瓊東北海灣海灘地形年度變化特征對比分析

吳多譽張航飛張東強符廣卷

(1.海南省地質綜合勘察院,海南 ?？?70206;2.海南省地質調查院,海南 ?？?70206;3.四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 二零七地質隊,四川 樂山614000)

海灘是砂質海岸重要的沉積地貌單元,其地形變化特征對海灘的開發(fā)利用和保護具有重要意義。由于全球氣候變化、風暴災害頻發(fā)、海平面上升等原因,世界各地海灘普遍遭受侵蝕,海灘的穩(wěn)定性問題備受關注[1]。我國海灘侵蝕也很嚴重[2-3],因此,海灘地形變化特征分析具有非常重要的意義。前人從海岸地貌、水質環(huán)境、海平面變化、沖淤演變等方面對海南島的多個海灘進行了研究[4-6],而瓊東北海灣海灘的地形變化特征研究較少。本文選擇在?？跒?、鋪前灣和木蘭灣進行海灘動態(tài)監(jiān)測,結合地質地貌、海洋動力等與海灘動態(tài)相關數(shù)據(jù),對比分析年度海灘高程變化特征,為海灘的保護和合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)海岸發(fā)育向北伸出的主要岬角,自東向西依次為木蘭頭(花崗巖地貌)、僚岸坡(花崗巖地貌)、南渡江三角洲和后海(玄武巖地貌)(圖1)。在岬角之間的海灣依次為木蘭灣、鋪前灣和?？跒?均屬于螺線形海灣[7]。研究區(qū)10月至翌年4月盛行東北季風氣流,6—8月盛行西南季風氣流,5月和9月是季風轉換期,年平均風速3.4 m/s;潮汐類型為不正規(guī)全日潮,以瓊州海峽的漲潮東流和落潮西流兩種流動型式為主;波浪以風浪為主,南向風為離岸風,南向風浪較弱,北向風為向岸風,北向風浪較強[8]。

根據(jù)?？谛阌⒏鄢蔽徽?016 年夏季5—6 月及冬季11—12 月數(shù)據(jù)可知[9]:5—6 月大潮最高潮高2.2 m、最低潮高0.5 m、平均大潮潮高約1.5 m,5—6月小潮最高潮高1.8 m、最低潮高0.9 m、平均小潮潮高1.3 m;11—12月大潮最大潮高2.5 m、最低潮高0.4 m、平均大潮潮高1.6 m,11—12月小潮最大潮高2.2 m、最低潮高1.0 m、平均小潮潮高1.5 m。大潮流速1.21 m/s,平均流速1.02 m/s;小潮最大流速1.1 m/s,平均流速0.88 m/s,越靠近海岸流速越小。

海口灣主要有南海明珠人工島、葫蘆島和秀英港擴建工程等人工填海工程[9]。鋪前灣外緣的?？谌缫鈲u工程位于?？诮瓥|新區(qū)的南渡江入?？跂|岸,距東海岸約4.4 km,距?？谑兄行募s12 km,填海規(guī)模約9.4 km2。

海灣表層沉積物類型主要為礫、砂質礫、砂、粉砂質砂、砂質粉砂和黏土質粉砂(圖1)。海灘表層沉積物主要為砂、粉砂質砂和砂質粉砂,砂質量分數(shù)3.72%～100%,粉砂質量分數(shù)0～70.25%,黏土質量分數(shù)0～20.04%,中值粒徑-1.61Φ～6.34Φ,分選系數(shù)(φ)0.12～3.89,分選等級為好至差不同,部分分選等級為極好。沉積物類型分布是物質來源和沉積動力共同作用的結果。東寨港內(nèi)部水動力條件弱,其沉積物類型以細粒淤泥質為主;徑流作用較強的南渡江和珠溪河入?？谕鈧葹檩^粗的砂質沉積;?？跒?、鋪前灣、木蘭灣中部水動力條件較弱,分布大面積的粉砂類沉積物;研究區(qū)北部為瓊州海峽中間帶,該區(qū)域海流強勁并對槽底反復沖刷,沉積物為粗粒度的礫石和砂質礫。

