海平面上升—夾河斷流背景下煙臺(tái)套子灣海灘砂粒度變化

劉立新，王昕，陳浩宇，李訓(xùn)鵬，3

(1.哈爾濱師范大學(xué)寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025；2.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025；3.華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

0 引言

在氣候變暖背景下，全球平均海平面上升，導(dǎo)致近岸波浪和潮汐能量增加，加劇海岸蝕退和岸灘下蝕。我國(guó)約有60%～70%左右的砂質(zhì)海岸線處于蝕退狀態(tài)[1-2]。山東省沙灘岸線總長(zhǎng)約335km[3]，北部分布較為典型的砂質(zhì)海灘，已有研究表明該區(qū)海灘灘面呈現(xiàn)侵蝕堆積交替變化的狀態(tài)，以侵蝕為主，20世紀(jì)70年代以來，山東半島海灘侵蝕形式日益嚴(yán)峻，有74%的沙灘受人工干預(yù)，80%砂質(zhì)海灘遭受侵蝕[3-5]，其中煙臺(tái)、威海等地侵蝕嚴(yán)重，表現(xiàn)在海灘沉積物呈變粗的趨勢(shì)[6]。遙感數(shù)據(jù)揭示煙臺(tái)套子灣兩側(cè)侵蝕速率達(dá)1.0～2.3m/a，每年損失土地面積3961～38851m2，已經(jīng)影響到了沿海公路的安全[7]。

套子灣外來泥沙很少，主要是河流輸沙和潮流輸沙及侵蝕海岸來沙[8]，河流輸沙主要是從夾河入?？谙驏|西兩側(cè)沿岸運(yùn)輸[9]。隨著夾河斷流天數(shù)日益增加，河流入海輸沙量日益減少，夾河河口及附近海灘將面臨更為強(qiáng)烈的海洋動(dòng)力改造，侵蝕加強(qiáng)。砂質(zhì)海灘侵蝕的主要表現(xiàn)除了海岸線后退，海灘變窄、變薄，坡度變陡，還表現(xiàn)在海灘沉積物粒徑粗化[3，10-17]。沉積物的粒度特征是反映沉積環(huán)境的重要參數(shù)，與地貌類型、水動(dòng)力條件、物質(zhì)來源和搬運(yùn)方式等因素密切相關(guān)[18-21]。在物源一定的情況下，可以通過粒度特征的變化來反演影響沉積物沉積的水動(dòng)力環(huán)境[22-23]。

本文對(duì)煙臺(tái)套子灣2021年與2005—2006年夾河口東西兩側(cè)海灘砂的粒度特征進(jìn)行對(duì)比分析(圖1)，揭示近16年來套子灣海灘沉積物粒度特征變化對(duì)全球海平面上升—夾河入海水沙減少等過程的具體響應(yīng)，研究結(jié)果對(duì)套子灣的未來規(guī)劃利用及其環(huán)境防治有著重要的意義。

圖1 套子灣研究區(qū)地圖(a—研究區(qū)位置及取樣區(qū)示意圖；b—海灘橫剖面中灘面采樣點(diǎn)位置)

1 區(qū)域概況

煙臺(tái)大陸海岸線總長(zhǎng)909km,以自然沙質(zhì)海岸線為主，占全市大陸海岸線總長(zhǎng)度的44.30%，約339.2km[24-25]，海岸帶地表覆蓋以自然覆蓋為主[26]。套子灣位于山東煙臺(tái)北部，西起龍門眼，東至芝罘島西北角，呈凹弧形向北敞開。歷史時(shí)期由夾河口的東移漂沙和芝罘島上侵蝕下來的礫石在島南的波影區(qū)堆積連接起來逐漸形成了芝罘島連島沙壩[27]，該壩于18世紀(jì)才整體成為露出低潮面的沙洲，并在一個(gè)世紀(jì)以后才成為露出高潮面之上的海岸低地[28]。套子灣則是在連島沙壩芝罘島形成后的開敞式次生灣，自1993年于夾河口西側(cè)修建突堤后[9]，河口附近再無其他明顯的人為改造工程，2000年后近岸挖沙工程減少，套子灣岸線變化不再明顯[8]，海灘沉積物長(zhǎng)期以受海水動(dòng)力改造為主。灣內(nèi)以風(fēng)浪為主，強(qiáng)浪為NE向，常浪為NW向，潮流的運(yùn)動(dòng)方式在東部以旋轉(zhuǎn)流為主，西部以往復(fù)流為主[8-9]，這種運(yùn)動(dòng)方式促進(jìn)了夾河河口物質(zhì)的沿岸運(yùn)輸。

