王立楊，付玉成，楊麗中，石洪源*，尤再進 ，馮興如

(1.魯東大學 土木工程學院,山東 煙臺 264025；2.大連海事大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116026；3.中國科學院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動重點實驗室,山東 青島 266071)

海灘是海陸交互的重要地帶,臺風在海灘剖面的演變中起著重要作用[1],其引發(fā)風暴的增水和大浪,在短時間內(nèi)會造成海灘的嚴重侵蝕和形態(tài)變化[2],海灘對臺風的響應與臺風路徑、海岸形態(tài)、相對于海岸的風向和波浪等許多因素有關[3]。臺風強烈作用后的海灘需要長時間的恢復,短則數(shù)月,長則數(shù)年[4],在臺風后的1～2月內(nèi)是海灘的快速恢復期[5],之后要經(jīng)過長達數(shù)年的調(diào)整,最終會恢復到其歷史平均形態(tài)[6]。

在全球氣候變暖大背景下,臺風頻率有逐年增加的趨勢[7],海灘對臺風的響應愈加引起研究者的重視,Larson和Kraus[8]提出了風暴侵蝕海岸模型并給出了經(jīng)驗剖面數(shù)據(jù),Basco[9]通過對37個海灘的觀測分析發(fā)現(xiàn)臺風對不同位置的海灘造成的侵蝕以及臺風后的恢復也均不相同。國內(nèi)對海灘的風暴響應研究也很重視,Qi等[10]發(fā)現(xiàn)不同地貌類型的海灘對臺風的響應也不同,反射性越強的海灘,在臺風中的變化越明顯；陳子燊[11]探究了弧形海岸對臺風的響應過程,提出海灘剖面的變化主要由灘肩進退、后濱侵蝕、水下沙壩運移等空間過程組成；蔡鋒等[12]探究了熱帶氣旋前進方向兩側海灘風暴響應特征的差異,認為位于臺風前進路徑右側的海灘對臺風的響應速度更快,遭受的侵蝕破壞程度更大；童宵嶺等[13]通過探究臺風“?？钡卿洉r浙江皇城海灘剖面的變化過程,認為岬角突出程度、相對于臺風的走向是海灘對臺風響應強度的重要影響因素。

但是目前針對同一海灘的不同區(qū)域?qū)ε_風的響應研究較少,而且關于海灘對臺風的響應研究,國內(nèi)主要聚焦于東南沿海地區(qū)的海灘,鮮有關注山東海灘。山東擁有3 000 km 長的海岸線,而且山東岸灘侵蝕災害頻發(fā),風暴潮、巨浪等極端天氣造成了巨大的經(jīng)濟損失,僅“利奇馬”過境對山東省就造成了多達26.31億的經(jīng)濟損失[14]。因此臺風對楮島海灘影響的研究,可為山東海灘保護研究提供重要參考。

本研究利用臺風前后楮島海灘固定剖面的連續(xù)測量和沉積物數(shù)據(jù),通過研究同一沙灘不同剖面在臺風下的變化特征,探究其對“利奇馬”的響應特征,為楮島海灘的開發(fā)與養(yǎng)護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)楮島(122°31′～122°34′E,37°00′～37°03′N)位于山東半島魯東膠南隆起區(qū)域,東臨黃海、南臨石島灣、北接桑溝灣(圖1)。楮島面積約0.75 km2,沙灘長約2.7 km,前濱帶寬43.2 m,后濱寬33.4 m,沉積物主要以細砂為主,為優(yōu)質(zhì)的天然砂質(zhì)海岸。研究區(qū)屬于溫帶季風氣候,常風向為N－NW,平均風速6.4～6.6 m/s,年降水量分配不均,夏季降水量約占全年總降水量的80%[15]。楮島所處海域主要以風浪為主,基本不受涌浪的影響[16],主要波向是SW 和SEE 向,年平均有效波高0.41 m,年最大有效波高1.47 m,年最大波高3.6 m,年平均周期5.02 s。

圖1 研究區(qū)位置及“利奇馬”臺風路徑Fig.1 The location of the study area and the route of Typhoon Lekima

2 材料與方法

2.1 臺風“利奇馬”概況

2019年第9 號臺風“利奇馬”是當年登錄我國的最強臺風,于2019-08-04T14:00在太平洋上生成,中心坐標(131°54′E,17°24′N),中心最大風力為18 m/s,強度為熱帶風暴級,8月7日23:00加強為超強臺風,8月10日01:45在臺州溫嶺城南鎮(zhèn)沿海登錄,登錄時風速達到了16 級(52 m/s),登陸后的“利奇馬”穿過浙江和江蘇,8月11日12:00從連云港附近出海,沿著偏北方向移動,于當天20時在青島市黃島區(qū)再次登陸,中心風力為23 m/s,強度為熱帶風暴級,風圈的影響半徑最大約330 km。自此楮島進入其影響范圍內(nèi),直至被停止編號[14]。