圖1 研究區(qū)海域表層沉積物類型與海灘斷面分布Fig.1 Distributions of surface sediment types and beach sections in the study area

2 資料的獲取和處理

在?？跒?、鋪前灣和木蘭灣分別布設3條、2條和1條斷面(圖1),長度50～200 m 不等。根據(jù)野外實地調查資料,斷面選取在海岸侵蝕或淤積較嚴重的岸段,斷面監(jiān)測線大致垂直海岸線布設。低潮線以上岸灘部分采用雙頻接收機南方靈銳S86T GPS-RTK 進行測量,低潮線以下部分采用單音頻測深儀SDE-28S聯(lián)合GPS-RTK 進行聯(lián)合測量。2016—2017年對研究區(qū)海灘斷面測量了5次,利用所得的高程數(shù)據(jù)繪制成海灘斷面地形圖進行對比分析,測量時間詳見表1。

本次斷面高程數(shù)據(jù)最后統(tǒng)一歸算到國家85高程。由于南方靈銳S86T RTK-GPS接收機接收海南省衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)“HiCORS”差分信號得到的是“WGS-84大地高程”數(shù)據(jù),所以需要對采集的數(shù)據(jù)進行轉換:由原始高程(WGS-84大地高程)數(shù)據(jù)轉換為國家85高程數(shù)據(jù)。利用海南省測繪局提供的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理平臺對調查取得的測深數(shù)據(jù)進行整體轉換。

低潮線以下部分采用單音頻測深儀聯(lián)合GPS-RTK 進行聯(lián)合測量,還需要進行數(shù)據(jù)換算。如上所述,經(jīng)數(shù)據(jù)轉換后得到點A 的國家85高程數(shù)據(jù)(圖2),實際站位點B與點A 的高程換算關系為:HB=HA-LH,其中L為儀器桿長、H代表測量水深值。

表1 研究區(qū)海灘斷面測量時間Table 1 The time of beach section surveys in the study area

圖2 海域實際站位點高程計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of the calculation of elevation at actual stations in the study area

3 結果與討論

3.1 ?？跒澈┑匦巫兓卣?/h3>

D01斷面位于?？跒车奈鞑?斷面長約50 m。從D01斷面地形變化曲線可以看出(圖3),斷面整體后濱狹而平,前濱窄而陡。后濱從濱岸人工步道至平均高潮位寬約30 m,距步道約20 m 處有沖浪形成的灘坎。前濱位于平均高潮位和平均低潮位之間,寬約20 m,為稍緩于后濱陡坡的斜坡。

圖3 ?？跒澄鞑亢嗝鍰01地形變化Fig.3 The topography change of beach section D01 in the westean part of the Haikou Bay

8月臺風“銀河”過后,斷面前濱有較明顯的堆積,最大堆積厚度約40 cm?？赡苁怯捎谂_風引起的強風浪使波浪作用海底的深度更大,使平均低潮位以下近濱處的泥沙再懸浮和搬運,在前濱處形成堆積。

D01斷面地形還具有季節(jié)性變化特征,整體上夏緩冬陡,主要表現(xiàn)為冬季(10月,1月)海灘后濱較夏季(4月,6月,8月)高,相應的,前濱較夏季的稍低,灘坎向岸遷移約5 m,最大堆積厚度約0.6 m,最大侵蝕深度約1.0 m。其主要原因是海口灣冬季海面比夏季高[10],破波帶向岸位移,在破波帶內(nèi)產(chǎn)生向岸流動,具有較強的上沖力,另外冬季風浪更大,上沖力增強,把岸外泥沙向岸搬運,造成后濱堆積灘面升高,前濱沖刷灘面降低。另一方面,人工填海后,除南海明珠岸線附近海域流速增加外,?？跒炒蟛糠謪^(qū)域波浪和潮流的作用減弱,D01斷面處于南海明珠人工島后波浪陰影區(qū)的岸段,波浪沿岸輸沙能力減弱,也可能導致后濱出現(xiàn)堆積[9]。另外,斷面的地形變化可能還受人為因素的影響,因為斷面處的海灘人類的活動很頻繁和靠岸處有人工設施在建設。

