風(fēng)暴作用下淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)地貌演變研究進(jìn)展

龔 政,張巖松,趙 堃,周 曾,張長(zhǎng)寬

(1.河海大學(xué)江蘇省海岸海洋資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

淤泥質(zhì)潮灘在世界分布廣泛,在國(guó)外主要分布在荷蘭、法國(guó)等大西洋沿岸以及一些海灣和河口等處。中國(guó)潮灘規(guī)模大,在世界上具有特殊地位,潮灘岸線總長(zhǎng)約4 000 km[1]。潮溝是潮灘上最活躍的地貌單元,是潮灘水、沙、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等的交換通道[2]。淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)的地貌演變受潮汐、波浪、生物、地下水、風(fēng)暴等多因子的作用[3-4],學(xué)者們對(duì)正常天氣條件下潮灘-潮溝系統(tǒng)的動(dòng)力地貌演變進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性的研究,對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)育演變有了一定的認(rèn)識(shí),而對(duì)短歷時(shí)風(fēng)暴作用的研究較為薄弱。

“海岸風(fēng)暴(coastal storms)”廣義上是指由熱帶氣旋或溫帶氣旋等大氣擾動(dòng)引起的,可顯著影響水底地貌并使后灘(潮上帶)也處于波浪、水流和增水等作用之下的沿海氣象[5]。風(fēng)暴對(duì)潮灘-潮溝系統(tǒng)的地貌演變、泥沙層理和沉積結(jié)構(gòu)等有重要的影響[6-7]。隨著氣候變化的加劇,極端風(fēng)暴的頻率有增大的趨勢(shì),且主要集中在我國(guó)所處的西北太平洋地區(qū)[8],因此,對(duì)風(fēng)暴作用下潮灘-潮溝系統(tǒng)地貌演變的認(rèn)識(shí)和研究變得越來(lái)越重要。風(fēng)暴期間,潮灘地貌發(fā)生短歷時(shí)、大范圍、大幅度的沖淤變化,并引起潮溝的劇烈擺動(dòng)。潮溝擺動(dòng)對(duì)于已匡圍海堤安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。例如,2013年江蘇沿海條子泥一期匡圍工程施工期間,某次風(fēng)暴影響下西大港潮溝擺動(dòng)引起的海堤損毀,直接損失高達(dá)600多萬(wàn)元[9]。此外,風(fēng)暴還會(huì)加速海岸蝕退，引起鹽沼的損失退化等,對(duì)海岸濕地生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生壓力[10-11]。因此,研究風(fēng)暴作用下淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)地貌演變,對(duì)于保障海岸工程安全以及海岸帶資源的開(kāi)發(fā)與保護(hù)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

本文從風(fēng)暴作用下潮灘演變和潮溝演變兩個(gè)方面展開(kāi),從研究方法、演變特點(diǎn)和動(dòng)力機(jī)制等方面回顧了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展,并重點(diǎn)綜述了潮溝擺動(dòng)及其岸壁侵蝕過(guò)程的相關(guān)研究,給出了值得進(jìn)一步研究的方向和內(nèi)容。

1 風(fēng)暴作用下的潮灘演變

1.1 研究方法

針對(duì)風(fēng)暴作用下潮灘-潮溝系統(tǒng)的地貌演變,目前主要研究方法還是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及遙感分析。潮灘沖淤變化觀測(cè)主要是借助標(biāo)志樁法和埋板法(標(biāo)志層法)以及RTK(real-time kinematic)測(cè)量[12-14],這些方法較適用于風(fēng)暴前后的觀測(cè)。但風(fēng)暴期間,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件十分惡劣,容易損壞標(biāo)志樁,標(biāo)志板存在風(fēng)暴后無(wú)法找回的風(fēng)險(xiǎn)[15],風(fēng)暴期間云層厚度和降水等因素也可能導(dǎo)致RTK無(wú)法使用。最近,有學(xué)者利用潮灘三腳架架設(shè)高精度、高分辨率的動(dòng)力-泥沙-地貌自動(dòng)觀測(cè)儀器(如SEB、OBS、ADV等),成功進(jìn)行了風(fēng)暴期間的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),但仍需要在觀測(cè)架擾流問(wèn)題以及穩(wěn)定性等方面進(jìn)一步研究[16]。潮灘沖淤遙感分析一般通過(guò)構(gòu)建DEM(digital elevation model),對(duì)DEM進(jìn)行疊加分析而實(shí)現(xiàn)。潮灘沖淤演變分析目前仍然是遙感應(yīng)用的薄弱領(lǐng)域,在實(shí)際調(diào)查中,仍然以野外實(shí)地測(cè)量為主,遙感沖淤分析多提供輔助信息。航空、航片立體像對(duì)、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)、衛(wèi)星遙感等技術(shù)在數(shù)據(jù)精度、成本、回歸周期等方面離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離[17-18]。地面激光掃描系統(tǒng)(terrestrial laser scanner)可以快速獲取高分辨率、大范圍的地貌數(shù)字高程數(shù)據(jù),分辨率在厘米級(jí),比較適合定量研究潮灘-潮溝系統(tǒng)在風(fēng)暴作用下的地貌演變過(guò)程,但也存在設(shè)備費(fèi)用較高等問(wèn)題[19]。目前,數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)方面的研究多關(guān)注正常天氣下的發(fā)育演變過(guò)程,并著眼于長(zhǎng)期地貌平衡態(tài)研究[20-21],短歷時(shí)風(fēng)暴作用的研究較少。由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的難度高,開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究以及建立可控條件下的物理模型試驗(yàn)研究勢(shì)在必行。但是,如何在實(shí)驗(yàn)室對(duì)風(fēng)暴過(guò)程、泥沙和潮灘-潮溝系統(tǒng)進(jìn)行概化是后續(xù)研究中有待突破的方向[22]。

