伍志元，蔣昌波，陳 杰，鄧 斌

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；3. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；4. 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

海岸帶是陸地、海洋和大氣相互作用的陸海過(guò)渡帶，也是受全球氣候、海平面變化以及人類活動(dòng)影響最大的地區(qū)，巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈在此交互影響，能量和物質(zhì)頻繁交換，一系列物理、化學(xué)、生物過(guò)程不僅影響其本身的功能，對(duì)整個(gè)地球系統(tǒng)功能的發(fā)揮也非常重要[1-2]。在全球氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)共同影響下，中國(guó)海岸帶正面臨著一系列重大挑戰(zhàn)，包括海岸侵蝕防護(hù)、淡水資源利用與供水安全、近海生態(tài)環(huán)境保護(hù)等[3]。為有效應(yīng)對(duì)海岸帶生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和安全問(wèn)題，保障地區(qū)可持續(xù)發(fā)展，亟需針對(duì)海岸帶開(kāi)展動(dòng)力過(guò)程及響應(yīng)機(jī)制研究。在探索海岸帶發(fā)展過(guò)程中，提升對(duì)動(dòng)力地貌響應(yīng)機(jī)制的科學(xué)認(rèn)知和應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)量發(fā)展的必要途徑，也是21世紀(jì)中國(guó)陸海統(tǒng)籌發(fā)展和建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)任務(wù)中極為關(guān)鍵的科學(xué)課題。

從多尺度、多物理場(chǎng)角度出發(fā)，論證大陸架的泥沙來(lái)源與形成過(guò)程，是海疆歸屬的重要證據(jù)，對(duì)解決中國(guó)與周邊各國(guó)的陸架劃界爭(zhēng)執(zhí)、維護(hù)海洋權(quán)益具有極其重要的作用。海域動(dòng)力因素不僅受季風(fēng)影響，黑潮分支首沖注入、島嶼眾多、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，而且波浪、海流、潮汐、鋒面、泥沙輸運(yùn)等海洋環(huán)境要素相互作用[4]，導(dǎo)致動(dòng)力過(guò)程具有明顯的海洋-陸架-海灣-海岸多尺度、多物理場(chǎng)特點(diǎn)，動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制極具特色。探明海岸帶復(fù)雜動(dòng)力關(guān)鍵過(guò)程和海岸地貌響應(yīng)機(jī)制，有利于發(fā)展海岸動(dòng)力學(xué)、物理海洋學(xué)、海岸地貌學(xué)和氣象動(dòng)力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)理論，聚焦共同關(guān)注的共性科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也可為海岸帶綜合開(kāi)發(fā)與可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)，有利于近岸地區(qū)在巨大環(huán)境壓力下的生態(tài)保護(hù)。

整體而言，海岸動(dòng)力地貌及其演變規(guī)律研究作為海岸工程學(xué)者和地球科學(xué)學(xué)者共同關(guān)注的學(xué)科領(lǐng)域，研究得到了較為迅速的發(fā)展，不斷發(fā)展出多種新的方法和理論。海岸動(dòng)力學(xué)的發(fā)展極大地促進(jìn)了海岸地貌及其形成機(jī)制的研究進(jìn)展，并為海洋沉積物的輸運(yùn)及地貌演變的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。對(duì)海岸動(dòng)力地貌及其演變規(guī)律的研究還受益于現(xiàn)代海洋工程技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)的迅速發(fā)展。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及遙感的多源數(shù)據(jù)信息，可以更準(zhǔn)確地觀測(cè)和分析動(dòng)力條件下的地貌及其變化規(guī)律；依據(jù)遙感影像資料，可以很好地描述和分析海岸地貌的空間分布特征，為海岸地貌形成機(jī)制及其時(shí)空演變過(guò)程的研究提供支持。根據(jù)海岸地貌的數(shù)學(xué)模型，以及GIS技術(shù)對(duì)海岸景觀的空間重構(gòu)，可以更準(zhǔn)確地刻畫(huà)海岸地貌形態(tài)特征。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，基于多源數(shù)據(jù)融合的分析方法和技術(shù)將在海岸地貌及其演變規(guī)律研究中發(fā)揮更大的作用。