D02斷面位于?？跒持胁?起于秀英港碼頭,臨近秀英港航道,斷面長約200 m(圖4)。由于海岸的人工開發(fā)和利用,D02斷面缺少前濱和后濱,而進入近濱,地形上整體表現(xiàn)為淺槽。

圖4 ?？跒持胁亢嗝鍰02地形變化Fig.4 The topography change of beach section D02 in the central part of the Haikou Bay

8月臺風“銀河”前(4月,6月)的2次測量結果顯示,D02斷面地形整體變化很小。由于南海明珠人工島和白沙角的影響,斷面區(qū)域受外海盛行波浪和海峽潮流的作用均較弱,加之水深逐漸較大,斷面地形變化較小。除離岸約170～190 m 的淺槽邊坡有明顯的侵蝕,最大侵蝕深度可達45 cm 左右,其余區(qū)域則有輕微的堆積,最大堆積厚度約20 cm。斷面的侵蝕深度大而范圍小,堆積的厚度較小而范圍較大,整體呈蝕積相對平衡之勢。臺風“銀河”過后,斷面離岸0～20 m 處有較明顯的堆積,最大堆積厚度約80 cm。這可能是與由臺風引起的強風浪使槽外泥沙向秀英港航道區(qū)域搬運有關。

2016年10月臺風“莎莉嘉”過后和2017年1月的2次測量結果顯示,受臺風引起的強風浪以及海口灣冬季較夏季強的風浪共同的作用,斷面地形受外海盛行波浪的作用較大。離岸30～80 m 淺槽邊坡發(fā)生較明顯的侵蝕,最大侵蝕深度約1.5 m。淺槽邊坡被侵蝕的泥沙向兩側搬運,槽內(nèi)表現(xiàn)為輕微的堆積,地形變化可能還受自東向西的沿岸輸沙的影響[11]。

D03斷面位于?？跒硸|部,起于海甸島北部岸灘白沙角附近,長約100 m。D03斷面地形變化曲線顯示(圖5),后濱寬而平,前濱窄而陡。后濱寬約85 m,離岸約75 m 處有沖浪形成的灘坎。前3次斷面測量結果顯示,斷面地形變化很小。灘坎至前濱斜坡有輕微的侵蝕,最大侵蝕深度約5 cm,后濱整體范圍有輕微的堆積,最大堆積厚度約3 cm。斷面地形同?？跒澄鞑勘O(jiān)測剖面D01斷面一樣,還具有季節(jié)性變化的特征,整體上夏緩冬陡,主要表現(xiàn)為冬季灘坎向岸的位移。前濱最大侵蝕深度約80 cm,后濱最大堆積厚度約50 cm。D03斷面位于南渡江三角洲北岸,盛行波浪的侵蝕作用、泥沙的向岸搬運作用以及南渡江主干河流泥沙的向西搬運作用等是造成后濱堆積灘面升高、前濱沖刷灘面降低的主要原因。

?？跒?條斷面地形測量結果顯示,海灘岸段受盛行波浪作用比較明顯,地形有季節(jié)性變化的特點。冬季相比于夏季,斷面前濱遭受較強的侵蝕,后濱則有不同程度的堆積發(fā)生。臺風引起的強風浪作用導致泥沙向岸搬運而形成堆積。

圖5 ?？跒硸|部海灘斷面D03地形變化Fig.5 The topography change of beach section D03 in the eastern part of the Haikou Bay

3.2 鋪前灣海灘地形變化特征

D04斷面位于鋪前灣的西部,斷面長約80 m。從D04斷面地形變化曲線可以看出(圖6),后濱窄而平,寬約50 m,離岸約40 m 處有沖浪形成的灘坎。前3次斷面測量結果顯示,斷面地形變化很小,整體上表現(xiàn)為輕微的侵蝕,最大侵蝕深度約20 cm。10月臺風“莎莉嘉”過后,斷面地形變化明顯,斷面離岸25～60 m的區(qū)域有明顯的侵蝕作用,其靠岸一側有不同程度的堆積作用,最大侵蝕深度約30 cm,最大堆積厚度約20 cm。

