廣西北海銀灘侵蝕動力研究

劉濤，王增軍，張建兵

( 1. 廣西大學(xué) 海洋學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西 南寧 530001；3. 國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536000)

1 引言

由于全球變暖引發(fā)的氣候變化、海平面上升以及人類活動的影響，海岸侵蝕在全球范圍內(nèi)已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象[1-3]，位于砂質(zhì)海岸的海灘具有重要的經(jīng)濟價值，海灘侵蝕的動力機制和防治措施一直是海岸帶研究的熱點問題之一。銀灘是位于廣西北海市南部海岸的一處著名旅游海灘，系全新世海侵以來沉積的沙壩型海灘[4]，以砂質(zhì)純白、灘面寬闊而聞名，屬于典型的耗散型海灘[5]，近年來。銀灘也出現(xiàn)了諸如岸線后退、寬度變窄、灘面沉積物粗化等侵蝕跡象[6-7]，許多學(xué)者關(guān)于銀灘的波浪特征[8]、海灘動力環(huán)境[9]，以及臺風(fēng)造成的灘面侵蝕特征[10]進行了研究，為我們理解銀灘的地貌及動力特征打下了基礎(chǔ)，但是現(xiàn)在仍然缺乏關(guān)于銀灘的區(qū)域地形地貌、灘面高程長期動態(tài)變化以及水文過程的研究，這就限制了我們深入研究銀灘的地貌動力和侵蝕機制。有鑒于此，本文研究針對銀灘海水浴場，調(diào)查和分析了灘面高程、坡度和剖面形態(tài)的區(qū)域變化特征，基于歷史數(shù)據(jù)計算了1985年以來平均海平面位置線的后退距離，并結(jié)合當?shù)睾Ｆ矫嫔仙?、氣候變化和人類活動特征分析了造成銀灘侵蝕的主要原因。此外，通過調(diào)查2016-2018年間灘面高程動態(tài)變化，以及兩次臺風(fēng)期間的水位過程和波浪特征，分析了臺風(fēng)期間水文特征與海灘侵蝕的關(guān)系，進而探討了最有可能造成銀灘侵蝕的臺風(fēng)路徑。

2 研究區(qū)與方法

銀灘位于廣西北海市南部海岸，西北偏西走向，岸線總長度約5 km，沉積物以細沙為主。本文研究所涉及的區(qū)域為銀灘海水浴場岸段，西邊界為電建村漁港突堤，東邊界為咸田漁港碼頭，岸線總長度約2.5 km（圖1）。該區(qū)域潮汐以全日潮為主，平均潮差為2.5 m，最大潮差為5.3 m，屬于強潮海岸。夏季盛行偏南向混合浪，平均波高為0.9 m，其中涌浪頻率約為30%，冬季盛行東北向風(fēng)浪，平均波高為0.8 m，臺風(fēng)期間記錄的最大波高為4.8 m[11-12]。

2016年8月至2018年10月，使用GPS-RTK設(shè)備，對于研究區(qū)內(nèi)的3個固定海灘斷面進行了重復(fù)觀測，觀測的平面誤差小于0.05 m，高程誤差小于0.03 m。于2018年12月12日對銀灘海水浴場進行了1∶1 000的地形測量，并繪制灘面等高線圖。為了分析近年來的灘面侵蝕后退距離，利用該區(qū)域1985年的歷史地形圖，利用控制點進行了矢量化后的坐標轉(zhuǎn)換，將其坐標系轉(zhuǎn)化為CGCS2000坐標系，以便與當前測量結(jié)果進行對比。

本文研究所涉及的臺風(fēng)期間銀灘岸外水位和波浪特征的數(shù)據(jù)來源于國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，潮位數(shù)據(jù)觀測使用的是自動記錄儀，潮位數(shù)據(jù)在本文中被轉(zhuǎn)化為國家1985高程數(shù)據(jù)，增水數(shù)據(jù)由實測數(shù)據(jù)減去預(yù)報數(shù)據(jù)得到。波高、波向數(shù)據(jù)則由銀灘觀察哨利用多功能望眼鏡，分別在每日8:00、11:00、14:00、17:00進行觀測得到。

圖 1 銀灘的地理位置及研究區(qū)域Fig. 1 Location of the Yintan Beach and study area

圖 2 灘面高程等值線（a）及不同時期的平均海平面位置線（b）Fig. 2 The contour of beach surface elevation (a), and the distance of mean sea level position withdrawing (b)