在氣候變化和工程措施的多重作用下，考慮臺(tái)風(fēng)等極端事件和強(qiáng)人類活動(dòng)等高強(qiáng)度擾動(dòng)影響的海岸帶地貌演變規(guī)律呈現(xiàn)出更大的不確定性。目前，圍繞海岸帶的系統(tǒng)性研究還略顯薄弱，尤其在復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制這個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題上，相對(duì)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和重大工程需要而言，對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題中必要的信息和認(rèn)知還不夠全面。海岸動(dòng)力地貌及其演變規(guī)律的研究發(fā)展反映出，當(dāng)前該領(lǐng)域的研究趨勢(shì)主要包括深入分析海岸演變規(guī)律、認(rèn)識(shí)海洋/海岸多尺度多物理場(chǎng)動(dòng)力條件對(duì)海岸演變的影響、深入研究海岸動(dòng)力地貌形成機(jī)制及其演變規(guī)律，以及分析海岸空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境狀況等方面。因此，面向新時(shí)代國(guó)家重大戰(zhàn)略部署，抓住海岸帶多尺度動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，考慮臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件和工程措施等強(qiáng)人類活動(dòng)影響，開(kāi)展高強(qiáng)度擾動(dòng)下海岸和海洋動(dòng)力過(guò)程、泥沙輸運(yùn)、岸灘演變和地貌塑造等關(guān)鍵過(guò)程的機(jī)理研究，對(duì)支撐海岸帶資源開(kāi)發(fā)利用和可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義、科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 高強(qiáng)度擾動(dòng)下海岸動(dòng)力條件

1.1 海岸帶復(fù)雜動(dòng)力特征

隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)作用的加強(qiáng)，在臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件和工程措施等強(qiáng)人類活動(dòng)共同影響下，海岸帶動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制發(fā)生了根本改變，亟需進(jìn)一步探索。海岸帶動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜，厘清其關(guān)鍵過(guò)程是從“源”向“匯”角度掌握泥沙輸送及地貌塑造的必要手段，中國(guó)海岸帶動(dòng)力不僅受近岸特征影響，還與季風(fēng)漂流、沿岸流、黑潮及分支等中尺度甚至大尺度動(dòng)力因素有關(guān)，特別是在臺(tái)風(fēng)作用期間，復(fù)雜的海氣相互作用過(guò)程、波流相互作用過(guò)程，風(fēng)、波浪、海流、潮汐、鋒面和泥沙等海洋環(huán)境要素相互影響，系統(tǒng)考慮復(fù)雜的動(dòng)力因素是準(zhǔn)確描述泥沙輸運(yùn)的基礎(chǔ)。

如圖1所示，在沿岸風(fēng)影響下，風(fēng)海流的作用會(huì)導(dǎo)致海水輻散，表層海水產(chǎn)生離岸方向的?？寺斔?，底層海水將以補(bǔ)償流形式產(chǎn)生向岸運(yùn)動(dòng)并形成上升流，從而在垂向產(chǎn)生環(huán)流結(jié)構(gòu)，水體升降運(yùn)動(dòng)的同時(shí)將攜帶泥沙并產(chǎn)生垂向混合，特別是在強(qiáng)烈的波浪作用下，垂向混合將進(jìn)一步加強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)影響期間近岸水體甚至可能全部處于混合層[5]。因此，開(kāi)展高強(qiáng)度擾動(dòng)下的海岸動(dòng)力過(guò)程研究，需要充分考慮海氣耦合作用，從大氣、海浪、海洋和泥沙等多物理場(chǎng)角度對(duì)海岸和海洋動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行全面揭示。

圖1 沿岸風(fēng)影響下近岸三維海洋動(dòng)力過(guò)程示意Fig.1 Three-dimensional coastal ocean dynamic process influenced by wind

1.2 高強(qiáng)度擾動(dòng)下海岸帶響應(yīng)特征

隨著全球氣候變化，臺(tái)風(fēng)等極端氣象事件的影響愈發(fā)顯著，如超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(2014)、“彩虹”(2015)、“莎莉嘉”(2016)、“海馬”(2016)、“天鴿”(2017)、“山竹”(2018)等頻繁登陸，2021年Wang等[6]研究成果表明，熱帶氣旋正在向海岸和沿海地區(qū)發(fā)生強(qiáng)勢(shì)遷移，距離每10 a減少約30 km，數(shù)量每10 a增加約2個(gè)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，隨著全球氣候變化，影響中國(guó)海岸帶的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有所增加[7]。臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件是影響海岸動(dòng)力地貌平衡與穩(wěn)定的關(guān)鍵因子，在全球變暖海平面上升的情景下，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等高能事件對(duì)海岸地貌構(gòu)成嚴(yán)峻壓力，特別在近岸地區(qū)，因流域入海泥沙供給急劇降低普遍處于沖淤轉(zhuǎn)型階段，其地貌侵蝕風(fēng)險(xiǎn)和脆弱性受到全球關(guān)注[8]。

