強(qiáng)潮海灘響應(yīng)威馬遜臺(tái)風(fēng)作用動(dòng)力沉積過(guò)程研究
——以北海銀灘為例

黎樹(shù)式，戴志軍，葛振鵬，龐文鴻，魏 穩(wěn)，梅雪菲，黃 鵠

(1. 廣西北部灣海岸科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535011；2. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

強(qiáng)潮海灘響應(yīng)威馬遜臺(tái)風(fēng)作用動(dòng)力沉積過(guò)程研究
——以北海銀灘為例

黎樹(shù)式1, 2，戴志軍2，葛振鵬2，龐文鴻2，魏 穩(wěn)2，梅雪菲2，黃 鵠1

(1. 廣西北部灣海岸科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，廣西 欽州 535011；2. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

研究臺(tái)風(fēng)影響下的海灘沉積過(guò)程不僅可加深極端海況下的海灘沖淤變化理解，而且有利于海灘資源的保護(hù)與海岸工程保護(hù)。以強(qiáng)潮海灘——北海銀灘為例，通過(guò)采集北部灣海區(qū)1409號(hào)威馬遜超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用前后的沉積物、剖面高程及水文資料，探討強(qiáng)潮海灘的動(dòng)力沉積過(guò)程。結(jié)果表明：1)臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘沙丘-灘肩-沙壩體系的地貌狀態(tài)基本不變，其中沉積物組分均為砂，細(xì)砂、極細(xì)砂和中砂三組分平均含量占所有組分的95%以上；與臺(tái)風(fēng)作用前比較，臺(tái)風(fēng)后的地貌在維持先前形態(tài)的條件下，發(fā)生局部侵蝕和后退，沉積物相對(duì)變粗且細(xì)砂含量增加了10%。2)臺(tái)風(fēng)作用后后濱沙丘侵蝕，且沉積物滾動(dòng)組分增加；沖流帶和灘肩前緣沉積物的搬運(yùn)由雙跳躍轉(zhuǎn)為單一的跳躍形式。3)臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘沉積物主要變化過(guò)程可由兩個(gè)模態(tài)表征，其中主要模式反映了臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘以細(xì)砂為主的動(dòng)力沉積變化特征，該模式受控于區(qū)域波浪和潮汐的長(zhǎng)期耦合作用，并以波浪為主導(dǎo)因素。臺(tái)風(fēng)作用前的次要模式反映潮汐作用控制下的海灘沉積橫向振蕩特征；臺(tái)風(fēng)作用后的次要模式表征了臺(tái)風(fēng)影響下的海灘橫向沉積物偏粗、沖流帶-低潮帶振蕩及其沉積分異過(guò)程。

動(dòng)力沉積過(guò)程；威馬遜臺(tái)風(fēng)；強(qiáng)潮海灘；北海銀灘

Abstract: Research on beach sediment dynamics under the influence of typhoon is of vital significance not only to beach erosion and deposition variations research in extreme ocean conditions, but also to beach resources and coastal engineering protection. Here, based on hydrology, sediments and beach profiles measurements during pre- and post-Typhoon Rammasun (TR) periods, this paper discusses the sediment dynamic processes of Yintan, Beibu Gulf, a macro-tidal beach. The main results show that: 1) The morphological state of the dune-berm-sandbar system is basically unchanged, and both pre- and post-TR periods indicate that Yintan beach is composed by sand component, with fine sand, very fine sand and medium sand accounting for over 95% of the total; compared with pre-TR period, the beach topography during post-TR is partially eroded and retreated in the condition of maintaining the previous form; the sediments are thicker, when fine sand contributes 10%. 2) In post-TR period, backshore dune indicates erosion and rolled sediment components reveal increase; sediment movement behavior over swash zone and beach berm front transfers from double to single jump pattern. 3) Sediment dynamic processes under the influence of TR along Yintan contain two main modes. The main mode reflects that the beach is mainly composed of fine sand, when the beach is controlled by long-term coupling effect of wave and tide, and the wave is the dominant factor; the minor mode represents the horizontal oscillation characteristics of the beach sediments under the control of tide, indicating coarser horizontal sediments, oscillation and differentiation processes in swash and low tide zones.

