中強(qiáng)潮海灘剖面沖淤過(guò)程研究
——以北海銀灘為例

黃祖明，戴志軍，黎樹(shù)式，黃鵠，馮炳斌

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200062

2.廣西北部灣海岸科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，欽州535011

3. 南寧師范大學(xué)，南寧530000

砂質(zhì)海岸是我國(guó)海岸帶的重要組成部分，具有豐富的旅游資源、濱海砂礦、水產(chǎn)養(yǎng)殖與鹽業(yè)資源以及港口資源[1]。近年來(lái)，全球氣候變暖引起砂質(zhì)海岸地貌如沙壩、沙丘和陸架沙脊等響應(yīng)海平面升降而發(fā)生不同的演化和變異[2]。海灘作為砂質(zhì)海岸的重要組成，已出現(xiàn)強(qiáng)烈的侵蝕后退跡象，國(guó)內(nèi)亦不例外。當(dāng)前我國(guó)近70%的砂質(zhì)海岸遭受持續(xù)侵蝕[1]，海岸侵蝕速率多集中于1～3 m/a，少數(shù)地區(qū)大于5 m/a[3]，這已引起諸多學(xué)者關(guān)注[4-7]，因此，開(kāi)展海灘動(dòng)力地貌的演變過(guò)程研究并對(duì)其進(jìn)行保護(hù)與合理開(kāi)發(fā)刻不容緩。

海灘剖面時(shí)空演變表征海岸動(dòng)力地貌的主要變化。國(guó)外不少學(xué)者通過(guò)結(jié)合動(dòng)力、地形測(cè)量及地貌分區(qū)等，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)海灘剖面響應(yīng)波浪、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害及沿海工程等的影響進(jìn)行分析[8-11]。如Medina等采用主成分分析（PCA）確定了西班牙桑坦德海灘剖面及其沉積物數(shù)據(jù)變化中時(shí)間特征向量的季節(jié)依賴(lài)性[12]。Uda等通過(guò)建立等高線變化模型對(duì)下新川海岸的歷史波浪及剖面變化進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的岸灘泥沙輸移與剖面的變化一致[13]。Díez等利用聚類(lèi)算法（KMA）及經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）識(shí)別出美國(guó)太平洋西北部耗散型海灘剖面經(jīng)受波浪和水位季節(jié)性影響出現(xiàn)周期性波動(dòng)現(xiàn)象[14]。國(guó)內(nèi)海灘剖面研究集中于侵蝕成因及侵蝕強(qiáng)度評(píng)估，包括采取定性和半定量技術(shù)研究橫向剖面高程變化[15-18]，并且主要以研究弱潮環(huán)境的海灘居多。其中，戴志軍等運(yùn)用顯著性檢驗(yàn)和交叉譜等方法發(fā)現(xiàn)寮嘴口岬間海灘短期變化過(guò)程主要受控于風(fēng)應(yīng)力、波浪及臺(tái)風(fēng)等動(dòng)力的作用[19]。陳子燊等分析臺(tái)風(fēng)作用下粵西水東灣海灘剖面地形動(dòng)力與侵蝕機(jī)制，認(rèn)為剖面位置與形態(tài)和入射波要素共同作用下的最大增水是岸灘剖面侵蝕幅度決定性因素之一[20]。龔昊等通過(guò)對(duì)比木蘭灣在“威馬遜”及“海鷗”臺(tái)風(fēng)前后的剖面特征變化，揭示了海灘在臺(tái)風(fēng)作用下具有顯著空間差異和復(fù)雜響應(yīng)[21]。當(dāng)前海灘響應(yīng)外在驅(qū)動(dòng)作用的研究已積累不少成果[19,22-24]，但較少探討中、強(qiáng)潮環(huán)境的海灘剖面過(guò)程，特別是地處中國(guó)西南區(qū)域的北部灣。

廣西北部灣沿岸作為中國(guó)砂質(zhì)海岸的重要分布區(qū)域，該地區(qū)海灘資源豐富，但隨著海平面上升、高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)引起水沙輸運(yùn)動(dòng)力失衡從而導(dǎo)致北海銀灘發(fā)生侵蝕后退，且近30年來(lái)的侵蝕速率高達(dá)10.40 m/a[25]。到目前為止，銀灘動(dòng)力地貌變化過(guò)程研究主要聚焦在剖面形態(tài)響應(yīng)[18]、沉積物粒度變化[26]以及沙壩-沙槽移動(dòng)趨勢(shì)[27]等方面。如黃鵠等[18]和黎樹(shù)式等[28]均利用EOF方法并著手于沉積物特征變化，反映波浪、潮汐及臺(tái)風(fēng)對(duì)銀灘剖面不同位置的控制影響。劉濤等通過(guò)銀灘灘面高程動(dòng)態(tài)變化探討了最有可能造成剖面下蝕的臺(tái)風(fēng)路徑[29]。然而,將中、強(qiáng)潮海灘長(zhǎng)時(shí)間尺度剖面變化與泥沙擾動(dòng)臨界水深及其波浪影響范圍等聯(lián)系，以分析其動(dòng)力地貌過(guò)程的工作尚缺乏。基于此，本文以2014—2017年每月最低潮期間海灘剖面實(shí)測(cè)高程變化為基礎(chǔ)，著重分析銀灘剖面受波潮聯(lián)合作用下泥沙擾動(dòng)水深及范圍，進(jìn)而揭示銀灘剖面動(dòng)力地貌沖淤機(jī)制，為海岸工程建設(shè)與抵御環(huán)境災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

