冬季波浪與人工島聯(lián)合作用下日月灣海灘沖淤演變特征

張達(dá)恒, 時(shí)連強(qiáng), , 龔照輝, , 郭俊麗, 4

1. 自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012;

2. 廣西北部灣海洋資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 自然資源部第四海洋研究所, 廣西 北海 536000;

3. 海岸與海島開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京大學(xué), 江蘇 南京 210023;

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

近幾十年來(lái), 受全球氣候變暖等因素影響, 全球海平面處于逐漸上升狀態(tài), 其所引起的海岸侵蝕加劇等一系列問(wèn)題嚴(yán)重影響了沿海國(guó)家和地區(qū)的生存與發(fā)展, 而作為極具經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值的砂質(zhì)海灘更是普遍遭受侵蝕(Bruun, 1962; 蔡鋒 等, 2008; Vousdoukas et al, 2020)。此外, 隨著人類社會(huì)的快速發(fā)展, 海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)逐漸增多, 各種海岸工程設(shè)施在海岸帶地區(qū)廣泛開(kāi)展建設(shè), 更是進(jìn)一步加劇了周邊海灘的變化(Muller et al, 2006)。其中, 海上人工島作為一種新興的海岸工程, 是沿海各國(guó)開(kāi)發(fā)利用海洋的一種新形式和新途徑, 能夠拓展人們的生存與發(fā)展空間。

人工島在給人們帶來(lái)交通、旅游等便利的同時(shí), 也引起了一系列的資源環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題, 成為國(guó)內(nèi)外河口海岸領(lǐng)域?qū)W者們廣泛關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。其研究?jī)?nèi)容涉及人工島附近區(qū)域的地貌變化特征(Zyserman et al, 2002; 張翠萍 等, 2016; 鐘小菁, 2017; Zhu et al, 2019)、水動(dòng)力環(huán)境變化(胡殿才 等, 2012; 季榮耀 等, 2012; 匡翠萍 等, 2019)、海岸泥沙輸運(yùn)(Nam et al, 2011; Schwab et al, 2013)、岸灘沖淤穩(wěn)定性(石萍 等, 2015)以及海灘修復(fù)與保護(hù)(蔡鋒 等, 2019; Nishi et al, 1998)等方面。

為了研究日月灣人工島的建設(shè)對(duì)周邊海灘沖淤變化的影響程度, 本文基于4 期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)與3 期岸線數(shù)據(jù), 對(duì)比了人工島建設(shè)前后的海灘沖淤演變特征, 分析了冬季波浪和人工島聯(lián)合作用對(duì)岸灘的影響, 并結(jié)合歐洲天氣預(yù)報(bào)中心的波浪數(shù)據(jù)探討了海灘沖淤變化機(jī)理。本文研究成果不僅可以豐富和加深對(duì)弧形砂質(zhì)海灘演變規(guī)律的認(rèn)識(shí), 而且可以為日月灣海灘的保護(hù)與可持續(xù)利用提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于海南島東南角的日月灣海區(qū), 隸屬于萬(wàn)寧市管轄, 地理位置介于 18°35′—18°38′N、110°10′—110°14′E 之間(圖1)。日月灣海灘屬于華南弧形海灘, 海灘的開(kāi)敞程度較大, 凹入度小。本研究區(qū)處于熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 其降雨豐沛, 年平均氣溫為24.7℃, 風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯, 受季風(fēng)影響較大, 秋冬季節(jié)主要為偏北風(fēng), 春夏季節(jié)則受偏南風(fēng)主導(dǎo)。另外, 6 月至10 月為海南臺(tái)風(fēng)高發(fā)季節(jié), 年平均臺(tái)風(fēng)登陸可達(dá)2.5 次。日月灣海區(qū)波浪的常浪向是SE 向, 次浪向是SSE 向, 全年平均波高為0.91m(龔文平 等, 2012; 李珊, 2015)。此外, 根據(jù)《海南萬(wàn)寧日月灣綜合旅游度假區(qū)圍填海項(xiàng)目岸灘修復(fù)工程海洋環(huán)境影響報(bào)告書》(報(bào)批稿)顯示, 日月灣海區(qū)的主波型為涌浪為主的風(fēng)浪與涌浪混合型, 占比為64.5%, 風(fēng)浪占比21.3%, 而純粹的涌浪僅占0.5%; 海區(qū)屬于弱流區(qū), 潮汐類型為不規(guī)則日潮, 年平均潮差為0.81m, 潮流基本呈往復(fù)流特征, 平均流速在0.22m·s-1之內(nèi)。