1.2 風(fēng)暴剖面的形態(tài)特征

前人對(duì)風(fēng)暴作用下沙質(zhì)岸灘的演變進(jìn)行了大量的研究,其風(fēng)暴剖面的主要特點(diǎn)包括灘肩的侵蝕和水下沙壩的出現(xiàn)[22]。與之相比,淤泥質(zhì)海岸對(duì)風(fēng)暴響應(yīng)的研究較少。黏性淤泥質(zhì)灘面和非黏性沙礫質(zhì)灘面的抗蝕能力有明顯差異,加之相對(duì)較強(qiáng)的潮汐作用、寬緩的灘坡以及生物對(duì)沉積作用的影響,淤泥質(zhì)海岸對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)與沙質(zhì)海岸相比有很大差異[23]。另外,沙質(zhì)岸灘剖面的變化主要考慮橫向輸沙,而淤泥質(zhì)潮灘剖面的演變和外來(lái)泥沙有直接的關(guān)系,需要在縱向和橫向比較大的空間尺度來(lái)考察。對(duì)淤泥質(zhì)潮灘和沙質(zhì)岸灘的類比研究需要謹(jǐn)慎,但是這種類比研究卻有助于我們理解潮灘地貌的演變特點(diǎn)[24]。

潮灘的平衡剖面形態(tài)特征是判斷其沖淤狀態(tài)及趨勢(shì)的重要指征[25-26]。針對(duì)潮灘的平衡剖面,前人做過(guò)較多研究[27]。在侵蝕淤積平衡剖面的基礎(chǔ)上,Kirby[25]提出了一個(gè)與沙質(zhì)海岸Bruun法則類似的概念模型:Mehby法則。這一法則可以用來(lái)檢驗(yàn)由泥沙供給控制的潮灘長(zhǎng)期演變和風(fēng)暴控制的短期演變趨勢(shì)[28]。正常天氣條件下,由于潮汐不對(duì)稱和泥沙滯后效應(yīng)的存在,再加上泥沙的充足供應(yīng),潮灘總體上會(huì)呈淤積狀態(tài)。風(fēng)暴天氣帶來(lái)的強(qiáng)烈動(dòng)力條件,會(huì)使灘面出現(xiàn)“大沖大淤”[16, 29],這種沖淤一般在厘米到分米級(jí)范圍[30-33]。諸多學(xué)者對(duì)淤長(zhǎng)型潮灘風(fēng)暴剖面形態(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),得出了基本一致的結(jié)論:潮灘上部淤積,下部沖刷,如若考慮潮下帶的淤積,則是“中間沖刷,兩端淤積”的剖面形態(tài),風(fēng)暴過(guò)后,潮灘會(huì)繼續(xù)正常天氣條件下的淤積狀態(tài),恢復(fù)到平衡剖面[6, 19, 24, 31-32, 34-35]。而對(duì)于侵蝕型潮灘風(fēng)暴剖面,風(fēng)暴會(huì)極大地加快潮灘原來(lái)上凹型剖面上沖下淤的趨勢(shì)[6]。由于各次風(fēng)暴發(fā)生前的原始地貌狀態(tài)不同、各次風(fēng)暴發(fā)生時(shí)的潮況不同、風(fēng)暴的路徑不同、風(fēng)暴期間潮灘及相鄰潮下帶水域風(fēng)速風(fēng)向的差異,風(fēng)暴期間潮灘經(jīng)歷的沖淤變化的細(xì)節(jié)是復(fù)雜的。潮灘剖面在風(fēng)暴中的變化應(yīng)該是“可沖可淤”的,既可以是凈沖刷,也可以是凈淤積[16]。

