臺(tái)風(fēng)季節(jié)朱家尖島砂、礫質(zhì)岬灣海灘的不同沉積地貌動(dòng)態(tài)變化

郭俊麗, 時(shí)連強(qiáng), 陳沈良, 張敏, 常洋, 張達(dá)恒

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. 自然資源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012

岬灣砂、礫質(zhì)海岸是海島、海岸帶重要的旅游資源, 具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值, 長(zhǎng)期以來(lái)備受關(guān)注。以往絕大多數(shù)海灘研究關(guān)注的是砂質(zhì)海灘, 如砂質(zhì)海灘風(fēng)暴侵蝕及恢復(fù)(蔡鋒 等, 2004; Qi et al, 2010; Ge et al, 2017; 龔昊 等, 2017; 郭俊麗 等, 2019)、海灘平衡剖面(李志龍 等, 2006; Dai et al, 2007)、海灘養(yǎng)護(hù)(Hamm et al, 2002; Hanson et al, 2002; Castelle et al, 2009; 莊振業(yè) 等, 2009; Cai et al, 2011; Luo et al, 2016; 蔡鋒 等, 2019)和海灘的穩(wěn)定性(戴志軍 等, 2006; 程武風(fēng) 等, 2017)等。與之相比, 礫石灘的研究則較為局限, 主要開展了風(fēng)暴巨礫的起動(dòng)(高抒 等, 2019)、礫石灘的沉積地貌特征總結(jié)分析(陳洪德 等, 1982; 張國(guó)棟 等, 1987; 王愛(ài)軍 等, 2004)以及砂質(zhì)海灘的卵石養(yǎng)護(hù)(束芳芳 等, 2019)等方面的研究。

臺(tái)風(fēng)這一氣象災(zāi)害常年影響我國(guó)的東南沿海, 而臺(tái)風(fēng)大浪是海灘快速變化的主要驅(qū)動(dòng)力(戴志軍 等, 2001; 曾春華 等, 2020)。岸線的走向與臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴路徑可影響波浪的入射角, 進(jìn)而通過(guò)控制沿岸沉積物輸運(yùn)來(lái)影響海灘和/或沙丘的響應(yīng)(Costas et al, 2005; Anthony, 2013; 童宵嶺 等, 2014; Castelle et al, 2015)。除了受動(dòng)力作用影響外, 海灘對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)差異還受到海灘形態(tài)(Haerens et al, 2012)、海灘類型(Masselink et al, 2016; 朱士兵 等, 2019)、沉積物粒徑(Prodger et al, 2016)和地質(zhì)條件(Loureiro et al, 2012)等因素的影響。在過(guò)去的幾十年中, 為了應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害, 我國(guó)已經(jīng)實(shí)施了大量的海灘養(yǎng)護(hù)、海堤建設(shè)等海岸工程(Cai et al, 2011; Luo et al, 2016; Kuang et al, 2019)。海灘養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)施雖然有效地保護(hù)了海灘資源, 但會(huì)影響海灘的沉積地貌動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)有人類活動(dòng)干擾時(shí), 海灘沉積地貌動(dòng)態(tài)對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)變得更為復(fù)雜(Guo et al, 2020)。因此, 對(duì)比研究不同沉積物類型和不同人為干擾程度的海灘, 有助于深入了解岬灣海灘的動(dòng)力地貌過(guò)程。

舟山群島是熱門的旅游地, 擁有30 多個(gè)岬灣海灘(夏小明, 2014), 其中朱家尖島東岸的海灘尤為出名。臺(tái)風(fēng)是影響舟山群島的常見(jiàn)氣象災(zāi)害且對(duì)海灘的形態(tài)有重大影響, 甚至威脅到舟山的旅游業(yè)。每年的7 月至9 月是臺(tái)風(fēng)登陸和影響浙江最多的季節(jié), 約占登陸總個(gè)數(shù)的93%(許浩恩 等, 2009)。因此, 本研究以朱家尖島東岸不同沉積物類型且受人類活動(dòng)影響程度不同的岬灣海灘為例, 對(duì)比分析臺(tái)風(fēng)季節(jié)下砂質(zhì)海灘和礫石海灘這兩種不同岬灣海灘的剖面地形及沉積物特征變化, 探明不同類型岬灣海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)季節(jié)強(qiáng)水動(dòng)力的響應(yīng)特征及其影響因素, 為臺(tái)風(fēng)季節(jié)的海灘管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

朱家尖島是舟山市的第五大島, 位于舟山群島的東南部海域(圖1a、1b), 陸域面積62.2km2, 海岸線長(zhǎng)79.2km。朱家尖島西岸發(fā)育淤泥質(zhì)海岸, 東岸則多為砂、礫質(zhì)海岸和基巖海岸, 其東岸的十里金沙是舟山著名的旅游勝地(夏小明, 2014), 大沙里、東沙、千沙、烏石塘和小烏石塘是朱家尖島典型的岬灣海灘。

