岬灣海灘岬角沙丘過(guò)路輸沙研究現(xiàn)狀

羅時(shí)龍　靳瑞芳

摘要：文章從岬灣海灘、岬角沙丘以及岬角沙丘過(guò)路輸沙的概念出發(fā)，引出岬角沙丘過(guò)路輸沙的概念模式，總結(jié)岬角沙丘過(guò)路輸沙的常用研究方法和研究現(xiàn)狀，指出岬角-海灘-沙丘系統(tǒng)在海岸帶輸沙中的重要作用;針對(duì)我國(guó)海岸風(fēng)沙地貌研究的現(xiàn)狀，提出應(yīng)加快海岸風(fēng)沙資源現(xiàn)狀調(diào)查、加強(qiáng)海岸風(fēng)沙地貌過(guò)程研究以及協(xié)調(diào)海岸風(fēng)沙地貌資源開(kāi)發(fā)利用與修復(fù)保護(hù)，為我國(guó)海岸沙丘相關(guān)研究明確方向。

關(guān)鍵詞：岬灣海灘;岬角沙丘;岬角沙丘過(guò)路輸沙;海岸侵蝕與淤積;海岸沙丘資源

中圖分類(lèi)號(hào)：P737.1;P748 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2024）02-0115-07

0 引言

全球約有30%的海岸線為砂質(zhì)岸線，其中約有50%的砂質(zhì)岸線以岬灣海岸地貌的形態(tài)呈現(xiàn)，這些海灘可稱為岬灣海灘[1-2]。我國(guó)海灘資源的整體布局受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響顯著，亦以岬灣海岸為主要特征，構(gòu)成復(fù)雜多樣的砂質(zhì)堆積地貌，岬灣海岸線約占總海岸線的66%，其中砂質(zhì)岸線又占岬灣海岸線的近50%[3]。由此可見(jiàn)，無(wú)論是在全球還是在我國(guó)，岬灣海灘在規(guī)模上都占據(jù)重要位置。

在岬灣海灘中，岬角構(gòu)成自然的邊界，在一定程度上限制沉積物的運(yùn)移過(guò)程，其中岬角旁路輸沙（HB）和岬角沙丘過(guò)路輸沙（HO）是岬灣海灘沉積物運(yùn)移的2種方式[4-5]。除此之外，岬灣海灘的沉積物運(yùn)移還受海岸水動(dòng)力、風(fēng)沙動(dòng)力以及沉積物特征等因素的影響，使得岬灣海灘的泥沙運(yùn)移總是隨著時(shí)間和空間變化，造成泥沙運(yùn)移的不連續(xù)性和間歇性[5]，在計(jì)算局部岸段年際沉積物收支過(guò)程時(shí)必須同時(shí)考慮這2種輸沙方式。對(duì)于岬角沙丘過(guò)路輸沙占主導(dǎo)地位的岬灣來(lái)說(shuō)，岬角沙丘的地貌動(dòng)力特征、地表覆被變化、土地利用變化以及其他人類(lèi)活動(dòng)影響決定沉積物源匯過(guò)程，表現(xiàn)為岬角上下游海灘的侵蝕或淤積。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，岬角沙丘過(guò)路輸沙研究從最初的野外觀察發(fā)展到現(xiàn)階段的遙感、監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，取得一系列新的理論成果，在海岸輸沙理論和工程應(yīng)用方面取得重大進(jìn)展。本研究回顧岬灣海灘岬角沙丘過(guò)路輸沙研究現(xiàn)狀，梳理其近40年來(lái)的發(fā)展過(guò)程，提出我國(guó)在該領(lǐng)域研究的不足之處，以期促進(jìn)海岸動(dòng)力地貌學(xué)的發(fā)展和革新。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 岬灣海灘的分類(lèi)

