廣西北海銀灘侵蝕動力研究

劉濤，王增軍，張建兵

( 1. 廣西大學 海洋學院，廣西 南寧 530004；2. 北部灣環境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；3. 國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西 北海 536000)

1 引言

由于全球變暖引發的氣候變化、海平面上升以及人類活動的影響，海岸侵蝕在全球范圍內已經成為普遍現象[1-3]，位于砂質海岸的海灘具有重要的經濟價值，海灘侵蝕的動力機制和防治措施一直是海岸帶研究的熱點問題之一。銀灘是位于廣西北海市南部海岸的一處著名旅游海灘，系全新世海侵以來沉積的沙壩型海灘[4]，以砂質純白、灘面寬闊而聞名，屬于典型的耗散型海灘[5]，近年來。銀灘也出現了諸如岸線后退、寬度變窄、灘面沉積物粗化等侵蝕跡象[6-7]，許多學者關于銀灘的波浪特征[8]、海灘動力環境[9]，以及臺風造成的灘面侵蝕特征[10]進行了研究，為我們理解銀灘的地貌及動力特征打下了基礎，但是現在仍然缺乏關于銀灘的區域地形地貌、灘面高程長期動態變化以及水文過程的研究，這就限制了我們深入研究銀灘的地貌動力和侵蝕機制。有鑒于此，本文研究針對銀灘海水浴場，調查和分析了灘面高程、坡度和剖面形態的區域變化特征，基于歷史數據計算了1985年以來平均海平面位置線的后退距離，并結合當地海平面上升、氣候變化和人類活動特征分析了造成銀灘侵蝕的主要原因。此外，通過調查2016-2018年間灘面高程動態變化，以及兩次臺風期間的水位過程和波浪特征，分析了臺風期間水文特征與海灘侵蝕的關系，進而探討了最有可能造成銀灘侵蝕的臺風路徑。

2 研究區與方法

銀灘位于廣西北海市南部海岸，西北偏西走向，岸線總長度約5 km，沉積物以細沙為主。本文研究所涉及的區域為銀灘海水浴場岸段，西邊界為電建村漁港突堤，東邊界為咸田漁港碼頭，岸線總長度約2.5 km（圖1）。該區域潮汐以全日潮為主，平均潮差為2.5 m，最大潮差為5.3 m，屬于強潮海岸。夏季盛行偏南向混合浪，平均波高為0.9 m，其中涌浪頻率約為30%，冬季盛行東北向風浪，平均波高為0.8 m，臺風期間記錄的最大波高為4.8 m[11-12]。

2016年8月至2018年10月，使用GPS-RTK設備，對于研究區內的3個固定海灘斷面進行了重復觀測，觀測的平面誤差小于0.05 m，高程誤差小于0.03 m。于2018年12月12日對銀灘海水浴場進行了1∶1 000的地形測量，并繪制灘面等高線圖。為了分析近年來的灘面侵蝕后退距離，利用該區域1985年的歷史地形圖，利用控制點進行了矢量化后的坐標轉換，將其坐標系轉化為CGCS2000坐標系，以便與當前測量結果進行對比。

本文研究所涉及的臺風期間銀灘岸外水位和波浪特征的數據來源于國家海洋局北海海洋環境監測中心站，潮位數據觀測使用的是自動記錄儀，潮位數據在本文中被轉化為國家1985高程數據，增水數據由實測數據減去預報數據得到。波高、波向數據則由銀灘觀察哨利用多功能望眼鏡，分別在每日8:00、11:00、14:00、17:00進行觀測得到。

圖 1 銀灘的地理位置及研究區域Fig. 1 Location of the Yintan Beach and study area

圖 2 灘面高程等值線（a）及不同時期的平均海平面位置線（b）Fig. 2 The contour of beach surface elevation (a), and the distance of mean sea level position withdrawing (b)

3 結果

3.1 灘面高程、坡度及侵蝕后退距離特征

對銀灘海水浴場的灘面高程測量表明，海灘后緣高程一般超過4 m，略高于當地最大高潮位（圖2a）。除位于中部的少數海灘斷面（c1-c2）之外，大部分區域已經不存在灘肩地貌（圖3）。在3 m高程以下，海灘高程斷面的形態大致呈上凸狀，即高程愈大坡度越小。將當前的高程測量結果與1985年的歷史數據對比，結果表明自1985年以來，研究區內的平均海平面位置后退了0～80 m（圖2b）。與1985年相比，當前的平均海平面位置線更加平直，表明1985年以來的海灘侵蝕優先發生在等高線向海突出的岸段，海灘侵蝕導致海灘各處的地形有均一化趨勢。除去海灘兩側靠近突堤的區域，平均海平面附近（高程0～1 m）的灘面坡度在0.02～0.025之間，在空間上變化不大；在平均高潮線附近（高程1～2 m），灘面坡度則變化較大，為0.008～0.023（圖4）。值得注意的是：在平均高潮線附近，各處灘面坡度與灘面后退距離有明顯的負相關關系（R2=0.71），即后退距離越大，則灘面坡度越小。這表明在海灘上部，灘面下蝕深度有隨著高程增大而增加的趨勢。

