廣西北海潿洲島典型岸灘剖面短期沖淤變化特征

張 鑫, 李 萍, 楊奇錚, 姚子恒, 楊慶樂, 徐元芹

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廣西北海潿洲島典型岸灘剖面短期沖淤變化特征

張 鑫1, 2, 李 萍2, 楊奇錚2, 姚子恒2, 楊慶樂2, 徐元芹2

(1. 南京大學 地理與海洋科學學院, 江蘇 南京 210046; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

基于潿洲島2012年12月、2013年7月和2013年12月砂質岸灘剖面高程數據以及沉積物粒度數據, 作者分析了2012~2013年潿洲島砂質海岸短期沖淤變化。結果表明: (1)2012年12月~2013年7月, 在熱帶風暴的影響下, 潿洲島大部分岸灘發生侵蝕現象, 侵蝕最嚴重部位一般在中灘; (2)2012年12月~2013年12月, 侵蝕岸段主要在東南部、西南部和西北部低灘, 淤積岸段主要在北部、西北部高中灘; (3)根據沉積物顆粒平均粒徑分析結果, 一般高灘沉積物較低灘粗, 說明水動力環境高灘相對較強, 各岸段沉積物顆粒變化基本與岸灘剖面沖淤變化相一致。短時期內, 影響潿洲島岸灘沖淤變化的因素有波浪、潮汐、風暴潮和人類活動等。

潿洲島; 岸灘剖面; 粒度參數

砂質海灘的組成物質多為松散的粗粒沉積物, 抗沖能力差, 海灘剖面經常通過沉積物搬運、沉積等再分配過程進行沖淤調整[1]。中國砂質海岸分布較廣, 近年來, 隨著全球海平面的上升和人類的無序開發, 砂質海岸正遭受持續緩慢的破壞[2], 海灘灘面變陡、變窄、沉積物粗化等問題嚴重[3]。廣西潿洲島是北部灣國際旅游的重要節點和優先發展區, 其開發已納入國家戰略[4]。基于社會和經濟等諸方面的需求, 對潿洲島的研究不斷增加, 比如氣候變化[5]、第四紀火山巖[6]等, 但是對砂質海岸的侵蝕研究相對較少。在對潿洲島岸線進行全面調查研究的基礎上, 根據近一年的剖面監測數據和粒度變化數據對潿洲島岸灘短期的沖淤變化進行了分析。在全球范圍內海岸侵蝕不斷加劇的環境背景下, 對潿洲島這一有居民海島砂質海岸的侵蝕研究不僅對其可持續發展提供基礎資料, 也為其他島嶼的海岸侵蝕研究帶來一定借鑒價值。

1 研究區概況

潿洲島位于廣西北海市沿岸南面濱外淺灘, 是南海北部灣中最大的島嶼。島的中心地理坐標為21°0227″N、109°06′43″E, 呈橢圓形, 離岸直線距離48 km[7], 全島面積24.7 km2。其海拔高度20~40 m, 地勢南高北低, 最高點位于南部西拱手, 海拔78.6 m[8]。潿洲島南部和西部沿岸以海蝕地貌為主, 有海蝕崖、海蝕洞、海蝕柱、海蝕平臺等[9]; 北部沿岸以海積地貌和珊瑚礁地貌為主, 海成沙堤十分發育, 呈條帶狀、牛軛狀分布。島嶼是由第四紀玄武巖漿噴發時在水下堆積而形成[8]。研究區潮汐作用較強, 受季風控制, 西南向和南向風浪強大, 造成南、西部海岸的強烈侵蝕作用, 而北部和東北部波影區產生堆積作用, 從而形成潿洲島南侵北堆的地貌特征[10]。

潿洲島岸線主要有人工岸線、砂質岸線和基巖岸線3類, 其中砂質岸線比例較高。一般情況下短時間尺度內, 人工岸線和基巖岸線抵抗波浪的沖擊作用力較強, 岸線基本無變化, 而砂質海岸則表現出明顯的沖淤變化。砂質海岸主要分布在島嶼西北部、北部、東北部以及東部, 另外, 西南部、南部南灣內也有少許分布。