3 結(jié)果

3.1 灘面高程、坡度及侵蝕后退距離特征

對銀灘海水浴場的灘面高程測量表明，海灘后緣高程一般超過4 m，略高于當?shù)刈畲蟾叱蔽唬▓D2a）。除位于中部的少數(shù)海灘斷面（c1-c2）之外，大部分區(qū)域已經(jīng)不存在灘肩地貌（圖3）。在3 m高程以下，海灘高程斷面的形態(tài)大致呈上凸狀，即高程愈大坡度越小。將當前的高程測量結(jié)果與1985年的歷史數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明自1985年以來，研究區(qū)內(nèi)的平均海平面位置后退了0～80 m（圖2b）。與1985年相比，當前的平均海平面位置線更加平直，表明1985年以來的海灘侵蝕優(yōu)先發(fā)生在等高線向海突出的岸段，海灘侵蝕導(dǎo)致海灘各處的地形有均一化趨勢。除去海灘兩側(cè)靠近突堤的區(qū)域，平均海平面附近（高程0～1 m）的灘面坡度在0.02～0.025之間，在空間上變化不大；在平均高潮線附近（高程1～2 m），灘面坡度則變化較大，為0.008～0.023（圖4）。值得注意的是：在平均高潮線附近，各處灘面坡度與灘面后退距離有明顯的負相關(guān)關(guān)系（R2=0.71），即后退距離越大，則灘面坡度越小。這表明在海灘上部，灘面下蝕深度有隨著高程增大而增加的趨勢。

圖 3 銀灘典型海灘剖面形態(tài)Fig. 3 The elevation of typical transects in the Yintan Beach

圖 4 灘面坡度空間變化（a）及海灘上部（高程1～2 m）灘面坡度與侵蝕后退距離的關(guān)系（b）Fig. 4 The spatial change of beach surface slope (a), and the relation between beach slope and withdrawing distance of mean sea level position (b)

3.2 灘面高程動態(tài)變化

2016年8-12月，3個固定觀測斷面YT1、YT2和YT3的灘面高程的變化很小，最大不超過10 cm（圖5），期間有一次臺風(fēng)影響廣西沿岸，即1621號臺風(fēng)“莎莉嘉”，該臺風(fēng)在菲律賓以東洋面上生成，橫穿海南島，進入北部灣后中心風(fēng)速為30 m/s，10月19日14時在廣西東興登陸后風(fēng)速迅速衰減，在中越邊境地區(qū)消失。臺風(fēng)期間銀灘最高水位為2.3 m，最大增水值60 cm，岸外有效波高為1.2～1.3 m（圖6）。考慮到登陸時間為10月份，此時夏季風(fēng)已經(jīng)衰弱，而冬季風(fēng)還沒有爆發(fā)，廣西沿岸的波浪能量較為微弱，應(yīng)該不存在侵蝕灘面快速回淤的可能，12月的海灘灘面高程與8月相比變化很小，表明1 621號臺風(fēng)沒有對銀灘造成顯著侵蝕。

2017年影響廣西沿岸的臺風(fēng)有1次，即1713號臺風(fēng)“天鴿”，該臺風(fēng)在西北太平洋生成，于2017年8月23日12時在廣東珠海市登陸，然后西偏北方向而行，橫穿廣西南部，期間臺風(fēng)中心風(fēng)速約20 m/s。當臺風(fēng)中心在銀灘東北向時，當?shù)仫L(fēng)向為北偏西，引起海岸減水，最大可達100 cm，隨著臺風(fēng)中心西移，當?shù)仫L(fēng)向轉(zhuǎn)為西偏南，開始引起海岸增水，最大值約為40 cm。此次臺風(fēng)期間銀灘最高水位為2.4 m，最高水位前后岸外有效波高為0.7 m。雖然缺乏2017年的灘面高程數(shù)據(jù)，但是考慮到1713號臺風(fēng)期間的最高水位與1621號臺風(fēng)期間相當，而有效波高低于1621號臺風(fēng)，可以判定1713號臺風(fēng)也不會造成銀灘侵蝕。