20世紀(jì)70年代后期,風(fēng)暴沉積開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外沉積學(xué)家的關(guān)注。多位學(xué)者[27,36-38]相繼較系統(tǒng)地回顧了國(guó)內(nèi)外風(fēng)暴沉積的研究成果。風(fēng)暴沉積一般有以下幾方面特征:在沉積結(jié)構(gòu)方面,風(fēng)暴沉積較正常沉積平均顆粒粒徑變粗,分選性增強(qiáng),泥質(zhì)含量減少,在垂向上有自下而上沉積物粒度減小的趨勢(shì),正常天氣與風(fēng)暴天氣交替形成潮灘的泥控層(mud-dominated layers)和沙控層(sand-dominated layers)[28,39]組成韻律性層理;在沉積構(gòu)造方面,風(fēng)暴沉積以發(fā)育丘狀交錯(cuò)層理為典型特征,同時(shí)底部具有沖刷侵蝕面、平行層理、爬升層理等,而常態(tài)沉積下以發(fā)育水平紋層、交錯(cuò)層理為主;在沉積序列上,風(fēng)暴沉積底部一般具有明顯的沖刷面,與下伏常態(tài)沉積為不整合接觸。層序下部為平行層理,中部為緩起伏的丘狀交錯(cuò)層理,上部為波狀交錯(cuò)層理或爬升層理,再向上被常態(tài)沉積層覆蓋,兩者呈漸變關(guān)系,這種沉積序列的變化,反映了風(fēng)暴能量弱—突強(qiáng)—漸弱的變化規(guī)律。不同的淤泥質(zhì)潮灘風(fēng)暴沉積的詳細(xì)情況不甚相同,需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),進(jìn)一步完善沉積模式,并探討分析其動(dòng)力機(jī)制。

1.3 風(fēng)暴剖面的形成機(jī)制

風(fēng)暴作用帶來(lái)的風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪會(huì)極大地改變正常天氣條件下的動(dòng)力條件,這種動(dòng)力條件下的泥沙運(yùn)動(dòng)和輸移直接影響潮灘的地貌演變。針對(duì)風(fēng)暴作用下的泥沙運(yùn)動(dòng),蔣昌波等[22]、殷鍇[40]做過(guò)相關(guān)的綜述，他們指出前人的研究多為風(fēng)暴前后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的成果,且國(guó)內(nèi)研究多為風(fēng)暴作用下的驟淤、輸沙率等方面的規(guī)律分析,由于缺乏風(fēng)暴期間的高強(qiáng)度非平衡輸沙過(guò)程的觀測(cè)以及研究區(qū)域的局限性,對(duì)風(fēng)暴作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究尚存在一定的缺陷。淤泥質(zhì)潮灘的基本動(dòng)力泥沙過(guò)程可歸結(jié)為兩種:在破波帶內(nèi),波浪掀沙造成泥沙懸浮;在破波帶外,破波帶內(nèi)懸浮的泥沙在潮流作用下擴(kuò)散運(yùn)移,即“波浪掀沙、潮流輸沙”過(guò)程[41-43]。對(duì)于淤泥質(zhì)潮灘,其底質(zhì)通常為細(xì)砂、粉砂、黏土以及有機(jī)物組成的混合物,這些細(xì)顆粒多組分泥沙粒徑跨度范圍較大,常涵蓋非黏性沙到黏性沙,且呈現(xiàn)出水平向的分帶性和垂向分層性,泥沙運(yùn)動(dòng)情況比較復(fù)雜。多組分泥沙分選是泥沙運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的一個(gè)重要現(xiàn)象,很大程度上決定了潮灘剖面形態(tài)演變的趨勢(shì)。Zhou等[44]建立一維數(shù)學(xué)模型模擬了波流共同作用下潮灘灘面泥沙分選“岸向細(xì)化”的特點(diǎn),反映了“波浪掀沙、潮流輸沙”規(guī)律,在模型中進(jìn)一步加入風(fēng)暴的作用后發(fā)現(xiàn),風(fēng)暴引起的極強(qiáng)床面剪切力可以起動(dòng)較粗的泥沙,并由漲潮流向岸側(cè)輸送,改變了正常天氣情況下泥沙“岸向細(xì)化”的模式[45],從定性層面基本反映了泥沙分選過(guò)程。趙秧秧等[34]以江蘇如東海岸為例,建立了沉積動(dòng)力學(xué)垂向二維概念模型,初步探究了形成風(fēng)暴沉積層序及其空間分布的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。著名的“沉降和起動(dòng)滯后”效應(yīng)是淤泥質(zhì)潮灘上重要的泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程,在正常天氣情況下,會(huì)引起細(xì)顆粒泥沙的岸向沉積?；诂F(xiàn)場(chǎng)泥沙沉積觀測(cè),有學(xué)者發(fā)現(xiàn)著名的“沉降和起動(dòng)滯后”效應(yīng)僅適用于較弱波浪條件下潮灘黏性泥沙沉積,而風(fēng)暴作用期間不符合這一規(guī)律,且潮溝中也不適用[24, 46]。但同時(shí)也有學(xué)者指出,風(fēng)暴作用下的許多動(dòng)力特征與泥沙運(yùn)動(dòng)滯后效應(yīng)有著密切的聯(lián)系,如波浪運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱性、波浪軌道速度的水平梯度、水流的垂向速度和床面底部的余流等[22]。這種滯后效應(yīng)引發(fā)的非均勻沙非恒定輸移致使泥沙輸移率發(fā)生改變,因此,研究風(fēng)暴作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)滯后機(jī)理具有重要的意義。