高強(qiáng)度人類活動(dòng)對(duì)海洋動(dòng)力條件和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大影響，包括圍填?；顒?dòng)、人工島建設(shè)、灘涂養(yǎng)殖和濱海浴場(chǎng)等土地利用改變，筑壩、防潮堤建設(shè)等水沙輸入變化，海洋養(yǎng)殖、港口碼頭建設(shè)和道路建設(shè)等連通性變化[2]。上述人類活動(dòng)導(dǎo)致自然岸線減少、海岸人工化程度加劇，以及濕地萎縮、生物多樣性下降、生態(tài)功能衰弱等生態(tài)問(wèn)題，海岸帶正面臨前所未有的環(huán)境壓力和安全風(fēng)險(xiǎn)。工程措施等強(qiáng)人類活動(dòng)作用下的海岸帶動(dòng)力過(guò)程及響應(yīng)機(jī)制呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。中國(guó)“十三五”以來(lái)，“藍(lán)色海灣”、“南紅北柳”、“生態(tài)島礁”等海洋生態(tài)修復(fù)工程同步推進(jìn)，實(shí)施了海岸整治修復(fù)、濱海濕地恢復(fù)和植被種植、近岸構(gòu)筑物清理與清淤疏浚整治、生態(tài)廊道建設(shè)和修復(fù)受損島體等工程，海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善，海域、海岸帶和海島生態(tài)服務(wù)功能得到有效提升。探究高強(qiáng)度擾動(dòng)下水動(dòng)力過(guò)程和輸沙規(guī)律，揭示岸灘剖面響應(yīng)機(jī)制和演變特征，可為整治修復(fù)工程實(shí)施和海岸帶綜合治理等提供科學(xué)依據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，波浪、潮汐、潮流等海岸動(dòng)力條件的模擬在海岸動(dòng)力地貌研究中越來(lái)越重要，動(dòng)力條件(如波浪場(chǎng))的準(zhǔn)確模擬可以用于識(shí)別和分析海岸地貌形態(tài)的變化特征、演變機(jī)理等[9-10]。近年來(lái)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合以及利用新一代信息技術(shù)與海岸地貌相關(guān)的學(xué)科融合越來(lái)越多，并在海岸動(dòng)力地貌特征研究中開(kāi)展了應(yīng)用和討論?；贕IS開(kāi)發(fā)了海岸地貌數(shù)據(jù)收集、整理、儲(chǔ)存和處理等技術(shù)，能夠清晰描繪海岸地貌的形態(tài)特征和時(shí)空變化[11-12]，為海岸帶響應(yīng)機(jī)理研究提供了新的手段。遙感技術(shù)已經(jīng)在海岸動(dòng)力地貌研究中被廣泛應(yīng)用，通過(guò)使用各種光學(xué)影像傳感器和微波傳感器，可以準(zhǔn)確地獲取不同地點(diǎn)的地表特征及時(shí)空變化，從而拓寬海岸動(dòng)力地貌的研究廣度[13-16]。

2 極端條件影響下海岸動(dòng)力地貌特征

海岸帶既是陸海相互作用最強(qiáng)烈的地帶，也是強(qiáng)人類活動(dòng)和全球氣候變化雙重影響下的空間單元。傳統(tǒng)意義上的海岸帶指的是陸地向海洋延伸的地帶，向海延伸到-20 m等深線(大致相當(dāng)于中等海浪的1/2波長(zhǎng))，向內(nèi)陸擴(kuò)展10 km左右，陸海交界帶是各種動(dòng)力因素相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域。但若限于這個(gè)范圍內(nèi)的探究，諸如海岸帶的敏感性(海岸帶動(dòng)態(tài)平衡體系對(duì)全球變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)程度)、脆弱性(高強(qiáng)度擾動(dòng)下所處環(huán)境的調(diào)整和恢復(fù)程度)與可持續(xù)性(海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的健康循環(huán)和發(fā)展動(dòng)態(tài))等一系列科學(xué)問(wèn)題將難以解答。

2.1 海岸帶動(dòng)力地貌特征影響因素

海岸帶的分布格局和地貌演化不僅與陸海交界及鄰近地帶的動(dòng)力因素相關(guān)，還同大范圍的氣候特點(diǎn)與近海環(huán)流結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)。根據(jù)陸海相互作用研究計(jì)劃(Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone，LOICZ)給出的定義，將海岸帶的范圍從-20 m等深線延伸到大陸架邊緣，包括潮間帶、水下陸坡乃至大陸架、大陸坡和大陸隆，將近海陸架和邊緣海作為整體進(jìn)行考慮[17]，是大河(如珠江水系)輸沙和邊緣海季風(fēng)、波浪與潮流動(dòng)力經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期、多階段的相互作用形成的海岸帶復(fù)合體系?！段磥?lái)10年中國(guó)科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略：海洋科學(xué)》[18]明確提出了將海岸-陸架地貌體系的形成機(jī)制作為研究的重點(diǎn)方向，將陸架環(huán)流與物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程、近海地貌演化等核心科學(xué)問(wèn)題的研究作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。從中尺度(100～1 000 km尺度)甚至大尺度(1 000 km以上尺度)角度探究海岸帶的動(dòng)力過(guò)程十分必要。