2 材料與方法

2.1 地形測量與樣品采集

對潿洲島進行野外考察、現場測量以及居民聚居地的走訪, 并結合前人的研究成果, 對潿洲島海岸侵蝕特征進行綜合分析, 在全島砂質海灘選取典型剖面。如圖1所示, 于2012~2013年在研究區內砂質岸灘布設6條剖面(P1、P2、P3、P4、P5、P6), 剖面垂直于海岸線, 對6個剖面進行重復測量。

剖面上限為最大高潮線, 下限一直到水下約1 m。主要監測方法為基于COS系統采用GPS-RTK技術和載波相位動態實時差分方法, 利用HiperIIG儀器, 沿剖面每隔一定的距離定點(分別在高潮帶、中潮帶、低潮帶的特征部位), 站位點間距不等, 平均1~2 m, 從而獲得此處經緯度、高程和大地坐標數據, 同時進行表層1~2 cm處樣品的采集, 帶回實驗室處理。沿同一剖面的固定點進行3次重復測量和取樣。

2.2 剖面繪制和粒度處理

首先對剖面上各點測量的經緯度和高程數據進行處理, 并用Grapher軟件繪制成圖, 將不同期的同一剖面圖作對比來研究岸灘剖面形態隨時間的變化。對于野外采集的粒度樣品, 由于粒徑>0.063 mm的物質所占的比例大于85%以上, 可以單獨采用篩析法進行測試。利用Folk-Ward公式計算出平均粒徑(f), 此公式物理意義明確, 精確度也很高, 應用最為廣泛[11]。結合高程數據對比分析岸灘剖面沖淤變化特征。

3 潿洲島典型岸灘短期沖淤變化特征

本次研究主要以潿洲島所占比例較高的砂質岸線作為岸線沖淤變化研究的對象。島嶼自西角村段至坑仔村段幾乎全部為砂質岸段, 另外茅寮村附近及南灣內有小段的砂質岸線。南灣段, 從茅寮村東南部到潿洲鎮海岸建有水泥防護堤。滴水村西部海岸臨近南灣火山口, 廣泛發育海蝕平臺海蝕崖等。

在2012年12月~2013年12月期間, 對監測斷面進行了3次重復測量(2012年12月、2013年7月和2013年12月)。其中, 2013年7月監測時, 從東南方向來的熱帶風暴“貝碧嘉”剛過境不久[12]。

3.1 2012年12月~2013年7月岸灘剖面沖淤變化特征

2012年12月和2013年7月分別對所選砂質典型岸灘剖面進行了地形測量, 對比兩次岸灘地形數據得到2012年冬季~2013年夏季岸灘剖面沖淤變化特征。

位于潿洲島東南部的P1剖面(圖2a)大部分出現侵蝕, 低灘有輕微淤積; 東部的P2剖面(圖2b)高灘無明顯沖淤變化, 中灘、低灘發生侵蝕, 最大侵蝕達0.5 m; 位于北部的P3剖面(圖2c)高灘中灘沖淤變化不明顯, 低灘發生侵蝕; 西北部P4剖面(圖2d)高灘前緣出現稍微侵蝕現象, 其他部位發生嚴重淤積, 最大淤積位于中灘, 達1m以上; 西南角的P5剖面(圖2e)大部分發生侵蝕現象, 最大侵蝕達0.8 m, 低灘侵蝕不明顯, 高灘尾部發生輕微淤積; 位于南部南灣段內的P6剖面(圖2f)中灘淤積, 高灘低灘發生侵蝕, 但變化幅度不大。總體而言, 除了西北部P4剖面發生淤積比較明顯, 其他岸段大都發生侵蝕現象, 這可能與6月份過境的熱帶風暴有關, 熱帶風暴引起近岸波浪擾動, 使岸灘侵蝕后退, 而西北部岸灘發生的淤積現象可能是受風暴潮影響較小, 加之本來就存在堆積作用。

