海南博鰲海域沖淤災害地質及其環境穩定性分析

張 亮，汪亞平，崔振昂，薛 峭

0 引言

海岸沖淤變化發生極為普遍，對海岸會造成一定的影響，尤其是海岸侵蝕易對沿海經濟造成較大損失(豐愛平等，2003)。因此，海岸沖淤變化已從單純的自然變異過程上升為一種災害現象。更為嚴重的是，海岸沖淤常與沿海臺風、風暴潮和地面下沉等災害疊加發生，使災情加劇。海岸的變遷直接導致岸帶植被的破壞、水土流失，也帶來了海洋生態系統的變化。另外，海灣是極為曲折的海岸，是海洋伸入陸地較深、入口寬度較小的水域，為多種自然資源(如水道、港口和海灘等)的復合區。由于容易受到自然因素和人類活動的頻繁影響，海灣經常會發生海水入侵和港口的侵蝕淤積等地質災害，因而海灣不僅屬于環境變化的敏感區域和生態系統的脆弱地帶(黃玲玲等，2009;劉運令等，2011)，也是目前海岸帶陸海相互作用(LOICZ)的重要研究區域。選擇海南博鰲海域作為研究對象，利用2期海圖，并結合多期遙感影像和地形圖對比，分析了博鰲海域的沖淤及海岸線變遷。根據潮汐汊道P－A關系研究和沖淤災害因素判別，進行口門穩定性評價，分析了博鰲港的沖淤災害和環境穩定性。

1 研究區概況

博鰲港位于南海西北部的海南島東海岸，萬泉河入海口，是一個潮汐汊道型海灣(圖1)(張亮等，2011)。其南側有沙美內海，接龍滾河和九曲江2條河流匯入。水文觀測表明，博鰲港枯水期流速小，懸沙體積質量低，但在風暴潮、豐水期和洪水期，沉積物活動性得到加強(陳妙紅等，2002)。萬泉河的現出口礁石累布，口門南側的玉帶灘是一戟狀沙嘴，為分隔近岸海域的砂質海灘向北延伸的末梢(高建華等，2002)。博鰲港海岸多為平直高大的沙壩，屬典型的沙壩—潟湖—潮汐汊道地貌，是一個快速變化的系統。玉帶灘南港村北端的形成時間約為200 a，19世紀前的萬泉河口還是個開敞海灣，當時玉帶灘沙壩的北端在今南港村附近。19世紀開始，玉帶灘不斷向北生長，達到現在的位置和規模(葛晨東等，2003)。根據GSTA模型和輸沙率計算(高建華等，2002;張振克，2003;張亮等，2011)，將玉帶灘分為3部分，北部侵蝕、中部淤積和南部穩定。根據地物侵蝕情況統計，局部侵蝕后退速率＞3.5 m/a(張振克，2003;陳吉余等，2010)。

圖1 海南博鰲港海域示意圖Fig.1 Sketch of the Boao sea area in Hainan Province

2 數據與方法

2.1 底床沖淤演化分析數據來源及方法

沖淤變化分析是以1∶5萬的1962年海圖和1∶1萬的1985年海圖(分別為海軍司令部航海保證部1965年和2001年出版)來獲取不同時期的水深數據，使用 ArcGIS 9.3，通過建立數字高程模型(DEM)的方式進行。基本過程如下：首先對2期海圖的平面坐標系進行改正，統一轉換為UTM投影，并統一轉換為理論深度基準面;數字化后提取水深點，通過Spline插值方法生成博鰲港海底DEM模型，空間插值的像元大小為30 m×30 m;導入此2期(年)海圖數據生成的DEM模型進行相減，從而得到沖淤變化的DEM模型;最后對結果進行統計分析，得到海底底床的沖淤變化情況。

2.2 海岸線變遷分析數據來源及方法

海岸線變遷主要利用遙感數據解譯分析。根據海岸地物光譜特征，利用計算機通過地理信息系統和解譯遙感數據的方法，對衛星遙感影像成像數據進行分析處理，最終獲得海岸帶信息。選取不同時期的TM(分辨率30 m)遙感影像圖進行增強處理，并選取水陸界線分明的4、5波段進行合成，采用多年平均大潮高潮線作為岸線，通過目視解譯確定岸線所在位置并進行數字化，從而獲得1990年、2000年、2010年的岸線數據。

