基于風(fēng)暴水流能量分布對(duì)海南島小東海珊瑚巨礫成因的分析*

王媛琪, 楊陽(yáng), 周亮, 汪亞平, 高抒

1. 華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241;

2. 南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210023;

3. 江蘇師范大學(xué)地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院, 江蘇 徐州 221116

海岸珊瑚巨礫是高能極端水文事件古記錄最有價(jià)值的標(biāo)志之一(Hayne et al, 2001; Scheffers et al,2008; Yu et al, 2009; Terry et al, 2014, 2016)。海岸巨礫有風(fēng)暴和海嘯兩種成因, 20世紀(jì)中期的研究普遍認(rèn)為海岸珊瑚巨礫是由風(fēng)暴潮及其伴隨的大浪造成的(Mastronuzzi et al, 2004)。2004年印度洋海嘯事件之后,人們開(kāi)始更多地關(guān)注于其海嘯成因(Scicchitano et al, 2007; Goff et al, 2010; Costa et al,2011)。

風(fēng)暴與海嘯巨礫沉積具有很大的相似性。通常,在平行岸線方向形成脊?fàn)罘植嫉木薜[堆積一般考慮為風(fēng)暴成因(Etienne et al, 2010), 在垂直岸線方向不規(guī)則分布的巨礫堆積則大多考慮為海嘯成因(Paris et al, 2007; Etienne et al, 2011; Goto et al, 2012)。然而, 由于海岸珊瑚巨礫來(lái)源的不確定性以及海岸地形環(huán)境的復(fù)雜性(Nott, 1997; Goto et al, 2010b; Weiss,2012), 對(duì)這一判據(jù)存在爭(zhēng)議。在同時(shí)受到海嘯和風(fēng)暴潮事件影響的海岸, 如澳大利亞新南威爾士海岸(Bryant et al, 2001; Felton et al, 2003; Saintilan et al,2005; Goff et al, 2009)、意大利西西里島東南海岸(Scicchitano et al, 2007; Barbano et al, 2010)、地中海馬耳他島海岸(Biolchi et al, 2016; Causon et al, 2017),巨礫的成因區(qū)分難題在近年來(lái)的海岸地貌研究中占據(jù)了重要位置。

目前對(duì)于風(fēng)暴、海嘯巨礫的區(qū)分研究大多從巨礫堆積年齡以及沉積動(dòng)力角度入手。通過(guò)對(duì)珊瑚巨礫進(jìn)行C14或U238測(cè)年, 并與已知的極端事件發(fā)生時(shí)間進(jìn)行對(duì)比, 可大致判定巨礫的成因(Hayne et al,2001; Terry et al, 2014)。但礁坪上的珊瑚巨礫因風(fēng)化、波浪作用和生物侵蝕過(guò)程而發(fā)生剝蝕, 珊瑚死亡年齡也可能存在不確定性(Goto et al, 2007), 故該方法只能提供極端事件的時(shí)間上限(Yu et al, 2009)。對(duì)于巨礫搬運(yùn)的水動(dòng)力過(guò)程, Nott(2003)提出了不同初始狀態(tài)下巨礫繞其長(zhǎng)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的最小波高,以推算極端事件的能量, 但該公式對(duì)巨礫運(yùn)動(dòng)所需起動(dòng)波高的計(jì)算值與真實(shí)值相差較大(Mastronuzzi et al, 2004)。Lorang(2000, 2011)借鑒防波堤護(hù)面拋石的起動(dòng)閾值, 推算了與海岸巨礫沉積位置相關(guān)的波浪周期, 并計(jì)算了巨礫堆積的極端事件能量, 但該方法只適用于海灘坡面上的巨礫堆積, 對(duì)于坡面之外的珊瑚礁平臺(tái)環(huán)境并不適用。Scheffers等(2003)提出了“移動(dòng)指數(shù)”概念對(duì)兩類巨礫進(jìn)行區(qū)分, 根據(jù)巨礫質(zhì)量、沉積位置與岸線之間的距離、相對(duì)于平均海面的垂直高度三者的乘積近似地判斷極端事件的能量。同樣, 該方法也不適用于珊瑚礁平臺(tái)上的巨礫沉積。Goto等(2010a, 2011)通過(guò)對(duì)沖繩島、石垣島已知風(fēng)暴和海嘯成因的巨礫進(jìn)行研究, 得出西太平洋地區(qū)風(fēng)暴、海嘯巨礫的極限搬運(yùn)距離, 獲得了區(qū)分珊瑚巨礫歸屬成因的大致距離標(biāo)準(zhǔn)。

