浙江洞頭地區(qū)海島型岬灣海灘的穩(wěn)定性分析

張建祺，李尚魯

(1.華北水利水電大學，鄭州 450000； 2.浙江省海洋監(jiān)測預報中心，杭州 310000)

浙江位于整個我國沿海地區(qū)，海島眾多，人口密集。其中，占地面積通常大于500 m2的砂質海島在中國有3 061個，是目前中國擁有砂質島嶼最多的一個省份。目前，浙江省的海洋資源十分豐富，海岸線總長6 486.24 km，占整個中國的20.3%，居于中國首位[1]。浙江雖然砂質海島眾多，海岸線漫長，但是砂質的海灘資源十分的缺乏。浙江海島的岬灣海灘資源已然成為浙江海島旅游業(yè)發(fā)展的重要基石。岬灣海灘形狀包括弧形陰影段、緩彎過渡段和平直切線段[2]。岬灣海灘的不穩(wěn)定會導致岸線侵蝕，危及公路民居，咸水入侵，生物資源退化等。如何從岸線平面形態(tài)和豎向剖面形態(tài)三維立體地研究岬灣海灘穩(wěn)定性，有利于全面統(tǒng)籌岬角海灣的修復和防護，合理規(guī)劃海島的建設與開發(fā)，推動浙江社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，將洞頭作為典型研究浙南海岸的穩(wěn)定性問題迫在眉睫。

國內外學者對于岬灣海灘的研究多從平面形態(tài)和剖面演變分析兩方面展開。平面形態(tài)涉及岬灣海灘穩(wěn)定的模型包括橢圓形模型[3]、對數螺線型[4]，拋物線型[5]等。Moreno Luis J(1999)認為拋物線模型對岬角海灘的適用性比較好，其因為包括可以很好地描述岬角影響的曲線段和直線段[6]，該模型被國內外專家和學者廣泛認可。Klein(2003)利用MEPBAY軟件對實際海灣分析，證明了岬灣海灘存在的3種狀態(tài)：靜態(tài)平衡、動態(tài)平衡和不穩(wěn)定狀態(tài)[7]，能較好描繪岬灣海灘的地形地貌。相對穩(wěn)定的“靜態(tài)平衡”[8]是岬角海灣穩(wěn)定性極好的形態(tài)。剖面演變分析海灘剖面演變是與短周期地貌動力行為相關的海灘過程，是海灘演變研究不可忽視的方面。國外學者收集了海灘剖面的現場實測數據，并進行分析，逐步完善，不斷提出各種海灘平衡剖面模式[9-10]，從理論上規(guī)范了海灘平衡剖面。國內對海灘平衡剖面規(guī)律的研究開展比較少。陳子燊(2002)應用Dean及Bodge等模式對海灘實測剖面數據進行了擬合，但由于數量和區(qū)域限制，還不能完全反映海灘平衡剖面特征[11]，僅利用經驗函數方法進行有益的研究工作[12]。

現階段分析海灘穩(wěn)定性的研究多從岬灣海灘的平面形態(tài)、剖面特征等單方面著手。相比較國外，國內對岬灣海灘研究較少，且研究區(qū)域為山東、海南等。將浙江海島作為主要研究區(qū)域的岬角海灘平衡性研究尚且不足。筆者選取東岙海灘和金海岸海灘為主要的研究對象，兩海灘規(guī)模大小相近，受到人工海岸工程或天然岬角的遮蔽影響，且不受其他河流影響。

1 研究區(qū)概況

洞頭地處浙江溫州，別名“百島洞頭”，其海岸線發(fā)達，外控溫州灣，內扼甌江口，是進出溫州港的咽喉，又是浙南的天然屏障。洞頭是全國14個海島區(qū)(縣)之一，擁有大小島嶼302個。洞頭區(qū)岸線蜿蜓曲折，總長333.45 km。沿岸形成眾多的天然港岙海灣，且多以岬灣海灘為主。洞頭區(qū)侵蝕丘陵地貌分布廣泛，約占全區(qū)陸地面積的91%。比較成規(guī)模的港灣有31處，其中大多為規(guī)則半日潮港，由于岸線曲折形成比較大的岬角有21處。近年來，先后獲批建設浙江省海島綜合開發(fā)和保護試驗區(qū)、浙江省旅游綜合改革試點區(qū)，是全省海洋經濟開發(fā)先行先試的地區(qū)。隨著近年人類活動頻繁，經濟和社會發(fā)展迅速，人類與海岸帶環(huán)境的沖突十分嚴峻。

