李安龍，季祥坤，郭席君，沈昆明

(中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

岬間海灣是一種典型的山地或者丘陵海灣，由岬角和海灣組成[1]，灣內(nèi)海岸根據(jù)動(dòng)力成因可分為遮蔽段、過渡段和切線段。岬角通常是建造港口碼頭的優(yōu)良場(chǎng)所，而過渡段和切線段海灘是休閑娛樂圣地。在岬灣半封閉系統(tǒng)中，海岸-海灘-沉積物補(bǔ)給量三個(gè)變量在長(zhǎng)期的自然演化中會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，任何變量的改變(如岬角碼頭港口、防波堤等構(gòu)筑物的建造)都影響到整個(gè)系統(tǒng)的平衡，造成海岸和海灘甚至海底沉積物的重新再分配。多年來世界各國(guó)人民抱著對(duì)美好生活的向往不斷涌向海邊，政府不得不修建新的海岸基礎(chǔ)設(shè)施來滿足社會(huì)需要。海岸和海灘的穩(wěn)定直接影響到基礎(chǔ)設(shè)施功能的發(fā)揮，也導(dǎo)致這一地帶成為海岸學(xué)者和政府關(guān)注的重點(diǎn)。在岬灣系統(tǒng)的研究中，已發(fā)表的文獻(xiàn)基于經(jīng)驗(yàn)函數(shù)擬合法得到海岸平面平衡形態(tài)可用拋物線型、雙曲線型、對(duì)數(shù)螺線型和橢圓型四種數(shù)學(xué)表達(dá)式來，研究人員根據(jù)實(shí)際岸線與這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的擬合程度將岬灣海岸分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)或不穩(wěn)定三種平衡態(tài)[2-6]。比如，程武風(fēng)等通過岬灣平面模型與實(shí)際的差異關(guān)系分析了海南萬寧岬灣海岸穩(wěn)定性[7]；Silva G M D分析了不同時(shí)間尺度下岬角對(duì)岬灣內(nèi)泥沙運(yùn)移的影響，認(rèn)為岬角引起了波浪的變化，控制著岬灣泥沙輸運(yùn)[8]；George利用Delft-3D和SWAN模擬分析了岬角形態(tài)對(duì)岬角處泥沙輸運(yùn)影響，得出了岬角形態(tài)、盛行波浪、底質(zhì)粒徑對(duì)泥沙運(yùn)移起決定性作用[9]；戰(zhàn)超統(tǒng)計(jì)萊州灣東岸岬灣海岸60年來不同類型海岸帶開發(fā)活動(dòng)對(duì)海岸演化過程的影響，得到下游海岸線交替變化的規(guī)律[10]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的海岸被開發(fā)利用，防波堤向海伸出越來越遠(yuǎn)，形成新的人工岬角，極大地改變了岬灣的平面形狀。在岬角變化情況下岬灣系統(tǒng)新的平衡狀態(tài)將如何建立？厘清這種形態(tài)變化對(duì)下游海岸穩(wěn)定性的影響，對(duì)保護(hù)海灘資源、優(yōu)化岸線功能配置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，修建于南黃海西岸黃家塘灣的新青島港為本文的研究提供了理想的研究場(chǎng)所。黃家塘灣是自然形成的岬角海灣，新青島港在原岬角處修建了伸入海中1.9 km長(zhǎng)的防波堤碼頭形成新的岬角。為研究岬角形狀變化對(duì)灣內(nèi)岸線的影響，本文通過衛(wèi)星遙感影像提取了灣內(nèi)新港口建造前、中、后的各段岸線平面位置，實(shí)地考查灣內(nèi)岸線位置和侵蝕/堆積現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)了分析了灣內(nèi)岸線的演化規(guī)律。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)域位于山東半島日照-青島之間的黃家塘灣(見圖1)，由董家口嘴(港)和任家臺(tái)咀兩個(gè)基巖岬角圍成。海灣灣口寬度14.5 km，朝向東南，海岸西南走向。灣內(nèi)四條河流入形成三個(gè)入海河口。近年來由于河道整治和環(huán)境美化，沿河多級(jí)建壩蓄水擋沙，目前僅在汛期有少量徑流入海，河口區(qū)無河流泥沙補(bǔ)給。研究區(qū)波浪以風(fēng)涌混合浪為主，全年0.7 m以下波浪占比約80%，SE向波浪頻率約59.52%[11]。研究區(qū)屬于正規(guī)半日潮，潮差約為2.81 m，受黃海M2旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)影響，近岸潮流以往復(fù)流為主，漲潮流向西南，落潮流向東北，漲潮流速大于落潮流速[12]，沿岸流向西南。新青島港于2009年開始動(dòng)工修建，于2014年竣工投入運(yùn)營(yíng)，伸出于海中1.9 km且走向與下游岸線平行的防波堤于2012年建成。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 研究方法

