检索
E-mail
RSS

作者投稿 主编审稿 专家审稿 远程编辑

热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 4: 71 - 81

DOI: https://doi.org/10.11978/2021150

海洋地貌学

冬季波浪与人工岛联合作用下日月湾海滩冲淤演变特征

  • 张达恒 , 1 ,
  • 时连强 , 1, 2 ,
  • 龚照辉 1, 3 ,
  • 郭俊丽 1, 4
展开
  • 1.自然资源部海洋空间资源管理技术重点实验室, 自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012
  • 2.广西北部湾海洋资源环境与可持续发展重点实验室, 自然资源部第四海洋研究所, 广西 北海 536000
  • 3.海岸与海岛开发教育部重点实验室, 南京大学, 江苏 南京 210023
  • 4.河口海岸学国家重点实验室, 华东师范大学, 上海 200241
时连强, 男, 教授级高工, 主要从事河口海岸动力地貌过程研究。email:

张达恒(1997—), 男, 广西北海人, 硕士研究生, 从事河口海岸动力地貌过程研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2021-11-05

  修回日期: 2022-01-21

  网络出版日期: 2022-01-27

基金资助

浙江省基础公益研究计划项目(LHZ22D060001)

国家科技基础资源调查专项(2019FY202106)

收起

Evolution characteristics of beach erosion and accretion at the Riyue Bay under the combined impacts of winter waves and artificial island

  • ZHANG Daheng , 1 ,
  • SHI Lianqiang , 1, 2 ,
  • GONG Zhaohui 1, 3 ,
  • GUO Junli 1, 4
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean Space Resource Management Technology, MNR, Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China
  • 2. Guangxi Key Laboratory of Beibu Gulf Marine Resources, Environment and Sustainable Development, Fourth Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Beihai 536000, China
  • 3. Ministry of Education Key Laboratory for Coast and Island Development, Nanjing University, Nanjing 210023, China
  • 4. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China
SHI Lianqiang. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2021-11-05

  Revised date: 2022-01-21

  Online published: 2022-01-27

Supported by

Zhejiang Province Basic Public Welfare Program(LHZ22D060001)

National Science and Technology Basic Resource Investigation Program(2019FY202106)

Fold

摘要

人工岛作为一种新兴的海岸工程, 它的建设所引起的岸滩冲淤和防护问题日益受到人们的关注。本文以海南万宁市日月湾人工岛为例, 通过4期实测海滩剖面数据和多时相遥感影像, 分析了冬季波浪与人工岛联合作用对日月湾海滩冲淤变化的影响, 并结合海区波况, 探究了海滩冲淤变化机理。研究表明, 日月湾海区冬半年的平均有效波高与波浪周期明显强于夏半年, 且波浪强度整体上呈现逐年上升的趋势, 但在人工岛建设前后变化幅度较小; 人工岛建设对海滩地貌变化有强烈影响, 海滩呈现出岛后淤积而两侧侵蚀的显著特征, 岛影区海滩不断淤积, 岸线向海淤进达200m, 甚至可能与人工岛相连形成连岛沙坝, 人工岛后两侧海滩侵蚀, 岸线向陆一侧蚀退最大距离达50m; 海滩在冬季波浪和人工岛共同影响下, 岸滩自北向南依次表现为稳定、侵蚀、淤积、相对稳定、略有侵蚀或淤积、侵蚀、淤积的冲淤变化特征。

关键词： 冲淤演变; 人工岛; 日月湾海滩; 波况

本文引用格式

张达恒 , 时连强 , 龚照辉 , 郭俊丽 . 冬季波浪与人工岛联合作用下日月湾海滩冲淤演变特征[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(4) : 71 -81 . DOI: 10.11978/2021150

Abstract

As a new form of coastal engineering, the artificial island has been receiving increasing attentions from community to the beach erosion and accretion due to its construction. Based on the multi-temporal remote sensing images and four field surveys, the influence of winter waves combined with artificial islands on the erosion and accretion of the Riyue Bay beach has been analyzed. Besides, the mechanism of beach erosion and accretion was explored using the wave data in the adjacent sea area. Our new results show that the average significant wave heights and wave periods in the winter were obviously stronger than those in the summer, and the wave force generally shows an increasing trend year by year, but its variation is not significant around the artificial island before and after the construction of islands. The construction of artificial island has a significant impact on the beach topographic profile, showing the obvious characteristics of accretion in the area sheltered by the artificial island and erosion on two sides of the beach. The beach accreted continuously in the island shadow area, and the shoreline in that area moved up to 200 m towards the sea, which may even be linked with the artificial islands to form a tombolo. The beach was eroded and the maximum erosion distance of shoreline to land is about 50 m on both sides behind the artificial island. The Riyue Bay beach is strongly affected by the winter waves and artificial islands. From north to south, the beach was at a state of stability-erosion-accretion, relative stability, slight erosion or accretion-erosion-accretion.