本文選取我國(guó)海南島三亞小東海為研究區(qū), 該地兼受風(fēng)暴潮和海嘯影響, 是珊瑚礁地形風(fēng)暴、海嘯巨礫成因區(qū)分研究的良好環(huán)境。從動(dòng)力學(xué)角度出發(fā), 考慮海岸珊瑚巨礫在風(fēng)暴潮作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,基于波浪能量分析, 對(duì)小東海珊瑚礁海岸的珊瑚巨礫沉積的理論空間分布格局進(jìn)行刻畫。通過(guò)對(duì)比野外實(shí)際觀測(cè)的珊瑚巨礫分布與風(fēng)暴巨礫的理論空間分布, 從而對(duì)巨礫成因進(jìn)行判斷。本項(xiàng)研究的目的是將巨礫輸運(yùn)過(guò)程與堆積位置分布格局相結(jié)合, 提出區(qū)分風(fēng)暴、海嘯巨礫的新思路。

1 研究區(qū)概況

海南島三亞鹿回頭半島三面環(huán)海, 其南端及西海岸一帶發(fā)育有眾多岸礁, 小東海位置如圖1所示。小東海西南沿岸珊瑚礁平臺(tái)寬度約為200～300m,珊瑚礁地形以-1.3m等深線為界, 內(nèi)側(cè)為礁坪帶,面積約0.27km2, 外側(cè)為礁緣帶, 面積約0.15km2(毛龍江 等, 2006)。礁坪內(nèi)側(cè)在低潮時(shí)暴露, 礁坪外側(cè)通常處于淹沒(méi)狀態(tài)。

圖1 海南島南部小東海研究區(qū)地理位置圖a底圖源自中華人民共和國(guó)自然資源部海南測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站[審圖號(hào): 瓊S(2019)063], 圖b底圖來(lái)自Google EarthFig.1 Study area of Xiaodonghai on the southern coast of Hainan Island. The base map is from Google Earth

本區(qū)珊瑚礁主體發(fā)育于7000～6300 a BP全新世高海面時(shí)期(黃德銀 等, 2005)。珊瑚礁坪內(nèi)側(cè)以薔薇珊瑚、鹿角珊瑚為主; 礁坪外側(cè)以角蜂巢珊瑚、扁腦珊瑚和鹿角珊瑚為主; 礁緣帶斜坡方向活體珊瑚分布密集, 水下2～5m范圍內(nèi)發(fā)育有大面積的角蜂巢珊瑚、扁腦珊瑚、鹿角珊瑚、杯形珊瑚和沙珊瑚等, 表面覆蓋率可達(dá)到50%～65%(王月 等, 2011)。

小東海位于熱帶, 受海洋性季風(fēng)氣候影響, 夏季盛行西南風(fēng)。海域受潮汐和風(fēng)浪影響, 潮汐潮差小, 日潮不等現(xiàn)象明顯。全年平均波高為1.3m, 平均波周期為5.1s, 常浪向?yàn)镋向。夏季平均波高較低, 月平均最小波高為0.9m; 冬季平均波高較大,月平均最大波高1.9m。浪向季節(jié)變化顯著, 9月底至次年3月中旬常浪向?yàn)镋向, 6月中旬至8月中旬常浪向?yàn)镾SE向(黃德銀 等, 2005)。

海南島是我國(guó)遭受風(fēng)暴潮影響最嚴(yán)重的地區(qū)之一。冬季受冷空氣影響, 災(zāi)害性海浪發(fā)生次數(shù)較多,而夏季由于熱帶氣旋影響, 災(zāi)害性海浪程度更為嚴(yán)重(李淑江 等, 2016)。近年來(lái)對(duì)海南省產(chǎn)生嚴(yán)重影響的災(zāi)害性海浪大多都是由熱帶氣旋登陸造成。海南島遭受海嘯侵襲的概率較小, 但歷史上海南島確有因近海地震而引起的海嘯事件(Sun et al, 2013)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)室分析

