海平面上升—夾河斷流背景下煙臺套子灣海灘砂粒度變化

劉立新，王昕，陳浩宇，李訓鵬，3

(1.哈爾濱師范大學寒區地理環境監測與空間信息服務黑龍江省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025；2.魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264025；3.華東師范大學河口海岸國家重點實驗室，上海 200062)

0 引言

在氣候變暖背景下，全球平均海平面上升，導致近岸波浪和潮汐能量增加，加劇海岸蝕退和岸灘下蝕。我國約有60%～70%左右的砂質海岸線處于蝕退狀態[1-2]。山東省沙灘岸線總長約335km[3]，北部分布較為典型的砂質海灘，已有研究表明該區海灘灘面呈現侵蝕堆積交替變化的狀態，以侵蝕為主，20世紀70年代以來，山東半島海灘侵蝕形式日益嚴峻，有74%的沙灘受人工干預，80%砂質海灘遭受侵蝕[3-5]，其中煙臺、威海等地侵蝕嚴重，表現在海灘沉積物呈變粗的趨勢[6]。遙感數據揭示煙臺套子灣兩側侵蝕速率達1.0～2.3m/a，每年損失土地面積3961～38851m2，已經影響到了沿海公路的安全[7]。

套子灣外來泥沙很少，主要是河流輸沙和潮流輸沙及侵蝕海岸來沙[8]，河流輸沙主要是從夾河入海口向東西兩側沿岸運輸[9]。隨著夾河斷流天數日益增加，河流入海輸沙量日益減少，夾河河口及附近海灘將面臨更為強烈的海洋動力改造，侵蝕加強。砂質海灘侵蝕的主要表現除了海岸線后退，海灘變窄、變薄，坡度變陡，還表現在海灘沉積物粒徑粗化[3，10-17]。沉積物的粒度特征是反映沉積環境的重要參數，與地貌類型、水動力條件、物質來源和搬運方式等因素密切相關[18-21]。在物源一定的情況下，可以通過粒度特征的變化來反演影響沉積物沉積的水動力環境[22-23]。

本文對煙臺套子灣2021年與2005—2006年夾河口東西兩側海灘砂的粒度特征進行對比分析(圖1)，揭示近16年來套子灣海灘沉積物粒度特征變化對全球海平面上升—夾河入海水沙減少等過程的具體響應，研究結果對套子灣的未來規劃利用及其環境防治有著重要的意義。

圖1 套子灣研究區地圖(a—研究區位置及取樣區示意圖；b—海灘橫剖面中灘面采樣點位置)

1 區域概況

煙臺大陸海岸線總長909km,以自然沙質海岸線為主，占全市大陸海岸線總長度的44.30%，約339.2km[24-25]，海岸帶地表覆蓋以自然覆蓋為主[26]。套子灣位于山東煙臺北部，西起龍門眼，東至芝罘島西北角，呈凹弧形向北敞開。歷史時期由夾河口的東移漂沙和芝罘島上侵蝕下來的礫石在島南的波影區堆積連接起來逐漸形成了芝罘島連島沙壩[27]，該壩于18世紀才整體成為露出低潮面的沙洲，并在一個世紀以后才成為露出高潮面之上的海岸低地[28]。套子灣則是在連島沙壩芝罘島形成后的開敞式次生灣，自1993年于夾河口西側修建突堤后[9]，河口附近再無其他明顯的人為改造工程，2000年后近岸挖沙工程減少，套子灣岸線變化不再明顯[8]，海灘沉積物長期以受海水動力改造為主。灣內以風浪為主，強浪為NE向，常浪為NW向，潮流的運動方式在東部以旋轉流為主，西部以往復流為主[8-9]，這種運動方式促進了夾河河口物質的沿岸運輸。

