基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)分析

馮瓊瑛，楊 鋒，肖 敏，張瑜斌

（1.廣東海洋大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 湛江 524009；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境測站，廣東 湛江 524039；3.廣東海洋大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學(xué) 海洋資源與環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 湛江 524088）

基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)分析

馮瓊瑛1，楊 鋒2，肖 敏3，張瑜斌4*

（1.廣東海洋大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 湛江 524009；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境測站，廣東 湛江 524039；3.廣東海洋大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學(xué) 海洋資源與環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 湛江 524088）

以湛江金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)前后不同時期沉積物粒度監(jiān)測數(shù)據(jù)、海底高程掃描數(shù)據(jù)和遙感影像為依據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 3D Analyst進(jìn)行沉積物和海底地形分析，得出湛江市金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)工程實施前后不同時期海底沉積物、地形表面和動態(tài)剖面變化情況。結(jié)果表明，湛江金沙灣海灘侵蝕區(qū)域集中在風(fēng)車廣場對出海域和原紅嘴鷗碼頭附近，后期應(yīng)重點考慮對此區(qū)域進(jìn)行修復(fù)重建。關(guān)鍵詞：海灘養(yǎng)護(hù)；ArcGIS 3D Analyst；沉積物；地形；侵蝕熱點

海灘養(yǎng)護(hù)是指根據(jù)設(shè)計方案，向海灘大量拋沙，或同時輔以硬式工程，使受蝕海灘增寬和穩(wěn)定的工程行為，被認(rèn)為是當(dāng)前抵御海岸侵蝕、維持海岸線平衡最有效的措施[1]。國外有關(guān)海灘養(yǎng)護(hù)的理論較為成熟，針對海灘在波浪、風(fēng)暴潮作用下的實驗研究很多，國內(nèi)起步稍晚但發(fā)展較快，一些學(xué)者開展了海灘養(yǎng)護(hù)剖面設(shè)計和實驗?zāi)M應(yīng)用研究[2-5]。

1 金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)工程概況

湛江金沙灣海灘位于廣東省湛江市赤坎區(qū)，瀕臨金沙灣觀海長廊，東臨湛江海灣，西側(cè)從北至南有風(fēng)車廣場、勞麗詩廣場以及紅嘴鷗碼頭（2013年拆除），海灘面積約為40 000 m2，海岸線長300 m，最多可容納20 000名游客。

為改善港灣生態(tài)環(huán)境，建設(shè)“一灣兩岸”的城市景觀，2012年湛江市政府對金沙灣海灘進(jìn)行了整治養(yǎng)護(hù)，整個工程歷時50 d，分2期進(jìn)行，第1期2012年10月11日～10月25日，第2期2012年10月27日～12月中旬。養(yǎng)護(hù)岸線長約800 m，北至風(fēng)車廣場，西至勞麗詩廣場，南至紅嘴鷗碼頭，縱深約150 m，面積為10.6萬 m2。養(yǎng)護(hù)內(nèi)容包括吹填石英沙、清理海底暗礁、處理污水淤泥等。工程位置和養(yǎng)護(hù)范圍如圖1黃色區(qū)域所示。

2 數(shù)據(jù)來源和分析方法

本文的分析數(shù)據(jù)主要有金沙灣海灘工程養(yǎng)護(hù)前后沉積物粒度監(jiān)測記錄和海底高程掃描數(shù)據(jù)。其中，海底沉積物數(shù)據(jù)分別于2012年9月（養(yǎng)護(hù)前）、2012年12月（養(yǎng)護(hù)后）、2014年6月（養(yǎng)護(hù)20個月后）由湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站按《海洋監(jiān)測規(guī)范》（GB17378.5-2007）進(jìn)行監(jiān)測取樣。海底高程數(shù)據(jù)以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽粸榛鶞?zhǔn)，分別于2012年10月10日（養(yǎng)護(hù)前）、2012年10月24日（養(yǎng)護(hù)中）、2012年11月26日（養(yǎng)護(hù)后）、2013年8月3日（養(yǎng)護(hù)10個月后）、2014年3月6日（養(yǎng)護(hù)15個月后）由該站依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/ T12763.10-2007）進(jìn)行掃描、監(jiān)測取得。

