喜揚洋 , 王日明, 馮炳斌, 陳波

1. 廣西科學院廣西北部灣海洋研究中心, 廣西近海海洋環(huán)境科學重點實驗室, 廣西 南寧 530007;

2. 北部灣大學, 廣西北部灣海岸科學與工程實驗室/欽州市環(huán)境生態(tài)修復重點實驗室, 廣西 欽州 535011;

3. 南寧師范大學, 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室, 廣西 南寧 530000;

4. 華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200062

近年來全球變暖導致氣候變化加劇和海平面上升(Meehl et al, 2005; Nicholls et al, 2010), 世界沿海絕大部分海岸發(fā)生岸線后退及灘面下蝕現(xiàn)象(吉學寬 等, 2019; Athanasiou et al, 2020; Vousdoukas et al, 2020), 對濱海生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展已產(chǎn)生不可忽視的影響。其中, 作為海岸主要極端高能事件之一的臺風, 其對海灘造成的侵蝕后退過程及影響備受國內(nèi)外學者關注(Cai et al, 2009; Gervais et al, 2012; 黎樹式 等, 2017; Shimozono et al, 2020; Valentín et al, 2020)。然而, 海灘地貌對臺風作用的響應關系復雜且結果多樣。如蔡鋒等(2004)的研究表明, 臺風氣旋前進方向右側的海灘受風暴浪沖擊發(fā)生劇烈變化, 而左側海灘地形基本保持原狀; 西北佛羅里達州大堡礁海岸在颶風“伊萬”影響下發(fā)生岸線后退、下凹及沙壩消失等(Wang et al, 2006); Stockdon 等(2007)發(fā)現(xiàn)風暴會對海灘灘肩和濱后沙丘產(chǎn)生較強的侵蝕作用, 然而臺風亦可能會導致海灘局部出現(xiàn)淤積(Ge et al, 2017)。顯然, 臺風強弱、路徑和地理位置的差異性都將導致海灘地貌產(chǎn)生不同的變化(陳子燊, 1995; Short, 1996; 戴志軍 等, 2008; Harley et al, 2017)。因此, 應當在借鑒他人研究結果的基礎上, 獨立分析區(qū)域海灘對臺風的響應, 并考慮更多因素, 不能放大單個臺風的作用(Coco et al, 2014)。

根據(jù)Short(1996)的研究, 將海灘分為弱潮型海灘(平均大潮潮位小于2m)與強潮型海灘(平均大潮潮位大于4m)。以弱潮型海灘為例, 其灘面起伏并發(fā)育有多個沙壩, 相繼的臺風作用可導致弱潮型海灘發(fā)生復雜的侵蝕現(xiàn)象, 沙壩體系發(fā)生明顯的移動, 甚至消亡等(龔昊 等, 2017); 對于強潮型海灘, 其灘面平緩, 后濱發(fā)育有沙丘或灘肩, 在臺風作用下, 后濱沙丘、灘肩和高潮位帶灘面均會遭受強烈侵蝕(雷剛 等, 2005)。然而, 廣西北部灣的海灘多屬于中等潮差性質(zhì), 兼具強潮型海灘光滑平坦的高潮位帶灘面與后濱沙丘和弱潮型海灘豐富的水下沙壩系統(tǒng)(Ge et al, 2017), 其動力地貌過程對臺風的響應具有重要的科學價值, 尤其是北海銀灘(黃鵠 等, 2011; 黃祖明 等, 2021)。

