山東青島靈山灣南部海灘的時空演變及其影響因素*

吳 闖 張曉東 許淑梅 胡日軍 姜勝輝 楊作升

1 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，中國海洋大學，山東青島 2661002 中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島 266100

1 概述

海灘是陸地和海洋之間的過渡地帶，具有重要的社會、經(jīng)濟和生態(tài)價值(李廣雪等，2013；Ranasinghe，2016；Vousdoukasetal.， 2020)。海灘不斷調(diào)整其位置和形態(tài)以適應變化的天氣、氣候、海洋動力、海平面、陸源輸入、地殼升降和人類活動等(Bruun，1988；陳子燊，2000；蔡鋒等，2005；Jackson and Nordstrom，2020)。近幾十年來，在相對海平面持續(xù)快速上升以及河流入海泥沙銳減背景下，全球海灘普遍發(fā)生侵蝕(Luijendijketal.， 2018；Vousdoukasetal.， 2020)；在中國，高強度的沿海開發(fā)導致海灘侵蝕問題更加突出(蔡鋒等，2008；陳子燊等，2010；侯西勇等，2016；Zhangetal.， 2021)。

全面準確評估海灘的時空演變，是海灘侵蝕防護的前提。海灘實地測量數(shù)據(jù)可涵蓋整個海灘，數(shù)據(jù)精度也高，是研究海灘時空演變的基本手段；但實測海灘費時費力，長期、連續(xù)的實測數(shù)據(jù)僅局限在為數(shù)不多的幾個海灘(Turneretal.， 2016；黃祖明等，2021)。衛(wèi)星圖像時空范圍廣且有大量免費資源。使用衛(wèi)星圖像評估海灘的時空演變，對于缺乏長期連續(xù)實測數(shù)據(jù)的海灘的侵蝕防護具有重要意義(Zhangetal.， 2021)。

已有基于衛(wèi)星圖像的研究普遍選用幾幅至幾十幅衛(wèi)星圖像，先在圖像上識別海灘岸線，然后使用DSAS軟件(Thieleretal.， 2009)或其他軟件獲取海灘岸線在研究剖面上的位置變化，岸線提取過程相對繁瑣以致于采用的衛(wèi)星圖像數(shù)量有限。使用衛(wèi)星圖像研究海灘演變，研究結(jié)果的精度除受制于衛(wèi)星圖像的分辨率外，還受海灘剖面形態(tài)和歷史水位等諸多因素的制約，使用數(shù)量有限的衛(wèi)星圖像研究寬度和變化速率均相對較小的海灘的時空演變在準確性方面存在不足(Pardo-Pascualetal.， 2012；Zhangetal.， 2021)。

Zhang 等(2018，2019，2020)和張曉東等(2021)采用聚焦剖面方法直接提取海岸線在研究剖面上的位置，并開發(fā)了聚焦剖面的計算機輔助海岸線位置識別軟件(CASPRS)。聚焦剖面避免了在衛(wèi)星圖像上解譯和校正所有海岸線，有利于對大量衛(wèi)星圖像的處理；計算機輔助識別極大地放寬了衛(wèi)星圖像的篩選標準并確保了識別結(jié)果的正確性，研究結(jié)果的時間分辨率、精度和可靠性大幅提高(張曉東等，2021)。Zhang等(2021)進一步使用亞像素海岸線識別技術(shù)(Pardo-Pascualetal.， 2012，2018；Vosetal.， 2019)改進了CASPRS軟件，并基于880幅Landsat圖像綜合使用多種海灘岸線指標研究了海陽海灘的時空演變，研究結(jié)果揭示了河流輸沙減少、岸上工程和離岸工程等對海灘演變的影響和機制。

本研究綜合使用692幅Landsat和188幅Sentinel圖像，共880幅衛(wèi)星圖像，研究青島靈山灣南部海灘(簡稱“靈南海灘”)在1984—2021年的演變，基于海灘實測結(jié)果評估利用衛(wèi)星圖像得出的海灘岸線的誤差，目的在于深化和推進聚焦剖面、使用海量衛(wèi)星圖像評估海灘時空演變的研究，認識靈南海灘對自然變化和人類活動的響應。