Key words： erosion and accretion evolution; artificial island; the Riyue Bay beach; wave condition

近几十年来, 受全球气候变暖等因素影响, 全球海平面处于逐渐上升状态, 其所引起的海岸侵蚀加剧等一系列问题严重影响了沿海国家和地区的生存与发展, 而作为极具经济和生态价值的砂质海滩更是普遍遭受侵蚀(Bruun, 1962; 蔡锋 等, 2008; Vousdoukas et al, 2020)。此外, 随着人类社会的快速发展, 海洋开发活动逐渐增多, 各种海岸工程设施在海岸带地区广泛开展建设, 更是进一步加剧了周边海滩的变化(Muller et al, 2006)。其中, 海上人工岛作为一种新兴的海岸工程, 是沿海各国开发利用海洋的一种新形式和新途径, 能够拓展人们的生存与发展空间。
人工岛在给人们带来交通、旅游等便利的同时, 也引起了一系列的资源环境与生态问题, 成为国内外河口海岸领域学者们广泛关注与研究的热点。其研究内容涉及人工岛附近区域的地貌变化特征(Zyserman et al, 2002; 张翠萍 等, 2016; 钟小菁, 2017; Zhu et al, 2019)、水动力环境变化(胡殿才 等, 2012; 季荣耀 等, 2012; 匡翠萍 等, 2019)、海岸泥沙输运(Nam et al, 2011; Schwab et al, 2013)、岸滩冲淤稳定性(石萍 等, 2015)以及海滩修复与保护(蔡锋 等, 2019; Nishi et al, 1998)等方面。
为了研究日月湾人工岛的建设对周边海滩冲淤变化的影响程度, 本文基于4期现场实测剖面数据与3期岸线数据, 对比了人工岛建设前后的海滩冲淤演变特征, 分析了冬季波浪和人工岛联合作用对岸滩的影响, 并结合欧洲天气预报中心的波浪数据探讨了海滩冲淤变化机理。本文研究成果不仅可以丰富和加深对弧形砂质海滩演变规律的认识, 而且可以为日月湾海滩的保护与可持续利用提供参考。

1 研究区域概况与数据方法

1.1 研究区域概况

研究区位于海南岛东南角的日月湾海区, 隶属于万宁市管辖, 地理位置介于18°35′—18°38′N、110°10′—110°14′E之间(图1)。日月湾海滩属于华南弧形海滩, 海滩的开敞程度较大, 凹入度小。本研究区处于热带季风气候区, 其降雨丰沛, 年平均气温为24.7℃, 风向随季节变化明显, 受季风影响较大, 秋冬季节主要为偏北风, 春夏季节则受偏南风主导。另外, 6月至10月为海南台风高发季节, 年平均台风登陆可达2.5次。日月湾海区波浪的常浪向是SE向, 次浪向是SSE向, 全年平均波高为0.91m(龚文平 等, 2012; 李珊, 2015)。此外, 根据《海南万宁日月湾综合旅游度假区围填海项目岸滩修复工程海洋环境影响报告书》(报批稿)显示, 日月湾海区的主波型为涌浪为主的风浪与涌浪混合型, 占比为64.5%, 风浪占比21.3%, 而纯粹的涌浪仅占0.5%; 海区属于弱流区, 潮汐类型为不规则日潮, 年平均潮差为0.81m, 潮流基本呈往复流特征, 平均流速在0.22m•s-1之内。
图1 万宁市日月湾区位和波浪点位置图

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)1267的标准地图制作, 底图无修改。图中红色点为波浪点位

Fig. 1 Location of Riyue Bay and wave points in Wanning city

良好的气候与地理环境, 促使海南成为全国极具发展潜力的旅游开发区。为此, 海南省在过去十多年新建了许多人工岛, 如在2010—2017年间共建设了12座人工岛, 万宁市的日月湾人工岛就是其中之一。该人工岛总体填海面积约为97.1hm2, 其中日岛约为48hm2, 月岛约为49.1hm2。日岛于2012年10月开始建造, 并于2013年2月建造完成, 岛体通过大桥与海岸相连; 月岛于2015年10月开始围填, 2017年2月停止建设, 岛体的围填主体工程已经完成。此外, 月岛岛体之前通过钢便桥与海岸相连, 但已于2018年12月拆除完毕。

