江蘇海岸潮灘剖面形態(tài)與動力泥沙響應(yīng)關(guān)系

張長寬，黃婷婷，陶建峰，倪 立

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

作為海陸相互作用的前沿地帶，潮灘為港口航道建設(shè)、灘涂圍墾工程等海岸開發(fā)工程提供了豐富的資源。潮灘的地貌形態(tài)及其演變規(guī)律的認(rèn)知是潮灘資源開發(fā)利用與保護(hù)的科學(xué)依據(jù)[1]，其剖面形態(tài)特征的研究是探索潮灘地貌演變規(guī)律的重要而便捷的途徑[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對潮灘剖面形態(tài)特征進(jìn)行了較多研究，主要分兩個方面：一方面，潮流是潮灘發(fā)育的主要因素，是淤積型潮灘的支配動力。Roberts等[3]通過潮流泥沙數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)僅有向岸潮流作用下的潮灘平衡剖面呈上凸形，潮差增大、灘面坡度變陡，懸沙濃度越大、潮灘越寬、剖面坡度越平緩。另一方面，波浪對淤泥質(zhì)潮灘的剖面形態(tài)影響主要表現(xiàn)在侵蝕沖刷效果和地形塑造上，是導(dǎo)致岸灘侵蝕的主控動力。Friedrichs等[4]、Roberts等[3]、Yan等[5]通過數(shù)學(xué)模型發(fā)現(xiàn)僅受波浪作用時潮灘剖面呈現(xiàn)下凹形，波高增大會導(dǎo)致潮灘剖面坡度變陡。

粉砂淤泥質(zhì)海岸是江蘇海岸潮灘的主要類型，近幾十年來，眾多學(xué)者針對這一開敞式潮灘開展了大量研究，取得了一些認(rèn)知。高抒等[6]基于江蘇淤泥質(zhì)海岸剖面的若干特征探討了江蘇沿海堆積岸剖面與侵蝕岸剖面的發(fā)育條件。陳才俊[7]對江蘇淤長型潮灘斷面進(jìn)行了連續(xù)觀測，提出了影響潮灘剖面發(fā)育的主要因素有泥沙供應(yīng)、風(fēng)浪、潮流以及圍墾等。虞志英等[8]研究發(fā)現(xiàn)，缺少泥沙供應(yīng)的江蘇北部淤泥質(zhì)海岸在近岸破波的沖刷下不斷侵蝕。哈長偉等[9]基于現(xiàn)場調(diào)查和資料收集，探討了呂四海岸地貌、水動力、泥沙運(yùn)動以

及沉積與動力之間的響應(yīng)。劉秀娟等[10]以江蘇中部海岸為研究對象建立了大小潮周期性作用下的潮灘剖面演變模型，模擬了潮灘均衡態(tài)剖面形態(tài)與初始坡度、潮差、沉積物供應(yīng)量之間的關(guān)系。陳君等[11]通過江蘇沿海潮灘剖面高程實測資料分析了江蘇沿海潮灘剖面的形態(tài)特征、沖淤類型及沖淤趨勢；龔政等[12-13]對江蘇鹽城川東港南側(cè)潮灘剖面演變過程開展了持續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)該潮灘剖面雙凸形特性明顯，并以江蘇中部淤長型泥質(zhì)潮灘為例，建立了基于過程的潮灘動力地貌演變數(shù)學(xué)模型，研究了在沿岸潮流作用、供沙充分情況下雙凸形潮灘橫剖面形成機(jī)制。

圖1 江蘇海岸潮灘剖面位置布置及岸線分段示意圖Fig.1 Profile location of tidal flat and shoreline segmentation along Jiangsu Coast

如前所述，前人對江蘇海岸淤泥質(zhì)潮灘的研究多集中于潮灘的形態(tài)特征、影響潮灘發(fā)育的因素以及某一岸段剖面形態(tài)的形成機(jī)制。本文基于現(xiàn)場觀測資料分析和數(shù)值計算結(jié)果，旨在建立江蘇海岸各不同岸段潮灘剖面形態(tài)特征與動力因子及泥沙之間的響應(yīng)關(guān)系，成果對江蘇沿海海岸防護(hù)和濕地生態(tài)保護(hù)等提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況