針對(duì)淤長(zhǎng)型潮灘“中間沖刷,兩端淤積”的風(fēng)暴剖面的動(dòng)力機(jī)制,前人的研究和分析主要有以下幾個(gè)方面:①“波浪掀沙、潮流輸沙”仍是淤泥質(zhì)潮灘的基本動(dòng)力泥沙過(guò)程。風(fēng)暴期間,波流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力明顯增大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)潮灘沉積物的臨界剪切應(yīng)力,水體挾沙能力明顯增強(qiáng),導(dǎo)致大量灘面泥沙再懸浮,水體懸沙濃度明顯增大[16]。懸浮泥沙隨潮流被輸送到相鄰低能區(qū)域,包括鹽沼區(qū)和潮下帶[31]。Fan等[32]建立了圖解概念模型,根據(jù)地形和動(dòng)力條件將灘面分為7個(gè)部分來(lái)分析沖淤特點(diǎn),并指出波浪過(guò)程及其對(duì)潮灘的作用強(qiáng)度受潮汐的影響,這種影響使潮灘細(xì)部沖淤模式不盡相同。具體表現(xiàn)在:漲潮和落潮過(guò)程中,破波帶相應(yīng)的上下擺動(dòng);破碎波高受水深限制,大潮期間的弱風(fēng)暴會(huì)比小潮期間的強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)潮灘的侵蝕區(qū)域更大,這也是因?yàn)橛刹ɡ似扑樵賾腋∑饋?lái)的泥沙的再分配受控于潮流的作用。②正常天氣條件下的潮汐不對(duì)稱性會(huì)在風(fēng)暴期間加強(qiáng)。這是因?yàn)轱L(fēng)暴會(huì)加強(qiáng)潮流特別是漲潮流的作用,從而加劇了潮灘上潮汐的不對(duì)稱性[6];另外,風(fēng)暴引起的強(qiáng)潮動(dòng)力和波浪振蕩剪切力作用下,淤泥質(zhì)底床發(fā)生軟化乃至液化而形成高濃度浮泥層[47-48]。Wells等[47]發(fā)現(xiàn),當(dāng)水底有浮泥時(shí),浮泥層在波浪的作用下也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng),從而造成波浪波高的較快衰減,此時(shí)波浪以類孤立波的形式向高潮水邊線傳播。由于類孤立波的波峰下水質(zhì)點(diǎn)的向岸速度比波谷下的離岸速度大,同樣加強(qiáng)了漲落潮流速的不對(duì)稱性,有利于細(xì)顆粒沉積物繼續(xù)向岸運(yùn)移,在潮灘上部富集。③余流對(duì)泥沙輸移起著重要作用。風(fēng)暴期間,潮灘淺水區(qū)水體大量向岸凈輸移是向岸風(fēng)成流及波流的表現(xiàn)[49]。作為一種水體平衡,在水深較大的潮灘下部形成底層水體的向海凈輸移。因此,底層余流存在著一個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)。轉(zhuǎn)向點(diǎn)的形成使潮灘及潮下帶分成內(nèi)、外堆積帶和侵蝕帶[35]?？偟膩?lái)說(shuō),風(fēng)暴剖面的形成機(jī)制研究大多是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)成果,研究體系還不夠強(qiáng)。風(fēng)暴期間,動(dòng)力作用增強(qiáng),波浪與潮流間相互作用增大了水動(dòng)力的復(fù)雜性,而這正是泥沙運(yùn)動(dòng)與潮灘演變的驅(qū)動(dòng)力。目前,對(duì)于正常天氣下潮灘的長(zhǎng)期發(fā)育已有一定的研究,而對(duì)于潮灘剖面風(fēng)暴作用的短期過(guò)程及其形成機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

1.4 鹽沼對(duì)于風(fēng)暴的響應(yīng)