1.2 数据来源与方法

1.2.1 波浪数据

为了分析日月湾研究海区的波况, 本文采用了欧洲天气预报中心(European Centre for Medium- Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA- Interim再分析数据集(http://apps.ecm-wf.int/data-sets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/)与ERA5中的波浪数据资料。ERA-Interim再分析数据集是继承ERA-40等资料并进一步提升优化的产品, 而ERA5则是ECMWF最新的再分析数据集产品, 可以为用户提供更为完善、精准的全球气候数值预报再分析资料数据(马志泉 等, 2012; Berrisford, 2011)。本文主要从ERA-Interim再分析数据集中提取了研究区附近海域4个地点(E1、E2、E3、E4, 位置见图1)从1979年1月1日至2018年12月31日, 以及ERA5数据集中2019年1月1日至2021年3月每日4个时刻(0时、6时、12时与18时)的离岸有效波高(Hs)、平均波浪周期(Ts)和平均波浪方向数据的数据集。通过将所收集的波浪数据经过逐月、逐年平均, 绘制相关波高与波周期对比变化图, 分别分析日月湾海区波况的季节性变化和长期变化特征。

1.2.2 海滩剖面实测数据

为了查明日月湾海滩在人工岛建设前后的海滩剖面地形变化特征, 本文首先利用RTK GPS分别于2020年10月和2021年3月对29条剖面的地形进行了现场测量, 断面布设自北向南为R1—R29(图2), 并使用单频测深仪测量了日岛与月岛之间R10与R16剖面的水深地形情况。此外, 本文还收集了2013年12月采集的位于剖面R1—R17之间的13条剖面的地形数据以及2010年9月剖面R4、R10、R16、R22与R27的高程数据。最后, 将所有数据校准至1985黄海高程后, 利用Arcgis10.6软件对所有的剖面高程数据进行插值处理, 获取加密后的剖面地形数据, 进而通过绘制不同时期的剖面图, 对比分析日月湾海滩剖面的地形变化情况。
图2 万宁市日月湾海滩测线布设图(2019年遥感底图)

Fig. 2 Map of the Riyue Bay beach survey line in the Wanning city (remote sensing base map of 2019)

1.2.3 海滩岸线数据

为了分析人工岛建设前后岸线的变化情况, 本文收集了Landsat卫星拍摄于2010年9月25日与2013年12月6日的遥感影像数据(图像分辨率均为30m), 然后借助ENVI软件对图像进行MNDWI计算, 以提取日月湾海滩的水边线位置。同时, 结合2020年10月份的实测水边线位置, 对比分析日月湾海滩岸线在人工岛建设前后的冲淤变化情况。在此需要说明的是, 海岸线通常是指多年平均大潮高潮线, 但由于本文所用遥感图像的分辨率为30m, 而日月湾的潮汐变化造成水边线与实际海岸线位置的差距处于该遥感误差范围之内, 因而只能通过对比分析水边线位置变化大体了解海滩岸线的变化情况。

2 结果

2.1 日月湾所处海域波浪特征

波浪对海滩的形成与演变起着至关重要的作用, 它是控制和改变海滩地貌特征以及泥沙输运分布变化最重要的因素, 而深水波况的时间变化会造成近岸破波波况的时间变化, 从而会进一步影响海滩地貌动力类型的时间变化与岸滩演变(Short, 1979)。

2.1.1 平均有效波高和平均波浪周期的季节变化

日月湾海区的多年平均有效波高与平均波浪周期都具有十分显著的季节性变化特征。由图3可知, 在每年冬半年(10月至次年3月)期间, 4个波浪点位置的平均有效波高较大, 介于1.07~2.06m之间; 而在夏半年(4月至9月)期间, 海区的多年平均有效波高较小, 在0.74~1.02m之间。这一波浪年内变化特征显然是由季风气候区内季节性盛行风所导致的。同样地, 由图4可见, 研究区在盛行偏北风的冬半年期间, 海区由波高较大、周期较长的波浪所主导, 海区平均波浪周期介于6.13~7.48s之间; 而在由偏南风控制的夏半年期间, 海区盛行波高较小、平均周期较短的波浪, 平均波浪周期介于5.31~6.36s之间。全年之中最小的平均有效波高和平均波浪周期出现在夏半年的5、6月份, 分别为0.74m和5.31s; 而最大的平均有效波高和平均波浪周期则出现在冬半年的12月份, 分别为2.06m和7.48s。
图3 日月湾外海区域1979—2021年E1、E2、E3、E4位置离岸有效波高的月平均变化