圖6 鋪前灣西部海灘斷面D04地形變化Fig.6 The topography change of beach section D04 in the western part of the Puqian Bay

2017年1月的測量結果顯示,冬季相比于夏季,斷面的后濱和前濱有明顯的堆積,最大堆積厚度約2.0 m。斷面地形季節(jié)性變化的特征與?？跒诚嗨啤Ｊ芙陙戆锻馊斯u—如意島建設的影響[12],斷面所在區(qū)域的潮流和波浪作用有所減小,而同時近幾十年來,南渡江河口來沙急劇減少[13],沿岸的供沙量減少,在兩者的共同影響下,夏季斷面地形變化較小。而冬季的風浪較夏季風浪的大,岸外水下沙波和沙脊等地貌的泥沙長時間內(nèi)在盛行波浪和海峽潮流共同作用下發(fā)生再懸浮和向岸搬運而形成堆積。

D05斷面位于鋪前灣的中部,長約70 m,地形變化見圖7,后濱不發(fā)育沖浪形成的灘坎。前3次斷面測量結果顯示,斷面地形變化很小。而10月臺風“莎莉嘉”過后,斷面地形變化明顯,最大侵蝕深度約1.0 m。相比于夏季,冬季前濱有明顯的侵蝕,后濱有輕微的堆積,與?？跒车匦巫兓卣飨嗨?。受如意島和東部海岸僚岸坡等遮擋的影響,波浪和潮流的作用減小,再者由于遠離南渡江入海口,沿岸輸沙量也較小,因而斷面夏季整體上地形變化會較小。而冬季長時間的強風浪作用造成斷面后濱堆積灘面升高,前濱沖刷灘面降低,前濱地形變化尤為明顯。

圖7 鋪前灣中部海灘斷面D05地形變化Fig.7 The topography change of beach section D05 in the central part of the Puqian Bay

3.3 木蘭灣海灘地形變化特征

D06斷面位于木蘭灣的中部,長約100 m。斷面地形變化曲線顯示(圖8),離岸約45 m 的后濱發(fā)育沖浪形成的灘坎,前濱較平坦。前3次斷面測量結果顯示,斷面地形變化很小,整體上表現(xiàn)為輕微的堆積,最大堆積厚度約20 cm。10月臺風“莎莉嘉”過后,斷面地形變化明顯,最大侵蝕深度約0.8 m。相比于夏季,冬季斷面前濱有明顯的侵蝕,而后濱表現(xiàn)為輕微的堆積,在灘坎處有明顯的堆積作用而導致冬季海灘灘坎的消失。斷面所在區(qū)域地形比較狹窄,潮流作用和波浪作用較大,導致沿岸輸沙量大于來沙量,地形整體上表現(xiàn)為侵蝕,堆積主要在后濱發(fā)育。

圖8 木蘭灣海灘斷面D06地形變化Fig.8 The topography change of beach section D06 in the Mulan Bay

4 結 語

對比分析研究區(qū)2016—2017年度不同月份海灘斷面高程測量數(shù)據(jù),結果表明?？跒?、鋪前灣和木蘭灣海灘地形均具有季節(jié)性變化的特點,主要表現(xiàn)為夏季地形變化幅度較小,而冬季地形變化幅度較明顯,斷面前濱主要遭受侵蝕作用,后濱則發(fā)生堆積作用。

研究區(qū)夏季以偏南風為主,且為離岸風,而冬季以偏北風為主,且為向岸風,加上冬季的風浪作用較夏季更強,是導致研究區(qū)冬季的地形變化幅度較夏季更為明顯的原因之一。近年來岸外人工島的建設和河流輸沙量的急劇減少等,也是斷面地形變化的主要影響因素。另外,局部區(qū)域頻繁的人類活動和大量的人工設施的建設也會造成海灘地形劇烈變化。