陳燕珊，戚洪帥，楊清書，蔡鋒，劉根,5，朱君，趙紹華

(1.中山大學 海洋工程與技術學院 中山大學河口海岸研究所，廣東 廣州 510275；2.自然資源部第三海洋研究所 海洋與海岸地質研究室，福建 廈門 361005；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510275；4.廣東省海岸與島礁工程技術研究中心，廣東 珠海 510275；5.自然資源部北部灣濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)野外科學觀測研究站，廣西 北海 536015)

1 引言

在全球氣候變化和人類活動頻繁背景下，珊瑚礁海岸最常見的地貌組合——珊瑚礁–海灘系統(tǒng)對環(huán)境變化響應極其敏感，探索珊瑚礁與海灘地貌之間的動力地貌聯(lián)系是認識珊瑚礁海岸變化的重要一環(huán)，可為海岸防護和生態(tài)修復提供科學依據。

波浪過程是珊瑚礁海岸研究中的重要科學問題，礁體能有效削弱外海傳至近岸波能，對岸灘起到一定保護作用[1]，目前多數研究集中于對影響礁體波浪傳播過程的因素進行分析。研究表明，礁坪水深、礁坪寬度、岸灘坡度、礁體形態(tài)通過影響波浪傳播變化如波浪破碎、摩阻損失、礁坪共振等過程，引起不同頻段波能的重新分配，導致近岸波能主控頻段分布呈現(xiàn)差異性特征[2–8]。不同地貌對動力、沉積輸運過程差異導致海灘地貌特征不同，盡管前人有所研究[7,9–14]，但針對珊瑚礁海岸區(qū)域，近岸不同主控頻段波浪影響下的海灘地貌特征分析研究存在不足，因此，有必要開展珊瑚礁海岸對區(qū)域波浪能量變化以及礁后海灘地貌的研究，探討礁體地形與礁后海灘動力地貌之間的聯(lián)系。數值模型是研究珊瑚礁海岸波浪過程常用的方法之一，相位平均模型如SWAN、Delft-3D、MIKE21 SW 等模型對波浪過程的求解一般基于能量守恒原理，但此類模型無法精細刻畫珊瑚礁海岸波浪傳播過程。相位解析模型如非靜壓模型、Boussinesq類模型可模擬高色散完全非線性波浪過程，計算精度和效率相對更高?；诩げú蹲降耐耆蔷€性Boussinesq方程模型FUNWAVE 可避免因引入人工率定經驗參數帶來的不確定性，被成功應用于珊瑚礁海岸波浪傳播的模擬[4,15]。本文通過對華南雷州半島徐聞西落港珊瑚礁海岸沉積以及地形特征分析，運用FUNWAVETVD 模擬分析不同礁體地形上波能傳播過程，并結合礁后海灘平衡剖面特征，探討珊瑚礁海岸礁后海灘動力地貌差異性及其機理。

2 材料和方法

2.1 野外調查

研究區(qū)為徐聞西落港珊瑚礁海岸，地處廣東雷州半島西南海岸、燈樓角北部區(qū)域，與海南島北部隔海相望（圖1a），是我國珊瑚礁海岸（岸礁）的主要分布區(qū)域之一，該區(qū)域珊瑚礁因受到如炸魚、礁坪采掘、養(yǎng)殖引起水質污染等人為活動的影響而發(fā)生一定損毀以及退化[16]。該海區(qū)為熱帶季風氣候，屬全日潮，潮差約為1.5 m，波浪主要由外海傳入，具有明顯季節(jié)性變化，波高約為0.6 m[17]。

為了研究其地形地貌特征，對該區(qū)域開展了野外調查。調查斷面根據歷史資料選擇礁坪存在明顯差異的剖面進行布設，剖面調查時間是在2020 年8 月10–11 日（夏季），該處主要受夏季西南向浪影響，調查時間可以適當反映海灘狀態(tài)。研究區(qū)域從南向北布設P1、P2 和P3 3 個珊瑚礁海岸剖面（圖1b），3 個剖面礁體受損程度不同，P2 剖面海灘上珊瑚礁碎屑數量較多且顆粒較大，其次是P3 剖面，而P1 剖面海灘上珊瑚礁碎屑相對更少（圖1c 至圖1e）。岸灘地形測量采用STONEX S9Ⅱ型的RTK-GPS，水平和高程誤差分別為±1 cm 和±2 cm，從后方植被線向海測至涉水深度（圖1c 至圖1e 虛線）。水下地形測量采用云洲SE40 型的無人船搭載單波束完成，測量范圍水深0.5～10 m（圖1b 虛線）水平誤差和水深精度分別為±10 cm 和±5 cm。研究區(qū)海灘沉積物差異不大，選擇P1 剖面進行表層沉積物采樣，采樣高程間距為0.5 m，共獲得10 個表層沉積物樣品。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2.2 沉積物粒度分析