Fig. 3 The monthly mean variation of the offshore effective wave heights at the E1, E2, E3 and E4 positions from 1979 to 2021 in the open sea area of Riyue Bay

图4 日月湾外海区域1979—2021年E1、E2、E3、E4位置平均波浪周期的月平均变化

Fig. 4 The monthly mean variation of the mean wave period at the E1, E2, E3 and E4 positions from 1979 to 2021 in the open sea area of Riyue Bay

2.1.2 平均有效波高和平均波浪周期的长期变化

日月湾海区年平均有效波高以及年平均波浪周期整体上呈现逐年上升的趋势(图5), 每年平均上升幅度分别介于0.19~0.32cm和0.012~ 0.014s之间。这一相对缓慢增强的趋势特征, 反映出研究区波高和波浪周期的长期变化主要由大尺度的气候状况控制。同时, 在人工岛建设前后, 研究海区的波况没有发生明显的变化, 说明人工岛建设前后气候的变化对该海区的波况没有显著的影响。
图5 日月湾外海区域1979—2020年E1、E2、E3、E4位置平均有效波高(a)和平均波浪周期(b)的年均变化图

图中虚线为E1、E2、E3、E4处波浪多年变化趋势线

Fig. 5 The mean effective wave heights (a) and the mean wave period (b) at the E1, E2, E3 and E4 positions in the open sea area of Riyue Bay from 1979 to 2020

2.1.3 多年波向的逐月变化特征

波浪的传播方向受当地盛行风向的影响, 由于研究区地处热带季风气候区, 因而海区波向每年都随着季风方向的转换而变化。本文以E1站位波浪数据为例, 冬半年时期研究区域盛行偏北风, 海区波浪以NEE波向为主(图6), 波浪传播方向相对单一; 从冬半年转换到夏半年, 当地盛行风向逐渐由偏北风转变为偏南风, 其波浪传播方向也随之由NEE向逐渐转为以SSE向为主, 海区夏半年的波向相较于冬半年的波向较为分散。
图6 日月湾外海区域1979—2021年E1位置波向逐月变化玫瑰图

Fig. 6 Rose chart of wave direction at the E1 positions in the open sea area of Riyue Bay from 1979 to 2021

2.2 岸滩的冲淤变化情况

2.2.1 人工岛建设前后岸滩的冲淤演变

近年来, 由于港口开发以及旅游发展的需要, 海南省通过围填海实施了一系列人工岛工程。这些人工岛的建设对岛周围海域水体、泥沙输运以及邻近海滩地形地貌都造成了极大的影响。
由图7可知, 日岛与月岛的建设导致了日月湾海滩岸线的显著变化。处于海滩东北侧边缘Ⅰ区域的岸线保持相对稳定; 日岛附近Ⅱ区域, 在入射波浪直接作用下, 岸线向陆一侧不断蚀退, 最大后退距离达到50m。在日岛岛影Ⅲ区域和Ⅳ区域的R10—R11位置, 岸线明显较日岛建设前向海淤进, 最大推进距离达200m, 之后2020年岸线发生向陆后退现象。位于两岛间的Ⅴ区域与Ⅳ区域的R12—R13位置, 2013年岸线明显向陆后退, 之后到2020年岸线向海推进, 但推进幅度相对较小。位于月岛岛影Ⅴ区域的岸段, 2020年海滩发生明显淤积, 岸线向海推进, 最大淤进幅度达120m左右。而在月岛南侧的Ⅵ区域, 2010年至2013年间岸线变化幅度相对较小, 2020年岸线则全线向陆后退。靠近海滩南侧岬角的Ⅶ区域位置, 海滩发生淤积, 但2020年岸线较2013年岸线向陆有小幅度的蚀退。
图7 日月湾海岸线位置变化示意图