砂質(zhì)海岸作為海岸帶的重要組成，除了具有海岸帶的一般功能外，還具有極高的旅游和防災(zāi)減災(zāi)價(jià)值，但相對(duì)淤泥質(zhì)海岸等其他類型海岸而言，砂質(zhì)海岸的脆弱性更強(qiáng)、研究基礎(chǔ)更弱，中國(guó)大概70%的砂質(zhì)海岸存在不同程度的岸灘侵蝕[19]。造成岸灘侵蝕的原因主要包括2個(gè)方面的因素：① 全球氣候變化，導(dǎo)致海平面上升、近岸動(dòng)力作用加強(qiáng)，風(fēng)暴潮發(fā)生的頻率和強(qiáng)度增加；② 人類活動(dòng)因素，如筑壩導(dǎo)致入海泥沙通量減少，圍填海、人工挖沙等導(dǎo)致水沙條件發(fā)生改變。

2.2 臺(tái)風(fēng)對(duì)海岸帶動(dòng)力地貌的影響機(jī)制

臺(tái)風(fēng)是對(duì)海岸帶動(dòng)力過(guò)程和岸灘演變影響最顯著的因素，不僅通過(guò)風(fēng)暴增水淹沒(méi)沿岸地區(qū)形成災(zāi)害，而且導(dǎo)致劇烈的泥沙運(yùn)動(dòng)，造成嚴(yán)重的岸灘侵蝕。全球各海岸帶均遭受臺(tái)風(fēng)不同程度的襲擊，如北美洲的美國(guó)東西海岸均遭受過(guò)嚴(yán)重的風(fēng)暴潮災(zāi)害和海岸侵蝕[20-21]；歐洲的北海和地中海曾出現(xiàn)因劇烈風(fēng)暴潮導(dǎo)致海灘消失的事件[22-23]；亞洲也是遭受風(fēng)暴潮侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)[24-26]；南美洲、大洋洲和非洲也存在相關(guān)風(fēng)暴潮災(zāi)害的報(bào)道[27-29]。中國(guó)是世界上受海洋災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，其中由臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪造成的損失占海洋災(zāi)害損失的80%以上，廣東、廣西和海南是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)最頻繁、受災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域之一[30-34]。

2021年發(fā)表在Science的研究成果表明，臺(tái)風(fēng)正在向海岸和沿海地區(qū)發(fā)生強(qiáng)勢(shì)遷移[6]。在臺(tái)風(fēng)影響下，形成風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪，此時(shí)海岸動(dòng)力過(guò)程與常規(guī)海況下有顯著差異，具體體現(xiàn)在以下方面：① 臺(tái)風(fēng)浪在近岸產(chǎn)生顯著的波浪增水[35-36]，且臺(tái)風(fēng)浪與風(fēng)暴潮存在強(qiáng)烈的相互作用[37-40]；② 臺(tái)風(fēng)浪破碎過(guò)程產(chǎn)生大量海洋飛沫，海氣界面能量和質(zhì)量交換加強(qiáng)，存在強(qiáng)烈的海氣相互作用[41]；③ 在臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴增水影響下，波高增加且在向岸傳播過(guò)程中發(fā)生多次破碎，導(dǎo)致破碎帶的寬度增大[42-43]。在臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的強(qiáng)烈動(dòng)力作用下，臺(tái)風(fēng)浪多次破碎產(chǎn)生劇烈紊動(dòng)，結(jié)合風(fēng)暴增水的影響，可在短期內(nèi)使砂質(zhì)海岸的泥沙大量起動(dòng)和強(qiáng)烈輸移，從而發(fā)生岸灘侵蝕形成“風(fēng)暴剖面”，在常規(guī)海洋動(dòng)力條件作用下，侵蝕后的剖面需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程才能恢復(fù)到“常浪剖面”，甚至有研究表明這個(gè)過(guò)程是不可逆的[22，44-45]。因此，臺(tái)風(fēng)影響期間，海岸帶波流相互作用過(guò)程、海氣相互作用過(guò)程和岸灘演變機(jī)制發(fā)生了本質(zhì)改變。臺(tái)風(fēng)作為一種極端的海岸氣象事件，對(duì)粉砂淤泥質(zhì)海岸地貌形態(tài)也有著明顯的影響，風(fēng)暴潮對(duì)其演化過(guò)程具有很強(qiáng)的塑造作用。臺(tái)風(fēng)、臺(tái)風(fēng)浪和風(fēng)暴潮影響下，海岸動(dòng)力條件顯著增強(qiáng)，特別是低潮期中遠(yuǎn)離海岸的沉積物會(huì)被風(fēng)暴潮沖蝕，使粉砂淤泥質(zhì)海岸的形態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致潮間帶內(nèi)的形態(tài)受到較大影響。

