青島市靈山灣海水浴場沉積物分布特征與影響因素

徐方建，趙永芳，李傳順，孫根云，張康，田旭，王心懌

（1.中國石油大學 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；2.中國石油大學 山東省油藏地質重點實驗室，山東 東營 257061；3.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071；4.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

我國有長達18 000 km的大陸岸線和14 000 km的島嶼岸線，分布有基巖海岸、砂質海岸、泥質海岸以及人工海岸等多種海岸類型。由于自然和人為的因素，近幾十年來海岸普遍呈現(xiàn)侵蝕狀態(tài)，海岸線發(fā)生后退 （王寶燦等，2005;陳吉余等，2010；李蒙蒙等，2013）。海岸侵蝕對沿海地區(qū)經濟社會發(fā)展帶來了許多不利影響，海岸防護已經成為了許多地方突出和緊迫的問題。因此，在海岸帶開發(fā)利用和保護方面來講，對于海灘砂的輸運研究極具意義。

青島市海域面積1.22萬km2，海岸線863 km，海灣多處，較大的有膠州灣、瑯琊灣、靈山灣、嶗山灣等。作為青島的母親灣，膠州灣的沉積物搬運得到了諸多的關注 （李乃勝等，2006；Yuan et al，2009）。而對于其他海區(qū)，則研究非常少 （王昕等，2013）。本文將靈山灣海水浴場作為天然實驗室，針對海灘砂進行采樣和粒度測試，探討沉積物分布特征，分析沉積物輸運趨勢，以期為海灘砂研究以及海岸帶開發(fā)利用和保護提供基礎資料。

1 研究區(qū)概況

青島地處典型的東亞季風氣候區(qū)，受毗鄰海洋的影響，其天氣和氣候具有大陸性和海洋性之間的過渡型特征，沿海一帶屬海洋性氣候特征。地貌上是典型的山地海岸、岬灣相間，多沙灘和海灣，其沙灘正遭受侵蝕不斷后退，且侵蝕后退速度加劇。例如，著名的青島第一海水浴場由于海岸侵蝕，呈現(xiàn)出不斷退化的現(xiàn)象，每年都需要通過人工填沙來維持。

靈山灣海水浴場位于黃島區(qū)東部，北依小珠山，西南臨瑯琊臺，東南與靈山島相望，風景十分優(yōu)美。然而，自20世紀90年代以來，靈山灣每年蝕退可達7m（楊鳴等，2005）。靈山灣沿岸的數(shù)個碉堡，原建于20世紀50年代，位于高潮線以上沿岸沙堤的頂部，而現(xiàn)在已經沒入了海中 （楊鳴等，2005）。

2 材料與方法

研究所用沉積物表層樣品為2011年3月5日（陰歷二月初一，10∶00-14∶00之間，低潮位）采自于青島市靈山灣海水浴場的砂樣，共92個（圖1）。定位采用美國Magellan eXplorist500手持GPS，定位精度＜7m。

圖1 青島市靈山灣海水浴場位置及采樣點位

樣品分別經過量30%雙氧水和3mol/L鹽酸去除沉積物中的有機質及生物貝殼，其后將樣品離心3次，處理后的樣品經超聲波振蕩分散后在國家海洋局第一海洋研究所進行測試。分析所用儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀，測量范圍為0.02-2 000μm，重復測量相對誤差<3%。

3 沉積物粒度特征及輸運趨勢

3.1 沉積物粒度參數(shù)特征

研究區(qū)表層沉積物平均粒徑和分選系數(shù)分別為1.2-2.6φ、0.38-0.83。按照Shepard三角形分類法，所有沉積物類型均為砂（細砂-中砂），分選好至較好 （賈建軍等，2002）。粒度頻率曲線分布多數(shù)近于正態(tài)分布（圖2），表明其沉積作用受相對穩(wěn)定的水動力條件控制。