近年來(lái),在面對(duì)全球氣候變化、海岸城市防洪以及海岸帶侵蝕的壓力下,越來(lái)越多的研究者關(guān)注鹽沼在削弱風(fēng)暴災(zāi)害方面的作用,社會(huì)也對(duì)這種基于生態(tài)系統(tǒng)或者基于自然的風(fēng)暴防護(hù)項(xiàng)目越來(lái)越感興趣[50]。對(duì)于淤泥質(zhì)潮灘,鹽沼多分布于潮間上帶和潮上帶,鹽沼的淤積是淤泥質(zhì)潮灘風(fēng)暴剖面的重要特征。很多學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)等手段研究了鹽沼對(duì)于風(fēng)暴的響應(yīng),成果較為豐富。當(dāng)鹽沼具有一定高度且連續(xù)分布時(shí),鹽沼植被可以有效地緩沖水流,削弱風(fēng)暴增水,耗散波浪能量,起到固沙效果,并增強(qiáng)鹽沼的穩(wěn)定性[51]?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬都發(fā)現(xiàn)鹽沼對(duì)風(fēng)暴增水有削弱作用,這種削弱作用可以分為鹽沼植被的摩擦作用和潮溝的輸水或儲(chǔ)水作用[52-56],根據(jù)鹽沼和風(fēng)暴的不同,削弱率大概在1.7～25 cm/km范圍內(nèi)。不同的鹽沼植被消波效應(yīng)也不同,柔韌性好的植被容易被風(fēng)暴擊倒,耗散能量較少,但它們不容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷,并且倒下之后能夠保護(hù)鹽沼表層免于侵蝕;而柔韌性差的植被耗散能量多,但更易折斷,且會(huì)導(dǎo)致湍流和沖刷的加劇?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明,鹽沼的消浪效果與相對(duì)波高成正比,與植株的淹沒(méi)度成反比[51]。我國(guó)于20世紀(jì)70～80年代引入互花米草并大量種植于沿海灘涂,現(xiàn)在分布較廣的地區(qū)有江蘇沿海,張忍順等[57]指出我國(guó)沿岸互花米草草帶寬度在200 m以上時(shí),它的消浪作用非常明顯,消能率超過(guò)90%,若寬度超過(guò)500 m,則消能率可達(dá)99%。近年來(lái),學(xué)者們對(duì)于這種“生物動(dòng)力地貌學(xué)”(Biomorphodynamics)的研究進(jìn)展迅速、成果豐碩。未來(lái)可進(jìn)一步探究其規(guī)律,并通過(guò)適當(dāng)概化用于更好地模擬潮灘風(fēng)暴剖面的演變過(guò)程。

風(fēng)暴期間,鹽沼前緣普遍存在著沖刷現(xiàn)象,主要是高潮憩流期風(fēng)暴浪的侵蝕作用所造成[6],這種侵蝕常常會(huì)在鹽沼前緣產(chǎn)生陡坎[58],而陡坎的形成增加了鹽沼前緣光灘的水深,會(huì)加劇波浪的作用,從而對(duì)鹽沼前緣產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)期的影響[59]。在淤長(zhǎng)型潮灘,風(fēng)暴過(guò)后,侵蝕區(qū)會(huì)很快轉(zhuǎn)變?yōu)橛俜e區(qū),淤積速率最大的地方也常出現(xiàn)在鹽沼前緣[19,32]。但是,鹽沼前緣的側(cè)向侵蝕導(dǎo)致的鹽沼損失退化在很多地區(qū)也都有觀測(cè)到,Leonardi等[11]指出從長(zhǎng)期的角度看,鹽沼退化主要是受高頻(每月1次)的中等風(fēng)暴的影響所致,而極端風(fēng)暴因?yàn)槠漕l率低、作用時(shí)間短,造成的影響不足1%。目前,風(fēng)暴影響下鹽沼的側(cè)向變化相比垂向變化研究較少,且需要更多關(guān)注風(fēng)暴對(duì)鹽沼長(zhǎng)期生長(zhǎng)演變的影響,并考慮鹽沼季節(jié)性和周期性的變化[60],為海岸帶可持續(xù)開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

2 風(fēng)暴作用下的潮溝演變

2.1 演變特點(diǎn)及動(dòng)力機(jī)制

國(guó)內(nèi)外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、遙感分析、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)等研究手段,對(duì)潮溝地貌形態(tài)特征和發(fā)育演變過(guò)程等進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究。目前,還有諸多科學(xué)問(wèn)題值得深入探討,如潮溝曲流發(fā)育的動(dòng)力學(xué)機(jī)制等[61]。風(fēng)暴作用下動(dòng)力增強(qiáng),潮溝活動(dòng)性也相應(yīng)增強(qiáng),潮溝形態(tài)會(huì)發(fā)生特別顯著且形式多樣的變化,相關(guān)的研究多數(shù)來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感分析的成果,還十分薄弱。