岬灣海灘通常以天然或人工的岬頭為界，包圍一段彎曲的砂質(zhì)岸線。岬灣海灘常被賦予不同的名稱，如Zeta（ζ）海灘、心形海灘、對(duì)數(shù)螺線海灘、鋸齒形海灘、鉤狀海灘、袋狀海灘。多數(shù)的岬灣海灘是不對(duì)稱的，由上游彎曲的遮蔽段、中間微彎的過(guò)渡段和下游平直的切線段組成。Silvester等[6-7]和Hsu等[8]認(rèn)為岬灣海灘存在靜態(tài)平衡、動(dòng)態(tài)平衡和不穩(wěn)定3種狀態(tài)。①靜態(tài)平衡岬灣沒(méi)有泥沙進(jìn)入和輸出，沿岸輸沙率均為零，岬灣總輸沙率為零。②動(dòng)態(tài)平衡岬灣包括2種：一種是雖然存在不同方向的沿岸輸沙，但全年2個(gè)方向的輸沙率相等，則凈輸沙為零，海岸沒(méi)有侵蝕和淤積;另一種是雖然海岸存在凈輸沙，但相鄰2個(gè)端面的凈輸沙相等，海岸仍沒(méi)有侵蝕和淤積。③不穩(wěn)定岬灣的上下游輸沙率在一定時(shí)空范圍內(nèi)不等，海岸出現(xiàn)侵蝕或淤積。

通常情況下，可根據(jù)岬角的個(gè)數(shù)、海灘的形態(tài)、海灣的開(kāi)敞與遮蔽情況對(duì)岬灣海灘進(jìn)行分類(lèi)。Hsu等[9]劃分4種類(lèi)型的岬灣海灘，即單型岬灣、復(fù)型岬灣、河口沙嘴型岬灣和連島沙壩型岬灣。①單型岬灣在優(yōu)勢(shì)浪的作用下形成單曲線海灘，是最常見(jiàn)的岬灣海灘類(lèi)型;通常下游無(wú)岬角或有突出的規(guī)模較小的岬角，海灘基本處于靜態(tài)平衡狀態(tài)（圖1）。②復(fù)型岬灣又稱凹形海灣，由2個(gè)岬角和2條曲線海灘構(gòu)成，整體上近對(duì)稱;上下游各有1個(gè)岬角，易受季節(jié)性的水動(dòng)力影響，存在季節(jié)性的輸沙，海灘處于靜態(tài)或動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)（圖2）。③河口沙嘴型岬灣形成于大型岬角的遮蔽段，河流輸運(yùn)物質(zhì)通常由此入海;由于上游河流沉積物的輸入，海灘通常處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)（圖3）。④連島沙壩型岬灣通常形成于海島波影區(qū)，處于相對(duì)較弱的水動(dòng)力環(huán)境，允許沙嘴和沙壩的發(fā)育，如山東芝罘島以連島沙壩與陸地相連而形成岬灣海灘（圖4）。

1.2 岬角沙丘的概念

Tinley[10]認(rèn)為岬角沙丘是海岸沙丘的類(lèi)型之一，屬于地形阻礙沙丘;這種沙丘并不像海岸輸沙那樣繞過(guò)岬角，而是由岬角陸側(cè)路過(guò)，是特殊的進(jìn)積型海岸沙丘;而且其向海洋方向發(fā)展而不是向內(nèi)陸延伸，最終為岬角下游的海灘供沙（圖5）。Jackson等[11]認(rèn)為岬角沙丘有獨(dú)特的遷移方式，并將其列為海岸沙丘的類(lèi)型之一。此外，在巴西南部海岸、南非海岸、澳大利亞海岸、西歐海岸以及非洲西部島嶼海岸都存在岬角沙丘，學(xué)者將其作為單獨(dú)的海岸風(fēng)沙地貌類(lèi)型進(jìn)行相關(guān)研究。