銀灘位于北部灣北部地區(qū)（圖1），屬于湛江組和北海組地層，沉積物多為細(xì)砂組分[30-31]。該區(qū)域位于北回歸線以南，具有亞熱帶向熱帶過(guò)渡性質(zhì)的海洋性季風(fēng)特點(diǎn)，降雨量主要分布于5—10月，低值區(qū)為11月至次年4月[32]。銀灘潮波主要呈駐波性質(zhì)，是由南海傳來(lái)的入射潮波以及北部灣反射潮波干涉而成[18]。海岸潮汐為正規(guī)全日潮，潮差較大，多年平均潮差為2.46 m，極值情況下最大潮差為5.36 m，屬典型中強(qiáng)潮型砂灘[27,30]。海區(qū)年平均波高約0.9 m，冬季以北向浪為主，平均波高0.8 m，最大波高2.5 m；夏季主要是西南向浪，最大波高可達(dá)4.8 m。此外，銀灘受北部灣半封閉地理格局影響導(dǎo)致近岸波能較低，且消散型岸灘類(lèi)型使得波浪在低潮帶破碎[18]。

圖1 研究區(qū)域和剖面設(shè)置Fig.1 Map of the study area and location of the profile

2 資料與方法

2.1 資料收集

本文使用GPS-RTK對(duì)銀灘剖面進(jìn)行高程測(cè)量獲得數(shù)據(jù)，每月最低潮時(shí)自后濱起向海采樣至涉水最深處進(jìn)行測(cè)量，每點(diǎn)平均間隔20 m，時(shí)間跨度為2014年7月至2018年2月，同時(shí)將所測(cè)剖面高程訂正到當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?。此外，研究收集相同時(shí)間跨度的每日預(yù)報(bào)潮位數(shù)據(jù)，資料來(lái)自潮汐表。最后，本文在國(guó)家海洋信息中心獲取北海銀灘波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖1）以分析近岸海床泥沙的活動(dòng)特性，考慮到廣西沿岸波浪強(qiáng)度最高的月份為6—8月（圖2a），故僅僅考慮7—8月波浪變化對(duì)海床泥沙活動(dòng)的影響。

2.2 研究方法

2.2.1 剖面分帶及體積計(jì)算

根據(jù)銀灘當(dāng)?shù)囟嗄昶骄叱本€、平均海平面（0 m）及平均低潮線等把研究剖面劃分為后濱（＞1.5 m）、前濱（-1.65～1.5 m）及內(nèi)濱（＜-1.65 m）三大區(qū)域[18]，再結(jié)合地貌橫向變化狀態(tài)進(jìn)一步將前濱下部（-1.65～0 m）分為沖流帶和破波帶[28]。從低潮線向海伸展的水下斜坡部分為內(nèi)濱區(qū)域，低潮帶處于大、小潮低潮線間。為便于分析低潮帶剖面變化情況，本文將低潮帶從范圍較大的內(nèi)濱帶中單獨(dú)分離（圖2b）。結(jié)合剖面各分帶沖淤變化特征，計(jì)算其自2014年7月到2017年12月剖面地形的逐月及半年平均高程、單寬體積，同時(shí)進(jìn)行各分帶單寬體積與潮汐作用的相關(guān)性分析。其中，年際高程變化與半年高程變化分別據(jù)2014—2017年4年中的12月實(shí)測(cè)剖面高程和6至11月及12月至次年5月的剖面平均高程所繪，相繼分析銀灘季節(jié)性水動(dòng)力作用下的地貌演變。此外，銀灘后濱區(qū)域沉積物主要受控于風(fēng)力作用[18]，波浪直接性觸及該范圍幾率較小，據(jù)此實(shí)測(cè)剖面測(cè)量范圍的選取涵蓋該分帶較少，故對(duì)平均高潮線以上后濱區(qū)域不作分析。2.2.2 Silvester及佐藤公式

圖2 廣西沿岸水文要素變化a.廣西沿岸波浪強(qiáng)度，b.銀灘剖面實(shí)測(cè)高程變化及分帶。Fig.2 Hydrological elements changes along the coast of Guangxia. Wave intensity along Guangxi Coast, b.Measured elevation change and zoning of Yintan profile.