良好的氣候與地理環(huán)境, 促使海南成為全國(guó)極具發(fā)展?jié)摿Φ穆糜伍_(kāi)發(fā)區(qū)。為此, 海南省在過(guò)去十多年新建了許多人工島, 如在2010—2017 年間共建設(shè)了12 座人工島, 萬(wàn)寧市的日月灣人工島就是其中之一。該人工島總體填海面積約為97.1hm2, 其中日島約為48hm2, 月島約為49.1hm2。日島于2012 年10 月開(kāi)始建造, 并于2013 年2 月建造完成, 島體通過(guò)大橋與海岸相連; 月島于2015 年10 月開(kāi)始圍填, 2017 年2 月停止建設(shè), 島體的圍填主體工程已經(jīng)完成。此外, 月島島體之前通過(guò)鋼便橋與海岸相連, 但已于2018 年12 月拆除完畢。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.2.1 波浪數(shù)據(jù)

為了分析日月灣研究海區(qū)的波況, 本文采用了歐洲天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium- Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的 ERA- Interim 再分析數(shù)據(jù)集(http://apps.ecm-wf.int/data- sets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)與ERA5 中的波浪數(shù)據(jù)資料。ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)集是繼承ERA-40 等資料并進(jìn)一步提升優(yōu)化的產(chǎn)品, 而ERA5則是ECMWF 最新的再分析數(shù)據(jù)集產(chǎn)品, 可以為用戶提供更為完善、精準(zhǔn)的全球氣候數(shù)值預(yù)報(bào)再分析資料數(shù)據(jù)(馬志泉 等, 2012; Berrisford, 2011)。本文主要從ERA-Interim 再分析數(shù)據(jù)集中提取了研究區(qū)附近海域4 個(gè)地點(diǎn)(E1、E2、E3、E4, 位置見(jiàn)圖1)從1979 年1 月1 日至2018 年12 月31 日, 以及ERA5數(shù)據(jù)集中2019 年1 月1 日至2021 年3 月每日4 個(gè)時(shí)刻(0 時(shí)、6 時(shí)、12 時(shí)與18 時(shí))的離岸有效波高(Hs)、平均波浪周期(Ts)和平均波浪方向數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集。通過(guò)將所收集的波浪數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)逐月、逐年平均, 繪制相關(guān)波高與波周期對(duì)比變化圖, 分別分析日月灣海區(qū)波況的季節(jié)性變化和長(zhǎng)期變化特征。

1.2.2 海灘剖面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

為了查明日月灣海灘在人工島建設(shè)前后的海灘剖面地形變化特征, 本文首先利用RTK GPS 分別于2020 年10 月和2021 年3 月對(duì)29 條剖面的地形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量, 斷面布設(shè)自北向南為R1—R29(圖2), 并使用單頻測(cè)深儀測(cè)量了日島與月島之間R10 與R16 剖面的水深地形情況。此外, 本文還收集了2013 年12 月采集的位于剖面R1—R17 之間的13條剖面的地形數(shù)據(jù)以及2010 年9 月剖面R4、R10、R16、R22 與R27 的高程數(shù)據(jù)。最后, 將所有數(shù)據(jù)校準(zhǔn)至1985 黃海高程后, 利用Arcgis10.6 軟件對(duì)所有的剖面高程數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理, 獲取加密后的剖面地形數(shù)據(jù), 進(jìn)而通過(guò)繪制不同時(shí)期的剖面圖, 對(duì)比分析日月灣海灘剖面的地形變化情況。

