基于數(shù)字圖像的山東長(zhǎng)山島礫石海灘表層礫石形貌特征研究

王興，王永紅*，徐楊楊，向亞武

( 1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

1 引言

礫石海灘多發(fā)育在基巖海岸附近，其在世界海岸帶地區(qū)分布雖不廣泛，但卻是一種穩(wěn)定性非常高的海岸地貌，沉積物具有粒徑粗（2～256 mm）、所處位置坡度大等特征[1]。礫石海灘的規(guī)模、演化的時(shí)間尺度及其穩(wěn)定性受物質(zhì)來(lái)源、區(qū)域地質(zhì)地貌類(lèi)型等因素的制約[2]。礫石海灘物質(zhì)來(lái)源主要包括臨近的河流輸送、冰川搬運(yùn)、海岸侵蝕等[3]。目前對(duì)礫石海灘，包括細(xì)礫灘（D50=2～10 mm）、混合砂礫灘和純礫石海灘的形貌特征、礫石磨蝕、輸運(yùn)以及穩(wěn)定性方面研究較為豐富[4–12]。Masselink 等[5]對(duì)英國(guó) Slapton 細(xì)礫灘（D50=2～10 mm）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在特定波浪潮流條件下（Hs=0.5～1 m；Ts=4～8 s；潮差=3～4 m），沖流帶上部形成高灘肩，沖流帶和激浪帶之間形成臺(tái)階；Harley等[6]研究發(fā)現(xiàn)意大利中部某礫石海灘坡度變化在0.10～0.25之間，粗礫和中礫集中在后濱，細(xì)礫分布在灘面。王愛(ài)軍等[2]對(duì)浙江朱家尖島兩處礫石海灘粒度及形態(tài)參數(shù)特征分析，并討論了磨蝕與搬運(yùn)作用對(duì)礫石改造的相對(duì)重要性。在中等波浪條件下，混合砂礫灘的中礫運(yùn)動(dòng)方向主要為橫向移動(dòng)[4]，細(xì)礫與砂則以沿岸輸移為主，而且高能環(huán)境下扁平狀礫石被搬運(yùn)得更遠(yuǎn)[7]。廈門(mén)天泉灣人工礫石海灘在強(qiáng)潮強(qiáng)動(dòng)力環(huán)境下，年平均輸移率為1 015.6～2 392.5 m3/a[8]。純礫石灘沉積物和地貌受臺(tái)風(fēng)影響后，礫石發(fā)生大規(guī)模的整體運(yùn)動(dòng)，但后期能夠自然恢復(fù)，因孔隙度大、波浪下滲率高而較砂質(zhì)海灘穩(wěn)定[9–11]，有顯著的自然防波堤效果[12]。

礫石海灘最基本的參數(shù)是礫石的形貌特征。礫石的形態(tài)在一定程度上可以反映礫石的動(dòng)力條件、搬運(yùn)與沉積過(guò)程、物源性質(zhì)，其定量分析對(duì)沉積環(huán)境判斷具有重要的指示意義[13]。研究礫石海灘表層礫石形貌特征對(duì)認(rèn)識(shí)礫石灘的形成發(fā)育及其水動(dòng)力過(guò)程具有重要作用。以往針對(duì)礫石海灘礫石形貌的研究，研究人員多采用卡尺測(cè)量或目估法[14–15]等傳統(tǒng)方法獲取礫石參數(shù)?？ǔ邷y(cè)量雖然可以獲得三維的數(shù)據(jù)，但由于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以使用大量的樣品數(shù)據(jù)對(duì)礫石形態(tài)進(jìn)行評(píng)定。

目前，可以采用數(shù)字照相與圖像處理技術(shù)定量獲取礫石形態(tài)參數(shù)。雖然數(shù)字圖像提取技術(shù)只可獲取礫石顆粒的二維信息，但由于其可以快速大量采集礫石樣品的形貌數(shù)據(jù)，仍可反映礫石分布和變化特征。例如前人已在冰川堆積物[16]、戈壁表層礫石[17]和泥石流卵礫石[18]等研究中利用此方法取得了良好的效果。本研究以山東長(zhǎng)山島礫石海灘為例，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的沉積物圖像進(jìn)行處理，快速大量獲取礫石海灘表面礫石粒徑及形態(tài)參數(shù)。結(jié)合剖面形態(tài)數(shù)據(jù)，探討礫石海灘形態(tài)分布特征及控制因素，為礫石海岸環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域及方法

