田野，印萍，賈永剛，劉金慶,3，朱亞美，曹珂，陳小英

1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，青島 266100

2.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071

3.山東科技大學地球科學與工程學院，青島 266590

海灘地貌受沉積物類型和波浪、潮汐、風等動力要素的影響，是一個極為動態(tài)的地貌單元[1]。人們普遍認為海灘會在低能量波的條件下淤積，在高能量波的條件下侵蝕[2-3]，臺風和風暴潮引發(fā)的強浪和增水，在短期內(nèi)造成海灘地貌大尺度變形[4]導致沉積物在垂直海岸方向的重新分布，在海灘演化中起著重要作用。海灘的風暴響應在國內(nèi)外已有不少研究，海灘響應過程和結(jié)果因海灘沉積物類型、坡度、暴風浪強度、增水幅度和作用時間等呈現(xiàn)不同變化[4-11]。Qi 等發(fā)現(xiàn)灘面寬緩的耗散性海灘對風暴潮的響應較弱，灘面較陡和反射性較強的海灘對風暴潮響應較強[7]。Puig 等研究結(jié)果表明開闊型海灘比受遮擋的海灘對風暴響應更加明顯[8]。蔡峰提出夷直型沙灘剖面臺風后出現(xiàn)水下沙壩和高潮帶侵蝕、陡坎明顯、岸線后退的特征[9]。

海灘對風暴的響應特征多基于傳統(tǒng)的現(xiàn)場測量方法獲得，從早期的水準儀、全站儀海灘剖面重復測量，到目前的RTK-GPS、LiDAR、無人機傾斜測量的海灘剖面或三維地形重復測量，并輔以海灘沉積物取樣分析等獲得海灘地形、沉積物粒度和礦物在臺風前后的變化，開展對比分析。但大部分現(xiàn)場測量都在臺風前后幾天進行，對臺風過程中地形地貌的響應特征研究較少。隨著數(shù)字影像技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化岸灘視頻圖像監(jiān)測技術(shù)（如Argus 系統(tǒng)）逐漸成熟，其具有實時連續(xù)長時間監(jiān)測、安裝便捷和管理成本較低的優(yōu)點，能夠?qū)崟r監(jiān)測和分析海岸變化[12-13]，這一技術(shù)在監(jiān)測臺風暴對海岸線和海灘地貌影響及其演化過程中具有獨特的優(yōu)勢。

本文通過山東文登南海海灘“摩羯”臺風前后現(xiàn)場地形測量、表層沉積物分析數(shù)據(jù)，結(jié)合Argus數(shù)字影像監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析海灘地形地貌和沉積物對臺風作用的響應，探討影響海灘變化的因素，為指導海岸開發(fā)與管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域與監(jiān)測系統(tǒng)布局

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于山東省文登市南部南海新區(qū)海岸，東起母豬河河口，西至黃壘河口，海岸線長約12 km，為砂質(zhì)夷平海岸，總體NE-WS 走向（圖1），海灘沉積物以中粗砂至中細砂為主。

研究區(qū)位于東亞季風區(qū)，夏季盛S 向風，風速相對較小，冬季盛行NNW 和N 向風，風速較大[14]。研究區(qū)一年四季均以風浪為主，常浪向為SSW 向，全年平均波高為0.90 m，最大波高4.6 m，年平均周期4.2 s[15]。該區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，平均潮差2.53 m，最大潮差3.94 m。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)布局