本研究實地測量溫州洞頭區(qū)兩處海灘，分別為東岙海灘、金海岸海灘，見圖1。

圖1 海灘分布圖

2 研究方法

2.1 拋物線模型

采用Hsu和Evans(1989)的一種用于靜態(tài)平衡狀態(tài)岬灣海灘的拋物線海灣形狀方程[5]。方程形式如下：

(1)

C0=0.070 7-0.004 7β+0.000 349β2-0.000 008 75β3+0.000 000 047 65β4

(2)

C1=0.953 6+0.007 8β-0.000 487 9β2+0.000 018 2β3-0.000 001 281β4

(3)

C2=0.021 4-0.007 8β+0.000 300 4β2-0.000 011 83β3+0.000 000 093 42β4

(4)

式中：參照波傾角β為波峰線與控制線之間的波浪傾角；長度為Rβ的控制線為上岬角控制點與下控制點間的距離；Rn為上岬角控制點到海岸上任意一點的極坐標距離；θn為上岬角控制點到海岸上任意一點的極坐標角度；系數C0，C1，C2是關于β的函數，由27個原型海灣與實驗模型數據進行回歸分析所得。

見圖2。

圖2 拋物線平面形態(tài)模型示意圖

2.2 海灘平面形態(tài)研究

本文中即采用Klein等開發(fā)出的MEPBAY軟件對岬灣岸線進行模擬。找到岬角確定上岬角控制點，研究表明靜態(tài)平衡的岬灣海岸，波峰線基本平行于切線，垂直切線的方向即為盛行波浪入射方向，并且找到以曲線段與直線段連接點為下岬角控制點。模擬海灣的靜態(tài)平衡岸線，通過與實際岸線的比較可以分析海灘的平衡狀態(tài)。

2.3 海灘剖面測量

通過2017，2018，2019年3年連續(xù)觀測，起點為固定于后濱的監(jiān)測樁，沿著垂直岸線方向向海延伸，測量范圍為后濱至低潮線，在地勢起伏幅度比較大的區(qū)域合理地加密測點；根據海灘長度合理地布設剖面數量，依次展布于整個海灘。其中東岙海灘布設3條、金海岸海灘布設3條。并根據當地潮汐時刻表，于低平潮時刻附近利用RTK人工采集剖面的數據，從而保證剖面數據的完整性。測量時，平面坐標系采用WGS1984大地坐標系，并采用大地高程系統(tǒng)，進而進行數據處理和分析。

3 結果與分析

3.1 海灘平面形態(tài)穩(wěn)定性分析

3.1.1 東岙沙灘

東岙海灘一側受處人工建筑A所控制，另一側受到礁石B控制，起到成對岬角的作用。進行分段模擬，首先以點A為上岬角控制點，點C為下控制點，擬合得到靜態(tài)平衡岸線CD′位于現有岸線CD的海側；其次以點B為上岬角控制點，點C為下控制點，擬合得到靜態(tài)平衡岸線CE′位于現有岸線CE的海側，表明東岙海灘兩側未來有淤積的趨勢。見圖3。

圖3 東岙海灘平衡性模擬

3.1.2 金海岸海灘

金海岸海灘一側受處岬角A所控制，另一側受到礁石B控制，起到成對岬角的作用。進行分段模擬，首先以點A為上岬角控制點，點C為下控制點，得到靜態(tài)平衡岸線CD′與現有岸線CD擬合較好；其次以點B為上岬角控制點，點C為下控制點，得到靜態(tài)平衡岸線CE′與現有岸線CE擬合較好，表明金海岸海灘處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。見圖4。