江蘇海岸線北起繡針河口、南抵長江北口，根據(jù)江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價總報告，岸線總長達(dá)888.945km[14](圖1)。潮灘以粉砂淤泥質(zhì)潮灘為主[15]，其中50%以上的泥沙來源于海底，特別是中南部輻射沙脊群區(qū)，35%的潮灘總堆積量來自廢黃河三角洲和呂四附近的海蝕物質(zhì)[16]。江蘇沿海為正規(guī)半日潮，高潮差地區(qū)主要集中在連云港外的海州灣地區(qū)和以弶港為中心的輻射沙脊群地區(qū)[17]，其中輻射沙脊群海域潮差最大，漲潮、落潮流之間存在明顯的不對稱性[18]。沿海有兩個大浪區(qū)，中心位置分別位于廢黃河口及呂四岸外[19]，外海波浪進(jìn)入中部沙脊群淺水區(qū)后，多次破碎，從而在輻射沙脊群中心區(qū)波高較小[18]。在大潮差弱波浪以及豐富的泥沙來源等多因子共同作用下，江蘇海岸形成了寬闊平坦的潮灘，但剖面形態(tài)差異明顯。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究資料

2007年7—8月，“江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價”專項在江蘇沿海共布設(shè)60條剖面進(jìn)行灘面高程測量[14]，測量范圍自岸線至理論低潮面附近。本文研究選取灌河口—連興港閘岸段共40個潮灘剖面為研究對象(圖1)。

江蘇沿海潮位測站較少，本次研究的潮位資料采用已建立的江蘇近海潮汐潮流數(shù)值模型，模擬得到40個潮灘剖面2007-07-01—2007-08-30每隔10min一次的模擬結(jié)果。該模型已經(jīng)采用江蘇沿岸6個潮位站的主要分潮調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了驗證，具體見文獻(xiàn)[20]。江蘇沿海波高資料基于FVCOM-SWAVE波流耦合模型，該模型模擬西北太平洋35a的波浪進(jìn)行平均得到40個潮灘剖面處的平均波高[21]。平均潮差和平均波高分布見圖2。

潮灘剖面形態(tài)可分為上凸形和下凹形兩種基本形態(tài)，上凸、下凹點位如圖3所示[2]。本文的潮灘剖面坡度比定義為平均高潮位和平均低潮位之間潮灘區(qū)域的高程變化量與相對應(yīng)潮灘寬度的比值。

圖2 江蘇海岸潮灘剖面坡度、平均潮差及平均波高示意Fig.2 Sketch of slope, mean tidal range and mean wave height of tidal flat profiles along Jiangsu Coast

圖3 潮灘剖面基本形態(tài)示意圖Fig.3 Sketch of basic morphologic characteristics of tidal flat profile

圖4 江蘇海岸淤積段潮灘剖面形態(tài)Fig.4 Tidal flat profiles in deposition sections along Jiangsu Coast

2.2 潮灘剖面形態(tài)與動力、泥沙供給的響應(yīng)

2.2.1 潮灘上凸形態(tài)與潮流動力、泥沙供給的關(guān)系

JD23～JD49潮灘剖面分布于扁擔(dān)港口—東灶港岸段，本岸段為淤積型潮灘[11]，控制潮灘向淤漲型發(fā)展的主導(dǎo)因素是潮流動力以及豐富的泥沙供給，懸浮泥沙在漲潮、落潮不對稱潮流作用下不斷在岸灘落淤。因此，以該岸段為例分析潮灘剖面形態(tài)與潮流動力及泥沙供應(yīng)量的響應(yīng)關(guān)系。

圖4繪制了各岸段代表剖面并標(biāo)注出了平均高、低潮位。由圖4(a)可見，扁擔(dān)港口—四卯酉河口岸段的JD23～JD31潮灘剖面整體呈典型的上凸形，凸點以上坡度平緩，凸點以下坡度逐漸變陡。由圖4(b)可見，四卯酉河口—梁垛河閘岸段的JD32～JD37潮灘剖面亦呈上凸形。小洋口—遙望港岸段的JD43～JD46潮灘剖面在距離海堤約6 km以內(nèi)為高平灘帶，呈斜坡形，在距離海堤約6 km以外呈上凸形，潮灘坡度變緩，9 km以外的剖面高程變化幅度較大。與其他斷面形態(tài)不同的是，JD40潮灘剖面為具有兩個凸點的雙凸形，且潮灘寬度遠(yuǎn)大于扁擔(dān)港口南側(cè)的JD23剖面。