青島海洋地質(zhì)研究所2015 年在研究區(qū)部署了一個 Argus 監(jiān)測站（圖1），對研究區(qū)海岸進行實時監(jiān)測。監(jiān)測站部署在位于海灘中部的卓達香水海酒店的樓頂，由兩組共7 個數(shù)字攝像頭組成，西側(cè)4 個攝像頭（編號1—4）觀測研究區(qū)西部海岸，東側(cè)3 個攝像頭（編號5—7）觀測研究區(qū)東部海岸，東西向有效觀測海灘長度可達6 km，垂直海岸方向可以有效覆蓋潮間帶范圍。2015 年3 月Argus 監(jiān)測站開始運行，每半個小時采集一次瞬時圖像和時均圖像，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸回青島海洋地質(zhì)研究所，計算機同時將數(shù)據(jù)備份存儲至現(xiàn)場的磁盤陣列。為更好地觀察研究區(qū)海洋動力變化，項目組還保留了個別時段的10 分鐘采樣期間內(nèi)2 Hz 采集的所有幀瞬時影像數(shù)據(jù)。

在研究區(qū)布設6 條長期海灘地形監(jiān)測剖面（P01—P06，圖1），剖面間距約1 km；在Argus 監(jiān)測站附近另外布設4 條加密監(jiān)測海灘剖面（Pj1—Pj4，圖1），剖面間距約250 m。2015—2016 年春夏秋冬四個季節(jié)開展海灘剖面地形重復測量，2017—2018年開展夏季和冬季剖面監(jiān)測，在臺風和強氣旋影響海岸時，增加海岸剖面變化監(jiān)測。

2 數(shù)據(jù)材料與臺風概況

2.1 數(shù)據(jù)材料

圖 1 研究區(qū)位置和岸灘監(jiān)測系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 Location map showing the monitoring system of Nanhai beach of Wendeng, Shandong province

Argus 系統(tǒng)采集的圖像數(shù)據(jù)包括瞬時圖像（snap shot image）和時均圖像（time exposure image，簡寫timex image）[16]，每半小時采集一次。瞬時圖像為某一時刻海岸帶的瞬時狀態(tài)。時均圖像是采集區(qū)的每個圖像點在10 min 采樣期間以2 Hz 采集的所有幀的數(shù)學時間平均值。呈現(xiàn)在時均圖像中的陸上非移動物體不變，波浪等移動特征被平均化的特點，沿岸白色的破碎波被平均形成白色的平滑區(qū)域，這些區(qū)域也可用于判斷海底沙壩的位置和形態(tài)，或者沿岸裂流區(qū)域位置等[17-19]。通過提取時均圖像的相關(guān)信息可以分析海岸線及海灘地形地貌變化。本文分析了2018 年14 號臺風“摩羯”影響期間的Argus 系統(tǒng)采集的圖像資料，反映海灘地貌和岸線對臺風的響應特征。

臺風“摩羯”到來前（2018 年8 月12 日）和過境后（2018 年8 月15 日）使用RTK-GPS 對10 條監(jiān)測剖面進行重復測量，進行灘面變化對比。測量工作均在低潮時進行，盡可能覆蓋最大海灘寬度。同時，在每個海灘剖面的高、中、低3 個部位分別采集表層沉積物樣品，在實驗室采用篩析法和激光粒度儀進行粒度分析，顆粒等級分類采用尤登-溫德華粒級標準，粒度參數(shù)采用?？撕臀值铝６葏?shù)公式計算[20]。

2.2 臺風概況

2018 年 第14號臺風“摩羯” （Yagi， 編號“1814”）于8 月8 日生成，強度等級為熱帶風暴，中心附近最大風力8 級（18 m/s）。2018 年8 月12 日23 時35 分前后，“摩羯”臺風中心在浙江溫嶺沿海登陸，登陸時中心附近最大風力10 級（28 m/s）。橫掃浙江和安徽之后，2018 年8 月14 日凌晨，“摩羯”由菏澤地區(qū)進入山東省境內(nèi)。由于正值天文大潮，受其影響，東海和黃海沿岸普遍發(fā)生風暴潮災害，8 月13 日下午至8 月14 日上午，文登沿海普降大到暴雨，引發(fā)的風暴潮增水可達30～70 cm，浪高2.5～3.8 m，并伴有6—7 級東南向大風。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 Argus 監(jiān)測圖像反映的臺風前后岸線及海灘變化