膠東半島注入套子灣最大的河流是夾河，發(fā)源于低山丘陵，源近流短，比降較大，雨季河水暴漲，流量驟增，汛期多年平均天然徑流量占全年80%以上[29]。但夾河在近37年時(shí)間內(nèi)，每年斷流天數(shù)幾乎都在100天以上，2000年以后，斷流天數(shù)增多，斷流現(xiàn)象逐年加劇，年斷流天數(shù)基本都在300天以上，徑流量日益減少，輸沙量急劇減小，對(duì)夾河口東西兩岸的海岸地貌產(chǎn)生了巨大的影響。

2 材料與方法

考慮到海灘中灘面為波浪上沖流和回流密集作用區(qū)，對(duì)海灘動(dòng)力過程響應(yīng)敏感，2021年3月分別在夾河?xùn)|西兩側(cè)海灘的中灘面(包括夾河?xùn)|沙嘴附近)每間隔一定距離的10cm×10cm樣方表層上，均勻刮取約1cm深的樣品約500g。其中夾河口東部取樣位置為自東向西每隔20m取一次樣品，共取5個(gè)，記JHD1～JHD5；夾河?xùn)|部沙嘴處自西向東每隔20m取一次樣品，取3個(gè)，記沙嘴1、沙嘴2、沙嘴3；兩突堤間自東向西每次間隔50～100m取一次樣品，共取12個(gè)樣品，記JHX1～JHX12(圖1)。

用篩析法對(duì)海灘砂樣品進(jìn)行粒度分析。每個(gè)樣品隨機(jī)取約120g海灘砂，加入清水靜置12h去除樣品中所含的鹽分和大生物碎屑，洗鹽兩次后加入烘干箱，調(diào)節(jié)至75℃烘干12h后取出稱重。選取0～4Φ的套篩，套篩粒徑間距為1/2Φ，篩樣后將每一粒級(jí)分別放入1/10000g的電子天平中稱重后，放入收納袋中保存。利用Origin中Akima Spline插值運(yùn)算，基于圖解法讀取粒度累積曲線上累積含量分別為5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%對(duì)應(yīng)的粒徑值，依據(jù)Fork和Word圖解公式計(jì)算得出常用粒度參數(shù)[29]。

3 研究結(jié)果

夾河口東側(cè)沙嘴處樣品的平均粒徑1.01～1.22Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.37～0.45，分選為好，偏態(tài)系數(shù)為-0.13～-0.06，偏度以微弱負(fù)偏和近對(duì)稱為主，峰度為1.11～1.19，屬于不明顯的窄峰態(tài)。夾河口東側(cè)中灘面海灘砂樣品的平均粒徑值介于1.39～1.64Φ，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.33～0.45，屬于分選極好和好，偏態(tài)系數(shù)為-0.19～0.20，多數(shù)呈近對(duì)稱和微負(fù)偏，峰度介于0.86～1.30，屬于中等至微寬。夾河口西岸中灘面海灘砂樣品的平均粒徑值介于1.47～1.91Φ(表1)，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.23～0.38，屬于分選極好和好，偏態(tài)系數(shù)為-0.10～0.30，多為近對(duì)稱分布，峰度大部分0.77～1.30，屬于中等至寬，總的來說，夾河?xùn)|西兩側(cè)均具有典型的海灘砂特征。

