臺(tái)風(fēng)“巴威”對(duì)威海楮島沙灘的侵蝕研究

陳海南，楊麗中，付玉成，喬守文，石洪源*

(1.國家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西 北海 536000； 2.水利工程學(xué)院，魯東大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264025)

引 言

山東是一個(gè)海洋大省，海岸線全長3 000多公里，全國排名第二。擁有150個(gè)優(yōu)質(zhì)沙灘資源，正是這些得天獨(dú)厚的資源造就了山東發(fā)達(dá)的濱海經(jīng)濟(jì)。但山東省沙灘侵蝕十分嚴(yán)重，約80%的沙灘遭受侵蝕災(zāi)害。尤其是極端天氣的增多，沿海風(fēng)暴引發(fā)增水和大浪，在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)對(duì)沙灘造成嚴(yán)重侵蝕，改變沙灘原有形態(tài)[1]。在改變沙灘所有因素中，臺(tái)風(fēng)及其帶來的風(fēng)暴增水是最主要的動(dòng)力因素[2]。臺(tái)風(fēng)改變后的沙灘，在1—2月內(nèi)進(jìn)行快速修復(fù)，之后短則數(shù)月，長則數(shù)年才能恢復(fù)其歷史形態(tài)[3-4]。因此，諸多學(xué)者開始了臺(tái)風(fēng)對(duì)沙灘形態(tài)影響的研究工作。研究表明，臺(tái)風(fēng)期間沙灘灘肩進(jìn)退、后濱侵蝕以及水下沙壩運(yùn)移和臺(tái)風(fēng)過后開始恢復(fù)歷史形態(tài)是沙灘剖面演化的主要過程[5]，但臺(tái)風(fēng)對(duì)不同位置，不同類型的沙灘侵蝕程度以及后期恢復(fù)也均不相同[6-7]。在臺(tái)風(fēng)期間，處于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的沙灘受臺(tái)風(fēng)影響較路徑左側(cè)沙灘影響較大，遭遇的侵蝕情況更嚴(yán)重[8]。岬角突出程度同樣是影響臺(tái)風(fēng)對(duì)沙灘侵蝕的重要因素[9]。不同類型的沙灘在臺(tái)風(fēng)過后的表層沉積物粒度也不相同，岬灣海灘沉積物粒度變化最為明顯[10]。此外，數(shù)值模擬[11]和物理模型試驗(yàn)[12]成為研究沙灘侵蝕，泥沙輸運(yùn)的主要方法。

但現(xiàn)有研究主要集中在在同一沙灘對(duì)不同臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)對(duì)比以及同一區(qū)域不同位置海灘對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)對(duì)比，同一沙灘不同區(qū)域研究較少。本文以山東省威海市楮島沙灘作為研究對(duì)象，通過測量2008號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴威”前后沙灘剖面和沉積物數(shù)據(jù)，探究臺(tái)風(fēng)“巴威”對(duì)楮島沙灘演化的影響，為山東省濱海沙灘的保護(hù)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與臺(tái)風(fēng)概況

1.1 研究區(qū)域概況

楮島位于山東半島東南側(cè)，北、東、南三面環(huán)海，東臨黃海，北靠桑溝灣，整體呈東南至西北走向。地理坐標(biāo)37°00′～37°03′N，122°31′～122°34′E(圖1)，屬北溫帶季風(fēng)型氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明。楮島屬于不規(guī)則半日潮，平均高潮位1.35 m，平均低潮位-0.36 m。常風(fēng)向?yàn)镹—NW和S—SW，平均風(fēng)速達(dá)6.4～6.6 m/s。波浪類型為風(fēng)浪和涌浪，主要是以風(fēng)浪為主，波向以S和SSE為主，年平均有效波高0.41 m，年最大有效波高1.47 m，年最大波高4.7 m，年平均周期4.94 s。南沙灘全長2.7 km，寬度平均為76.6 m，沉積物由砂礫、中砂、細(xì)砂組成，主要以細(xì)砂為主，質(zhì)地較為柔軟[13]。

