馮炳斌 , 王日明 , 黎樹式 黃鵠 胡寶清

1. 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室(南寧師范大學(xué)), 南寧 廣西 530000;

2. 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院(南寧師范大學(xué)) , 南寧 廣西 530000;

3. 廣西北部灣海洋災(zāi)害研究重點實驗室(北部灣大學(xué)), 欽州 廣西 535011;

4. 欽州市環(huán)境生態(tài)修復(fù)重點實驗室(北部灣大學(xué)), 欽州 廣西 535011

海灘是海岸帶最為活躍且始終處于變化狀態(tài)的地貌單元, 其剖面形態(tài)與沿岸波浪特征、泥沙補給和海灘沉積物粒度等直接相關(guān)(戴志軍 等, 2008)。然而, 因全球變暖引發(fā)的海平面上升及高強度人類活動, 當今全球超過30%的海灘處于侵蝕后退之中(Vousdoukas et al, 2020)。根據(jù)自然資源部發(fā)布的《2018 年中國海平面公報》, 我國沿海海平面亦以3.3mm·a-1的速率上升, 高于同時段全球平均水平, 這顯然將加劇對海灘潛在的侵蝕風險。因而, 通過修復(fù)海灘或人工營造海灘以防護岸灘侵蝕及緩沖海洋災(zāi)害為眾多學(xué)者和政府所關(guān)注(Benassai et al, 1997; Hanson et al, 2002; 張振克, 2002; 曹惠美 等, 2009)。國外較早就出現(xiàn)公共岸灘計劃及人工海灘工程設(shè)計(Davison et al, 1992; Hanson et al, 2002), 國內(nèi)也有不少學(xué)者對秦皇島(邱若峰 等, 2014; 楊燕雄 等, 2014; 劉建濤 等, 2018)、濰坊(周軍 等, 2014)、廈門(陳堅 等, 2002; 雷剛 等, 2013), 以及三亞(毛龍江 等, 2006; 季小梅 等, 2007)等地的海灘工程實踐進行了侵蝕及恢復(fù)方面的相關(guān)研究。研究者主要從海灘的平面和剖面設(shè)計方面開展海灘的修復(fù)和養(yǎng)護研究(Dean, 1991; Lee, 1994; 董麗紅 等, 2012; 朱嘉, 2014; 蔡鋒 等, 2019)。然而, 因?qū)嶋H海灘動力環(huán)境差別較大, 導(dǎo)致海灘修復(fù)的理論或技術(shù)缺乏普適性, 特別是針對海灘修復(fù)或養(yǎng)護后的監(jiān)測研究甚少, 這就給人工海灘設(shè)計及海灘侵蝕補灘帶來了挑戰(zhàn)。本文以國內(nèi)首個中強潮、弱波浪動力環(huán)境下的人工海灘修復(fù)案例(欽州灣人工海灘)為研究對象, 通過工程后的兩年逐月高程監(jiān)測分析, 揭示其剖面動態(tài)變化過程。這可為國內(nèi)類似環(huán)境的人工海灘養(yǎng)護及海灘管理與開發(fā)提供理論支撐。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域

欽州灣位于廣西北部灣海岸線中段, 其東北為欽江平原, 東南為犀牛角平原, 兩平原岸線及西部與西北部的臺地、丘陵岸線圍成形似“葫蘆”的灣域(圖1)。沙井半島人工沙灘所在“葫蘆”的內(nèi)部區(qū)稱茅尾海, 向南至灣口長13km, 灣域?qū)?km。茅尾海北 部臨近欽州市市區(qū), 有欽江、茅嶺江等中小河流匯入, 兩江攜帶的泥沙在河口區(qū)附近沉積, 形成大片淺灘。欽州灣茅尾海沙井島海灘的修復(fù)工程是茅尾海綜合整治一期工程的配套項目。該項目主要施工內(nèi)容是在茅尾海沙井島南岸實施海灘修復(fù), 工程填砂用量75×103m3, 建成人工沙灘長約1200m, 寬約200m。工程于2014 年4 月開工, 2016 年9 月順利完工。