Argus 數(shù)據(jù)提取的海岸線有兩類，一類是以海灘后濱陡坎或草邊線、垃圾線為代表的長期相對穩(wěn)定的岸線位置，一類是海水和陸地的瞬時交界面，即水邊線，具有明顯的短期變異性，受波浪、潮汐、海灘地形變化等影響[21]。為反映臺風期間大浪和風暴潮增水對海灘變化影響的過程，本文采用瞬時水邊線作為岸線開展對比研究。

對Argus 數(shù)字影像數(shù)據(jù)進行水邊線自動提取[22]，靠近監(jiān)測站附近的岸段位置誤差約為0.5 m[23]，遠離測站誤差逐漸增大，但不影響變化趨勢分析。為更好地分析臺風期間短期海岸線的變化，我們選擇C1 鏡頭8 月10—17 日白天最高潮位的時均圖像進行岸線位置提?。▓D2a），盡可能減少潮差的影響，結(jié)果如圖2b 所示，圖中以鏡頭中心位置為圖像坐標原點，平行于海岸方向為X 軸，向南為正，以垂直于海岸方向為Y 軸，向東為正。8 月12 日、13 日（農(nóng)歷七月初二、初三）為天文大潮期，潮位達到最高值，岸線受潮位上升影響，向岸遷移。而8 月14 日，受臺風“摩羯”的風暴增水和大浪的共同影響，岸線向陸后退速度迅速增大，最大后退距離可達到16～26 m。

圖 2 臺風“摩羯”前后岸線位置變化圖Fig.2 Change of shoreline before and after Typhoon “Yagi”

圖 3 臺風“摩羯”影響期間海灘每日時均圖像變化Fig.3 Images at 10:00 am during typhoon “Yagi”

Argus 圖像很好地記錄了臺風期間研究海岸波浪和岸灘地形的變化特征。圖3 展示了8 月12—18 日一周時間里每天上午6 點監(jiān)測區(qū)的時均圖像，圖像為2 個鏡頭（5 號和6 號攝像頭）圖像的合并區(qū)域，位于監(jiān)測站的東部，距監(jiān)測站100～300 m。8 月12 日臺風前，波浪弱、破波帶窄；臺風期間（8 月13—15 日），波浪明顯加大，波浪在較大水深處開始破碎，破波帶明顯加寬；8 月16—18 日臺風后，波浪減緩、破波帶寬度減小。

海灘地形地貌變化也十分顯著。臺風前岸灘水下地形平緩，波浪破碎均勻；臺風期間波浪破碎不均勻，岸灘受到強浪作用，在高水位線處形成明顯的侵蝕陡坎；臺風過后，在海灘上留下典型的波狀韻律地形，海灘上部侵蝕陡坎明顯。

3.2 臺風前后海灘實測剖面變化

臺風前后開展了岸灘剖面的RTK-GPS 地形重復測量，繪制了兩次測量的岸灘地形剖面，分析海灘地形變化及其對臺風波浪和增水的響應。P01—P06 六個剖面整體上呈現(xiàn)上部侵蝕、下部堆積的趨勢，岸灘陡坎蝕退顯著，灘肩以上的后濱略有堆積（圖4）。海岸侵蝕的情況與海灘坡度密切相關(guān)，P01、P03 和P06 剖面坡度較陡，侵蝕較嚴重，剖面最大的高程變化分別為1.2、0.8、1.3 m，最大蝕退寬度分別為6.8、8.1 和16.3 m。P02、P04 和P05 剖面坡度較緩，侵蝕幅度較小，剖面最大高程變化分別為0.5、0.6 和0.5 m，最大蝕退寬度分別為5.4、6.1、3.6 m。其中P06 剖面坡度最陡，侵蝕最為明顯，灘肩陡坎后退12 m。這與波浪在不同坡度的海灘的能量耗散相關(guān)。坡度較為平緩的海灘為耗散型海灘，波浪在海灘下部破碎，波能傳播過程耗散大，海灘上部侵蝕能量?。欢露榷傅暮榉瓷湫秃?，波能在海灘上部破碎耗散，破波回流產(chǎn)生明顯的侵蝕，海灘上部侵蝕幅度大。在靠近Argus 監(jiān)測站的4 個加密監(jiān)測剖面（Pj1—Pj4）坡度較陡，發(fā)育侵蝕陡坎，表現(xiàn)為海灘剖面和陡坎一致的侵蝕后退現(xiàn)象（圖5）。