本文分析的遙感數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(見表1)[13]，選取云量少、潮位低、年度時(shí)間較一致、清晰度高的圖像，以Google Earth歷史圖像(彩色，最高分辨率0.5 m)[14]作為輔助，并于2017年10月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘校準(zhǔn)，確定了遙感影像上高潮線和人工岸線位置。然后對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，在ARCGIS環(huán)境下目視解譯了2005—2017年研究區(qū)的多期岸線。然后參照美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的數(shù)字岸線分析方法(DSAS)，在ARCGIS中向陸側(cè)作各段平行于海岸走向的基線，以20 m間隔向海側(cè)作垂直于基線的切線，其中過渡段作切線88條(見圖2，剖面號(hào)：1-88)，切線段作切線263條(見圖2，剖面號(hào)：89-352)。通過兩期切線剖面上的岸線移動(dòng)距離除以間隔時(shí)間獲得岸線變化速率，利用該段全部切線變遷速率之和除以切線總和得到岸段平均蝕積速率。利用得到的各剖面的岸線變化速率和各岸段平均速率數(shù)據(jù)分析了岬角改變前后岸線演化現(xiàn)狀和變化機(jī)制。為了預(yù)測(cè)岬灣岸線的變化趨勢(shì)，本文基于拋物線方程開發(fā)的Mepbay軟件，計(jì)算岬角形態(tài)改變前后靜態(tài)平衡岸線位置[15-16]，對(duì)岸線穩(wěn)定性進(jìn)行了判別。

表1 研究采用的遙感影像信息

3 研究結(jié)果

根據(jù)成因，本文將研究區(qū)岬灣岸線平面形態(tài)分為切線段、遮蔽段和過渡段三個(gè)部分(見圖2)。切線段為靠近海岸下游岬角的直線段，一般呈線性且直接受波浪的作用；遮蔽段是上岬角背后的掩護(hù)區(qū)，也是盛行波浪的波影區(qū)；過渡段是位于兩者之間的岸段[3]，根據(jù)上述研究方法得到的各岸段平均蝕積速率見表2，各斷面的岸線蝕積速率如圖3所示。

表2 各岸段平均蝕積速率統(tǒng)計(jì)表

圖2 研究區(qū)岸線分區(qū)、分析斷面和基于拋物線方程獲得的岬角形狀改變前后靜態(tài)平衡岸線位置

3.1 遮蔽段

遮蔽段海岸線受人類活動(dòng)影響很大。1990年代之前，遮蔽段形成了沙質(zhì)海岸，1990年代初進(jìn)行了大規(guī)模灘海養(yǎng)殖開發(fā)，挖沙筑池，或者填海造地，改變岸線屬性全部形成人工岸線。遮蔽段海灣自然淤積的泥沙被人類挖沙活動(dòng)抵消，2012年防波堤建成前后也未出現(xiàn)新的沙質(zhì)岸線。

3.2 過渡段

過渡段以白馬河入?？诜譃槟媳眱啥?。遙感影像顯示河口北側(cè)修建人工養(yǎng)殖池塘后曾發(fā)生泥沙堆積形成沙質(zhì)岸線，至2005年時(shí)消失，海水進(jìn)入到養(yǎng)殖池根部，以后再未出現(xiàn)淤積；南側(cè)人工養(yǎng)殖池塘于1992年修建后泥沙回淤，沿養(yǎng)殖池塘形成呈弧形向海凸出的沙質(zhì)岸線，2005年前之岸線一直緩慢向外的淤漲。岬角形態(tài)改變過程中該段岸線發(fā)生明顯的變化，表現(xiàn)為弧形岸線南段侵蝕，北段發(fā)生淤積，并在岸線轉(zhuǎn)折處形成兩處沙嘴。淤積面積大于蝕退面積，凈淤積速率約為1.3 m/a。不同階段的表現(xiàn)是：(1)岬角形狀改變前(2005—2008年底)，過渡段南段海岸處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，侵蝕速率約為0.1 m/a，可以忽略。(2)岬角形狀改變中(2009年初—2014年)，北段海岸明顯泥沙淤積形成了一處寬度約0.2 km的沙嘴，南段海岸發(fā)生侵蝕，岸段凈淤積速率0.3 m/a。(3)岬角形態(tài)改變完成后(2015—2017年)，過渡段北段海岸進(jìn)一步淤積，原沙嘴向北發(fā)生遷移約0.2 km，形態(tài)更為狹長(zhǎng)，弧形岸線凸出處又形成一新沙嘴，而南段海岸侵蝕加劇，岸段凈淤積速率增加至5.1 m/a。