研究區(qū)屬南亞熱帶季風氣候, 雨熱同期, 干濕分明(黎樹式 等, 2017)。多年平均氣溫22.1℃, 降雨量為2170mm。降雨豐富而集中, 其中5—9 月為雨季, 11 月至次年 3 月為旱季。多年平均風速為2.6m·s-1, 受冬春寒潮和夏秋臺風影響, 大風天氣較多。然而受地形和水深影響, 海灣內(nèi)普遍波能較小, 冬季多偏北風浪, 夏季多偏南和西南向浪。欽州灣屬不正規(guī)全日潮, 灣頸處多年平均潮差為2.46m(董德信 等, 2015)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用GPS-RTK(平面精度±1cm, 垂向精度±2cm)對欽州灣人工海灘的固定剖面進行測量, 剖面(陸向起點: 108°34′46′E, 21°50′19′N; 海向終點: 108°34′45′E, 21°50′14′′N)設(shè)置長度152m, 每隔2m放樣測量(圖1c)。經(jīng)西安80 坐標控制點校驗與坐標參數(shù)轉(zhuǎn)換后, 將測量高程由大地橢球高訂正至1985黃海高程, 獲取了區(qū)域2018 年1 月—2019 年12 月兩年內(nèi)的逐月剖面高程實測數(shù)據(jù)。觀測期間恰逢2018 年9 月的1822 號和2019 年8 月的1907 號臺風過境, 故在臺風發(fā)生月各加測了1 次, 用以表示臺風前、后的剖面形態(tài), 最后共采集到26 期數(shù)據(jù)。將26 期剖面高程數(shù)據(jù)按照所屬季度及年份平均求取相應(yīng)的季節(jié)剖面和年際剖面。區(qū)域氣象和潮汐數(shù)據(jù)來源于溫室數(shù)據(jù)共享平臺(http://data.sheshiyuanyi. com/)和中國海洋信息網(wǎng)(http://www.nmdis.org.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 潮帶劃分與單寬體積計算

根據(jù)大、小潮的平均潮高來劃分潮帶, 通過建立當?shù)亍邦A(yù)報潮高”與“實測高程”(1985 黃海高程, 下同)兩個基準面換算, 準確劃分潮帶范圍。結(jié)合2018—2019 年龍門站潮位預(yù)報數(shù)據(jù), 根據(jù)平均大、小潮的高、低水位線, 確定潮上帶、高潮帶及中潮帶的范圍, 再將高、中潮帶內(nèi)部等分劃分, 從而一共劃分出潮上帶(WB)、高高潮帶(HH)、高中潮帶(HM)、中高潮帶(MH)、中中潮帶(MM)和中低潮帶(ML)等6個人工海灘剖面分帶(圖2)。低潮區(qū)由于監(jiān)測難以實施, 且底質(zhì)為淤泥質(zhì), 不利于開展濱海旅游活動, 故未將低潮區(qū)列入分析。計算剖面單寬體積時, 將人工海灘所測剖面的自陸向海最遠點灘位的水平高度作為直角邊, 并計算直角梯形的體積, 從而求得測量剖面2018—2019 年季度及月際的單寬體積序列。

1.3.2 沖淤過程與泥沙輸移的EOF 解析

經(jīng)驗正交函數(shù)分析方法(Empirical Orthogonal Function, EOF)是一種通過分析矩陣數(shù)據(jù)隱藏的結(jié)構(gòu)特征, 以提取表征矩陣主要信息的統(tǒng)計分析方法(Dai et al, 2013)。EOF 可將一組相互關(guān)聯(lián)的變量分解為時間和空間對應(yīng)函數(shù)乘積的線性組合。這種方法展開和收斂快, 且將大量資料信息濃縮集中化, 在海灘剖面研究中已被廣泛運用(Aubrey et al, 1980; Shu et al, 1998; 戴志軍 等, 2002)。本文運用 EOF 方法分析欽州灣人工海灘剖面的時空變化特征, 進而揭示欽州灣人工海灘剖面的變化信息。

EOF 分解公式表示為:

式中:Hij表示第i天在第j個點的海灘剖面高程測量值,Tik為時間特征函數(shù),Ski為空間特征函數(shù),n為每條剖面的高程點數(shù)(本文中n=76),m為剖面數(shù)(本文中m=26)。其具體計算步驟是: 首先對剖面的高程數(shù)據(jù)進行中心化處理, 計算其空間協(xié)方差矩陣; 然后由雅克比旋轉(zhuǎn)方法得到該實對稱矩陣的特征值和特征向量; 將特征值按從大到小的順序重新排列, 并根據(jù)特征值計算模態(tài)貢獻度。EOF 的優(yōu)勢是識別一組新的統(tǒng)計自變量, 從原始數(shù)據(jù)中捕獲大部分觀察到的方差(Wei et al, 2014), 在剖面變化研究中用較少的自變量即可描述和表征原始數(shù)據(jù)的主要信息。

2 結(jié)果分析

2.1 多時間尺度的剖面沖淤變化

在觀測剖面平均高潮線以上的灘肩位置(距固定樁點橫向距離20～40m 處)存在一處寬約25m、深為0.7m 的沖刷凹槽(圖3a), 此處因受人工海灘后濱降雨匯流沖刷而槽溝發(fā)育較大。潮間帶剖面呈現(xiàn)三段式結(jié)構(gòu), 坡度自上而下為陡-緩-陡變化, 即高潮帶坡度較陡, 中高潮帶、中中潮帶坡度稍緩, 以及中低潮帶坡度稍陡(圖3b、3c)。

從年際剖面變化上看, 槽溝得到加寬而內(nèi)部侵蝕與淤積不均一, 高潮帶整體略有侵蝕, 尤其高高潮帶侵蝕較為明顯(圖4a)。整個中潮帶淤積與侵蝕并存, 中高潮帶略有侵蝕, 中中潮帶基本穩(wěn)定, 而中低潮帶則以淤積為主(圖4a)。從季度剖面變化上看, 在2018 年第三季度之后剖面的沖淤形態(tài)較之前有較大變化(圖 4b), 此外整體剖面形態(tài)出現(xiàn)“夏蝕冬淤”的規(guī)律性變化特征: 冬春季剖面為淤積狀態(tài), 夏秋季剖面為侵蝕狀態(tài)(圖4b)。從月際剖面變化來看, 常況下剖面在大多數(shù)時段變化幅度不大(圖5), 樣點的平均高程變化量小于 4cm; 而在2018 年7—9 月(圖5b、5c)及2019 年8—9 月(圖5e、5f)期間剖面的高程變化相對顯著, 樣點的平均高程變化量達到6～9cm。臺風期間(圖5b、5f)剖面上部槽溝深切且加寬, 槽溝向海方向的高程因侵蝕后退而進一步降低, “夏蝕冬淤”的月際變化也有所體現(xiàn)。

2.2 單寬體積變化

人工海灘在建成后的觀測時段內(nèi), 剖面單寬體積略有下降, 剖面橫向因泥沙輸移而導(dǎo)致其不同部位的單寬體積變化趨勢有所差異。不同潮位分帶具 有侵蝕與淤積交替出現(xiàn)的情況。從季度變化看, 不同潮帶單寬剖面體積變化趨勢顯示, 潮上帶為下降趨勢(圖6a), 高高潮帶為顯著下降趨勢(圖6b), 高中潮帶為上升趨勢(圖 6c), 中高潮帶為下降趨勢(圖6d), 中中潮帶基本穩(wěn)定(圖6e), 到中低潮帶又轉(zhuǎn)為上升趨勢(圖6f)。其中, 中中潮帶處于沖淤轉(zhuǎn)換的過渡地帶, 季度單寬體積量曲線呈現(xiàn)來回變動的規(guī)律, 線性變化趨勢極不顯著(圖6e)。