1.3 岬角沙丘輸沙的概念模型

岬角沙丘過(guò)路輸沙是指在岬灣海灘中通過(guò)岬角陸側(cè)沙丘將沉積物從上游海灘輸運(yùn)到下游海灘的過(guò)程。岬角沙丘過(guò)路輸沙的過(guò)程與岬角沿岸輸沙有所區(qū)別：岬角沙丘過(guò)路輸沙是沉積物通過(guò)岬角陸側(cè)運(yùn)移，輸沙動(dòng)力為風(fēng)沙驅(qū)動(dòng);岬角沿岸輸沙（也稱岬角旁路輸沙）是沉積物繞過(guò)岬角的濱海運(yùn)移，輸沙動(dòng)力為沿岸流驅(qū)動(dòng)。有學(xué)者認(rèn)為岬角沙丘過(guò)路輸沙應(yīng)滿足3個(gè)條件[5]：①岬角上游海灘有充足的物源供應(yīng);②岬角地形、海灘走向和優(yōu)勢(shì)風(fēng)向滿足沉積物運(yùn)移的條件;③岬角下游海灘作為沉積物源匯有足夠的容納空間。一些學(xué)者分別提出岬角沙丘過(guò)路輸沙和岬角旁路輸沙的概念模式（圖6）[12-15]。

1.4 岬角沙丘過(guò)路輸沙的相關(guān)研究

岬角沙丘過(guò)路輸沙的研究方法取決于研究目的和研究的時(shí)空尺度。①野外觀察是最早的研究方法，同時(shí)是最常用的直觀觀測(cè)方法。例如：對(duì)岬灣海灘侵蝕地貌的野外觀察能夠看到侵蝕陡坎和陡崖、裸露的植被根系、倒塌在岸灘上的構(gòu)筑物，據(jù)此可以推斷岸灘侵蝕的時(shí)間和空間尺度。②借助地圖軟件，通過(guò)對(duì)比和處理長(zhǎng)時(shí)間尺度的衛(wèi)星影像資料，能夠大致解釋岸灘侵蝕和淤積的原因，計(jì)算岸線變化速率，甚至預(yù)測(cè)演變趨勢(shì)。③通過(guò)沉積物測(cè)年，在時(shí)間框架下分析沉積物的粒度、礦物、古生物以及巖相特征，能夠重建沉積過(guò)程，并了解沉積物的歷史運(yùn)移路徑和源匯過(guò)程。④通過(guò)地形測(cè)量，能夠揭示岬角-海灘-沙丘系統(tǒng)的地貌變化過(guò)程。海岸風(fēng)沙地貌過(guò)程研究的測(cè)量設(shè)備包括RTK-GPS、無(wú)人機(jī)載光譜測(cè)量系統(tǒng)、激光雷達(dá)系統(tǒng)等，也有學(xué)者使用淺地層剖面儀研究沉積物的構(gòu)造特征并反演沉積物的沉積建構(gòu)。岬角沙丘過(guò)路輸沙的主要研究方法及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示[5]。

McLachlan等[12]運(yùn)用野外觀察的方法最先關(guān)注岬角沙丘過(guò)路輸沙，并報(bào)道南非海岸的3個(gè)岬角沙丘過(guò)路輸沙案例，指出岬角沙丘過(guò)路輸沙是海岸帶沉積物輸運(yùn)系統(tǒng)的一部分，岬角沙丘能作為輸沙走廊將風(fēng)沙沉積物從上風(fēng)向海灘輸送到下風(fēng)向海灘;同時(shí)，追溯岬角沙丘地貌的演化歷史，指出人類(lèi)活動(dòng)造成的沙丘固化阻斷沉積物運(yùn)移通道以及改變海岸帶沉積物系統(tǒng)輸沙平衡，導(dǎo)致岬角下游產(chǎn)生嚴(yán)重的沉積物“赤字”，引發(fā)岸灘侵蝕與岸線后退。有學(xué)者在研究南非海岸的岬角沙丘時(shí)提出應(yīng)重視岬角沙丘過(guò)路輸沙過(guò)程，并充分認(rèn)識(shí)海岸帶沉積物輸運(yùn)系統(tǒng)的完整性和重要性[16-17]。

