时间和粒子释放时间的影响，进一步验证了信息熵在评估填海活动对物质输送影响时的有效性。通过这些分析，研究人员能够更全面地理解填海活动对物质输送机制的影响，并为海洋环境管理提供更加精准的依据。

研究团队在本研究中还强调了填海活动对海洋生态系统可能带来的长期影响。填海工程不仅改变了海岸线和水文结构，还可能影响海洋生物的生存环境，进而对整个生态系统产生连锁反应。通过信息熵理论的应用，研究人员能够识别这些变化，并评估其对物质输送和生态系统的影响。这一研究为未来海洋环境管理提供了新的思路，即通过定量分析物质输送的动态变化，来预测和评估填海活动对海洋生态系统的潜在影响。

综上所述，本研究通过构建有限体积社区海洋模型和拉格朗日粒子追踪模型，结合信息熵理论，系统评估了填海活动对渤海湾物质输送的影响。研究结果表明，填海活动显著改变了物质的聚集和扩散模式，增加了系统的不确定性。这一研究不仅为海洋环境管理提供了科学依据，也为可持续发展提供了新的视角。通过将信息熵理论引入拉格朗日流网络分析，研究人员能够更全面地理解填海活动对海洋动力环境的影响，并为未来的海洋环境保护和管理提供有力支持。