威海國(guó)際海水浴場(chǎng)裂流調(diào)查與區(qū)劃研究*

于華明， 張?chǎng)H鵬， 李松霖， 褚芹芹

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)三亞海洋研究院， 海南 三亞 572024；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237； 4.國(guó)家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北 秦皇島 066002)

裂流(Rip current)，又稱離岸流，是在海浪和淺灘地形共同作用下形成輻射應(yīng)力和壓力差，海浪破碎后堆積至岸邊的壅高水體穿過(guò)碎浪帶，在岸邊形成的一股射束式強(qiáng)勁水流，多以垂直或接近垂直于岸線的方向集中回流入海。裂流發(fā)生位置及特征往往因海浪、地形和岸線形狀等因素變化而變化，通常出現(xiàn)在不平整淺灘沙槽上方水體，或向海突出的結(jié)構(gòu)物、礁石兩側(cè)，實(shí)際的裂流發(fā)生常常伴隨著順時(shí)針和逆時(shí)針的環(huán)流系統(tǒng)，裂流示意圖見(jiàn)圖1[1]。裂流流速通常在0.3～0.5 m/s，極端情況瞬時(shí)流速超過(guò)2.0 m/s，長(zhǎng)度在幾十米至上百米之間。裂流區(qū)別于裂潮(Rip tide)和回頭浪(Undertow)，裂流并不是漲急落急的急潮流，也不是在順岸地形均勻平坦時(shí)海岸波浪反射造成的回頭浪，回頭浪順岸更為均勻，造成的流速相對(duì)較小。

裂流可將游泳者迅速拖拽至深水，造成游泳者的恐慌而溺水，而其表面平靜，具有迷惑性，是濱海游客潛在的危險(xiǎn)“殺手”。據(jù)美國(guó)海洋與大氣局統(tǒng)計(jì)，60%～87%的海灘溺亡事故與裂流有關(guān)。美國(guó)救生聯(lián)盟估計(jì)80%的破波帶救援與裂流有關(guān)，大約每年發(fā)生100起裂流溺亡事件[2]。在澳大利亞每時(shí)每刻有超過(guò)17 000個(gè)裂流發(fā)生[3]，89%的破波帶海岸救援與裂流有關(guān)[4]，平均每年有21起裂流溺亡事件發(fā)生[5]，這超過(guò)了由于森林火災(zāi)、洪水、颶風(fēng)和鯊魚造成的死亡總和。雖然海洋學(xué)家和海灘安全管理者非常清楚裂流對(duì)游客的危害，但是海灘游客對(duì)裂流的認(rèn)識(shí)和了解卻非常有限，科學(xué)家、海灘管理者和游客之間的信息溝通不暢是造成裂流溺亡事件頻發(fā)的重要原因(見(jiàn)圖2)。美國(guó)針對(duì)重點(diǎn)沿海、沿湖海灘開(kāi)展了裂流風(fēng)險(xiǎn)排查，并樹(shù)立裂流警示牌工作，每日發(fā)布裂流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警報(bào)服務(wù)，通過(guò)網(wǎng)站、問(wèn)卷調(diào)查和拍攝科普視頻等方式向公眾宣傳推廣裂流避險(xiǎn)知識(shí)。英國(guó)、澳大利亞、新西蘭、日本、韓國(guó)、西班牙、丹麥等國(guó)家也在裂流的監(jiān)測(cè)、預(yù)警和科普方面做了大量工作。

Shepard等[6]定性描述了裂流特征，發(fā)現(xiàn)裂流強(qiáng)度和延伸距離與入射波波高有關(guān)，指出裂流是近岸環(huán)流系統(tǒng)的一部分。Longuet-Higgins等[7]引入輻射應(yīng)力為數(shù)值模擬裂流打下基礎(chǔ)。Bowen等[8-9]發(fā)現(xiàn)沿岸方向的壓力梯度支流會(huì)從波高較大的地方流向波高較小的地方，在波高較小處匯聚形成向海方向的裂流，解釋了碼頭、支柱、防波堤等處經(jīng)常出現(xiàn)裂流的原因。Aagaard等[10]發(fā)現(xiàn)裂流最大速度出現(xiàn)在低潮，因?yàn)楦叱睍r(shí)波浪傳播通過(guò)沙壩時(shí)破碎較少，導(dǎo)致裂流較弱。

圖1 裂流示意圖Fig.1 Schematic diagram of rip current

圖2 信息溝通不暢裂流造成溺亡示意圖Fig.2 Schematic diagram of drowning caused by poor information communication about rip current