潮灘和潮溝作為一個(gè)系統(tǒng),潮溝的穩(wěn)定性是潮灘穩(wěn)定性的標(biāo)志[62-63]。風(fēng)暴期間,潮溝通過(guò)不斷地側(cè)向遷移、擺動(dòng)來(lái)改造或破壞潮灘沉積, 同時(shí)影響潮灘的穩(wěn)定性[2]。龔政等[64]通過(guò)斷面觀測(cè)得出潮間帶中部區(qū)域?yàn)┟娓叱淌苤朴陲L(fēng)暴潮流對(duì)于潮溝平面擺動(dòng)和潮溝形態(tài)的影響,當(dāng)潮溝較多時(shí),潮間帶中部沖刷顯著。潮溝是潮灘水、沙的交換通道,風(fēng)暴期間潮溝本身的輸水輸沙作用比風(fēng)暴前提高,因此越向溝梢,淤積量越大,潮間上帶的潮溝溝梢多被淤死。風(fēng)暴帶來(lái)的高速漲潮流會(huì)導(dǎo)致灘面漲潮水灌入潮溝的現(xiàn)象,迅急的漲潮流對(duì)潮間下帶粉細(xì)沙有一種夷平作用,使灘面受侵蝕,而其上的潮溝則接受淤積[6]。風(fēng)暴期間,潮溝的發(fā)育要通過(guò)拓寬或開(kāi)辟新潮溝來(lái)適應(yīng)動(dòng)力條件的突變。楊世倫等[23]曾觀測(cè)到風(fēng)暴期間形成的貫穿裸灘和鹽沼下部的潮溝,但在風(fēng)暴過(guò)后數(shù)月完全消亡。Xie等[19]也同樣觀測(cè)到風(fēng)暴期間潮溝口門(mén)段的侵蝕,但在風(fēng)暴過(guò)后和潮灘一同發(fā)生淤積,可見(jiàn)潮溝在風(fēng)暴作用下的變化有著與潮灘剖面類似的突變和恢復(fù)過(guò)程。任美鍔等[6]曾就某典型風(fēng)暴作用下江蘇淤泥質(zhì)海岸潮溝演變特點(diǎn)和動(dòng)力機(jī)制做了分析研究,主要包括:①如果風(fēng)暴造成的壅水方向與潮溝的延伸方向相同,潮溝的漲潮水量大增,漲潮時(shí)間提前,潮流動(dòng)力作用大為增強(qiáng),會(huì)造成潮溝連通關(guān)系的改變。②一些過(guò)去廢棄而淤淺了的潮溝往往成為潮溝拓寬或開(kāi)辟新潮溝的可能路線,從而重新活躍起來(lái)。③風(fēng)暴會(huì)增大潮溝平面擺動(dòng)的速度，加速裁彎取直的過(guò)程,如風(fēng)暴前潮溝已比較順直,風(fēng)暴將拓寬潮溝,甚至發(fā)育彎道的沖刷陡坎;潮溝已有的岸壁陡坎在風(fēng)暴作用下會(huì)加速崩塌后退,后退距離達(dá)數(shù)十米。

2.2 潮溝擺動(dòng)及其岸壁侵蝕過(guò)程

風(fēng)暴期間,潮溝的快速擺動(dòng)對(duì)海堤安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,是亟須解決的科學(xué)問(wèn)題。這里通過(guò)總結(jié)前人的相關(guān)研究,為進(jìn)一步探討潮溝擺動(dòng)機(jī)制提供思路。潮溝由于發(fā)育曲流而產(chǎn)生橫向擺動(dòng)[62]。潮溝曲流的發(fā)育機(jī)制還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證,但人們普遍認(rèn)為漲、落潮最大流速路徑的不一致,是潮溝曲流發(fā)育的重要?jiǎng)恿σ蛩豙62,65-67]。潮溝擺動(dòng)需要充足的泥沙供應(yīng)和水動(dòng)力條件,擺動(dòng)的速度與趨勢(shì)受多方面因素影響,包括潮溝規(guī)模、泥沙特性、閘下陸源水、圍墾工程等[61]。潮灘中下帶潮溝發(fā)育,平面擺動(dòng)劇烈[13,68]。大型潮溝彎曲度較小,且相比中小潮溝更加穩(wěn)定,風(fēng)暴作用之下也是如此[9]。發(fā)育在非黏性或未固結(jié)泥沙之中的曲流擺動(dòng)較大[69],且有可能在漫灘流、岸壁侵蝕或波浪的作用之下洗刷掉,而發(fā)育在鹽沼或黏性泥沙之中的曲流則相對(duì)更加穩(wěn)定[70]。在風(fēng)暴引起的強(qiáng)潮動(dòng)力和波浪振蕩剪切力作用下,淤泥質(zhì)底床發(fā)生軟化乃至液化而形成高濃度浮泥層[47-48]。這層浮泥層含水量高,顆粒黏結(jié)作用弱,臨界剪切應(yīng)力和強(qiáng)度很小,潮灘-潮溝系統(tǒng)很容易被反復(fù)改造[9]。暴雨對(duì)潮溝擺動(dòng)也有重要的作用,尤其在低潮位。暴雨的濺擊作用會(huì)使表面黏土更易侵蝕[71-73],還會(huì)加強(qiáng)落潮流,從而引起岸壁侵蝕和泥沙的向下輸移[74]。隨著曲流的發(fā)育,沉積物不斷在曲流凸岸邊灘水流較緩處淤積,加大了水流向凹岸的匯集,凹岸侵蝕不斷加劇,當(dāng)曲流發(fā)育到一定程度,潮溝就易裁彎取直[61, 75]。