2018年4月，銀灘灘面較2016年12月有明顯侵蝕，在平均高潮線以上灘面侵蝕深度為20～30 cm，在平均高潮線以下則出現(xiàn)灘脊與灘槽地貌，下蝕深度最大可達60 cm。2017年11月初的衛(wèi)星圖像表明當時灘面尚未出現(xiàn)灘脊地貌（圖7），2018年4月的灘面侵蝕應(yīng)為春季東南向風(fēng)浪或冬季的東北向風(fēng)浪所致，此類風(fēng)浪周期較短，如果疊加天文大潮，則可能入射海灘上部造成灘面侵蝕。實際上，由于冬、春季節(jié)風(fēng)浪的侵蝕作用，春季銀灘灘面經(jīng)常出現(xiàn)這種脊槽相間的地貌（圖7），在2018年10月，灘面脊槽地貌已經(jīng)完全消失，灘面高程也恢復(fù)到了2016年時的水平，表明夏季西南涌浪導(dǎo)致的灘面回淤可以恢復(fù)冬、春季節(jié)的灘面侵蝕。

圖 5 2016-2018年銀灘典型灘面高程變化Fig. 5 The variation of typical beach surface elevation in the Yintan Beach from 2016 to 2018

圖 6 臺風(fēng)“莎莉嘉”期間銀灘岸外水位過程及波浪特征Fig. 6 The variation of offshore water depth and wave height during Typhoon Sarika in the Yintan Beach

圖 7 衛(wèi)星圖像（來源于Google Earth）反映的銀灘海水浴場灘面地貌特征Fig. 7 The morphology of the Yintan Beach surface in satellite images (from Google Earth)

4 討論

4.1 銀灘侵蝕動力分析

1985年以來，銀灘海水浴場區(qū)域平均海平面位置線的最大后退距離可達80 m，同時期當?shù)睾Ｆ矫嫔仙骄俾始s為2 mm/a[13]，考慮當前平均海平面附近的灘面坡度為0.02～0.024，可估算海平面上升導(dǎo)致的灘面后退距離不超過3 m，可見海平面上升因素對于當前的銀灘侵蝕貢獻很小。此外，由于銀灘為當?shù)刂穆糜尉包c，當?shù)剌^為注重保護，也不存在大規(guī)模挖沙導(dǎo)致海灘侵蝕的可能性。

近年來銀灘等高線有更加平直的趨勢，且當前海灘剖面中普遍缺失灘肩地貌，這是強浪侵蝕海灘的典型特征，因為波浪折射效應(yīng)會導(dǎo)致向海突出地形首先被侵蝕，并可在高水位時侵蝕灘肩。本文研究證實，雖然冬、春季節(jié)的東北向或東南向風(fēng)浪可能會造成灘面侵蝕，但是此類侵蝕的程度較弱，隨后的夏季西南向涌浪即可使得灘面高程完全恢復(fù)。2003年以來廣西沿岸的風(fēng)暴潮出現(xiàn)頻率較以往增加應(yīng)該是銀灘侵蝕的直接原因[14]，風(fēng)暴潮期間海灘水位很高，強浪可以入射海灘上部，從而造成強烈侵蝕，由于風(fēng)暴潮頻率高，風(fēng)暴潮造成的灘面侵蝕量超過夏季回淤量，導(dǎo)致銀灘開始進入侵蝕狀態(tài)。

海岸建筑可能會阻斷海岸泥沙的沿岸輸運，從而導(dǎo)致下游海灘侵蝕。銀灘海水浴場兩側(cè)都存在向海突出的堤壩或碼頭，內(nèi)部也有一個侵入海灘的觀景平臺，觀察其灘面高程特征，可發(fā)現(xiàn)銀灘海水浴場西側(cè)等高線整體上較東側(cè)更為向海突出（圖2a）；觀景平臺西側(cè)灘面侵蝕較東側(cè)顯然更為嚴重（圖2b）。這表明該區(qū)域存在自西向東的沿岸凈輸沙，銀灘海水浴場東側(cè)的漁港碼頭顯然會阻斷銀灘海浴場以東的沿岸來沙，從而加劇了銀灘海水浴場侵蝕。

4.2 侵蝕導(dǎo)致的海灘剖面演化趨勢

如前所述，在平均海平面附近，灘面坡度在空間上變化不大，在平均高潮線附近，灘面坡度則與灘面侵蝕后退距離呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，這意味著海灘上部侵蝕程度越強則灘面坡度越小，灘面回淤量隨著高程增加而減少可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。在強潮海灘，海灘的上部和下部的淹沒頻率相差很大，海灘下部由于淹沒頻率高，灘面回淤量較大，且灘面坡度主要取決于盛行波浪特征和沉積物粒徑，故而侵蝕前后的灘面坡度變化不大。在海灘上部，由于灘面淹沒頻率隨高程增加而減小，灘面回淤量也逐漸減小，隨著海灘侵蝕加劇，海灘下部坡度變化不大，而海灘上部坡度則逐漸變小，從而導(dǎo)致海灘剖面形態(tài)由直線狀逐漸向上凸狀轉(zhuǎn)化（圖8）。