中國(guó)對(duì)于裂流研究起步較晚，最早的研究者是黃冠鑫[11]，1978年他基于理論分析破波帶和輻射應(yīng)力討論裂流產(chǎn)生的原因，認(rèn)為裂流發(fā)生的位置與破波帶的寬度及垂直岸線方向的水深變化有關(guān)。此后20余年，國(guó)內(nèi)有關(guān)裂流的研究幾乎中斷。王彥等[12]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外裂流研究進(jìn)展，包括觀測(cè)技術(shù)、理論機(jī)理、數(shù)值模擬等。李志強(qiáng)等[13]對(duì)三亞大東海裂流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為該區(qū)域以沙壩型海灘為主，屬高風(fēng)險(xiǎn)海灘，裂流是溺水事件最主要原因。孟凡昌等[14]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外裂流的研究成果，介紹了幾個(gè)典型的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法。張堯、劉旭楠等[15]歸納了遙感影像分析、現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、地形動(dòng)力學(xué)概念化分析等裂流評(píng)價(jià)方法，總結(jié)了典型海灘裂流風(fēng)險(xiǎn)及安全警示現(xiàn)狀，提出了裂流防范的發(fā)展方向?？傮w而言，目前我國(guó)海灘管理與裂流研究工作分離存在安全隱患，亟待進(jìn)行裂流調(diào)查工作，提高人們海灘活動(dòng)的安全性。

本文以威海國(guó)際海水浴場(chǎng)裂流分布為主要研究對(duì)象，通過(guò)水深地形測(cè)量、海浪海流觀測(cè)、高空攝影等調(diào)查方式，分析裂流可能發(fā)生的危險(xiǎn)區(qū)域，并進(jìn)行空間區(qū)劃，希望尋找一套簡(jiǎn)易有效的針對(duì)海水浴場(chǎng)的裂流調(diào)查方案。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 水深地形數(shù)據(jù)

威海國(guó)際海水浴場(chǎng)及附近海域的水深在40 m以內(nèi)，水深測(cè)量范圍為大潮高潮線至0 m等深線向海側(cè)500 m，順岸方向約2 000 m，潮間帶采用三維激光掃描方式獲取地形高程數(shù)據(jù)，潮下帶采用單波束測(cè)量水深，水深測(cè)量分布均勻，獲得1∶1 000水深地形資料，平面測(cè)量分辨率約為3 m，統(tǒng)一到國(guó)家85高程基準(zhǔn)。

1.2 海浪與海流觀測(cè)

裂流的發(fā)生與海浪密切相關(guān)，裂流觀測(cè)的同時(shí)需要進(jìn)行海浪同步觀測(cè)。由于裂流發(fā)生具有瞬時(shí)性、不確定性和快速性，本研究嘗試進(jìn)行大量GPS漂流浮標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)。在開(kāi)闊海域設(shè)置波浪海流連續(xù)觀測(cè)站1個(gè)，站位坐標(biāo)為122°2′E，37°32′N，如圖3紅點(diǎn)所示，采用浪龍AWAC ADCP實(shí)現(xiàn)海流和海浪的同步觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2019-04-12～05-08。通過(guò)海浪觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，可了解裂流的發(fā)生與局域海浪變化的關(guān)系，為掌握裂流發(fā)生規(guī)律提供依據(jù)。

為獲取裂流信息，本文投放了30個(gè)微型GPS漂流浮標(biāo)，在裂流區(qū)塊布置GPS漂流浮標(biāo)陣列，記錄微型GPS漂流浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而進(jìn)行海流的精細(xì)化定量計(jì)算，其數(shù)據(jù)不僅可以對(duì)潮流進(jìn)行分析，也可以隨機(jī)搜索裂流，發(fā)現(xiàn)記錄裂流位置。但是裂流發(fā)生時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，尤其是在海浪較大的時(shí)候，所以布放微型GPS漂流浮標(biāo)的時(shí)機(jī)和方法需要詳細(xì)的計(jì)劃。

1.3 分析評(píng)估方法

由于裂流發(fā)生及消失非常迅速，裂流的定量分析和評(píng)估存在一定困難，現(xiàn)階段主要有：(1)通過(guò)水深地形分析劃分出危險(xiǎn)區(qū)域，裂流大都發(fā)生在溝槽或突出構(gòu)筑物等地形不均勻區(qū)域，所以對(duì)精細(xì)化測(cè)量的地形進(jìn)行分析是非常重要的。(2)采用高空攝影結(jié)合潮汐潮流和海浪連續(xù)觀測(cè)，是分析識(shí)別裂流的有效方式。