潮溝擺動(dòng)是曲流邊灘沉積和岸壁侵蝕兩者共同作用的結(jié)果。諸多學(xué)者從沉積學(xué)的角度對(duì)曲流邊灘進(jìn)行了研究[70,76-80]。風(fēng)暴期間,潮溝裁彎拓寬、橫向遷移或改道,并增強(qiáng)水流側(cè)向沉積作用。這種多次風(fēng)暴形成的災(zāi)害性變化,使攜帶的大量沉積物快速堆積埋藏,易保存在地質(zhì)記錄中。側(cè)向遷移作用使槽谷明顯呈彎曲狀,凹岸強(qiáng)烈受蝕不斷后退,凸岸緩平,有利于邊灘沉積。但橫向遷移不穩(wěn),經(jīng)常變換方向,左右擺動(dòng),使已形成的邊灘沉積重遭破壞,再建新的邊灘或心灘沉積[81]。岸壁侵蝕是造成潮溝擺動(dòng)的重要過(guò)程,潮溝的岸壁侵蝕可以分為逐漸侵蝕和瞬時(shí)崩塌兩類,岸壁逐漸侵蝕是一個(gè)緩慢而連續(xù)的過(guò)程,主要與水流強(qiáng)度和泥沙抗沖性能有關(guān)。岸壁瞬時(shí)崩塌是一個(gè)快速、不連續(xù)的過(guò)程,受多種因素的影響,如漲落潮過(guò)程(靜水壓力的變化)、土體性質(zhì)(飽和土-非飽和土的轉(zhuǎn)化)、植被(根部的黏結(jié)作用)、土體含水量(地下滲流與地表蒸騰)等。

岸壁侵蝕的研究開(kāi)始于河流系統(tǒng)[82]。因其顯著影響河道水質(zhì),對(duì)河道的蜿蜒、裁彎取直、漫灘過(guò)程等起到了至關(guān)重要的作用[83-84],一直是河流研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。目前,基于極限平衡法的岸壁穩(wěn)定模型已經(jīng)發(fā)展成熟,并推出了一系列的商業(yè)軟件,如美國(guó)泥沙研究所的BSTEM模型[85]。為了進(jìn)一步研究岸壁崩塌過(guò)程,有學(xué)者采用應(yīng)力-應(yīng)變法來(lái)研究岸壁土體內(nèi)部任一點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)[86-88]。但河流與潮灘-潮溝系統(tǒng)既有許多相似點(diǎn)也有許多差異,需要在借鑒研究方法的同時(shí),考慮兩個(gè)系統(tǒng)在水流驅(qū)動(dòng)力和模式、時(shí)空尺度等方面的不同。對(duì)于潮溝岸壁侵蝕的研究還處于起步階段,且研究對(duì)象多是鹽沼潮溝[66,89]。Chen等[90]發(fā)現(xiàn)了植被根系和土體固結(jié)對(duì)潮溝岸壁的穩(wěn)定起著積極作用,前者增強(qiáng)了岸壁上部的穩(wěn)定性,而后者增強(qiáng)了岸壁下部的穩(wěn)定性。鹽沼潮溝低頻的擺動(dòng)和高頻的岸壁侵蝕,是存在于鹽沼潮溝的悖論。為了解釋這一現(xiàn)象,Gabet[91]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析,認(rèn)為是崩塌土體保護(hù)了岸壁,阻止了進(jìn)一步的岸壁侵蝕。還有學(xué)者將崩塌過(guò)程與岸壁坡度和土壤擴(kuò)散系數(shù)建立了線性關(guān)系,描述了灘、溝之間的泥沙大量交換[92]。