大沙里海灘位于朱家尖島東北端, 全長(zhǎng)約900m, 岬角長(zhǎng)度約600m(圖1c)。該砂質(zhì)海灘南部較陡, 北部平坦, 沿岸的坡度介于2.2%至2.8%之間, 平均為2.4%。其陸地一側(cè)雖有海堤存在, 但該海灘仍保存有完好的沙丘和植被。沉積物中值粒徑在2.12Φ 至2.74Φ 之間, 組分主要為細(xì)砂。東沙海灘全長(zhǎng)約1500m, 岬角長(zhǎng)度約1350m(圖1e)。海灘坡度介于2.9%至3.5%之間, 沉積物的中值粒徑在1.4Φ至2.74Φ(細(xì)砂到中砂)之間。2012 年海堤的全線建成打破了海灘上沉積物的橫向輸運(yùn)平衡(程林 等, 2014), 海堤的建設(shè)和頻繁的風(fēng)暴使得東沙海灘長(zhǎng)期處于侵蝕狀態(tài)(郭俊麗 等, 2018)。為防止風(fēng)暴侵蝕和擴(kuò)大海灘干灘面積, 東沙海灘管理部門在2016 年和 2017 年之間共實(shí)施了沉積物補(bǔ)給總量約為52000m3的海灘養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目(Guo et al, 2020)。千沙海灘位于朱家尖島東南部的大青山風(fēng)景區(qū), 全長(zhǎng)約1200m, 岬角長(zhǎng)度800m(圖1f)。該砂質(zhì)海灘坡度由北至南逐漸變緩, 介于1.6% 至2.9%之間, 平均為2.2%。千沙海灘背靠基巖, 局部有沙丘及植被存在, 沉積物中值粒徑在2.18Φ 至3.18Φ 之間, 該海灘無(wú)海岸工程建設(shè)。

大烏石塘與小烏石塘海灘(圖1d)是分別位于朱家尖島東部的岬灣礫石海灘。兩個(gè)礫石灘的大潮高潮線以上有礫石堤分布, 礫石堤后為海堤, 礫石灘兩側(cè)都有較高的海蝕崖。礫石堤呈階梯狀向海方向遞降, 至低潮位高差達(dá)8m 以上。兩個(gè)礫石灘所處海灣大小不同, 烏石塘礫石灘所處的漳州灣縱深約2.5km, 寬度約0.8～1.2km; 而小烏石塘礫石灘所在的海灣長(zhǎng)度約0.8km, 寬約0.3～0.4km(王愛(ài)軍 等, 2004)。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

1.2.1 水動(dòng)力數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)沈家門海洋站(29°55′48″N, 122°18′E)提供的潮汐數(shù)據(jù)顯示, 朱家尖島近岸的潮汐類型主要為半日潮, 平均潮差為2.6m(夏小明, 2014)。逐時(shí)波浪數(shù)據(jù)由位于約 20m 水深處的波浪浮標(biāo)(29°48′N, 122°30′E)獲得。研究區(qū)的主要波浪方向來(lái)自E 向, 有效波高較大的波浪主要來(lái)自NE 和SE 之間的方向(Guo et al, 2020)。在2019 年的臺(tái)風(fēng)季節(jié), 朱家尖島近岸波浪浮標(biāo)觀測(cè)到的最大有效波高為6.77m。期間共有4 個(gè)不同等級(jí)的臺(tái)風(fēng)影響研究區(qū)(表1), 分別為熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”(Danas)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”(Lekima)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“玲玲”(Lingling)和臺(tái)風(fēng)“塔巴”(Tapah)。

表1 2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)影響研究區(qū)域的臺(tái)風(fēng)信息Tab. 1 Information of typhoons affected study area during the 2019 typhoon season

1.2.2 地形數(shù)據(jù)獲取與處理

為了分析臺(tái)風(fēng)季節(jié)朱家尖島東岸5 個(gè)岬灣海灘地形、表層沉積物的變化特征, 本文于2019 年7 月18 日、2019 年8 月31 日、2019 年9 月24 日對(duì)海灘地形和表層沉積物的粒度特征進(jìn)行了3 次測(cè)量, 分別代表臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期、中期及晚期階段的特征(早期至中期視為臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期, 中期至晚期視為臺(tái)風(fēng)季節(jié)后期)。根據(jù)5 個(gè)海灘的沉積地貌特征依次設(shè)置了觀測(cè)剖面的數(shù)量, 分別是大沙里5 條, 東沙海灘6條, 烏石塘4 條, 小烏石塘4 條(圖1), 在臺(tái)風(fēng)季節(jié)共獲得57 條地形剖面。岸灘地形均在低潮時(shí)利用RTK GPS 連接CORS 基站對(duì)固定剖面位置追蹤測(cè)量(水平和垂向精度分別為±8mm 和±15mm), 獲得原始數(shù)據(jù)后校正至1985 黃海高程。