3.3 切線段

切線段位于岬灣南側(cè)的潮河河口至任家臺(tái)岬角位置，長(zhǎng)度約5.2 km。此處原為潮河入海開敞型河口，在波致沿岸流的作用下形成了NE向的水下沙壩。在二十世紀(jì)八十年代初沙壩堆積高出水面形成沙島，后來沙島連成一片形成水上沙壩、沙質(zhì)岸線和半封閉的潟湖。沙壩北端一直沉積沿岸輸沙，形成新淤陸地。澙湖被當(dāng)?shù)鼐用裥藿B(yǎng)殖池塘，順著沙壩修建了沿海公路和防潮大堤。董家口岬角形狀改變過程中該區(qū)產(chǎn)生了明顯的變化。根據(jù)表2岸段平均侵蝕/淤積統(tǒng)計(jì)和圖3(b)岸段每條切線上岸線侵蝕/淤積速率統(tǒng)計(jì)顯示，切線段岸線在2005—2017年間的12年內(nèi)海岸整體處于侵蝕狀態(tài)，平均蝕退速率0.8 m/a。侵蝕速率自北向南逐漸減弱，至第312號(hào)切線(北起4.3 km處)岸線蝕退速率達(dá)到0，向南轉(zhuǎn)為微淤積狀態(tài)。其中岸線侵蝕最嚴(yán)重的地方發(fā)生在北側(cè)第100號(hào)剖面處，海岸后退距離達(dá)到34 m。侵蝕段在泄洪口和原潟湖口出現(xiàn)異常，即口門發(fā)生小段淤積。三個(gè)時(shí)段變化各不相同。(1)岬角形態(tài)改變前(2005—2008年底)，切線段整體處于侵蝕狀態(tài)，平均侵蝕速率約為1.5 m/a，岸線自北向南逐漸由侵蝕轉(zhuǎn)化為淤積，轉(zhuǎn)換點(diǎn)位于第260號(hào)剖面(北起3.4 km)處，在泄洪口和原潟湖口處因岸線形狀改變出現(xiàn)淤積狀態(tài)。(2)岬角形態(tài)改變中(2009—2014年)，切線段全段以侵蝕為主，平均侵蝕速率降至0.2 m/a。(3)岬角形態(tài)改變完成后(2015—2017年)，切線段北側(cè)侵蝕加劇，平均侵蝕速率達(dá)到1.0 m/a，而南段轉(zhuǎn)為輕微淤積狀態(tài)。

圖3 岸線侵蝕/淤積速率隨剖面號(hào)的變化趨勢(shì)

4 分析與討論

4.1 岸線動(dòng)態(tài)演化規(guī)律探討

上述調(diào)查結(jié)果已清晰地顯示了岬角形狀改變前后的岸線變化特征。為了進(jìn)一步分析海岸地質(zhì)作用發(fā)生的規(guī)律，本文根據(jù)海岸線的區(qū)域劃分選擇4條斷面(位置見圖2)進(jìn)行岸線位置的蝕積轉(zhuǎn)化分析。其中A斷面位于過渡段北人工岸線處，B斷面位于過渡段海岸轉(zhuǎn)折點(diǎn)，C、D斷面分別位于切線段中部和南部。斷面起點(diǎn)以2005年海岸線為基準(zhǔn)，逐年統(tǒng)計(jì)切片交叉點(diǎn)岸線相對(duì)于2005年岸線的距離，得到每條斷面岸線移動(dòng)距離隨時(shí)間的變化曲線(見圖4)。從圖上可以看出，除位于過渡段人工岸線的A斷面沒有變化外，B、C、D斷面沙質(zhì)岸線均處于侵蝕淤積的動(dòng)態(tài)變化中。在防波堤建成前，B斷面處以侵蝕后退為主，C、D斷面處于弱侵蝕狀態(tài)。防波堤建設(shè)成后，B斷面由侵蝕轉(zhuǎn)向弱淤積，C斷面依然處于弱侵蝕狀態(tài)，D斷面轉(zhuǎn)向淤積。

