海南博鰲海域沖淤災(zāi)害地質(zhì)及其環(huán)境穩(wěn)定性分析

張 亮，汪亞平，崔振昂，薛 峭

0 引言

海岸沖淤變化發(fā)生極為普遍，對(duì)海岸會(huì)造成一定的影響，尤其是海岸侵蝕易對(duì)沿海經(jīng)濟(jì)造成較大損失(豐愛平等，2003)。因此，海岸沖淤變化已從單純的自然變異過(guò)程上升為一種災(zāi)害現(xiàn)象。更為嚴(yán)重的是，海岸沖淤常與沿海臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮和地面下沉等災(zāi)害疊加發(fā)生，使災(zāi)情加劇。海岸的變遷直接導(dǎo)致岸帶植被的破壞、水土流失，也帶來(lái)了海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化。另外，海灣是極為曲折的海岸，是海洋伸入陸地較深、入口寬度較小的水域，為多種自然資源(如水道、港口和海灘等)的復(fù)合區(qū)。由于容易受到自然因素和人類活動(dòng)的頻繁影響，海灣經(jīng)常會(huì)發(fā)生海水入侵和港口的侵蝕淤積等地質(zhì)災(zāi)害，因而海灣不僅屬于環(huán)境變化的敏感區(qū)域和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱地帶(黃玲玲等，2009;劉運(yùn)令等，2011)，也是目前海岸帶陸海相互作用(LOICZ)的重要研究區(qū)域。選擇海南博鰲海域作為研究對(duì)象，利用2期海圖，并結(jié)合多期遙感影像和地形圖對(duì)比，分析了博鰲海域的沖淤及海岸線變遷。根據(jù)潮汐汊道P－A關(guān)系研究和沖淤災(zāi)害因素判別，進(jìn)行口門穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，分析了博鰲港的沖淤災(zāi)害和環(huán)境穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)概況

博鰲港位于南海西北部的海南島東海岸，萬(wàn)泉河入?？冢且粋€(gè)潮汐汊道型海灣(圖1)(張亮等，2011)。其南側(cè)有沙美內(nèi)海，接龍滾河和九曲江2條河流匯入。水文觀測(cè)表明，博鰲港枯水期流速小，懸沙體積質(zhì)量低，但在風(fēng)暴潮、豐水期和洪水期，沉積物活動(dòng)性得到加強(qiáng)(陳妙紅等，2002)。萬(wàn)泉河的現(xiàn)出口礁石累布，口門南側(cè)的玉帶灘是一戟狀沙嘴，為分隔近岸海域的砂質(zhì)海灘向北延伸的末梢(高建華等，2002)。博鰲港海岸多為平直高大的沙壩，屬典型的沙壩—潟湖—潮汐汊道地貌，是一個(gè)快速變化的系統(tǒng)。玉帶灘南港村北端的形成時(shí)間約為200 a，19世紀(jì)前的萬(wàn)泉河口還是個(gè)開敞海灣，當(dāng)時(shí)玉帶灘沙壩的北端在今南港村附近。19世紀(jì)開始，玉帶灘不斷向北生長(zhǎng)，達(dá)到現(xiàn)在的位置和規(guī)模(葛晨東等，2003)。根據(jù)GSTA模型和輸沙率計(jì)算(高建華等，2002;張振克，2003;張亮等，2011)，將玉帶灘分為3部分，北部侵蝕、中部淤積和南部穩(wěn)定。根據(jù)地物侵蝕情況統(tǒng)計(jì)，局部侵蝕后退速率＞3.5 m/a(張振克，2003;陳吉余等，2010)。

圖1 海南博鰲港海域示意圖Fig.1 Sketch of the Boao sea area in Hainan Province

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 底床沖淤演化分析數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