現(xiàn)有的裂流研究表明：除礁石及建筑物引起的裂流外，裂流與海灘地形動(dòng)力狀態(tài)有密切的關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)沙灘沙粒直徑、潮差、有效波高、平均周期等指標(biāo)參數(shù)的概念化計(jì)算，可對(duì)海灘附近水動(dòng)力作用下的地形動(dòng)力特性進(jìn)行分析。潮浪參數(shù)及回落參數(shù)計(jì)算方式如下[11]：

(1)

(2)

(3)

W=(RgD2)/[C1v+(0.75C2RgD3)0.5]。

(4)

式中：D為沙粒直徑；H為平均有效波高；T為周期；g為重力加速度，取9.81 m/s2；Hb為破碎波高；W為泥沙沉降速率；R為沉積物水下比重，按石英取為1.65；C1、C2為常數(shù)，C1=18、C2=1；v為運(yùn)動(dòng)粘滯，v=1.0×10-6kg·m-1·s-1。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，沙粒直徑D取為0.3 mm。

當(dāng)Ω<2，RTR<3時(shí)，為完全反射型海灘類，3≤RTR≤7時(shí)，為有裂流的低潮臺(tái)海灘類，裂流風(fēng)險(xiǎn)為中等，RTR>7時(shí)，為沒(méi)有裂流的低潮臺(tái)地海灘；當(dāng)2≤Ω≤5，RTR<3時(shí)，為沙壩海灘類，3≤RTR≤7時(shí)，為低潮沙壩/裂流海灘類； 當(dāng)5<Ω，RTR<3時(shí)，為沙壩消散型海灘類，3≤RTR時(shí)，為沒(méi)有沙壩的消散海灘類。據(jù)研究表明，低潮沙壩/裂流海灘類與沙壩海灘類對(duì)海灘活動(dòng)者的潛在威脅最大，是裂流風(fēng)險(xiǎn)最大的類型；沙壩消散型海灘類與有裂流的低潮臺(tái)海灘類有可能出現(xiàn)裂流，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等；其他類型極少出現(xiàn)裂流。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 水深地形數(shù)據(jù)分析

將水深等值線與衛(wèi)星遙感影像疊加得到圖3，可以看出威海國(guó)際海水浴場(chǎng)海灘較為狹長(zhǎng)，理論低潮線距離85高程3 m標(biāo)高的距離約為50 m，海灘坡度約為0.03，海灘整體來(lái)說(shuō)較為平緩。-6 m以深水下地形變陡，-6 m水深以淺水下地形地貌復(fù)雜，水深分布不均勻，尤其是-5～-1 m之間，水深迅速變緩，該區(qū)域?yàn)椴ɡ似扑閰^(qū)域。在-5～-3 m之間，存在明顯的5個(gè)水深超過(guò)5 m的“坑”，位于沿岸沙壩之間。而-2 m等深線呈現(xiàn)出7個(gè)近似垂直于岸線的槽狀通道，這可能是地形控制的裂流通道，屬于海灘型裂流區(qū)。通過(guò)走訪海水浴場(chǎng)管理人員得知，在裂流通道發(fā)生溺水年均約2人。一般游泳者會(huì)在-3～1.5 m的海灘進(jìn)行游泳和玩耍，由于這些裂流通道水深在-2 m左右，即使是大潮低潮，水深也超過(guò)0.5 m，大潮高潮時(shí)水深超過(guò)3 m，如果發(fā)生裂流就非常危險(xiǎn)。在海灘東側(cè)有一棧橋深入海中，可能為邊界型裂流區(qū)，該區(qū)域雖然禁止游泳，但是仍然有人為了捕撈海參或是游玩而違反規(guī)定遭遇危險(xiǎn)。

(紅點(diǎn)為波浪海流連續(xù)觀測(cè)站位。Red point is the continuous observation station of wave and current.)

2.2 海浪及流速分析

在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)，海浪觀測(cè)的波浪玫瑰圖如圖4所示，根據(jù)海浪玫瑰圖可發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)海浪整體波高較小。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段以小浪為主，只在極少數(shù)情況下出現(xiàn)1.25 m以上的波浪(見(jiàn)表1)。在觀測(cè)期間，海水浴場(chǎng)常浪向?yàn)镹向，頻率為11%；次常浪向?yàn)镹NW向，頻率為10%。強(qiáng)浪向?yàn)镹NW向，最大有效波高為1.6 m；次強(qiáng)浪向?yàn)镹向和ENE向，最大有效波高均為1.3 m。

圖4 海浪玫瑰圖Fig.4 Wave rose

表1 海況等級(jí)統(tǒng)計(jì)Tabel 1 Wave level statistics

將海流觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析，將海流分離為天文潮流和余流，分析海流的成分組成。如圖5所示，部分時(shí)刻海流流速超過(guò)0.2 m/s，天文潮流流速在0.1 m/s以內(nèi)，這表明海水浴場(chǎng)附近的海流具有較強(qiáng)的余流。整體來(lái)說(shuō)威海國(guó)際海水浴場(chǎng)的海流較弱，在不發(fā)生裂流的情況下，一般不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)性的強(qiáng)海流。調(diào)和分析得到的潮流橢圓長(zhǎng)短軸及長(zhǎng)軸傾斜角表明天文潮流主要流向?yàn)槟媳毕颍琈2分潮占優(yōu)。

(紅線為天文潮流。 The red line is astronomical tidal current.)