針對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下的岸灘響應(yīng)機(jī)制，基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)已開(kāi)展了大量研究工作，通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)影響前后的海岸沉積物進(jìn)行取樣分析、對(duì)岸灘地形進(jìn)行斷面測(cè)量，同時(shí)對(duì)影響期間的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)[24，26，46-47]，從而掌握臺(tái)風(fēng)影響期間的動(dòng)力過(guò)程和岸灘演變特征，這些工作為揭示臺(tái)風(fēng)影響下水沙動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制提供了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)?；趯?duì)水動(dòng)力過(guò)程和泥沙輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，通過(guò)應(yīng)用POM、ROMS、ADCIRC、FVCOM、SCHISM等海洋動(dòng)力模型[5，48-49]和SBeach、XBeach、CSHORE等岸灘演變數(shù)學(xué)模型[50-51]開(kāi)展了大量風(fēng)暴潮模擬和岸灘演變研究。中國(guó)作為遭受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，在風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪研究方面開(kāi)展了大量工作，特別是在臺(tái)風(fēng)影響下的海岸帶動(dòng)力過(guò)程、沉積物輸運(yùn)和岸灘演變研究方面取得了豐碩的成果，為理解臺(tái)風(fēng)作用下的海岸帶動(dòng)力響應(yīng)和岸灘演變過(guò)程提供了很好的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)[24，26，52-53]。但總體而言，在臺(tái)風(fēng)影響下的海岸帶地貌響應(yīng)機(jī)制方面的研究工作仍相對(duì)較少且案例比較單一。同時(shí)，由于泥沙運(yùn)動(dòng)的高度復(fù)雜性、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件的極端惡劣性等問(wèn)題的存在，對(duì)于內(nèi)在機(jī)制的揭示有待進(jìn)一步完善，特別是對(duì)強(qiáng)烈的波流相互作用和海氣相互作用共同影響下的泥沙輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)存在較大不足，開(kāi)展臺(tái)風(fēng)影響下的海岸帶復(fù)雜動(dòng)力關(guān)鍵過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制研究仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。

3 強(qiáng)人類活動(dòng)影響下海岸動(dòng)力地貌特征

人類活動(dòng)已成為地球系統(tǒng)中的第三驅(qū)動(dòng)力[54]，有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)前已進(jìn)入“人類世”(Anthropocene)[55-56]，人類活動(dòng)對(duì)海岸帶地貌的影響是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)海岸帶地貌影響主要分為2類：① 通過(guò)筑壩致使泥沙入海通量顯著減少導(dǎo)致岸線變化；② 通過(guò)圍填海、人工島等海岸和近海工程措施導(dǎo)致海岸動(dòng)力條件改變，從而影響海岸地貌特征。

3.1 入海泥沙通量的變化

入海徑流是連通陸地和海洋的紐帶，徑流通過(guò)向海輸送淡水和泥沙等陸源物質(zhì)影響河口、海岸和邊緣海。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，由于全球流域筑壩的影響，導(dǎo)致輸水輸沙條件發(fā)生劇烈變化，全世界主要徑流的入海泥沙通量持續(xù)下降[2，8，17]，筑壩導(dǎo)致徑流輸沙攔截率在70%以上，部分入海徑流輸沙被攔截甚至達(dá)到100%。輸水輸沙條件的改變，對(duì)海岸帶地貌塑造產(chǎn)生影響，特別是在河口三角洲地帶，已成為影響該地區(qū)形態(tài)和地貌的決定性因素[57-58]。入海泥沙通量的急劇減少，導(dǎo)致全球大部分海岸帶面臨侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也存在河口三角洲在入海泥沙銳減的情況下仍保持相對(duì)穩(wěn)定的案例。如由于三峽等系列工程的實(shí)施，導(dǎo)致長(zhǎng)江口的入海泥沙減少了80%左右，但長(zhǎng)江口三角洲卻因海域來(lái)沙依然維持了相對(duì)高的淤積狀態(tài)[59]，部分海岸甚至處于淤長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[60-61]。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口最近20 a臺(tái)風(fēng)影響下三角洲動(dòng)力地貌過(guò)程進(jìn)行量化研究，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)期間可從口外攜帶0.09億～0.47億m3的泥沙進(jìn)入河口，從而揭示了在入海泥沙通量減少的情況下，長(zhǎng)江三角洲仍能維持相對(duì)穩(wěn)定甚至淤長(zhǎng)態(tài)勢(shì)的內(nèi)在機(jī)制[8]。

