山東半島東、北部海灘動力地貌特征及影響因素＊

周良勇，薛春汀，劉 健，梁 源

（1.國土資源部 海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東 青島266071；2.國土資源部 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島266071）

山東半島東、北部主要為海灘海岸、障壁島－潟湖海岸和基巖海岸，沙質(zhì)海灘發(fā)育。了解海灘的地貌動力特征對海岸工程開發(fā)（如濱海公路、浴場修建）和旅游開發(fā)等有重要意義。根據(jù)2003—2006年的海灘調(diào)查資料，分析了山東半島東北部海灘平面形態(tài)、剖面序列及剖面的年際和季節(jié)性變化，并利用沉積物－波浪參數(shù)（Dean參數(shù)），研究了山東半島東、北部海灘的動力地貌的類型。

海灘傾向受到斷層構(gòu)造等影響［3］。海灘傾向不同，受到的波浪的作用也不同，這影響著海灘動力地貌的變化。我們的研究區(qū)域，包括牟平養(yǎng)馬島西側(cè)至榮成市褚島一帶的一系列海灘（圖1中養(yǎng)馬島至威海之間的M1～M7為以往監(jiān)測剖面①王文海，吳桑云，夏東興，等.典型岸段海岸侵蝕及其對策研究.1996－08.，P1～P16為我們的監(jiān)測剖面；波高、潮差來自文獻［4－5］）。以成山頭（或稱成山角）為界，養(yǎng)馬島西側(cè)至成山頭部分為北部海岸，成山頭至褚島為東部海岸。兩側(cè)季節(jié)性波浪條件明顯不同，為研究波浪動力因素對海灘動力地貌影響的提供了良好的條件。主要海灘的平面形態(tài)及傾向見圖2。

1 研究區(qū)背景

據(jù)《山東省海岸帶和海涂資源調(diào)查報告集》和《中國海灣志》第三分冊［4－5］，研究區(qū)波浪四季都是以風成浪為主，頻率為94%～100%。年均H1/10為0.2～0.7m。年均波浪周期在1.6～3.4s。北部海岸波浪特征不同于東部海岸的。北部海岸最大月均波高在冬季，夏季較小，主要波浪方向為N和NNW；而東部海岸波浪特征正相反，冬季較小，夏季較大，主要波浪方向是N，NNW，SSW和SW。極端波高出現(xiàn)在成山頭站，波高達8.0m。研究區(qū)潮汐小，年平均大潮潮差＜2m，屬于弱潮海岸（表1和圖1）。煙臺至威海以西（高科技開發(fā)區(qū)）地區(qū)為正規(guī)半日潮；威海市以西及東部海岸為不正規(guī)半日潮。平均大潮潮差為0.80～2.08m，屬弱潮海岸。這里潮差小，屬浪控海岸和波浪－潮汐共同作用的海岸［2］。浪潮作用指數(shù)K［6］和相對潮汐指數(shù)RTR值［7］反應了潮汐和波浪對海灘的相對影響程度。這里利用本地煙臺芝罘島至石島區(qū)資料計算了浪潮作用指數(shù)K和相對潮汐指數(shù)RTR值。山東半島易受氣旋、冷鋒和熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)影響，形成風暴潮［7］。受冷鋒影響，冬季經(jīng)常出現(xiàn)大風天氣（＞17m/s）。海灘沉積物為富含石英和長石的沙質(zhì)，主要海岸灘沉積物來自河流和海岸花崗巖等風化產(chǎn)物。較大的河流有辛安河、沽河、沁水河等。

2 資料和方法

2.1 海灘地貌平面特征參數(shù)

研究區(qū)海灘的平面特征受到岬角、澙湖出口等的控制。這里使用沙質(zhì)海灘開敞程度（岬角影響程度）和凹陷性比值來確定控制海灘發(fā)育的的海灣特征。沙質(zhì)海灘開敞程度定義為海灣寬度（CL）和海灣岸線的長度（SL）的比值［8－10］，比值（SL/CL）說明海灘暴露程度。此外，海灘的暴露性也可以用海灣凹陷值（a）和岬角間隔距離（R0）比率表示［11］。海灘的這些參數(shù)采用1996年1∶10 000航空影像圖像在Mapinfo軟件下進行測量。

2.2 海灘沉積物粒度、Dean參數(shù)和動力地貌分類

2003年和2004年進行了取樣。在16個剖面（圖1）和調(diào)查點（圖3a）上共獲得287個海灘表層（0～10 cm）沉積物樣品。調(diào)查點在高潮線附近取沉積物樣；剖面上，沿測線每個地形測點取一個樣。用篩析法進行粒度分析。調(diào)查點沉積物粒徑取其沉積物中值粒徑，剖面的粒徑為各樣品中值粒徑的平均值。