2018年1月31至2月3日對(duì)小東海西南沿岸珊瑚礁坪開(kāi)展野外調(diào)查(圖2)。挑選礁平臺(tái)上18塊典型的海岸珊瑚巨礫, 使用測(cè)量精度為15mm的Riegl VZ4000地面3D激光掃描儀進(jìn)行掃描, 獲取其實(shí)體表面信息。采集完成后通過(guò) 3D 激光掃描儀處理軟件 RiSCAN PRO 構(gòu)建“點(diǎn)云”模型, 并導(dǎo)入軟件Cloud Compare中, 計(jì)算出巨礫的三軸長(zhǎng)度與體積。采用 GPS-RTK技術(shù)準(zhǔn)確定位這些海岸珊瑚巨礫的位置, 將巨礫位置坐標(biāo)輸入到Google Earth中,測(cè)算巨礫與珊瑚礁坪前緣的水平距離。根據(jù)阿基米德排水法的巨礫密度測(cè)量結(jié)果(劉楨嶠 等, 2019),取平均值作為研究區(qū)珊瑚巨礫的密度。

2.2 風(fēng)暴潮作用下的珊瑚巨礫移動(dòng)距離計(jì)算

在前人對(duì)珊瑚巨礫起動(dòng)流速和波高計(jì)算(Nott,1997, 2003; Nandasena et al, 2011)的基礎(chǔ)上, 可進(jìn)一步拓展巨礫整體搬運(yùn)距離的計(jì)算方法。當(dāng)巨礫在風(fēng)暴潮水流作用下以推移質(zhì)方式搬運(yùn)時(shí), 其整體移動(dòng)過(guò)程可分為兩部分。當(dāng)水流速度達(dá)到巨礫運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)流速后, 巨礫在水流拖曳力Fd和動(dòng)摩擦力f的合力作用下從靜止開(kāi)始向礁坪內(nèi)側(cè)推移, 如圖3a所示的A點(diǎn)位置。此后, 由于珊瑚礁坪上能量不斷耗散,作用于巨礫上的拖曳力Fd不斷減小, 巨礫在此階段作變加速運(yùn)動(dòng)。巨礫運(yùn)動(dòng)速度不斷增大, 當(dāng)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)位置時(shí)達(dá)到最大值, 巨礫所受合力為0。在AB段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 巨礫水平方向受力如圖3b所示, 其中水流拖曳力Fd以及與床面之間的動(dòng)摩擦力f可表達(dá)為(Nott, 2003):

式中:ρ為海水密度, 取1.02g·cm-3;Cd為拖拽系數(shù),根據(jù)Nott (2003)的研究取Cd=2;a為巨礫長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,單位為m;c為巨礫短軸長(zhǎng)度, 單位為m;μi為水流近底流速, 單位為m·s-1;ρs為巨礫密度, 單位為g·cm-3;m為巨礫質(zhì)量, 單位為kg;g為重力加速度, 取9.81N·kg-1;μ為摩擦系數(shù), 根據(jù)Bagnold(1963)的研究, 摩擦系數(shù)與巨礫大小和床面粗糙程度相關(guān), 取值范圍在0.32～0.75之間, 本文根據(jù)Hongo等(2018)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取0.73。

破波帶內(nèi)水流近底流速μi與沿程各點(diǎn)的波高H的關(guān)系近似為(Nott, 2003):

根據(jù)牛頓第二定律推導(dǎo), 可得巨礫在AB段運(yùn)動(dòng)的加速度a(單位: m·s-2)為:

加速度的方向與巨礫運(yùn)動(dòng)方向一致, 指向礁坪內(nèi)側(cè)。

假定經(jīng)過(guò)時(shí)間T1后, 巨礫可由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn),根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)速度公式可推導(dǎo)巨礫在B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度vb為:

兩公式中的a為巨礫在AB段的平均加速度(單位: m·s-2), 方向與巨礫運(yùn)動(dòng)方向一致, 指向礁坪內(nèi)側(cè)。

根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)的速度位移公式可推導(dǎo)出巨礫在T1時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離L1(即AB段的長(zhǎng)度)為:

從功能轉(zhuǎn)換關(guān)系角度考慮, 波浪破碎后能量釋放, 其中部分能量對(duì)巨礫做功。波成水流對(duì)巨礫做功, 不僅使得巨礫從A點(diǎn)搬運(yùn)至B點(diǎn), 還使得巨礫從靜止?fàn)顟B(tài)加速至運(yùn)動(dòng)速度vb。假定波浪做功的大小為E1, 根據(jù)能量守恒定律, 巨礫在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量關(guān)系如下:

Power等(2013)根據(jù)能量通量平衡得出破波帶內(nèi)單位面積的波浪能量大小與波高的平方以及波群速度成正比。根據(jù)Nielsen (1992)的研究, 在波浪破碎所消耗的波浪能量中, 轉(zhuǎn)化為泥沙運(yùn)動(dòng)的效率系數(shù)eB的量級(jí)為10-2, 故本文推導(dǎo)波浪對(duì)巨礫所做的功大小系數(shù)E1可近似地由下式確定:

式中: 效率系數(shù)eB取3.5×10-2;H為波浪波高(單位:m);h為水深(單位: m);S為波浪做功的截面面積,取巨礫長(zhǎng)軸與短軸截面面積的10倍(單位: m2)。根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及能量關(guān)系可計(jì)算出巨礫在AB段做變加速運(yùn)動(dòng)的距離L1。

當(dāng)巨礫運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)時(shí), 其速度不為零, 且將繼續(xù)朝礁坪內(nèi)側(cè)推移, 直至最后靜止而沉積在C點(diǎn)(圖3a)。巨礫在BC段的水平方向受力如圖3c所示, 其所受合力主要以床面動(dòng)摩擦力f為主, 根據(jù)牛頓第二定律可推導(dǎo)巨礫在BC段的加速度為:

加速度方向與巨礫運(yùn)動(dòng)方向相反, 指向礁坪外側(cè)。從功能轉(zhuǎn)換關(guān)系角度考慮, 巨礫從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)過(guò)程中, 其動(dòng)能將全部轉(zhuǎn)化為巨礫位移L2:

由上式推導(dǎo)可得, 巨礫在BC段的運(yùn)動(dòng)距離L2為:

由此可得巨礫在風(fēng)暴潮作用下的總搬運(yùn)距離L,即為AB段距離L1與BC段距離L2之和。

3 結(jié)果

3.1 野外實(shí)測(cè)巨礫參數(shù)

研究區(qū)礁坪有大量海岸珊瑚巨礫分布, 堆積形態(tài)呈現(xiàn)出疊瓦狀, 向海傾斜。巨礫形狀以近似長(zhǎng)方體和橢球體為主。構(gòu)成珊瑚巨礫沉積的珊瑚碎屑來(lái)源于枇杷珊瑚科、褶葉珊瑚科、濱珊瑚科和蜂巢珊瑚科的珊瑚石(練健生 等, 2010)。巨礫表面在高潮水位線以上附著有海洋生物, 可推斷礁坪上的珊瑚巨礫沉積是在高能極端事件中從礁坪前緣搬運(yùn)形成。

表1 小東海西南沿岸礁平臺(tái)巨礫參數(shù)Tab. 1 Boulder parameters of a reef flat in the southwest coast of Xiaodonghai

3.2 小東海風(fēng)暴巨礫的理論搬運(yùn)距離

目前的海岸巨礫成因區(qū)分研究主要是通過(guò)巨礫的形狀大小來(lái)推斷其起動(dòng)時(shí)所需的極端事件能量,從而進(jìn)行風(fēng)暴巨礫或海嘯巨礫的成因判定。本文聚焦于風(fēng)暴潮波浪能量作用下珊瑚巨礫的整體搬運(yùn)動(dòng)力過(guò)程, 對(duì)小東海巨礫在不同風(fēng)暴條件下的理論搬運(yùn)距離L進(jìn)行計(jì)算, 以確定小東海風(fēng)暴巨礫的理論空間分布格局。

基于SWAN模型對(duì)1949—2013年臺(tái)風(fēng)級(jí)別的471次熱帶氣旋的臺(tái)風(fēng)浪模擬結(jié)果, 可確定風(fēng)暴潮的能量。南海北部地區(qū)1949—2013年間臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮引起的海浪最大有效波高為13.0m(尹洪強(qiáng) 等,2014), 本文將其作為小東海風(fēng)暴巨礫搬運(yùn)波高的上限。根據(jù)鶯歌海和東方所1964—2005年的觀測(cè)資料,海南島由熱帶氣旋引起的風(fēng)暴潮海浪平均波高為5.9m, 故將風(fēng)暴巨礫搬運(yùn)所需海浪波高的下限定為6.0m。