2.1 研究區(qū)域概況

南、北長(zhǎng)山島隸屬山東省長(zhǎng)島縣（圖1），地理位置上處于渤海海峽的南部，長(zhǎng)山水道與廟島海峽之間，其中南長(zhǎng)山島岸線長(zhǎng)21.60 km，面積為13.43 km2，為山東第一大島。北長(zhǎng)山島北臨長(zhǎng)山水道，南接南長(zhǎng)山島，該島呈NW向展布，岸線長(zhǎng)15.68 km，面積為8.25 km2。研究區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于膠遼古陸的一部分，受第四紀(jì)斷裂活動(dòng)的影響，長(zhǎng)山島沿岸形成各種陡峭的海蝕崖、海蝕平臺(tái)等海岸地貌[19]，島上基巖大范圍出露，主要由上元古界蓬萊群淺變質(zhì)巖組成，巖性包括千枚巖、板巖、石英巖、片巖等[20]。

圖1 研究區(qū)域位置及剖面分布Fig.1 Location and profile of the study area

長(zhǎng)島地區(qū)年平均氣溫為11.9℃，屬于溫帶季風(fēng)氣候，易遭受寒潮襲擊，平均每年發(fā)生寒潮3.2次（據(jù)1958–1985年統(tǒng)計(jì)），主要發(fā)生在10月至翌年4月。渤海海峽一帶是北方最大風(fēng)浪區(qū)之一，常年大風(fēng)風(fēng)向?yàn)镹W–NNE[21]，波浪四季都是以風(fēng)成浪為主，頻率占95%以上。該地區(qū)年平均波高可達(dá)1.1 m，冬半年平均波高達(dá)1.5 m，其中N和NNE向浪年平均波高達(dá)1.7～1.8 m，而偏南向的波高則較小，平均為0.7 m[22]。潮汐屬正規(guī)半日潮，平均潮差為1.07 m，多年平均海平面為0.065 m[23–25]。

2.2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.2.1 礫石灘樣品采集和剖面測(cè)量

于2016年10月在南、北長(zhǎng)山島7個(gè)礫石海灘（北長(zhǎng)山島的月牙灣、九丈崖、長(zhǎng)灘，南長(zhǎng)山島的仙境源、林海、長(zhǎng)山尾、明珠廣場(chǎng)）進(jìn)行野外作業(yè)。依據(jù)海灘規(guī)模不同，每個(gè)礫石灘布設(shè)1～3條剖面，運(yùn)用RTK（Real-Time Kinematic）進(jìn)行剖面測(cè)量。由陸向海，每個(gè)剖面選取4個(gè)位置（灘肩、灘肩頂、高潮線和水邊線）進(jìn)行拍照和樣品采集，共拍照并采集樣品55個(gè)，其中北長(zhǎng)山島28個(gè)，南長(zhǎng)山島27個(gè)。表層礫石照片拍攝使用佳能EOS 550D數(shù)碼相機(jī)（鏡頭EFS18–55 mm，光圈 F3.5）（圖2）。因此，本文探討的是原位垂直投影形態(tài)的表層礫石形貌特征。

2.2.2 礫石參數(shù)獲取

由于受光照、灘面平整度等外界因素的影響，獲得的照片通常會(huì)存在圖像噪聲。為了更準(zhǔn)確地獲取礫石特征，需在提取信息之前，運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)原始圖像進(jìn)行降噪處理[16]。本文應(yīng)用Photoshop和ImageJ（V1.52p）兩款軟件進(jìn)行室內(nèi)圖像處理和數(shù)字信息提取。首先使用Photoshop的“鏡頭矯正”功能對(duì)圖像進(jìn)行幾何形變的矯正。接著用“裁剪”工具沿樣方外框進(jìn)行裁剪，對(duì)照片做亮度、對(duì)比度和銳化處理，以獲取更清晰礫石顆粒邊緣，然后使用ImageJ軟件“徒手工具”勾畫(huà)單顆礫石邊界（圖3），軟件會(huì)自動(dòng)獲得礫石的直徑、周長(zhǎng)、面積和形狀參數(shù)，這里的形狀參數(shù)指磨圓度和形狀比率。本研究只選取樣方內(nèi)具有完整形態(tài)的礫石，樣方邊緣的顆粒以及表面礫石顆粒存在相互疊置現(xiàn)象的礫石未納入研究對(duì)象。本次研究選取的礫石測(cè)量參數(shù)及其計(jì)算方法見(jiàn)表1，對(duì)所采集的55個(gè)樣品，共獲取2 508顆礫石的參數(shù)資料，平均每個(gè)樣品約有45顆礫石。為方便礫石二維數(shù)據(jù)對(duì)比，使用卡尺測(cè)量礫石的長(zhǎng)軸和短軸，并帶入公式得出礫石粒徑D。

圖2 研究區(qū)礫石灘及采集樣方圖Fig.2 Pictures of gravel beach and the image collection of gravel in the study area