沉積物粒度分析采用激光粒度分析法和篩分法相結合的方式，對于相對較粗的沉積物樣品（含礫石），取適量烘干，加入去離子水充分分散，使用篩分法對粒度大于2 mm 的顆粒進行粒度分級。而對于其中粒度小于2 mm 的部分沉積物，取適量樣品溶液，加入0.05 mol/L 六偏硫酸鈉溶液約5 mL，使用馬爾文公司生產的MS2000激光粒度儀（0.02～2 000 μm）進行粒度分析。粒度參數計算采用?？栓C沃德粒度參數公式[18]，粒級標準采用尤登–溫德華等比制Φ 值粒級標準[19]，沉積物類型采用謝帕德的沉積物粒度三角圖解法[20]。

2.3 數值模擬與驗證

數值模型采用基于完全非線性Boussinesq 方程的FUNWAVE-TVD 3.5 模型，該模型適用于模擬近岸波浪淺化、反射、折射、破碎以及波浪在岸灘區(qū)域的爬高與下沖等過程[21]。模擬區(qū)域徐聞剖面總長為2 000 m，礁體底床摩擦系數Cd=0.05，入射波譜型采用研究中常用的JONSWAP 不規(guī)則波經驗譜，譜峰升高因子γ=3.3，在礁緣外入射。徐聞月平均波高為0.6 m，月平均波周期為3.5～4.9 s[16–17,22]，故正常波況波浪設置為譜峰周期Tp=4.6 s，入射波高Hi=0.6 m。采樣頻率為1.0 s，模擬時長以水位時間序列達到穩(wěn)定狀態(tài)并持續(xù)一段時間為止。模型區(qū)域設置如圖2。模型輸出水位時間序列最后相對穩(wěn)定的200 s 的數據用于譜分析，譜分析參數設置取默認值，采用Hanning 窗口，50%重疊率，頻域分辨率為0.009 8 Hz。短波頻率一般介于0.04～1.00 Hz之間，次重力波指頻率低于短波的海表面流體波動，頻率一般介于0.005～0.04 Hz 之間。由水位時間序列的譜分析可得波能密度–頻率（S（f）-f）分布關系，進而可計算全譜波波能（式（1））、短波波能（式（2））以及次重力波波能（式（3））（f為頻率，單位為Hz）。

圖2 珊瑚礁海岸剖面數值模型區(qū)域設置示意Fig.2 Schematic of cross-shore profiles of reef topography in the numerical experiments

為對FUNWAVE-TVD 數值模型模擬珊瑚礁海岸波浪傳播過程的適用性進行驗證，本文將模型模擬結果與密歇根大學進行的基于概化珊瑚礁地形的水槽模型實驗[23]結果進行誤差分析（式（4）[24]，圖3），結果表明數值模型結果與水槽模型結果吻合較好，有效波高模擬誤差Skill≈0.93，次重力波波高模擬誤差Skill≈0.79，故該數值模型模擬精確度較高，適用于珊瑚礁海岸波浪過程的模擬。在對模型進行驗證后，接下來對模型數值穩(wěn)定性進行探究：數值穩(wěn)定性與模型使用網格大小有關，一般以波長作為網格大小選取的參考依據。本文數值模型以2 倍關系加密計算網格，計算區(qū)域網格大小ρΔx分別為Lp/21、Lp/41、Lp/82、Lp/165（Lp為譜峰波長），選取離岸50 m、100 m 處波面變化穩(wěn)定性進行了分析（圖4），可知模型在Δx=Lp/165，即單位網格大小約為0.2 m 時，結果已收斂。

圖3 有效波高（黑線）和次重力波波高（紅線）實測值與數值模擬值比較Fig.3 Spatial variations of measured and predicted significant wave heights (black line),infragravity wave heights (red line)