由圖4和表2可知, Corey形狀因子S=0.4的風(fēng)暴巨礫的理論搬運(yùn)距離為12.0～277.8m,S=0.6的風(fēng)暴巨礫為12.5～285.6m, 而S=0.8的風(fēng)暴巨礫為12.8～299.2m; 小東海風(fēng)暴巨礫理論搬運(yùn)距離的最大平均值為287.5m, 最小平均值為12.4m。

表2 風(fēng)暴巨礫在礁坪上起動(dòng)后的理論搬運(yùn)距離Tab. 2 Theoretical transport distances of storm boulders after mobilization on the reef flat

圖4 風(fēng)暴巨礫在礁坪上起動(dòng)后的理論搬運(yùn)距離圖中陰影區(qū)為小東海風(fēng)暴巨礫從礁坪上起動(dòng)的理論分布空間, 黑色標(biāo)記點(diǎn)為Corey形狀因子分別為0.4、0.6、0.8的野外觀測(cè)巨礫的分布位置Fig.4 Theoretical transport distances of storm boulders: (a) Corey shape factor S=0.4; (b) S=0.6; and (c) S=0.8

4 討論

4.1 風(fēng)暴巨礫理論分布格局

臺(tái)風(fēng)和海嘯都具有強(qiáng)大的搬運(yùn)能力, 能使巨礫在海岸線附近形成堆積, 但兩者的作用機(jī)制存在差異。海嘯一般只經(jīng)歷一次來(lái)回或只有向岸輸移的過(guò)程, 而臺(tái)風(fēng)過(guò)程影響時(shí)間較長(zhǎng), 往往存在反復(fù)多次的向岸運(yùn)移和回流過(guò)程(高抒 等, 2019)。海嘯可將重量達(dá)0.1×103～0.2×103kg的巨礫搬運(yùn)500m以上的距離(Nandasena et al, 2013), 而臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮將巨礫搬運(yùn)至岸線前緣的距離一般不超過(guò)300m(Goto et al, 2010a)。由此可知, 風(fēng)暴潮所蘊(yùn)含的能量與搬運(yùn)的巨礫質(zhì)量及移動(dòng)距離存在相應(yīng)的關(guān)系。

當(dāng)巨礫在礁坪上起動(dòng)時(shí), 風(fēng)暴潮的波高大小對(duì)小東海巨礫整體的搬運(yùn)距離有著重要影響。Corey形狀因子為0.4、質(zhì)量為0.1t的巨礫在波高分別為13m和6m的風(fēng)暴潮作用下的理論搬運(yùn)距離相差217.8m, 而質(zhì)量為20t的巨礫則相差37.9m; Corey形狀因子為0.8、質(zhì)量為0.1t的巨礫在波高分別為13m和6m的風(fēng)暴潮作用下的理論搬運(yùn)距離相差234.6m, 而質(zhì)量為20t的巨礫則相差41.5m。這表明質(zhì)量越小的巨礫, 在風(fēng)暴潮作用下的搬運(yùn)距離越遠(yuǎn),且風(fēng)暴潮波高的變化對(duì)其理論搬運(yùn)距離存在明顯的影響, 形成的風(fēng)暴巨礫空間分布越廣。隨著巨礫質(zhì)量的增大, 風(fēng)暴潮波高的變化對(duì)理論搬運(yùn)距離的影響減弱, 巨礫的理論空間分布范圍相對(duì)縮小。

對(duì)于相同質(zhì)量的巨礫, 形狀的不同對(duì)其搬運(yùn)距離也有明顯的影響。由圖5可知, Corey形狀因子越大, 同等極端事件影響下, 巨礫搬運(yùn)距離也會(huì)越遠(yuǎn)。當(dāng)波高為13m時(shí), 質(zhì)量為0.1t、Corey形狀因子分別為0.4與0.8的巨礫在搬運(yùn)距離上相差21.4m, 而質(zhì)量為20t的巨礫則相差4.4m; 當(dāng)波高為6m時(shí), 質(zhì)量為0.1t、Corey形狀因子分別為0.4與0.8的巨礫在搬運(yùn)距離上相差4.6m, 而質(zhì)量為20t的則相差0.8m。Corey形狀因子為0.8的風(fēng)暴巨礫在理論空間分布上較Corey形狀因子為0.4的巨礫更遠(yuǎn)離珊瑚礁坪前緣, 且分布范圍更廣。