圖 3 銀灘典型海灘剖面形態Fig. 3 The elevation of typical transects in the Yintan Beach

圖 4 灘面坡度空間變化（a）及海灘上部（高程1～2 m）灘面坡度與侵蝕后退距離的關系（b）Fig. 4 The spatial change of beach surface slope (a), and the relation between beach slope and withdrawing distance of mean sea level position (b)

3.2 灘面高程動態變化

2016年8-12月，3個固定觀測斷面YT1、YT2和YT3的灘面高程的變化很小，最大不超過10 cm（圖5），期間有一次臺風影響廣西沿岸，即1621號臺風“莎莉嘉”，該臺風在菲律賓以東洋面上生成，橫穿海南島，進入北部灣后中心風速為30 m/s，10月19日14時在廣西東興登陸后風速迅速衰減，在中越邊境地區消失。臺風期間銀灘最高水位為2.3 m，最大增水值60 cm，岸外有效波高為1.2～1.3 m（圖6）。考慮到登陸時間為10月份，此時夏季風已經衰弱，而冬季風還沒有爆發，廣西沿岸的波浪能量較為微弱，應該不存在侵蝕灘面快速回淤的可能，12月的海灘灘面高程與8月相比變化很小，表明1 621號臺風沒有對銀灘造成顯著侵蝕。

2017年影響廣西沿岸的臺風有1次，即1713號臺風“天鴿”，該臺風在西北太平洋生成，于2017年8月23日12時在廣東珠海市登陸，然后西偏北方向而行，橫穿廣西南部，期間臺風中心風速約20 m/s。當臺風中心在銀灘東北向時，當地風向為北偏西，引起海岸減水，最大可達100 cm，隨著臺風中心西移，當地風向轉為西偏南，開始引起海岸增水，最大值約為40 cm。此次臺風期間銀灘最高水位為2.4 m，最高水位前后岸外有效波高為0.7 m。雖然缺乏2017年的灘面高程數據，但是考慮到1713號臺風期間的最高水位與1621號臺風期間相當，而有效波高低于1621號臺風，可以判定1713號臺風也不會造成銀灘侵蝕。

2018年4月，銀灘灘面較2016年12月有明顯侵蝕，在平均高潮線以上灘面侵蝕深度為20～30 cm，在平均高潮線以下則出現灘脊與灘槽地貌，下蝕深度最大可達60 cm。2017年11月初的衛星圖像表明當時灘面尚未出現灘脊地貌（圖7），2018年4月的灘面侵蝕應為春季東南向風浪或冬季的東北向風浪所致，此類風浪周期較短，如果疊加天文大潮，則可能入射海灘上部造成灘面侵蝕。實際上，由于冬、春季節風浪的侵蝕作用，春季銀灘灘面經常出現這種脊槽相間的地貌（圖7），在2018年10月，灘面脊槽地貌已經完全消失，灘面高程也恢復到了2016年時的水平，表明夏季西南涌浪導致的灘面回淤可以恢復冬、春季節的灘面侵蝕。

圖 5 2016-2018年銀灘典型灘面高程變化Fig. 5 The variation of typical beach surface elevation in the Yintan Beach from 2016 to 2018

圖 6 臺風“莎莉嘉”期間銀灘岸外水位過程及波浪特征Fig. 6 The variation of offshore water depth and wave height during Typhoon Sarika in the Yintan Beach

圖 7 衛星圖像（來源于Google Earth）反映的銀灘海水浴場灘面地貌特征Fig. 7 The morphology of the Yintan Beach surface in satellite images (from Google Earth)

4 討論

4.1 銀灘侵蝕動力分析

1985年以來，銀灘海水浴場區域平均海平面位置線的最大后退距離可達80 m，同時期當地海平面上升平均速率約為2 mm/a[13]，考慮當前平均海平面附近的灘面坡度為0.02～0.024，可估算海平面上升導致的灘面后退距離不超過3 m，可見海平面上升因素對于當前的銀灘侵蝕貢獻很小。此外，由于銀灘為當地著名的旅游景點，當地較為注重保護，也不存在大規模挖沙導致海灘侵蝕的可能性。

近年來銀灘等高線有更加平直的趨勢，且當前海灘剖面中普遍缺失灘肩地貌，這是強浪侵蝕海灘的典型特征，因為波浪折射效應會導致向海突出地形首先被侵蝕，并可在高水位時侵蝕灘肩。本文研究證實，雖然冬、春季節的東北向或東南向風浪可能會造成灘面侵蝕，但是此類侵蝕的程度較弱，隨后的夏季西南向涌浪即可使得灘面高程完全恢復。2003年以來廣西沿岸的風暴潮出現頻率較以往增加應該是銀灘侵蝕的直接原因[14]，風暴潮期間海灘水位很高，強浪可以入射海灘上部，從而造成強烈侵蝕，由于風暴潮頻率高，風暴潮造成的灘面侵蝕量超過夏季回淤量，導致銀灘開始進入侵蝕狀態。