從月際變化來看, 海灘中不同潮位分帶的沖淤趨勢(圖7)與季度變化趨勢(圖6)基本一致。潮上帶干灘、高高潮帶、中高潮帶單寬體積呈現(xiàn)顯著下降趨勢。其中, 高高潮帶單寬體積下降速率最大, 達到 0.12m3·mon-1, 其侵蝕趨勢的置信度水平高達99.999%以上(圖7b)。中高潮帶、中低潮帶則呈現(xiàn)淤積態(tài)勢, 中低潮帶單寬體積上升趨勢通過99.99%的顯著性水平檢驗, 平均增加0.08m3·mon-1(圖7f)。常況下, 剖面高潮帶和中潮帶上部單寬體積增加而潮帶下部單寬體積減小。海灘剖面經(jīng)歷強降雨和臺風事件, 可導(dǎo)致不同潮位分帶的單寬體積快速變化。2018 年9 月10—20 日期間因受到強降雨和臺風“山竹”影響, 高中潮帶(圖7c)與中高潮帶(圖7d)侵蝕明顯, 剖面單寬體積減少量分別達到 1.51m3和1.58m3。2019 年8 月臺風“韋帕”導(dǎo)致剖面全段沖刷蝕退, 潮帶上部沖刷幅度大于潮帶下部, 潮上帶干灘流失的單寬體積量達5.63m3, 整個高潮帶及中高潮帶流失量也超過1.39m3, 至中中潮帶及中低潮帶流失量小于0.6m3。

2.3 高程模態(tài)時空變化特征

剖面高程經(jīng)EOF 分解, 前3 個模態(tài)累計貢獻率達到81%(表1), 可以代表剖面時空變化的主要特征, 其余模態(tài)可視為隨機過程而不再討論(戴志軍 等, 2002)。

表1 剖面高程EOF 分解后前3 個模態(tài)的貢獻度 Tab. 1 The contribution of the first three modes after the decomposition of profile height by EOF

2.3.1 第一模態(tài)時空變化特征

第一模態(tài)的空間特征系數(shù)變化峰值主要出現(xiàn)在20～40m 處沖刷槽溝和高潮帶(圖8a), 說明剖面中上部是人工海灘填沙區(qū)域變化最大的區(qū)間。剖面第一模態(tài)的時間特征系數(shù)值在2018 年7—9 月快速下降 (圖8b), 曲線快速由正值區(qū)進入負值區(qū)。2018 年8月臺風過境后, 第一模態(tài)時間特征系數(shù)幾乎一直處于負值區(qū), 表明剖面整體長時期處于侵蝕狀態(tài)并一直延續(xù)至次年。在2019 年8 月臺風經(jīng)過前, 模態(tài)的時間特征系數(shù)曲線曾短暫處于節(jié)點位置, 此時剖面沖淤平衡, 而當臺風經(jīng)過后曲線再次下降, 剖面持續(xù)性侵蝕的態(tài)勢沒有改變。當時間特征系數(shù)為負值時, 高高潮帶的泥沙顯著向高中潮帶輸移。臺風、強降雨在短時間內(nèi)使得人工海灘泥沙重新分布, 剖面侵蝕后退, 并成為海灘短期(年季尺度)演變的控制因素。第一模態(tài)的總方差貢獻率為56.78%, 是人工海灘在觀測期間月際變化的主要模態(tài), 因此可認為剖面響應(yīng)臺風或強降雨的高程降低是海灘月際剖面演變的主要模式。

2.3.2 第二模態(tài)時空變化特征

第二模態(tài)的空間特征系數(shù)變化(圖8c)峰值主要出現(xiàn)在中低潮帶, 而全段幾乎均處于正值區(qū), 且與第一模態(tài)的空間特征系數(shù)變化(圖8a)相比, 對應(yīng)峰谷呈反向趨勢。結(jié)合第二模態(tài)的時間特征系數(shù)變化(圖8d)來看, 在兩年觀測期內(nèi)臺風發(fā)生月份具有高負值, 臺風發(fā)生后迅速轉(zhuǎn)為高正值, 剖面即由侵蝕轉(zhuǎn)為淤積。因此, 第二模態(tài)主要反映的是剖面經(jīng)過臺風后的淤積過程。當強降雨及臺風發(fā)生時, 泥沙發(fā)生離岸方向輸移, 即由潮帶上部被快速帶至潮帶下部; 而之后月際觀測可以發(fā)現(xiàn)臺風期間被侵蝕的部位逐漸淤積和恢復(fù), 泥沙發(fā)生向岸方向輸移, 即由潮帶下部被帶回至潮帶上部來補充海灘。該模態(tài)的總方差貢獻率為17.13%, 是人工海灘在本次觀測期間月際變化的次要模態(tài), 可認為剖面經(jīng)歷臺風或強降雨后逐漸淤積并恢復(fù)的過程是海灘月際剖面演變的次要模式。