Keywords: sediment dynamic processes; Typhoon Rammasun; macro-tidal beach; Yintan, Beihai

海灘位居陸海相互作用的敏感地帶，是人類抵御臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害的天然屏障。由于全球氣候變化、海平面上升和海岸帶高強(qiáng)度人類活動(dòng)的共同作用，世界沿海絕大部分海灘已發(fā)生侵蝕和退化[1-3]。其中，臺(tái)風(fēng)是影響海灘侵蝕、岸線后退的重要驅(qū)動(dòng)力[4]。然而，不同類型或區(qū)域位置不一致的海灘地貌對(duì)風(fēng)暴作用的響應(yīng)是有所差異的，Otvos的研究表明風(fēng)暴過(guò)后的灘面趨于平整和沙壩出現(xiàn)明顯移動(dòng)[5]；而Sedrati等對(duì)維桑灣多沙壩強(qiáng)潮海灘的研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)暴期間沙壩無(wú)明顯橫向移動(dòng)[6]；蔡鋒等研究了在熱帶氣旋兩側(cè)海灘風(fēng)暴響應(yīng)特征，指出右側(cè)海灘后濱陸側(cè)堆積，向海側(cè)和前濱灘面侵蝕，而海灘左側(cè)沖淤變化較小[7-8]；Costas等通過(guò)分析伊比利亞半島西北部的羅達(dá)斯海灘(Rodas Beach)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)暴條件下灘面平行后退，海灘陡坎加深[9]；Stockdon等論證了風(fēng)暴會(huì)對(duì)海灘灘肩和濱后沙丘產(chǎn)生較強(qiáng)的侵蝕作用[10]；Anthony研究表明風(fēng)暴后沙丘前緣呈現(xiàn)弱侵蝕狀態(tài)[11]，而Silva等考慮到植被的減少將在一定程度加強(qiáng)暴風(fēng)浪的侵蝕，從而直接導(dǎo)致海灘沙丘出現(xiàn)大規(guī)模的泥沙虧損[12]。同時(shí)，已有不少研究認(rèn)為臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的巨大波能及其引起的近岸增水將導(dǎo)致泥沙離岸運(yùn)動(dòng)，沙壩被削平，海灘被侵蝕變陡[13-14]。然而到目前為止，臺(tái)風(fēng)影響下的海灘變化過(guò)程研究主要聚焦在波控弱潮下的海灘變化狀態(tài)[15-17]、剖面形態(tài)響應(yīng)[18-20]、沉積物輸運(yùn)[21-23]、沙壩變化、海岸侵蝕的時(shí)間尺度等。涉及臺(tái)風(fēng)作用前后的強(qiáng)潮環(huán)境下海灘沉積特征及變化模式的研究相對(duì)薄弱，尤其對(duì)于我國(guó)北部灣沿岸強(qiáng)潮海灘響應(yīng)臺(tái)風(fēng)作用下的沉積變化過(guò)程分析，目前尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。基于此，本文以強(qiáng)潮環(huán)境下的北海銀灘為研究對(duì)象，探討2014年威馬遜強(qiáng)臺(tái)風(fēng)前后北海銀灘的動(dòng)力沉積過(guò)程，以期為該區(qū)域強(qiáng)潮環(huán)境下的海灘保護(hù)、開(kāi)發(fā)與利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

銀灘位于北部灣北部，廣西北海市南端。銀灘東起大冠沙西村港，西至冠頭嶺，全長(zhǎng)約24 km，屬于湛江組和北海組地層，沉積物多為細(xì)砂組分[24]。該區(qū)域年平均波高約0.9 m，冬季以北向浪為主，平均波高0.8 m，最大波高2.5 m；夏季主要是西南向浪，最大波高可達(dá)4.8 m[25-26]。海區(qū)平均潮差超過(guò)2.3 m，最大潮差5.36 m，屬于強(qiáng)潮海灘類型[27](圖1(a))。

圖1 銀灘地理位置及威馬遜臺(tái)風(fēng)路徑Fig. 1 Location of Yintan and movement path of Typhoon Rammasun