1.2.3 海灘岸線數(shù)據(jù)

為了分析人工島建設(shè)前后岸線的變化情況, 本文收集了Landsat 衛(wèi)星拍攝于2010 年9 月25 日與2013 年12 月6 日的遙感影像數(shù)據(jù)(圖像分辨率均為 30m), 然后借助 ENVI 軟件對(duì)圖像進(jìn)行MNDWI 計(jì)算, 以提取日月灣海灘的水邊線位置。同時(shí), 結(jié)合2020 年10 月份的實(shí)測(cè)水邊線位置, 對(duì)比分析日月灣海灘岸線在人工島建設(shè)前后的沖淤變化情況。在此需要說(shuō)明的是, 海岸線通常是指多年平均大潮高潮線, 但由于本文所用遙感圖像的分辨率為30m, 而日月灣的潮汐變化造成水邊線與實(shí)際海岸線位置的差距處于該遙感誤差范圍之內(nèi), 因而只能通過(guò)對(duì)比分析水邊線位置變化大體了解海灘岸線的變化情況。

2 結(jié)果

2.1 日月灣所處海域波浪特征

波浪對(duì)海灘的形成與演變起著至關(guān)重要的作用, 它是控制和改變海灘地貌特征以及泥沙輸運(yùn)分布變化最重要的因素, 而深水波況的時(shí)間變化會(huì)造成近岸破波波況的時(shí)間變化, 從而會(huì)進(jìn)一步影響海灘地貌動(dòng)力類型的時(shí)間變化與岸灘演變(Short, 1979)。

2.1.1 平均有效波高和平均波浪周期的季節(jié)變化

日月灣海區(qū)的多年平均有效波高與平均波浪周期都具有十分顯著的季節(jié)性變化特征。由圖3 可知, 在每年冬半年(10 月至次年3 月)期間, 4 個(gè)波浪點(diǎn)位 置的平均有效波高較大, 介于1.07～2.06m 之間; 而在夏半年(4 月至9 月)期間, 海區(qū)的多年平均有效波高較小, 在0.74～1.02m 之間。這一波浪年內(nèi)變化特征顯然是由季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)季節(jié)性盛行風(fēng)所導(dǎo)致的。同樣地, 由圖4 可見(jiàn), 研究區(qū)在盛行偏北風(fēng)的冬半年期間, 海區(qū)由波高較大、周期較長(zhǎng)的波浪所主導(dǎo), 海區(qū)平均波浪周期介于6.13～7.48s 之間; 而在由偏南風(fēng)控制的夏半年期間, 海區(qū)盛行波高較小、平均周期較短的波浪, 平均波浪周期介于5.31～6.36s 之間。全年之中最小的平均有效波高和平均波浪周期出現(xiàn)在夏半年的5、6 月份, 分別為0.74m 和5.31s; 而最大的平均有效波高和平均波浪周期則出現(xiàn)在冬半年的12 月份, 分別為2.06m 和7.48s。

2.1.2 平均有效波高和平均波浪周期的長(zhǎng)期變化

日月灣海區(qū)年平均有效波高以及年平均波浪周期整體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)(圖 5), 每年平均上升幅度分別介于 0.19～0.32cm 和 0.012～ 0.014s 之間。這一相對(duì)緩慢增強(qiáng)的趨勢(shì)特征, 反映出研究區(qū)波高和波浪周期的長(zhǎng)期變化主要由大尺度的氣候狀況控制。同時(shí), 在人工島建設(shè)前后, 研究海區(qū)的波況沒(méi)有發(fā)生明顯的變化, 說(shuō)明人工島建設(shè)前后氣候的變化對(duì)該海區(qū)的波況沒(méi)有顯著的影響。