Pinto 等[13] 利用遙感影像分析方法研究Santinho-Ingleses岬角-沙丘-海灘系統(tǒng)中的沙丘變化過(guò)程，并對(duì)沙丘植被覆被變化、城鎮(zhèn)化以及沙丘遷移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;研究表明，1938-2013年研究區(qū)植被覆被增加58%，大面積活動(dòng)沙丘已逐漸被植被覆蓋，沙丘固化過(guò)程顯著，2002—2014年輸沙量減少17%，同時(shí)城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐年加快，受二者影響，沙丘遷移速率明顯降低，從而減少向下游的輸沙量，引起岸灘侵蝕。Boeyinga等[18]的研究表明，如果Santinho沙丘停止對(duì)下游海灘供沙，20年后海灘將后退60m;植被固化和城鎮(zhèn)化是引起岬角沙丘動(dòng)力地貌過(guò)程的主要因素，其改變海岸帶沉積物運(yùn)移系統(tǒng)的輸沙平衡。Calvento等[19]利用衛(wèi)星圖片和遙感影像研究海島岬角輸沙，認(rèn)為海島的海岸帶輸沙系統(tǒng)也符合岬角沙丘過(guò)路輸沙理論，給出海島沙丘系統(tǒng)沉積物運(yùn)移的概念模式，指出應(yīng)從整體觀念出發(fā)把海島看成單獨(dú)系統(tǒng)來(lái)研究。Claudino-Sales等[20]運(yùn)用遙感手段分析不同時(shí)期的衛(wèi)星圖片來(lái)獲取岬角沙丘覆被變化狀況，半定量地給出岬角上下游的海岸侵蝕和淤積量，指出人類(lèi)活動(dòng)是造成岬角-海灘-沙丘系統(tǒng)沉積物收支失衡和土地覆被變化的主要因素。

為研究Cresmina岬角沙丘過(guò)路輸沙的過(guò)程，Rebelo等[21]監(jiān)測(cè)沙丘的地形變化，運(yùn)用DGPS的RTK模式采集數(shù)據(jù)，分別于2000年和2001年測(cè)量沙丘地形，利用數(shù)字地形模型計(jì)算單寬輸沙量;研究表明，Cresmina海岸沙丘是向前進(jìn)積的過(guò)路沙丘，以平均5m/年的速度向前進(jìn)積，向下游的單寬輸沙量達(dá)到40m3/年，形成下游海岸的持續(xù)沙源。Klein等[22]運(yùn)用同樣的方法研究巴西南部海岸的岬角沙丘過(guò)路輸沙，給出沙丘的儲(chǔ)沙量和輸沙率，結(jié)合前人的研究指出岬角沙丘沉積物收入大于支出，沙丘將持續(xù)向下游海灘供沙。

自McLachlan等[12]對(duì)岬角沙丘過(guò)路輸沙開(kāi)展研究以來(lái)，世界范圍內(nèi)開(kāi)展多項(xiàng)相關(guān)研究。Derele等[5]總結(jié)前人的研究成果，提出“適應(yīng)自然過(guò)程”的發(fā)展模式;近年來(lái)，學(xué)者們分別在各自著作中涉及岬角沙丘過(guò)路輸沙的內(nèi)容，指出岬角沙丘過(guò)路輸沙的重要性[9，23-26]。國(guó)內(nèi)學(xué)者董玉祥[27-28]和方海燕等[29]對(duì)我國(guó)海岸風(fēng)沙地貌類(lèi)型進(jìn)行研究，但沒(méi)有對(duì)岬角沙丘進(jìn)行描述，目前我國(guó)仍未有該方面的研究成果發(fā)表。

2 我國(guó)海岸沙丘輸沙現(xiàn)狀

2.1 海岸沙丘固化嚴(yán)重，活動(dòng)沙丘銳減

烏戈特茉勒等[30]利用地形圖和ETM 影像數(shù)據(jù)研究近50年來(lái)河北昌黎黃金海岸的沙地變化，結(jié)果表明海岸沙地空間范圍經(jīng)歷由初期的擴(kuò)展到后期的縮減變化，如有林沙地的面積由1956 年的1.23km2 擴(kuò)展到2000 年的58.44 km2，增加近60倍，而裸沙地面積則不斷減少。王金華等[31]利用GIS技術(shù)分析福建海岸沙地利用的變化情況和驅(qū)動(dòng)因素，結(jié)果亦表明海岸沙地總體呈減少趨勢(shì)，56年間共減少931.53hm2，縮減速度達(dá)到17hm2/年。廖繼武[32]在研究海南西部沿海地區(qū)防護(hù)林演變規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，海南西部沿海風(fēng)沙化土地呈減少趨勢(shì)，到2000年減少到歷史最低水平，而防護(hù)林面積則一直呈增加勢(shì)頭。