圖1 湛江金沙灣海灘養(yǎng)護(hù)工程位置示意圖

2.1 沉積物粒度分析方法

根據(jù)金沙灣海灘沉積物采樣實測的粒度數(shù)據(jù)，按《海洋沉積物質(zhì)量》（GB18668-2002）將沉積物分為砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉沙、粉沙、粘土質(zhì)粉沙、砂質(zhì)粘土、粉沙質(zhì)粘土和粘土8種，運(yùn)用Arctoolbox→自然鄰域法工具進(jìn)行沉積物插值分析，得到養(yǎng)灘前后不同時期沉積物分布示意圖。

2.2 地形分析方法

地形表面常采用等高線、Grid、TIN等模型來表達(dá)。先將金沙灣養(yǎng)灘前后高程掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)換帶；然后用Excel軟件整理為標(biāo)準(zhǔn)格式，導(dǎo)入ArcMap10；再利用3D Analyst→TIN管理→創(chuàng)建TIN和編輯TIN工具，生成不同時期TIN表面地形；最后結(jié)合應(yīng)用Arctoolbox→3D Analyst→柵值表面→等值線，生成等值線圖。

剖面監(jiān)測能反映不同階段海灘動態(tài)變化情況，本工程依據(jù)金沙灣海灘地形特點，設(shè)計了EW01、EW02、EW03東西方向3條監(jiān)測剖面。依據(jù)不同時期的地形柵格表面，用3D Analyst→線插值工具生成某剖面線插值，并創(chuàng)建剖面圖，再將同一剖面線不同時期的結(jié)果疊加，得出不同時期地形剖面變化結(jié)果。

2.3 高程變化分析方法

為了直觀地查看養(yǎng)灘前后地形表面變化情況，運(yùn)用3D Analyst工具，通過柵格插值分別生成不同測量時期的表面柵格，再用3D Analyst 的“柵格計算→減”工具，生成不同時間的高程變化示意圖。

3 對比結(jié)果與分析

金沙灣海灘養(yǎng)灘前后效果如圖2所示?？梢钥闯?，養(yǎng)灘前，海灘起伏較多，游人稀少；養(yǎng)灘后，地形平緩，沙灘潔凈，游客眾多。

圖2 養(yǎng)灘前后的湛江金沙灣海灘實景圖

3.1 沉積物粒度分析

粒度是沉積學(xué)的經(jīng)典指標(biāo)，粒度的空間變化指示著沉積環(huán)境與搬運(yùn)動力條件的變化。在養(yǎng)護(hù)工程不同時期，應(yīng)充分考慮該海灘的沉積物粒度特征、功能需求等因素，選擇合適的拋沙方式、位置、成分、數(shù)量和沙源[6]。運(yùn)用沉積物分析方法，分別生成養(yǎng)灘前（2012年9月）、養(yǎng)灘后（2012年12月）和養(yǎng)灘20個月后（2014年6月）的沉積物分布示意圖（圖3）?？梢钥闯?，養(yǎng)灘前取樣區(qū)域沉積物以粘土質(zhì)粉沙為主，約占整個采樣區(qū)域的50%；砂次之，占20%，主要分布在海灘西南側(cè)近岸。在設(shè)計拋沙時，宜采用灘肩補(bǔ)沙，將補(bǔ)給泥沙主要堆積在平均潮位以上，增加干灘寬度[3]；同時，對于離岸較遠(yuǎn)的粘土質(zhì)粉沙區(qū)域可輔以寬厚土工布鋪蓋，減少拋沙沉陷。養(yǎng)灘后，砂的比例大幅增加，達(dá)到52%，距離岸線300 m遠(yuǎn)處由于無法拋沙，沉積物粒度變化不大。整治20個月后，受水動力影響，拋沙流散，砂比例減少，粉沙比例上升。因此，后期修補(bǔ)時可采取近岸補(bǔ)沙或輔以離岸潛堤來削波護(hù)沙。