海岸建筑可能會阻斷海岸泥沙的沿岸輸運，從而導致下游海灘侵蝕。銀灘海水浴場兩側都存在向海突出的堤壩或碼頭，內部也有一個侵入海灘的觀景平臺，觀察其灘面高程特征，可發現銀灘海水浴場西側等高線整體上較東側更為向海突出（圖2a）；觀景平臺西側灘面侵蝕較東側顯然更為嚴重（圖2b）。這表明該區域存在自西向東的沿岸凈輸沙，銀灘海水浴場東側的漁港碼頭顯然會阻斷銀灘海浴場以東的沿岸來沙，從而加劇了銀灘海水浴場侵蝕。

4.2 侵蝕導致的海灘剖面演化趨勢

如前所述，在平均海平面附近，灘面坡度在空間上變化不大，在平均高潮線附近，灘面坡度則與灘面侵蝕后退距離呈現負相關關系，這意味著海灘上部侵蝕程度越強則灘面坡度越小，灘面回淤量隨著高程增加而減少可能是造成這一現象的主要原因。在強潮海灘，海灘的上部和下部的淹沒頻率相差很大，海灘下部由于淹沒頻率高，灘面回淤量較大，且灘面坡度主要取決于盛行波浪特征和沉積物粒徑，故而侵蝕前后的灘面坡度變化不大。在海灘上部，由于灘面淹沒頻率隨高程增加而減小，灘面回淤量也逐漸減小，隨著海灘侵蝕加劇，海灘下部坡度變化不大，而海灘上部坡度則逐漸變小，從而導致海灘剖面形態由直線狀逐漸向上凸狀轉化（圖8）。

4.3 可能造成銀灘侵蝕的臺風路徑

全球范圍內的大量研究表明，高水位是風暴事件造成強烈海岸侵蝕的最重要條件[15-20]。如1621號臺風和1713號臺風期間，銀灘最高水位僅為2.3 m，略高于當地平均高潮位，岸外平均波高為1.3 m和0.7 m，波浪在傳入海灘中上部之前即已破碎，難以造成海灘上部的灘面侵蝕。2014年登陸廣西沿岸的1409號超強臺風“威馬遜”，由于適逢小潮，臺風期間水位較低，也沒有導致銀灘灘面的顯著侵蝕[10]。對于一些海岸，臺風路徑對于海岸增水和波浪強度有很大影響[21-22]。影響廣西沿岸的臺風一般發源于西太平洋[23]，臺風中心靠近研究區的路徑可以分為3類（圖9）：第一類臺風自廣東登陸后西行，臺風中心橫掃廣西南部陸地區域，1713號臺風屬于此類；第二類自海南北部或雷州半島登陸后，臺風中心進入廣西沿岸海域，在廣西沿岸或中越邊境登陸；第三類臺風在進入北部灣后北行，在廣西沿岸登陸。第一類臺風登陸后因能量衰減導致風速迅速降低，難以在廣西沿岸引起強烈的增水和波浪，不可能造成強烈的海灘侵蝕。而第二類臺風，由于臺風中心進入北部灣之后能量耗散很小，臺風中心又接近廣西沿岸，向岸風可以導致顯著的海岸增水和強浪[24]，如果遇到天文大潮，則容易引發風暴潮，并造成強烈海灘侵蝕。第三類臺風和第二類臺風類似，也有可能造成強烈的海灘侵蝕，但是此類臺風出現的幾率較低。總而言之，第二類路徑臺風最有可能造成銀灘侵蝕，為了預測銀灘今后的侵蝕趨勢，今后需加強此類臺風期間銀灘水文特征和灘面侵蝕特征的研究。

圖 8 侵蝕導致的銀灘海灘剖面形態演化示意圖Fig. 8 The evolution of the Yintan Beach transect shape caused by erosion

圖 9 中心靠近廣西沿岸的主要臺風路徑類型示意圖Fig. 9 Three types of typhoon center tracks passed by Guangxi coast

5 結論

（1）1985年以來，海灘侵蝕導致銀灘灘面后退了約80 m，當前的海灘剖面中普遍缺失灘肩地貌，在海灘上部，海灘剖面形態呈上凸狀，且灘面坡度與灘面后退距離之間呈負相關關系，這是由于在侵蝕過程中，強潮海灘上部的回淤量遠低于海灘下部所導致的。

（2）冬、春季的風浪疊加高水位可以造成一定程度的灘面侵蝕，但是這種侵蝕可以被夏季西南向涌浪所導致的回淤所恢復。大風暴潮期間的強浪入射海灘上部可以造成難以恢復的灘面下蝕，發源于西太平洋，經海南島北部或雷州半島進入北部灣的臺風最有可能引發大風暴潮，從而造成強烈的海灘侵蝕事件。2003年以來此類臺風重現頻率增加可能是導致銀灘進入侵蝕狀態的主要原因。銀灘東側的漁港碼頭阻斷了自東向西的沿岸泥沙輸運路徑，也是加劇銀灘侵蝕的原因之一。