多數(shù)海灘剖面的侵蝕和堆積臨界點發(fā)生在平均海平面和海岸的交界線位置（剖面高程2.2 m處），侵蝕上界臨界點基本在灘肩處，而堆積臨界點超出了本次測量的灘面范圍。根據(jù)兩次剖面測量數(shù)據(jù)計算了各個剖面不同部位的單寬蝕積量（表1），計算結(jié)果顯示，單寬蝕積量收支不均衡，說明上部灘面侵蝕下來的沉積物垂直海岸向海搬運超出了剖面測量的范圍，在海域的更深處還有分配。根據(jù)海灘均衡剖面理論，波浪影響的泥沙搬運外界應為封閉水深，即7～10 m 水深左右，臺風大浪期間的影響范圍可能更遠。

3.3 臺風前后岸灘沉積物變化

岸灘表層沉積物的粒度特征顯示臺風前后發(fā)生明顯變化，總體上沉積物平均粒徑變細、分選變好，中細砂組分顯著增加（表2，圖4）。臺風前，海灘上部粒度組分主要以中砂為主，臺風后中砂含量平均值增加10%，而粗砂含量平均值減少5%，分選變好。海灘中部粒度組分以細砂為主，臺風后中灘沉積物粗砂和中砂含量都有略微減少（＜5%），細砂含量增加，平均粒徑變小，分選更好。低灘沉積物含量變化比較顯著，中砂含量平均值增加12%，粗砂含量減少，細砂含量基本不變，平均粒徑變小，分選更好。

圖 4 臺風前后海灘剖面地形及沉積物粒度頻率變化注：粒度曲線橫坐標為Φ 值粒徑，縱坐標為頻率百分數(shù)。藍線表示臺風前，紅線表示臺風后。Fig.4 Changes of beach topography and sediment grain size frequency before and after typhoon “Yagi”Note: The red line indicates grain size before the typhoon and the blue line indicates that after the typhoon.

從各剖面沉積物粒度頻率曲線來看（圖4），海灘上部取樣點沉積物分選變化差異較大，P03、P04 剖面出現(xiàn)雙峰，沉積物分選變差，其他幾個剖面則顯示分選變好、粒度細化的趨勢；海灘中部取樣點則總體為沉積物粒徑變小、整體變細，粒徑分布更加集中，分選變好的趨勢；海灘下部取樣點總體上表現(xiàn)為分選變好、中值粒徑粗化的趨勢，盡管統(tǒng)計的平均粒徑變細（表2）。

4 海灘對臺風的響應

4.1 海灘剖面對臺風的響應分析

研究區(qū)為砂質(zhì)夷平海岸，灘面上部坡度較大具有反射性灘面特征，灘面下部寬闊平緩具有消散性灘面特征，臺風期間在風暴浪和風暴增水影響下岸線急劇后退，整體海灘剖面呈現(xiàn)上部侵蝕、下部淤積的現(xiàn)象，海灘坡度越大，侵蝕越嚴重。

圖 5 加密區(qū)臺風前后各岸灘剖面地形對比Fig.5 Topographic variation of beach profile near an Argus station before and after typhoon “Yagi”