圖2 靈山灣海水浴場沉積物粒度頻率分布圖

靈山灣海水浴場沉積物粒度概率圖中包含跳躍組分和懸浮組分，其中跳躍組分含量較高，多在90%以上，懸浮組分含量較低，這可能是在較強的水動力條件下，細粒懸浮組分簸選搬運至較深水區(qū)所致。另外，本區(qū)也缺乏河流物質的輸入，這也可能導致細粒懸浮組分含量較低。由于波浪的沖刷回流作用，跳躍組分又可劃分為兩段，即表征波浪作用的沖刷段和回流段。各段分選略有差異，但總體分選較好。由海向陸方向（23-24-25-26點位），分選略有變差的趨勢（圖3）。

圖3 靈山灣海水浴場沉積物粒度概率圖

3.2 沉積物粒度參數(shù)分布特征

92個沉積物樣品的粒度參數(shù)平面分布，如圖4所示?？梢钥闯觯练e物自陸向海方向，總體有變細的趨勢。其中有少量站位與周邊沉積物略有差異，這可能是由于個別采樣點樣品相對偏粗或偏細，利用軟件作圖時導致平面分布圖上形成偏粗或偏細的異?！鞍邏K”。海岸帶沉積物由于向海運移的細顆粒和向岸運移的粗顆粒將分別在適當?shù)奈恢眠_到平衡，往返擺動而不發(fā)生位移，在波浪長時間作用下，不同粒徑的顆粒均處在各自的平衡位置，其分布多為岸邊顆粒較粗、向海顆粒變細的趨勢（同濟大學海洋系，1982），當然，不排除向海變粗的情況 （哈長偉等，2009）。沉積物分選總體表現(xiàn)為向海方向逐漸變好，這主要是由于粗顆粒物減少，并且受到水動力簸選時間較長的影響。另外，值得注意的是，靈山灣海水浴場東北側偏粗，分選略差，西南側偏細，分選較好，這似乎說明本浴場的東北側為一侵蝕區(qū)。

3.3 沉積物輸運趨勢

泥沙運動是海岸河口地區(qū)的一種基本物質運動，而水下地形、岸線形狀以及水動力條件等的復雜性決定了泥沙運動是一個比較復雜的物理過程。懸沙隨著水動力條件的變化，會發(fā)生擴散、輸運以及沉降等，而沉降的泥沙當水動力條件發(fā)生改變，如風浪較大時，有一部分又會在水流的作用下被擾動攪起繼續(xù)搬運、沉積。隨著泥沙的沉降及重新分布，不可避免的還會造成海底地形的變化。

在海洋環(huán)境中，正由于動力和物源的復雜性，判斷沉積物的凈輸運方向不是一個簡單的問題。Gao等（1992）發(fā)展的二維粒度趨勢分析方法，使得利用粒度參數(shù)空間分布反演海洋沉積物的凈搬運方向成為可能，該分析模型在近海和海灣沉積動力學中已經得到了廣泛的應用 （Gao，1996;賈建軍等 ，2005）。本文直接運用Gao（1996）的FORTRAN程序計算出研究區(qū)的沉積物輸運趨勢，結果如圖5所示。

圖4 靈山灣海水浴場沉積物粒度參數(shù)分布圖

圖5 靈山灣海水浴場沉積物輸運趨勢

粒度趨勢分析結果顯示，靈山灣海水浴場沉積物有總體北東-南西向的沿岸搬運趨勢。自然界中，當波浪傳播時，其波峰線多與海岸線有一定夾角，波浪產生一個平行海岸的分力，結合重力作用，使泥砂會沿著二者合力方向發(fā)生沿岸運動（同濟大學海洋系，1982）。同時，季風對物質的沿岸輸運具有顯著的影響，這在諸多海域得到了證實（Xiaoetal，2006；Liu etal，2009；Xu etal，2009；胡邦琦等，2012）。青島屬東亞季風區(qū)，冬、春季盛行北風或西北偏北風。由于采樣時間為冬春季過度時期，北風仍然強盛，同時由于海面粗糙度比陸地小，青島地面風速較內陸要大，如近海年平均風速為7.4m/s，極大風速可達44.2m/s（李乃勝等，2006）。因此強盛的冬季風和沿岸流會造成研究區(qū)沉積物總體北東-南西向的沿岸輸運。