2 資料收集與研究方法

威馬遜臺(tái)風(fēng)是1949年以來(lái)登陸北部灣沿海的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。該臺(tái)風(fēng)于2014年7月10日在南海海區(qū)生成，7月19日抵達(dá)北部灣海區(qū)，消散于7月21日(圖1(b))。為比較威馬遜臺(tái)風(fēng)前后的海灘沉積變化，分別于臺(tái)風(fēng)前7月12日和臺(tái)風(fēng)后7月20日對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行沉積物采樣和高程測(cè)量。沉積物采樣順序自銀灘后濱沙丘向海采樣至涉水最深處，平均間隔13 m，共采集30個(gè)沉積物表層樣品，表層沉積物樣品垂下向下采集厚度約為5 cm。同時(shí)，利用GPS-RTK對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行高程測(cè)量，并改正至當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?。此外，利用三維激光掃描儀開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)前(7月17日)和臺(tái)風(fēng)后(7月20日)的海灘地貌觀測(cè)，隨后基于ArcGis平臺(tái)生成臺(tái)風(fēng)前后的數(shù)字化三維高程地形，由此提取觀測(cè)剖面的高程變化(圖2)。研究將GPS-RTK和三維激光掃描儀的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一訂正至北京54坐標(biāo)系。根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄昶骄蔽缓偷孛驳臋M向變化狀態(tài)[28]，進(jìn)一步將海灘剖面劃分為沙丘前緣(包括1號(hào)樣品)、灘肩(包括2、3、4、5號(hào)樣品)、沖流帶(包括6、7、8、9號(hào)樣品)、破波帶(包括10、11、12號(hào)樣品)和低潮帶(包括13、14、15號(hào)樣品)等5個(gè)地帶(圖2)。樣品在室內(nèi)利用泥沙粒度計(jì)獲得沉積物粒徑組分，并利用Folk等[29]提出的方法將沉積物組分和粒度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，繪制沉積物粒徑概率累積曲線。涉及研究的銀灘水位、波浪等數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家海洋信息中心，風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)源于廣西氣象局。

為更好地探討海灘不同地帶響應(yīng)威馬遜臺(tái)風(fēng)作用的沉積物變化模式，利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function，簡(jiǎn)稱EOF)技術(shù)，將臺(tái)風(fēng)作用前后的沉積物粒徑構(gòu)成15×9的矩陣，其中15為沉積物樣品，9為沉積物樣品中自極細(xì)粉砂到極粗砂不同粒徑頻率的百分含量。EOF是一種分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征量的一種方法[30]。該技術(shù)可將隨時(shí)間變化的變量場(chǎng)分解為不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)部分以及只依賴時(shí)間變化的時(shí)間函數(shù)部分，能較好的應(yīng)用到地學(xué)，尤其是海岸沉積物的粒徑及泥沙輸運(yùn)等方面[31]。

圖2 臺(tái)風(fēng)前后銀灘剖面變化及沉積物采樣點(diǎn)分布Fig. 2 Elevation variation of Yintan beach profiles and associated sample locations

3 結(jié)果分析

3.1臺(tái)風(fēng)期間的水文變化特征

在2014年威馬遜臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷前后，北海銀灘平均風(fēng)速均不到2 m/s(圖3(a))。當(dāng)2014年7月19日該臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，北部灣海區(qū)記載的最大風(fēng)速超過(guò)40 m/s，在7月19日經(jīng)歷北海時(shí)，日平均風(fēng)速為8 m/s，每小時(shí)風(fēng)速最大達(dá)28.8 m/s(圖3(a))。隨后在7月20日迅速衰減到約2 m/s (圖3(a))。相應(yīng)的每日平均最大波高在7月19日前小于1 m，在7月19日迅速增大至3.5 m，7月20日消減到0.65 m(圖3(b))。由于臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，銀灘海區(qū)恰為小潮期間(圖3(c))。即銀灘在7月13日為農(nóng)歷大潮，平均最高潮位超過(guò)5 m。

圖3 臺(tái)風(fēng)作用前后銀灘風(fēng)速、波高、水位變化和增水過(guò)程Fig. 3 Wind velocity, wave height, water level and storm surge in Yintan before and after Typhoon Rammasun