表1 臺風前后海灘剖面特征變化Table 1 Characteristics of beach profile before and after typhoon

臺風“摩羯”影響期間，波浪由平均值不到1 m驟增至2.5～3.8 m，風暴增水和天文大潮疊加，水位抬升，波浪可以到達平均海況下難以波及的海灘上部（圖6），大浪直接打擊岸灘，海灘物質(zhì)被強勁的垂直波生環(huán)流或侵蝕性裂流攜帶至灘面下部較遠處，從而導致了從灘肩到平均海面的上灘面在大浪期間嚴重侵蝕，而平均海面以下的下灘面則以堆積為主。在臺風增水的影響下，暴風浪在灘面上部破碎后形成的上沖流可能產(chǎn)生越頂沖越現(xiàn)象，上沖流挾帶泥沙越過灘肩到達后濱，由于水流下滲和能量耗散，沖越的上沖流無法形成回流，攜帶的沉積物在后濱滯留，這是我們在海灘監(jiān)測剖面上發(fā)現(xiàn)的后濱發(fā)生少量堆積的成因。后濱侵蝕陡坎是海灘侵蝕的地貌標志，形成于之前的臺風或較大的波浪下，在本次風暴浪影響下，后濱陡坎不斷地被侵蝕后退，直到風暴浪波及不到而保持相對穩(wěn)定的位置。

表2 臺風前后海灘剖面粒度參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics on grain size parameters on beach profiles before and after the typhoon

圖 6 臺風期間Argus 瞬時圖像反應的強浪作用（Pj4 剖面附近）Fig.6 Argus snap image showing the strong wave effect during typhoon

受到人為活動擾動的海灘剖面的變化情況更為復雜。P01 剖面位于南海旅游海灘的中部，是文登南海沙雕節(jié)的舉辦場地，每逢夏季，通過挖掘機將海灘中下部的海灘沙搬運到海灘上部和后濱地帶，堆建沙雕（圖7）。由于人為調(diào)整海灘剖面，導致海灘上部的灘面坡度明顯變陡，坡度可達10°（圖4，P01）。Pj1—Pj4 剖面位于監(jiān)測站附近，后濱建有賓館和其他海灘旅游設施，為維護這些設施的穩(wěn)定，建有防浪墻或人為定期從潮間帶推沙堆高海灘，保持海灘后部不受海水的影響，這樣海灘上部的坡度明顯變陡，為8°～11°，同時人為擾動改變了沙灘沉積結(jié)構(gòu)，變得更為松散，相較于自然堆積的沙灘易于遭受侵蝕，在臺風期間發(fā)生明顯蝕退，高灘部分也處于侵蝕狀態(tài)。

圖 7 P01 剖面的人為活動擾動情況Fig.7 Impact of human activity on the beach near profile P01

4.2 沉積物對臺風的響應特征分析

在臺風影響下，岸灘沉積物粒度總體變細，分選更好，中砂含量增加，呈近對稱和中等峰態(tài)。在強烈的波浪作用下，粗顆粒組分被攜帶至海灘最高處，波能消耗減弱后，粗顆粒組分無法回到海域參與海灘過程，同時，細砂組分在強的波浪回流作用下，被帶向更深的海域，海灘的中下部細砂組分沒有增加，中砂組分相對增高。

臺風、風暴潮等極端天氣引發(fā)的風浪作用及突然性的增水破壞性大，對海灘沉積物產(chǎn)生強烈影響。臺風形成的高能環(huán)境對沉積物的擾動和搬運作用，使沉積物組分較常浪有很大不同，臺風引起的風暴浪、離岸流可以將灘脊和潮間帶上部的粗顆粒物質(zhì)帶走，同時波浪掀起水深較大的海底殘留沙，泥沙顆粒在海灘剖面上進行重新分配。粗顆?；蚣氼w粒物質(zhì)被帶到海灘后濱或深水區(qū)，而中砂組分則更多地參與破波帶動力沉積過程，風暴浪的反復沖刷可以使粒度分布更加集中，呈現(xiàn)分選更好的特點。粗顆粒組分在后濱的滯留，使得后濱沉積物出現(xiàn)粒度分布曲線的雙峰現(xiàn)象，有可能這一現(xiàn)象在較深水域的風暴后沉積物粒度特征中也有呈現(xiàn)，但是由于調(diào)查工作未在深水區(qū)取樣，因此未經(jīng)驗證。