膠東半島注入套子灣最大的河流是夾河，發源于低山丘陵，源近流短，比降較大，雨季河水暴漲，流量驟增，汛期多年平均天然徑流量占全年80%以上[29]。但夾河在近37年時間內，每年斷流天數幾乎都在100天以上，2000年以后，斷流天數增多，斷流現象逐年加劇，年斷流天數基本都在300天以上，徑流量日益減少，輸沙量急劇減小，對夾河口東西兩岸的海岸地貌產生了巨大的影響。

2 材料與方法

考慮到海灘中灘面為波浪上沖流和回流密集作用區，對海灘動力過程響應敏感，2021年3月分別在夾河東西兩側海灘的中灘面(包括夾河東沙嘴附近)每間隔一定距離的10cm×10cm樣方表層上，均勻刮取約1cm深的樣品約500g。其中夾河口東部取樣位置為自東向西每隔20m取一次樣品，共取5個，記JHD1～JHD5；夾河東部沙嘴處自西向東每隔20m取一次樣品，取3個，記沙嘴1、沙嘴2、沙嘴3；兩突堤間自東向西每次間隔50～100m取一次樣品，共取12個樣品，記JHX1～JHX12(圖1)。

用篩析法對海灘砂樣品進行粒度分析。每個樣品隨機取約120g海灘砂，加入清水靜置12h去除樣品中所含的鹽分和大生物碎屑，洗鹽兩次后加入烘干箱，調節至75℃烘干12h后取出稱重。選取0～4Φ的套篩，套篩粒徑間距為1/2Φ，篩樣后將每一粒級分別放入1/10000g的電子天平中稱重后，放入收納袋中保存。利用Origin中Akima Spline插值運算，基于圖解法讀取粒度累積曲線上累積含量分別為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%對應的粒徑值，依據Fork和Word圖解公式計算得出常用粒度參數[29]。

3 研究結果

夾河口東側沙嘴處樣品的平均粒徑1.01～1.22Φ，標準偏差約為0.37～0.45，分選為好，偏態系數為-0.13～-0.06，偏度以微弱負偏和近對稱為主，峰度為1.11～1.19，屬于不明顯的窄峰態。夾河口東側中灘面海灘砂樣品的平均粒徑值介于1.39～1.64Φ，標準偏差約為0.33～0.45，屬于分選極好和好，偏態系數為-0.19～0.20，多數呈近對稱和微負偏，峰度介于0.86～1.30，屬于中等至微寬。夾河口西岸中灘面海灘砂樣品的平均粒徑值介于1.47～1.91Φ(表1)，標準偏差約為0.23～0.38，屬于分選極好和好，偏態系數為-0.10～0.30，多為近對稱分布，峰度大部分0.77～1.30，屬于中等至寬，總的來說，夾河東西兩側均具有典型的海灘砂特征。

所有樣品的頻率分布曲線均表現為近正態分布，屬于典型的海灘砂沉積物粒度分布特征。不同粒級組分百分含量分布表明夾河西海灘砂中主要組分為中砂和細砂，夾河東及沙嘴樣品中的粗砂、中砂含量更高(圖2)。

夾河口沙嘴處樣品的概率累積曲線以兩段式為主(圖3)，沙嘴-1甚至可以歸為一段式，沉積物組分較單一，表明其沉積動力單一，沙嘴樣品受到較強改造。兩側海灘砂樣品概率累積曲線表現為三段式，樣品中包含有躍移、推移和懸移組分，夾河東側樣品推移組分和躍移組分之間的粗截點在1Φ左右，推移組分含量在2%～10%之間，躍移組分和懸移組分之間的細截點位于2.2Φ左右，懸移組分含量小于2%，躍移組分含量最高。夾河西側樣品概率累計曲線也表現為三段式，推移組分和躍移組分的粗截點在1Φ左右，推移組分含量小于2%，躍移組分和懸移組分之間的細截點在2～2.3Φ之間，懸移組分含量小于2%，躍移組分含量高達95%左右。