研究區(qū)的波浪以波高小于1.5m的中小型波浪為主，而且存在季節(jié)性差異，其特征是冬季偏北向浪占優(yōu)勢，是全年風浪出現(xiàn)最多的季節(jié) （李乃勝等，2006）。對膠南市（注：已經合并為青島市黃島區(qū)）海域表層流場的研究認為，本海域為正規(guī)半日潮，黃島站的平均潮差為279 cm，最大潮差可達422 cm（李乃勝等，2006），取樣當天的高潮位約為390 cm，低潮位50 cm。有研究表明，漲潮時海水由研究海域東北部流入，沿岸向西南方向流去，落潮時由西南向東北方向流去 （孫英蘭等，2001;張學慶等，2005）。進一步利用三維質點追蹤模型對膠南海域進行的研究認為，近岸海域漲潮流大于落潮流，入海污染物也會沿岸由北向南發(fā)生遷移 （張學慶等，2006）。這與我們的研究結果也十分相符。因此，強盛的冬季風驅動的風浪、沿岸流與漲潮流可能對研究區(qū)物質的運移共同起到作用。

研究區(qū)東北部表現(xiàn)為物質的離岸搬運趨勢，這恰恰與東北部粒度較粗，分選略差相一致，說明海水浴場東北側正在發(fā)生侵蝕。已有研究認為，膠南市沿岸砂質海岸的侵蝕速率可達3.0m/a，海岸侵蝕使沙灘不斷變窄，坡度變陡 （陳吉余等，2010），如此以來，隨著青島西海岸經濟新區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，海水浴場附近修建了諸多游樂場所以及豪華酒店，吸引了大量游人來此旅游參觀，靈山灣海水浴場特別是東北側的侵蝕可能將會更加嚴重。

研究區(qū)中部及西南部物質在總體南西向運移的情況下，中部有向岸的運移趨勢，中部偏西南有離岸的運移趨勢，而西南部則較為雜亂，其原因可能為離岸和向岸的物質運移發(fā)生交匯，或是研究區(qū)西南側沉積物點位較少所致。因此，研究區(qū)西南部總體粒度偏細，是較細粒物質的沉積區(qū)。

前文已述，本研究區(qū)正在經受大規(guī)模建設、開發(fā)和侵蝕，在人與自然營力的共同作用下，自然海岸將會逐漸演變?yōu)槿斯ず０丁Ｄ敲?，海岸系統(tǒng)自身結構與功能能否以及如何保持相對穩(wěn)定并具有可持續(xù)發(fā)展的前景，如何滿足周邊環(huán)境的合理需求，已經成為當前緊迫的課題。

4 結論與展望

（1）靈山灣海水浴場海灘沉積物類型均為砂，分選好至較好。粒度頻率曲線分布多數(shù)近于正態(tài)分布，表明其沉積作用受相對穩(wěn)定的水動力條件控制。沉積物中跳躍組分含量較高，多在90%以上，懸浮組分含量較低，主要受到波浪、潮汐和沿岸流的影響。

（2）靈山灣海水浴場東北側偏粗，分選略差，西南側偏細，分選較好。粒度趨勢分析顯示，研究區(qū)沉積物有北東-南西向的沿岸搬運趨勢，東北部為侵蝕區(qū)，西南部為沉積區(qū)。

（3）隨著青島西海岸經濟新區(qū)的大規(guī)模開發(fā)，靈山灣海水浴場特別是東北側的侵蝕將會更加嚴重，如何保持海灘砂的相對穩(wěn)定，使其具有可持續(xù)發(fā)展前景并滿足周邊環(huán)境以及旅游等合理需求，成為近期及以后研究的緊迫課題。

（4）目前的研究是針對冬春過度季節(jié)（3月份），游人稀少，人類活動影響因素暫時可以忽略，而對于旅游旺季，游人對海灘砂的影響將會起到重要作用，同時，夏季的偏南向浪占優(yōu)勢，是涌浪出現(xiàn)最多、風浪出現(xiàn)最少的季節(jié) （李乃勝等，2006），這對于海灘砂的分布和輸運會有怎樣的影響，尚不得而知。因此，對海灘砂的季節(jié)性甚至是每個月份的分布、運移趨勢是否相同、有何差異、影響機制等問題，需要得到日后持續(xù)的調查研究，這將為本區(qū)海灘砂研究和保護提供基礎資料，為其他地區(qū)海灘研究提供參考。

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