2.3.3 第三模態(tài)時空變化特征

第三模態(tài)的空間特征系數(shù)變化(圖8f)極大峰值出現(xiàn)在槽溝部位。潮間帶空間特征系數(shù)變化表現(xiàn)為在沖淤平衡處反復(fù)震蕩; 中潮帶相較于高潮帶表現(xiàn)得更為活躍, 因而反映的是近岸入射波浪在海灘中潮帶附近破碎并形成卷流所引起的剖面沖淤變化特征。當模態(tài)時間系數(shù)為正數(shù)時, 中中潮帶泥沙向中低潮帶輸移; 當模態(tài)時間系數(shù)為負數(shù)時, 中低潮帶泥沙向中中潮帶輸移。該模態(tài)的總方差貢獻率為7.21%, 可認為是海灘在正常海況波潮作用下月際剖面演變的其他模式。

3 討論

3.1 強降雨和臺風的作用

欽州灣地區(qū)屬南亞熱帶季風氣候, 風能豐富, 降雨量大且集中。臺風引起的風暴增水漫灘可作用于整個海灘剖面, 并引發(fā)強烈的泥沙輸移。同時, 強降雨匯流對人工海灘的沖刷同樣不可忽視。由于欽州灣人工海灘后濱段較為寬廣, 因而極易從潮上帶開始匯集雨水并沖刷灘面。目前剖面灘肩之上已發(fā)育一條較深的槽溝, 因而在研究剖面的同時也觀測 了潮上帶的干灘地帶, 充分考慮了實地環(huán)境對人工海灘剖面已造成的和潛在的沖淤影響。

根據(jù)欽州市氣象站的數(shù)據(jù)資料, 欽州市地區(qū)年內(nèi)降雨變率大(圖9), 而風力差異不是十分顯著, 強降雨事件更易成為人工海灘剖面變化的主控因素。夏秋季節(jié)強降雨可單獨或與臺風疊加作用于人工海灘, 導(dǎo)致人工海灘夏半年的剖面變化幅度大于冬半年的剖面變化幅度。如2018 年8 月的多日降雨直接導(dǎo)致剖面高程較7 月快速蝕低; 同年9 月受1822 號 臺風“山竹”影響, 剖面高程也發(fā)生了明顯的改變(樣點最大侵蝕量0.24m, 平均侵蝕量0.04m), 剖面單寬體積減少3.50m3; 2019 年1907 號臺風“韋帕”帶來大風的同時, 一周內(nèi)累計降雨量達307mm, 剖面發(fā)生了觀測時段內(nèi)最明顯的改變(樣點最大侵蝕量0.16m, 平均侵蝕量 0.09m), 剖面單寬體積減少11.49m3。強降雨和臺風事件對人工海灘剖面動態(tài)變化的驅(qū)動是顯著的, 這在EOF 解析的高程第一模態(tài)時空變化中同樣得到反映, 強降雨與臺風事件發(fā)生的時間點與第一模態(tài)時間特征函數(shù)的高負值高度對應(yīng)。剖面在夏秋季節(jié), 尤其是第三季度的快速變化是對區(qū)域內(nèi)極端氣象事件(強降雨、臺風)的直接響應(yīng)。可見, 強降雨與臺風是驅(qū)動欽州灣人工海灘剖面發(fā)生變化的最重要的因素。

3.2 潮汐和波浪的作用

欽州灣是我國典型的全日潮海區(qū), 平均大潮潮差約為3.70m, 屬于中強潮海域。灣內(nèi)(茅尾海)的潮流運動為典型的往復(fù)流, 且落潮流速大于漲潮流速。當潮差加大時, 由潮差引起的波浪作用基面向高潮位移動, 更易引起灘面上部侵蝕, 導(dǎo)致高高潮帶侵蝕明顯。由于夏半年人工海灘的月際平均潮位和平均高潮潮位要高于冬半年(圖10), 是除強降雨與臺風外導(dǎo)致剖面“夏蝕冬淤”的另一重要原因。