圖3 金沙灣海灘沉積物分布示意圖

3.2 地形表面分析

地形表面常采用Grid、TIN、等值線等來分析。運(yùn)用3D Analyst中的TIN分析工具，生成養(yǎng)灘前、養(yǎng)灘后、養(yǎng)灘10個月后的地形表面如圖4所示；運(yùn)用3D Analyst中的等值線分析方法，生成養(yǎng)灘前、養(yǎng)灘后和養(yǎng)灘15個月后的等值線如圖5所示。

結(jié)合圖4、圖5可以看出：養(yǎng)灘前，風(fēng)車廣場下側(cè)有一深潭，落差近10 m，勞麗詩廣場至原紅嘴鷗碼頭一帶近原紅嘴鷗碼頭附近等值線密集，地形起伏較大，為重點整治區(qū)域。養(yǎng)灘后由于大量拋沙，海灘地形趨緩，凹凸和深潭得到填補(bǔ)。養(yǎng)灘10個月后，受波浪等水動力作用，拋沙向東推移，離岸150～350 m處海灘地形變得坑洼不平，風(fēng)車廣場下側(cè)出現(xiàn)侵蝕。養(yǎng)灘15個月后，風(fēng)車廣場和原紅嘴鷗碼頭附近侵蝕加劇，落差變大，同時風(fēng)車廣場一側(cè)對出海域約150 m處存在一處深溝，深溝兩側(cè)高程等值線非常密集，容易造成溺水事故。后期監(jiān)管時要重點考慮這些侵蝕區(qū)域。

3.3 地形剖面分析

運(yùn)用剖面分析法，得到EW01、EW02、EW03剖面變化如圖6所示。養(yǎng)灘后海灘剖面外推，海灘寬度和沙層厚度增加，減輕了海岸侵蝕，起到了軟性護(hù)岸作用。從EW01看到，養(yǎng)灘前該剖面離岸100～300 m處有3處深溝；養(yǎng)灘后3處深溝得到填補(bǔ)，高程普遍增加1.0～2.0 m；整治10個月后，受波浪和潮汐影響，高程降低，離岸150～300 m區(qū)域變得起伏不平；整治15個月后，這一區(qū)段漸趨平穩(wěn)，但400 m處一直存在寬約50 m的深溝。EW02和EW03剖面類似。需注意的是EW03末端（原紅嘴鷗碼頭附近）顯著下降，為侵蝕熱點。

圖4 湛江金沙灣海灘地形圖

圖5 金沙灣海灘養(yǎng)灘前后等值線圖

3.4 高程變化分析

運(yùn)用高程變化分析法，得到養(yǎng)護(hù)工程實施前后不同時間的高程差變化，如圖7所示。

養(yǎng)灘前后高程變化最顯著區(qū)域為勞麗詩廣場和大風(fēng)車廣場附近（圖7a箭頭A、B），這也是工程設(shè)計的整治區(qū)域，高程變化在0.5～3.0 m。養(yǎng)灘10個月后，由于波浪、潮汐等水動力環(huán)境影響，拋沙流失，近岸高程下降，尤其以風(fēng)車廣場附近海域高程降低最為明顯（圖7b箭頭A′），離岸150 m處海域高程上升。養(yǎng)灘15個月后，風(fēng)車廣場一側(cè)海域侵蝕加重（圖7c箭頭A″），深度達(dá)1.5～2.5 m。原紅嘴鷗碼頭附近嚴(yán)重下陷（圖7c箭頭C″），結(jié)合等值線圖可以看出該處等值線密集、地勢陡降，市民游泳至此易發(fā)生溺水事故，為后期監(jiān)管養(yǎng)護(hù)重點區(qū)域。