根據(jù)目前已有的報導, 影響銀灘的臺風主要有1409 號臺風“威馬遜”和1621 號臺風“莎莉嘉”。其中, 臺風“威馬遜”作用前后, 海灘沙丘-灘肩-沙壩體系的地貌狀態(tài)基本不變, 海灘局部發(fā)生侵蝕后退(黎樹式 等, 2017); 而臺風“莎莉嘉”則未對銀灘造成明顯的侵蝕(劉濤 等, 2020), 其沖淤幅度相對較小(黃祖明 等, 2021)。綜上, 這兩個臺風均未對銀灘造成顯著的影響, 表明銀灘后濱與前濱對臺風的響應與強潮型海灘相似。然而, 銀灘潮間帶分布有大尺度的沙壩系統(tǒng)(Ge et al, 2017), 前人研究銀灘響應臺風的動力地貌過程均未提及潮間帶沙壩的作用?；诖? 本文以北海銀灘為例, 分析2020 年“浪卡”臺風影響前后的潮間帶沙壩剖面高程和沉積物變化, 探討北海銀灘響應臺風的地貌變化, 尤其要揭示近岸沙壩在其間所起的作用, 以期為銀灘的保護和開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北部灣位于中國南海的西北部, 是中國西南最便捷的出海港灣, 沿岸海灘眾多。根據(jù)文獻報導(陳憲云 等, 2013; 陳波 等, 2017), 在1950—2010年期間, 廣西沿海地區(qū)受臺風影響共有 90 余次, 其中最嚴重的18 次臺風直接在廣西沿海登陸, 對區(qū)域海岸構成侵蝕和破壞風險。銀灘位于廣西的北海市銀海區(qū)(圖 1), 沉積物組分主要是細砂和極細砂(Ma et al, 2019)。1996—2010 年北海站的驗潮資料統(tǒng)計表明, 銀灘潮汐以全日潮為主, 多年平均潮差為2.46m, 平均大潮潮差為3.5m, 屬于中等潮差海灘(Short, 1991)。本文以臺風后相對平整的剖面為基礎, 結合當?shù)仄骄Ｆ矫娓叱?H)和波浪破碎特征, 將剖面分成5 部分(圖2): 后濱(H＞2.31m)、前濱上(2.31m＞H＞1.15m)、前濱中(1.15m＞H＞0m)、前濱下(0m＞H＞-1.0m)和沖流帶(-1.0m＞H＞-1.57m)。

1.2 數(shù)據(jù)收集與研究方法

臺風“浪卡”于2020 年10 月11 日14 時在菲律賓的伊羅戈斯地區(qū)西北海域生成, 于10 月13 日19時20 分左右在海南省瓊海市博鰲鎮(zhèn)登陸, 至10 月15 日2 時消散。臺風“浪卡”的路徑如圖1 所示, 根據(jù)中央氣象臺的臺風實時預報和北海潮汐表, 臺風7 級風圈影響銀灘的時間范圍約為13 日18 時至14 日9 時, 潮位介于最低潮漲初至最高潮期間, 潮情變化則是逐漸由中潮轉為大潮。

在2020 年10 月13 日臺風來臨(7 級風圈)時和10月19 日臺風過境后, 分別使用GPS-RTK 對研究區(qū)域的順直岸段進行高程測量, 隨后將高程數(shù)據(jù)修正至平均海平面, 同時采集對應剖面的表層沉積物。沉積物采集順序自銀灘后濱沙丘向海至涉水最深處, 剖面長度為200m, 采集間距10m, 共采集表層沉積物樣品42個。沉積物樣品在室內(nèi)經(jīng)酸洗干燥后, 利用粒度測量儀器(Camsizer X2)獲取沉積物的粒級分布數(shù)據(jù), 之后參考Folk 等(1957)提出的方法計算沉積物粒度參數(shù), 并繪制剖面沉積物的中值粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰態(tài)曲線, 以及沉積物粒度累積概率曲線。

2 結果分析

2.1 臺風前后剖面地貌變化

由圖2 可以發(fā)現(xiàn), 臺風前剖面起伏特征明顯, 后濱與前濱上之間發(fā)育有小型的沙丘與灘肩, 前濱上存在較淺的灘槽, 前濱中出現(xiàn)小型沙丘, 前濱下與沖流帶之間發(fā)育大型沙壩。然而, 臺風過后海灘剖面發(fā)生明顯變化: 后濱出現(xiàn)侵蝕, 沙丘被抹平, 灘面趨于平整, 侵蝕高度約 0.09～0.57m; 前濱上原灘槽被填充, 淤積深度約 0.02～0.34m; 前濱中的小型沙壩被撫平, 侵蝕高度為 0.16～ 0.25m; 前濱下與沖流帶間的大型沙壩被削平至消失。后濱至前濱下的坡度(不含大型沙壩)由2.06%變?yōu)?.16%, 坡度變化較小。