表1 夾河海灘沙礫砂粒度參數分布

4 討論

研究表明，夾河口沙嘴處海灘砂樣品最粗，平均粒徑在1.01～1.22Φ(表1)，樣品中中砂含量高達60%，粗砂含量在40%(圖3)，沉積物組分缺少懸浮組分，以躍移質為主(圖3)，組分較單一，表明沙嘴處動力相對較強且相對穩定，沉積物受到波浪長期改造。夾河東部海灘砂樣品明顯比夾河口西側的海灘砂樣品偏粗(表1，圖2)，夾河東側海灘砂中的粗砂和中砂含量相對夾河西側海灘砂樣品高(圖2)，而細砂組分相對夾河西側樣品偏低，兩者概率累積曲線的粗、細截點位置差別不大，夾河東部海灘砂中滾動組分的含量略高，約2%，夾河西側海灘砂的滾動組分含量不足1%(圖3)。夾河東側和西側海灘砂的粒度差異表明現在夾河口東側區域水動力較夾河口西側強。

圖2 頻率分布曲線

圖3 概率累積曲線

將2021年夾河河口附近中灘面海灘砂粒度數據與2005—2006年該地區海灘砂粒度數據對比發現，16年來夾河口兩側沉積物粒度明顯粗化(表2)，分選變的更好。夾河口東側海灘砂的平均粒徑由2005年的1.71～2.62Φ，變為2021年的1.39～1.64Φ；海灘砂主要組分的粒徑值明顯粗化，由2005年的1.5～3Φ變為2021年的1～2.5Φ，偏粗約0.5Φ；2021年東側海灘砂中的躍移組分的粒徑值為1～2Φ，2005年海灘砂躍移組分的粒徑值介于1.5～2Φ和3Φ之間，躍移組分變粗，概率累積曲線的粗細截點粗化0.5～1Φ(表2)。夾河口西側海灘砂平均粒徑近16年也明顯變粗，由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ，概率累積曲線中的粗細截點位置相比偏粗0.5～1Φ(表2，圖4)。西側海灘砂標準偏差由0.27～0.65降低至0.23～0.38，東側海灘砂標準偏差由0.31～0.51(其中靠近河口處的約0.40～0.50[9])，降低至2021年的0.33～0.45(樣品均相對位于河口附近)，分選變好(表2、圖4)。

表2 2021年與2005年夾河附近海灘樣品粒度參數對比

圖4 2021年海灘砂與2005年海灘砂平均粒徑、標準偏差分布

海灘砂粒徑粗化是海岸侵蝕的重要表現之一，粒度數據對比表明目前在夾河口附近的砂質海灘出現了較為明顯的侵蝕。在以往對套子灣泥沙運動中的研究中表明，夾河具有向套子灣兩側海灘運輸泥沙的能力[9]，而套子灣外來泥沙很少[8]。根據現有1981—2017年的夾河徑流資料，發現37年間有36年發生了斷流現象，1980年后斷流天數基本在100天以上，在2000年以后，斷流現象進一步加劇，基本都在300天以上(圖5)。可以認為現在的夾河幾乎不向河口區提供泥沙，即現代夾河口附近包括整個套子灣海灘砂的來源主要是歷史時期夾河供應的，現代夾河入海沿岸輸沙貢獻微弱，歷史時期搬運到海岸帶地區的泥沙受到海洋動力的充分改造。

圖5 夾河1967—2017年斷流天數(煙臺市水利局，夾河生態流量(水位)試點控制方案，2018年)