圖4 網格尺寸對剖面離岸50 m 和100 m 處波面變化的影響Fig.4 Influence of grid sizes on water surface elevation at 50 m and 100 m distance from shoreline

式中，N是實驗點總數；Xp是模型模擬值；Xo是實測值；Skill值越接近1，表明誤差越小。

3 結果

3.1 珊瑚礁海岸地形地貌與沉積特征

徐聞西落港珊瑚礁海岸P1、P2、P3 3 個剖面礁坪基本淹沒于平均海平面之下，且主要分布于潮下帶，3 個剖面珊瑚礁和礁后海灘地貌呈現(xiàn)明顯差異性特征。P1 剖面珊瑚礁發(fā)育較完善，礁坪寬度是3 條剖面中最寬廣的，礁緣水深為1.27 m，礁后海灘寬度小而坡度大，后濱無灘肩發(fā)育，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；P2 剖面珊瑚礁受破壞較嚴重，礁坪窄短，礁緣水深為0.69 m，礁后海灘較寬緩，處于侵蝕狀態(tài)；P3 剖面活體珊瑚覆蓋率高，礁坪寬度較P1 小，但礁緣水深較大，礁后海灘灘肩發(fā)育，海灘坡度與P1 近似，穩(wěn)定性較好（圖5，表1）。比較來看，P1 和P3 剖面海灘的反射性較強，而P2 剖面灘面耗散性較強[24]。

圖5 徐聞西落港珊瑚礁海岸地形Fig.5 Topography of fringing reef in Xiluo Port,Xuwen

表1 徐聞西落港珊瑚礁海岸不同剖面地形參數Table 1 Topographic parameters of fringing reef in the Xiluo Port,Xuwen

海灘表層沉積物類型以砂為主，中值粒徑在0.24 Φ～1.95 Φ 范圍內變動，由岸向海，表層沉積物粒徑逐漸變細，平均高潮面和平均海平面間的區(qū)域岸灘表層沉積物粒徑變動較大，平均海平面以下，表層沉積物粒徑基本不變（圖6）。

圖6 徐聞西落港海岸P1 剖面粒度參數沿程分布Fig.6 Cross-shore distribution of surface sediment grain-size parameters in the Xiluo Port,Xuwen

3.2 不同剖面的波能差異

基于實測剖面地形，對3 個不同特征的珊瑚礁海岸進行數值試驗。模擬結果表明，受岸灘差異性反射作用影響，各剖面礁后海灘附近波浪呈不同程度振蕩趨勢分布，研究區(qū)不同剖面礁后海灘（0 m 等深線）短波波能Ess0、次重力波波能Eig0、短波波能占全譜波波能比重（Ess0/E0）、次重力波波能占全譜波波能比重（Eig0/E0）、短波波能相對入射短波波能變化率（(Ess0?Essλ)/Essλ）、次重力波波能相對入射次重力波波能變化率（(Eig0?Eigλ)/Eigλ）均呈現(xiàn)明顯差異性特征（圖7，表2）。

圖7 徐聞西落港珊瑚礁海岸短波波能（Ess0）（a1?a3），次重力波波能（Eig0）（b1?b3）和珊瑚礁海岸地形（c1?c3）沿程分布Fig.7 Spatial variations of short wave energy (Ess0) (a1?a3),infragravity wave energy (Eig0) (b1?b3) and reef topography (c1?c3) in the Xiluo Port,Xuwen

表2 徐聞西落港珊瑚礁海岸0 m 等深線處波能及波能成分比重Table 2 Wave energy and its’ variation in different wave band along the 0 m isobaths in the Xiluo Port,Xuwen

各剖面礁后海灘短波相對外海都是衰減的，P2剖面近岸短波波能相對外海短波波能衰減率最大，短波波能最?。籔1 剖面近岸短波波能衰減率略小于P2 剖面；P3 剖面短波波能衰減率最小，到達礁后海灘短波剩余波能最大。各剖面礁后海灘次重力波波能相對外海都顯著增大，其中P3 剖面次重力波波能增長率最大，P1 剖面次重力波波能增長率最小。由于各剖面短波波能和次重力波波能變化率不同，礁后海灘各頻段波能占全譜波波能比重出現(xiàn)差異。P1 和P3 剖面礁后海灘短波波能占全譜波波能比重都大于對應剖面次重力波波能占全譜波波能比重，其中次重力波波能占全譜波波能比例分別約為30.42%和43.86%；P2 剖面則與之不同，礁后海灘次重力波波能占全譜波波能的86.89%?？傮w來看，耗散性強的P2 剖面礁后海灘波能以次重力波頻段波浪為主，而對于反射性較強的P1 和P3 剖面礁后海灘波能主要以短波波浪為主。