2.1.3 多年波向的逐月變化特征

波浪的傳播方向受當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向的影響, 由于研究區(qū)地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 因而海區(qū)波向每年都隨著季風(fēng)方向的轉(zhuǎn)換而變化。本文以E1 站位波浪數(shù)據(jù)為例, 冬半年時(shí)期研究區(qū)域盛行偏北風(fēng), 海區(qū)波浪以NEE 波向?yàn)橹?圖6), 波浪傳播方向相對(duì)單一; 從冬半年轉(zhuǎn)換到夏半年, 當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)向逐漸由偏北風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠巷L(fēng), 其波浪傳播方向也隨之由NEE 向逐漸轉(zhuǎn)為以SSE 向?yàn)橹? 海區(qū)夏半年的波向相較于冬半年的波向較為分散。

2.2 岸灘的沖淤變化情況

2.2.1 人工島建設(shè)前后岸灘的沖淤演變

近年來(lái), 由于港口開(kāi)發(fā)以及旅游發(fā)展的需要, 海南省通過(guò)圍填海實(shí)施了一系列人工島工程。這些人工島的建設(shè)對(duì)島周圍海域水體、泥沙輸運(yùn)以及鄰近海灘地形地貌都造成了極大的影響。

由圖7 可知, 日島與月島的建設(shè)導(dǎo)致了日月灣海灘岸線的顯著變化。處于海灘東北側(cè)邊緣Ⅰ區(qū)域 的岸線保持相對(duì)穩(wěn)定; 日島附近Ⅱ區(qū)域, 在入射波浪直接作用下, 岸線向陸一側(cè)不斷蝕退, 最大后退距離達(dá)到50m。在日島島影Ⅲ區(qū)域和Ⅳ區(qū)域的R10—R11 位置, 岸線明顯較日島建設(shè)前向海淤進(jìn), 最大推進(jìn)距離達(dá)200m, 之后2020 年岸線發(fā)生向陸后退現(xiàn)象。位于兩島間的Ⅴ區(qū)域與Ⅳ區(qū)域的R12—R13位置, 2013 年岸線明顯向陸后退, 之后到2020 年岸線向海推進(jìn), 但推進(jìn)幅度相對(duì)較小。位于月島島影Ⅴ區(qū)域的岸段, 2020 年海灘發(fā)生明顯淤積, 岸線向海推進(jìn), 最大淤進(jìn)幅度達(dá)120m 左右。而在月島南側(cè)的Ⅵ區(qū)域, 2010 年至2013 年間岸線變化幅度相對(duì)較小, 2020 年岸線則全線向陸后退。靠近海灘南側(cè)岬角的Ⅶ區(qū)域位置, 海灘發(fā)生淤積, 但2020 年岸線較2013 年岸線向陸有小幅度的蝕退。

人工島的建設(shè)不僅改變了海灘岸線的位置,也在重新塑造著海灘的剖面形態(tài)特征。在研究區(qū)東北邊緣岬角處,R1—R2 區(qū)域的海灘剖面形態(tài)整體上以斜線型為主,在人工島建設(shè)前后地貌形態(tài)變化較小,岸灘較為穩(wěn)定或略有侵蝕,岸灘寬度變化不明顯(圖8)。在海灘開(kāi)闊岸段,R3—R4 區(qū)域海灘在人工島建設(shè)之后,原本存在的較窄灘肩消失,海灘坡度逐漸變陡,灘面不斷下蝕,海灘向陸側(cè)蝕退。在人工島島影區(qū)的R5—R17 岸段,海灘剖面變化顯著。其中,R5—R7 區(qū)域海灘剖面形態(tài)以灘肩型為主,人工島建設(shè)之后海灘不斷淤漲,灘肩位置不斷向海推進(jìn),同時(shí)灘面坡度變緩,寬度變大。大橋兩側(cè)區(qū)域的R8—R9 區(qū)域,海灘剖面形態(tài)發(fā)生顯著的變化,大橋北側(cè)灘面嚴(yán)重侵蝕后退,而南側(cè)后濱位置則異常淤高。人工島建設(shè)前,R10 區(qū)域海灘剖面為灘肩型,并呈上凸形狀,隨著人工島建設(shè)的實(shí)施,整個(gè)灘面不斷淤積,后濱漸趨平緩;在日島建設(shè)完成后,灘面淤積減弱甚至重新轉(zhuǎn)為侵蝕。在日島主體部分完成而月島尚未吹填時(shí),R11—R17 區(qū)域的海灘發(fā)生侵蝕,灘面較窄;月島主體建設(shè)完成后,灘面開(kāi)始重新淤積,海灘剖面形態(tài)由斜線型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉┘缧?且灘肩位置不斷向海推進(jìn)。R22—R27 區(qū)域海灘在人工島未建設(shè)之前, 海灘剖面形態(tài)為灘肩型, 但灘肩較窄, 月島開(kāi)始建設(shè)之后, 岸灘發(fā)生淤積, 灘肩變寬, 岸線向海推進(jìn)。