Fig. 7 Change of the shoreline at the Riyue Bay

人工岛的建设不仅改变了海滩岸线的位置, 也在重新塑造着海滩的剖面形态特征。在研究区东北边缘岬角处, R1—R2区域的海滩剖面形态整体上以斜线型为主, 在人工岛建设前后地貌形态变化较小, 岸滩较为稳定或略有侵蚀, 岸滩宽度变化不明显(图8)。在海滩开阔岸段, R3—R4区域海滩在人工岛建设之后, 原本存在的较窄滩肩消失, 海滩坡度逐渐变陡, 滩面不断下蚀, 海滩向陆侧蚀退。在人工岛岛影区的R5—R17岸段, 海滩剖面变化显著。其中, R5—R7区域海滩剖面形态以滩肩型为主, 人工岛建设之后海滩不断淤涨, 滩肩位置不断向海推进, 同时滩面坡度变缓, 宽度变大。大桥两侧区域的R8—R9区域, 海滩剖面形态发生显著的变化, 大桥北侧滩面严重侵蚀后退, 而南侧后滨位置则异常淤高。人工岛建设前, R10区域海滩剖面为滩肩型, 并呈上凸形状, 随着人工岛建设的实施, 整个滩面不断淤积, 后滨渐趋平缓; 在日岛建设完成后, 滩面淤积减弱甚至重新转为侵蚀。在日岛主体部分完成而月岛尚未吹填时, R11—R17区域的海滩发生侵蚀, 滩面较窄; 月岛主体建设完成后, 滩面开始重新淤积, 海滩剖面形态由斜线型逐渐转变为滩肩型, 且滩肩位置不断向海推进。R22—R27区域海滩在人工岛未建设之前, 海滩剖面形态为滩肩型, 但滩肩较窄, 月岛开始建设之后, 岸滩发生淤积, 滩肩变宽, 岸线向海推进。
图8 人工岛建设前后海滩剖面形态图

Fig. 8 Topographic profile of beach before and after the construction of artificial island

2.2.2 冬半年期间日月湾的岸滩变化

冬季波浪与人工岛对日月湾海滩的冲淤演变产生显著影响。由图9可知, 在冬季波浪作用前后, 日月湾海滩不同部位的剖面呈现出不同的冲淤变化特征。在贴近岬角的海滩岸段, R1—R2区域的海滩剖面形态以轻微的滩肩型和斜线型为主, 滩面相对较窄, 岸滩整体上保持相对稳定。R3—R4区域的海滩剖面形态为单一的斜线型, 海滩整体较窄, 呈现上冲下淤状态, 侵蚀程度较强, 剖面的最大下蚀深度达0.73m, 平均下蚀深度在0.16~0.27m之间。日岛后方的R5—R9区域岸段, 海滩剖面形态由斜线型变换为滩肩型, 海滩也由侵蚀状态转变为淤积状态, 淤积主要发生于低滩区域, 最大淤高达1.8m, 并且自北向南淤积程度逐渐减弱, 岸滩至R8剖面甚至出现了滩肩侵蚀后退情况, R9剖面的后滨区域海滩呈现为上凸型, 地貌特征相对稳定, 在陡坎位置以下部位, 岸滩发生淤积, 最大淤积高度可达2.0m。日岛和月岛之间的R10—R13区域岸段, 海滩剖面形态由滩肩型转变为以斜线型为主, 岸滩陡坎消失, 滩面变窄, 冲淤变化相对较弱, 海滩大体保持稳定状态。月岛后的R14—R17区域岸段, 海滩剖面形态由斜线型转变为滩肩型, 呈现为后滨稳定、滩肩冲刷而低滩淤积的状态, 滩肩区域最大下蚀深度可达1.15m。同时, 自北向南, 滩肩侵蚀程度相对减弱, 剖面R16滩肩位置冲淤变化不明显, 低滩位置处于淤积状态。R18—R28区域的海滩剖面形态以滩肩型为主, 且海滩自北向南整体上侵蚀程度逐渐减弱, 甚至发生轻微的淤积。其中, R18—R23区域海滩的后滨保持相对稳定状态, 滩面下蚀; 而R24—R28区域的海滩则呈现上淤下冲状态, 后滨淤积, 滩肩和滩面遭受明显侵蚀, 剖面下蚀深度介于0.71~0.86m之间。R29区域的海滩剖面形态为滩肩型, 海滩整体呈现淤积状态, 向海方向淤积程度加大, 最大淤高可达1.37m。
图9 日月湾R1—R29区域海滩剖面形态图

Fig. 9 The topographic beach profile at the R1~R29 area in the Riyue Bay

整体上, 海滩自北向南各岸段依次表现为稳定、侵蚀、淤积、相对稳定、略有侵蚀或淤积、侵蚀、淤积的冲淤变化特征(表1)。
表1 日月湾海滩冬季冲淤变化区位表

Tab. 1 Location of erosion and deposition evolution of Riyue Bay beach in winter

区段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ
剖面 R1、R2 R3、R4 R5—R9 R10—R13 R14—R17 R18—R28 R29
冲淤情况 稳定 侵蚀 淤积 相对稳定 略有侵蚀或淤积 侵蚀 淤积