與無(wú)臺(tái)風(fēng)過(guò)境的7月7日小潮潮位比較，7月19日的平均最高潮位為3.92 m，僅比平常海況下的小潮最高潮位高0.4 m(圖3(c))。受威馬遜臺(tái)風(fēng)影響，銀灘海域出現(xiàn)兩次明顯增水過(guò)程，第一次是7月19日6時(shí)至19日19時(shí)，其中19日8時(shí)實(shí)測(cè)潮位3.92 m，出現(xiàn)最大增水1.7 m ，是該海區(qū)最明顯增水過(guò)程；第二次增水出現(xiàn)在19日20時(shí)至20日2時(shí)，此次增幅最大為19日22時(shí)的0.71 m(圖3(d))。

3.2沉積物物質(zhì)組分與粒度參數(shù)

臺(tái)風(fēng)作用前(7月12日)的樣品分析表明，自沙丘前緣到低潮帶，沉積物組分均為砂，并以細(xì)砂、極細(xì)砂和中砂為主(圖4)，這三組分分別為42.79%、49.78%和5.32%，占沉積物總含量的95%以上(圖4)。然而，臺(tái)風(fēng)作用后的海灘沉積物組分相對(duì)集中(圖4)，主要以細(xì)砂為主，占沉積物總含量約60%。極細(xì)砂和細(xì)砂分別沿海灘橫向不同地帶出現(xiàn)下降和上升的趨勢(shì)(圖5(a)，5(b))。其中細(xì)砂平均含量由臺(tái)風(fēng)前的49%增加到臺(tái)風(fēng)后的59% (圖5(b))。此外，臺(tái)風(fēng)后的中砂百分含量較臺(tái)風(fēng)前亦有一定程度減少(圖5(c))。

同時(shí)，沉積物物質(zhì)組分自陸向海展現(xiàn)較大的橫向差異。盡管臺(tái)風(fēng)作用前后的沉積物物質(zhì)組分變化趨勢(shì)相似，然而臺(tái)風(fēng)作用后的海灘沉積物中，極細(xì)砂在沖流帶向海方向變化趨于平緩(圖5(a))。細(xì)砂在破波帶和低潮帶的百分含量約增加了20%，亦導(dǎo)致海灘橫向上的細(xì)砂百分含量變化差異性減弱(圖5(b))。中砂百分含量則在灘肩前緣和低潮帶展現(xiàn)增加，在沙丘前緣、沖流帶和破波帶出現(xiàn)減少的變化特征(圖5(c))。

圖4 臺(tái)風(fēng)作用前后沉積物粒徑變化Fig. 4 Sediment grain size before and after Typhoon Rammasun

圖5 銀灘剖面五帶代表組分臺(tái)風(fēng)作用前后變化Fig. 5 Variations in sediment components in representative zones in Yintan before and after Typhoon Rammasun

與臺(tái)風(fēng)作用前比較，臺(tái)風(fēng)作用后的海灘沉積物沿沙丘前緣到低潮帶中值粒徑變小，但橫向分異差異減小。這與極細(xì)砂組分平均含量的變化趨勢(shì)一致(表1)。海灘沉積物分選系數(shù)在臺(tái)風(fēng)作用后介于0.4～0.5，低于臺(tái)風(fēng)作用前的0.45～0.55，分選性好(表1)。此外，臺(tái)風(fēng)作用后的沉積物偏態(tài)總體偏高，臺(tái)風(fēng)前后破波帶和低潮帶的偏態(tài)變化大，分別升高了0.11和0.08(表1)，但總體上臺(tái)風(fēng)后沉積物呈現(xiàn)負(fù)偏，且負(fù)偏值變小并趨于正態(tài)分布。沉積物的峰態(tài)平均值為1左右，屬于中等，沙丘前緣和灘肩變化較大(表1)，但臺(tái)風(fēng)前后沉積物峰態(tài)無(wú)大的變化。

表1 臺(tái)風(fēng)作用前后海灘剖面五帶粒度參數(shù)變化Tab. 1 Variations of sediment grain size parameters along the representative zones before and after Typhoon Rammasun