圖1 研究區(qū)域及剖面位置

1.2 臺(tái)風(fēng)“巴威”介紹

2020年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴威”8月21日誕生于關(guān)島東南方向上的熱帶低壓，中心坐標(biāo)21.60°N，123.50°E，風(fēng)力7級(jí)，風(fēng)速15 m/s。8月22日8時(shí)，升級(jí)為8級(jí)熱帶風(fēng)暴，正式命名為“巴威”，中心坐標(biāo)23.30°N，122.50°E，中心風(fēng)速18 m/s。22日17時(shí)，升級(jí)為10級(jí)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，中心坐標(biāo)24.80°N，123.70°E，中心風(fēng)速25 m/s。24日2時(shí)，升級(jí)為12級(jí)臺(tái)風(fēng)，中心坐標(biāo)27.20°N，125.40°E，中心風(fēng)速33 m/s。25日11時(shí)，升級(jí)為14級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，中心坐標(biāo)29.50°N，125.50°E，中心風(fēng)速42 m/s。自26日12時(shí)開始，研究區(qū)域開始受強(qiáng)風(fēng)干擾，風(fēng)力7級(jí)，自此至27日8時(shí)，研究區(qū)域一直受8～11級(jí)風(fēng)力干擾，此后研究區(qū)域風(fēng)力開始逐漸減小，直至恢復(fù)正常。臺(tái)風(fēng)“巴威”繼續(xù)北移，27日8時(shí)，“巴威”在中朝交界附近登陸，中心風(fēng)力12級(jí)，并于上午10時(shí)減弱為10級(jí)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，此后逐漸減弱，直至消亡，具體路徑見圖6。

臺(tái)風(fēng)“巴威”期間的波浪、風(fēng)數(shù)據(jù)來源于ERA5(ECMWF Reanalysis v5)，主要包括波高、波向、風(fēng)速、風(fēng)向等要素。ERA5是The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)第5代再分析產(chǎn)品，通過耦合大氣—波浪模型，產(chǎn)生風(fēng)和波浪的數(shù)據(jù)集，為海洋科學(xué)研究提供了數(shù)據(jù)來源。ERA5數(shù)據(jù)具有高分辨率逐時(shí)分析場，可以準(zhǔn)確的分析山東省海域大氣和海洋狀態(tài)[14]。許多學(xué)者已經(jīng)采用ERA5數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋研究，并取得一系列成果[15-16]。本文數(shù)據(jù)研究點(diǎn)(37°1′34.97″N，122°34′9.44″E)位于沙灘中部E向2 km處，取8月26日、27日為臺(tái)風(fēng)影響期間數(shù)據(jù)，8月15日—8月31日(除26日、27日)為正常狀況下的數(shù)據(jù)，研究得知，正常情況下，研究區(qū)域風(fēng)向主要為SSW和S向(圖2左)；研究區(qū)域主要波浪方向?yàn)镾和SSE向(圖2右)，最大波高為1.2 m；臺(tái)風(fēng)影響期間，研究區(qū)域風(fēng)向以SSW和NE向?yàn)橹?圖2左)，26日17點(diǎn)研究區(qū)域最大風(fēng)速達(dá)11.2 m/s，約為平常的兩倍；主要波浪方向?yàn)镋向(圖2右)，26日19點(diǎn)研究區(qū)域最大波高達(dá)4.7m(圖3)。

圖2 臺(tái)風(fēng)及正常狀況下研究區(qū)域波向及風(fēng)向玫瑰圖

圖3 “巴威”臺(tái)風(fēng)過程中波高逐時(shí)變化過程(ERA5數(shù)據(jù))

2 數(shù)據(jù)采集及分析

利用北斗海達(dá)TS7 RTK于2020年8月24日及28日對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行沙灘剖面數(shù)據(jù)采集。在楮島沙灘選取9個(gè)剖面進(jìn)行觀測(圖1)，為保證兩次測量剖面的同一性，利用RTK自帶的定位系統(tǒng)，進(jìn)行三次點(diǎn)放樣，放樣點(diǎn)樹立插桿，確保采樣過程的直線性。并在起始點(diǎn)打入固定樁，保證起始點(diǎn)高程不變，使每次數(shù)據(jù)起點(diǎn)都起始于同一點(diǎn)。測量選在最低潮時(shí)進(jìn)行，自起始點(diǎn)每2 m進(jìn)行一次測量，在沖刷區(qū)剖面變化較大區(qū)域測量距離改為1 m。

選取N01剖面、N06剖面作為取沙剖面，在其沙丘底腳、灘肩及沖刷區(qū)位置定點(diǎn)采集約200 g灘面沉積物。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其烘干，然后使用電動(dòng)振篩分儀對(duì)所取樣本進(jìn)行篩分處理，篩分范圍為-2.25Φ～4Φ(Φ=-log2D,D為中值粒徑)，采用Folk&Ward[17]公示計(jì)算沉積物平均粒徑(Md)以及分選系數(shù)(σ)。

基于1985國家高程基準(zhǔn)將臺(tái)風(fēng)前后測量沙灘剖面圖疊加，對(duì)比分析海灘剖面特征變化(圖4)，以剖面單寬蝕積量[18]來表示海灘侵蝕淤積狀況，公式見(1)和(2)。

UED=S2-S1

(1)

(2)

圖4 海灘剖面變化示意圖(MSL為平均海平面)