圖6 金沙灣海灘剖面監(jiān)測結(jié)果

圖7 金沙灣海灘高程變化示意圖

4 結(jié) 語

通過對金沙灣海灘近2 a沉積物與海底地形的監(jiān)測分析，得出金沙灣海灘侵蝕主要集中在風(fēng)車廣場、風(fēng)車廣場對出海域150 m深槽和原紅嘴鷗碼頭附近海域（圖8中bs1、bs2、bs3區(qū)域），后期應(yīng)著重對此區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)沙回填。同時，考慮風(fēng)車廣場附近深槽容易發(fā)生沖刷，補(bǔ)沙回填不能根本解決金沙灣海灘海床下沉問題，可考慮同時在上游沙灣入?？谂盼酃艹鏊幮拗搲我宰钃跖盼酃艹鏊秃Ａ鲗ρa(bǔ)沙的沖刷。離岸潛壩修筑實施方案需通過建立數(shù)值模型進(jìn)一步確定。

圖8 湛江金沙灣海灘侵蝕熱點區(qū)域示意圖

海灘養(yǎng)護(hù)的目的是使養(yǎng)護(hù)沙長期穩(wěn)定在養(yǎng)護(hù)區(qū)內(nèi)，但侵蝕熱點的出現(xiàn)會影響整個養(yǎng)護(hù)海灘的穩(wěn)定性及再養(yǎng)護(hù)的周期。許多學(xué)者研究了海灘養(yǎng)護(hù)侵蝕熱點的特征與成因[7-9]，根據(jù)這些文獻(xiàn)資料，結(jié)合金沙灣海灘近2 a的監(jiān)測分析，得出其侵蝕成因主要有：①排污管道。風(fēng)車廣場北側(cè)的沙灣入海口排污管道阻斷海灘沿岸沉積物的輸運(yùn)，造成排污管道下游bs1、bs2區(qū)域的強(qiáng)烈侵蝕。②水下地形。風(fēng)車廣場對出150 m有寬50 m、深5 m的深溝（圖8中bs2區(qū)域），該深溝除對波浪有一定的消減作用外，也造成這一區(qū)域的強(qiáng)烈侵蝕。③金沙灣海灘屬天然岬灣海岸，兩頭的岬角能有效防止灣內(nèi)的沉積物向灣區(qū)外流失，但在岬角附近往往容易出現(xiàn)侵蝕熱點（圖8中bs1、bs3區(qū)域)。④近岸工程和人類活動也是造成海灘侵蝕的原因，如圖8中bs3區(qū)域由于人工采沙，侵蝕明顯。此外，湛江是臺風(fēng)暴潮易發(fā)地區(qū)，風(fēng)暴潮對海岸的侵蝕也不容忽視。

因此，海灘養(yǎng)護(hù)應(yīng)充分考慮該海灘的沉積物特征、功能要求和地形狀況，選擇合適的拋沙方式、位置、成分、數(shù)量和沙源。同時，后期監(jiān)管也是海灘養(yǎng)護(hù)的重要組成部分，運(yùn)用 3S 技術(shù)對養(yǎng)護(hù)海灘工程進(jìn)行多方位時空變化監(jiān)測分析，有利于科學(xué)長效地實施海灘養(yǎng)護(hù)，提升海灘和海岸帶的環(huán)境和生態(tài)價值。

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1672-4623（2016）05-0085-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.027

馮瓊瑛，碩士，高級實驗師，主要從事數(shù)據(jù)庫及GIS應(yīng)用工作。

2015-07-29。

項目來源：廣東省科技計劃資助項目（2013B020309011）；廣東省教育廳科技創(chuàng)新資助項目（2013KJCX0095）。（*為通訊作者）