根據不同時相遙感資料解譯的海岸線數據，應用端點速率法計算海岸線變遷速率，即：海岸線某點處2個歷史岸線位置移動的距離與其對應時間差的比值定義為端點速率(End Point Rate，EPR)。其數學表達式為：

式(1)中，D1和D2分別為時間T1和T2的岸線位置數據，即參與計算的歷史岸線中時間跨度最大的2個岸線位置數據。

2.3 潮汐汊道一維連續方程與P－A關系

潮汐汊道中的流量等于水位上升的時間速率乘以海灣面積，潮汐汊道的一維連續方程可表達為(王御華等，2004)：

式(2)中，a為水道橫剖面面積;V為水道流速;Ab為海灣面積;H1為水道海灣一端的水位;t為時間。

劉運令等(2011)在研究膠州灣地質環境穩定性中，根據 O'Brien(1931)提出的P－A關系形式(式3)，在理想狀態下引入Vm潮流振幅，然后又考慮海灣與口門的阻力影響得到：

式(3)、(4)、(5)中，A為潮汐汊道口門斷面面積;P為納潮量;T為潮周期;C為常數;γ為等效摩阻系數，一般小于1。因為海灣與口門阻力影響，潮汐汊道P－A關系的C值相應減小，需要比式中P－A關系的理想潮流振幅Vm更高的口門實際潮流振幅Vr來維持系統的均衡狀態，其能量消耗的大部分被用于驅動沉積物運動，調整口門地貌配置。若將等效摩阻系數γ定義為口門穩定性參數：

因此，γ值越小，阻力影響越大，口門相對不穩定;γ值越接近1，阻力影響越小，口門相對穩定。

3 結果

3.1 博鰲海域海岸線變遷

為了直觀地顯現博鰲港海域岸線由陸向海的變化趨勢，采用博鰲港1962年海圖岸線、1990年、2000年、2010年的Landsat 5 TM影像，提取了不同時期的博鰲海域海岸線(圖2)，利用端點速率法計算岸線演變速率。由圖2和表1可見，萬泉河口門北側1962—1990年呈現淤積，之后一直受侵蝕，侵蝕后退速率逐漸降低;口門呈現單口門和雙口門交替變化狀態，當束窄后被洪水或者風暴潮、波浪沖開，形成雙口門，加之沿岸懸沙的變化，潮流和風浪作用，斷面寬度處于不斷調整中，目前是增大趨勢;玉帶灘北端末梢擺動，近50年來持續侵蝕后退，并且末梢向北東方向伸長;玉帶灘中部表現為微淤積和侵蝕的狀態，近于穩定平衡態。中部1962—1990年處于穩定狀態，1990—2000年處于侵蝕狀態，2000年以后，基本上處于淤積－穩定狀態。

圖2 1962—2010年博鰲港海岸線變化Fig.2 Changes of coastline in Boao Harbor between 1962 and 2010

表1 博鰲港海域岸線變遷統計Table 1 Statistics of coastline changes in Boao Harbor

3.2 底床沖淤變化

沉積速率可作為近海海底沖淤強度劃分的重要依據，反映在區域自然因素和人類活動的影響下入海泥沙量和排出量之間的動態平衡被破壞和新平衡建立的復雜過程。據前人的210Pb測年資料，博鰲港沙美內海內百年尺度的沉積速率量級為10－3m/a。

2期海圖的地形對比分析表明(圖3)，博鰲港外海區域主要以淤積為主，年淤積量約0.1 m，局部海域能達到0.3 m/a;此外還有部分海域處于侵蝕狀態，25年間侵蝕總量小于1 m，是淤積量的1/2。在萬泉河口門處和玉帶灘東側海域，以侵蝕為主，其中口門處為侵蝕劇烈變化區，水下深度侵蝕變化在1～2 m之間，極個別區域達到2～3 m;玉帶灘南港村以北都處于侵蝕狀態，河口北側沙嘴侵蝕速率略低，侵蝕變化速率為0.05 m/a，南部逐漸增加至0.05～0.10 m/a;南港村附近最高，可達到0.15 m/a，但在岸外300 m左右處有1個淤積中心，該岸段出現上沖下淤的現象。在萬泉河河道內，邊溪沙西側和東嶼島東側主要是侵蝕為主，其中東嶼島東側侵蝕部分區域侵蝕較為嚴重，25年間的侵蝕深度達1～2 m。在東嶼島西側和邊溪沙東側，侵蝕與淤積間隔分布，變化不大，年變化率在－0.05～0.15 m之間。在沙美內海口門處，主要是以侵蝕為主，最高可達到2～3 m之多。