所有樣品的頻率分布曲線均表現(xiàn)為近正態(tài)分布，屬于典型的海灘砂沉積物粒度分布特征。不同粒級(jí)組分百分含量分布表明夾河西海灘砂中主要組分為中砂和細(xì)砂，夾河?xùn)|及沙嘴樣品中的粗砂、中砂含量更高(圖2)。

夾河口沙嘴處樣品的概率累積曲線以兩段式為主(圖3)，沙嘴-1甚至可以歸為一段式，沉積物組分較單一，表明其沉積動(dòng)力單一，沙嘴樣品受到較強(qiáng)改造。兩側(cè)海灘砂樣品概率累積曲線表現(xiàn)為三段式，樣品中包含有躍移、推移和懸移組分，夾河?xùn)|側(cè)樣品推移組分和躍移組分之間的粗截點(diǎn)在1Φ左右，推移組分含量在2%～10%之間，躍移組分和懸移組分之間的細(xì)截點(diǎn)位于2.2Φ左右，懸移組分含量小于2%，躍移組分含量最高。夾河西側(cè)樣品概率累計(jì)曲線也表現(xiàn)為三段式，推移組分和躍移組分的粗截點(diǎn)在1Φ左右，推移組分含量小于2%，躍移組分和懸移組分之間的細(xì)截點(diǎn)在2～2.3Φ之間，懸移組分含量小于2%，躍移組分含量高達(dá)95%左右。

表1 夾河海灘沙礫砂粒度參數(shù)分布

4 討論

研究表明，夾河口沙嘴處海灘砂樣品最粗，平均粒徑在1.01～1.22Φ(表1)，樣品中中砂含量高達(dá)60%，粗砂含量在40%(圖3)，沉積物組分缺少懸浮組分，以躍移質(zhì)為主(圖3)，組分較單一，表明沙嘴處動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)且相對(duì)穩(wěn)定，沉積物受到波浪長(zhǎng)期改造。夾河?xùn)|部海灘砂樣品明顯比夾河口西側(cè)的海灘砂樣品偏粗(表1，圖2)，夾河?xùn)|側(cè)海灘砂中的粗砂和中砂含量相對(duì)夾河西側(cè)海灘砂樣品高(圖2)，而細(xì)砂組分相對(duì)夾河西側(cè)樣品偏低，兩者概率累積曲線的粗、細(xì)截點(diǎn)位置差別不大，夾河?xùn)|部海灘砂中滾動(dòng)組分的含量略高，約2%，夾河西側(cè)海灘砂的滾動(dòng)組分含量不足1%(圖3)。夾河?xùn)|側(cè)和西側(cè)海灘砂的粒度差異表明現(xiàn)在夾河口東側(cè)區(qū)域水動(dòng)力較夾河口西側(cè)強(qiáng)。

圖2 頻率分布曲線

圖3 概率累積曲線

將2021年夾河河口附近中灘面海灘砂粒度數(shù)據(jù)與2005—2006年該地區(qū)海灘砂粒度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，16年來夾河口兩側(cè)沉積物粒度明顯粗化(表2)，分選變的更好。夾河口東側(cè)海灘砂的平均粒徑由2005年的1.71～2.62Φ，變?yōu)?021年的1.39～1.64Φ；海灘砂主要組分的粒徑值明顯粗化，由2005年的1.5～3Φ變?yōu)?021年的1～2.5Φ，偏粗約0.5Φ；2021年東側(cè)海灘砂中的躍移組分的粒徑值為1～2Φ，2005年海灘砂躍移組分的粒徑值介于1.5～2Φ和3Φ之間，躍移組分變粗，概率累積曲線的粗細(xì)截點(diǎn)粗化0.5～1Φ(表2)。夾河口西側(cè)海灘砂平均粒徑近16年也明顯變粗，由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ，概率累積曲線中的粗細(xì)截點(diǎn)位置相比偏粗0.5～1Φ(表2，圖4)。西側(cè)海灘砂標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.27～0.65降低至0.23～0.38，東側(cè)海灘砂標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.31～0.51(其中靠近河口處的約0.40～0.50[9])，降低至2021年的0.33～0.45(樣品均相對(duì)位于河口附近)，分選變好(表2、圖4)。