2.2.2 冬半年期間日月灣的岸灘變化

冬季波浪與人工島對(duì)日月灣海灘的沖淤演變產(chǎn)生顯著影響。由圖9 可知, 在冬季波浪作用前后, 日月灣海灘不同部位的剖面呈現(xiàn)出不同的沖淤變化特征。在貼近岬角的海灘岸段, R1—R2 區(qū)域的海灘剖面形態(tài)以輕微的灘肩型和斜線型為主, 灘面相對(duì)較窄, 岸灘整體上保持相對(duì)穩(wěn)定。R3—R4 區(qū)域的海灘剖面形態(tài)為單一的斜線型, 海灘整體較窄, 呈現(xiàn)上沖下淤狀態(tài), 侵蝕程度較強(qiáng), 剖面的最大下蝕深度達(dá)0.73m, 平均下蝕深度在0.16～0.27m 之間。日島后方的R5—R9 區(qū)域岸段, 海灘剖面形態(tài)由斜線型變換為灘肩型, 海灘也由侵蝕狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e狀態(tài), 淤積主要發(fā)生于低灘區(qū)域, 最大淤高達(dá)1.8m, 并且自北向南淤積程度逐漸減弱, 岸灘至R8 剖面甚至出現(xiàn)了灘肩侵蝕后退情況, R9 剖面的后濱區(qū)域海灘呈現(xiàn)為上凸型, 地貌特征相對(duì)穩(wěn)定, 在陡坎位置以下部位, 岸灘發(fā)生淤積, 最大淤積高度可達(dá)2.0m。日島和月島之間的R10—R13 區(qū)域岸段, 海灘剖面形態(tài)由灘肩型轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕本€型為主, 岸灘陡坎消失, 灘面變窄, 沖淤變化相對(duì)較弱, 海灘大體保持穩(wěn)定狀態(tài)。月島后的R14—R17 區(qū)域岸段, 海灘剖面形態(tài)由斜線型轉(zhuǎn)變?yōu)闉┘缧? 呈現(xiàn)為后濱穩(wěn)定、灘肩沖刷而低灘淤積的狀態(tài), 灘肩區(qū)域最大下蝕深度可達(dá)1.15m。同時(shí), 自北向南, 灘肩侵蝕程度相對(duì)減弱, 剖面R16 灘肩位置沖淤變化不明顯, 低灘位置處于淤積狀態(tài)。R18—R28 區(qū)域的海灘剖面形態(tài)以灘肩型為主, 且海灘自北向南整體上侵蝕程度逐漸減弱, 甚至發(fā)生輕微的淤積。其中, R18—R23 區(qū)域海灘的后濱保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài), 灘面下蝕; 而R24—R28區(qū)域的海灘則呈現(xiàn)上淤下沖狀態(tài), 后濱淤積, 灘肩和灘面遭受明顯侵蝕, 剖面下蝕深度介于0.71～0.86m 之間。R29 區(qū)域的海灘剖面形態(tài)為灘肩型, 海灘整體呈現(xiàn)淤積狀態(tài), 向海方向淤積程度加大, 最大淤高可達(dá)1.37m。

整體上, 海灘自北向南各岸段依次表現(xiàn)為穩(wěn)定、侵蝕、淤積、相對(duì)穩(wěn)定、略有侵蝕或淤積、侵蝕、淤積的沖淤變化特征(表1)。

表1 日月灣海灘冬季沖淤變化區(qū)位表 Tab. 1 Location of erosion and deposition evolution of Riyue Bay beach in winter