沖淤變化分析是以1∶5萬(wàn)的1962年海圖和1∶1萬(wàn)的1985年海圖(分別為海軍司令部航海保證部1965年和2001年出版)來(lái)獲取不同時(shí)期的水深數(shù)據(jù)，使用 ArcGIS 9.3，通過(guò)建立數(shù)字高程模型(DEM)的方式進(jìn)行?；具^(guò)程如下：首先對(duì)2期海圖的平面坐標(biāo)系進(jìn)行改正，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為UTM投影，并統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為理論深度基準(zhǔn)面;數(shù)字化后提取水深點(diǎn)，通過(guò)Spline插值方法生成博鰲港海底DEM模型，空間插值的像元大小為30 m×30 m;導(dǎo)入此2期(年)海圖數(shù)據(jù)生成的DEM模型進(jìn)行相減，從而得到?jīng)_淤變化的DEM模型;最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到海底底床的沖淤變化情況。

2.2 海岸線變遷分析數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

海岸線變遷主要利用遙感數(shù)據(jù)解譯分析。根據(jù)海岸地物光譜特征，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)地理信息系統(tǒng)和解譯遙感數(shù)據(jù)的方法，對(duì)衛(wèi)星遙感影像成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終獲得海岸帶信息。選取不同時(shí)期的TM(分辨率30 m)遙感影像圖進(jìn)行增強(qiáng)處理，并選取水陸界線分明的4、5波段進(jìn)行合成，采用多年平均大潮高潮線作為岸線，通過(guò)目視解譯確定岸線所在位置并進(jìn)行數(shù)字化，從而獲得1990年、2000年、2010年的岸線數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同時(shí)相遙感資料解譯的海岸線數(shù)據(jù)，應(yīng)用端點(diǎn)速率法計(jì)算海岸線變遷速率，即：海岸線某點(diǎn)處2個(gè)歷史岸線位置移動(dòng)的距離與其對(duì)應(yīng)時(shí)間差的比值定義為端點(diǎn)速率(End Point Rate，EPR)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式(1)中，D1和D2分別為時(shí)間T1和T2的岸線位置數(shù)據(jù)，即參與計(jì)算的歷史岸線中時(shí)間跨度最大的2個(gè)岸線位置數(shù)據(jù)。

2.3 潮汐汊道一維連續(xù)方程與P－A關(guān)系

潮汐汊道中的流量等于水位上升的時(shí)間速率乘以海灣面積，潮汐汊道的一維連續(xù)方程可表達(dá)為(王御華等，2004)：

式(2)中，a為水道橫剖面面積;V為水道流速;Ab為海灣面積;H1為水道海灣一端的水位;t為時(shí)間。

劉運(yùn)令等(2011)在研究膠州灣地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性中，根據(jù) O'Brien(1931)提出的P－A關(guān)系形式(式3)，在理想狀態(tài)下引入Vm潮流振幅，然后又考慮海灣與口門的阻力影響得到：

式(3)、(4)、(5)中，A為潮汐汊道口門斷面面積;P為納潮量;T為潮周期;C為常數(shù);γ為等效摩阻系數(shù)，一般小于1。因?yàn)楹撑c口門阻力影響，潮汐汊道P－A關(guān)系的C值相應(yīng)減小，需要比式中P－A關(guān)系的理想潮流振幅Vm更高的口門實(shí)際潮流振幅Vr來(lái)維持系統(tǒng)的均衡狀態(tài)，其能量消耗的大部分被用于驅(qū)動(dòng)沉積物運(yùn)動(dòng)，調(diào)整口門地貌配置。若將等效摩阻系數(shù)γ定義為口門穩(wěn)定性參數(shù)：