2.2.3 粒徑數(shù)據(jù)計(jì)算

沉積物粒度參數(shù)不僅可以用來(lái)識(shí)別沉積物的沉積環(huán)境類(lèi)型、獲取水動(dòng)力等信息，還可以用來(lái)指示沉積物的輸運(yùn)方向。根據(jù)ImageJ軟件獲得的數(shù)據(jù)，參考Folk-Ward圖解法計(jì)算表層礫石的粒度參數(shù)，包括平均粒徑、分選系數(shù)、峰度和偏態(tài)。

3 結(jié)果

3.1 誤差與穩(wěn)定性

利用圖像獲取礫石形貌數(shù)據(jù)的過(guò)程中存在兩個(gè)誤差（拍照誤差和徒手勾畫(huà)誤差）。拍攝過(guò)程中，將標(biāo)有25 cm×25 cm刻度的不銹鋼方框分別置于海灘4個(gè)特征位置的表面，在距地表0.5 m的高度手持?jǐn)?shù)碼相機(jī)垂直拍攝，為獲取更清晰可靠的數(shù)字圖像，避免畸變，每個(gè)樣方拍攝3幅照片。

表1 軟件統(tǒng)計(jì)得出的礫石顆粒形狀參數(shù)（據(jù)文獻(xiàn)[17]）Table 1 Gravel particle shape parameters obtained from software statistics (from reference [17])

應(yīng)用 ImageJ（V1.52p）“徒手選擇”工具對(duì)單顆礫石進(jìn)行多次跟蹤測(cè)量，10組數(shù)據(jù)的礫石粒徑統(tǒng)計(jì)相對(duì)誤差小于5%，變異系數(shù)小于3%，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.24。為進(jìn)一步探討ImageJ測(cè)量的可重復(fù)性和穩(wěn)定性，以及不同操作人對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以月牙灣海灘某采樣點(diǎn)的66顆礫石為例，進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量對(duì)比。結(jié)果顯示（圖4a），每次測(cè)量數(shù)值無(wú)顯著性差異，說(shuō)明該ImageJ圖像測(cè)量法可重復(fù)性較好，穩(wěn)定性也較高，受使用者主觀因素影響較小，在大規(guī)模礫石測(cè)量時(shí)測(cè)量1次便可。

同時(shí)用卡尺測(cè)量來(lái)核驗(yàn)圖像方法的可靠性。比較使用卡尺測(cè)量和使用ImageJ計(jì)算獲得的二維礫石粒徑（長(zhǎng)、中軸的Feret粒徑），發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)誤差為0.11～6.72 mm，平均絕對(duì)誤差為3.17 mm，平均相對(duì)誤差為8.9%，相關(guān)系數(shù)R2=0.917 3?？傮w說(shuō)明軟件計(jì)算結(jié)果是可靠的。拍照誤差、徒手勾畫(huà)誤差均為系統(tǒng)誤差，最終獲得的數(shù)據(jù)可以說(shuō)明不同礫石灘的礫石形貌變化。

3.2 礫石灘剖面特征

研究區(qū)礫石海灘規(guī)模大小不等，北長(zhǎng)山島礫石灘長(zhǎng)度大于南長(zhǎng)山島（表2）。其中北長(zhǎng)山島的月牙灣海灘和長(zhǎng)灘海灘規(guī)模較大；南長(zhǎng)山島的仙境源海灘規(guī)模最小，僅長(zhǎng)240 m，寬20 m。北長(zhǎng)山島礫石灘剖面平均坡度范圍為21%～35%，南長(zhǎng)山島為16%～33%，平均坡度最大的是九丈崖海灘，最小的是仙境源海灘。

圖4 ImageJ測(cè)量結(jié)果可重復(fù)性/穩(wěn)定性對(duì)比（a）（1～7為不同人員測(cè)量的數(shù)據(jù)）和不同方式測(cè)量的礫石二維數(shù)據(jù)對(duì)比（b）Fig.4 Comparison of repeatability/stability of measurement results of ImageJ software (a)(1–7 are measured by different people), and comparison of 2-D gravel data in different ways (b)

根據(jù)剖面形態(tài)，礫石灘可分為灘肩型和階梯斜坡型兩類(lèi)（圖5），其中發(fā)育灘肩的有長(zhǎng)灘海灘、林海海灘和明珠廣場(chǎng)海灘，九丈崖海灘、月牙灣海灘、仙境源海灘和長(zhǎng)山尾海灘屬于階梯斜坡型礫石灘。長(zhǎng)灘海灘灘肩最窄，平均寬約6 m；林海海灘灘肩平均寬11 m，在高潮線附近可見(jiàn)臺(tái)階；明珠廣場(chǎng)灘肩發(fā)育最寬，平均寬28 m。階梯斜坡型礫石灘與灘肩型礫石灘相比，海灘形態(tài)彎曲度較大，高潮線或水邊線處多發(fā)育灘脊–溝槽。九丈崖海灘、長(zhǎng)山尾海灘和仙境源海灘礫石灘發(fā)育一級(jí)階梯，月牙灣發(fā)育二級(jí)階梯。