根據(jù)海浪觀測(cè)結(jié)果，取該時(shí)間序列內(nèi)海浪平均周期和平均有效波高計(jì)算的回落參數(shù)為4.89，潮浪參數(shù)為2.73，威海國(guó)際海水浴場(chǎng)為沙壩海灘類，根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，該時(shí)間段內(nèi)，海水浴場(chǎng)的裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為最高級(jí)。

2.3 漂流浮標(biāo)軌跡分析

本文投放的漂流浮標(biāo)較多，而裂流具有偶發(fā)性，故挑選了靠近裂流通道的較明顯漂流浮標(biāo)軌跡進(jìn)行分析，圖3中紅線標(biāo)示了漂流浮標(biāo)的軌跡，在可能的潮流通道出現(xiàn)了較明顯的離岸流現(xiàn)象。在東側(cè)棧橋外容易發(fā)生邊界型裂流，投放在此處的漂流浮標(biāo)表現(xiàn)出遠(yuǎn)離岸邊的漂流軌跡。海中突出的邊界型構(gòu)筑物容易出現(xiàn)裂流，需加以警示。

2.4 基于高空攝影的裂流觀測(cè)

本文在海浪較大的時(shí)段用無(wú)人機(jī)對(duì)威海國(guó)際海水浴場(chǎng)裂流進(jìn)行高空攝影觀測(cè)，直觀的對(duì)水下沙丘、低潮臺(tái)地、裂流通道、海浪破碎帶等進(jìn)行拍照。威海國(guó)際海水浴場(chǎng)由于海浪、潮汐潮流及沙灘底質(zhì)等綜合原因，造成游泳海域出現(xiàn)沙丘與溝槽相間分布的水下地形特征，如圖6所示，漲潮后水下溝渠縱橫，低潮時(shí)刻的高空攝影顯示沙丘臺(tái)地出露，該海域平均潮差約為1.35 m，最大潮差超過(guò)2.5 m，在北向海浪較大的情況下，存在裂流發(fā)生的條件。圖7黑圈清晰顯示出海浪與地形的相互作用出現(xiàn)的裂流跡象，如果漲潮之后，北向海浪增強(qiáng)，裂流似乎不可避免。

3 裂流區(qū)劃分析與建議

威海國(guó)際海水浴場(chǎng)水下地形較復(fù)雜，離岸約200 m范圍存在5個(gè)潮溝結(jié)構(gòu)，中浪大浪期間波浪在此處開(kāi)始破碎，為波浪破碎帶，由黑色點(diǎn)劃線所圍區(qū)為潮溝危險(xiǎn)區(qū)。該區(qū)域水深超過(guò)3.5 m，低潮時(shí)水深也在2 m以深，存在潮流的往復(fù)，如果有北風(fēng)作用此處波高較高，應(yīng)列為休閑濱海游客的禁游區(qū)。

圖6 低潮北向浪時(shí)的高空攝影圖Fig.6 Aerial photograph of low tide with north wave

從1 m等深線至-3 m等深線之間，岸灘較緩，但是水下等深線不平直，存在大小水下沙丘7處， 沙丘兩側(cè)存在明顯的裂流溝槽通道。圖8由黃色虛線(A、B、C、D、E、F、G)所圍區(qū)為岸灘型裂流危險(xiǎn)區(qū)，尤其是水深在-1.5～-2.5 m之間，由觀測(cè)可知，在偏北風(fēng)造成的海浪或外海傳播來(lái)的涌浪作用下，極易造成裂流，各裂流區(qū)塊發(fā)生裂流的平均流速在0.5～1 m/s之間，在較為開(kāi)闊的C、E區(qū)塊短時(shí)流速甚至可以高達(dá)1 m/s以上，故此處在北向浪較大時(shí)應(yīng)予以隔離。

圖7 高空攝影顯示的裂流Fig.7 Rip current shown by aerial photograph

(紅色點(diǎn)劃線區(qū)為潮溝危險(xiǎn)區(qū)；黃色虛線為岸灘型裂流危險(xiǎn)區(qū)；紅色實(shí)線區(qū)為邊界型裂流危險(xiǎn)區(qū)。 The red dot marking area is the dangerous area of tidal channel.The yellow dotted line is the dangerous area of sandy beach type rip current. The red solid line area is the dangerous area of boundary type rip current.)