3.3沉積物搬運(yùn)方式

概率累積曲線可較直觀地辨別沉積物的搬運(yùn)方式，反映沉積物與搬運(yùn)營(yíng)力的關(guān)系[32]。進(jìn)一步對(duì)橫向不同地帶的沉積物繪制概率累積曲線(圖6)，臺(tái)風(fēng)作用前各地帶的概率累積曲線均有前沖、反沖分界點(diǎn)，臺(tái)風(fēng)作用后的沉積物該現(xiàn)象只在低潮帶出現(xiàn)，即臺(tái)風(fēng)作用前海灘沉積物具有明顯的雙跳躍組分，而響應(yīng)臺(tái)風(fēng)影響后的沉積物雙跳躍組分基本消失(圖6)。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)作用前后的沉積物懸移組分含量維持不變，而滾動(dòng)組分粒徑范圍擴(kuò)大且含量明顯增加。灘肩和破波帶的變化趨勢(shì)與沖流帶有一定的相似性。

圖6 不同地帶的沉積物概率累積曲線Fig. 6 Cumulative frequency curves of sediments in different zones across the beach profile

3.4臺(tái)風(fēng)作用前后銀灘沉積物的變化模態(tài)

基于EOF技術(shù)分解銀灘典型剖面表層沉積物樣品和粒徑構(gòu)成的15×9矩陣，得到的表征海灘橫向變化主要模態(tài)的特征值貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率。如表2所示，前兩模態(tài)累計(jì)貢獻(xiàn)率都已超過(guò)70%，可以認(rèn)為此二模態(tài)基本反映了臺(tái)風(fēng)作用前后海灘沉積物的主要變化特征，其它模態(tài)則視為噪音而不予討論[21]。

表2 前兩模態(tài)貢獻(xiàn)率及其累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab. 2 Contribution rates of the first 2 modes and their cumulative contribution

圖7 臺(tái)風(fēng)作用前后空間特征函數(shù)模態(tài)Fig. 7 Spatial characteristic function modes before and after Typhoon Rammasun

圖8 臺(tái)風(fēng)作用前后時(shí)間特征函數(shù)模態(tài)Fig. 8 Temporal characteristic function modes before and after Typhoon Rammasun

臺(tái)風(fēng)作用前后的第一模態(tài)貢獻(xiàn)率分別是41.49%和46.59%，可表征海灘沉積物變化的主要模式。由沉積物第一模態(tài)函數(shù)的粒徑空間分布特征發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)作用前后粒徑權(quán)重沿沙丘前緣到低潮帶分布都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，各樣品的粒徑權(quán)重值基本相同(圖7(a)、7(c))。同時(shí)，北海銀灘相應(yīng)的第一特征函數(shù)粒徑組分從極細(xì)砂到極粗砂權(quán)重亦一致(圖8(a))，在極細(xì)砂級(jí)別以下為負(fù)值，而細(xì)砂級(jí)別權(quán)重超過(guò)2，為所有組分中最高值(圖8(a)、8(c))。這意味著威馬遜臺(tái)風(fēng)對(duì)第一模態(tài)反映的海灘沉積過(guò)程影響不大。同時(shí)，在此進(jìn)一步將沉積物粒徑臺(tái)風(fēng)前后第一模態(tài)的權(quán)重沿海灘橫向上的分布和沉積物中值粒徑進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明二者具有顯著相關(guān)并且達(dá)到0.01的置信度水平(圖9(a)、9(b))。由于中值粒徑刻畫(huà)了沉積物粒度的平均狀態(tài)，是外在平均動(dòng)能長(zhǎng)期作用的結(jié)果[33]。對(duì)于北海銀灘而言，平均動(dòng)能主要是常態(tài)條件下波浪和潮流的耦合作用?；诖?，和其它二個(gè)模態(tài)比較，臺(tái)風(fēng)作用前后的第一模態(tài)貢獻(xiàn)率均超過(guò)了40%，可表征海灘主要?jiǎng)恿Τ练e過(guò)程。該模態(tài)反映了海灘因?yàn)┟嫫骄徱约跋鄬?duì)較高的灘肩致使其對(duì)臺(tái)風(fēng)作用具有一定的緩沖消能作用。這就導(dǎo)致海灘原有的主要沉積動(dòng)力過(guò)程基本不變，即海灘的物質(zhì)組分以細(xì)砂為主，外在動(dòng)力為北海銀灘波浪和潮汐的長(zhǎng)期耦合的作用上，以波浪為主導(dǎo)所致。