根據(jù)Burvingt 等(2018)的方法, 計(jì)算海灘剖面的單寬體積Vprofile(單位: m3·m-1):

其中,z對(duì)應(yīng)于每米插值的地形高程值,zmin和zmax分別為海灘剖面最低處和起始點(diǎn)(海堤/陡崖)的高程(圖2)。在本研究中, 由于每個(gè)海灘的不同特點(diǎn), 各海灘的zmin略有不同, 但砂質(zhì)海灘的zmin都在0m 高程附近。砂質(zhì)海灘以0m 高程處的海岸距離為準(zhǔn)計(jì)算海灘剖面體積, 礫石海灘以2m 高程處的離岸距離為準(zhǔn)計(jì)算海灘剖面體積。本文選取的zmin和zmax之間的剖面部分是海灘提供休閑娛樂(lè)的主要區(qū)域, 該區(qū)域的沉積地貌動(dòng)態(tài)變化與海灘的旅游功能息息相關(guān)。海灘剖面體積變化是指相對(duì)于2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)第一次調(diào)查(即臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期)的變化。

1.2.3 沉積物數(shù)據(jù)獲取與處理

3 個(gè)砂質(zhì)海灘共獲得48 個(gè)剖面數(shù)據(jù)和192 個(gè)表層沉積物樣品。沉積物采集時(shí)以海堤或基巖為起點(diǎn), 沿剖面方向每50m 設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)(圖2), 采樣時(shí)去除表面覆蓋的雜質(zhì), 取厚度3～5cm 的表層沉積物裝入樣品袋, 而后送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析。沉積物樣品的處理均參照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室流程(Carver, 1971), 樣品預(yù)處理后采用SFY-D 音波震動(dòng)式全自動(dòng)篩分粒度儀進(jìn)行粒度分析。SFY-D 篩分儀采用音波振動(dòng), 使空氣在一個(gè)密閉的疊篩腔體中運(yùn)動(dòng), 震蕩的空氣使樣品顆粒作周期的垂直運(yùn)動(dòng), 篩網(wǎng)的堵孔現(xiàn)象減少, 使用電磁擊鐵垂直敲擊, 使團(tuán)聚的顆粒分散, 減少了篩網(wǎng)的磨損和顆粒被打碎的現(xiàn)象。沉積物粒徑以Φ 值表示(Folk et al, 1957), 分析范圍從-3Φ 至5Φ(以0.5Φ 為間隔), 得到測(cè)量結(jié)果后利用圖解法(Folk et al, 1957)計(jì)算平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)。

礫石灘沉積物數(shù)據(jù)采取原地測(cè)量的方式, 在每次測(cè)量中每條剖面設(shè)置3 個(gè)測(cè)量樣方(1m×1m), 分別位于剖面的起點(diǎn)、礫石堤頂及潮間帶, 隨機(jī)用游標(biāo)卡尺測(cè)量表層42 顆礫石的平均粒徑(D)和長(zhǎng)軸(A)、中軸(B)及短軸(C)長(zhǎng)度。2 個(gè)礫石灘在3 次測(cè)量后各獲得樣方36 個(gè), 共測(cè)量礫石3024 顆。礫石常用的形態(tài)參數(shù)有最大投影球度(maximum projection sphericity, MPS)(Powers, 1953)、扁長(zhǎng)指數(shù)(oblate-prolate index, OPI)(Sneed et al, 1958)以及盤狀-桿狀指數(shù)(disc-rod index, DRI)(Dobkins et al, 1970), 這組參數(shù)是粗顆粒沉積物結(jié)構(gòu)分析中的重要參數(shù), 可以提供沉積物的產(chǎn)地、搬運(yùn)特征及沉積動(dòng)力環(huán)境等有關(guān)信息(Benn et al, 1993; 王愛(ài)軍 等, 2004)。

2 結(jié)果

2.1 臺(tái)風(fēng)季節(jié)朱家尖島近岸動(dòng)力特征

2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)共有4 個(gè)不同等級(jí)的臺(tái)風(fēng)影響研究區(qū): 熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”(Danas)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”(Lekima)、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“玲玲”(Lingling)和臺(tái)風(fēng)“塔巴”(Tapah)。研究區(qū)的年平均有效波高和周期只有0.82m 和3.6s(Guo et al, 2020), 而2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)的平均有效波高為1.16m, 平均周期為5.5s(圖3a、 3b)。最大有效波高和周期分別為6.77m 和9.9s。整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié), 朱家尖島近岸海域的波浪主要為SE 向, 波高較大的方向主要出現(xiàn)于NE 和SE 之間(圖3c)。前3 個(gè)臺(tái)風(fēng)的主導(dǎo)波浪方向?yàn)镾E 向, 而在最后一個(gè)臺(tái)風(fēng)期間則為E 向。4 個(gè)臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴浪有效波高最大值分別達(dá)到 4.68m、6.77m、3.71m 和4.03m(圖3a), 對(duì)應(yīng)的波向分別為135°、40°、100°和84°(圖3c)。