3 討論

3.1 人工島建設(shè)對(duì)海灘沖淤演變的影響分析

人工島的建設(shè)會(huì)改變周圍海域的動(dòng)力環(huán)境、泥 沙輸運(yùn)方向和方式,從而導(dǎo)致島體周邊地形以及岸灘地貌的改變。此外,在日月灣海區(qū),平均有效波高和平均波浪周期每年平均上升幅度分別介于0.19～0.32cm 和0.012～0.014s 之間,海況變化幅度較小且人工島建設(shè)前后總體趨勢(shì)變化不明顯,其海況主要受大尺度氣候影響。因而可推斷出,在人工島建設(shè)前后,日月灣海灘地貌形態(tài)變化主要受到了人工島建設(shè)的影響。在月島未建設(shè)而日島基本圍填完成時(shí)期,波浪作用以及泥沙輸運(yùn)明顯受到了日島的影響(李珊,2015)。在日島島影區(qū)的Ⅲ及R10—R11區(qū)域,由于人工島的遮蔽作用,水動(dòng)力較弱,泥沙發(fā)生沉降,灘面加寬及淤高,岸線明顯向海淤進(jìn),最大推進(jìn)距離甚至可達(dá)200m。日島后方西南側(cè)的R12—R17 區(qū)域,由于入射波浪的直接沖刷與沿岸流的侵蝕,灘面下蝕,岸線向陸一側(cè)蝕退;而在月島圍填之后, 入射波浪受月島阻擋, 水動(dòng)力減弱, 導(dǎo)致海灘侵蝕程度減弱, 甚至發(fā)生淤積, 月島島影區(qū)岸線明顯向海一側(cè)推進(jìn)。在兩個(gè)人工島的主體工程基本完成后, 兩側(cè)波浪直接沖刷海灘, 波浪破碎產(chǎn)生的沿岸流攜帶泥沙向西南側(cè)輸運(yùn), 使得Ⅱ區(qū)域與Ⅵ區(qū)域海灘遭受侵蝕。而受人工島島影區(qū)水動(dòng)力較弱以及連島大橋阻擋的影響, 岸灘沖刷減弱, 被侵蝕運(yùn)移到島后Ⅲ—Ⅴ區(qū)域的泥沙逐步沉降, 故該區(qū)段的海灘發(fā)生淤漲。與此同時(shí), 為修復(fù)日月灣海灘Ⅵ區(qū)域的侵蝕岸段, 于2018 年5 月前基本完成了日島后方淤積區(qū)的取沙填補(bǔ), 取沙面積為11.56× 104m2, 取沙厚度2.5m, 共計(jì)36×104m3, 這可能是造成R8 區(qū)域?yàn)┟媲治g和R9 區(qū)域后濱位置特殊淤高的主要原因。此外, 為減弱Ⅵ區(qū)域岸灘的侵蝕以及防止日島清淤后重新淤積, 于日島棧橋和Ⅵ區(qū)域的東北側(cè)修建了長(zhǎng)度分別為100m 與150m 的攔沙堤, 并且于Ⅵ區(qū)域前方海域離岸約115～143m 的位置修建了總長(zhǎng)為990m 的離岸堤。這些工程削弱了入射波浪的作用, 加之之前的補(bǔ)沙措施, 可能是該區(qū)域海灘侵蝕程度相對(duì)于Ⅱ區(qū)域海灘較小的原因。