3.3 礫石形貌特征

3.3.1 粒徑

研究區(qū)海灘表層礫石粒徑分布范圍為4～79 mm，主要為中礫。北長(zhǎng)山島海灘礫石的平均粒徑略小于南長(zhǎng)山島。在北長(zhǎng)山島，九丈崖海灘的礫石最粗，粒徑分布范圍為9～79 mm，為中礫，分選較好；月牙灣海灘礫石最小，為中粒，粒徑介于6～30 mm之間，分選最好。在南長(zhǎng)山島，明珠廣場(chǎng)海灘礫石粒徑最粗，粒徑分布范圍為11～77 mm，分選較好；礫石粒徑最細(xì)的是仙境源海灘礫石，介于4～12 mm之間，分選較好（表3）。

表2 礫石灘基本信息Table 2 Basic information of different gravel beaches

在同一剖面上，由陸向海，各海灘平均粒徑的變化具有良好的規(guī)律性，從灘肩向海礫石逐漸減小，71%的海灘在水邊線處開(kāi)始轉(zhuǎn)折，向海方向平均粒徑增大（圖6a，圖7a）。同一海灘，沿海岸線方向，不同剖面上相同特征位置處的礫石大小也有差異（圖7a）。北長(zhǎng)山島九丈崖海灘兩條剖面的礫石粒徑相差較大，PM1的礫石粒徑明顯粗于PM2；月牙灣PM2各特征點(diǎn)（除水邊線）的礫石粒徑比PM1、PM3粗，但PM3水邊線處的礫石粒徑約為PM1、PM2的3倍；自灘肩頂向海方向，長(zhǎng)灘PM2礫石粒徑粗于PM1的，且距海越近，粒度差距越大。南長(zhǎng)山島仙境源海灘由陸向海，礫石粒徑逐漸變細(xì)；林海PM1在灘肩、灘肩頂處礫石粒徑最細(xì)，PM3礫石粒徑在高潮線、水邊線處比PM1、PM2的細(xì)；長(zhǎng)山尾PM1礫石粒徑均大于PM2的；明珠廣場(chǎng)PM1礫石粒徑比PM2的細(xì)?？傮w來(lái)說(shuō)，自灘肩至高潮線附近，礫石粒徑逐漸變小，水邊線處轉(zhuǎn)折有所增大。

礫石的磨圓度表示碎屑顆粒的棱角被磨圓的程度，磨圓度值越大說(shuō)明磨損的越嚴(yán)重。本文依據(jù)軟件中的磨圓度測(cè)量數(shù)據(jù)，參考Powers[15]將礫石磨圓度劃分為極棱角狀（0.12～0.17）、棱角狀（0.17～0.25）、次棱角狀（0.25～0.35）、次圓狀（0.35～0.49）、圓狀（0.49～0.70）和極圓狀（0.70～1.00）。

研究區(qū)海灘礫石磨圓度值分布范圍為0.59～0.75，北長(zhǎng)山島海灘礫石平均磨圓度與南長(zhǎng)山島幾乎相同，均為圓狀（圖6b）。不同海灘礫石磨圓度對(duì)比圖（圖7b），采用1倍標(biāo)準(zhǔn)差間距將平均磨圓度進(jìn)行分級(jí)。月牙灣海灘的磨圓最好（0.699），長(zhǎng)灘海灘的磨圓度差（0.659），符合野外觀察的情況。

由陸向海，南、北長(zhǎng)山島礫石磨圓度呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，說(shuō)明礫石磨圓逐漸變好（圖7b）。各海灘具體而言又稍有不同，從灘肩到水邊線，九丈崖海灘、長(zhǎng)山尾海灘、林海海灘礫石磨圓度逐漸增大，磨圓越來(lái)越好；長(zhǎng)灘海灘和月牙灣海灘從灘肩到高潮線磨圓度逐漸增大，但到水邊線處急劇下降，磨圓度變差；明珠廣場(chǎng)海灘和仙境源海灘礫石磨圓趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)為灘肩頂處磨圓度最大，向海、向陸均變差。同一海灘，不同剖面上相同特征位置處的礫石磨圓也有差異。北長(zhǎng)山島九丈崖海灘PM2在灘肩頂與高潮線處的礫石磨圓度要高于PM1；月牙灣海灘PM1在灘肩頂處的礫石磨圓度略大于PM2和PM3，但在高潮線、水邊線位置PM2的礫石磨圓度高于PM1和PM3，PM3在灘肩處礫石磨圓度最大；長(zhǎng)灘海灘PM1在灘肩、水邊線處礫石磨圓度略高于PM2。南長(zhǎng)山島仙境源海灘灘肩頂處的磨圓相對(duì)較好；林海海灘PM3（除灘肩外）礫石磨圓度好于另外兩個(gè)剖面；長(zhǎng)山尾海灘PM1礫石磨圓度在不同位置均高于PM2；明珠廣場(chǎng)海灘PM1在灘肩頂與高潮線處的礫石磨圓度高于PM2?？傮w來(lái)說(shuō)，各海灘礫石磨圓由陸向海逐漸變好。