2.2 臺風前后沉積物粒度參數(shù)變化

沉積物粒度四參數(shù)分別是中值粒徑、分選系數(shù)、偏度和峰態(tài), 中值粒徑(Ф)可用粒級換算, 公式為Ф=-log2D, 其中D為粒級大小, 單位為mm。如圖3 所示, 剖面沉積物的中值粒徑、分選系數(shù)和偏度呈現(xiàn)自陸向海逐漸增大的趨勢, 而峰態(tài)則相反。

其中, 中值粒徑由2.6Φ 增大至3.2Φ, 即主要沉積物組分由細砂轉變?yōu)闃O細砂; 分選系數(shù)逐漸變差, 數(shù)值由0.35 逐漸增大至0.65; 偏度均為負偏且逐漸變小, 表明沉積物越靠近海越往粗偏; 峰態(tài)逐漸變大, 表明粒徑分布越來越尖。

按潮間帶位置分析, 臺風后后濱沉積物的中值粒徑變化不大; 前濱上與前濱中發(fā)生局部增大的現(xiàn)象, 表明沉積物變細; 而前濱下則明顯減小, 表示沉積物變粗; 沖流帶沉積物的中值粒徑出現(xiàn)交錯變化的情況。與此同時, 對于分選系數(shù)、偏度和峰態(tài), 后濱、前濱上和前濱中在臺風前后的變化都極小; 至前濱下則發(fā)生劇烈變化, 其中分選變差, 偏度更趨向于負偏且更小, 峰態(tài)局部變大; 沖流帶附近同樣出現(xiàn)粒徑上下波動分布的情形。

2.3 臺風前后沉積物組分變化

將沉積物組分分成15 個等級進行分析, 結果表明沉積物組分中極細砂(3～4Φ)和細砂(2～3Φ)占主要部分(圖4), 沿程二者之和占比超過90%; 中砂(1～2Φ)占次要部分, 占比約5%～10%; 其余組分如粗砂(0～1Φ)和粗粉砂(4～6Φ)等組分占比不超過1%, 因此本文中對這些占比極少的組分不作討論。 整體上, 沉積物組分自陸向海具有較明顯的規(guī)律: 細砂的質(zhì)量百分數(shù)自陸向海逐漸遞減, 從約 75%逐漸減少到約 35%; 極細砂的質(zhì)量百分數(shù)則是自陸向海逐漸遞增, 從約20%逐漸增加到約60%; 中砂的質(zhì)量百分數(shù)沿程變化不大, 在5%上下波動且不超過10%。臺風前后沿程沉積物組分變化亦呈現(xiàn)一定的特征: 低潮位帶(前濱中、下)細砂占比增加了1%～16%, 極細砂占比減少了1%～22%, 中砂占比增加了1%～6%, 故沉積物變粗; 高潮位帶(前濱上、中)則相反, 細砂占比減少了1%～13%, 極細砂占比增加了1%～18%, 中砂占比減少了1%～5%, 因而沉積物變細。

3 討論

3.1 臺風期間海灘剖面變化的主控因素

臺風來臨時恰逢銀灘開始漲潮, 臺風引起的大浪極易在前濱下的大型沙壩附近破碎, 導致泥沙松動并被沖散到前濱中、前濱下和沖流帶等區(qū)間, 使得沙壩逐漸變矮、變平乃至消失(圖2)。在漲潮過程中, 波浪作用區(qū)間迅速向岸推移, 松散的泥沙與碎屑容易被卷起并沖離沙壩頂部, 而較粗沉積物則保留在原地; 壩頂后的低洼區(qū)間為泥沙的沉降創(chuàng)造了有利條件, 因此被沖散的泥沙在此沉降, 導致壩頂后的沉積物顆粒變粗, 分選變差(圖2、圖3)。由于沙壩的阻擋作用, 沖流帶的泥沙在復雜水動力環(huán)境下發(fā)生劇烈擾動, 沖流帶部分區(qū)域的泥沙被翻起, 而剩余區(qū)域則隨沙壩的變化產(chǎn)生沉積, 故而臺風后沖流帶的粒徑參數(shù)發(fā)生劇烈振蕩。