表2 2021年與2005年夾河附近海灘樣品粒度參數(shù)對(duì)比

圖4 2021年海灘砂與2005年海灘砂平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差分布

海灘砂粒徑粗化是海岸侵蝕的重要表現(xiàn)之一，粒度數(shù)據(jù)對(duì)比表明目前在夾河口附近的砂質(zhì)海灘出現(xiàn)了較為明顯的侵蝕。在以往對(duì)套子灣泥沙運(yùn)動(dòng)中的研究中表明，夾河具有向套子灣兩側(cè)海灘運(yùn)輸泥沙的能力[9]，而套子灣外來泥沙很少[8]。根據(jù)現(xiàn)有1981—2017年的夾河徑流資料，發(fā)現(xiàn)37年間有36年發(fā)生了斷流現(xiàn)象，1980年后斷流天數(shù)基本在100天以上，在2000年以后，斷流現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，基本都在300天以上(圖5)?？梢哉J(rèn)為現(xiàn)在的夾河幾乎不向河口區(qū)提供泥沙，即現(xiàn)代夾河口附近包括整個(gè)套子灣海灘砂的來源主要是歷史時(shí)期夾河供應(yīng)的，現(xiàn)代夾河入海沿岸輸沙貢獻(xiàn)微弱，歷史時(shí)期搬運(yùn)到海岸帶地區(qū)的泥沙受到海洋動(dòng)力的充分改造。

圖5 夾河1967—2017年斷流天數(shù)(煙臺(tái)市水利局，夾河生態(tài)流量(水位)試點(diǎn)控制方案，2018年)

套子灣海水動(dòng)力的主要表現(xiàn)為波浪和潮流。根據(jù)芝罘島海洋站的資料[29-31]，套子灣附近海域以風(fēng)浪為主，涌浪多出現(xiàn)于秋冬季節(jié)，常浪向以N向、NW向、NWW向?yàn)橹?，平均波高達(dá)1.29m，次常浪向?yàn)镹NE向，河口泥沙除了垂直海岸做橫向運(yùn)動(dòng)之外，還在波浪沿岸分力作用下向河口兩側(cè)縱向搬運(yùn)。盡管研究區(qū)的潮汐較弱，但研究區(qū)多年來潮差仍呈增大趨勢(shì)[32-33]。20世紀(jì)90年代套子灣附近初旺站平均潮差為152cm[9]，2010年增至199cm[8]。2010年煙臺(tái)站的平均潮差為1.576m[34]，而根據(jù)國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的潮汐數(shù)據(jù)推算，2019年與2020年煙臺(tái)站平均潮差分別達(dá)到177.8cm、174.5cm，呈現(xiàn)明顯的增值。根據(jù)國(guó)家自然資源部公布的《2020年中國(guó)海平面公報(bào)》數(shù)據(jù)[35]，20世紀(jì)80年代以來我國(guó)海平面呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)上升，黃海沿海海平面上升速率為3.2mm/a，并且有加速上升的趨勢(shì)(圖6)，2005—2021年海平面上升幅度超過0.5m。海平面升高造成淺海陸架駐海潮波變化，導(dǎo)致的潮差增加，同時(shí)，海平面上升也導(dǎo)致近岸波浪能量增加、風(fēng)暴潮作用增強(qiáng)，沿岸侵蝕是海平面升高、潮差增大、波浪動(dòng)力增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。河流入海物質(zhì)減少，海洋動(dòng)力相對(duì)增加，加劇海岸蝕退和岸灘下蝕，波浪的往復(fù)搬運(yùn)，使得濱海和淺海近岸的砂礫分選較好，一般較粗、較重的顆粒搬運(yùn)的距離較近，留在海灘上較細(xì)、較輕的顆粒搬運(yùn)的距離較遠(yuǎn)[36]。有研究表明風(fēng)浪作用較強(qiáng)的山東半島北部浪潮作用指數(shù)與沉積物粒度具有較強(qiáng)的相關(guān)性(r2=0.6488)[37]。由此可見，海平面上升導(dǎo)致的海洋動(dòng)力增強(qiáng)是研究區(qū)海灘砂粒度粗化、海灘侵蝕的主要原因?？梢酝茰y(cè)在夾河入海泥沙供應(yīng)大大減少的情況下，波浪對(duì)歷史時(shí)期堆積的海岸泥沙進(jìn)行搬運(yùn)，且首先搬運(yùn)能夠搬得動(dòng)的細(xì)顆粒泥沙，而現(xiàn)有動(dòng)力不足以搬運(yùn)較粗顆粒，大部分在河口原地存留，導(dǎo)致海灘沉積物的粗化。