同時, 盡管欽州灣茅尾海的波浪為季節(jié)性波浪, 但其平均波高在0.2m 以下, 屬于典型的弱波能環(huán)境, 這就導(dǎo)致了波浪作用在人工海灘影響中貢獻較小。而海域內(nèi)大浪出現(xiàn)頻率也較低, 僅在風暴期間出現(xiàn), 如觀測期間出現(xiàn)的兩個臺風, 雖導(dǎo)致剖面分帶中的高中潮帶和中高潮帶的泥沙顯著發(fā)生離岸輸移, 但與其他區(qū)域的海灘研究相比(Otvos, 2004; 郭俊麗 等, 2018), 欽州灣人工海灘響應(yīng)臺風事件的剖面變化強度不大。常況下的欽州灣人工海灘波流作用較弱, 使得泥沙輸移距離也相應(yīng)較短, 泥沙僅在高潮帶和中潮帶內(nèi)的上部向下部發(fā)生短距離轉(zhuǎn)移, 這體現(xiàn)在相鄰潮帶單寬體積量增長與減小的交替出現(xiàn)。而在EOF 解析的剖面高程第二模態(tài)時間特征系數(shù)變 化中, 同樣出現(xiàn)了周期約為半年的周期性變化, 這與平均潮汐的高度轉(zhuǎn)換時間基本一致。剖面高程第三模態(tài)的空間特征系數(shù)變化幅度較小, 更多地反映了欽州灣人工海灘弱波浪的卷流沖淤變化。由此來看, 人工海灘的沖淤變化強度主要是潮位控制的, 即常況下人工海灘受潮汐作用相對較強而受波浪作用相對較弱, 這在海岸后濱段發(fā)育的穩(wěn)定鹽沼植被帶中也可體現(xiàn)出來。

3.3 人工海灘剖面的調(diào)整與趨穩(wěn)

人工海灘的修復(fù)改變了近岸水動力-沉積-地貌系統(tǒng), 新形成的人工海灘會進一步對海洋波流及岸段環(huán)境作出不同的響應(yīng)。自2016 年完工至本研究觀測結(jié)束, 欽州灣人工海灘均未實施補沙養(yǎng)護工程, 這為本研究探究弱波浪環(huán)境下人工海灘的剖面變化過程提供了良好條件。從剖面沖淤幅度、單寬體積變化及剖面高程第一模態(tài)時間特征系數(shù)變化來看, 剖面在2018 年第三季度均出現(xiàn)快速蝕退的剖面重塑現(xiàn)象, 為2 年觀測時間內(nèi)的顯著變化。剖面經(jīng)過2018 年第三季度的調(diào)整后, 剖面坡度逐漸平緩, 與波浪和泥沙趨向適應(yīng)。除2019 年8 月受強降雨與臺風影響外, 之后再無出現(xiàn)劇烈的變動。有研究表明, 人工海灘經(jīng)過拋沙和調(diào)整期后, 新灘處于穩(wěn)定期的壽命約為5～10a(Dean et al, 1994)。由于欽州灣人工海灘的工程拋沙坡度較緩, 這在一定程度上縮短了人工海灘剖面的調(diào)整周期, 未來人工海灘的剖面變化特征經(jīng)調(diào)整期后將與波潮流作用及岸段沉積-地貌環(huán)境相適應(yīng)。

4 結(jié)論

本文通過人工海灘剖面形態(tài)分析、潮帶劃分、剖面單寬體積計算, 以及高程時空模態(tài)變化特征的EOF 解析等方法, 綜合分析了欽州灣人工海灘工程后的剖面動態(tài)變化過程, 得到以下結(jié)論:

1) 人工海灘剖面在潮上帶發(fā)育了一處下凹槽溝, 剖面在正常海況下沖淤幅度不大, 但在夏秋季易發(fā)生明顯侵蝕, 具有“夏蝕冬淤”的變化特征。

2) 人工海灘剖面因泥沙橫向輸移不同而導(dǎo)致其不同部位的單寬沙量變化趨勢有差異, 泥沙主要在高潮帶和中潮帶發(fā)生潮帶間內(nèi)的短距離輸移。

3) 強降雨、臺風對人工海灘剖面變化作用較為顯著, 是弱波浪人工海灘剖面發(fā)生侵蝕的主要驅(qū)動力; 常態(tài)下的波流作用是引起人工海灘剖面變化的次要驅(qū)動作用。