圖5 礫石灘剖面形態(tài)圖Fig.5 Profile morphology of different gravel beaches

表3 各海灘沉積物粒度參數(shù)及分布Table 3 Grain size parameters and distribution of gravels at different beaches

圖6 不同礫石灘的礫石平均粒徑（a）、磨圓度（b）和形狀比率（c）分布Fig.6 The distribution of the mean particle size (a), roundness (b), and shape ratio (c) at different gravel beaches

3.3.3 形狀比率特征

礫石的形狀比率即礫石長(zhǎng)短軸之比，整體來(lái)看，海灘礫石形狀比率均值分布范圍為1.36～1.77。采用1倍標(biāo)準(zhǔn)差間距將各海灘礫石平均形狀比率進(jìn)行分級(jí)[17]（圖6c），北長(zhǎng)山島略小于南長(zhǎng)山島，其中月牙灣海灘的礫石形狀比率值最?。?.49），海灘礫石多為近橢圓形，長(zhǎng)灘海灘礫石形狀比率值最大（1.61），海灘礫石則更接近長(zhǎng)條狀。從陸向海方向，海灘礫石形狀比率呈逐漸降低的趨勢(shì)，礫石形狀趨于近橢圓形（圖7c）。同一海灘，不同剖面上相同特征位置處的礫石形狀比率亦有些不同。北長(zhǎng)山島九丈崖海灘PM1高潮線處的礫石形狀比率更大；月牙灣海灘PM1水邊線處的礫石形狀比率大，PM2灘肩處的礫石形狀比率大，在PM3灘肩頂與高潮線處的形狀比率大；長(zhǎng)灘海灘PM1（除高潮線）的礫石形狀比率明顯小于PM2。南長(zhǎng)山島仙境源海灘礫石形狀比率在灘肩頂處最小；林海海灘在灘肩處PM2的礫石形狀比率大于PM1和PM3；長(zhǎng)山尾海灘PM1礫石形狀比率明顯小于PM2；明珠廣場(chǎng)海灘在灘肩頂與高潮線處PM2的礫石形狀比率比PM1大?？傮w來(lái)說(shuō)，由陸向海礫石形狀比率逐漸減小，表現(xiàn)為從近長(zhǎng)條狀向近橢圓狀過(guò)渡。

圖7 各海灘不同剖面及南、北長(zhǎng)山島總體礫石粒度（a）、磨圓度（b）和形狀比率（c）分布Fig.7 The distribution of gravel size (a) , roundness (b), and shape ratio (c) in different gravel beaches sections and Changshan island

研究區(qū)礫石磨圓度、形狀比率均反映了沉積物磨損的成熟度[2]，二者呈明顯負(fù)相關(guān)（R2=0.98），磨圓度越大的礫石形狀比率值越小，礫石所受沉積環(huán)境的改造程度越大。南、北長(zhǎng)山島礫石沉積物雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離的搬運(yùn)，但其磨圓度均較高（0.676），對(duì)應(yīng)Powers標(biāo)準(zhǔn)的圓狀等級(jí)，礫石均已達(dá)到較成熟的階段，說(shuō)明它們必然在海洋環(huán)境中經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的磨蝕作用。

4 討論

4.1 礫石來(lái)源

地質(zhì)構(gòu)造是海岸地貌形態(tài)發(fā)育的基礎(chǔ)[27]。從海岸地貌的內(nèi)動(dòng)力作用來(lái)講，我國(guó)濱海礫石沉積地貌主要發(fā)育在構(gòu)造隆起帶上，在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，長(zhǎng)山島處于膠遼隆起帶，具備礫石灘發(fā)育的條件。研究區(qū)以波浪作用為主，海蝕崖等海岸地貌能夠保證礫石供給。南、北長(zhǎng)山島出露的上元古界蓬萊群淺變質(zhì)巖基巖中，石英巖的磨蝕速率最低。Kuenen[28]曾于室內(nèi)進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，當(dāng)保持巖石搬運(yùn)速率為70 km/d時(shí)，石英巖磨蝕速率為0.021%/km，僅次于燧石，這種低磨蝕率也有助于粗顆粒物質(zhì)的保存。以石英巖為主的海灘礫石，主要來(lái)自近源風(fēng)化產(chǎn)物，包括附近岬角侵蝕物質(zhì)、海灘后緩內(nèi)側(cè)礫石堤等[19,29–30]。長(zhǎng)山列島中北部島嶼（如南、北皇城島，大、小欽島和砣磯島）受地質(zhì)構(gòu)造、巖性及高能海水動(dòng)力的影響，以發(fā)育海蝕地貌為主；而南部的島嶼（如南、北長(zhǎng)山島）能夠形成諸多礫石海灘，這與地理位置和沿岸流的作用密切相關(guān)[19]。南、北長(zhǎng)山島位于渤海海峽的南部區(qū)域，海水較淺，低鹽度逆時(shí)針沿岸流的作用利于形成海岸堆積地貌[19,22]。