圖9 第一模態(tài)樣品權(quán)重與中值粒徑的相關(guān)分析Fig. 9 Correlation analysis of sample weight and median grain size

臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘沉積物第二模態(tài)都超過(guò)了25%，表征了海灘沉積物的次要變化模式。其中臺(tái)風(fēng)前后的海灘沉積物粒徑權(quán)重值基本呈“Z”字形波動(dòng)，但權(quán)重值基本是呈現(xiàn)反相變化，尤其是沖流帶以下的沉積物變化更大，沙丘前緣粒徑權(quán)重在臺(tái)風(fēng)后亦出現(xiàn)較大的變化。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)作用后的粒徑權(quán)重變幅范圍要強(qiáng)于臺(tái)風(fēng)作用前(圖7(b)、7(d))。此外，以極細(xì)砂組分為界，臺(tái)風(fēng)前的該模態(tài)分別在極細(xì)砂偏細(xì)和偏粗方向，權(quán)重值展現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)，而臺(tái)風(fēng)后的該模態(tài)則展現(xiàn)權(quán)重值減小的趨勢(shì)(圖8(b)、8(d))。該模態(tài)下的沉積物明顯變化反映了整個(gè)海灘經(jīng)受威馬遜臺(tái)風(fēng)過(guò)境的影響。對(duì)于強(qiáng)潮作用的北海銀灘，在日潮汐循環(huán)的過(guò)程中，海灘經(jīng)歷淹沒(méi)-出露的周期變化。即受潮汐影響，海灘沉積物的變化亦出現(xiàn)相應(yīng)的振蕩特征。因此，臺(tái)風(fēng)作用前的第二模態(tài)反映海灘沉積過(guò)程出現(xiàn)橫向振蕩的特征，并主要受控于潮汐作用引起的水位周期性漲落。臺(tái)風(fēng)作用后的該模態(tài)則表征了疊加在周期性漲落的潮位基礎(chǔ)上，高能臺(tái)風(fēng)作用的影響，導(dǎo)致海灘沉積物在橫向上出現(xiàn)振蕩，但沉積物整體偏粗，致使第二模態(tài)的粒徑權(quán)重基本呈現(xiàn)正值。

4 討 論

臺(tái)風(fēng)作用可能導(dǎo)致海灘地貌出現(xiàn)大的變化，但海灘的地形既可能淤積建設(shè)，也可能發(fā)生破壞廢棄，這取決于臺(tái)風(fēng)引起的波能、風(fēng)的強(qiáng)度以及海灘地形與沉積特征等[9,31]。作為北部灣沿海歷史罕見(jiàn)的臺(tái)風(fēng)，威馬遜臺(tái)風(fēng)對(duì)區(qū)域的破壞是不言而喻的。

圖10 臺(tái)風(fēng)前后海灘地貌變化Fig. 10 Beach morphological changes before and after Typhoon Rammasun

然而，三維激光掃描儀捕捉的臺(tái)風(fēng)前后的海灘地貌變化(圖10)顯示，與臺(tái)風(fēng)前比較，臺(tái)風(fēng)后的海灘灘面基本變化不大，平均沖刷幅度小于0.5 m，平均淤積不到0.6 m。先前海灘沙壩和灘肩所處的位置，變幅不大，僅出現(xiàn)后退0.5 m左右，沙丘、低潮帶和沖流帶略呈淤積狀態(tài)，沙壩與沙丘前緣之間區(qū)域以沖刷為主(圖10(a)、(b)，圖2)。水下分布的多重沙壩略有調(diào)整。顯然，即使海灘出現(xiàn)了沖刷與淤積，但總體地貌結(jié)構(gòu)維持不變(圖10(c)，圖2)。這就意味著在威馬遜臺(tái)風(fēng)作用的影響下，海灘通過(guò)維持自身的地貌狀態(tài)，并以平行后退的方式以達(dá)到適應(yīng)臺(tái)風(fēng)作用的影響。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)作用過(guò)程中沉積物粒度參數(shù)略有變化，臺(tái)風(fēng)前后自陸向海中值粒徑相應(yīng)變小、分選性變好，粒徑權(quán)重沿沙丘前緣到低潮帶分布都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即靠海部分細(xì)顆粒沉積物向陸移動(dòng)。