3 讨论

3.1 人工岛建设对海滩冲淤演变的影响分析

人工岛的建设会改变周围海域的动力环境、泥沙输运方向和方式, 从而导致岛体周边地形以及岸滩地貌的改变。此外, 在日月湾海区, 平均有效波高和平均波浪周期每年平均上升幅度分别介于0.19~0.32cm和0.012~0.014s之间, 海况变化幅度较小且人工岛建设前后总体趋势变化不明显, 其海况主要受大尺度气候影响。因而可推断出, 在人工岛建设前后, 日月湾海滩地貌形态变化主要受到了人工岛建设的影响。在月岛未建设而日岛基本围填完成时期, 波浪作用以及泥沙输运明显受到了日岛的影响(李珊, 2015)。在日岛岛影区的Ⅲ及R10—R11区域, 由于人工岛的遮蔽作用, 水动力较弱, 泥沙发生沉降, 滩面加宽及淤高, 岸线明显向海淤进, 最大推进距离甚至可达200m。日岛后方西南侧的R12—R17区域, 由于入射波浪的直接冲刷与沿岸流的侵蚀, 滩面下蚀, 岸线向陆一侧蚀退; 而在月岛围填之后, 入射波浪受月岛阻挡, 水动力减弱, 导致海滩侵蚀程度减弱, 甚至发生淤积, 月岛岛影区岸线明显向海一侧推进。在两个人工岛的主体工程基本完成后, 两侧波浪直接冲刷海滩, 波浪破碎产生的沿岸流携带泥沙向西南侧输运, 使得Ⅱ区域与Ⅵ区域海滩遭受侵蚀。而受人工岛岛影区水动力较弱以及连岛大桥阻挡的影响, 岸滩冲刷减弱, 被侵蚀运移到岛后Ⅲ—Ⅴ区域的泥沙逐步沉降, 故该区段的海滩发生淤涨。与此同时, 为修复日月湾海滩Ⅵ区域的侵蚀岸段, 于2018年5月前基本完成了日岛后方淤积区的取沙填补, 取沙面积为11.56× 104m2, 取沙厚度2.5m, 共计36×104m3, 这可能是造成R8区域滩面侵蚀和R9区域后滨位置特殊淤高的主要原因。此外, 为减弱Ⅵ区域岸滩的侵蚀以及防止日岛清淤后重新淤积, 于日岛栈桥和Ⅵ区域的东北侧修建了长度分别为100m与150m的拦沙堤, 并且于Ⅵ区域前方海域离岸约115~143m的位置修建了总长为990m的离岸堤。这些工程削弱了入射波浪的作用, 加之之前的补沙措施, 可能是该区域海滩侵蚀程度相对于Ⅱ区域海滩较小的原因。

3.2 冬季波浪和人工岛联合作用对海滩冲淤变化的影响分析

相较于夏半年而言, 在冬半年期间, 研究区域盛行偏北风, 海区外海以NEE向波浪为主, 波高较大, 周期较长, 其可能会使得深水区域波浪向岸传播时, 波能衰减相对较小, 近岸破波波况相对较强, 从而对日月湾海滩造成较为强烈的影响。人工岛的建设也会改变研究区的波浪场与波生流场, 而沿岸输沙以斜向入射波浪提供的沿岸流为驱动力, 泥沙向下游岛堤后运移, 岛堤波影区发生淤积(石萍 等, 2015), 结合海滩现场泥沙冲淤状况判断, 其泥沙整体向西南方向输运。此外, 根据前人在日月湾海区所做的水动力模拟及泥沙输运计算显示, 岛后两侧流速较快, 沿岸流由两侧向岛后汇聚, 两侧岸滩侵蚀, 而岛后的波高明显减小, 水动力较弱, 泥沙于岛影区发生沉降, 海滩出现淤积(龚文平 等, 2012), 由此推断日月湾人工岛附近的流场大致如图10所示。Ⅰ区域与Ⅶ区域远离人工岛且处于岬角的遮蔽位置, 直接入射波浪受到削弱并受人工岛的影响较弱, 水动力及泥沙输运整体变化幅度相对较小, 故Ⅰ区域海滩保持相对稳定的状态, 而Ⅶ区域的南下泥沙因受到岬角阻拦, 从而导致海滩发生整体淤积现象。Ⅱ区域和Ⅵ区域位置相对开阔, 入射波浪直接作用于岸滩之上, 波浪能量较强, 波浪破碎生成沿岸流并携带泥沙向西南运移, 导致海滩遭受侵蚀。随着与岬角距离的减小, 被侵蚀的西南向输运泥沙因受到阻挡而开始逐步沉降, 导致Ⅵ区域海滩侵蚀逐渐减弱, 甚至部分位置发生淤积。在岛影区域, 两侧沿岸流携带的泥沙汇集, 入射波浪受到人工岛的阻挡, 水动力减弱, 更是进一步促使了泥沙的沉降, 从而导致Ⅲ区域海滩淤积。此外, 日岛大桥阻拦着泥沙的向南输运, 更加促进了Ⅲ区域滩面淤积, 但同时也导致Ⅳ区域泥沙输运量减少, 使得海滩保持相对稳定的状态。位于月岛后的Ⅴ区域, 由于两座人工岛之间存在间隙, 入射波浪能够穿过该间隙并作用于岸滩之上, 加之西南向泥沙输运受阻, 导致滩肩位置发生侵蚀。但是由于该段海滩处于月岛遮蔽区域, 水动力较弱, 故海滩整体上受侵蚀幅度较小, 之后甚至逐渐转变为淤积状态。其中剖面R16的滩肩位置相对稳定, 没有发生明显的侵蚀现象, 主要原因可能是之前该位置存在月岛钢便桥以及拦沙堤, 导致泥沙运移受阻而淤积, 从而相对减缓了滩肩的侵蚀。
图10 日月湾海区的波浪和沿岸流示意图