4.2 礫石形貌影響因素

波浪、潮汐和風(fēng)等外動(dòng)力是塑造海岸地貌的重要外因，海灘礫石粒徑、剖面形態(tài)等主要取決于波浪和潮汐的強(qiáng)弱及此消彼長(zhǎng)[27]。本文引入崔金瑞和夏東興[31]的浪潮作用指數(shù)K來(lái)闡明波浪、潮汐與海岸地貌類(lèi)型的關(guān)系。長(zhǎng)島地區(qū)年平均大風(fēng)（風(fēng)速≥10.8 m/s）日為116 d（1975–2005年），秋冬季更是風(fēng)大浪急。應(yīng)用南長(zhǎng)山島測(cè)站數(shù)據(jù)[24]計(jì)算得出K=1.65（大于1），表明該區(qū)水動(dòng)力條件以波浪作用為主，是典型的浪控海岸。

某銅礦山在進(jìn)行選礦的過(guò)程中，添加了一些有機(jī)物比如黃藥、二號(hào)油和六偏磷酸鈉等等；利用這些有機(jī)物進(jìn)行礦物和雜質(zhì)的分選。選礦作業(yè)產(chǎn)生的廢水整體呈現(xiàn)出中性特質(zhì)，其中硫化礦呈現(xiàn)出酸性，黃藥以及六偏磷酸鈉呈現(xiàn)出堿性特征。在中性條件下Zn、Fe 等金屬會(huì)在尾礦庫(kù)中自然氧化沉淀，但在短時(shí)間內(nèi)選礦藥劑無(wú)法進(jìn)行有效的分解，因此外排廢水中的污染物主要是殘留藥劑形成的COD（化學(xué)需氧量）。為了保證外排水的達(dá)標(biāo)排放，需對(duì)化學(xué)需氧量濃度進(jìn)行有效控制。

4.2.1 動(dòng)力對(duì)于不同礫石灘礫石形貌的控制

不同位置的礫石海灘在地質(zhì)條件與海水動(dòng)力條件影響下[19]，礫石形貌有所差異。研究區(qū)內(nèi)來(lái)自北方的風(fēng)浪強(qiáng)度大于東向[23]，導(dǎo)致北向海灘（九丈崖海灘和月牙灣海灘）的平均粒徑（23.48 mm）大于東向海灘（長(zhǎng)灘海灘，林海海灘和仙境源海灘）的平均粒徑（18.66 mm）；而南部的明珠廣場(chǎng)海灘和長(zhǎng)山尾海灘受逆時(shí)針沿岸流強(qiáng)烈影響，堆積的礫石較粗。同為北向的九丈崖海灘和月牙灣海灘，礫石粗細(xì)差異的原因在于月牙灣海灘有岬角遮蔽，可以減弱波浪及風(fēng)暴潮對(duì)灘面的直接作用，海灘礫石粒徑相對(duì)較細(xì)。仙境源海灘向東開(kāi)敞，無(wú)強(qiáng)烈的沿岸流經(jīng)過(guò)，疊加北部岬角阻擋等因素，作用于灘面的波浪能量較低，形成了研究區(qū)粒度最細(xì)的礫石海灘。

純礫石海灘礫石磨圓度的高低與粒徑、沉積物分選程度及風(fēng)浪流等因素存在一定的聯(lián)系。一般來(lái)講，礫石粒徑越大，啟動(dòng)流速越大[9]，磨蝕愈難。北長(zhǎng)山島九丈崖海灘和長(zhǎng)灘海灘的礫石粒徑較粗，其磨圓度相對(duì)差；月牙灣海灘礫石粒徑較細(xì)，磨圓相對(duì)較好。如果礫石粒徑相似，則分選差的礫石磨圓度高。如九丈崖海灘與長(zhǎng)灘海灘粒級(jí)雖然都處在中礫，但九丈崖海灘礫石分選性比長(zhǎng)灘差，粒徑小的礫石易被波浪推動(dòng)并拋入大礫石間的縫隙中[32]，邊棱更易受到磨蝕[33]。南長(zhǎng)山島的林海海灘因受海洋動(dòng)力條件影響較弱，加之顆粒粗、分選好的因素，磨蝕程度為南長(zhǎng)山島最低。明珠廣場(chǎng)海灘礫石雖比仙境源海灘粗，但磨圓度處于同一等級(jí)，究其原因發(fā)現(xiàn)明珠廣場(chǎng)海灘分選較差，且有一定的含沙量，沙的填充加劇礫石磨蝕[34]，形成的礫石磨圓度更高。廟島海峽作為渤海海水外流的主要通道，沿岸流與風(fēng)浪疊加強(qiáng)化了水動(dòng)力條件，使得南長(zhǎng)山島較粗的長(zhǎng)山尾海灘礫石磨圓度略好于該島另外3個(gè)礫石海灘。