此外，威馬遜臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷北海區(qū)域，恰好是銀灘處于小潮期間(圖3)。即使有7月19日顯著增高約3 m的波高，但海灘地貌結(jié)構(gòu)基本不變(圖10)。海灘的沙丘出現(xiàn)平行后退僅約0.5 m，灘肩高度在維持不變的狀態(tài)下，平行后退不到0.5 m，沙丘、沖流帶和低潮帶都出現(xiàn)局部淤積。海灘后濱灘面的警示標(biāo)志因強(qiáng)勁風(fēng)力作用，已消失不見(jiàn)，灘面因波浪作用的影響只出現(xiàn)侵蝕的弱坎(圖11(a)、11(b))。因此，盡管威馬遜臺(tái)風(fēng)破壞力度大，但由于海灘正處于小潮時(shí)期，潮位變幅較小。臺(tái)風(fēng)作用下的海灘最大增水也并不太大，只有1.7 m(圖3(d))，導(dǎo)致海灘并沒(méi)出現(xiàn)強(qiáng)侵蝕現(xiàn)象和大幅度淤積現(xiàn)象。同樣地，破波帶由于上述潮汐、波浪和風(fēng)暴增水的綜合作用下，地貌變化亦不明顯。

圖11 臺(tái)風(fēng)作用前后的銀灘地貌Fig. 11 Geomorphology variation in Yintan before and after Typhoon Rammasun action

因此，北海銀灘的動(dòng)力地貌響應(yīng)威馬遜臺(tái)風(fēng)作用后的狀態(tài)與一次大潮作用后的狀態(tài)變化類似。這就導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)作用前后第一模態(tài)基本相似，反映主要沉積變化特征的中值粒徑參數(shù)橫向上亦出現(xiàn)變化不大的特性。由于海灘處于小潮期間，裸露的后濱沙丘更容易受到強(qiáng)風(fēng)的襲擊，這就導(dǎo)致后濱沙丘侵蝕、沙丘沉積物的搬運(yùn)方式趨于簡(jiǎn)單，即滾動(dòng)組分增加，沉積物偏粗(圖6，表1)。沖流帶區(qū)域由于增加的波高疊加在潮位上而形成強(qiáng)勁的進(jìn)退流，致使該區(qū)域沖刷相對(duì)明顯，沉積物的搬運(yùn)亦由雙跳躍轉(zhuǎn)為單一的跳躍形式，灘肩部位由于風(fēng)暴增水、波浪形成的部分增水和波高增水的綜合作用[34]，致使灘肩前緣出現(xiàn)侵蝕并淪為沖流帶的一部分，導(dǎo)致采集的沉積物搬運(yùn)方式和沖流帶類似(圖6)。顯然，威馬遜臺(tái)風(fēng)作用導(dǎo)致海灘剖面不同地帶出現(xiàn)局部調(diào)整，相應(yīng)的第二經(jīng)驗(yàn)特征函數(shù)表征的沉積物粒徑權(quán)值相對(duì)為正值，且沉積物趨于變粗，尤其是沖流帶以下部位的沉積分異顯著(圖5)。由此可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)后的第二模態(tài)主要表征了沖流帶-低潮帶的沉積分異過(guò)程，且主要受控于臺(tái)風(fēng)作用。

臺(tái)風(fēng)前的銀灘沉積物表征的第二模態(tài)則是因該區(qū)域?qū)儆趶?qiáng)潮海岸，在高潮時(shí)的水位往往完全覆蓋海灘，而波控弱潮海岸則一般是大潮高潮位時(shí)的水位才覆蓋海灘，從而使海灘橫向沉積物會(huì)展現(xiàn)自陸向海“Z”字形波動(dòng)[28]，即主要受控于強(qiáng)潮潮位的周期性循環(huán)，波浪的影響退居其次。對(duì)于臺(tái)風(fēng)前的銀灘沉積物第一模態(tài)則反映海灘沉積物的長(zhǎng)期分選過(guò)程，因海灘沉積物展現(xiàn)為以砂為主的特征，故受控于波浪作用，但在很大程度上潮位的振蕩對(duì)其還是有影響。從而，臺(tái)風(fēng)前海灘的動(dòng)力沉積過(guò)程反映了波浪和潮汐疊加，以波浪為主的作用。