為探討銀灘泥沙活動(dòng)能力，通過(guò)結(jié)合內(nèi)濱區(qū)域泥沙粒徑大小計(jì)算一年中波浪最強(qiáng)的7、8月份內(nèi)各級(jí)波浪下泥沙起動(dòng)臨界水深、各級(jí)波浪對(duì)不同剖面位置作用范圍，并將其與4年剖面變化比較來(lái)分析波浪對(duì)銀灘剖面的影響。將北海銀灘實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)分級(jí)，首先利用處理好的平均周期、水深進(jìn)行迭代求出對(duì)應(yīng)的淺水波長(zhǎng)，再運(yùn)用Silvester（1974）[33]公式對(duì)各級(jí)波浪狀態(tài)下的最大渦動(dòng)水深進(jìn)行計(jì)算：

式中，h3為最大渦動(dòng)水深（m），H1/3為有效波高（cm），L為對(duì)應(yīng)處的波長(zhǎng)（m），D50為泥沙中值粒徑（取2.48 mm）。渦動(dòng)水深是指在波浪作用下，泥沙可被掀動(dòng)，若無(wú)其他搬運(yùn)力存在則在原地沉降，與泥沙臨界水深具有相同意義[34]。該公式參數(shù)較少、容易獲取，并且反映了不同波浪級(jí)別作用下銀灘泥沙被掀動(dòng)繼而進(jìn)入推移、懸浮運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)的范圍性影響，對(duì)泥沙活動(dòng)與海岸動(dòng)力地貌的響應(yīng)有一定實(shí)際意義[35]。

波浪作用下海底泥沙發(fā)生的推移臨界水深可用佐藤公式[36]計(jì)算。表面推移臨界水深公式：

全面推移臨界水深公式：

式中，H0為 深水波高（m），L0為深水波長(zhǎng)（m），h1、h2為表面、全面推移臨界水深，H、L為h1、h2處的波高和波長(zhǎng)，k為波數(shù)。

同時(shí)，把各年份平均剖面的實(shí)測(cè)水深點(diǎn)同樣進(jìn)行波長(zhǎng)迭代，再運(yùn)用公式（1）求出每個(gè)水深點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波浪最大渦動(dòng)水深，最后擬合成線即為不同級(jí)別波浪對(duì)各水深泥沙的起動(dòng)范圍。

3 結(jié)果分析

3.1 波浪作用下的泥沙活動(dòng)能力

近岸海床泥沙在波能沖擊下，其受水流作用力大于泥沙顆粒所受的水流拖曳力、升力、慣性力及水底摩擦力的合力，便發(fā)生緊貼床面的滑動(dòng)、跳躍及懸浮運(yùn)動(dòng)，從而影響剖面地貌的變化。據(jù)此，利用Silvester及佐藤公式計(jì)算銀灘7—8月最強(qiáng)波浪月份的海床泥沙活動(dòng)特性。從表1來(lái)看，波高1.3 m的波浪級(jí)別可以影響北海銀灘大致-8 m水深以淺的泥沙水域，當(dāng)有大風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)，最高影響范圍可達(dá)-26.12 m水深區(qū)域。其中，波高為0.7 m的波浪頻率為3.846%，其使-3.85 m水深以淺的泥沙產(chǎn)生渦動(dòng)，-0.740 m以淺的海底泥沙發(fā)生全面推移，-1.246 m以淺發(fā)生表面推移。波高0.8 m及以上的波浪頻率較低，均不超5%，泥沙運(yùn)動(dòng)可以視為隨機(jī)過(guò)程。

表1 北海銀灘7、8月各級(jí)波浪作用的泥沙活動(dòng)臨界水深Table 1 Critical water depth of sediment activity at various levels of waves in July and August in the Yintan Beach

波高在0.3～0.6 m的波浪出現(xiàn)頻率總和高達(dá)72%，這對(duì)北海銀灘近海岸線以及剖面沖淤有顯著影響，該范圍級(jí)別內(nèi)的波高使得-3.411 m水深以淺的泥沙頻繁擾動(dòng)，即內(nèi)濱帶剖面包絡(luò)線紊亂程度最高，較其他分帶侵蝕最為嚴(yán)重。同時(shí)，該級(jí)別內(nèi)波浪亦使-0.627 m水深以淺的沖流帶內(nèi)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，從而較大程度地促進(jìn)區(qū)域局部淤積。此外，泥沙活動(dòng)臨界水深與銀灘地貌水深分帶相近，波高0.5、0.6 m的波浪掀沙臨界水深為-2.56、-3.41 m，其對(duì)應(yīng)的低潮帶及內(nèi)濱帶的臨界區(qū)域恰處于-2.5 m上下波動(dòng)，而沖流帶及破波帶的分帶與泥沙臨界水深差值不超過(guò)20%。