2 研究區(qū)概況

靈山灣位于山東半島東南沿岸、青島市黃島區(qū)境內(nèi)。靈山灣沿岸發(fā)育多級地貌，高程50m以上為低山丘陵，隨高程降低依次發(fā)育剝蝕面、基座階地、沖積—洪積平原、海積平原、潮間淺灘和浪蝕平臺(崔承琦和李家豐，1987)。研究海灘位于靈山灣南部。靈南海灘長約10km，向陸微凹，兩側(cè)有岬角保護(圖1)。灘面沉積物為細砂和中砂(平均粒徑1.2～2.6Φ)，分選好至較好(分選系數(shù)0.38～0.83)(徐方建等，2014)，是青島市質(zhì)量較好的海灘(王永紅等，2017)。根據(jù)海灘地貌特征，崔承琦和李家豐(1987)認為靈南海灘的泥沙存在向南和向北2個輸運方向，優(yōu)勢方向為自北向南。徐方建等(2014)和趙永芳等(2016)基于海灘沉積物粒度的研究結(jié)果佐證了上述觀點。

底圖描繪自2021/3/12的Sentinel圖像，潮位相對于平均海平面為-2.03m，朝陽山嘴的形態(tài)描繪自早期的Landsat圖像圖 1 山東青島靈南海灘及研究剖面位置Fig.1 Location of Lingnan Beach in Qingdao and study transects in Shandong Province

風河又名王戈莊河，是本區(qū)最大的入海河流，長35km，流域面積303km2，1976—1982年的年均輸沙量為9×104t；本區(qū)其他河流還有兩河、大盧河(又名隱珠河)和青草河等(崔承琦和李家豐，1987)。在早期(1980s前)，大量河流入海泥沙的沿岸輸運導致靈南海灘向海淤進，淤進速率可達10～15m/a以上(崔承琦和李家豐，1987)。但近幾十年來，由于大量水壩的建設，山東半島河流入海泥沙幾近斷絕，加之海灘采沙和相對海平面上升的影響，山東半島濱海沙灘普遍侵蝕(莊振業(yè)等，1989)。由于建壩，包括修建于1957—1967年的鐵山大壩以及后期陸續(xù)在河道上修建的眾多攔河壩，本區(qū)最大河流——風河近年來的入海泥沙量基本為零，風河河口段反而因為海相來沙發(fā)生淤積(匡翠萍等，2019)。楊鳴等(2005)的研究結(jié)果表明，靈南海灘在2000年前后的平均侵蝕速率約為7m/a。

本區(qū)潮汐屬正規(guī)半日潮，平均高、低潮位分別為1.38、-1.40m。近岸潮流為順岸往復流，漲潮流向SW、落潮流向NE。本區(qū)常浪向為S向，頻率為48%；強浪向為SE向，最大波高7.6m。9216號臺風(Polly)導致青島沿岸在1992/8/31—9/1日出現(xiàn)風暴潮，致使膠南(靈南海灘當時屬膠南)部分岸線后退12～14m(王文海等，1994；張曉慧等，2006)。

靈南海灘北鄰1984年成立的國家級青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)。在2014年，經(jīng)國務院批復，青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的范圍擴大至黃島區(qū)全境，靈南海灘目前在開發(fā)區(qū)境內(nèi)。近10年來，靈南海灘周邊發(fā)展迅速。城市陽臺和海軍公園建于2012年，海灘北側(cè)和南側(cè)的堤壩分別建于2013和2016年，海灘北側(cè)岬角——朝陽山嘴周邊海域在2014年被圈圍，海灘北側(cè)的大型離岸人工島——星光島建于2014年。

3 研究資料與方法

3.1 衛(wèi)星圖像來源和預處理

本研究使用谷歌地球引擎(GoogleEarthEngine，https: //earthengine.google.com/)云平臺下載靈南海灘1984—2021年云量小于80%的所有Landsat和Sentinel圖像。人工刪除50%海灘岸線不可見的圖像，剩余880幅圖像(圖 2)。Landsat和Sentinel圖像的分辨率分別為30m和10m。為方便后續(xù)處理，Landsat圖像的分辨率采用雙三次插值方法提升至10m。衛(wèi)星圖像利用近紅外、紅和綠波段合成，合成圖像根據(jù)每個波段數(shù)值的頻率分布進行了增強。在合成圖像上，植被為紅色，濕沙灘為褐色，水體為藍色，干沙灘、浪花和云為灰白色(圖 3)。