2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)研究區(qū)逐時(shí)實(shí)測(cè)潮位、天文潮位和風(fēng)暴增水情況如圖3d 所示, 涵蓋了大約6 個(gè)大小潮周期。從圖3d 可以看出, 最低和最高水位均出現(xiàn)在大潮期間, 分別為-1.75m 和2.49m。4 次臺(tái)風(fēng)均導(dǎo)致朱家尖島近岸出現(xiàn)明顯的增水, 分別為0.6m、0.96m、0.57m 和0.98m(圖3d)。

圖3e 展示了臺(tái)風(fēng)季節(jié)朱家尖島近岸海域的風(fēng)況信息。2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)研究區(qū)域觀測(cè)到的平均風(fēng)速為3.12m·s-1, 最大風(fēng)速19.9m·s-1出現(xiàn)在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”過(guò)境期間(2019 年8 月10 日8 時(shí))。研究時(shí)間段內(nèi)風(fēng)向主要來(lái)自N 向和 E 向之間。在4 個(gè)臺(tái)風(fēng)影響朱家尖島期間, 研究區(qū)域測(cè)得的最大風(fēng)速分別為9.5m·s-1、19.9m·s-1、14m·s-1和15.1m·s-1(圖3e), 對(duì)應(yīng)的風(fēng)向分別為68°、22°、4°、22°。

2.2岬灣海灘剖面形態(tài)變化

2.2.1砂質(zhì)海灘

大沙里海灘剖面在臺(tái)風(fēng)季節(jié)總體呈現(xiàn)略微淤積的狀態(tài),在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期、后期及整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)海灘的平均單寬體積變化量分別為 4.57m3·m-1、7.35m3·m-1和11.93m3·m-1(表2)。該砂質(zhì)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)開始階段,每個(gè)剖面在離岸距離40～60m 處都有灘肩存在,而受臺(tái)風(fēng)影響后灘肩出現(xiàn)向陸后退或消失,臺(tái)風(fēng)季節(jié)結(jié)束后海灘剖面趨于平滑且平緩(圖4a—e)。臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)水動(dòng)力僅改變了部分剖面(YA06、YA08 和YA10)的形態(tài),而未造成海灘剖面侵蝕。

表2 朱家尖島大沙里、東沙和千沙海灘單寬體積變化統(tǒng)計(jì)表 Tab. 2 Chart of volume changes of Dashali, Dongsha and Qiansha beaches on the Zhujiajian Island

東沙海灘在整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)的平均單寬體積變化量為-54.51m3·m-1, 整體以侵蝕為主, 且在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期侵蝕較多(-35.68m3·m-1)。其中, 南部剖面(圖4f—h)變化較大, 最大單寬侵蝕量可達(dá)124.17m3·m-1(出現(xiàn)在DS11 剖面);DS05 和DS17 剖面在臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期出現(xiàn)灘脊,經(jīng)歷臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)水動(dòng)力作用后灘脊消失而轉(zhuǎn)為平坦斜坡式剖面。與海灘南部剖面相比, 北部的3 個(gè)剖面(DS22、DS26 和DS30)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)則相對(duì)穩(wěn)定,平均單寬體積變化量?jī)H為-10.83m3·m-1。

千沙海灘剖面在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期較后期穩(wěn)定(圖4g—i), 平均單寬體積變化量分別為0.7m3·m-1(前期)和-34.65m3·m-1(后期)。海灘剖面形態(tài)在整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)均表現(xiàn)為平坦斜坡式剖面, 坡度則呈現(xiàn)出逐漸變緩的趨勢(shì)。千沙海灘的剖面在臺(tái)風(fēng)季節(jié)以輕微侵蝕為主, 剖面形態(tài)在3 個(gè)砂質(zhì)海灘中變化最小。

2.2.2 礫石海灘

剖面地形測(cè)量結(jié)果顯示, 與砂質(zhì)海灘相比, 礫石海灘剖面更為陡峭, 最高點(diǎn)高程可達(dá)6m 以上。就臺(tái)風(fēng)季節(jié)的剖面形態(tài)變化而言, 礫石灘的海灘剖面比砂質(zhì)海灘剖面變化小, 形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。

烏石塘海灘剖面在臺(tái)風(fēng)季節(jié)總體呈略微的堆積狀態(tài)(圖5a—d), 在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期、后期及整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)的海灘平均單寬體積變化分別為3.8m3·m-1、-1.61m3·m-1、2.19m3·m-1(表3)。烏石塘海灘除剖面WST01 外, 其余3 個(gè)剖面都有明顯的礫石堤存在, 寬度約為10m。臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)水動(dòng)力僅在后期造成了略微侵蝕, 最大單寬體積變化僅5m3·m-1左右。與小烏石塘相比, 烏石塘海灘的剖面更為穩(wěn)定。