通過楮島外中國科學院7 號浮標(122°34′48″E,37°03′36″N)獲得“利奇馬”登陸前后研究區(qū)的波浪、風數(shù)據(jù)(圖2),浮標可收集波高、波向、風速、風向等波浪氣象要素。波動時分辨率可達1 cm,海洋起伏的交叉靈敏度小于3%,數(shù)據(jù)以1.28 Hz的頻率記錄,每0.5 h處理一次。8月正常狀態(tài)下,研究區(qū)海域風向以NW 向和WEW 向為主,臺風影響期間研究區(qū)海域風向主要為S向和SSE 向(圖2),于8月11日16:00研究區(qū)最大風速達到了18.6 m/s,是常風速的3倍。臺風影響期間研究區(qū)最大波高達到了5.7 m(圖2),主要浪向為SE向(圖3)。距離研究區(qū)最近的成山頭潮位站(122°00′E,37°18′N)在風暴過程中最大的風暴增水為60 cm[14],達到了當?shù)氐乃{色警戒潮位。

圖2 臺風登陸前后最大波高逐時變化過程Fig.2 Rose chart of wave and wind directions in the study area under typhoon and normal conditions

圖3 臺風和正常狀態(tài)下研究區(qū)波向及風向玫瑰圖Fig.3 Variations of maximum wave height with time before and after the typhoon

2.2 沙灘剖面高程測量及沉積物取樣

為了獲取臺風前后楮島海灘的地形變化情況,于2019-08-10—13使用測高儀(北斗海達TS7 RTK)對海灘進行觀測。在楮島長約2.7 km 的沙灘設置10個固定監(jiān)測剖面(圖4),岸邊硬化路面打固定樁,每次測量前進行點放樣操作,確保測量的是固定剖面。自岸邊固定樁開始手持儀器,選擇在最低潮位時進行測量,測量點之間距離設置為2 m,沖刷區(qū)則縮短測量距離,設置為50 cm。

圖4 剖面位置Fig.4 Section location

在海灘剖面的沖刷區(qū)、灘肩以及沙丘底腳位置3個固定點采集沙灘表面沉積物,取沙剖面為剖面N01、剖面N06和剖面N10號。取樣時先除去沙灘表面的垃圾等附著物,采集約200 g的沉積物,在實驗室中對砂樣烘干,使用電動振篩分儀對所取樣本篩分,篩分范圍為－2.25Ф～4Ф(Ф＝－log2D,D為中值粒徑),并采用Folk&Ward公式計算沉積物粒度參數(shù):平均粒徑(Md)和分選系數(shù)(σi)[17]。

將各個剖面的歷次測量圖疊加起來(基于1985國家高程基準),對比分析海灘剖面的地形變化特征,同時,通過計算剖面的單寬蝕積量(UED,Unit Erosional Deformation)[10]來表示海灘侵蝕堆積情況(圖5):

圖5 臺風作用下海灘剖面變化[10]Fig.5 Schematic diagram of beach profile changes under a typhoon[10]

式中:UED 表示剖面的侵蝕、淤積量；X為水平坐標；Z為剖面高程。

2.3 海灘狀態(tài)參數(shù)

水動力與地形的相互作用導致了海灘狀態(tài)的變化,海灘狀態(tài)所發(fā)生的改變可以清晰地反映出海灘在臺風中的變化。海灘狀態(tài)參數(shù)的變化與波浪及泥沙粒徑有密切關聯(lián),Wright和Short[18]提出使用無量綱沉降速率(Ω)來劃分海灘的類型:

式中:Hb為破波波高(m)；Ws為泥沙沉降速率(m/s)；T為波浪周期(s)。

由于臺風影響期間研究區(qū)域的破波波高數(shù)據(jù)難以獲取,可通過海灘坡度、沉積物粒徑等易得數(shù)據(jù)間接推導。Sunamura[19]通過因次分析得到海灘坡度計算公式:

式中:tana為海灘坡度；g為重力加速度；D為沉積物中值粒徑(mm)。

依照《海洋傾倒區(qū)選劃技術導則》[20]規(guī)定的泥沙沉速公式和研究區(qū)沉積物平均粒徑大小,選擇D為0.15～1.50 mm,利用岡恰諾夫過渡區(qū)沉降經(jīng)驗公式計算沉降速率w(cm/s):

式中:ρs＝2.65 g/cm3為沙的密度；ρ＝1.02 g/cm3為海水密度；t為溫度(℃)。

由式(2)～(4)聯(lián)立可得[21]:

當Ω＜1時,海灘坡度較陡趨于反射型；當1≤Ω＜6時,海灘型態(tài)介于兩者之間為過渡型；當Ω≥6時,海灘坡度平緩趨于消散型。

3 結果與討論

3.1 臺風前后海灘剖面及沉積物變化

3.1.1 海灘剖面變化

臺風“利奇馬”明顯影響了楮島海灘,海灘剖面地形地貌都發(fā)生了改變。剖面N01～N04類型相似(圖6),4個剖面灘肩明顯,后濱寬度較大。臺風后,剖面類型基本保持原狀或者略顯沙壩式斷面雛形,后濱部分略微侵蝕,灘肩蝕退量很小,侵蝕位置主要集中在高、中潮帶,水下部分略微下蝕,海灘后濱有堆積沙丘形成,單寬侵淤量相差不大,自西向東分別為－9.3,－16.4,－9.2和－10.6 m3/m。

圖6 剖面N01～剖面N04地形變化Fig.6 Topographic changes for N01－N04 profiles

剖面N05和N06(圖7)后濱發(fā)育有窄而尖的風暴灘肩。臺風過后,剖面N05后濱有堆積沙丘形成,灘肩蝕退；剖面N06后濱灘面略微堆積,灘肩被沖刷至基本消失。2個剖面前濱和潮間帶侵蝕嚴重,低潮帶形成了淤積與侵蝕相間的起伏地形,單寬淤積量自西向東分別為:－12.9和－17.7 m3/m。由圖7可知,海灘形態(tài)由灘肩剖面向沙壩剖面轉(zhuǎn)換在剖面N05和N06之間開始,并且在N05剖面以西,沙灘剖面形態(tài)相對穩(wěn)定。

圖7 剖面N05和剖面N06地形變化Fig.7 Topographic changes for N05－N06 profiles

海灘東側4個剖面(剖面N07～剖面N10)(圖8)對“利奇馬”的響應非常強烈,所有剖面均發(fā)生了嚴重的侵蝕,灘面有大量的侵蝕陡坎發(fā)育,最大落差為0.4 m。高潮帶整體下蝕嚴重,前濱泥沙被海浪沖刷帶離致使灘面凹陷,向海移動的泥沙在水下堆積成沙壩,剖面形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷纳硥问狡拭妗?個剖面的單寬淤積量分別為:－19.8、－17.0,5.2和－7.0 m3/m,侵蝕量自西南至東北呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。

圖8 剖面N07～剖面N10地形變化Fig.8 Topographic changes for N07－N10 profiles

3.1.2 海灘沉積物變化

研究區(qū)正常狀態(tài)下和臺風前后海灘表層沉積物特征見表1。由表1可知,在無臺風月份,海灘沉積物粒徑波動很小,臺風期間,研究區(qū)海灘的沉積物發(fā)生了顯著的改變,沉積物粗化,沖刷區(qū)非常顯著,沙灘的平均粒徑范圍由臺風前的2.02Ф～3.37Ф變?yōu)?.36Ф～2.43Ф。在臺風前,各個剖面的沉積物分選系數(shù)集中在0.64～1.08,以分選系數(shù)較好(0.50＜σi＜0.71)到中等(0.71＜σi＜1.00)為主。經(jīng)臺風作用分選系數(shù)范圍變?yōu)?.62～2.09,沉積物分選性變差。

表1 楮島海灘表層沉積物特征Table 1 Characteristics of surface sediments from Chudao beach

綜上所述,3個剖面沖刷區(qū)區(qū)域的粒徑變化均變粗,而且幅度最大,灘肩區(qū)域次之,沙丘底腳區(qū)域變化最小,分選系數(shù)(σi)的變化同平均粒徑Ф值表現(xiàn)較為一致。臺風期間強大的動力條件對灘面產(chǎn)生的侵蝕作用將表層細顆粒沉積物帶走,使下層粗顆粒沉積物裸露(圖9),是導致臺風后粒度整體粗化的重要原因。

圖9 2019-08-13臺風過后灘面情況Fig.9 The situation of the beach after the typhoon in 2019-08-13

3.1.3 海灘地形動力狀態(tài)變化

在極端波況下隨著海灘對臺風的響應,其地形動力狀態(tài)也會發(fā)生變化。臺風前后,研究區(qū)海灘剖面N01、剖面N06和剖面N10的海灘地形狀態(tài)特征值見表2。

表2 利奇馬前后楮島海灘剖面類型Table 2 Beach profile types of the Chudao before and after the Typhoon Lekima