圖6 1980—2020年我國(guó)海平面變化[35]

河流入海物質(zhì)減少—海平面上升共同作用下，我國(guó)其他地區(qū)的砂質(zhì)海岸也出現(xiàn)了侵蝕加劇，沉積物粗化的現(xiàn)象，諸如遼東灣東部[38]、福建[39]、山東半島北部[40]等。且已有研究表明泥沙供應(yīng)充足的岸段侵蝕比較弱，而泥沙供應(yīng)不足的地區(qū)會(huì)出現(xiàn)全岸段侵蝕的現(xiàn)象。除去黃河，山東半島地區(qū)的入海河流均為中小型山地河流，近幾十年來隨著河流上游建設(shè)水庫、壩體及人口增加導(dǎo)致的工農(nóng)業(yè)用水劇增[25，41]，河流入海泥沙驟減，與夾河入海泥沙輸運(yùn)情形相近。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東半島每年因河流輸沙量減少而虧損的砂量約為66.17×104t[42]，預(yù)計(jì)未來30年，黃海沿海海平面將上升50～160mm[35]，在河流入海水沙驟減、海平面加劇上升的背景下，疊加人為采沙活動(dòng)，山東半島的砂質(zhì)海灘資源將面臨更為明顯的侵蝕。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)代夾河口兩側(cè)中灘面海灘砂樣品以中砂、細(xì)砂為主，分選極好或好，標(biāo)準(zhǔn)偏差介于0.23～0.45，夾河口東側(cè)海灘砂樣品較西側(cè)的海灘砂樣品偏粗，粗砂含量略高，表明現(xiàn)在夾河口東側(cè)區(qū)域水動(dòng)力較夾河口西側(cè)強(qiáng)，該區(qū)海灘砂受到海洋動(dòng)力的長(zhǎng)期改造分選較好。

(2)近16年夾河口兩側(cè)海灘砂粒度明顯粗化，分選變好，表現(xiàn)在海灘砂平均粒徑變粗、主要組分粒度變粗、概率累積曲線的粗細(xì)截點(diǎn)變粗及滾動(dòng)、躍移、懸移組分含量明顯變化。夾河口東側(cè)海灘砂平均粒徑由2005年的1.71～2.62Φ，變?yōu)?021年的1.39～1.64Φ，西側(cè)海灘砂平均粒徑由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ。2021年海灘砂主要組分的粒徑值較2005年偏粗0.5Φ。2021年海灘砂粒度概率累積曲線中粗細(xì)截點(diǎn)位置偏粗0.5～1Φ。

(3)夾河入海泥沙減少，海平面上升，是近年來研究區(qū)海灘侵蝕、沉積物粗化的主要自然因素，如何合理開發(fā)、利用、保護(hù)砂質(zhì)海灘資源將面臨較大的挑戰(zhàn)，海岸帶管理工作也需要更多科學(xué)數(shù)據(jù)的支持和科學(xué)家們的關(guān)注。