圖5 不同形狀的風(fēng)暴巨礫在礁坪上起動(dòng)后的理論搬運(yùn)距離差異Fig.5 Differences of theoretical transport distance of storm boulders due to different shape factors

4.2 小東海巨礫的風(fēng)暴成因

在目前的觀測(cè)研究中, 對(duì)不同質(zhì)量的風(fēng)暴巨礫在礁坪上的理論空間分布格局進(jìn)行系統(tǒng)描述的較少。根據(jù)珊瑚礁海岸上風(fēng)暴巨礫的理論空間分布格局, 若野外實(shí)測(cè)巨礫在其理論空間分布范圍內(nèi), 可判定該巨礫為風(fēng)暴巨礫。本文以小東海珊瑚礁海岸為例, 將現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的巨礫質(zhì)量、形狀參數(shù)以及巨礫至珊瑚礁前緣的實(shí)際距離與小東海風(fēng)暴巨礫的理論空間分布格局進(jìn)行對(duì)比, 并結(jié)合區(qū)域極端事件記錄,對(duì)小東海的巨礫進(jìn)行成因判別?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)巨礫在風(fēng)暴潮情況下的理論分布范圍用理論搬運(yùn)距離區(qū)間表示(表3)。

表3 小東海野外實(shí)測(cè)巨礫在風(fēng)暴潮作用下的理論空間分布范圍與實(shí)測(cè)距離Tab. 3 Theoretical spatial distribution and measured distances of boulders at Xiaodonghai

由表3結(jié)果可知, XD01、XD015、XD016、XD017、XD018這5塊巨礫的理論搬運(yùn)距離與實(shí)測(cè)距離稍有偏離, 其余巨礫均位于小東海風(fēng)暴巨礫的理論分布范圍內(nèi)。對(duì)于有所偏離的巨礫, 其沉積位置至礁坪前緣的實(shí)際距離超出了13m波高作用下所計(jì)算得出的理論搬運(yùn)距離。

考慮到海南島風(fēng)暴潮事件多發(fā), 珊瑚礁巨礫與礁坪前緣的實(shí)測(cè)距離可能是巨礫在風(fēng)暴潮作用下多次移動(dòng)的結(jié)果。根據(jù)遙感影像對(duì)比, 在2013年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”引起的風(fēng)暴潮作用下, 原本位于菲律賓薩馬爾島東部和帕勞島的珊瑚礁坪上的部分巨礫發(fā)生了移動(dòng), 使巨礫與礁坪前緣之間的距離增大(May et al, 2015; Hongo et al, 2018)。因此, 推測(cè)上述5塊巨礫目前所處的位置可能是經(jīng)過(guò)多次風(fēng)暴潮搬運(yùn)的結(jié)果。

另一原因可能是巨礫曾受到了波高大于13m的極端事件搬運(yùn)。通過(guò)波浪能量分析, 反推XD01、XD015、XD016、XD017、XD018被搬運(yùn)至實(shí)測(cè)距離所需的風(fēng)暴潮海浪波高, 結(jié)果如表4所示。

表4 巨礫被搬運(yùn)至實(shí)測(cè)距離所需的風(fēng)暴潮海浪波高Tab. 4 Storm surge wave height required for boulder transport to measured distance

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示, 海南島近70年來(lái)出現(xiàn)大于2m增水的風(fēng)暴潮共有7次, 其中臺(tái)風(fēng)“威馬遜”和“海鷗”引發(fā)了近年來(lái)少有的兩次特大風(fēng)暴潮災(zāi)害(陳哲, 2017)。根據(jù)鶯歌海和東方所1964—2005年的觀測(cè)資料, 海南島由熱帶氣旋引起的風(fēng)暴潮海浪最大波高可達(dá)9m以上。而利用WAVEWATCH III海浪數(shù)值模式對(duì)南海1986—2005年發(fā)生的275次臺(tái)風(fēng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明, 臺(tái)風(fēng)作用下海南島東北部海域百年一遇的極值波高可達(dá)16m(苗慶生, 2011)。2005—2008年內(nèi), 海南島因熱帶風(fēng)暴引起的災(zāi)害性海浪實(shí)測(cè)波高均小于8m, 2008年“黑格比”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引起的海浪實(shí)測(cè)最大波高則在10m以上(李文歡 等,2013)。