圖4 各斷面移動(dòng)距離隨時(shí)間的變化曲線(2005—2017)

分析認(rèn)為，研究區(qū)岬灣內(nèi)雖有多條河流注入，但多年來河流中下游區(qū)域紛紛建壩攔沙，節(jié)節(jié)筑壩使得泥沙很少能到達(dá)河口區(qū)，2009年后入?？陉懤m(xù)修建的防潮壩徹底阻斷了上游泥沙。而董家口嘴以北眾多的小海灣阻擋了泥沙在該區(qū)SW向沿岸流的搬運(yùn)，則研究區(qū)灣內(nèi)已多年無沿岸泥沙補(bǔ)給。因此研究區(qū)在短時(shí)間尺度內(nèi)可以被認(rèn)為是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，這樣岸線的泥沙堆積來源的途徑僅限于鄰近海灘、或者海岸物質(zhì)的侵蝕與搬運(yùn)以及灣內(nèi)泥沙的再懸浮。波致沿岸流和潮流產(chǎn)生的沿岸流成為該區(qū)海岸帶泥沙搬運(yùn)的主在動(dòng)力。

岬角形狀改變之前，在海灣切線段在盛行波浪斜向入射，形成平行于海岸的NE向波浪流，稱之為波生沿岸流，導(dǎo)致切線段南段泥沙沿岸向NE向的移動(dòng)而岸線侵蝕。而在區(qū)域性沿岸流作用下，過渡段北側(cè)泥沙向SW向輸運(yùn)，兩者共同作用，在切線段至過渡段岸段泥沙堆積形成新積岸線，并一直向外淤漲形成新的陸地。為保護(hù)海岸，當(dāng)?shù)卦苑N了防護(hù)林，這種海岸自然淤積現(xiàn)象被當(dāng)?shù)胤Q為“人工生態(tài)修復(fù)的典型”。

岬角形狀改變過程中，董家口防波堤逐漸向海伸出1.9 km，防波堤產(chǎn)生導(dǎo)流和新的挑流作用，工程施工導(dǎo)致岬角處泥沙被擾動(dòng)在區(qū)域性南西向沿岸流作用下進(jìn)入灣內(nèi)，部分泥沙在各岸段重新分配，引起過渡段泥沙沉積量增加，切線段侵蝕速率降低。防波堤建成后，灣內(nèi)動(dòng)力環(huán)境逐漸達(dá)到新的平衡，C斷面以南D斷面處因任家臺(tái)岬角的遮蔽作用岸線形成一定程度的淤積。當(dāng)波生沿岸流到達(dá)C斷面因?yàn)晨趯挾茸冋霈F(xiàn)增強(qiáng)，導(dǎo)致C斷面北側(cè)岸線侵蝕，原壩頭堆積沙體消失，2019年調(diào)查時(shí)海水已侵入到該處防潮大堤根部(見圖5)。當(dāng)?shù)卦?015年1月在大風(fēng)期間出現(xiàn)海岸數(shù)百米防潮堤垮塌的事故，對(duì)堤內(nèi)安全構(gòu)成威脅。而B斷面所代表的過渡段受岬角改變影響較大，2017年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)B斷面南側(cè)發(fā)生了明顯的侵蝕，出現(xiàn)沿岸侵蝕陡坎，已有沿岸防護(hù)林已傾伏到海中(見圖6)，侵蝕泥沙落淤在B斷面北側(cè)形成向北延伸的沙嘴，B斷面迅速由侵蝕轉(zhuǎn)為淤積?？梢?，向海突出的新岬角改變了灣內(nèi)的水動(dòng)力條件，導(dǎo)致下游切線段波生沿岸流增強(qiáng)，海岸侵蝕加劇。

圖5 在切線段北部海水已侵入到防潮大堤根部(2019年)

圖6 B斷面南側(cè)的侵蝕現(xiàn)象，海岸防護(hù)林傾伏至海中(2017年)