3.2 銀灘剖面月際變化特征

從2014年7月直到2016年7月，剖面各分帶包絡(luò)線變動(dòng)幅度隨樁點(diǎn)距離增加而增大（圖3a—d），其中前濱上部區(qū)域接近后濱帶基本沒(méi)有變化。沖流帶在2014年主要以侵蝕為主，9、10月份變化明顯，蝕退深度最大超過(guò)0.3 m，隨后從2015年1月開(kāi)始發(fā)生緩慢、持續(xù)的淤積調(diào)整直到4月結(jié)束（圖3a—b）。直至2018年2月，剖面沖流帶區(qū)域在相鄰1—3月中出現(xiàn)間隔性的侵蝕或淤積狀態(tài)，單寬體積基本集中于200～210 m3，月際最大單寬體積變化不超過(guò)5 m3。4年以來(lái)沖流帶單寬體積顯著上升，總體泥沙運(yùn)動(dòng)結(jié)果為淤積現(xiàn)象，淤積速率達(dá)到0.14 m3/月，其相關(guān)性檢驗(yàn)置信度超過(guò)99.99%（圖4b）。

圖3 銀灘實(shí)測(cè)月際高程變化Fig.3 Measured monthly elevation changes in of the Yintan Beach

距樁點(diǎn)100～140 m的破波帶區(qū)域4年內(nèi)多次出現(xiàn)4—6個(gè)月的持續(xù)淤積或侵蝕現(xiàn)象，在2015年夏季前的月變化程度較大，如其于2014年9、10月出現(xiàn)明顯沖刷槽和2015年3月淤積調(diào)整出現(xiàn)灘肩等（圖3a—b），直到2017年該區(qū)域包絡(luò)線較平順（圖3b—e），之后其沖淤變化相對(duì)其他分帶變化稍大（圖3e—f）。破波帶在常年受波浪破碎作用影響下，月單寬體積變化幅度大，與時(shí)間的擬合曲線為正相關(guān)，但斜率較低（圖4c）。同樣地，低潮帶在前兩年變化較大，2014年7—12月發(fā)生持續(xù)侵蝕使得斜率變大，隨后進(jìn)行了半年的持續(xù)淤積調(diào)整后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定（圖3a—f）。剖面內(nèi)濱帶距樁點(diǎn)180 m起無(wú)規(guī)律地出現(xiàn)多個(gè)凹凸點(diǎn)，呈鋸齒狀，說(shuō)明該處泥沙動(dòng)力作用較大，凹點(diǎn)發(fā)生沖刷，凸點(diǎn)可能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力沖刷作用后而作出淤積響應(yīng)，逐漸發(fā)育成內(nèi)濱灘肩或沙丘等（圖3a—d）。研究期間內(nèi)濱帶單寬體積下降速率最大，達(dá)到-0.2 m3/月，有99.99%的置信度認(rèn)為因泥沙輸移引起明顯侵蝕（圖4e）。

圖4 銀灘剖面不同部位單寬體積變化特征Fig.4 The characteristic of volume change per-meter for different parts of the Yintan profile

3.3 銀灘年際變化

從剖面年平均高程變化來(lái)看（圖5a），沖流帶距樁點(diǎn)30～50 m在2015年發(fā)生最大深度0.16 m侵蝕現(xiàn)象，從2016年起該范圍呈現(xiàn)淤積調(diào)整結(jié)果。沖流帶后半段（距樁點(diǎn)50～100 m）在研究期間內(nèi)處于明顯持續(xù)淤積狀態(tài)，淤漲深度最大達(dá)到0.24 m。破波帶100～120 m在2014—2015年期間變化甚小，沖淤深度不足0.1 m，剖面120～140 m在2015年沖刷明顯致灘肩消失而整個(gè)破波帶2016、2017年相較于2015年出現(xiàn)強(qiáng)淤積現(xiàn)象。低潮帶在研究期間內(nèi)經(jīng)歷淤積-侵蝕-再淤積的沖淤過(guò)程，剖面斜率逐漸變緩，尤其在2015年緩和度最大提升了0.03。內(nèi)濱帶距樁點(diǎn)200 m前的明顯凹槽4年來(lái)持續(xù)淤積而完全消失，相反，200 m后的內(nèi)濱區(qū)域處于持續(xù)侵蝕狀態(tài)。