表3 朱家尖島烏石塘和小烏石塘海灘單寬體積變化統(tǒng)計(jì)表 Tab. 3 Chart of volume changes of Wushitang and Xiaowushitang beaches on Zhujiajian Island

小烏石塘海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期、后期及整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)的平均單寬體積變化分別為 2.66m3·m-1、-4.61m3·m-1、-1.96m3·m-1(圖5e—h), 表明該海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的后期開始出現(xiàn)略微侵蝕, 最大單寬侵蝕可達(dá)13.42m3·m-1(XWST04)。小烏石塘除XWST04剖面外也存在寬約10m 的礫石堤。

2.3 臺(tái)風(fēng)季節(jié)岬灣海灘沉積物的特征變化

2.3.1 砂質(zhì)海灘

沉積物粒度分析結(jié)果表明大沙里、東沙、千沙的海灘主要由細(xì)砂組成, 其中千沙海灘沉積物粒徑最細(xì)。在整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)東沙海灘的表層沉積物變化最大, 其次是大沙里, 千沙變化最小。3 個(gè)海灘表層沉積物的平均粒徑普遍變粗, 分選性變差, 偏態(tài)主要表現(xiàn)為負(fù)偏, 峰態(tài)表現(xiàn)為由中等至窄尖變化(圖6、圖7)。

大沙里海灘(圖6a、6d、6g、6j 和圖7a、7d、7g、7j)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的表層沉積物粒度特征變化結(jié)果顯示, 海灘表層沉積物主要為細(xì)砂, 平均粒徑在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的早期、中期及晚期分別為2.49Φ(粒徑范圍介于1.86～2.68Φ)、2.5Φ(粒徑范圍介于1.71～2.67Φ)和2.42Φ(粒徑范圍介于1.5～2.69Φ), 經(jīng)歷了先變細(xì)后變粗的過(guò)程。表層沉積物的平均粒徑存在由岸至海逐漸變粗的離岸方向分異特征, 4 個(gè)采樣點(diǎn)中以P3 采樣點(diǎn)的粒徑變化最大(圖6a); 而沿岸方向上的平均粒徑變化則較為一致, 且無(wú)明顯變化(圖7a)。在整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié), 海灘沉積物的分選系數(shù)有小幅度的增長(zhǎng), 即在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的3 個(gè)階段分別為0.33、0.36和0.49, 分選性逐漸變差。沉積物的偏態(tài)主要表現(xiàn)為負(fù)偏且變化不大, 沉積物的峰態(tài)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)也發(fā)生了顯著的變化, 由中等變?yōu)檎狻?/p>

東沙海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的表層沉積物粒度特征變化結(jié)果顯示, 除細(xì)砂成分外, 海灘沉積物中還有少量的極細(xì)砂、粗砂和礫石成分。在2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期, 海灘沉積物的平均粒徑為2.29Φ(粒徑范圍介于-1.17～3.16Φ)。兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)后, 平均粒徑變?yōu)?.37Φ(粒徑范圍介于-0.12～3.05Φ), 其中南部海灘仍有少量細(xì)礫。在臺(tái)風(fēng)季節(jié)結(jié)束時(shí), 東沙海灘沉積物的平均粒徑變?yōu)?2.07Φ( 粒徑范圍介于-1.08～2.96Φ), 海灘沉積物的分選性變得更差, 且為3 個(gè)海灘中分選性最差的。東沙海灘沉積物的偏態(tài)在整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)均表現(xiàn)為負(fù)偏, 峰態(tài)趨向于窄尖。該砂質(zhì)海灘的沉積物特征存在明顯的沿岸和離岸方向上的差異, 主要表現(xiàn)為沿岸方向上以海灘南部(尤其是剖面DS11, 圖7b、7e、7h、7k)變化最為顯著, 離岸方向上以P1 采樣點(diǎn)的沉積物變化最大(圖6b、6e、6h、6k)。沿岸方向上沉積物的變化差異可能與海灘補(bǔ)沙有關(guān), 而離岸方向上P1 采樣點(diǎn)為有砂覆蓋的礫石帶位置, 臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)水動(dòng)力帶走細(xì)顆粒物質(zhì)使得該處變化較大。

千沙海灘表層沉積物粒度特征在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的變化結(jié)果顯示, 其表層沉積物主要是細(xì)砂, 含少量的極細(xì)砂和粗砂。在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的早期, 沉積物的平均粒徑為2.61Φ(粒徑范圍介于1.63～3.1Φ); 到了中期, 平均粒徑略微增加到 2.64Φ(粒徑范圍介于2.25～2.74Φ); 在 臺(tái) 風(fēng) 季 節(jié) 結(jié) 束 時(shí), 平 均 粒 徑 為2.67Φ(粒徑范圍介于2.39～2.78Φ)。該砂質(zhì)海灘的沉積物粒徑在空間上最為均勻, 粒徑最細(xì), 分選性也最好(圖6c、6f、6i、6l 和圖7c、7f、7i、7l), 沉積物粒度特征在沿岸方向和離岸方向上均無(wú)明顯分異。千沙海灘沉積物的偏態(tài)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)表現(xiàn)為近對(duì)稱狀, 峰態(tài)在臺(tái)風(fēng)季節(jié)表現(xiàn)為中等, 且峰態(tài)和偏態(tài)也幾乎無(wú)變化。