圖5 江蘇海岸漲潮、落潮流速大小對比Fig.5 Comparison of rising current velocity and ebb current velocity along Jiangsu Coast

JD23～JD37位于扁擔(dān)港口—梁垛河閘岸段(圖1)，岸線平直，走向西北，潮差自北向南逐漸增大，在1.8～4.5 m之間，屬于潮流主導(dǎo)的中強(qiáng)潮開敞海岸。圖5給出了該岸段漲潮、落潮比較，由圖5可見，此岸段漲潮流速大于落潮流速，那么最大漲潮流到最大落潮流出現(xiàn)的時間間隔比從最大落潮流到下次最大漲潮流出現(xiàn)的時間間隔就要長些，使得細(xì)粒泥沙在高潮前后沉降的時間延長，最終在潮灘上部富集，形成具有坡度變化的潮灘剖面形態(tài)，沉積速率最高的地方就是潮灘凸點所在之處。

JD43～JD46位于小洋口—遙望港岸段(圖1)，本岸段以北坎尖為拐點，岸線近似直角轉(zhuǎn)彎[11]。此岸段不僅受南黃海旋轉(zhuǎn)潮波的影響，東海前進(jìn)潮波的作用也十分明顯，整體潮差在m左右。在平均高潮位至平均低潮位之間的潮灘呈斜坡形，而平均低潮位以外的3 km潮灘呈上凸形。9 km以外由于近岸潮汐水道的存在使得剖面呈現(xiàn)高程急劇變化的形態(tài)。

JD40位于梁垛河閘—小洋口岸段，此岸段另四個剖面JD38、JD39、JD41、JD42由于近岸圍墾等人類工程引起了較大的潮灘動力泥沙分布差異已不是原始的灘面形態(tài)。JD40位于江蘇岸外最大沙洲——條子泥沙洲南部岸灘與腰沙北部岸灘交匯處(圖1)，南黃海和東海兩大潮波系統(tǒng)在弶港岸段輻合，潮流作用極強(qiáng)[22]，潮差均在4 m以上，屬強(qiáng)潮半開敞海岸。根據(jù)楊耀中[18]模擬的含沙量場和Zhang等[23]模擬的懸沙通量結(jié)果(圖6)，JD40所在的弶港區(qū)域是平均含沙量峰值所在處，且懸浮泥沙在漲潮流的輻聚作用下各從西北、東北、東南方向向岸運(yùn)動，使得弶港岸段泥沙供給遠(yuǎn)大于沿海其他岸段，潮流的促淤作用使得平均高、低潮位附近各形成一個凸點，最終呈現(xiàn)雙凸形的潮灘剖面形態(tài)。

圖6 江蘇海岸夏季大潮全潮平均含沙量分布及單寬懸沙通量示意圖[23]Fig.6 Distribution of mean sediment concentration and unit width suspended sediment flux in summer spring along Jiangsu Coast

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在泥沙供應(yīng)充足的前提下，潮流動力主導(dǎo)的淤漲型潮灘剖面往往呈上凸形，隨著泥沙供應(yīng)量的增加，剖面將進(jìn)一步向斜坡形及上凸形組合或雙凸形發(fā)展。

2.2.2 潮灘坡度與潮差、泥沙供應(yīng)量的關(guān)系

江蘇海岸潮灘剖面JD16～JD55潮灘坡度、潮差及各斷面的坡度與平均潮差見圖2，對潮流主導(dǎo)的淤積岸段JD23～JD49進(jìn)行分析。由于岸段潮灘剖面坡度相近，因此將JD23～JD44按平均潮差與坡度的差異分為3個岸段進(jìn)行對比分析。對比Ⅱ岸段與Ⅳ岸段可以發(fā)現(xiàn)，Ⅳ岸段潮差更大，潮灘剖面坡度也更陡。Ⅲ岸段處于南黃海輻射沙脊群中心處，泥沙來源豐富，雖然潮差大于Ⅱ岸段，但灘面坡度卻更平緩。