3.2 2012年12月至2013年12月岸灘剖面沖淤變化特征

2012年12月和2013年12月分別對所選砂質典型岸灘剖面進行地形測量, 對比兩次岸灘地形數據, 得到2012冬季~2013年冬季岸灘剖面沖淤變化特征。

通過對潿洲島東南部P1剖面的分析, 兩次測量相比, 高灘中灘大部分出現侵蝕, 最大侵蝕達0.3 m, 低灘幾乎沒有沖淤變化(圖3a)。東部岸段P2剖面, 此岸段除了高灘和中灘有部分淤積, 其他部位沒有明顯沖淤變化, 最大淤積位于中灘, 達0.3 m(圖3b)。北部岸段P3剖面, 此岸段除了高灘和中灘的少部分沖淤變化不明顯, 其他部位發生明顯淤積現象, 尤其是高灘中灘之間淤積最大達0.8 m(圖3c)。西北部P4剖面, 此岸段高灘尾部無明顯沖淤變化, 高灘前緣至中灘發生明顯淤積, 最高達1 m, 而低灘則發生侵蝕, 最大侵蝕達0.5 m(圖3d)。西南部岸段P5剖面,此岸段高灘尾部發生部分淤積, 最大淤積達0.3 m, 其它部位都發生明顯侵蝕, 最大侵蝕位于中灘上部, 達1 m以上(圖3e)。南部南灣段P6剖面, 此岸段高灘和低灘發生侵蝕, 最大侵蝕達0.4 m, 中灘發生淤積, 最大淤積0.2 m(圖3f)。總體來說, 潿洲島岸灘2012年12月~2013年12月變化為東南部岸灘、西南部岸灘、西北部低灘主要發生侵蝕; 北部岸灘、西北部高灘中灘之間主要發生淤積; 東部岸灘、南部南灣段岸灘沖淤變化不顯著。

a. 東南部岸段P1剖面; b. 東部岸段P2剖面; c. 正北部岸段P3剖面; d. 北港北部岸段P4剖面; e. 滴水村西南部岸段P5剖面; f. 正南部岸段P6剖面

a. P1 sectional comparison chart for southeast coast; b. P2 sectional comparison chart for northeast coast; c. P3 sectional comparison chart for north coast; d. P4 sectional comparison chart for near coast of north Beigang; e. P5 sectional comparison chart for near coast of southwest Dishui village; f. P6 sectional comparison chart for south coast

通過兩次對比潿洲島岸灘沖淤變化情況, P1剖面代表的東南部岸灘基本無變化, 而P2代表的東部岸灘和P3代表的北部岸灘2013年夏季到冬季由侵蝕變為淤積, 可能是2013年6月熱帶風暴過境產生的侵蝕在后來又通過岸灘的自我修復能力逐漸回淤的結果。西北部P4剖面2013年夏季到冬季由淤積變為侵蝕, 可能與冬季風引起的風浪有關, 而夏季受風浪和風暴潮影響較小。P5和P6剖面代表的西南岸灘和南部岸灘2013年夏季到冬季沖淤變化不明顯。

3.3 平均粒徑變化特征

沉積物的粒度反映了區域水動力條件和沉積物的搬運、沉積等物理過程的機制, 沉積物粒度特征的分析對于沉積動力過程和區域沉積環境的分析具有重要的意義[13]。沉積物粒度參數包括平均粒徑(f)、分選系數()、偏度和峰態, 作者利用平均粒徑(f)來分析潿洲島岸灘剖面的粒度變化特征。平均粒徑通常反映搬運沉積物的平均動能條件, 一定程度上反映了物源區沉積物分布特征[14]。

a. 東南部岸段P1剖面; b. 東部岸段P2剖面; c. 正北部岸段P3剖面; d. 北港北部岸段P4剖面; e. 滴水村西南部岸段P5剖面; f. 正南部岸段P6剖面

a. P1 sectional comparison chart for southeast coast; b. P2 sectional comparison chart for northeast coast; c. P3 sectional comparaison chart for north coast; d. P4 sectional comparison chart for near coast of north Beigang; e. P5 sectional comparison chart for near coast of southwest Dishui village; f. P6 sectional comparison chart for south coast