A—衛(wèi)星圖像的時間和類型；B—衛(wèi)星圖像每年的數(shù)量圖 2 山東青島靈南海灘1984—2021年的Landsat和Sentinel圖像信息Fig.2 Information of the Landsat and Sentinel images of Ling-nan Beach in Qingdao of Shandong Province from 1984 to 2021

A—2021/3/26日的Landsat圖像；B—2021/3/22日的Sentinel圖像圖 3 計算機輔助海岸線位置識別軟件(CASPRS)界面以及干濕線和水邊線在山東青島靈南海灘剖面上的位置Fig.3 Operation interface of computer-aided shoreline position recognition software(CASPRS)and positions of dry/wet line and waterline on study transect in Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

3.2 水邊線和干濕線位置的提取

水邊線是海灘和海水之間的瞬時分界線，干濕線則是上次高潮時海水在海灘上留下的痕跡線(Boak and Turner，2006；Pagnetal.， 2016；Zhangetal.， 2021)。本研究設置6條剖面T1～T6(圖 1)并使用CASPRS軟件提取水邊線和干濕線在剖面上的位置(圖 3)。CASPRS軟件以亞像素的分辨率通過自動和交互2種方式識別海灘岸線在研究剖面上的位置，自動識別的分辨率為1m，交互識別的分辨率取決于圖像的放大倍數(shù)。CASPRS軟件可對圖像進行1～30倍的縮放，在放大倍數(shù)為10時，交互識別的分辨率為1m。先用該軟件自動提取水邊線和干濕線在研究剖面上的位置，然后逐一檢查和更正。

3.3 海灘剖面形態(tài)反演和坡度計算

水邊線在海灘剖面上的位置受瞬時潮位控制。當潮位較高時，海灘出露較少，水邊線位置靠近剖面起點，潮位較低時相反。干濕線在剖面上的位置主要受歷史高潮水位的影響，變化規(guī)律與水邊線一致。本研究采用潮汐模擬模型NAO.99b(Matsumotoetal.， 2000)計算本區(qū)的歷史潮位，計算結(jié)果為逐時潮位。Zhang等(2018)研究表明，NAO.99b 模擬結(jié)果不包含潮位季節(jié)變化信息，因此，參照Zhang等(2018)的方法，本研究采用青島港潮高的季節(jié)改正值(國家信息中心，2019)對模擬潮位進行校正。衛(wèi)星圖像拍攝時(精確到秒)的瞬時潮位根據(jù)逐時模擬潮位采用線性插值方法得出，衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位采用模擬潮位在衛(wèi)星圖像拍攝前25h內(nèi)的最大值。本研究還收集了2011/10/1—31日丁家咀碼頭(靈南海灘東北6km)的實測潮位，并對模擬潮位進行了誤差評估。

3.4 平均高潮線和低潮線的計算方法

雖然干濕線位置受上次高潮位影響，但其變化幅度相對較小，再加上本研究采用的衛(wèi)星圖像較多，因此，本研究直接使用干濕線指標指代海灘的高潮線，并用其平均值或擬合值指示平均高潮線。受潮位波動的影響，水邊線位置的變幅較大，本研究使用分段潮位校正方法計算低潮線的位置，進而使用其平均值或擬合值指示平均低潮線(Zhangetal.， 2021)。參照Zhang 等(2021)并根據(jù)靈南海灘的剖面形態(tài)，本研究選用歷史潮位在-1.4～0.5m的水邊線位置，根據(jù)公式(1)計算低潮線的位置：

P低潮線=P水邊線-(平均低潮位-瞬時潮位)÷tan(坡度)

(1)

其中P低潮線和P水邊線分別為低潮線和水邊線在剖面上的位置，本區(qū)的平均低潮位是-1.4m，坡度的單位是度。

3.5 誤差評估方法

在海灘岸線識別過程中，發(fā)現(xiàn)Sentinel圖像存在明顯的系統(tǒng)偏移。為評估該系統(tǒng)偏移并消除其影響，本研究選擇平行于海灘岸線的4個線狀地物(道路中心和水塘邊緣)，平行于研究剖面設置了4條校準剖面C1～C4，利用CASPRS軟件識別2015年后上述4個線狀地物在校準剖面上的位置，進而比較和校準Landsat和Sentinel圖像的系統(tǒng)偏移。本研究利用RTK實測結(jié)果評估根據(jù)衛(wèi)星圖像得出的高、低潮線的系統(tǒng)誤差，與RTK實測值比較的是上述2個指標最近1年(2020/4/29—2021/4/28)的平均值。最近1年高、低潮線的標準偏差被用來評估其隨機誤差。