2.3.2 礫石海灘

烏石塘和小烏石塘礫灘表層沉積物在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的變化具有相似的規(guī)律, 在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期粒徑普遍顯著增粗, 后期則恢復(fù)至臺(tái)風(fēng)季節(jié)開始時(shí)的粒徑大小。

臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期、中期及晚期烏石塘海灘表層礫石的平均粒徑分別為-5.33Φ、-7.18Φ 和-5.38Φ, 平均粒徑在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期變大后, 到臺(tái)風(fēng)季節(jié)結(jié)束幾乎又恢復(fù)至臺(tái)風(fēng)季開始時(shí)的粒徑。在離岸方向上, 剖面起點(diǎn)處的礫石平均粒徑變化最大, 潮間帶處的礫石平均粒徑變化最小(圖8a)。從沿岸方向上看, 海灘南部的沉積物粒徑比北部更粗, 在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的變化也比海灘北部明顯(圖8c)。

小烏石塘海灘表層沉積物的平均粒徑在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的早期、中期及晚期分別為-5.4Φ、-7.16Φ、-5.53Φ, 粒徑的總體變化在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期較大, 臺(tái)風(fēng)季節(jié)結(jié)束時(shí)也基本能恢復(fù)至原來(lái)的粒徑。小烏石塘海灘沉積物在離岸方向上的粒徑變化與烏石塘海灘相似, 剖面起點(diǎn)處與礫石堤頂處的沉積物粒徑都有明顯的粗化, 而潮間帶沉積物在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的變化則相對(duì)較小(圖8b)。海灘沉積物在沿岸方向上的變化主要表現(xiàn)為海灘南部變化大, 北部相對(duì)穩(wěn)定(圖8d)。

根據(jù)測(cè)量獲得的礫石長(zhǎng)軸(A)、中軸(B)及短軸(C)數(shù)據(jù), 可計(jì)算得到烏石塘海灘和小烏石塘海灘的最大投影球度(MPS)、扁長(zhǎng)指數(shù)(OPI)和桿狀-盤狀指數(shù)(DRI)數(shù)值(表4、表5)。其中, MPS 的計(jì)算結(jié)果顯示, 臺(tái)風(fēng)季節(jié)兩個(gè)礫石灘沉積物的MPS 變化較小, 但總體上都經(jīng)歷了先減小后增大的趨勢(shì)。MPS 的特征主要表現(xiàn)為在離岸方向上逐漸增大, 在沿岸方向上差 異不大, 小烏石塘在沿岸方向和離岸方向上的MPS差異及變化均比烏石塘大。OPI 的計(jì)算結(jié)果顯示, 整個(gè)臺(tái)風(fēng)季節(jié)烏石塘海灘沉積物的OPI 值都小于小烏石塘海灘, 兩個(gè)海灘沉積物的OPI 都表現(xiàn)出了先減小后增大的趨勢(shì)。在離岸方向上, OPI 逐漸減小, 沿岸方向上則表現(xiàn)為從南到北逐漸增大。DRI 的計(jì)算結(jié)果顯示, 兩個(gè)礫石灘沉積物的DRI 在沿岸和離岸方向上都無(wú)明顯的變化, 且持續(xù)保持在0.4～0.5 之間。沉積物的平均粒徑一般沿著海灘物質(zhì)的搬運(yùn)方向逐漸減小, 而盤狀和扁平狀礫石含量會(huì)增高, 根據(jù)這一常規(guī)特征可以分析海灘沉積物的搬運(yùn)方向(Komar, 1976)。臺(tái)風(fēng)季節(jié)烏石塘和小烏石塘的表層沉積物在離岸方向上主要表現(xiàn)為向海搬運(yùn), 在沿岸方向上則主要表現(xiàn)為由南向北搬運(yùn), 這一特征在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的前期更為顯著。

表4 臺(tái)風(fēng)季節(jié)烏石塘和小烏石塘海灘各剖面表層沉積物的形態(tài)參數(shù) Tab. 4 Morphological parameters of surficial sediments at different profiles on Wushitang and Xiaowushitang beaches

表5 臺(tái)風(fēng)季節(jié)烏石塘和小烏石塘海灘不同樣方位置表層沉積物的形態(tài)參數(shù) Tab. 5 Morphological parameters of surficial sediments measured at different sites on Wushitang and Xiaowushitang beaches