4 討論

4.1 剖面波能差異性原因分析

研究區(qū)各剖面波能沿程變化規(guī)律基本與前人研究結果一致[25–27]，模型試驗可以較好的體現(xiàn)其波浪過程差異。不同剖面波能分布呈現(xiàn)明顯差異，因波浪傳播過程受礁體水深、礁坪寬度、地形坡度等因素影響顯著。

波浪由外海傳播至近岸時，波浪在礁緣附近發(fā)生破碎，波浪破碎引起水體強烈的紊動和漩渦，導致入射短波波能顯著衰減。在波浪繼續(xù)向岸傳播過程中，礁坪水深越小，因礁坪底床對波浪水流的摩阻力而引起的波能損失更大，而礁坪寬度越大意味著波浪傳播需經過更長的路程，導致波能衰減量越多[5–6]，對于岸灘坡度相近的P1 和P3 剖面來說，P1 剖面由于礁體水深較小且礁坪寬廣，短波波能損失較大，導致到達近岸短波波能較小，相反，P3 剖面由于礁體水深較大且礁坪寬度較小，其短波波能損失較小，到達近岸短波波能更大。礁冠處由于水深突變，進而引起破波點處更大的湍動能，波浪破碎效應更強烈，相對無礁冠結構礁體，存在礁冠結構的礁體對入射波能削弱性更大[7–8]。故導致礁坪寬度最窄的P2 剖面近岸短波剩余波能是3 個剖面中最小，就因其礁緣處存在礁冠結構。

波浪破碎同樣也會導致次重力波波能衰減，但與此同時，基于移動破波點機制的驅動，波能由短波頻段向次重力波頻段轉移，對波浪的落后與超前時間相關分析或譜分析都發(fā)現(xiàn)了礁緣附近次重力波生成的現(xiàn)象[27–30]。礁坪寬度、礁體水深和岸灘坡度對次重力波波能損耗影響與對短波類似[3–5]。P1 剖面破波帶外岸坡反射性強，但其礁坪淺且寬廣，到達近岸時短波和次重力波波能都衰減顯著，而P3 剖面礁體水深較大，進而導致其近岸短波和次重力波波能較大。P2 剖面礁坪寬度小，次重力波波能衰減量相對較少。由于各剖面地形的差異影響，對應剖面短波波能和次重力波波能沿程呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，最終導致礁后海灘的近岸波能主控頻段的差異。P1 和P3 剖面近岸短波波能均大于次重力波波能，導致這兩個剖面近岸波能以短波頻段為主，相反，P2 剖面近岸短波波能小于次重力波波能，導致該剖面近岸波能以次重力波頻段為主。

4.2 礁后海灘動力地貌特征

徐聞西落港珊瑚礁海岸3 條典型剖面珊瑚礁地形和礁后海灘地貌表現(xiàn)出明顯的差異性，從動力地貌學角度兩者是相互聯(lián)系的。海灘地貌形態(tài)受近岸波浪、沉積物以及地質等多種因素影響，是區(qū)域波能在灘面耗散并驅動沉積物分配的結果，趨于形成海灘平衡剖面[31]。海灘平衡剖面形態(tài)模式有助于理解岸灘平衡剖面形態(tài)與近岸波能之間的關系。前人對海灘平衡剖面的研究眾多[32–38]，其中最具代表性的是Dean 基于美國大西洋海岸和墨西哥海岸504 條海灘剖面的擬合結果，其提出的海灘平衡剖面模式，被廣泛應用于浪控海灘。然而對于珊瑚礁海岸而言，礁體地形對礁后海灘水動力環(huán)境影響顯著，該平衡剖面模式存在較大局限性，Mu?óz-Pérez 等[9]基于Dean 的海灘平衡剖面模型，提出了適用于珊瑚礁海岸礁后海灘平衡剖面模型