4 結(jié)果

4.1 衛(wèi)星圖像中的歷史潮位

本區(qū)的模擬和實測潮位基本一致，平均絕對誤差為0.14m，相關系數(shù)為0.99，但在實測潮位低于-0.5m時模擬潮位偏高約0.1m(圖 4)。利用模擬潮位得出的靈南海灘衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位在0.51～2.35m，其均值與本區(qū)平均高潮位一致；衛(wèi)星圖像拍攝時的瞬時潮位在-2.47～1.80m，均值(-0.36m)顯著低于平均海平面(圖 5-A)。

A—2011/10/1—31日青島丁家咀碼頭(35°55′N，120°8′E)的實測潮位和NAO.99b(Matsumoto et al.， 2000)模擬潮位；B—上述實測潮位和模擬潮位的交匯圖；C—模擬潮位的系統(tǒng)偏差圖 4 山東青島靈南海灘潮位數(shù)據(jù)分析Fig.4 Data analysis of tidal height of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

A—衛(wèi)星圖像拍攝前的大潮高潮位和拍攝時的瞬時潮位；B—1984—2021年日內(nèi)逐時平均潮位；C—青島港潮位的季節(jié)性波動圖 5 山東青島靈南海灘歷史潮位及其季節(jié)和日內(nèi)波動Fig.5 Historical water levels and the seasonal and daily tidal height deviations of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

4.2 干濕線和水邊線的位置

圖 6為干濕線和水邊線在靈南海灘T1～T6剖面上的位置。水邊線位置的波動范圍較大，在150～300m，干濕線位置的波動范圍較小，不到30m，干濕線位于水邊線靠岸一側(cè)。在時間變化方面，干濕線位置呈階段性向岸蝕退的趨勢，靠岸側(cè)水邊線位置的變化與干濕線位置的變化一致，但靠海側(cè)水邊線位置的變化趨勢不明顯。在所有880幅衛(wèi)星圖像上，水邊線和干濕線位置的平均提取率分別為91%和71%。

4.3 海灘剖面形態(tài)和坡度

根據(jù)干濕線和水邊線位置的時間變化(圖 6)，選擇變化較小的時段，結(jié)合模擬潮位，本研究分別繪制了T1～T6剖面早期(T1～T5剖面為1984—1995年，T6剖面為1984—1991年)和晚期(2010—2021年)的形態(tài)，并選取晚期的剖面形態(tài)與RTK實測結(jié)果進行了對比(圖 7)。

圖 6 山東青島靈南海灘T1～T6剖面干濕線和水邊線位置Fig.6 Dry/wet line and waterline positions on transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

圖 7 山東青島靈南海灘T1～T6剖面形態(tài)和坡度Fig.7 Shape and slope of transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

靈南海灘早期的剖面形態(tài)呈兩段式，分界線的潮位在T1～T4和T5～T6剖面分別為0.5m和1m。上段較陡，坡度在3.4°～17°；下段較緩，坡度在0.8°～1.1°。在晚期，原上下段分界線的潮位未變，上段坡度也基本不變；下段的形態(tài)在中部T3～T4剖面變化較小，但在南北兩側(cè)的T1～T2和T5～T6剖面卻發(fā)生了明顯分化。T1～T2和T5～T6剖面下段分別在-1.7m和-1.5m潮位處發(fā)生轉(zhuǎn)折，本研究進一步把其分為中段和下段。在晚期，T1～T2和T5～T6剖面中段侵蝕顯著，但坡度僅在T5剖面變化較大；下段的侵蝕上大下小，坡度明顯變緩至0.3°～0.4°。

4.4 平均高潮線和低潮線的演變

靈南海灘平均高、低潮線在1984—2021年發(fā)生了階段性、基本同步的變化(圖 8)。T1、T2和T6剖面的平均高潮線分別在1997—2006、2004和1992—1997年發(fā)生快速侵蝕，侵蝕速率為7.2m/a、約60m/a和11.9m/a，總侵蝕量為66m、30m和71m，持續(xù)時間分別為9.2年、0.5年和6.0年；平均低潮線快速侵蝕的起始時間與平均高潮線一致，但侵蝕速率和總侵蝕量略小，侵蝕結(jié)束時間滯后1～3年。在其他時期，平均高潮線、低潮線的侵蝕速率分別在-0.3～1.3m/a和-0.7～2.0m/a，平均低潮線侵蝕速率的變幅較大。