根據1976年、1985年和1990年3個時段水下地形圖的2，5 m等深線對比(王寶燦等，2006)，玉帶灘東部海域這3條等深線均趨向于侵蝕內移，其中以2 m等深線的侵蝕幅度最大，口門處2，5 m等深線處于淤積外移趨勢。

圖3 博鰲港海域1962—1985年沖淤變化Fig.3 Erosion and deposition of seafloor at Boao Harbor between 1962 and 1985

3.3 潮汐汊道穩定性分析

采用上述方法，根據實測資料，確定了口門穩定性參數(γ)與各口門斷面面積(A)的需求(表2)，γ值為0.35，表明博鰲港口門處于不穩定狀態。

表2 博鰲港口門斷面的P-A-γ關系Table 2 Relationship among tidal prism，cross-sectional area and equ-coefficient of friction at the cross section of Boao Harbor

根據對海南東海岸沿岸潮汐汊道的統計(陳國強等，2004)，博鰲灣P－A關系為：

式(7)中統計的n值為1.14。n＞1，說明博鰲港屬于沿岸漂沙為主要控制因素海灣。當海灣尺度減小后，口門寬度應減小，潮流速度增加，以迅速的地貌反饋來維持系統均衡狀態。

4 討論

博鰲海域玉帶灘北段處于侵蝕狀態，主要以博鰲東岸波浪作用為主，在風浪作用下，海岸處于侵蝕狀態，侵蝕的泥沙在潮流的攜帶下，供給玉帶灘向北延伸，隨著北段末梢漂沙供給的減少而來回擺動，加之萬泉河徑流作用，萬泉河口門處于不穩定狀態。同時，近些年來，萬泉河上游興建水庫使大量的推移質泥沙被攔截(張亮等，2011)，下游主要輸送的是懸移質泥沙，使下游和河口地區遭受侵蝕。在萬泉河口門外，由于徑流攜帶泥沙在波浪和潮流頂托作用，迅速沉積下來，形成一個沉積區。沙美內海處于淤淺狀態，這是由于玉帶灘不斷向北生長，使得萬泉河出海口口門不斷束窄，受到萬泉河水的頂托，海水進入沙美內海的阻力不斷加大，動力環境減弱(葛晨東等，2003)。龍滾河和九曲江的泥沙注入，加之沿邊圍護和養殖，導致面積逐漸減小。

人類采砂活動也給岸線帶來了變化，海灘采礦加劇了海岸侵蝕。

臺風造成的風暴潮會在短時間內對海岸地貌重新塑造，近30年來在海南島東部岸段引發風暴潮、造成風暴潮災害的臺風有5次，其中尤以從博鰲登陸的7314號臺風造成的潮災為甚(梁海燕，2003)。這種突變天氣將造成大量沉積物以懸移質、底移質形式在博鰲海區快速起動和搬運。這些沉積物除一部分被帶至高潮線以上，另一部分可能被水流侵蝕帶入海里了，局地發生劇烈侵蝕－淤積變化。

5 結論

(1)底床沖淤變化顯示，外海主要以淤積為主，口門和玉帶灘東側主要以侵蝕為主;在萬泉河道內，邊溪沙西側和東嶼島東側主要以侵蝕為主，其余地區為淤積;在沙美內海口門處，主要以侵蝕為主。結合前人的研究，沙美內海處于淤積狀態。

(2)根據岸線變化分析，萬泉河口門北側處于侵蝕后退狀態;口門呈現單口門和雙口門交替變化狀態;玉帶灘北端末梢不穩定，并且末梢向北東方向伸長;玉帶灘中部表現為微淤積和侵蝕的狀態，近于穩定平衡態。

(3)口門穩定性參數γ值為0.35，表明博鰲灣口門處于不穩定狀態。

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