3.2 冬季波浪和人工島聯(lián)合作用對(duì)海灘沖淤變化的影響分析

相較于夏半年而言, 在冬半年期間, 研究區(qū)域盛行偏北風(fēng), 海區(qū)外海以NEE 向波浪為主, 波高較大, 周期較長(zhǎng), 其可能會(huì)使得深水區(qū)域波浪向岸傳播時(shí), 波能衰減相對(duì)較小, 近岸破波波況相對(duì)較強(qiáng), 從而對(duì)日月灣海灘造成較為強(qiáng)烈的影響。人工島的建設(shè)也會(huì)改變研究區(qū)的波浪場(chǎng)與波生流場(chǎng), 而沿岸輸沙以斜向入射波浪提供的沿岸流為驅(qū)動(dòng)力, 泥沙向下游島堤后運(yùn)移, 島堤波影區(qū)發(fā)生淤積(石萍 等, 2015), 結(jié)合海灘現(xiàn)場(chǎng)泥沙沖淤狀況判斷, 其泥沙整體向西南方向輸運(yùn)。此外, 根據(jù)前人在日月灣海區(qū)所做的水動(dòng)力模擬及泥沙輸運(yùn)計(jì)算顯示, 島后兩側(cè)流速較快, 沿岸流由兩側(cè)向島后匯聚, 兩側(cè)岸灘侵蝕, 而島后的波高明顯減小, 水動(dòng)力較弱, 泥沙于島影區(qū)發(fā)生沉降, 海灘出現(xiàn)淤積(龔文平 等, 2012), 由此推斷日月灣人工島附近的流場(chǎng)大致如圖10 所示。Ⅰ區(qū)域與Ⅶ區(qū)域遠(yuǎn)離人工島且處于岬角的遮蔽位置, 直接入射波浪受到削弱并受人工島的影響較弱, 水動(dòng)力及泥沙輸運(yùn)整體變化幅度相對(duì)較小, 故Ⅰ區(qū)域海灘保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài), 而Ⅶ區(qū)域的南下泥沙因受到岬角阻攔, 從而導(dǎo)致海灘發(fā)生整體淤積現(xiàn)象。Ⅱ區(qū)域和Ⅵ區(qū)域位置相對(duì)開(kāi)闊, 入射波浪直接作用于岸灘之上, 波浪能量較強(qiáng), 波浪破碎生成沿岸流并攜帶泥沙向西南運(yùn)移, 導(dǎo)致海灘遭受侵蝕。隨著與岬角距離的減小, 被侵蝕的西南向輸運(yùn)泥沙因受到阻擋而開(kāi)始逐步沉降, 導(dǎo)致Ⅵ區(qū)域海灘侵蝕逐漸減弱, 甚至部分位置發(fā)生淤積。在島影區(qū)域, 兩側(cè)沿岸流攜帶的泥沙匯集, 入射波浪受到人工島的阻擋, 水動(dòng)力減弱, 更是進(jìn)一步促使了泥沙的沉降, 從而導(dǎo)致Ⅲ區(qū)域海灘淤積。此外, 日島大橋阻攔著泥沙的向南輸運(yùn), 更加促進(jìn)了Ⅲ區(qū)域?yàn)┟嬗俜e, 但同時(shí)也導(dǎo)致Ⅳ區(qū)域泥沙輸運(yùn)量減少, 使得海灘保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。位于月島后的Ⅴ區(qū)域, 由于兩座人工島之間存在間隙, 入射波浪能夠穿過(guò)該間隙并作用于岸灘之上, 加之西南向泥沙輸運(yùn)受阻, 導(dǎo)致灘肩位置發(fā)生侵蝕。但是由于該段海灘處于月島遮蔽區(qū)域, 水動(dòng)力較弱, 故海灘整體上受侵蝕幅度較小, 之后甚至逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e狀態(tài)。其中剖面R16 的灘肩位置相對(duì)穩(wěn)定, 沒(méi)有發(fā)生明顯的侵蝕現(xiàn)象, 主要原因可能是之前該位置存在月島鋼便橋以及攔沙堤, 導(dǎo)致泥沙運(yùn)移受阻而淤積, 從而相對(duì)減緩了灘肩的侵蝕。

3.3 人工島連島沙壩形成的探討

人工島建設(shè)后, 對(duì)于其島后是否會(huì)形成連島沙壩或突出體是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為此, 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)連島沙壩的形成條件進(jìn)行了大量的研究, 以期能夠預(yù)測(cè)島堤的建設(shè)對(duì)島后岸灘形態(tài)的影響(Hallermeier, 1983; Dallyet al, 1986)。