4.2 海岸穩(wěn)定性趨勢(shì)分析

Silvester和夏益民通過對(duì)實(shí)驗(yàn)和原型海灣各形態(tài)要素與波浪要素之間的關(guān)系比較統(tǒng)計(jì)，擬合出滿足海灣形態(tài)的函數(shù)曲線，以此作為靜態(tài)平衡海灣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[17]。Hsu和Evans通過統(tǒng)計(jì)分析27個(gè)被認(rèn)為是處于靜態(tài)平衡的原型海灣和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4]，提出了岬灣平面形態(tài)的拋物線方程(1)，并提出了海岸穩(wěn)定性判別方法：首先確定海灣盛行波向入射角，然后解析數(shù)學(xué)方程得到岬灣靜態(tài)平衡岸線，將平衡岸線疊加在原有岸線上，通過分析平衡岸線和現(xiàn)有岸線的差異性判定海岸穩(wěn)定性來預(yù)測(cè)未來岸線是否侵蝕或者淤積。根據(jù)模型，如果海灣的要素點(diǎn)落在曲線上，則為穩(wěn)定海岸，如果低于/高于曲線則為不穩(wěn)定海岸。

Rn/R0=C1+C2×(β/θ)+C3×(β/θ)2。

(1)

式中:R0為控制線長(zhǎng)度；Rn為任一條極半徑；β為盛行波波峰線與控制線的岬角；θ為Rn與R0之間的極角；C1、C2、C3為27處海灣回歸分析得到的參數(shù)，與β的四階方程相關(guān)。

通過類比研究，本文選用拋物線方程對(duì)研究區(qū)岬角形態(tài)改變(建港)前后平面形態(tài)進(jìn)行擬合，獲得研究區(qū)2005和2014年的海岸平衡線方程(2)和(3)，繪制其與實(shí)際岸線的位置如圖2所示。

2005年：Rn/14 272=0.043 724+1.678 879×(31/θ)-0.197 8×(31/θ)2。

(2)

2014年：Rn/13 495=-0.003 74+2.409 548×(41/θ)-0.344 75×(41/θ)2。

(3)

從圖2上可以看出，防波堤伸入引起岬角控制點(diǎn)向南移動(dòng)，導(dǎo)致岬灣控制線Ro、盛行波向與控制線夾角β發(fā)生變化，導(dǎo)致靜態(tài)平衡岸線位置發(fā)生變動(dòng)，遮蔽段與過渡段分界線向南遷移了1.6 km。

根據(jù)靜態(tài)平衡岸線判定海岸穩(wěn)定性的依據(jù)，2005年切線段南部區(qū)域，實(shí)際岸線在靜態(tài)平衡岸線后方，判定海岸淤積；而中、北部實(shí)際岸線在靜態(tài)平衡岸線前方，判定海岸侵蝕。與2005—2008年切線段岸線變遷規(guī)律相符合。岬角形態(tài)改變后形成新的靜態(tài)平衡岸線，根據(jù)靜態(tài)平衡岸線重新判定。2014年切線段南部區(qū)域，實(shí)際岸線在靜態(tài)平衡岸線向陸位置，判定為海岸淤積，而中、北部實(shí)際岸線在靜態(tài)平衡岸線更向海的位置，判定為海岸侵蝕，與2015—2017年切線段岸線的變遷規(guī)律趨勢(shì)吻合?？梢钥闯觯摲椒ㄔ谇芯€段和穩(wěn)定性判別是適用的。根據(jù)靜態(tài)平衡線與現(xiàn)在岸線位置關(guān)系，切線段海岸平均需要蝕退9.7 m，才能與靜態(tài)平衡岸線相吻合。切線段還將繼續(xù)發(fā)生侵蝕，需引起管理部門的注意。

5 結(jié)論

通過對(duì)岬角形狀改變后灣內(nèi)岸線演化規(guī)律的探討，得出以下結(jié)論：

(1)岬間海灣岬角形狀改變對(duì)灣內(nèi)岸線變遷將產(chǎn)生了一定程度的影響，其中影響最大是的過渡段，其次是切線段。

(2)岬角形狀改變過程中，工程建設(shè)導(dǎo)致岬角周圍海底的泥沙被大量擾動(dòng)，在SW向沿岸流作用下向?yàn)硟?nèi)輻散，導(dǎo)致切線段泥沙沉積量增加，侵蝕速率降低。岬角形狀改變完成后，NE向波致沿岸流加強(qiáng)，混沙向北輸送至過渡段，致切線段北側(cè)海岸侵蝕速率增加，過渡段淤積速率增加。

(3)目前黃家塘岬灣內(nèi)切線段北段海岸仍未形成新的動(dòng)力平衡，海岸侵蝕可能后退9.7 m后達(dá)到穩(wěn)定。灣內(nèi)岸線發(fā)生變遷的動(dòng)力機(jī)制來源于灣內(nèi)切線段波生沿岸流增強(qiáng)。