4.2.2 動(dòng)力對(duì)于同一礫石灘礫石形貌的控制

沉積物輸運(yùn)受粒級(jí)的控制作用明顯，與細(xì)粒的沙質(zhì)海灘沉積物發(fā)生沿岸輸運(yùn)不同的是，粗粒的礫石海灘以橫向運(yùn)移為主[4,10]。研究區(qū)正常天氣下沉積物的臨界啟動(dòng)流速大于1.1 m/s，臨界波高大于1.0 m[9]，據(jù)蓬萊觀測(cè)站1992–1994年波浪資料，秋冬季平均波高范圍為0.9～1.0 m[35]，仍小于啟動(dòng)臨界值。粗粒的礫石無(wú)法在弱能量的波浪或潮流條件下進(jìn)行大規(guī)模搬運(yùn)，風(fēng)暴潮的作用便顯得格外重要。該區(qū)所處海域——渤海海峽是我國(guó)風(fēng)暴潮最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其地形地貌及地理位置的特殊性使得這里一年四季均有風(fēng)暴潮發(fā)生[36]，加之每年數(shù)次的寒潮災(zāi)害，為礫石的搬運(yùn)提供了強(qiáng)勁的水動(dòng)力條件。在極端情況下，一次大的風(fēng)暴潮可以將直徑1 m的巨石從低潮線下部搬運(yùn)至潮間帶，將5～10 cm的礫石拋到8 m高的礫石堤頂部[37]，嚴(yán)重影響礫石的排列和分選。由于礫石海灘的顆粒粗、孔隙率大、滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)，在風(fēng)暴潮環(huán)境下，向岸的上沖流明顯強(qiáng)于向海的回流，大部分礫石發(fā)生向岸輸移，導(dǎo)致灘面侵蝕、灘肩堆積、灘面坡度明顯變陡[10–11]。從橫向來(lái)看，絕大多數(shù)礫石海灘在水邊線處的粒徑比高潮線處大，主要由于水邊線是波浪發(fā)生破碎和消能的第一站，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，較細(xì)的物質(zhì)被帶走，唯有粗顆粒能夠留存下來(lái)。

礫石在水邊線處受到海水反復(fù)沖洗的幾率比后濱高得多，磨蝕效果也相對(duì)好，磨圓度最大，磨圓度向陸方向呈現(xiàn)變差的趨勢(shì)，灘肩位置的磨圓度最差，形成了長(zhǎng)山島的礫石堆積模式（圖8）。同一海灘不同剖面上的礫石形貌變化趨勢(shì)相似，但由于相同特征點(diǎn)在海灘的分布區(qū)域不同，接收到的波浪能量不同，長(zhǎng)此以往，導(dǎo)致礫石粒徑、磨圓及形狀比率有所差異，例如，北長(zhǎng)山島九丈崖海灘PM1與PM2灘肩處的礫石粒徑大小一致，而灘肩頂、高潮線和水邊線處的礫石粒徑差異顯著。除了波浪因素，礫石灘附近沿岸流也可能會(huì)影響礫石在灘面上的分布，例如，南長(zhǎng)山島長(zhǎng)山尾海灘PM2各位置的礫石粒徑均比PM1細(xì)。

圖8 長(zhǎng)山島礫石灘沉積物分布模式圖Fig.8 Pattern of gravel distribution in gravel beach in the Changshan Island

4.2.3 人為影響

長(zhǎng)島風(fēng)景旅游區(qū)每年吸引大量游客前來(lái)旅游觀光，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)礫石形貌的影響不容忽視。游客“采石”的不文明行為[38]不僅破壞旅游資源，也對(duì)海灘研究數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生一定影響。另外旅游景區(qū)為提升游客舒適度，大規(guī)模開(kāi)發(fā)海灘后濱。本次野外工作時(shí)，仙境源礫石灘后濱正在施工建設(shè)房屋和木棧道，明珠廣場(chǎng)已完成人工填砂工程，原本的礫石海灘變成了砂礫灘。在“長(zhǎng)島球石”的大量流失，降低海灘礫石磨圓度的同時(shí)，還可能增大礫石啟動(dòng)的動(dòng)力條件，進(jìn)而影響灘面礫石的分布。后濱環(huán)形公路、沿海木棧道等設(shè)施的修建，大大縮短灘肩寬度，影響礫石海灘坡度。除此以外，我國(guó)基巖海島開(kāi)發(fā)過(guò)程中還存在開(kāi)山采石現(xiàn)象。研究區(qū)北長(zhǎng)山島長(zhǎng)灘海灘處于該島上的重要采石區(qū)內(nèi)，采石過(guò)程中極可能引起小規(guī)模的坍塌、滑坡現(xiàn)象[39]，產(chǎn)生的礫石會(huì)直接散落在灘面上，造成長(zhǎng)灘礫石分選、磨圓和粒徑都有別于其他礫石灘，破壞了自然規(guī)律。