銀灘剖面各分帶在不同季節(jié)下動(dòng)態(tài)變化特征亦有區(qū)別。沖流帶在2014—2015年的冬春季節(jié)發(fā)生明顯侵蝕，2015年夏秋季進(jìn)行了大幅度淤積調(diào)整，隨后研究期間內(nèi)水深變化在0.05 m內(nèi)擺動(dòng)，沖淤過(guò)程為冬春淤積、夏秋侵蝕。破波帶始終呈現(xiàn)出沖淤交替性，夏秋沖刷，冬春淤積，變化幅度最大不超過(guò)7%。低潮帶在2014—2015年冬春季侵蝕面積超過(guò)20%，在研究期間結(jié)束后表現(xiàn)出無(wú)季節(jié)性規(guī)律的凈淤積。銀灘內(nèi)濱帶變化幅度最大，兩季節(jié)間剖面水深變化基本集中于0.05～0.25 m，其中研究剖面內(nèi)超過(guò)80%以上的內(nèi)濱帶（距樁點(diǎn)175 m后）在2016年5月前變?yōu)槌掷m(xù)侵蝕，進(jìn)行半年淤積調(diào)整后在2017年沖淤達(dá)到穩(wěn)定（圖5b）。

圖5 銀灘實(shí)測(cè)高程變化a.年際變化，b. 季節(jié)平均高程變化。Fig.5 Measured elevation changes in the Yintan Beacha.Yearly change, b.Average seasonal elevation change.

總體而言，與2014—2016年相比，2017年剖面包絡(luò)線變化較小且大部分發(fā)生在沖流帶以下，沒(méi)有出現(xiàn)局部位置超過(guò)0.2 m的沖刷或淤積現(xiàn)象。剖面各分帶最終年凈變化包絡(luò)線反映的沖淤現(xiàn)象與相對(duì)應(yīng)的單寬體積變化總趨勢(shì)基本一致。沖流帶、破波帶及低潮帶呈現(xiàn)較明顯淤積，其逆向侵蝕在空間上主要位于破波帶及以下區(qū)域，時(shí)間大部分集中在夏秋季，內(nèi)濱區(qū)域常年處于持續(xù)侵蝕狀態(tài)，從2016年6月才開(kāi)始出現(xiàn)淤積調(diào)整。

4 討論

4.1 波浪對(duì)剖面床沙起動(dòng)范圍的影響

銀灘沉積過(guò)程主要受控于以波浪和潮汐耦合的長(zhǎng)期作用，其中潮間帶主要以波浪作用驅(qū)動(dòng)所致，潮下帶受波浪和潮流聯(lián)合驅(qū)動(dòng)作用影響[18]。銀灘剖面各分帶沖淤變化的差異性與波浪對(duì)底質(zhì)床沙不同的起動(dòng)范圍直接相關(guān)，當(dāng)渦動(dòng)水深線低于剖面包絡(luò)線，渦動(dòng)水深線上的泥沙受該級(jí)別波浪作用會(huì)發(fā)生起動(dòng)現(xiàn)象。由表1得知，波高0.7 m時(shí)北海銀灘的渦動(dòng)水深-3.8 m已經(jīng)超過(guò)采集的數(shù)據(jù)，因此在分析中主要討論頻率總和超過(guò)70%出現(xiàn)的波浪級(jí)別所作用的最大渦動(dòng)水深影響區(qū)域。

波 高0.3 m的 波 浪 級(jí) 別 出 現(xiàn) 頻 率 最 高，為30.128%。其泥沙渦動(dòng)范圍2014—2017年從距樁點(diǎn)96.374 m擴(kuò)增到109.667 m，最大渦動(dòng)臨界水深-0.980 m與表1的近似度達(dá)到90.7%，剖面受影響面積為S1，單寬體積為28.48 m3。超出此范圍波高為0.3 m的波能不足，無(wú)法使得更深的海底泥沙起懸，從此交點(diǎn)開(kāi)始，渦動(dòng)水深擬合曲線逐漸趨于水平線。波高0.4～0.6 m的波浪在研究期間內(nèi)未出現(xiàn)超過(guò)0.025 m差值的渦動(dòng)臨界水深，對(duì)剖面的水平影響范圍差值在2～10 m內(nèi)波動(dòng)，無(wú)持續(xù)增長(zhǎng)或減少現(xiàn)象。其中，波高為0.4 m的波浪影響剖面區(qū)域?yàn)镾1和S2的總和，而無(wú)法作用于S3，2016年范圍最大，為0～149.9 m，單寬體積影響范圍79.7 m3。以此類(lèi)推，H=0.6 m波浪作用則是整個(gè)研究剖面（圖6中S1—S4）。研究區(qū)域內(nèi)，各波浪級(jí)別對(duì)剖面距樁點(diǎn)的水平影響距離除H=0.3 m持續(xù)增長(zhǎng)外其余無(wú)明顯規(guī)律，而單寬體積的影響經(jīng)歷同樣的增長(zhǎng)-下降-增長(zhǎng)的過(guò)程，幅度較小，不超過(guò)5 m3（表2）。