除了歷史風(fēng)暴浪影響之外, 海南島也曾受到海嘯的侵襲。根據(jù)Sun等(2013)的研究, 中國(guó)南海在公元1076年曾發(fā)生過(guò)海嘯, 西沙群島東島以及廣東南澳島等均受到海嘯影響。歷史文獻(xiàn)中海南省遭受海嘯影響的記錄有: 1906年瓊山發(fā)生7.5級(jí)地震并引發(fā)海嘯(Mak et al, 2007); 1992年在海南三亞也發(fā)生過(guò)海嘯事件, 但波能較小, 最大波高僅為0.8m(葉琳,2005); 2004年12月和2005年3月因受印度洋地震影響, 海南三亞也觀測(cè)到了海嘯波浪, 但海嘯引起的最大波高在0.1m以下(Mak et al, 2007)。近百年來(lái),海南島海嘯事件發(fā)生的頻率遠(yuǎn)低于風(fēng)暴頻率。

結(jié)合小東海極端事件歷史記錄可知, 巨礫XD01、XD015、XD017、XD018由風(fēng)暴潮搬運(yùn)而成的可能性較大, 而搬運(yùn)XD016所需的風(fēng)暴潮海浪波高應(yīng)大于16m, 因而推測(cè)其成因可能是歷史強(qiáng)風(fēng)暴或海嘯。在后期研究中還需對(duì)珊瑚巨礫進(jìn)行年代測(cè)定, 并與已知臺(tái)風(fēng)或海嘯記錄作對(duì)比, 以進(jìn)一步確定小東海珊瑚巨礫的成因, 同時(shí)判斷臺(tái)風(fēng)或者海嘯的發(fā)生頻率以及強(qiáng)度變化。

此外, 小東海野外觀測(cè)巨礫中處在風(fēng)暴巨礫理論分布空間外的5塊巨礫的質(zhì)量普遍在1.0×104kg以上, 屬于大型的珊瑚巨礫塊體。Nandasena等(2011)認(rèn)為大型珊瑚巨礫與一般的珊瑚巨礫在起動(dòng)流速上存在較大差異, 大型珊瑚巨礫需要更大的起動(dòng)流速; 同時(shí), 大型珊瑚巨礫在搬運(yùn)過(guò)程中與礁坪間的接觸面積更大, 單位面積所受摩擦力與一般巨礫相比也可能存在差異。因此, 對(duì)于質(zhì)量大于1.0×104kg的珊瑚巨礫的成因判斷方法, 仍需進(jìn)一步研究。

4.3 風(fēng)暴巨礫理論空間分布作為成因區(qū)分方法的適用性

小東海沿岸分布的珊瑚巨礫在臺(tái)風(fēng)作用下起動(dòng)搬運(yùn)所需的海浪波高應(yīng)在7.2～15.8m之間(劉楨嶠等, 2019)。本文應(yīng)用風(fēng)暴巨礫的理論空間分布對(duì)小東海沿岸的巨礫成因進(jìn)行判定。根據(jù)前述研究(表4)可知, 本文所測(cè)巨礫中除XD016外, 其余巨礫被搬運(yùn)至現(xiàn)今位置所需的風(fēng)暴潮波高均小于或等于14.6m, 這與劉楨嶠等(2019)的研究結(jié)果相符。同時(shí),研究區(qū)大部分野外實(shí)測(cè)巨礫位于風(fēng)暴巨礫理論分布空間的中部偏上(圖4), 這些巨礫是在波高為9m左右的風(fēng)暴潮作用下搬運(yùn)至現(xiàn)今位置的, 產(chǎn)生如此波高的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度可能與帕勞群島的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“寶霞”相當(dāng)(Hongo et al, 2018)。故本文提出的基于理論空間分布的風(fēng)暴巨礫成因判別方法具有一定的合理性。但若將此方法推廣至更廣的研究區(qū), 則還需要作進(jìn)一步完善。