圖4 金海岸海灘平衡性模擬

3.2 海灘剖面形態(tài)穩(wěn)定性分析

3.2.1 東岙海灘

海灘被堤壩截斷，現存海灘長度約為170 m，海灘寬度較窄，約為50～70 m，從北到南一共設置3條監(jiān)測剖面，剖面S1、剖面S3位于海堤遮蔽區(qū)，剖面S2位于較開敞段岸段；坡度變化較為明顯，海灘剖面年際稍許變化。整理分析采集的剖面數據，利用surfer軟件，繪制海灘三維等高線圖、剖面布置圖，東岙海灘各剖面對比圖以及海灘2017，2018，2019年剖面形態(tài)變化圖，見圖5、圖6、圖7。

圖5 東岙海灘三維等高線圖

圖6 東岙海灘剖面布置圖

圖7 東岙海灘3年剖面形態(tài)變化圖及坡度變化表

對比3年間的剖面形態(tài)差異發(fā)現，地形整體發(fā)生明顯變化，灘面先增高后降低，坡度先變大后變小。對比2017與2019年，海灘略微淤積，但灘面與坡度變化不大，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

3.2.2 金海岸海灘

金海岸海灘兩側發(fā)育出天然岬角，海灘長度約為117 m，海灘寬度約為10 m。由南到北布設3條監(jiān)測剖面，剖面S1位于岬角(礁石)遮蔽區(qū)，剖面S2和剖面S3位于較開敞段岸段，整體坡度比較緩，海灘剖面年際變化不太明顯。整理分析采集的剖面數據，利用surfer軟件，繪制海灘三維等高線圖、剖面布置圖，金海岸海灘各剖面對比圖以及海灘2017，2018，2019年剖面形態(tài)變化圖見圖8、圖9、圖10。

圖8 金海岸海灘三維等高線圖

圖9 金海岸海灘剖面布置圖

圖10 金海岸海灘3年剖面形態(tài)變化圖及坡度變化表

對比3年間的剖面形態(tài)，整體并無發(fā)生明顯變化，整體坡度較緩，坡度基本沒有變化。發(fā)現前濱地形發(fā)生較少變化，灘面少量加高。

3.2.3 東岙沙灘與金海岸沙灘剖面形態(tài)的區(qū)別

綜合分析看出，東岙海灘整體上前濱地形變化不大，灘肩部分因為鋪砂高度少量增加，寬度增大，坡度略微變大，但隨著自然演變，高度及坡度慢慢恢復；中間開敞部分前濱部分先淤積再侵蝕，位于堤壩遮蔽區(qū)的剖面則出現堆積。由此認為，該海灘處于動態(tài)平衡狀態(tài)。金海岸海灘在自然狀態(tài)下較為穩(wěn)定。同時，在觀測期內持續(xù)侵蝕或淤積的情況很少，存在輕微的淤積和侵蝕的交替變化，整體變化幅度極小，說明海灘相對穩(wěn)定。

4 結 論

1) 應用拋物線模型模擬了兩個海灘的靜態(tài)平衡岸線，結果表明東岙海灘岸線處于淤積和侵蝕的交替變化的動態(tài)平衡狀態(tài)，在自然動力和人工補灘下，靠近堤壩的岸段將持續(xù)堆積，直至達到靜態(tài)平衡；金海岸海灘岸線擬合結果與真實岸線基本重合，表明海灘基本處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。

2) 在剖面形態(tài)上，東岙海灘整體受人為影響較大，2017-2018年的觀測期間，整體上表現為灘面增高，坡度變大；剖面S3前濱因人工鋪沙出現陡坎，灘肩以上堆積，灘肩以下侵蝕，但隨著一年的人類活動與自然作用下，2019年剖面表現為灘面降低，坡度減小，略有侵蝕。因此，東岙海灘總體較穩(wěn)定，未來可能有淤積的現象。3年觀測期間，金海岸海灘整體灘面幾乎保持不變，坡度基本不變，整體上變化幅度較小，海灘處于穩(wěn)定狀態(tài)。