一般來說, 受侵蝕區域水動力條件強, 沉積物顆粒粗化, 而淤積區域則表明水動力條件弱, 通常沉積物偏細。根據各剖面顯示結果(圖4), 一般高灘比低灘平均粒徑φ值小, 說明高灘沉積物顆粒粗一些, 水動力條件相對于低灘強。2012年~2013年3次剖面沖淤變化研究中, 島嶼東南部P1剖面先受侵蝕然后基本無沖淤變化, 其沉積物顆粒同樣先變粗后基本不變; 東部P2剖面沉積物顆粒先變粗后變細, 與其剖面沖淤變化一致; 西北部P4剖面沉積物先變細然后又輕微的粗化, 與岸灘剖面先發生強烈淤積又被侵蝕的變化相吻合; 西南部P5剖面先發生侵蝕然后進一步侵蝕, 與沉積物不斷粗化的趨勢一致。位于潿洲島北部的P3剖面沉積物顆粒變化復雜, 而且顆粒較粗, 可能是這段時間內所受水動力條件復雜的結果。南部P6剖面沉積物顆粒較細, 且變化不明顯, 主要是由于此段建有水泥防護堤, 對波浪等有一定的抵抗力。

a. 剖面P1; b. 剖面P2; c. 剖面P3; d. 剖面P4; e. 剖面P5; f. 剖面P6

a. Section P1 ; b. Section P2 ; c. Section P3; d. Section P4; e. Section P5 ; f. Section P6

4 岸灘短期沖淤變化影響因素

4.1 波浪和潮汐

潿洲島處于季風帶內, 由季風決定各向風浪的分布。冬季波浪多為北北東向, 夏季多為南南西向, 秋季多為東向。受海浪影響, 潿洲島東北和西南岸段遭受侵蝕比較嚴重。潿洲島的潮汐為正規日潮, 潮水位漲落受季風影響, 夏季受偏南風增水的影響, 潮水位較高, 冬春季受偏北風減水的影響, 潮水位較低[15]。潮汐作用一般造成南部、西部海岸的強烈侵蝕作用。

如由P5剖面代表的潿洲島西南部岸灘, 不僅受到夏季風引起的波浪的影響, 潮汐作用影響也很顯著。圖2e和圖3e中顯示的岸灘剖面除高灘尾部外, 其他位置都發生侵蝕作用, 而相對來說圖3e中侵蝕幅度更大一些, 說明潿洲島西南部冬季的水動力條件比夏季強。

4.2 風暴潮

潿洲島受風暴潮的影響較大, 每年5~9月為臺風季節。臺風期間往往會出現狂風、暴雨和巨浪, 摧毀近岸防護林、建筑物以及改變岸灘形態。2013年6月, 過境的強熱帶風暴“貝碧嘉”就在小時間尺度上造成岸線的侵蝕, 侵蝕下來的泥沙被搬到離岸區, 使近岸區海灘坡度變小, 從而改變了砂質海岸的形態。

圖2顯示的岸灘沖淤變化情況為2012年冬季和2013年夏季臺風剛過境不久的對比圖, 這6個區域對比大多顯示的是岸灘發生侵蝕作用, 都或多或少的受到“貝碧嘉”的影響。其中圖2d發生明顯的淤積現象, 尤其是中灘部分, 原因可能是受到風暴潮的影響較小并且潿洲島北部處于波影區, 一般發生堆積作用。但是這種淤積現象到冬季之后減小, 甚至低灘發生侵蝕作用, 說明西北部受冬季風影響較大。

4.3 人類活動

通過實地考察發現, 研究區的人工采沙現象比較常見, 這類活動往往造成灘面結構的破壞, 對后濱的防護林也造成了一定的損害。采沙現象多發生在中灘至高灘珊瑚碎屑堆積的地方。另外, 沙灘上不合理的建筑也可能加劇海岸侵蝕。這些建筑沒有較深的根基, 風浪很容易對底部沙體侵蝕從而使建筑底部發生掏蝕作用。