由于岸壁侵蝕是多因子共同作用的結(jié)果,岸壁侵蝕的時(shí)間尺度和泥沙在垂向上侵蝕和沉積過(guò)程的時(shí)間尺度不同。另外,岸壁侵蝕過(guò)程無(wú)法在較粗的水動(dòng)力模型網(wǎng)格中模擬。因此,目前的海岸地貌模型中還沒(méi)有特別精確有效的途徑去刻畫(huà)岸壁侵蝕過(guò)程[93-94]。Delft3D模型中將岸壁侵蝕過(guò)程刻畫(huà)為將發(fā)生在濕網(wǎng)格的侵蝕由相連干網(wǎng)格的侵蝕代替,這意味著泥沙從干網(wǎng)格輸移到與之相連的濕網(wǎng)格,因此濕網(wǎng)格的床面不變,直到干網(wǎng)格變?yōu)闈窬W(wǎng)格,岸壁侵蝕也就由此發(fā)生。van der Wegen等[93]將這一過(guò)程應(yīng)用到河口灘槽地貌演變中,比較了考慮和不考慮岸壁侵蝕的演變差異。Chu等[94]應(yīng)用這一過(guò)程,并將資料同化方法應(yīng)用到地貌模型中,不斷結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)更新潮溝的擺動(dòng)形態(tài),使模型最終結(jié)果更加真實(shí)合理。但這一過(guò)程只是對(duì)岸壁侵蝕的粗略刻畫(huà),并沒(méi)有考慮水流對(duì)岸壁的切應(yīng)力以及泥沙的特性等。Gong等[95]采用應(yīng)力-應(yīng)變法探究岸壁崩塌過(guò)程,進(jìn)而建立了潮溝邊壁后退數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明,潮溝岸壁崩塌過(guò)程可以分為坡腳剪切破壞、坡頂拉破壞、坡頂?shù)狡履_的貫穿面形成3個(gè)階段,模擬發(fā)現(xiàn)岸壁崩塌對(duì)潮溝岸壁侵蝕后退的貢獻(xiàn)高達(dá)85%,表明該過(guò)程對(duì)潮溝的形態(tài)和規(guī)模起到控制作用。這一模型從機(jī)理上對(duì)潮溝岸壁侵蝕過(guò)程進(jìn)行了刻畫(huà)。目前,精確有效地刻畫(huà)模擬岸壁侵蝕過(guò)程是學(xué)者研究的前沿和熱點(diǎn)[93],而如何預(yù)測(cè)風(fēng)暴作用下的潮溝擺動(dòng)趨勢(shì)更是研究的難點(diǎn)。

3 研究展望

針對(duì)淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)在風(fēng)暴作用下的地貌演變特點(diǎn)和機(jī)制,前人的研究成果主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感分析得到。筆者認(rèn)為潮灘的風(fēng)暴剖面與沙質(zhì)海岸相比有較大不同,其形成機(jī)制有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究；鹽沼植被能有效地削弱風(fēng)暴作用,起到固沙效果,但其側(cè)向變化也應(yīng)該引起學(xué)者的重視；風(fēng)暴作用下潮溝的活動(dòng)性大大增強(qiáng),潮溝擺動(dòng)及其岸壁侵蝕過(guò)程的研究還十分薄弱。綜合分析目前的相關(guān)研究,風(fēng)暴作用下淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)地貌演變中有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容包括:

a. 風(fēng)暴作用下潮灘-潮溝系統(tǒng)的水動(dòng)力特點(diǎn)和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。應(yīng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)和方法,并結(jié)合遙感技術(shù),獲取風(fēng)暴作用前、中、后的現(xiàn)場(chǎng)資料,包括潮灘不同分帶、不同水深和典型潮溝控制斷面的水沙過(guò)程,研究多組分泥沙在復(fù)雜動(dòng)力環(huán)境下的分選過(guò)程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并應(yīng)關(guān)注風(fēng)暴作用下的泥沙運(yùn)動(dòng)滯后機(jī)理、浮泥形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等,為進(jìn)一步研究分析淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)的演變特點(diǎn)提供基礎(chǔ)資料。

b. 風(fēng)暴作用下潮灘地貌演變機(jī)制系統(tǒng)性研究。潮灘演變受多種因子的影響,風(fēng)暴對(duì)其短期和長(zhǎng)期演變都有重要影響,需在動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,綜合分析風(fēng)暴作用對(duì)潮灘不同分帶的地貌演變影響機(jī)制,并考慮風(fēng)暴與生物作用、地下過(guò)程、海平面上升等驅(qū)動(dòng)因子的耦合,為精確模擬潮灘演變提供支撐;在考慮鹽沼削弱風(fēng)暴作用的同時(shí),關(guān)注風(fēng)暴對(duì)鹽沼長(zhǎng)期生長(zhǎng)演變的影響,并考慮鹽沼季節(jié)性和周期性的變化。

c. 潮溝擺動(dòng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究。借鑒河流岸壁侵蝕研究方法,研究漲落潮流、滲流力、孔隙水壓力等多因子影響下潮溝岸壁侵蝕機(jī)理;可通過(guò)物理模型試驗(yàn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)潮溝邊壁情況,探究不同水位高度、不同岸壁高度、不同泥沙組分下的岸壁穩(wěn)定性,并進(jìn)一步概化風(fēng)暴動(dòng)力環(huán)境,研究其岸壁侵蝕機(jī)理;耦合潮溝岸壁侵蝕及泥沙輸運(yùn)過(guò)程,建立風(fēng)暴作用下淤泥質(zhì)潮灘-潮溝系統(tǒng)“動(dòng)力-泥沙-地貌”數(shù)學(xué)模型,動(dòng)態(tài)模擬潮溝擺動(dòng)過(guò)程,探究其動(dòng)力學(xué)機(jī)制。