對(duì)于連島沙壩的形成, Dally 等(1986)認(rèn)為這主要與島堤長(zhǎng)度B以及島體與海岸的距離X相關(guān)。當(dāng)B與X的比值較大時(shí), 能夠阻擋波浪的范圍越大, 島體的掩護(hù)作用越強(qiáng), 形成連島沙壩的可能性就越大。其中, 當(dāng)B/X介于0.5～0.67 時(shí), 容易發(fā)育突出體。對(duì)于連島沙壩的形成, 當(dāng)為單個(gè)島堤且B/X介于1.5～2.0 時(shí), 海岸容易形成連島沙壩; 而當(dāng)海域擁有多個(gè)島堤時(shí), 連島沙壩的發(fā)育也與相鄰島堤之間的距離G有關(guān); 當(dāng)B/X≥1.5, 并且離岸堤處波浪波長(zhǎng)L≤G≤B時(shí), 容易發(fā)育連島沙壩。當(dāng)前時(shí)期, 日月灣海區(qū)的日島和月島工程主體部分已經(jīng)基本完成, 這種情況屬于多個(gè)島堤情況。日島的離岸距離約為380m, 長(zhǎng)度約為845m; 月島的離岸距離約為440m, 長(zhǎng)度約為990m; 兩島之間的距離約為200m, 人工島處的波長(zhǎng)為47.19m(龔文平 等, 2012)。因此, 對(duì)于日島和月島都有L＜G＜B, 日島的B/X=2.2, 月島的B/X=2.25, 故兩人工島與海岸相連形成連島沙壩的可能性較大。

此外, Hallermeier(1983)認(rèn)為島堤之后是否會(huì)形成連島沙壩與島堤所處的水深有著極大的關(guān)系:

式中:ds為臨界水深;S為泥沙的密度;He為一年中出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)12h 的深水波的波高;Te為對(duì)應(yīng)的周期;g為重力加速度。當(dāng)島堤的水深小于臨界值的時(shí)候, 島堤與海岸之間就容易形成連島沙壩。根據(jù)前人計(jì)算結(jié)果(龔文平 等, 2012), 該處的臨界水深ds=8.11m, 而日、月雙島之間的水深如圖11 所示, 即在多數(shù)情況下水深小于7m。由此可進(jìn)一步推斷, 日島和月島兩座人工島與海岸相連形成連島沙壩的可能性較大。

4 結(jié)論

1) 日月灣海區(qū)冬半年盛行NEE 向波浪, 夏半年則以SSE 向波浪為主, 并且海區(qū)冬半年的平均有效波高與平均波浪周期明顯大于夏半年。此外, 日月灣海區(qū)波浪強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì), 但在人工島建設(shè)前后變化幅度不明顯。

2) 日月灣海灘地貌形態(tài)變化受到人工島建設(shè)的影響, 海灘呈現(xiàn)出島后淤積、兩側(cè)侵蝕的顯著特征。海灘在島影區(qū)不斷淤積, 岸線向海推進(jìn)可達(dá) 200m, 甚至可能與人工島相連形成連島沙壩; 而人工島后兩側(cè)岸灘則發(fā)生侵蝕, 岸線向陸蝕退距離可達(dá)50m。

3) 日月灣海灘受冬季波浪與人工島的共同影響強(qiáng)烈, 其中島影區(qū)入射波浪受人工島阻擋, 水動(dòng)力相對(duì)較弱, 沿岸流攜帶泥沙沉降, 造成海灘淤積; 人工島兩側(cè)海灘, 海域開(kāi)闊, 水動(dòng)力較強(qiáng), 泥沙侵蝕嚴(yán)重。整個(gè)岸灘自北向南各段依次表現(xiàn)為穩(wěn)定、侵蝕、淤積、相對(duì)穩(wěn)定、略有侵蝕或淤積、侵蝕、淤積的沖淤變化特征。