4.3 可能造成銀灘侵蝕的臺風(fēng)路徑

全球范圍內(nèi)的大量研究表明，高水位是風(fēng)暴事件造成強烈海岸侵蝕的最重要條件[15-20]。如1621號臺風(fēng)和1713號臺風(fēng)期間，銀灘最高水位僅為2.3 m，略高于當?shù)仄骄叱蔽?，岸外平均波高?.3 m和0.7 m，波浪在傳入海灘中上部之前即已破碎，難以造成海灘上部的灘面侵蝕。2014年登陸廣西沿岸的1409號超強臺風(fēng)“威馬遜”，由于適逢小潮，臺風(fēng)期間水位較低，也沒有導(dǎo)致銀灘灘面的顯著侵蝕[10]。對于一些海岸，臺風(fēng)路徑對于海岸增水和波浪強度有很大影響[21-22]。影響廣西沿岸的臺風(fēng)一般發(fā)源于西太平洋[23]，臺風(fēng)中心靠近研究區(qū)的路徑可以分為3類（圖9）：第一類臺風(fēng)自廣東登陸后西行，臺風(fēng)中心橫掃廣西南部陸地區(qū)域，1713號臺風(fēng)屬于此類；第二類自海南北部或雷州半島登陸后，臺風(fēng)中心進入廣西沿岸海域，在廣西沿岸或中越邊境登陸；第三類臺風(fēng)在進入北部灣后北行，在廣西沿岸登陸。第一類臺風(fēng)登陸后因能量衰減導(dǎo)致風(fēng)速迅速降低，難以在廣西沿岸引起強烈的增水和波浪，不可能造成強烈的海灘侵蝕。而第二類臺風(fēng)，由于臺風(fēng)中心進入北部灣之后能量耗散很小，臺風(fēng)中心又接近廣西沿岸，向岸風(fēng)可以導(dǎo)致顯著的海岸增水和強浪[24]，如果遇到天文大潮，則容易引發(fā)風(fēng)暴潮，并造成強烈海灘侵蝕。第三類臺風(fēng)和第二類臺風(fēng)類似，也有可能造成強烈的海灘侵蝕，但是此類臺風(fēng)出現(xiàn)的幾率較低?？偠灾?，第二類路徑臺風(fēng)最有可能造成銀灘侵蝕，為了預(yù)測銀灘今后的侵蝕趨勢，今后需加強此類臺風(fēng)期間銀灘水文特征和灘面侵蝕特征的研究。

圖 8 侵蝕導(dǎo)致的銀灘海灘剖面形態(tài)演化示意圖Fig. 8 The evolution of the Yintan Beach transect shape caused by erosion

圖 9 中心靠近廣西沿岸的主要臺風(fēng)路徑類型示意圖Fig. 9 Three types of typhoon center tracks passed by Guangxi coast

5 結(jié)論

（1）1985年以來，海灘侵蝕導(dǎo)致銀灘灘面后退了約80 m，當前的海灘剖面中普遍缺失灘肩地貌，在海灘上部，海灘剖面形態(tài)呈上凸狀，且灘面坡度與灘面后退距離之間呈負相關(guān)關(guān)系，這是由于在侵蝕過程中，強潮海灘上部的回淤量遠低于海灘下部所導(dǎo)致的。

（2）冬、春季的風(fēng)浪疊加高水位可以造成一定程度的灘面侵蝕，但是這種侵蝕可以被夏季西南向涌浪所導(dǎo)致的回淤所恢復(fù)。大風(fēng)暴潮期間的強浪入射海灘上部可以造成難以恢復(fù)的灘面下蝕，發(fā)源于西太平洋，經(jīng)海南島北部或雷州半島進入北部灣的臺風(fēng)最有可能引發(fā)大風(fēng)暴潮，從而造成強烈的海灘侵蝕事件。2003年以來此類臺風(fēng)重現(xiàn)頻率增加可能是導(dǎo)致銀灘進入侵蝕狀態(tài)的主要原因。銀灘東側(cè)的漁港碼頭阻斷了自東向西的沿岸泥沙輸運路徑，也是加劇銀灘侵蝕的原因之一。