海灘經(jīng)過水動(dòng)力作用導(dǎo)致狀態(tài)發(fā)生變化，海灘狀態(tài)可以反映出臺(tái)風(fēng)對(duì)沙灘演化過程的影響。海灘狀態(tài)則是由海灘泥沙來描述，通過Wright等[19]提出的無量綱沉降速率(Ω)來劃分海灘類型，公式如下：

(3)

式中，Hb表示破波波高(m)；ωs表示泥沙沉降速率(m/s)；T表示波浪周期(s)。

通過計(jì)算得到海灘類型：反射型(Ω<1)、消散型(Ω>6)、過渡型(1<Ω<6)。

由于臺(tái)風(fēng)影響期間研究區(qū)域破波波高數(shù)據(jù)難以取得，利用Sunamura等[14]的海灘坡度計(jì)算公式推導(dǎo)：

(4)

式中，tana表示海灘坡度；g代表重力加速度；D代表沉積物中值粒徑；T表示波浪周期。

泥沙沉降速率則按照Ferguson等[20]提出的公式計(jì)算，公式適用泥沙粒徑范圍為0.1～2 mm：

(5)

式中，ω表示泥沙沉降速率；R為沉積物水下比重，R=1.65；g=9.8m·s-2；D為泥沙中值粒徑；C1=18、C2=1；ν為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，ν=1.0×10-6kg·m·s-1。

由(3)～(5)公式聯(lián)立可求得：

(6)

3 結(jié)果與討論

3.1 臺(tái)風(fēng)前后海灘剖面及沉積物變化

海灘剖面變化結(jié)果見圖5，可知臺(tái)風(fēng)對(duì)沙灘演化過程產(chǎn)生重大影響，灘面地形發(fā)生明顯的侵淤變化。

圖5 NO1—NO9剖面地形變化圖

NO1、NO2、NO3剖面臺(tái)風(fēng)影響變化較類似，主要表現(xiàn)為后濱輕微淤積，有堆積沙丘形成，灘肩短距離后移，蝕退量較少，坡度略有減小，最大下蝕均發(fā)生在灘肩下部，侵蝕位置主要位于灘肩及高、中潮帶，低潮帶存在輕微淤積狀況，其單寬淤積量相差不大，分別為-7.94 m3/m、-7.57 m3/m、-10.47 m3/m。

NO4、NO5剖面整體存在淤積狀況，單寬淤積量分別為1.2 m3/m、6.38 m3/m。兩處剖面后濱同樣存在輕微淤積，NO4剖面灘肩輕微下蝕，灘肩坡度變緩，中潮帶發(fā)生嚴(yán)重淤積且形成沙壩，低潮帶則發(fā)生侵蝕；NO5剖面則是在高潮帶發(fā)生嚴(yán)重淤積，最大淤積高度約0.7 m，中潮帶輕微侵蝕，低潮帶形成連續(xù)小型沙壩。

NO6、NO7、NO8、NO9剖面坡度相比沙灘其他剖面開始變陡，且整體均發(fā)生侵蝕，其單寬淤積量為-3.94 m3/m、-4.5 m3/m、-16.3 m3/m、-8.23 m3/m。NO6、NO7、NO9剖面均被波浪侵蝕灘肩，泥沙被搬運(yùn)至后濱及中、低潮帶。NO8剖面為侵蝕最嚴(yán)重的剖面，剖面最大下蝕位于灘肩，深度約為1.1 m。

NO1、NO6剖面臺(tái)風(fēng)前后沙樣烘干篩分結(jié)果顯示(表1)：灘面沉積物發(fā)生較為明顯的變化，臺(tái)風(fēng)前灘面沉積物平均粒徑范圍為1.16Φ～2.45Φ，臺(tái)風(fēng)影響過后灘面沉積物平均粒徑變?yōu)?0.33Φ～2.18Φ，灘面沉積物平均粒徑變大，沖刷區(qū)變化最為明顯。灘面沉積物分選系數(shù)范圍為0.44～0.88，臺(tái)風(fēng)影響過后分選系數(shù)變化為0.35～1.51，沉積物分選性變差，灘肩沉積物分選性變化最為明顯。這主要是臺(tái)風(fēng)期間引起較強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境如強(qiáng)浪，造成粒徑較小的沉積物發(fā)生搬移，使下層粒徑較粗顆粒裸露在表層。

表1 灘面沉積物特征

NO1、NO6剖面灘面狀態(tài)特征值計(jì)算結(jié)果顯示(表2)：臺(tái)風(fēng)過后，NO1、NO6兩個(gè)剖面的無量綱沉降速率Ω變大，相比臺(tái)風(fēng)之前沙灘狀態(tài)向更加消散的方向轉(zhuǎn)變。NO6剖面Ω變化較明顯，海灘狀態(tài)變化幅度較大響應(yīng)臺(tái)風(fēng)引起的動(dòng)力能量。臺(tái)風(fēng)引起動(dòng)力因素增強(qiáng)，沙灘后濱淤積，灘肩下蝕甚至消失，坡度減小，使沙灘變得更加消散。