根據(jù)陳波等(2017)的研究, 北部灣臺風增水持續(xù)時間一般不低于 10h, 導致高水位的時間變長, 進而直接影響后濱的泥沙沖淤過程。本文選取的剖面, 其后濱最高處附近為人工海堤, 臺風浪傳播到后濱并擊打在海堤上, 形成的下沖離岸流將后濱泥沙向海搬運, 削平后濱沙丘并造成灘面侵蝕。隨后臺風減弱、消亡, 隨著潮位下降, 波浪擊打在灘面并形成上沖流, 將部分表層粗顆粒泥沙帶回后濱填補侵蝕, 故而后濱的粒徑參數(shù)變化較小。前濱上、前濱中作為后濱與前濱下的緩沖區(qū)間, 粒度參數(shù)及組分變化介于二者之間, 在臺風前有較淺的灘槽與小型的沙丘, 臺風后泥沙填補在灘槽中, 而小型沙丘則被抹平, 表現(xiàn)為沉積物中值粒徑局部增大(圖3), 極細砂組分局部增多(圖4)。

對比強潮型順直海灘(雷剛 等, 2005), 本文所選取剖面的變化情況與強潮海灘模式接近, 即后濱被侵蝕, 前濱上和前濱中灘面起伏微弱, 處于弱侵蝕-堆積狀態(tài)。但前濱下與沖流帶的剖面變化則表現(xiàn)出類似于弱潮型海灘(龔昊 等, 2017)的情況, 即在沙壩被抹平過程中, 壩頂泥沙被沖散, 裸露出較致密的細顆粒泥沙, 粒徑參數(shù)變化出現(xiàn)振蕩的特點。因此, 波浪是順直岸段粒度格局轉變的主要動力因素, 而潮間帶位置與沙壩決定了臺風后灘面的粒度分布。

3.2 動力作用對海灘沉積的影響

臺風期間沉積物搬運的動力主要來源于風力影響形成的波浪與波驅(qū)沿岸流。將沉積物的粒徑組分繪制成沉積物累積概率曲線, 可以得知臺風前后泥沙搬運營力的變化。根據(jù)累積概率曲線顯示, 本文剖面的沉積物粒徑組分自陸向海具有明顯的分帶特征。用P0—P4 點(位置見圖2)代表剖面的后濱至沖流帶, 其特征點是: 后濱推移質(zhì)組分大幅減少(圖5a、5b), 表明較粗顆粒的泥沙在臺風期間被移走, 另一方面臺風過后泥沙組分以躍移質(zhì)為主, 說明水動力搬運力較弱, 泥沙堆積在后濱; 前濱(上、中、下)與沖流帶(圖5a—j)推移質(zhì)組分明顯增多, 并與躍移質(zhì)組分一同向粗粒徑方向靠攏, 揭示了臺風浪對灘面泥沙的顛選作用, 使得粗顆粒泥沙被翻起, 并隨灘面水流廣泛分散在前濱與沖流帶。特別地, 臺風后沖流帶的雙推移質(zhì)組分消失, 且躍移質(zhì)組分與懸移質(zhì)組分變化較小。臺風前, 后濱沙丘位置(P5)亦然, 該現(xiàn)象與黎樹式等(2017)的研究結果相符。相對寬闊平坦的前濱灘面具有較強的消散性, 波浪的作用形成上沖流, 使泥沙在較高的潮間帶位置堆積(雷剛 等, 2005); 而起伏的后濱沙丘與大型沙壩使該區(qū)域的灘面具有一定的反射性, 波浪在該區(qū)域耗散較大, 這有利于泥沙搬運。

3.3 大型沙壩消失的影響因素

2020 年10 月14 日凌晨2 時, 銀灘附近的波浪高度為1～1.5m。黃祖明等(2020)的計算結果表明，銀灘在波高1～1.5m 情況下的全面推移臨界水深為1.17～1.85m, 表面推移臨界水深為1.95～2.84m。結合銀灘的潮汐情況, 推測臺風期間大型沙壩所在區(qū)域的泥沙活動可由全面推移逐漸轉變?yōu)楸砻嫱埔?，預示著沙壩區(qū)域推移質(zhì)組分會顯著增加, 這與本文的實際觀測結果相符(圖5i、5j)。