圖 8 山東青島靈南海灘平均高、低潮線在T1～T6剖面的演變Fig.8 Position changes of mean high- and low-water lines on transects T1～T6 of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

4.5 誤差評估結(jié)果

上述4個用于校準的線狀地物在Landsat和Sentinel圖像上的平均位置之差為0.6～2.3m，說明從谷歌地球引擎下載的Landsat和Sentinel圖像的地理位置基本一致、2個圖像庫可對比。4個線狀地物在Sentinel圖像上的位置存在較強的正相關關系，相關系數(shù)為0.64～0.75，而其在Landsat圖像上的位置的相關性普遍較差，說明Sentinel圖像存在系統(tǒng)性位置偏差而Landsat圖像的系統(tǒng)性位置偏差較小。本研究采用上述4個線狀地物相對其平均位置的偏離值的均值作為校正量，對干濕線和水邊線在Sentinel圖像上的位置進行了校正。4.2節(jié)至4.4節(jié)中的數(shù)據(jù)均為校正后的結(jié)果。

平均高、低潮線在Sentinel和Landsat圖像上的系統(tǒng)和隨機誤差見表 1?？傮w上，平均高潮線的誤差較小，平均低潮線的誤差較大。平均高、低潮線在Sentinel圖像上的誤差普遍小于其在Landsat圖像上的誤差，但平均低潮線的系統(tǒng)誤差例外。

表 1 山東青島靈南海灘平均高、低潮線在Sentinel和Landsat圖像上的系統(tǒng)和隨機誤差(m)Table 1 Systematic and random errors(m) of mean high- and low-water lines on Sentinel and Landsat images of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

5 討論

5.1 海灘岸線的位置誤差及其影響因素

靈南海灘平均高潮線的系統(tǒng)誤差為3.7～8.2m(表 1)，與Pardo-Pascual等(2018)得出的3.1～5.5m基本相當；平均高潮線的隨機誤差為6.0～7.5m(表 1)，與Pardo-Pascual等(2018)得出的4.9～6.5m和Zhang等(2021)得出的7.8m也基本相當。然而Vos等(2019)得出的海灘岸線的系統(tǒng)誤差僅為0.5～2.0m，但其隨機誤差較大，為7.3～12.7m。Vos等(2019)采用神經(jīng)網(wǎng)絡識別海灘岸線，在原理上，使用無偏數(shù)據(jù)集訓練神經(jīng)網(wǎng)絡可以使系統(tǒng)誤差為0。但是，由于潮位誤差和海水的透光性等諸多因素的影響，利用海灘剖面形態(tài)和瞬時潮位得出的水邊線與衛(wèi)星圖像上的水邊線并不是同一條線，而且前者在衛(wèi)星圖像上的解譯特征相對不夠明確，這可能是Vos等(2019)識別結(jié)果的隨機誤差偏大的原因。

靈南海灘平均低潮線的隨機誤差為14.8～19.8m(表 1)，顯著高于Pardo-Pascual等(2018)和Vos等(2019)的上述結(jié)果，這主要是由于靈南海灘在-1.4～0.5m區(qū)間(計算平均低潮線的潮位區(qū)間)的坡度較小所致。靈南海灘在-1.4～0.5m區(qū)間的坡度為0.8°～1.3°(圖 7)，相當于1︰72～1︰44，顯著小于Pardo-Pascual等(2018)和Vos等(2019)所研究海灘1︰23～1︰5的坡度。海灘坡度越小，由于潮位誤差和海灘剖面的不規(guī)則形態(tài)引起的海灘岸線誤差越大(Zhangetal.， 2021)。根據(jù)Zhang等(2021)在山東半島海陽海灘得出的計算公式以及T1～T6剖面在-1.4～0.5m區(qū)間的坡度，靈南海灘隨機誤差的計算結(jié)果為11.4～14.1m，比本研究結(jié)果略小。區(qū)別于海陽海灘，靈南海灘的剖面形態(tài)起伏較大，例如在T3剖面發(fā)育有潮間帶沙壩(圖 7)，以致T3剖面的平均低潮線波動較大(圖 8)，其隨機誤差也偏大(表 1)。