自20世紀(jì)中期以來(lái)，典型的海岸帶土地利用變化規(guī)律表明，從北方到南方的海岸帶沙地的土地利用類(lèi)型發(fā)生巨大變化，主要是由裸沙地轉(zhuǎn)變成有林沙地或防護(hù)林。分析表明，治沙造林和城鎮(zhèn)化是土地利用方式改變的主要驅(qū)動(dòng)力，由此造成海岸風(fēng)沙地貌植被覆被增加、沙丘固化率升高以及原本的活動(dòng)沙丘變成固定沙丘。防護(hù)林具有固沙功能毋庸置疑，但同時(shí)也阻斷風(fēng)沙的運(yùn)移路徑，從而改變風(fēng)沙地貌的自然演化規(guī)律。

2.2 沙丘海岸侵蝕和淤積嚴(yán)重，災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象頻發(fā)

根據(jù)文獻(xiàn)研究可知，對(duì)于岬角沙丘過(guò)路輸沙海岸，岬角陸側(cè)輸沙通道是沉積物運(yùn)移的走廊，上游海灘的沉積物在風(fēng)驅(qū)動(dòng)下被搬運(yùn)到下游海灘，并為下游海灘補(bǔ)充沉積物沙源。也就是說(shuō)，岬角-沙丘-海灘組成有機(jī)聯(lián)系的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中存在自身的沉積物源、沉積物匯和沉積物運(yùn)移路徑，從而保證系統(tǒng)泥沙收支平衡;而泥沙收支平衡一旦被打破，在建立新平衡的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)海岸侵蝕和淤積現(xiàn)象。通過(guò)研究海南峻壁角岬角-沙丘-海灘系統(tǒng)動(dòng)力地貌過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，岬角上游的棋子灣海灘近年來(lái)有淤積現(xiàn)象，濱海地區(qū)遭受風(fēng)沙的侵?jǐn)_;為防止風(fēng)沙進(jìn)入生活區(qū)，人們筑起防沙柵欄，風(fēng)沙在柵欄的向海側(cè)逐漸積累，形成可見(jiàn)的沙堆并呈現(xiàn)風(fēng)沙堆積地貌（圖7）;相應(yīng)的，岬角下游小角灣海岸侵蝕嚴(yán)重，沿岸防護(hù)林被沖刷，木麻黃倒塌或根系裸露，甚至可見(jiàn)高近10m 的侵蝕陡崖，顯示典型的侵蝕地貌特征（圖8）。

3 我國(guó)海岸風(fēng)沙研究展望

羅時(shí)龍等[33]和董玉祥等[34]指出現(xiàn)階段我國(guó)須依托野外觀測(cè)、分析實(shí)驗(yàn)、物理模擬和數(shù)值模擬“四位一體”多學(xué)科協(xié)同的技術(shù)方法，進(jìn)行海岸風(fēng)沙地貌與大氣、波浪、海灘的綜合研究。從保護(hù)海岸風(fēng)沙地貌以及減少地質(zhì)災(zāi)害的目的出發(fā)，開(kāi)展海岸風(fēng)沙資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)治理的協(xié)調(diào)研究。

除此之外，針對(duì)我國(guó)海岸風(fēng)沙地貌研究的現(xiàn)狀和不足及其與國(guó)際研究成果的差距，在新時(shí)代背景下應(yīng)在3個(gè)方面加以重視。①加快海岸風(fēng)沙資源現(xiàn)狀調(diào)查;②加強(qiáng)海岸風(fēng)沙地貌過(guò)程研究;③協(xié)調(diào)海岸風(fēng)沙地貌資源開(kāi)發(fā)利用與修復(fù)保護(hù)。

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