紅色實(shí)線(H)區(qū)存在人工構(gòu)筑物，海蝕巖石地貌，為邊界型裂流危險(xiǎn)區(qū)，該區(qū)域水下地形復(fù)雜，水深較深，主要為較大的石塊底質(zhì)，風(fēng)浪較大時(shí)極易發(fā)生裂流，在偏北風(fēng)造成的海浪或外海傳播來(lái)的涌浪作用下，最大流速可達(dá)1.2 m/s，危險(xiǎn)性大，應(yīng)列為休閑濱海游客的禁游區(qū)。

基于以上數(shù)據(jù)分析與裂流區(qū)劃分析結(jié)果，本文提出如下建議。

(1)劃分安全區(qū)域，調(diào)整危險(xiǎn)區(qū)域的功能用途

根據(jù)裂流分析與區(qū)劃進(jìn)行浴場(chǎng)海域區(qū)劃與功能調(diào)整，邊界型裂流危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)禁止游客進(jìn)入，岸灘型裂流危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)禁止游客游泳，但為了增加趣味性，可設(shè)置隔離通道，增加海上娛樂(lè)項(xiàng)目，如游艇項(xiàng)目，溝槽區(qū)可作為游艇通道，并輔以安全網(wǎng)保證游客安全。在水深3 m的潮溝危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置防鯊網(wǎng)，禁止濱海休閑游客進(jìn)入到更深的危險(xiǎn)區(qū)游泳。潮溝危險(xiǎn)區(qū)以南不存在岸灘型裂流危險(xiǎn)區(qū)的海域可劃為游泳安全區(qū)，開(kāi)放游泳活動(dòng)。增設(shè)裂流區(qū)標(biāo)識(shí)與標(biāo)語(yǔ)，并設(shè)立標(biāo)志樁，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)劃分。

(2)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、瞭望和廣播

裂流的發(fā)生跟海浪的傳播方向和大小具有密切的關(guān)系，海水浴場(chǎng)管理部門應(yīng)及時(shí)接收海洋預(yù)報(bào)信息或?qū)ｉT購(gòu)買裂流監(jiān)測(cè)和精細(xì)化預(yù)報(bào)服務(wù)，建立裂流預(yù)警機(jī)制。設(shè)置瞭望塔，增加高空自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)識(shí)別發(fā)現(xiàn)裂流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溺水者。海水浴場(chǎng)管理人員及時(shí)告知廣大游客海水浴場(chǎng)情況，在有陣風(fēng)或者海浪過(guò)大時(shí)，及時(shí)廣播，停止游泳活動(dòng)，關(guān)閉浴場(chǎng)。

(3)加大裂流宣傳力度

在海水浴場(chǎng)適宜的區(qū)域設(shè)置裂流宣傳欄，進(jìn)行裂流知識(shí)和應(yīng)對(duì)措施的宣傳。海水浴場(chǎng)管理部門加強(qiáng)對(duì)游客的安全宣傳工作，加大公眾科普教育力度，使游客理解裂流的危險(xiǎn)性，遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，在碰到裂流時(shí)知道如何應(yīng)對(duì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一個(gè)具體的海水浴場(chǎng)為研究對(duì)象，通過(guò)水深地形測(cè)量、海浪海流定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)、微型漂流浮標(biāo)觀測(cè)及高空攝影等多種觀測(cè)方式相結(jié)合，嘗試采用可行且易于實(shí)現(xiàn)的方法對(duì)裂流區(qū)進(jìn)行識(shí)別，并進(jìn)行威海國(guó)際海水浴場(chǎng)裂流區(qū)劃，給出安全管理建議。主要結(jié)論有：威海國(guó)際海水浴場(chǎng)水下地形較為復(fù)雜，離岸200 m范圍內(nèi)存在5個(gè)沙丘-溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽和東側(cè)棧橋前沿是裂流危險(xiǎn)區(qū)，分屬海灘型裂流危險(xiǎn)區(qū)和邊界型裂流危險(xiǎn)區(qū)，裂流流速在0.5～1 m/s之間，觀測(cè)期間裂流平均風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等，在裂流危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行必要的隔離，加強(qiáng)裂流監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，進(jìn)行大力宣傳，加強(qiáng)有效管理是保障浴場(chǎng)安全的重要措施。