Ⅲ岸段與Ⅳ岸段位于江蘇中部，皆處在岸外存在輻射沙脊群的岸段，泥沙供應(yīng)充足。受兩個潮波系統(tǒng)輻合的影響，Ⅳ岸段是江蘇沿海潮流作用最強(qiáng)的岸段，特大潮差使細(xì)顆粒泥沙在大潮漲潮高潮位時向岸方向運(yùn)移很長距離，又在憩流時刻落淤，致使潮灘上部淤高。同時，強(qiáng)潮流作用侵蝕潮間下帶，最終潮灘上部淤高下部侵蝕必然使得潮灘剖面坡度變陡。位于廢黃河口南側(cè)的Ⅱ岸段，主要受南黃海旋轉(zhuǎn)潮波影響，潮流作用較弱，潮差較小。自1855年黃河入海口北歸以后，原本的黃河口三角洲失去了泥沙來源，沿岸海洋動力對岸灘物質(zhì)沖刷作用增強(qiáng)造成潮灘侵蝕，沖刷下來的物質(zhì)在沿岸流的作用下大量南移，為此岸段提供了泥沙來源[19]，但懸沙通量除部分向南輸送外，大量泥沙在射陽河口外向海輸運(yùn)。由圖6可見，Ⅲ岸段泥沙供給充足，全潮平均含沙量遠(yuǎn)大于Ⅱ岸段，且懸沙皆向岸段內(nèi)部運(yùn)移并停留在此岸段，因此，Ⅲ岸段在泥沙供應(yīng)量充足條件下，雖然潮差更大，但坡度卻更平緩，灘面也更寬闊。Ⅳ岸段的JD45與JD46位于岸線的拐角處北坎尖段，迎著東北向強(qiáng)風(fēng)，風(fēng)浪作用較強(qiáng)，雖然潮差小于Ⅳ岸段的JD40～JD44，但坡度較之略陡。Ⅴ岸段的JD47南連腰沙，泥沙供應(yīng)充足，坡度相對較緩。Ⅴ岸段的JD48與JD49處于堆積岸段與侵蝕岸段的過渡位置，潮差小于Ⅳ岸段，相應(yīng)坡度也比Ⅳ岸段平緩。

因此，在有穩(wěn)定泥沙供給時，潮流起主導(dǎo)作用的淤泥質(zhì)潮灘，潮差越大，灘面坡度越陡；而泥沙供應(yīng)量的增大會致使潮灘更平緩、寬闊。

2.2.3 潮灘剖面形態(tài)與波浪動力的關(guān)系

位于江蘇北部廢黃河口的Ⅰ岸段及南部呂四的Ⅵ岸段，屬于侵蝕型潮灘[11]，波浪動力是侵蝕型潮灘的主導(dǎo)動力，高頻的波浪運(yùn)動通過掀沙作用造成岸灘長期侵蝕。因此，以Ⅰ岸段、Ⅵ岸段為研究對象，考慮波浪對潮灘剖面的塑造作用，探究潮灘剖面形態(tài)與波浪動力的響應(yīng)關(guān)系。圖7繪制了兩處岸段的代表剖面并標(biāo)注出了平均高、低潮位。位于廢黃河口岸段的JD16～JD19呈略下凹的斜坡形，JD21～JD22呈下凹形，凹點以上較窄較陡，凹點以下灘坡較緩較寬；JD20潮灘剖面呈坡度較陡的斜坡形。位于呂四岸段的JD50～JD52平均波高為0.2～0.3 m，2 km以外的潮灘剖面受工程影響較大，因此以2 km以內(nèi)作為研究對象，潮灘剖面呈斜坡形；JD53～JD55波浪作用略強(qiáng)于前者，為0.3～0.4 m，潮灘剖面呈下凹形。

圖7 江蘇海岸侵蝕段潮灘剖面形態(tài)Fig.7 Tidal flat profiles in erosion sections along Jiangsu Coast