由此可見(jiàn)，海岸帶對(duì)入海泥沙通量減少的響應(yīng)具有多樣性，其中各種動(dòng)力相互作用過(guò)程極為復(fù)雜。這類強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)海岸帶地貌過(guò)程的影響機(jī)制主要包括2個(gè)方面：① 由于入海泥沙通量的減少，導(dǎo)致原有的泥沙輸運(yùn)和海岸帶地貌之間的動(dòng)態(tài)平衡格局被打破；② 入海泥沙通量的改變，以及海平面的上升，可能導(dǎo)致海岸帶的主要?jiǎng)恿^(guò)程發(fā)生改變，如可能由徑流控制轉(zhuǎn)為海洋動(dòng)力控制，或者存在波浪控制與潮汐控制之間的轉(zhuǎn)換。因此，海岸帶作為水沙條件變化的敏感區(qū)域，在強(qiáng)人類活動(dòng)影響下，特別是與臺(tái)風(fēng)共同作用下，海岸帶地貌的響應(yīng)機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜且亟需深入探究的科學(xué)問(wèn)題。

3.2 海岸和近海工程的建設(shè)

圍填海、高強(qiáng)度采砂等強(qiáng)人類活動(dòng)直接改變了海岸帶原有動(dòng)力地貌與水文特征，在強(qiáng)人類活動(dòng)影響下，海岸帶“動(dòng)力-沉積-地貌”格局發(fā)生異變，直接導(dǎo)致沿岸或離岸輸沙條件遭到破壞[62-65]，如圍填海導(dǎo)致海岸淤積速度顯著加快。這類強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)海岸帶地貌的影響機(jī)制包括2個(gè)方面：① 由于改變?cè)械膭?dòng)力條件，導(dǎo)致泥沙輸運(yùn)和海岸帶地貌之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞；② 工程措施導(dǎo)致地形發(fā)生變化，從而間接改變了區(qū)域動(dòng)力邊界條件，如可能造成潮汐調(diào)和參數(shù)的改變，導(dǎo)致整個(gè)海岸帶的動(dòng)力-沉積過(guò)程和格局異變。因此，工程措施等強(qiáng)人類活動(dòng)作用下的海岸帶動(dòng)力過(guò)程及響應(yīng)機(jī)制呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)。

上述人類活動(dòng)導(dǎo)致了自然岸線減少、海岸人工化程度加劇、生物多樣性下降等生態(tài)問(wèn)題，在藍(lán)色海灣整治行動(dòng)中，如廣西北海主要實(shí)施了銀灘中區(qū)岸線綜合生態(tài)整治修復(fù)和紅樹(shù)林生態(tài)修復(fù)兩大工程，海岸帶動(dòng)力地貌將再次發(fā)生調(diào)整和變化。因此，開(kāi)展強(qiáng)人類活動(dòng)下的海岸帶動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制研究是推進(jìn)海岸帶修復(fù)和綜合治理的必要途徑。

隨著人類活動(dòng)的顯著影響，自然岸線的比例降低，海堤作為一類典型的海岸防護(hù)措施，其影響下的動(dòng)力地貌變化特征與自然岸線演化呈現(xiàn)出顯著區(qū)別。海堤是海岸動(dòng)力地貌形態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子，它以2種方式影響海岸形態(tài)[66-67]：一種是直接抵擋海岸侵蝕，另一種是通過(guò)隔離波浪和潮汐等起到調(diào)節(jié)作用。海堤還能夠在自然海岸基礎(chǔ)上形成“儲(chǔ)備平臺(tái)”，便于植被的生長(zhǎng)和沉積；同時(shí)，植被利用海堤暴露出來(lái)的土壤發(fā)展其根系，可有效抵御波浪和風(fēng)浪的侵蝕，減緩海岸的侵蝕，保護(hù)海岸環(huán)境[68]。長(zhǎng)此以往，在海堤和植被的影響下，波浪、潮汐、沉積過(guò)程的改變，導(dǎo)致海岸動(dòng)力地貌特征也發(fā)生了顯著變化?？偟膩?lái)看，海堤-植被-動(dòng)力-地貌之間是相互作用的，通過(guò)不同因素之間的調(diào)節(jié)可以達(dá)到保護(hù)和優(yōu)化海岸動(dòng)力地貌的效果，是海岸動(dòng)力地貌領(lǐng)域的重要研究方向之一。

在強(qiáng)人類活動(dòng)影響下，海岸帶地貌演變特征變化已遠(yuǎn)超過(guò)自然過(guò)程，動(dòng)力格局和地貌形態(tài)發(fā)生了根本改變。現(xiàn)有研究已充分認(rèn)識(shí)到強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)海岸帶動(dòng)力過(guò)程、泥沙輸移運(yùn)動(dòng)、岸灘演變、地貌塑造的顯著擾動(dòng)，然而，其中的動(dòng)力-沉積-地貌過(guò)程和演變機(jī)制以及海岸地貌的調(diào)整-恢復(fù)機(jī)制尚待探索。因此，為推進(jìn)整治修復(fù)工程實(shí)施和海岸帶綜合治理，亟需探究高強(qiáng)度擾動(dòng)下水動(dòng)力過(guò)程和輸沙規(guī)律，揭示海岸帶動(dòng)力過(guò)程和地貌演變機(jī)制。