靈南海灘平均低潮線的系統(tǒng)誤差為11.4～22.7m(表 1)，相對較大。本研究的模擬潮位在實測潮位低于-0.5m時偏高約0.1m，這會導致通過潮位校正得出的靈南海灘平均低潮線偏大4～7m。由于海水的透光性，衛(wèi)星反演的低潮線相對實測的平均低潮線更靠海，進一步加大了平均低潮線的系統(tǒng)誤差。另外，本研究依據(jù)單次海灘測量進行誤差評估，評估結(jié)果還受海灘剖面季節(jié)變化的影響。

海灘岸線的系統(tǒng)誤差對計算海灘變化速率影響較小(Luijendijketal.， 2018；Zhangetal.， 2021)，但對反演剖面形態(tài)影響較大，利用衛(wèi)星反演得出的海灘坡度相對實測結(jié)果普遍偏小(圖 7)。上述系統(tǒng)誤差仍需通過更多次的海灘剖面重復測量進一步評估，并根據(jù)評估結(jié)果對衛(wèi)星反演結(jié)果進行校正。海灘岸線的隨機誤差由于其內(nèi)在的隨機性不能被校正，但可通過大量衛(wèi)星圖像的應用減弱其影響。因此，研究寬度和變化速率均相對較小、研究結(jié)果對誤差較為敏感的海灘的演變，采用的衛(wèi)星圖像越多越好。

5.2 影響靈南海灘演變的因素

如上所述，靈南海灘的T1、T2和T6剖面在歷史上發(fā)生了階段性的快速侵蝕(圖 8)。T1剖面平均高潮線在1997—2006年的快速侵蝕與海灘上部挖沙有關。海灘上部挖沙留下的沙坑與海灘有沙埂間隔，在正常海況下，海灘岸線尚能維持，但在風暴潮來臨之際，狹窄的沙埂易被摧毀，造成海灘岸線顯著后退(王文海等，1994)。根據(jù)T2剖面附近養(yǎng)殖場改建前后的衛(wèi)星圖像可知，T2剖面平均高潮線在2004年的快速后退應與其周邊養(yǎng)殖場的改建有關，改建后養(yǎng)殖場的寬度比原來顯著減小。根據(jù)1992—1997年的衛(wèi)星圖像可知，T6剖面平均高潮線在1992—1997年的快速侵蝕與其周邊養(yǎng)殖場靠海側(cè)堤壩的破壞有關： 在1992/6/30，養(yǎng)殖場外側(cè)海灘的干灘已經(jīng)消失，經(jīng)過9216號臺風(1992/8/31—9/1)，在1992/9/18養(yǎng)殖場外側(cè)海灘的堤壩出現(xiàn)決口，決口持續(xù)擴大直至1998年才恢復。另外，9216號臺風后的海灘決口并不大，但一直到5年后才恢復說明該養(yǎng)殖場當時已廢棄。

沙埂和堤壩損壞后，平均高潮線隨即開始快速侵蝕，平均低潮線的侵蝕相對滯后。T1、T2和T6剖面下段(-1.7～-1.5m以下)的侵蝕相對中段較小(圖 7)，這可能與海灘灘面泥沙在沖流帶(swash zone)的上沖有關。沖流帶位于瞬時水位附近，是潮汐和波浪等引起的上下沖流聯(lián)合作用的地帶(Masselink and Puleo， 2006；Puleo and Torres-Freyermuth，2016；黎樹式等，2017)，其在海灘剖面上的位置目前尚無嚴格界定。本研究根據(jù)本區(qū)潮位的頻率分布，選擇潮位分布頻率大于最大頻率50%的區(qū)間作為沖流帶在海灘剖面上的位置(圖 9)。根據(jù)該方法，靈南海灘沖流帶的下界位于-1.5m左右，與T1～T2和T5～T6剖面的侵蝕情況基本一致(圖 7)。平均高潮線的快速蝕退給沖流帶的上沖泥沙提供了容納空間，進而造成沖流帶的侵蝕以及平均低潮線的快速蝕退。

圖 9 山東青島靈南海灘歷史潮位的頻率分布和沖流帶Fig.9 The frequency distribution of historical tidal heights and the swash zone of Lingnan Beach in Qingdao of Shandong Province