潿洲島東部和東南部沙灘分布廣闊, 采沙現象比較常見, 而西部由于沙灘分布不多所以基本無采沙現象。圖2a、2b和圖3a、3b代表潿洲島東南部和東部岸灘, 由圖可見大部分發生侵蝕作用, 侵蝕部位主要是中灘, 其中很可能部分受到人類活動的影響。

5 結論

2012年12月~2013年7月岸灘剖面變化特征表明, 監測前過境不久的熱帶風暴對岸灘沖淤變化有很大影響, 大部分岸灘發生侵蝕作用, 主要侵蝕部位是中灘。2012年12月~2013年12月岸灘剖面變化特征表明, 潿洲島冬季岸灘侵蝕最高達1 m以上, 主要發生在東南部岸灘、西南部岸灘和西北部低灘; 最大淤積達1 m以上, 主要分布在北部岸灘和西北部高灘中灘。

根據對平均粒徑φ值的分析結果(2012年12月、2013年7月和2013年12月), 一般高灘所受水動力較強, 沉積物顆粒較粗, 而低灘沉積物顆粒相對較細。沉積物顆粒的變化基本與岸灘剖面變化一致, 受侵蝕的岸灘沉積物顆粒粗化, 淤積岸灘沉積物顆粒細化。其中P3岸段沉積物變化復雜可能與近岸水動力條件復雜有關, 而P6岸段由于建筑人工防護堤沉積物顆粒變化不明顯。

影響潿洲島岸灘短期沖淤變化的因素有波浪、潮汐、風暴潮以及人類活動。波浪對潿洲島東北和西南岸段影響較大; 潮汐作用對島嶼南部和西部影響較大。所以總體來說, 潿洲島西南部受侵蝕比較強烈, 而北部岸灘一般發生堆積作用。采砂以及沙灘上不合理的建筑等人類活動主要發生在島嶼東部和東南部, 都可能造成岸灘在短期內的侵蝕現象。

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(本文編輯: 譚雪靜)

Short-term shore change characteristics of erosion and deposition on Weizhou Island in Beihai, Guangxi Province

ZHANG Xin1, 2, LI Ping2, YANG Qi-zheng2, YAO Zi-heng2, YANG Qing-le2, XU Yuan-qin2

(1. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210046, China; 2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China)

Based on data of beach profiles and sediment grain acquired from Weizhou Island in December 2012, July 2013, and December 2013, the short-term shore change characteristics of erosion and deposition on Weizhou Island were analyzed from 2012 to 2013. Results showed the following: (1) From December 2012 to July 2013, most of the sections of the island had eroded and that the most seriously eroded area was the middle beach due to the effect of a tropical storm; (2) From December 2012 to December 2013, eroded sections occurred mainly in the southeast, southwest and on the low beach of the northwest, moreover, silting sections appeared in the north and upper part of the northwest; (3) Results of a mean particle diameter analysis showed that there were coarser sediments on the high beach than on the low beach, illustrating that the high beach had a relatively high hydrodynamic environment. Changes in coastal sediments were consistent with scouring and silting changes of each beach profile. During a short time period, the factors affecting scouring and silting changes on Weizhou Island were waves, tides, storm surges, human activities, etc.

Nov.19, 2014

Weizhou Island; beach profile; grain size parameters

P694

A

1000-3096(2016)06-0077-07

10.11759//hykx20141119002

2014-11-19;

2015-06-10

國家海洋公益性行業科研專項資助項目(201005010); 中央級公益科研院所基本研究基金項目(GY0213G04)

[Foundation: Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean, No.201005010; Basic Scientific Fund for National Public Research Institutes of China, No.GY0213G04]

張鑫(1989-), 女, 江蘇徐州人, 碩士研究生, 主要從事海島地質災害方面的研究, E-mail: xzhang9092@yeah.net; 李萍, 通信作者, 研究員, 電話: 0532-88966333, E-mail: liping@fio.org.cn