套子灣海水動力的主要表現為波浪和潮流。根據芝罘島海洋站的資料[29-31]，套子灣附近海域以風浪為主，涌浪多出現于秋冬季節，常浪向以N向、NW向、NWW向為主，平均波高達1.29m，次常浪向為NNE向，河口泥沙除了垂直海岸做橫向運動之外，還在波浪沿岸分力作用下向河口兩側縱向搬運。盡管研究區的潮汐較弱，但研究區多年來潮差仍呈增大趨勢[32-33]。20世紀90年代套子灣附近初旺站平均潮差為152cm[9]，2010年增至199cm[8]。2010年煙臺站的平均潮差為1.576m[34]，而根據國家海洋科學數據中心提供的潮汐數據推算，2019年與2020年煙臺站平均潮差分別達到177.8cm、174.5cm，呈現明顯的增值。根據國家自然資源部公布的《2020年中國海平面公報》數據[35]，20世紀80年代以來我國海平面呈現明顯的波動上升，黃海沿海海平面上升速率為3.2mm/a，并且有加速上升的趨勢(圖6)，2005—2021年海平面上升幅度超過0.5m。海平面升高造成淺海陸架駐海潮波變化，導致的潮差增加，同時，海平面上升也導致近岸波浪能量增加、風暴潮作用增強，沿岸侵蝕是海平面升高、潮差增大、波浪動力增強共同作用的結果。河流入海物質減少，海洋動力相對增加，加劇海岸蝕退和岸灘下蝕，波浪的往復搬運，使得濱海和淺海近岸的砂礫分選較好，一般較粗、較重的顆粒搬運的距離較近，留在海灘上較細、較輕的顆粒搬運的距離較遠[36]。有研究表明風浪作用較強的山東半島北部浪潮作用指數與沉積物粒度具有較強的相關性(r2=0.6488)[37]。由此可見，海平面上升導致的海洋動力增強是研究區海灘砂粒度粗化、海灘侵蝕的主要原因。可以推測在夾河入海泥沙供應大大減少的情況下，波浪對歷史時期堆積的海岸泥沙進行搬運，且首先搬運能夠搬得動的細顆粒泥沙，而現有動力不足以搬運較粗顆粒，大部分在河口原地存留，導致海灘沉積物的粗化。

圖6 1980—2020年我國海平面變化[35]

河流入海物質減少—海平面上升共同作用下，我國其他地區的砂質海岸也出現了侵蝕加劇，沉積物粗化的現象，諸如遼東灣東部[38]、福建[39]、山東半島北部[40]等。且已有研究表明泥沙供應充足的岸段侵蝕比較弱，而泥沙供應不足的地區會出現全岸段侵蝕的現象。除去黃河，山東半島地區的入海河流均為中小型山地河流，近幾十年來隨著河流上游建設水庫、壩體及人口增加導致的工農業用水劇增[25，41]，河流入海泥沙驟減，與夾河入海泥沙輸運情形相近。據統計，山東半島每年因河流輸沙量減少而虧損的砂量約為66.17×104t[42]，預計未來30年，黃海沿海海平面將上升50～160mm[35]，在河流入海水沙驟減、海平面加劇上升的背景下，疊加人為采沙活動，山東半島的砂質海灘資源將面臨更為明顯的侵蝕。

5 結論

(1)現代夾河口兩側中灘面海灘砂樣品以中砂、細砂為主，分選極好或好，標準偏差介于0.23～0.45，夾河口東側海灘砂樣品較西側的海灘砂樣品偏粗，粗砂含量略高，表明現在夾河口東側區域水動力較夾河口西側強，該區海灘砂受到海洋動力的長期改造分選較好。

(2)近16年夾河口兩側海灘砂粒度明顯粗化，分選變好，表現在海灘砂平均粒徑變粗、主要組分粒度變粗、概率累積曲線的粗細截點變粗及滾動、躍移、懸移組分含量明顯變化。夾河口東側海灘砂平均粒徑由2005年的1.71～2.62Φ，變為2021年的1.39～1.64Φ，西側海灘砂平均粒徑由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ。2021年海灘砂主要組分的粒徑值較2005年偏粗0.5Φ。2021年海灘砂粒度概率累積曲線中粗細截點位置偏粗0.5～1Φ。

(3)夾河入海泥沙減少，海平面上升，是近年來研究區海灘侵蝕、沉積物粗化的主要自然因素，如何合理開發、利用、保護砂質海灘資源將面臨較大的挑戰，海岸帶管理工作也需要更多科學數據的支持和科學家們的關注。