3 討論

海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的影響因素有很多, 而在臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的季節(jié)海灘沉積地貌變化將變得更為復(fù)雜。臺(tái)風(fēng)大浪是海灘快速變化的主要驅(qū)動(dòng)力(戴志軍 等, 2001; 曾春華 等, 2020), 岸線走向與臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴路徑將影響波浪的入射角, 進(jìn)而通過(guò)控制沿岸沉積物的輸運(yùn)來(lái)影響海灘和沙丘的響應(yīng)(Costas et al, 2005; Anthony, 2013; 童宵嶺 等, 2014; Castelle et al, 2015)。除了受動(dòng)力作用影響外, 海灘對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)差異還受到海灘形態(tài)(Haerens et al, 2012)、海灘類型(Masselink et al, 2016; 朱士兵 等, 2019)、沉積物粒徑(Prodger et al, 2016)和地質(zhì)條件(Loureiro et al, 2012)等因素的影響。本研究的5 個(gè)海灘都處于朱家尖島東部距離較近的岬灣中, 但5 個(gè)海灘的沉積物、地形對(duì)臺(tái)風(fēng)季節(jié)的強(qiáng)水動(dòng)力產(chǎn)生了不同的響應(yīng)。基于這5 個(gè)海灘的數(shù)據(jù)結(jié)果, 本文主要討論海灘沉積 物粒徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及臺(tái)風(fēng)方向與海灘走向的關(guān)系、海岸工程這3 種因子對(duì)臺(tái)風(fēng)季節(jié)海灘沉積地貌動(dòng)態(tài)變化的影響。

3.1 海灘沉積物粒徑的影響

沉積物粒徑是影響海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)的一個(gè)重要因素, 不同沉積物粒徑的海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)也是海灘研究的一個(gè)重要方面。砂質(zhì)海灘受高能風(fēng)暴浪作用時(shí), 通常表現(xiàn)為大部分細(xì)粒徑沉積物離岸輸移、灘肩侵蝕等, 而礫石海灘則相對(duì)穩(wěn)定(束芳芳 等, 2019), 這與本文的研究結(jié)果一致。不同沉積物的起動(dòng)需要的流速與臨界波高不同, 沉積物顆粒越大, 往往需要更高的能量來(lái)起動(dòng)。王愛(ài)軍等(2004)的研究發(fā)現(xiàn)烏石塘和小烏石塘沉積物起動(dòng)的臨界波高分別為4.69m 和4.84m, 而在2019 年的臺(tái)風(fēng)季節(jié), 朱家尖島近岸最大有效波高可達(dá)6.77m, 因此礫石海灘也產(chǎn)生了變化。另外, 最大投影球度大的礫石在粒徑組分相差不多的條件下會(huì)被優(yōu)先起動(dòng), 小烏石塘海灘礫石的球度大于烏石塘, 因此在相同動(dòng)力條件下小烏石塘的礫石會(huì)先起動(dòng)。這可能是臺(tái)風(fēng)季節(jié)小烏石塘海灘的地形和沉積物均比烏石塘海灘變化更大的原因。砂質(zhì)海灘與礫石海灘相比, 前者沉積物較細(xì), 所需要的起動(dòng)流速與臨界波高數(shù)值更小, 因此砂質(zhì)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的沉積地貌變化更為顯著。在強(qiáng)侵蝕的高能海岸, 利用卵石、粗顆粒礫石等沉積物對(duì)海灘進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是減緩砂質(zhì)海灘侵蝕的一種有效手段(Harley et al, 2014; 束芳芳 等, 2019), 這一認(rèn)識(shí)可為海岸侵蝕防護(hù)與海灘養(yǎng)護(hù)提供更多選擇。

3.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)期間主要波向的影響

海灘產(chǎn)生不同變化的本質(zhì)是不同臺(tái)風(fēng)形成的水動(dòng)力差異, 因此臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及主要波向與海灘走向之間的關(guān)系對(duì)海灘的臺(tái)風(fēng)響應(yīng)很重要(蔡鋒 等, 2004; Qi et al, 2010; 童宵嶺 等, 2014; 龔昊 等, 2017; 郭俊麗 等, 2019; 朱士兵 等, 2019; Guo et al, 2020), 這也可能是5 個(gè)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)展現(xiàn)出不同沉積地貌變化的另一原因。5 個(gè)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)均表現(xiàn)出不同程度的侵蝕, 尤其是在臺(tái)風(fēng)季節(jié)前期。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”(有效波高達(dá)6.77m)是2019 年等級(jí)最高且有效波高最大的一個(gè)臺(tái)風(fēng)(圖3), 它發(fā)生于臺(tái)風(fēng)季節(jié)的前期階段, 這與5 個(gè)海灘在該時(shí)段侵蝕更多密切相關(guān)。大沙里、東沙、千沙、烏石塘和小烏石塘的海灘方向分別為3°、19°、40°、19°和348°, 而4 個(gè)臺(tái)風(fēng)影響研究區(qū)域期間的主波向分別為SE、SE、SE 和E 向。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的主要波向與東沙和千沙的海灘走向接近垂直, 其影響朱家尖島時(shí)的最大風(fēng)速可達(dá)19.9m·s-1, 因此該臺(tái)風(fēng)對(duì)這兩個(gè)海灘產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響。烏石塘海灘雖然與東沙的走向相同, 但由于其沉積物主要為礫石, 因而烏石塘海灘的變化較少且更為穩(wěn)定。