表2 北海銀灘高頻波浪對(duì)研究剖面單寬體積影響Table 2 The influence of high-frequency waves on the singlewidth volume of the study profile on the Yintan Beach m3

海灘以其物質(zhì)組成建立響應(yīng)動(dòng)力過(guò)程的形態(tài)，而各種動(dòng)力過(guò)程亦試圖找到其各自作用范圍，海灘剖面正是在這些復(fù)雜過(guò)程中在較長(zhǎng)時(shí)段相對(duì)平衡下疊加的結(jié)果[37]。本文發(fā)現(xiàn)不同級(jí)別的波浪亦可能以泥沙作為媒介對(duì)剖面范圍進(jìn)行分帶，同時(shí)波浪作用與剖面地形主要變化具有同步性。波高0.6 m及以上的波浪級(jí)別影響距樁點(diǎn)平均大于167 m水域范圍，即對(duì)應(yīng)的內(nèi)濱帶（研究剖面距樁點(diǎn)175 m起）與大于0.6 m的波浪級(jí)別接觸越快，泥沙擾動(dòng)程度最高，造成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)侵蝕，剖面包絡(luò)線波動(dòng)最大（圖5b）。破波帶和低潮帶分帶區(qū)域分別與波高0.4和0.5 m的波浪級(jí)別對(duì)泥沙擾動(dòng)范圍大致相同（圖6中S2、S3），即距樁點(diǎn)96～171 m水域范圍遭受此級(jí)別波浪作用沖刷侵蝕。此外，波浪可能攜帶內(nèi)濱帶懸移質(zhì)向岸輸移而沉降在該中間區(qū)域會(huì)導(dǎo)致淤積，剖面對(duì)此波浪作用也會(huì)作出淤積調(diào)整，因此從圖3中觀察到該區(qū)域（距樁點(diǎn)100～175 m）剖面地形經(jīng)歷侵蝕和淤積的年份間歇性轉(zhuǎn)換，且低潮帶接近內(nèi)濱區(qū)域從而淤積程度大于破波帶。沖流帶（距樁點(diǎn)35～100 m）地貌分帶現(xiàn)象主要受控于波高0.3 m級(jí)別的波浪使底部泥沙擾動(dòng)（圖6中S1），其波浪平均作用范圍的終點(diǎn)為101 m。盡管波高0.3 m以上的波浪級(jí)別對(duì)沖流帶造成擾動(dòng)影響，但其因頻率較低、接觸較慢而可能通過(guò)進(jìn)、退流等間接地對(duì)此范圍造成反饋?zhàn)饔?，最終呈現(xiàn)剖面最明顯的淤積。綜上，研究發(fā)現(xiàn)不同波浪級(jí)別所致的床沙渦動(dòng)范圍與各分帶的范圍相近，且兩者的水域平均差值變化范圍僅在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明不同級(jí)別波浪主控的剖面床沙的空間響應(yīng)可能對(duì)其分帶造成了較大程度的影響，因此表現(xiàn)出不同的沖淤結(jié)果。

圖6 銀灘剖面不同級(jí)別波浪渦動(dòng)水深范圍Fig.6 The eddy water depth ranges for different levels of waves

4.2 波潮聯(lián)合作用下剖面地形變化過(guò)程

潮汐作用是近海沉積的重要?jiǎng)恿σ蛩?，與泥沙運(yùn)移途徑有著密切關(guān)系。其中，潮差是潮汐作用強(qiáng)弱的主要標(biāo)志之一，潮差越大，潮汐作用越強(qiáng)[34]。廣西沿海潮汐規(guī)律的形成受水下地形分布影響較大，潮波傳播方向與水下地形水深梯度變化趨勢(shì)較為一致[38]。在研究范圍內(nèi)，除前濱上部（P＜0.5）和破波帶（P＜0.2）以外，銀灘平均潮差大小和剖面不同位置的單寬體積相關(guān)性均通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)（圖7），且其正負(fù)相關(guān)趨勢(shì)與所有動(dòng)力作用下隨時(shí)間變化相同（圖4）。此外，不同級(jí)別波浪下泥沙擾動(dòng)范圍內(nèi)的單寬體積與不同位置的單寬體積變化具有較強(qiáng)正相關(guān)（圖8線①和線②），波高0.6 m的擾動(dòng)體積對(duì)前濱及以上部位接觸慢、影響小，因此剖面累積體積受影響比例較?。▓D8線③）。綜上，可以認(rèn)為潮汐作用是影響剖面底質(zhì)床沙活動(dòng)的重要?jiǎng)恿?，而前濱主要受控于波浪作用，低潮帶及以深受潮汐與波浪的聯(lián)合作用，這與以前研究工作結(jié)果相一致[18]。