臺風過后,剖面N01、剖面N06和剖面N10的Ω 值都變大,地形狀態(tài)相比臺風前更加消散。剖面N01的Ω值變化最小,剖面N10變大幅度最大,自西南向東北呈現(xiàn)逐漸增大的態(tài)勢。臺風期間研究區(qū)的最大波高達到了5.7 m,研究區(qū)海洋動力環(huán)境增強,海灘迅速響應,原本屬于消散型的剖面N01、剖面N06和剖面N10呈現(xiàn)更加消散的狀態(tài),灘肩消失,坡度減小,以緩沖大浪帶來的能量。剖面N01左側有小型船塢的遮蔽削弱了波浪的強度以及有寬大的灘肩致使其受臺風的影響相對較小。

3.2 臺風前后各剖面變化的原因分析

在臺風作用下,楮島海灘各個剖面均遭侵蝕,并且侵蝕主要集中于灘肩和潮間帶。前濱表層細砂被大浪帶走,致使灘面下的大量礫石露出,由于風暴影響期間主要浪向為SSE 向和S向,而沙灘為NNE－SSW 走向,臺風造成的大浪幾乎直接沖擊所有剖面,致使臺風對海灘的所有剖面均造成了一定程度的破壞。

根據(jù)尤再進等[22]給出的沙丘-海灘穩(wěn)定性因素分析,海灘西南側的剖面N01～剖面N05由于灘肩較寬,沙丘底腳高程較高,坡度較緩,穩(wěn)定性相對較好,故在臺風期間雖有侵蝕但蝕量較小,剖面形態(tài)變化相對不明顯。海灘東北側的剖面N06～剖面N10沒有灘肩、坡度陡、穩(wěn)定性差,故在臺風期間侵蝕情況比較嚴重,剖面形態(tài)變化明顯,成為典型的風暴型剖面。

在臺風期間,研究區(qū)風浪作用以南向為主,在海灘延伸方向上存在著由西南向東北的沿岸流。依照沿岸流計算公式[16]:

式中:αb為波峰線與岸線的夾角。

隨著海灘方位的改變,斜向波入射角αb變小,在αb變小的位置也存在沿岸流流速的減小梯度。臺風過境中,高速的沿岸流將會在海岸拐點以南海區(qū)激浪帶和濺浪帶內(nèi)的泥沙攜帶,并且自西南向東北搬運。然而隨著沿岸流在岸線方向改變處速度變緩,導致流體切應力變小,因此粒徑較大的泥沙在岸線曲率最大點處沉降下來,故剖面N10沖刷區(qū)粒徑變化最大,由2.10Ф變?yōu)?.85Ф,且分選由中等變?yōu)椴睢?/p>

3.3 風暴路徑走向?qū)_淤的影響

海灘對風暴的響應與風暴路徑的走向有密切的聯(lián)系,楮島海灘呈SW—NE 走向,灣口朝向偏東南,SE向浪對其地形變化影響最大,楮島海灘的剖面走向與臺風“利奇馬”走向近乎垂直,SE 向的大浪近乎正面沖擊海灘,使得其剖面產(chǎn)生了較大的沖淤變化。熱帶氣旋的低層風場是不對稱的,在前進方向的右側,由于風向和前進方向一致,移速和風速相互疊加,這就造成熱帶氣旋前進方向右側的風力比較大,臺風所誘發(fā)的臺風浪能量較高。楮島海灘位于“利奇馬”前進方向的右側,并且其沿海為向岸浪,這就使得波浪的破壞作用加劇,導致研究區(qū)海灘形態(tài)變化十分顯著,海灘東北側的剖面N06～剖面N10變?yōu)樯硥问狡拭妗?/p>

4 結論

本文通過對“利奇馬”登陸前后楮島海灘剖面的觀測和表層沉積物樣品研究,探討該處海灘對臺風的響應特征,得出以下主要結論:

①在臺風“利奇馬”的影響下,楮島海灘遭受侵蝕,不同岸段對臺風的響應表現(xiàn)出差異性:西南側剖面N01～剖面N05形態(tài)變化不大,東北側剖面N06～剖面N10形態(tài)由灘肩式向沙壩式轉(zhuǎn)變。這種差異性與剖面形態(tài)有著密切關聯(lián)。由于在剖面N10斜向波入射角αb變小,導致沿岸流在此處速度變緩,粒徑較大的沉積物在此處沉降下來,致使剖面N10沖刷區(qū)粒徑變化最大。

②在臺風作用下,楮島海灘的表層沉積物變粗,沖刷區(qū)尤為明顯,臺風后平均粒徑由2.02Ф～3.37Ф變?yōu)?.36Ф～2.43Ф。沉積物的分選性變差,分選系數(shù)由0.64～1.08變?yōu)?.62～2.09。海灘剖面的無量綱沉降速率(Ω)增大,表明海灘狀態(tài)朝著更加消散狀態(tài)轉(zhuǎn)化,以緩沖和適應高強度的海洋動力條件。