隨著全球氣候變暖、海平面上升和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)增加已經(jīng)影響了海岸動(dòng)力地貌演變，伴隨人類活動(dòng)的作用，對(duì)海岸中長(zhǎng)期動(dòng)力地貌演變規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制產(chǎn)生了重要影響[69]，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：① 隨著氣候變暖，海岸動(dòng)力條件發(fā)生變化，特別是臺(tái)風(fēng)等極端事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響海岸帶地貌演變，尤其是河口、海灣等海岸邊緣區(qū)域；② 人類活動(dòng)的作用可能導(dǎo)致海岸受到過(guò)度挖掘和破壞，而這些活動(dòng)可能會(huì)改變海岸形態(tài)和地貌特征。研究表明，全球氣候變暖引起的海平面上升會(huì)改變海岸動(dòng)力條件，導(dǎo)致海岸侵蝕和地貌變化。臺(tái)風(fēng)等極端事件的影響，在短期內(nèi)對(duì)海岸地貌特征的塑造產(chǎn)生強(qiáng)烈作用，人類活動(dòng)也會(huì)對(duì)海岸動(dòng)力地貌演變規(guī)律與內(nèi)在機(jī)制產(chǎn)生影響[70-71]。目前對(duì)于兩者共同作用的內(nèi)在機(jī)制暫不明晰，在全球氣候變暖、海平面上升的背景下，臺(tái)風(fēng)等高能事件增加、各種人類活動(dòng)累積性影響增大等因素的共同作用下，海岸中長(zhǎng)期動(dòng)力地貌演變規(guī)律與內(nèi)在機(jī)制將是未來(lái)一段時(shí)間的研究重點(diǎn)之一。

3.3 海岸帶動(dòng)力-地貌預(yù)測(cè)方法

相比較臺(tái)風(fēng)或者強(qiáng)人類活動(dòng)而言，海平面上升的影響相對(duì)緩慢，在有限時(shí)空觀測(cè)范圍上難以體現(xiàn)其負(fù)面效果，但從長(zhǎng)期影響而言，海平面的上升將導(dǎo)致海岸帶相對(duì)水深增加、海岸動(dòng)力加強(qiáng)，對(duì)海岸地貌塑造和演變?cè)斐娠@著影響[72]。目前關(guān)于海岸地貌中長(zhǎng)期演化的相關(guān)工作主要集中在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)[73-75]，利用高精度數(shù)值方法進(jìn)行年際尺度以上的直接模擬在當(dāng)前的計(jì)算資源和計(jì)算效率條件下是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，在全球氣候變化和人類活動(dòng)影響多重因素作用下，為揭示海岸帶地貌響應(yīng)規(guī)律和演變趨勢(shì)，需要綜合考慮短期作用影響(如臺(tái)風(fēng)等極端天氣事件、強(qiáng)人類活動(dòng)等)及長(zhǎng)期作用影響(常規(guī)海洋動(dòng)力和海平面上升等)，且需要通過(guò)約簡(jiǎn)技術(shù)，構(gòu)建以過(guò)程模擬為主的中長(zhǎng)期演變模擬方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸帶地貌演變特征的中長(zhǎng)期(年際和年代際尺度)預(yù)測(cè)。

在海岸中長(zhǎng)期地貌的預(yù)測(cè)中如何考慮臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)人類活動(dòng)引起的短期作用的影響，仍然存在很大困難，約簡(jiǎn)技術(shù)作為一種可能的手段具有一定的應(yīng)用場(chǎng)景[76-78]。海岸地形演變是短時(shí)間尺度上的波浪、潮流等水動(dòng)力因子不斷作用的結(jié)果，在長(zhǎng)時(shí)間的累積下海岸地區(qū)的地貌才會(huì)發(fā)生顯著變化。在面向過(guò)程模型中，如果需要精確計(jì)算地貌變化則需在長(zhǎng)時(shí)間尺度上連續(xù)計(jì)算水動(dòng)力及泥沙輸運(yùn)過(guò)程，這將產(chǎn)生巨大的計(jì)算量以及多次迭代累積的誤差，約簡(jiǎn)技術(shù)可以較好地解決這一問(wèn)題。相關(guān)學(xué)者提出了一系列簡(jiǎn)化思路，包括延長(zhǎng)地形時(shí)間步長(zhǎng)、用變量或函數(shù)實(shí)現(xiàn)子模塊間的數(shù)據(jù)傳遞、地形變化較小時(shí)采用連續(xù)校正法、小時(shí)空尺度內(nèi)采用半經(jīng)驗(yàn)性的平均算法以及模型整體上的參數(shù)化和結(jié)構(gòu)化等?？傮w而言，中長(zhǎng)期海岸動(dòng)力地貌預(yù)測(cè)的約簡(jiǎn)技術(shù)一般遵循以下3個(gè)原則：① 選擇代表性的輸入條件；② 簡(jiǎn)化地形變化對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)；③ 增加地形演變時(shí)間步長(zhǎng)。其中，第1個(gè)原則屬于輸入條件約簡(jiǎn)，后2個(gè)原則屬于模型約簡(jiǎn)。在上述原則中，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)人類活動(dòng)引起的短期動(dòng)力的約簡(jiǎn)是后續(xù)研究的重要問(wèn)題之一。