因此，γ值越小，阻力影響越大，口門相對(duì)不穩(wěn)定;γ值越接近1，阻力影響越小，口門相對(duì)穩(wěn)定。

3 結(jié)果

3.1 博鰲海域海岸線變遷

為了直觀地顯現(xiàn)博鰲港海域岸線由陸向海的變化趨勢(shì)，采用博鰲港1962年海圖岸線、1990年、2000年、2010年的Landsat 5 TM影像，提取了不同時(shí)期的博鰲海域海岸線(圖2)，利用端點(diǎn)速率法計(jì)算岸線演變速率。由圖2和表1可見，萬(wàn)泉河口門北側(cè)1962—1990年呈現(xiàn)淤積，之后一直受侵蝕，侵蝕后退速率逐漸降低;口門呈現(xiàn)單口門和雙口門交替變化狀態(tài)，當(dāng)束窄后被洪水或者風(fēng)暴潮、波浪沖開，形成雙口門，加之沿岸懸沙的變化，潮流和風(fēng)浪作用，斷面寬度處于不斷調(diào)整中，目前是增大趨勢(shì);玉帶灘北端末梢擺動(dòng)，近50年來(lái)持續(xù)侵蝕后退，并且末梢向北東方向伸長(zhǎng);玉帶灘中部表現(xiàn)為微淤積和侵蝕的狀態(tài)，近于穩(wěn)定平衡態(tài)。中部1962—1990年處于穩(wěn)定狀態(tài)，1990—2000年處于侵蝕狀態(tài)，2000年以后，基本上處于淤積－穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 1962—2010年博鰲港海岸線變化Fig.2 Changes of coastline in Boao Harbor between 1962 and 2010

表1 博鰲港海域岸線變遷統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of coastline changes in Boao Harbor

3.2 底床沖淤變化

沉積速率可作為近海海底沖淤?gòu)?qiáng)度劃分的重要依據(jù)，反映在區(qū)域自然因素和人類活動(dòng)的影響下入海泥沙量和排出量之間的動(dòng)態(tài)平衡被破壞和新平衡建立的復(fù)雜過(guò)程。據(jù)前人的210Pb測(cè)年資料，博鰲港沙美內(nèi)海內(nèi)百年尺度的沉積速率量級(jí)為10－3m/a。

2期海圖的地形對(duì)比分析表明(圖3)，博鰲港外海區(qū)域主要以淤積為主，年淤積量約0.1 m，局部海域能達(dá)到0.3 m/a;此外還有部分海域處于侵蝕狀態(tài)，25年間侵蝕總量小于1 m，是淤積量的1/2。在萬(wàn)泉河口門處和玉帶灘東側(cè)海域，以侵蝕為主，其中口門處為侵蝕劇烈變化區(qū)，水下深度侵蝕變化在1～2 m之間，極個(gè)別區(qū)域達(dá)到2～3 m;玉帶灘南港村以北都處于侵蝕狀態(tài)，河口北側(cè)沙嘴侵蝕速率略低，侵蝕變化速率為0.05 m/a，南部逐漸增加至0.05～0.10 m/a;南港村附近最高，可達(dá)到0.15 m/a，但在岸外300 m左右處有1個(gè)淤積中心，該岸段出現(xiàn)上沖下淤的現(xiàn)象。在萬(wàn)泉河河道內(nèi)，邊溪沙西側(cè)和東嶼島東側(cè)主要是侵蝕為主，其中東嶼島東側(cè)侵蝕部分區(qū)域侵蝕較為嚴(yán)重，25年間的侵蝕深度達(dá)1～2 m。在東嶼島西側(cè)和邊溪沙東側(cè)，侵蝕與淤積間隔分布，變化不大，年變化率在－0.05～0.15 m之間。在沙美內(nèi)?？陂T處，主要是以侵蝕為主，最高可達(dá)到2～3 m之多。

根據(jù)1976年、1985年和1990年3個(gè)時(shí)段水下地形圖的2，5 m等深線對(duì)比(王寶燦等，2006)，玉帶灘東部海域這3條等深線均趨向于侵蝕內(nèi)移，其中以2 m等深線的侵蝕幅度最大，口門處2，5 m等深線處于淤積外移趨勢(shì)。

圖3 博鰲港海域1962—1985年沖淤變化Fig.3 Erosion and deposition of seafloor at Boao Harbor between 1962 and 1985

3.3 潮汐汊道穩(wěn)定性分析

采用上述方法，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，確定了口門穩(wěn)定性參數(shù)(γ)與各口門斷面面積(A)的需求(表2)，γ值為0.35，表明博鰲港口門處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 博鰲港口門斷面的P-A-γ關(guān)系Table 2 Relationship among tidal prism，cross-sectional area and equ-coefficient of friction at the cross section of Boao Harbor