盡管已有研究揭示了臺風對山東半島海岸有較強的破壞作用(王文海等，1994；高偉等，2020)，而且本研究也顯示9216號臺風導致靈南海灘在T6剖面附近潰岸，但是，9216號臺風在T6剖面處直接產(chǎn)生的海灘侵蝕量相對較小，在靈南海灘其他剖面處也未造成明顯的海灘侵蝕，且其他時期的風暴潮(張曉慧等，2006)也未對靈南海灘的侵蝕產(chǎn)生明顯影響(圖 6，圖 8)，這說明導致靈南海灘快速侵蝕的主要原因是沿岸挖沙、養(yǎng)殖場的廢棄，風暴潮僅起次要的輔助作用。

除在上述3個時段發(fā)生快速侵蝕外，靈南海灘普遍發(fā)生慢速侵蝕(圖 8)，這是相對海平面上升和河流入海泥沙銳減等的必然結(jié)果。河口附近的T3剖面的平均高、低潮線以及北部的T5～T6剖面的平均低潮線侵蝕速率相對較大，在1.3～2.0m/a。T3剖面位于河口附近，該處海灘的侵蝕應與河流入海泥沙減少有關。T5～T6剖面平均低潮線的侵蝕除與周邊河流入海泥沙減少有關外，還與前述的本區(qū)泥沙優(yōu)勢輸運方向為自北向南有關。截至目前，T5～T6剖面平均高、低潮線的長期慢速侵蝕趨勢未發(fā)生明顯改變(圖 8)，本區(qū)北部2013—2014年的圍填海工程(包括星光島)對靈南海灘長期演變的影響尚不明確。

6 結(jié)論和建議

本研究基于880幅衛(wèi)星圖像，利用CASPRS軟件識別干濕線和水邊線在研究剖面上的位置；結(jié)合模擬潮位分析海灘剖面形態(tài)并計算海灘坡度，利用干濕線得出海灘平均高潮線，通過潮位校正得出平均低潮線，采用多種指標綜合研究靈南海灘在1984—2021年的時空演變；結(jié)合歷史資料分析影響因素，還利用海灘實測數(shù)據(jù)對研究結(jié)果進行誤差評估。大量衛(wèi)星圖像的應用提高了研究結(jié)果的時間分辨率、精度和可靠性。

在靈南海灘，衛(wèi)星提取的平均高潮線的系統(tǒng)誤差為3.7～8.2m，隨機誤差為6.0～7.5m，與目前最精確的研究結(jié)果相當；平均低潮線的系統(tǒng)誤差為11.4～22.7m，隨機誤差為14.8～19.8m，相對較大。靈南海灘中下部較緩的剖面形態(tài)是其平均低潮線誤差較大的主要原因。除海灘坡度外，海灘剖面不規(guī)則的形態(tài)、模擬潮位的誤差、海水的透光性以及海灘剖面的季節(jié)變化等也會影響海灘岸線的誤差。

靈南海灘的部分岸段發(fā)生了階段性快速侵蝕。該快速侵蝕發(fā)生在研究區(qū)北部的T1、T2剖面以及南部的T6剖面，發(fā)生時間分別為1997—2006年、2004年和1992—1997年；平均高潮線的侵蝕速率為7.2～60m/a，總侵蝕量為30～71m，持續(xù)時間為0.5～9.2年；平均低潮線的開始侵蝕時間與平均高潮線一致，總侵蝕量大致相當，但結(jié)束時間滯后1～3年，侵蝕速率稍小。該快速侵蝕主要是海灘挖沙、養(yǎng)殖場改建和廢棄等人為因素造成的，風暴潮起次要的輔助作用。為避免海灘的快速侵蝕，海灘挖沙應杜絕，距海灘較近的養(yǎng)殖場“退養(yǎng)還灘”后，應對養(yǎng)殖場進行回填。在其他時段，靈南海灘普遍發(fā)生緩慢侵蝕，侵蝕速率一般小于2m/a，這是相對海平面上升和河流入海泥沙銳減等的結(jié)果。

致謝感謝審稿專家提出了寶貴的意見和建議，感謝中國海洋大學本科生研究發(fā)展計劃(OUC-SRDP)的支持，還感謝檀夏偉、王佳星、張家寶、李胤輝和張亞榮同學對本研究的貢獻。與本研究有關的野外調(diào)查照片和典型衛(wèi)星圖像請參見OSID，這些圖片以及CASPRS軟件也可以通過https: //github.com/ouczxd/CASPRS訪問和下載。