上式擬合起點位于坐標系原點，根據本文實測海灘地形，對海灘平衡剖面擬合起點進行相應的平移轉化

式中，h為擬合起點為坐標系原點的剖面高程（單位：m）；h′為擬合起點平移轉化后的剖面高程（單位：m）；h0為岸線所在位置高程（平均大潮高潮線，單位：m）；x為離岸距離（單位：m）；x0為岸線位置（單位：m）；Arp、m為擬合常數；Mu?óz-Pérez 等[9]取m=2/3。雖然該剖面模型形式與Dean 海灘平衡剖面模型一致，但其Arp值不同于Dean 模型中的A值。Arp與A滿足

式中，Γ和β分別為受珊瑚礁保護和不受珊瑚礁保護剖面破波指數；hr為礁坪水深（單位：m）。

對于一個寬廣的礁體（寬度→∞），Γ值位于0.35～0.55 之 間[39]，而β值 位 于0.65～1.1 之 間[40]，故Arp=1.250～4.604A?；贛u?óz-Pérez 等[9]礁后海灘平衡剖面形式對研究區(qū)礁后海灘進行擬合，計算誤差ε（式（6））并取誤差最小的擬合值Arp（圖8，表3）。擬合結果表明P1 和P3 剖面擬合誤差較小，而P2 剖面擬合誤差達36.6%，差異性較大。

表3 各海灘平衡剖面擬合結果及誤差Table 3 Fitting results and errors of each beach equilibrium profile

圖8 徐聞西落港珊瑚礁海岸剖面處岸灘平衡剖面模擬Fig.8 Simulation of the beach equilibrium profile in the Xiluo Port,Xuwen

從海灘平衡剖面模型（式（6））數學形式上可知，擬合參數m的取值決定海灘剖面曲線的反射性強度，由前文分析可知P2 剖面反射性弱，而P1 和P3 剖面反射性較強，故P2 剖面與P1 和P3 剖面應采用不同的m值進行擬合。究其原因，Mu?óz-Pérez 等[9]提出的珊瑚礁海灘平衡剖面模式是基于對西班牙南部海岸的珊瑚礁地形的研究而提出的，該區(qū)域礁坪水深都較大且礁體形態(tài)較平整，模型雖然考慮了珊瑚礁地形對波浪的作用結果，但未能體現(xiàn)不同礁體地形下的波浪傳播差異以及該差異影響下波能主控頻段的分布變化。不同礁體地形影響下的近岸波能主控頻段是不同的，P2 剖面礁后海灘處波能主控頻段為次重力波頻段，而P1 和P3 剖面礁后海灘處波能主控頻段為短波頻段。因此，結合實測地形地貌結果、平衡海灘剖面擬合結果和礁后海灘波浪分布結果可知，不同頻段波浪影響下，礁后海灘地貌特征呈現(xiàn)差異性特征，次重力波主控海岸灘面耗散性較強，呈侵蝕地貌類型；短波主控海岸灘面反射性較強，海灘相對穩(wěn)定。

5 結論

基于對徐聞西落港珊瑚礁海岸典型斷面的調查和基于FUNWAVE-TVD 模型的波浪傳播過程進行模擬分析，分析了不同珊瑚礁地形地貌條件下波浪動力傳播過程，進而揭示了其對礁后海灘的動力地貌特征影響機理。

（1）在人為損毀下，珊瑚礁海岸地形呈現(xiàn)明顯的差異性，導致其礁后海灘也呈現(xiàn)出不同的地貌特征，在礁坪發(fā)育好的的岸段，礁后海灘較窄且陡，灘面反射性較強；而礁坪受損的岸段，礁后海灘更寬緩，灘面耗散性較強。

（2）FUNWAVE-TVD 模型分析表明，礁坪和礁冠地形是珊瑚礁波浪能量變化的主要因素，不同珊瑚礁水下地形對近岸水動力影響明顯，由于短波波能和次重力波波能沿程呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，最終導致礁后海灘的近岸波能主控頻段的差異，在較窄的珊瑚礁海岸，次重力波占比較大。

（3）近岸水動力差異導致礁后海灘不同的動力地貌特征，塑造不同的平衡剖面形態(tài)。不同礁體地形影響下的近岸波能主控頻段是不同的，進而導致礁后海灘平衡剖面呈現(xiàn)差異性特征，現(xiàn)有平衡剖面擬合中皆未考慮該因素的影響。

致謝感謝自然資源部第三海洋研究所海洋與海岸地質研究室海灘組的何巖雨、肖哲宇、宋嘉誠以及胥海濤為野外調查、數據處理以及論文修改提供的幫助。