4.3 礫石形貌對(duì)于礫石灘形貌的影響

海灘沉積物顆粒越粗，海水的滲透率越大，研究表明在沖流帶下部波浪滲透率達(dá)到40%，在沖流帶上部可高達(dá)100%[5]，由于上沖流和回流之間存在不對(duì)稱(chēng)性[40]，加之礫石的起動(dòng)流速較大，沉積物在灘肩處不斷堆積，海灘的坡度隨之增加。英格蘭Chesil礫石海灘的最大坡度為1∶2，這是波浪作用所形成海灘中的最大坡度[41]。長(zhǎng)山島各礫石海灘平均坡度介于16%～35%之間，對(duì)研究區(qū)礫石海灘前濱坡度與顆粒中值粒徑的分析發(fā)現(xiàn)，二者呈明顯的正相關(guān)（R2=0.549 3），海灘坡度越大其粒徑越粗（圖9）。

圖9 礫石灘前濱坡度與粒度關(guān)系Fig.9 Relationship between slope and grain size of gravel beach foreshore

除了礫石顆粒大小，不同的礫石形狀（如橢球形、扁平形等）亦可能影響礫石灘剖面形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，相比橢球形礫石，顆粒較大的扁平形礫石更容易堆積在灘肩高處的位置。在中等能量波浪條件下，上沖流可以把大而扁的礫石拖上灘面，一旦到達(dá)灘肩，由于海水滲透率高，最扁的礫石留在此處，不斷增高灘肩，而橢球形的礫石在重力影響下沿灘面滾下來(lái)[4]。

自全新世中期海平面趨于今天高度以來(lái)，南、北長(zhǎng)山島沿岸海灘沉積物經(jīng)過(guò)潮汐、波浪及海流5 000～6 000 a的相互作用[42]，不斷發(fā)生粒度、形態(tài)變化，但作為高能環(huán)境下的堆積物，研究礫石海灘的演變還需要未來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)期的波浪和風(fēng)暴潮數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

（1）北長(zhǎng)山島海灘礫石的平均粒徑略小于南長(zhǎng)山島，主要為中礫。從灘肩到高潮線礫石平均粒徑逐漸減小，水邊線處受到破波帶影響出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，粒徑高于高潮線；礫石分選較好、磨圓度較高，且由陸向海磨圓度變好，形狀比率與磨圓度呈負(fù)相關(guān)（R2=0.98），礫石已達(dá)到較成熟階段。

（2）研究區(qū)海岸為典型浪控海岸，7個(gè)礫石海灘由于地理位置、海灘開(kāi)口朝向及水動(dòng)力強(qiáng)度差異等，導(dǎo)致各海灘礫石粒徑分布也不同。九丈崖海灘與長(zhǎng)山尾海灘直面風(fēng)浪潮流沖刷，粒徑最粗；而月牙灣海灘與仙境源海灘由于岬角的阻擋，灘面受到波浪能量小，粒徑最細(xì)。風(fēng)浪、海流和風(fēng)暴潮共同影響礫石灘形貌變化。礫石的向岸搬運(yùn)與強(qiáng)水動(dòng)力條件密切相關(guān)，只有在達(dá)到最大波高或者災(zāi)害性海浪出現(xiàn)時(shí)，才會(huì)發(fā)生大規(guī)模橫向運(yùn)移。

（3）礫石海灘前濱坡度與粒徑呈正相關(guān)（R2=0.549 3），由于礫石海灘顆粒粗，灘面滲透率高，向岸上沖流強(qiáng)度明顯高于向?；亓鳎瑢?dǎo)致灘肩高度增加，坡度不斷變大。（4）數(shù)字圖像技術(shù)是量算礫石的一種有效方法，有助于建立統(tǒng)一的顆粒形貌定量描述標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)發(fā)展，使用三維激光掃描等技術(shù)，可以獲得更多的礫石形貌信息，從而理解礫石海灘的動(dòng)力地貌演變過(guò)程。

致謝：感謝陳昌祥、楊遠(yuǎn)東、常繼強(qiáng)、杜佳在野外采樣及數(shù)據(jù)分析等方面給予的幫助。感謝審稿人的意見(jiàn)，使得本文得到極大的提高。