4.3 海灘韻律地形成因討論

在研究區(qū)內(nèi)，臺風主過程過后，海灘出現(xiàn)了韻律特征地形—灘角的現(xiàn)象。灘角在15 日夜間的大浪過程中形成，灘角間距10～20 m。關(guān)于灘角現(xiàn)象的成因已有很多假說，目前駐立邊緣波假說和自組織機制假說是研究者較為認同的兩種解釋灘角成因的假說。駐立邊緣波假說認為，駐立邊緣波是在相對平直的海岸、基本垂直海岸仍有較小交角的入射波在岸邊形成的邊緣波，由于能量難以耗散，被困在傾斜的海岸上，從而引起波浪上沖流在沿岸方向上有規(guī)律地變化，導致沿海岸的泥沙輸移梯度變化，進而產(chǎn)生了韻律性地貌[24]。自組織機制假說認為，灘角是波、流、泥沙及地形之間的耦合作用形成[25]。

通過視頻圖像（圖8）的觀察，在風浪還未較大時，不完全平行于海岸的入射波疊加邊緣波，加之些許地形的影響使波浪不斷在沿岸方向規(guī)律變化。14 日大浪后有些許地形變化，但變化不明顯。而在15 日傍晚臺風期間大風浪作用后，16 日上午出現(xiàn)了明顯的韻律地形，高潮線附近出現(xiàn)明顯的地形起伏。可以推測，在臺風期間波浪強度加大，邊緣波效應增強，能量被困在破波帶，引起顯著的地形效應。較高波浪能量，使研究區(qū)海岸迅速產(chǎn)生了不同程度的侵蝕和堆積，其中邊緣波波谷處向下的能量匯聚效應大，當海浪沖過灘面時，沉積物被強化的回流帶回大海造成侵蝕，形成灘角的凹部。邊緣波波節(jié)處能量小，回流侵蝕作用相對較小，泥沙沉積在上灘面上形成尖角并形成灘角的凸部[26]，波浪的反復沖刷堆積，灘角地貌逐漸形成。由于缺少更多深入分析，研究區(qū)灘角出現(xiàn)的成因還需進一步研究。

圖 8 C5 鏡頭不同時段視頻圖像Fig.8 C5 video images at different time

5 結(jié)論

（1）在臺風的大浪波動力影響下，文登南海海岸剖面整體遭受侵蝕，形成高0.8～1.0 m 的沙丘陡坎，岸線后退。海灘剖面整體呈現(xiàn)上部侵蝕、下部淤積的特點，且海灘坡度越大，侵蝕越嚴重。人類對海岸的干預也對研究區(qū)域的海灘可蝕性產(chǎn)生了重要影響，人類活動密集區(qū)對臺風的響應更加劇烈。

（2）臺風后，研究區(qū)中、高灘海灘沉積物都有細化現(xiàn)象，且沉積物分選變好；低灘區(qū)沉積物有粗化現(xiàn)象，分選變差。受波浪和潮汐的耦合作用，研究區(qū)中灘沉積物大部分被帶到低灘，少部分被帶至高灘。同時在多動力影響下，高灘沉積物出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。

（3）通過Argus 數(shù)字影像數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)臺風期間波浪條件主導海岸線響應，且臺風過程中地形地貌發(fā)生顯著變化。在風暴浪作用下，岸灘剖面侵蝕嚴重，地形結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，發(fā)育韻律特征地形——灘角。