表2 灘面類型變化

楮島海灘在臺(tái)風(fēng)“巴威”影響下，沙灘整體主要表現(xiàn)為中間淤積、兩邊侵蝕的變化特征。根據(jù)ERA5波浪數(shù)據(jù)分析可知，臺(tái)風(fēng)過境期間，楮島沙灘主要受到NE向風(fēng)、SSW向風(fēng)，以及E向波浪影響。波浪自東向入射，經(jīng)東北部岬頭的繞射致使沿岸流速大于離岸流速，帶動(dòng)泥沙向北輸運(yùn)，與南部流速較小沿岸流在海灘中部位置形成渦旋，導(dǎo)致海灘中部造成淤積。

根據(jù)尤再進(jìn)等[21]提出的沙丘-海灘穩(wěn)定性因素分析，沙灘西南側(cè)灘肩較寬、坡度較緩，穩(wěn)定性相比沙灘東北側(cè)較好，故8、9號(hào)剖面較1、2、3號(hào)剖面侵蝕較大，灘面沉積物粒徑、分選性、沙灘狀態(tài)也較后者變化明顯。風(fēng)暴潮帶來的增水和大浪會(huì)在短期內(nèi)增強(qiáng)研究區(qū)域內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境，使波浪的影響范圍擴(kuò)大到沙灘后濱帶，水位升高還會(huì)導(dǎo)致海灘淺水面抬升，海灘滲流作用減弱，灘面大量沉積物被回流帶向近岸海域，堆積形成水下沙壩[22]。臺(tái)風(fēng)引起的臺(tái)風(fēng)浪在越過灘肩后能量消散，攜帶的泥沙發(fā)生沉降則是造成后濱淤積的主要原因。

圖6 “利奇馬”與“巴威”路徑對(duì)比

3.2 對(duì)比臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的影響效果

1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于2019年8月20日開始對(duì)研究區(qū)域造成影響，強(qiáng)度為熱帶風(fēng)暴，距離研究區(qū)域最短距離為236.83 km，臺(tái)風(fēng)路徑位于研究區(qū)域左側(cè)；臺(tái)風(fēng)“巴威”強(qiáng)度為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，大于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”強(qiáng)度，距離研究區(qū)域最短距離為181.55 km，臺(tái)風(fēng)路徑位于研究區(qū)域右側(cè)。在“利奇馬”影響下，研究區(qū)域東北側(cè)侵蝕情況較西南側(cè)嚴(yán)重，沉積物粒徑變大，沙灘狀態(tài)向更消散的方向發(fā)展，與“巴威”影響沙灘變化一致。但在“利奇馬”的影響下，測量剖面全部遭受侵蝕，無淤積情況出現(xiàn)，平均單寬淤積量為-12.51 m3/m，最小單寬淤積量為-5.2 m3/m，最大單寬淤積量為-19.8 m3/m，沉積物分選系數(shù)范圍為0.62～2.09。由此可見，灘面沉積物變化以及灘面侵蝕狀況對(duì)兩次臺(tái)風(fēng)影響表現(xiàn)出明顯差異，“利奇馬”對(duì)研究區(qū)域影響程度大于“巴威”。對(duì)比兩次臺(tái)風(fēng)路徑(圖6)發(fā)現(xiàn)，與蔡峰[8]等提出的位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的沙灘更容易遭受侵蝕理論相匹配。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)臺(tái)風(fēng)前后楮島沙灘進(jìn)行剖面測量以及對(duì)灘面沉積物進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)，探究臺(tái)風(fēng)“巴威”對(duì)楮島沙灘演化過程影響，主要結(jié)論如下：

(1)在臺(tái)風(fēng)“巴威”的影響之下，楮島沙灘主要表現(xiàn)為中間淤、兩邊沖；后濱淤、灘肩沖等特征，沙灘東北側(cè)由于灘肩較寬、坡度較緩，侵蝕程度強(qiáng)于西南側(cè)，灘面沉積物粒徑、分選性、沙灘狀態(tài)也較后者變化明顯。

(2)臺(tái)風(fēng)作用過后，灘面沉積物平均粒徑范圍由1.16Φ～2.45Φ變?yōu)?0.33Φ～2.18Φ，灘面沉積物粒徑變粗；沉積物分選系數(shù)范圍由0.44～0.88變?yōu)?.35～1.51，分選性變差；剖面無綱量沉降速率(Ω)變大，沙灘變得更加消散。

(3)通過與1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響下的沙灘對(duì)比，位于臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)的沙灘受影響更大。