圖7 銀灘平均潮差與剖面不同部位單寬體積相關(guān)性Fig.7 Correlation between single-width volume and average tidal range in different parts of the profile

圖8 不同級(jí)別波浪下剖面單寬擾動(dòng)體積與不同部位單寬體積相關(guān)性Fig.8 Correlation between the single-width disturbance volume at different wave levels and the single-width volume at different parts

北海銀灘隸屬于中強(qiáng)潮海灘，洪枯季落潮流速都大于漲潮流速、漲潮歷時(shí)長(zhǎng)于落潮，該海域一般漲潮流強(qiáng)于落潮流，因此有利于泥沙落淤[39]。地處北部灣北部的銀灘潮流性質(zhì)與潮汐相反，為不正規(guī)日潮流[40]，往復(fù)流具有右旋性沿岸線由西南向轉(zhuǎn)至東北向[41]，灣口指向?yàn)稠數(shù)某绷髯饔门c銀灘岸線角度較大可能在90°以?xún)?nèi)，有利于泥沙向?yàn)硟?nèi)輸移。此外，底質(zhì)泥沙在破波位置原地起懸后（-3.4 m至破波帶）發(fā)生雙向轉(zhuǎn)換，漲潮時(shí)波浪以“進(jìn)流為主，退流為輔”的方式自海向陸攜帶內(nèi)濱區(qū)域中波浪破碎后的懸浮物向岸運(yùn)動(dòng)，沉積在低潮帶及以上區(qū)域。又因潮汐上漲，波浪在海灘上破碎的部位亦向岸移動(dòng)，銀灘波浪破碎范圍從內(nèi)濱下部—破波帶提至低潮帶—沖流帶附近[42]。同時(shí)，波高0.3～0.6 m的波浪對(duì)近岸剖面泥沙擾動(dòng)范圍亦隨潮差增大而改變，2014—2017年的平均潮差總體上略微上升，其對(duì)應(yīng)的波浪范圍也總體向陸遷移，高頻波從218 m的范圍縮小到201 m（圖6）。相反，水位下降時(shí)波浪以“退流為主，進(jìn)流為輔”，波浪破碎、泥沙擾動(dòng)范圍向海平移，此時(shí)泥沙亦主要做離岸運(yùn)動(dòng)，回落到破波帶—低潮帶。

其次，北海銀灘的相對(duì)潮差參數(shù)RTR＞7，屬于消散型砂灘，灘面平緩，平均潮差增大時(shí)會(huì)掩蓋波浪的驅(qū)動(dòng)作用，說(shuō)明波浪破碎后的余流能量消耗嚴(yán)重，回流基本無(wú)法再回到內(nèi)濱區(qū)域，因此，剖面低潮帶及以上區(qū)域呈凈淤積狀態(tài)[18,43-44]。再者，破波帶及低潮帶由于波浪作用范圍的向岸遷移會(huì)同時(shí)受到?jīng)_刷作用，出現(xiàn)侵蝕同時(shí)亦有內(nèi)濱區(qū)域泥沙顆粒的沉降補(bǔ)充，致使其淤積速率比沖流帶低。銀灘平均高潮線附近是波浪形成沖流的極限，較粗的泥沙往往最先沉降，但剖面后濱區(qū)域（包括前濱上部）的淤積現(xiàn)象較低潮間帶區(qū)域來(lái)說(shuō)不明顯，且據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)銀灘波浪基本無(wú)法直接到達(dá)后濱區(qū)域，泥沙無(wú)法繼續(xù)爬高，因此影響低潮間帶以上的泥沙淤積作用。據(jù)此，2014—2017年銀灘剖面內(nèi)濱區(qū)域-3.5～-2.5 m處于凈侵蝕狀態(tài)，水深-0.8～0 m的沖流帶處于凈淤積的狀態(tài)，而破波帶及接近破波處的低潮帶處于侵蝕-淤積-再侵蝕-再淤積的過(guò)程。