Dean參數(shù)和海灘地貌特征被用于劃分海灘動力地貌類型［12－13］。Dean參數(shù)（Ω）由波浪參數(shù)和沙粒的沉降速率決定，計算公式：

其中Hb為破波帶波高，T為波浪周期，ω為沉積物沉降速率。

選用5個波浪站的波浪統(tǒng)計數(shù)據(jù)：芝罘島站、旗桿嘴站（威海）、青磯島站、成山角站和桑溝灣站。多數(shù)調(diào)查點的樣品是2003－08取得，對應使用夏季或8月的波浪值。調(diào)查點26和28（圖4）是4月取得，對應使用附近青磯島站4月的波浪值。剖面上的樣品都是2003－10取得，因此對應使用波浪站10月或秋季的波浪值。

由于收集的波浪波高為H1/10，需要通過2步計算獲得Hb。首先通過海港水文規(guī)范估算有效波高（H1/3）（式2），然后利用 Kormar and Gauhan的半經(jīng)驗公式（式3）［14］計算Hb：

分別向空白獼猴桃和土壤樣品中添加4個水平的螺蟲乙酯及其4種代謝產(chǎn)物的混合標準溶液，添加水平分別為0.05、1.0和2.0 mg/kg。按1.3節(jié)方法進行前處理，按1.4節(jié)條件檢測，計算添加回收率及相對標準偏差（RSD）。

式（3）中，H0為深水波高；L0＝（gT2）/（2π），為深水波長。

沉降速率根據(jù)Ferguson和Church的公式［15］，用中值粒徑進行計算：

其中C1和C2為常數(shù)，C1＝18，C2＝1.0；D為中值粒徑（D50），g為重力加速度，R為沉積物密度（根據(jù)石英密度計算），υ為運動黏度，υ＝1.00×10－6m2·s－1（水溫20℃時）。

根據(jù)Dean值可對海灘類型進行劃分：Ω＜2時為反射型海灘，2≤Ω≤5時為過渡型海灘，Ω＞5時為消散型海灘；過渡型海灘進一步可分為4種亞類：沿岸壩－凹槽型、韻律沙壩型、橫向沙壩裂流型和脊－槽型［8］。

2.3 海灘地貌特征和海灘剖面

2003—2006年進行了5次剖面重復測量。剖面一般選在海灘中部，使其更具帶表性。起點有固定的標志，使測量結(jié)果可對比。沿海岸選則了16個剖面進行監(jiān)測。使用水準儀進行剖面測量，用羅盤確定方向，測量范圍為后濱（或海岸沙丘）至低潮線。并且在剖面上取表層5～10cm沉積樣品，進行了粒度分析。對剖面進行比較，分析了空間上海灘序列變化和季節(jié)性變化。

3 結(jié)果

3.1 海灘地貌平面特征

山東半島東北部的沙質(zhì)海岸按岸灘形態(tài)組合特征和成因，可分岬灣海岸、沙壩－潟湖海岸和夷直海岸。岬灣海岸分布在威海北部、成山頭附近和東部榮成諸小灣地區(qū)，岬灣海岸發(fā)育袋狀海灘。沙壩－潟湖海岸廣泛分布在山東半島北部、東部地區(qū)，典型的如朝陽港外的海灘、月湖海灘等。夷直海岸為養(yǎng)馬島至雙島灣的一段海灘。

統(tǒng)計的各沙質(zhì)海灘開敞程度（岬角影響程度，CL/SL）和凹陷性比值（a/R0）（表2和圖2）表明，兩者負相關(guān)，即CL/SL越大，a/R0則越小，相關(guān)系數(shù)r2＝0.86。養(yǎng)馬島至雙島灣口海灘是平直海岸而非弧形海岸，為開敞型，其CL/SL值最大，接近1；成山頭附近馬蘭灣海灘（圖1中P10）為袋狀海灘最小，為0.17。北部海灘開敞度好于東部海灘的。桑溝灣是半開敞海灣，CL/SL為0.16，盡管局部為弧形海岸，但整個海灣是封閉性強。

表2 山東半島東、北部沙質(zhì)海灘開敞程度（CL/SL）和凹陷性比值（a/R0）Table 2 The degree of headland（CL/SL）and indentation ratio（a/R0）of sandy beaches along the northern and eastern coasts of Shandong Peninsula