4 結(jié)論與展望

已開(kāi)展的工作對(duì)于理解臺(tái)風(fēng)等極端事件和工程措施等人類活動(dòng)影響下的海岸帶動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制具有重要貢獻(xiàn)，加深了對(duì)海岸帶動(dòng)力過(guò)程和地貌特征的認(rèn)識(shí)，可為未來(lái)工作的開(kāi)展從理論分析和模擬方法等方面提供借鑒和參考。然而，由于全球氣候變化和人類活動(dòng)共同作用的海岸帶多尺度動(dòng)力過(guò)程和海岸地貌響應(yīng)內(nèi)在機(jī)制極其復(fù)雜，仍需要從大氣、海浪、海洋和泥沙等多物理場(chǎng)角度，從海洋、陸架、海灣和海岸等多尺度角度，從動(dòng)力條件、泥沙輸移和地貌塑造等多過(guò)程角度，進(jìn)一步探究高強(qiáng)度擾動(dòng)下海岸帶動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制。未來(lái)研究可以從以下4個(gè)方面進(jìn)行探索：

(1) 基于新一代信息技術(shù)，完善海岸帶多源數(shù)據(jù)融合方法，構(gòu)建高分辨率數(shù)字化模型，建立動(dòng)力-地貌數(shù)據(jù)庫(kù)，利用歸納-演繹方法探討海岸帶地貌特征與演化規(guī)律。

(2) 進(jìn)一步探明海岸帶多尺度、多物理場(chǎng)動(dòng)力過(guò)程，基于高分辨率地形資料，建立高精度大氣-海浪-海洋-泥沙耦合模型，開(kāi)展高強(qiáng)度擾動(dòng)下水沙動(dòng)力過(guò)程分析。

(3) 分析復(fù)雜動(dòng)力條件下泥沙基本特征和輸移運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬方法，耦合三維海洋動(dòng)力模型和泥沙輸運(yùn)模型，構(gòu)建動(dòng)力-沉積-地貌耦合計(jì)算模型，開(kāi)展高強(qiáng)度擾動(dòng)下水沙動(dòng)力過(guò)程、岸灘響應(yīng)及地貌調(diào)整-恢復(fù)機(jī)制研究，此外，海岸地貌形態(tài)的時(shí)空變化規(guī)律、多樣性特征、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)被廣泛關(guān)注。

(4) 基于數(shù)值模型和約簡(jiǎn)技術(shù)，發(fā)展以過(guò)程模擬為主的海岸地貌中長(zhǎng)期模擬方法，開(kāi)展海岸帶地貌中長(zhǎng)期演變趨勢(shì)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)高強(qiáng)度擾動(dòng)下海岸帶地貌的年際和年代際演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

通過(guò)對(duì)上述方向研究工作的開(kāi)展，有望在海岸帶復(fù)雜動(dòng)力過(guò)程和海岸地貌響應(yīng)機(jī)制等重要科學(xué)問(wèn)題中提出新認(rèn)識(shí)，從而增進(jìn)對(duì)海岸帶動(dòng)力過(guò)程和響應(yīng)機(jī)制的理解，為解決“變化中的復(fù)雜海岸系統(tǒng)如何響應(yīng)自然過(guò)程和人類活動(dòng)的干預(yù)”(未來(lái)地球海岸計(jì)劃，F(xiàn)uture Earth Coasts)這一難點(diǎn)問(wèn)題提供研究思路，并應(yīng)用于近海工程建設(shè)、海岸和海洋工程防災(zāi)減災(zāi)、海岸帶整治修復(fù)與綜合治理，為大陸架泥沙來(lái)源和維護(hù)海疆權(quán)益提供重要科學(xué)依據(jù)，服務(wù)于“一帶一路”倡議和“海洋強(qiáng)國(guó)”等重大國(guó)家戰(zhàn)略部署與重要工程建設(shè)。