4.3 臺(tái)風(fēng)對(duì)銀灘剖面地貌變化的影響

夏秋季是熱帶氣旋等極端氣候事件常發(fā)生的時(shí)期，其中臺(tái)風(fēng)路徑和風(fēng)暴增水等對(duì)銀灘沖淤造成顯著影響。研究期間廣西沿海引起風(fēng)暴潮較大增水的臺(tái)風(fēng)為1409號(hào)“威馬遜”、1415號(hào)“海鷗”及1621號(hào)“莎莉嘉”。前兩個(gè)臺(tái)風(fēng)分別發(fā)生在2014年7月和9月，增水極值分別高達(dá)286和161 cm[45]，其均源于西太平洋經(jīng)過(guò)海南島北部進(jìn)入北部灣，該路徑最有可能造成銀灘強(qiáng)烈的海灘侵蝕[29]。例如，“海鷗”臺(tái)風(fēng)引起最大增水時(shí)，水位短時(shí)間內(nèi)相繼提升，插值得知波浪擾動(dòng)水深范圍向陸遷移近90 m，主控銀灘各分帶地貌的波浪級(jí)別亦可能隨之改變。波高小于0.7 m的高頻波浪可能僅控制低潮帶以上的銀灘剖面（圖9），造成較明顯侵蝕，尤其是沖流帶區(qū)域大面積沖刷而出現(xiàn)發(fā)展為灘槽趨勢(shì)。研究剖面內(nèi)濱帶受波高0.8～1.0 m波浪擾動(dòng)亦造成明顯沖刷，距樁點(diǎn)180～200 m剖面向下蝕退而變平坦，估計(jì)在無(wú)法測(cè)量的剖面區(qū)域可能存在更大程度的侵蝕現(xiàn)象。然而，“莎莉嘉”臺(tái)風(fēng)對(duì)銀灘剖面造成的沖淤影響相對(duì)較弱（圖3d），可能是其路經(jīng)海南島時(shí)能量消耗較大的原因，且登陸北部灣后主要往西北方向移動(dòng)并在3小時(shí)內(nèi)減弱為熱帶低壓，風(fēng)速較低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其引起減水轉(zhuǎn)為增水現(xiàn)象發(fā)生在北部灣之前[45]。

圖9 1415號(hào)“海鷗”臺(tái)風(fēng)前后波浪擾動(dòng)范圍虛線:臺(tái)風(fēng)前，實(shí)線：臺(tái)風(fēng)后，以最大增水161 cm為例。Fig.9 The eddy water depth range before and after Typhoon KalmaegiDotted line:before typhoon,solid line:after typhoon,example:storm surge of 161 cm.

銀灘對(duì)于季節(jié)性差異造成銀灘剖面顯著波動(dòng)的自我調(diào)整較好，就破波帶及以淺區(qū)域而言，銀灘夏秋季侵蝕、冬春季淤積，同年內(nèi)夏秋季節(jié)與冬春季節(jié)剖面變化各分帶深度差值不超過(guò)0.1 m（圖5b）。低潮帶除2014—2015年冬春季剖面蝕退以外，調(diào)整規(guī)律與其以淺區(qū)分帶一致。2016年夏秋季起，內(nèi)濱帶也因常年受到?jīng)_刷而最終持續(xù)淤高0.3 m。因此，不同季節(jié)下銀灘剖面最終響應(yīng)波浪、潮汐、潮流以及風(fēng)暴增水作用的沖淤結(jié)果均以泥沙作為介質(zhì)，低潮帶以淺淤積，內(nèi)濱帶侵蝕（圖10）。

圖10 波浪及潮汐作用下銀灘剖面變化模式圖Fig.10 Profile change of Yintan beach under the coupling actions of the wave and tide

5 結(jié)論

外，臺(tái)風(fēng)將大幅度使得各波浪級(jí)別的擾動(dòng)范圍向左遷移，造成銀灘大范圍侵蝕。

（1）在研究期間內(nèi)，除前濱上部外，銀灘剖面其他分帶前3年夏初前沖淤幅度較大，此后變化穩(wěn)定。沖流帶在首個(gè)冬半年以侵蝕為主，繼而進(jìn)行緩慢淤積調(diào)整。破波帶發(fā)生淤積與侵蝕交替且出現(xiàn)弱的淤積現(xiàn)象。低潮帶主要展現(xiàn)淤積趨勢(shì)，相反，內(nèi)濱區(qū)域處于持續(xù)侵蝕狀態(tài)。

（2）銀灘波高0.3～0.6 m的波浪發(fā)生頻率總和超過(guò)70%，其中波高0.6 m的波浪擾動(dòng)內(nèi)濱帶造成凈侵蝕現(xiàn)象，沖流帶、破波帶及低潮帶的凈淤積分別受控于波高0.3～0.5 m的波浪。

（3）潮汐漲落引起波浪進(jìn)、退流作用在海床泥沙活動(dòng)的范圍出現(xiàn)差異，同時(shí)往復(fù)潮流向?yàn)硟?nèi)輸沙，導(dǎo)致銀灘由海向陸淤積現(xiàn)象逐漸明顯。

（4）潮汐水位的年內(nèi)變化引起夏秋季銀灘波浪擾動(dòng)范圍向陸遷移，低潮帶以上沖淤變化較快。冬春季節(jié)波浪擾動(dòng)范圍擴(kuò)大，引起內(nèi)部變化快速。此