Fig. 10 Waves and currents in the Riyue Bay

3.3 人工岛连岛沙坝形成的探讨

人工岛建设后, 对于其岛后是否会形成连岛沙坝或突出体是人们关注的热点。为此, 国内外许多学者都对连岛沙坝的形成条件进行了大量的研究, 以期能够预测岛堤的建设对岛后岸滩形态的影响(Hallermeier, 1983; Dally et al, 1986)。
对于连岛沙坝的形成, Dally等(1986)认为这主要与岛堤长度B以及岛体与海岸的距离X相关。当B与X的比值较大时, 能够阻挡波浪的范围越大, 岛体的掩护作用越强, 形成连岛沙坝的可能性就越大。其中, 当B/X介于0.5~0.67时, 容易发育突出体。对于连岛沙坝的形成, 当为单个岛堤且B/X介于1.5~2.0时, 海岸容易形成连岛沙坝; 而当海域拥有多个岛堤时, 连岛沙坝的发育也与相邻岛堤之间的距离G有关; 当B/X≥1.5, 并且离岸堤处波浪波长L≤G≤B时, 容易发育连岛沙坝。当前时期, 日月湾海区的日岛和月岛工程主体部分已经基本完成, 这种情况属于多个岛堤情况。日岛的离岸距离约为380m, 长度约为845m; 月岛的离岸距离约为440m, 长度约为990m; 两岛之间的距离约为200m, 人工岛处的波长为47.19m(龚文平 等, 2012)。因此, 对于日岛和月岛都有L<G<B, 日岛的B/X=2.2, 月岛的B/X=2.25, 故两人工岛与海岸相连形成连岛沙坝的可能性较大。
此外, Hallermeier(1983)认为岛堤之后是否会形成连岛沙坝与岛堤所处的水深有着极大的关系:
${{d}_{s}}=\frac{2.9{{H}_{e}}}{\sqrt{(S-1)}}-\frac{110{{H}_{e}}}{(S-1)gT_{e}^{2}}$
式中: ds为临界水深; S为泥沙的密度; He为一年中出现时长超过12h的深水波的波高; Te为对应的周期; g为重力加速度。当岛堤的水深小于临界值的时候, 岛堤与海岸之间就容易形成连岛沙坝。根据前人计算结果(龚文平 等, 2012), 该处的临界水深ds=8.11m, 而日、月双岛之间的水深如图11所示, 即在多数情况下水深小于7m。由此可进一步推断, 日岛和月岛两座人工岛与海岸相连形成连岛沙坝的可能性较大。
图11 日岛和月岛之间的水深剖面图

a. R10剖面位置; b. R16剖面位置

Fig. 11 Bathymetric profile between Ri island and Yue island: (a) R10 position; (b) R16 position