Ⅰ岸段海岸線向海突出呈弓形，掩護(hù)條件較差，波浪作用強(qiáng)，是波浪主導(dǎo)的侵蝕型海岸。自黃河改道后缺少泥沙供給，持續(xù)的波浪沖刷使此岸段潮灘上部不斷變窄變陡，水下岸坡不斷變緩，最終潮灘剖面呈典型的下凹型。JD20剖面位于向海凸出的弓形頂點處，受E、S、N 3個方向風(fēng)浪作用，處于波浪能量輻聚中心，輻聚區(qū)內(nèi)波浪增大，波能流引起泥沙劇烈運(yùn)動，對海岸的侵蝕強(qiáng)度極大，最終形成坡度陡、寬度窄的斜坡形剖面。Ⅵ岸段海域較開敞，總體掩蔽條件不佳，是江蘇沿岸的大浪區(qū)之一[24]。長江口南移使得呂四海岸失去了大量的泥沙來源[19]，而且該岸段呈現(xiàn)出落潮流占優(yōu)的流態(tài)(圖5)，致使該岸段灘面沖刷蝕低，加上波浪作用，進(jìn)一步加劇了灘腳侵蝕，使得灘腳后退、潮灘變窄，灘面呈現(xiàn)典型的下凹形。近年來，沿岸工程建設(shè)和圍墾工程的影響使得JD50～JD52出現(xiàn)局部淤高的現(xiàn)象，波浪作用相對較弱。JD53～JD55潮間下帶及潮下帶受波浪侵蝕嚴(yán)重，呈下凹狀態(tài)，由于長江口尚有少量的泥沙在一定條件下向該區(qū)運(yùn)移，且潮灘下部被波浪侵蝕下來的泥沙在漲潮流時也向上搬運(yùn)，使得該段潮灘潮上帶和潮間上帶略有淤高?？梢?，在缺少泥沙供給的條件下，波浪主導(dǎo)的侵蝕型岸段通過高頻的波浪運(yùn)動掀動促使潮灘向凹形侵蝕剖面發(fā)展演變。

圖2同時給出了兩處岸段各斷面的坡度與平均波高，由圖2可見，無論是廢黃河口岸段還是呂四岸段，潮灘坡度與平均波高兩者的變化趨勢是一致的，即平均波高越大，灘面坡度越陡。廢黃河口海岸潮流作用較弱，對灘地沉積物的沖蝕作用甚微，侵蝕的主要動力是近岸破碎波浪。被沖刷的泥沙以懸移的方式隨沿岸潮流運(yùn)移擴(kuò)散輸出此岸段，范圍甚廣，很少原地沉降。在波浪持續(xù)的沖刷下，潮灘寬度變窄，坡度變陡。波高越大，波浪作用越強(qiáng)，對底床的侵蝕強(qiáng)度越大，灘面越陡。而呂四岸段岸灘沖刷主要是在長江口南移后缺乏泥沙來源的情況下，淺灘在波浪作用下掀起的泥沙被較強(qiáng)的落潮流帶向外海，整個岸段總體依舊是波高越大坡度越陡的剖面形態(tài)。JD52剖面的發(fā)育可能與其西北側(cè)沿岸工程有關(guān)。總的來說，江蘇海岸波浪主導(dǎo)的侵蝕型淤泥質(zhì)潮灘，波高越大，波能流對潮灘潮間下帶及潮下帶的侵蝕越劇烈，潮灘剖面坡度越陡。

3 結(jié) 語

潮流和波浪作為江蘇沿海主要的水動力，其與泥沙輸運(yùn)共同塑造了特有的潮灘地貌特征，江蘇海岸潮灘剖面形態(tài)與動力及泥沙的響應(yīng)關(guān)系如下。

潮流主導(dǎo)的岸段：扁擔(dān)港口—梁垛河閘岸段潮灘在潮流主導(dǎo)下剖面形態(tài)呈現(xiàn)上凸形，小洋口—遙望港岸段及弶港南側(cè)的新洋港由于泥沙供應(yīng)量充足，潮灘剖面形態(tài)向斜坡與上凸形組合、雙凸形發(fā)展；對比四卯酉港口—方塘河閘岸段與方塘河閘—洋口港岸段發(fā)現(xiàn)，在有穩(wěn)定泥沙供給時，潮差越大，剖面坡度越陡；對比四卯酉港口—方塘河閘岸段與扁擔(dān)港口—四卯酉港口岸段可得到，泥沙供應(yīng)量越大，潮灘越平緩。波浪主導(dǎo)的岸段：缺乏泥沙供給的廢黃河口岸段與呂四岸段在波浪主導(dǎo)下呈下凹形或斜坡形；不論是廢黃河口岸段還是呂四岸段，灘面坡度都隨波高的增大而增大。

當(dāng)然，岸灘形態(tài)不僅與潮流動力、波浪動力及泥沙供應(yīng)有關(guān)，還與季風(fēng)、臺風(fēng)、海平面上升、河道遷移、潮灘匡圍、河流三角洲開發(fā)工程等有關(guān)，因此對于江蘇海岸潮灘剖面形態(tài)與其影響因素的響應(yīng)分析還有待更深入研究。