根據(jù)對(duì)海南東海岸沿岸潮汐汊道的統(tǒng)計(jì)(陳國(guó)強(qiáng)等，2004)，博鰲灣P－A關(guān)系為：

式(7)中統(tǒng)計(jì)的n值為1.14。n＞1，說(shuō)明博鰲港屬于沿岸漂沙為主要控制因素海灣。當(dāng)海灣尺度減小后，口門寬度應(yīng)減小，潮流速度增加，以迅速的地貌反饋來(lái)維持系統(tǒng)均衡狀態(tài)。

4 討論

博鰲海域玉帶灘北段處于侵蝕狀態(tài)，主要以博鰲東岸波浪作用為主，在風(fēng)浪作用下，海岸處于侵蝕狀態(tài)，侵蝕的泥沙在潮流的攜帶下，供給玉帶灘向北延伸，隨著北段末梢漂沙供給的減少而來(lái)回?cái)[動(dòng)，加之萬(wàn)泉河徑流作用，萬(wàn)泉河口門處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，近些年來(lái)，萬(wàn)泉河上游興建水庫(kù)使大量的推移質(zhì)泥沙被攔截(張亮等，2011)，下游主要輸送的是懸移質(zhì)泥沙，使下游和河口地區(qū)遭受侵蝕。在萬(wàn)泉河口門外，由于徑流攜帶泥沙在波浪和潮流頂托作用，迅速沉積下來(lái)，形成一個(gè)沉積區(qū)。沙美內(nèi)海處于淤淺狀態(tài)，這是由于玉帶灘不斷向北生長(zhǎng)，使得萬(wàn)泉河出?？诳陂T不斷束窄，受到萬(wàn)泉河水的頂托，海水進(jìn)入沙美內(nèi)海的阻力不斷加大，動(dòng)力環(huán)境減弱(葛晨東等，2003)。龍滾河和九曲江的泥沙注入，加之沿邊圍護(hù)和養(yǎng)殖，導(dǎo)致面積逐漸減小。

人類采砂活動(dòng)也給岸線帶來(lái)了變化，海灘采礦加劇了海岸侵蝕。

臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)暴潮會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)海岸地貌重新塑造，近30年來(lái)在海南島東部岸段引發(fā)風(fēng)暴潮、造成風(fēng)暴潮災(zāi)害的臺(tái)風(fēng)有5次，其中尤以從博鰲登陸的7314號(hào)臺(tái)風(fēng)造成的潮災(zāi)為甚(梁海燕，2003)。這種突變天氣將造成大量沉積物以懸移質(zhì)、底移質(zhì)形式在博鰲海區(qū)快速起動(dòng)和搬運(yùn)。這些沉積物除一部分被帶至高潮線以上，另一部分可能被水流侵蝕帶入海里了，局地發(fā)生劇烈侵蝕－淤積變化。

5 結(jié)論

(1)底床沖淤變化顯示，外海主要以淤積為主，口門和玉帶灘東側(cè)主要以侵蝕為主;在萬(wàn)泉河道內(nèi)，邊溪沙西側(cè)和東嶼島東側(cè)主要以侵蝕為主，其余地區(qū)為淤積;在沙美內(nèi)海口門處，主要以侵蝕為主。結(jié)合前人的研究，沙美內(nèi)海處于淤積狀態(tài)。

(2)根據(jù)岸線變化分析，萬(wàn)泉河口門北側(cè)處于侵蝕后退狀態(tài);口門呈現(xiàn)單口門和雙口門交替變化狀態(tài);玉帶灘北端末梢不穩(wěn)定，并且末梢向北東方向伸長(zhǎng);玉帶灘中部表現(xiàn)為微淤積和侵蝕的狀態(tài)，近于穩(wěn)定平衡態(tài)。

(3)口門穩(wěn)定性參數(shù)γ值為0.35，表明博鰲灣口門處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

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