首先, 本文試圖從風(fēng)暴水流的輸運(yùn)機(jī)制出發(fā),確定不同大小的巨礫在礁平臺(tái)上的平面分布格局,同樣的方法也可運(yùn)用于海嘯的情形。將兩種分布格局與實(shí)際情況相對(duì)照, 以判別成因類型。由于小東海環(huán)境條件的制約, 目前尚未就海嘯成因的巨礫分布給出相應(yīng)的模擬結(jié)果。今后可在進(jìn)一步完善風(fēng)暴水流輸運(yùn)理論的基礎(chǔ)上, 結(jié)合海嘯模擬方法, 構(gòu)建出區(qū)分風(fēng)暴巨礫與海嘯巨礫的判別標(biāo)準(zhǔn)。

其次, 本文所刻畫的風(fēng)暴巨礫理論空間分布格局中, 巨礫起動(dòng)位置假設(shè)為礁坪前緣。然而, 巨礫的初始位置可能處于水下礁緣斜坡, 也可能處于珊瑚礁坪上, 即其來(lái)源存在不確定性。若巨礫從水下礁緣斜坡開(kāi)始搬運(yùn), 其整體搬運(yùn)動(dòng)力過(guò)程還應(yīng)考慮斜坡段的動(dòng)力過(guò)程及能量轉(zhuǎn)換。同一風(fēng)暴潮作用情況下, 從水下礁緣斜坡起動(dòng)的巨礫的最終沉積位置與礁坪前緣的距離應(yīng)小于從礁坪起動(dòng)的巨礫的搬運(yùn)距離, 故從水下礁緣斜坡起動(dòng)的巨礫在風(fēng)暴潮作用下形成的風(fēng)暴巨礫理論空間分布應(yīng)更靠近海岸線。本文研究因不能確定斜坡起動(dòng)的條件而無(wú)法考慮這一因素, 今后如能就該問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)充和完善, 可進(jìn)一步提高對(duì)巨礫成因的判定以及風(fēng)暴潮能量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

最后, 本文的模擬只考慮了一種珊瑚的密度。不同種類的珊瑚所構(gòu)成的巨礫密度范圍可在0.8～2.7g·cm-3間不等, 差異較大(Spiske, 2008), 今后可進(jìn)一步考慮不同種類和密度的珊瑚巨礫。此外, 不同大小、不同質(zhì)量的巨礫與礁坪之間的摩擦系數(shù)可能也存在差異。尤其對(duì)于質(zhì)量在1.0×104kg以上的珊瑚巨礫, 目前的方法只能提供初步成因判斷。

5 結(jié)論

本文選擇兼受風(fēng)暴潮和海嘯影響的小東海珊瑚礁海岸為研究區(qū), 通過(guò)波浪能量分析推導(dǎo)出巨礫在風(fēng)暴潮作用下的搬運(yùn)動(dòng)力過(guò)程, 進(jìn)而對(duì)小東海風(fēng)暴巨礫的理論搬運(yùn)距離進(jìn)行定量估算。將水動(dòng)力學(xué)過(guò)程與風(fēng)暴巨礫空間分布格局相結(jié)合, 提出巨礫成因區(qū)分的新方法。本文獲取的主要結(jié)論有:

1) 小東海風(fēng)暴巨礫的理論空間分布與風(fēng)暴潮引起的海浪波高、巨礫質(zhì)量和形狀等因素密切相關(guān)。

2) 運(yùn)用風(fēng)暴巨礫的理論空間分布對(duì)小東海實(shí)測(cè)巨礫進(jìn)行成因區(qū)分, 結(jié)果表明小東海巨礫由風(fēng)暴潮搬運(yùn)形成的可能性較大。盡管部分巨礫的沉積位置不在本文模擬得到的風(fēng)暴巨礫理論分布范圍內(nèi),但對(duì)于其是否為海嘯成因仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3) 基于風(fēng)暴水流的輸運(yùn)機(jī)制可建立風(fēng)暴巨礫和海嘯巨礫在礁平臺(tái)上的平面分布格局, 進(jìn)而形成區(qū)分這兩種巨礫的判別標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo), 今后需進(jìn)一步研究的問(wèn)題包括模擬假設(shè)條件的完善、巨礫密度和質(zhì)量尺度效應(yīng)的界定、風(fēng)暴和海嘯水流輸運(yùn)理論的提升。