此外，盡管威馬遜臺(tái)風(fēng)是40多年來(lái)影響華南最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，且部分區(qū)域海灘對(duì)該臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)劇烈[19]，然而，本文的研究表明，刮臺(tái)風(fēng)或臺(tái)風(fēng)襲擊并不意味著海灘出現(xiàn)強(qiáng)烈侵蝕及導(dǎo)致明顯的沉積環(huán)境演變。這需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐某鼻?、波控、海灘地形等進(jìn)行綜合而系統(tǒng)的調(diào)查與研究，方能更好的為沿海減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)決策依據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

臺(tái)風(fēng)是對(duì)海岸帶威脅最大的自然災(zāi)害之一，尤其對(duì)砂質(zhì)海岸的沉積和地貌過(guò)程產(chǎn)生很大影響。選擇2014年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)威馬遜作用下的北海銀灘為研究對(duì)象，研究臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘動(dòng)力沉積過(guò)程，主要結(jié)論：

1)臺(tái)風(fēng)作用前后沉積物組分以細(xì)砂、極細(xì)砂和中砂為主，此三組分在臺(tái)風(fēng)作用前后的平均含量占所有組分的95%以上。與臺(tái)風(fēng)作用前比較，臺(tái)風(fēng)后的海灘沉積物中值粒徑(Φ)變小，分選性變好。其中海灘細(xì)砂比重約增加10%，特別是在低潮帶和破波帶的細(xì)砂約增加20%。

2)臺(tái)風(fēng)作用過(guò)程中后濱沙丘沉積物的搬運(yùn)方式相對(duì)簡(jiǎn)單，臺(tái)風(fēng)作用后其滾動(dòng)組分增加，沉積物偏粗；沖流帶區(qū)域沖刷相對(duì)明顯，沉積物的搬運(yùn)由雙跳躍轉(zhuǎn)為單一的跳躍形式；灘肩前緣出現(xiàn)侵蝕并淪為沖流帶的一部分，搬運(yùn)方式和沖流帶類似。

3)臺(tái)風(fēng)作用前后的海灘沉積物變化主要模態(tài)是以細(xì)砂為主，表征海灘的主要沉積過(guò)程受控于波浪和潮汐的耦合的長(zhǎng)期作用，以波浪為主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)所致。臺(tái)風(fēng)作用前的海灘沉積物變化次要模態(tài)表征了海灘沉積過(guò)程出現(xiàn)橫向振蕩的特征，主要受控于潮汐作用；臺(tái)風(fēng)作用后的沉積物次要模態(tài)則反映了威馬遜臺(tái)風(fēng)的影響，海灘沉積物在橫向上振蕩明顯，海灘沙丘與灘肩出現(xiàn)弱的侵蝕，沖流帶和低潮帶淤積，海灘沉積物整體變粗。

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Sediment dynamic processes of macro-tidal beach in response to Typhoon Rammasun action——A case study of Yintan, Beihai

LI Shushi1, 2, DAI Zhijun2, GE Zhenpeng2, PANG Wenhong2, WEI Wen2, MEI Xuefei2, HUANG Hu1

(1. The Key Laboratory of Coastal Science and Engineering, Beibu Gulf, Qinzhou 535011, China; 2. State Key Lab of Estuarine & Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

P737.1

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.012

1005-9865(2017)03-0089-10

2016-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金(41376097，41666003)；廣西自然科學(xué)基金(2015GXNSFBA139207)；2015廣西高等學(xué)?？茖W(xué)研究人文社科重點(diǎn)項(xiàng)目(KY2015ZD133)

黎樹(shù)式(1980-)，男，廣西南寧人，博士研究生，副教授，主要從事海洋環(huán)境、海岸帶管理方面研究。E-mail:lishushi120@163.com

戴志軍。E-mail：zjdai@sklec.ecnu.edu.cn