考慮到銀灘內(nèi)濱區(qū)域有豐富的潮下帶沙壩系統(tǒng), 波浪由外海傳入時, 在內(nèi)濱區(qū)發(fā)生破碎, 使傳入海灘的波浪能減弱。隨著漲潮水位逐漸上升, 內(nèi)濱對波浪的減弱效果進一步減小, 波浪破碎區(qū)域也逐漸向岸移動, 進一步增加了其對波浪的破壞能力。此外, 根據(jù)北海氣象站2020 年10 月13 日20 時至14 日的氣象數(shù)據(jù)(http://envf.ust.hk/dataview/stnplot/current/), 銀灘在臺風“浪卡”期間以東向風為主, 風力為3～5級, 風力較弱。而銀灘夏季的平均浪高為0.9m, 表明靠近海灘的波浪能量受臺風增幅有限, 故推測大型沙壩的消失可能還存在其他動力因素。

本文研究的剖面東側為銀灘沙嘴(圖 1), 在弧形沙嘴地形的影響下, 波浪靠岸后迅速轉為波驅(qū)沿岸流, 水流裹挾泥沙自東向西輸運。而近岸的大型沙壩阻擋了波浪, 也極易在其向海外沿形成波驅(qū)沿岸流, 同時也使得沙壩外沿的泥沙被卷起。隨著水位的上漲, 該動力過程逐漸將沙壩的泥沙從外至內(nèi)逐步搬運離開, 導致沙壩由外至內(nèi)被削平。從圖5i—l 可以發(fā)現(xiàn), 躍移質(zhì)組分也有明顯的增多, 表明臺風期間水流的強度增大, 從而進一步佐證了該推斷的動力作用是存在的。

綜上, 大型沙壩消失的原因可能有三種: 其一為臺風浪帶來的泥沙啟動與其驅(qū)動的近底離岸流作用, 即臺風浪使泥沙向海推移, 導致沙壩逐漸向海移動或被逐漸削平; 其二為臺風浪驅(qū)動的波驅(qū)沿岸流卷起沙壩外沿泥沙, 與同時形成的縱向流相結合, 由海向陸逐步削平沙壩; 其三是前兩種原因的耦合作用所共同導致, 但這還需要更多的觀測手段和更豐富的觀測數(shù)據(jù)來驗證。因此, 臺風浪是造成大型沙壩消失的主要因素, 而海灘地形(沙壩的位置或弧形沙嘴)與波浪的相互作用也對沙壩的消失有影響, 進而使海灘表面沉積物發(fā)生改變。

4 結論

本文從沉積物和海灘剖面變化特征方面分析了銀灘響應臺風的動力地貌過程, 主要結論包括:

1) 臺風前后, 銀灘沉積物均以中砂、細砂和極細砂為主, 三者占比超過95%。臺風后不同潮間帶位置的沉積物組分變化特征表現(xiàn)為: 低潮位帶(前濱中、下)中砂和細砂占比增多, 沉積物變粗; 高潮位帶(前濱中、上)則極細砂占比增多, 細砂和中砂占比減少, 粒徑變細; 沖流帶組分出現(xiàn)交錯式粗細變化。

2) 銀灘地貌響應臺風作用過程表現(xiàn)為: 大型沙壩消失, 后濱沙丘被削平, 灘面坡度趨于平緩, 侵蝕與淤積情況沿灘面交替出現(xiàn); 后濱和前濱的響應與強潮型海灘類似, 而較低潮間帶位置的響應則更接近弱潮型海灘。

3) 波浪作用是影響順直海灘沉積和地貌變化的主要動力因素, 而海灘地形則可能影響了近岸波浪的轉變形式, 從而改變了灘面地貌, 并對沉積物的粒徑分布產(chǎn)生進一步影響。

由于本文的研究僅針對一次臺風前后銀灘順直岸段剖面的灘面沖淤變化和粒徑參數(shù)進行了分析, 因而仍存在很多不足之處。若結合灘面的水動力情況調(diào)查與水下地形測繪等數(shù)據(jù), 將可更全面地分析和論證銀灘響應臺風的動力地貌過程。