3.3 海岸工程的影響

海岸工程(如海堤和海灘養(yǎng)護(hù))也會(huì)影響到海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的動(dòng)態(tài)變化。在風(fēng)暴作用下, 大多數(shù)海灘呈侵蝕狀態(tài), 為減輕海灘侵蝕, 人們主要采取的措施分為軟工程和硬工程兩種。目前海岸工程防護(hù)措施首選海灘補(bǔ)沙(Peterson et al, 2006), 人工海岸建筑雖然能減輕風(fēng)暴引起的岸線后退, 但硬工程會(huì)對(duì)鄰近海灘產(chǎn)生負(fù)面影響(Hamm et al, 2002), 例如縱向的建筑會(huì)加劇風(fēng)暴浪對(duì)海灘的侵蝕(Cooper et al, 2008), 同時(shí)限制海灘的內(nèi)陸沉積物來(lái)源。如東沙海灘的海堤造成了該海灘的持續(xù)侵蝕(程林 等, 2014; 郭俊麗 等, 2018), 2016—2017 年管理部門在東沙海灘實(shí)施了養(yǎng)護(hù)工程, 養(yǎng)護(hù)沉積物主要投放在海灘的南部(Guo et al, 2020)。然而, 與海灘固有的沉積物相比, 養(yǎng)護(hù)沉積物更容易遭受侵蝕(Seymour et al, 2005), 這可能是東沙海灘南部剖面變化最為顯著的原因之一。與東沙海灘相比, 大沙里和千沙海灘的剖面和沉積物在臺(tái)風(fēng)季節(jié)相對(duì)較穩(wěn)定, 這兩個(gè)海灘受到海岸工程的干擾也更少, 表明人為干預(yù)較少的海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)可能更穩(wěn)定。與砂質(zhì)海灘相比, 烏石塘和小烏石塘礫石海灘也建有海堤, 但通常波況下海堤附近的礫石很難受到影響(王愛(ài)軍 等, 2004), 表明海堤的作用在礫石灘上并沒(méi)有那么顯著, 且礫石灘因沉積物顆粒粗而處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)朱家尖島東岸的5 個(gè)代表性岬灣海灘, 通過(guò)在2019 年臺(tái)風(fēng)季節(jié)早期、中期及晚期的3 次測(cè)量和表層沉積物采樣與粒度測(cè)試, 獲得了各海灘的地形和沉積物數(shù)據(jù), 結(jié)合所收集的近岸水動(dòng)力數(shù)據(jù), 分析了不同類型岬灣海灘的沉積地貌動(dòng)態(tài)變化, 得到以下主要結(jié)論:

1) 朱家尖島東岸5 個(gè)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)出現(xiàn)了不同的體積變化, 大沙里、東沙、千沙、烏石塘和小烏石塘海灘的單寬體積變化分別為 11.93m3·m-1、-54.41m3·m-1、-19.75m3·m-1、2.19m3·m-1和-1.96m3·m-1。礫石海灘比砂質(zhì)海灘更為穩(wěn)定, 無(wú)人類活動(dòng)干擾的砂質(zhì)海灘比有人類活動(dòng)干擾的砂質(zhì)海灘侵蝕更少、變化更小。砂質(zhì)海灘剖面主要表現(xiàn)為灘脊的蝕平與剖面的下切, 礫石海灘剖面則較為穩(wěn)定, 未出現(xiàn)明顯變化。

2) 臺(tái)風(fēng)季節(jié)大沙里、東沙、千沙、烏石塘和小烏石塘海灘表層沉積物的平均粒徑分別為2.47Φ、2.24Φ、2.64Φ、-5.96Φ 和-6.03Φ, 5 個(gè)海灘的表層沉積物在沿岸方向和離岸方向上均呈現(xiàn)不同程度的分異及變化, 主要表現(xiàn)為粗化和離岸輸運(yùn)(搬運(yùn))。其中, 東沙海灘南部的沉積物粒徑變化最大, 烏石塘和小烏石塘礫灘的沉積物最為穩(wěn)定。

3) 沉積物粒徑、臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及臺(tái)風(fēng)期間的主要波向與海灘走向之間的關(guān)系、海岸工程這3 種因素都可能對(duì)海灘在臺(tái)風(fēng)季節(jié)的沉積地貌動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生影響。本文的研究結(jié)果可為臺(tái)風(fēng)季節(jié)的海灘管理、侵蝕海灘的防護(hù)等提供參考。