3.2 海灘剖面Dean參數(shù)及剖面地形變化

山東半島東北部海灘沉積物組分在細沙至粗沙之間，主要礦物成分是石英和長石，此外還有少量鈣質(zhì)貝殼碎片。利用粒度數(shù)據(jù)和與之相同季節(jié)的5個站位的波浪數(shù)據(jù)（表3）［4－5］，可計算出各海灘Dean參數(shù)。圖3顯示在各個海灘的取樣位置、海灘粒度的中值粒徑和海灘的Dean參數(shù)。圖3中①～④代表不同波浪站范圍。成山頭附近（圖3b中24～30）海灘粒度比較粗。這一帶有些礫石灘是＞2mm的礫石構(gòu)成的。其他海灘的粒度為0.25～0.80mm，并有從成山頭向西和向南兩翼變小的趨勢。Dean參數(shù)顯示出研究區(qū)海灘差異，據(jù)此大致可分為2部分：1）北部海灘在威海西面Dean值較大（＞5），屬于消散型海灘；2）威海東側(cè)和東部海岸的Dean值明顯較?。ǎ?），屬于過渡類型或反射類型。

表3 山東半島東、北部海岸夏秋波浪Table 3 Wave parameters in summer and autumn along the northern and eastern coasts of Shandong Peninsula

圖3 海灘取樣位置、中值粒徑及Dean值分布Fig.3 Sampling locations，median grain sizes and Dean numbers of the beaches studied

3.3 海灘剖面地形變化

重復測量顯示海灘的形態(tài)在空間上和季節(jié)性的變化，以及其與Dean參數(shù)關(guān)系（圖4水位線根據(jù)低潮位置和潮汐表推測）。從以下5個方面考察海灘的時空變化：1）海灘坡度和寬度；2）平滑海灘/有折的海灘；3）灘面形態(tài)，如上凸、下凹或平直；4）海灘壩數(shù)量變化；5）風成沙丘。

圖4 海灘地形剖面對比（位置見圖1）Fig.4 Contrast of beach topographic profiles（the locations referred Fig.1）

北部夷平海灘的坡度較小、寬度較大，一般坡度在1.1°～2.1°，最大寬度180m。有些海灘剖面潮間帶有明顯拐點，可將剖面分成陡的向陸海灘和緩的向海海灘。如2004－10剖面P4的海灘形態(tài)，陡的一段坡度達到6.4°。北部開敞弧形海岸海灘和東部類似海灘的寬度接近，都比夷直海岸坡度大，寬度變小。封閉性強的海灘坡度最大、寬度最小。北部海岸以下凹的形態(tài)為主，而東部海岸則以平直及上凸的海灘為主，如P12和P13。這反映北部海岸受到更強的風浪的作用。

海灘沙壩是沉積物靜離岸輸運在碎波帶形成的潮間帶凸起。海灘沙壩出現(xiàn)與坡度、寬度關(guān)系密切。研究區(qū)整個區(qū)域的海灘顯示了這種相關(guān)性，即坡度小、寬度大時易出現(xiàn)沙壩。北部海岸最西側(cè)靠近辛安河附近的海灘，坡度小，沉積物供應充足，發(fā)育海岸沙丘，則海灘上形成多個直的海灘沙壩，如煙臺市牟平區(qū)（圖5a）。而寬度窄的封閉海灘，沒有海灘沙壩。

圖5 山東半島東、北部各類海灘照片F(xiàn)ig.5 Photographs of different beaches along the northern and eastern coasts of Shandong Peninsula

Dean參數(shù)對北部開敞的平直海灘剖面的狀態(tài)和封閉海灣海灘狀態(tài)的判斷較為準確。北部開敞的平直海灘剖面的Dean參數(shù)較大，大于或接近5，而其形態(tài)為消散型為主，表現(xiàn)為坡度小、沉積物來源豐富，其中剖面P1為典型的有多個壩的消散型（圖5a、圖5b和圖5c）。封閉海灣海灘的Dean參數(shù)為0.3～1.4，其形態(tài)為變化較小的反射型海灘，與Dean參數(shù)判斷的一致（圖4和圖5e）。而開敞的岬灣海灘的Dean參數(shù)為0.5～2，根據(jù)海灘狀態(tài)模型，其應為反射型，而實際海灘形態(tài)則包括了反射類型（圖4中P12和P13）和過渡類型，而且以有壩的過渡類型為主（圖5d和圖5f）。因此，對開敞的岬灣海灘海灘，Dean參數(shù)不能準確反映其狀態(tài)。

海灘剖面季節(jié)性變化也比較明顯（圖6）。北部海岸夏季（10月）容易形成沙壩，冬季（2月）則較少，如北部的平直海岸剖面和北部的岬灣海灘剖面的變化。北部海灘冬季海灘常變低數(shù)十厘米，或者海灘靠岸的上部沙壩受侵蝕，而下部堆積，使海灘變平滑。王文海等監(jiān)測的1992年冬季和1993年夏季海灘剖面（圖1中M1～M4和M7），也揭示海灘沙壩夏季出現(xiàn)，而冬季消失。而東部海岸海灘剖面則相反，海灘冬季出現(xiàn)沙壩，而夏季消失①。沙壩的變化顯示北部和東部海岸季節(jié)性變化的不同。

圖6 山東半島東部、北部剖面的季節(jié)性變化及海灘壩的出現(xiàn)/消失Fig.6 The seasonal changes of beach profiles and the occurrence and disappearance of beach bars along the northern and eastern coasts of Shandong Peninsula

4 海灘動力地貌的影響因素

4.1 海灘剖面參數(shù)和沉積動力參數(shù)關(guān)系

威海以西基本為消散型海灘，威海至成山頭主要為過渡型海灘，成山頭至楮島以反射型為主，這與Dean參數(shù)反映的海灘動力地貌一些特征的判定結(jié)果基本是一致的。當然，控制海灘發(fā)育的還有其它地質(zhì)控制因素，如構(gòu)造對海灘傾向的控制、沉積物供給等［3，17－18］。盡管這個模型有一定的局限性，但數(shù)據(jù)顯示，利用Dean參數(shù)可對山東半島東、北部海灘進行初步分類。相關(guān)性分析顯示海灘地形參數(shù)和動力參數(shù)的關(guān)系（圖7）。

圖7 海灘地形參數(shù)和動力參數(shù)Fig.7 Topographical and dynamic parameters of the beaches studied

海灘潮間坡度與Ω值有一定相關(guān)性（r2＝0.54），而與岸灘平均沉積物中值粒度、潮差、相對潮差之間的相關(guān)性不強。這反映出地貌與單純的沉積物或動力因素關(guān)聯(lián)不強，而與綜合因素有關(guān)。K值則與海灘平均沉積物粒度有較強的相關(guān)性（r2＝0.648 8），但與海灘潮間坡度無關(guān)。這與華南海灘的特征［3］有一定的區(qū)別。

4.2 海洋動力條件對海灘狀態(tài)的影響

雙島灣以東至研究區(qū)東南端，是波浪和潮汐共同作用的海岸［6］，季節(jié)性風浪對海灘地形發(fā)育影響非常明顯。

圖8 山東半島東、北部波浪站波浪玫瑰圖和各月平均波高變化［1］Fig.8 Wave rose diagrams and monthly averaged wave heights from the wave stations along the northern and eastern coasts of Shandong Peninsula［1］

北部海岸帶波浪特征不同于東部。整體上，北部海岸年均浪高大，而東部年均浪高?。▓D1）。東部海域密集的海帶養(yǎng)殖，這有減小波浪能量的作用［19］。從浪向玫瑰圖看，在北部，海岸受到N，NE，和NW風引起的波浪作用，主浪向為北；而東部則同時受到北部和南部風浪的影響，至少有2個主浪向（圖8）。月平均浪高圖反映：北部海岸冬季浪高大，夏季浪高??；而東部則相反，冬季浪高小，夏季浪高大。由于冬季N和NW向風暴影響，因此北部冬季波高較大。與之相反，東部海岸受控于東風和東南風引起的波浪，因此夏季波高較大。這可以解釋北部和東部海灘沙壩的出現(xiàn)和消失。這是由于海灘沙壩易出現(xiàn)在較小的涌浪條件下，而在大風浪時常受到破壞。因此北部和東部海灘沙壩的季節(jié)性變化正好相反：北部夏季出現(xiàn)潮間沙壩，冬季消失，而東部剖面夏季剖面較平滑，而冬季易出現(xiàn)潮間沙壩。構(gòu)造決定著海灘的傾向，而傾向與波浪動力條件有關(guān)，這些因素共同影響著海灘的變化。

5 結(jié)語

根據(jù)海灘剖面形態(tài)、平面形態(tài)和Dean參數(shù)，可以把山東半島東北部海灘分為3種主要的海灘狀態(tài)類型。北部海灘以消散型和過渡型為主，而東部海灘主要為過渡型和反射型的海灘。海灘的狀態(tài)主要受到水動力因素的控制，因此，Dean參數(shù)在區(qū)域范圍內(nèi)是適用的指標性參數(shù)。

季節(jié)性變化顯示，波浪條件控制山東半島北部和東部海灘剖面變化。兩段海岸季節(jié)性波浪的不同，使北部和東部海灘剖面變化趨勢也不同。潮間沙壩清楚反映了這種不同。

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