4 结论

1) 日月湾海区冬半年盛行NEE向波浪, 夏半年则以SSE向波浪为主, 并且海区冬半年的平均有效波高与平均波浪周期明显大于夏半年。此外, 日月湾海区波浪强度整体上呈现逐年上升的趋势, 但在人工岛建设前后变化幅度不明显。
2) 日月湾海滩地貌形态变化受到人工岛建设的影响, 海滩呈现出岛后淤积、两侧侵蚀的显著特征。海滩在岛影区不断淤积, 岸线向海推进可达200m, 甚至可能与人工岛相连形成连岛沙坝; 而人工岛后两侧岸滩则发生侵蚀, 岸线向陆蚀退距离可达50m。
3) 日月湾海滩受冬季波浪与人工岛的共同影响强烈, 其中岛影区入射波浪受人工岛阻挡, 水动力相对较弱, 沿岸流携带泥沙沉降, 造成海滩淤积; 人工岛两侧海滩, 海域开阔, 水动力较强, 泥沙侵蚀严重。整个岸滩自北向南各段依次表现为稳定、侵蚀、淤积、相对稳定、略有侵蚀或淤积、侵蚀、淤积的冲淤变化特征。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
蔡锋, 苏贤泽, 刘建辉, 等, 2008. 全球气候变化背景下我国海岸侵蚀问题及防范对策[J]. 自然科学进展, 18(10): 1093-1103.

CAI FENG, SU XIANZE, LIU JIANHUI, et al, 2008. Problems and measures of coastal erosion in China under global climate change[J]. Progress in Natural Science, 18(10): 1093-1103. (in Chinese)

[2]
蔡锋, 刘根, 2019. 我国海滩养护修复的发展与技术创新[J]. 应用海洋学学报, 38(4): 452-463.

CAI FENG, LIU GENG, 2019. Beach nourishment development and technological innovations in China: an overview[J]. Journal of Applied Oceanography, 38(4): 452-463. (in Chinese with English abstract)

[3]
龚文平, 李昌宇, 林国尧, 等, 2012. DELFT 3D在离岸人工岛建设中的应用-以海南岛万宁日月湾人工岛为例[J]. 海洋工程, 30(3): 35-44.

GONG WENPING, LI CHANGYU, LIN GUOYAO, et al, 2012. Application of DELFT 3D model for plan design of an artificial island—a case study for the artificial island construction in the Riyue Bay, Wanning City, Hainan Island[J]. The Ocean Engineering, 30(3): 35-44. (in Chinese with English abstract)

[4]
胡殿才, 汪生杰, 崔峥, 2012. 某离岸人工岛平面方案论证[J]. 水运工程, (12): 162-167, 199.

HU DIANCAI, WANG SHENGJIE, CUI ZHENG, 2012. On plane program of offshore artificial island[J]. Port & Waterway Engineering, (12): 162-167, 199. (in Chinese with English abstract)

[5]
季荣耀, 徐群, 莫思平, 等, 2012. 港珠澳大桥人工岛对水沙动力环境的影响[J]. 水科学进展, 23(6): 829-836.

JI RONGYAO, XU QUN, MO SIPING, et al, 2012. Effects on the hydrodynamics and sediment environment by artificial islands of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. Advances in Water Science, 23(6): 829-836. (in Chinese with English abstract)

[6]
匡翠萍, 俞露露, 顾杰, 等, 2019. 人工岛对金梦海湾水体交换的影响[J]. 中国环境科学, 39(2): 757-767.

KUANG CUIPING, YU LULU, GU JIE, et al, 2019. Influences of artificial island on water exchange of Jinmeng Bay[J]. China Environmental Science, 39(2): 757-767. (in Chinese with English abstract)

[7]
李珊, 2015. 海南万宁日月湾人工岛冲淤特性研究[D]. 青岛: 中国海洋大学.

LI SHAN, 2015. Hainan Wannings Riyuewan island sediment characteristics research[D]. Qingdao: Ocean University of China. (in Chinese with English abstract)

[8]
马志泉, 陈钦明, 高德政, 2012. 用中国地区ERA-Interim资料计算ZTD和ZWD的精度分析[J]. 大地测量与地球动力学, 32(2): 100-104.

MA ZHIQUAN, CHEN QINMING, GAO DEZHENG, 2012. Study on accuracy of ZTD and ZWD calculated from era-interim data over China[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 32(2): 100-104. (in Chinese with English abstract)

[9]
石萍, 曹玲珑, 莫文渊, 等, 2015. 人工岛建设对海口湾西海岸岸滩稳定性影响[J]. 热带海洋学报, 34(5): 57-63.

SHI PING, CAO LINGLONG, MO WENYUAN, et al, 2015. Influence of man-made island construction on the stability of the beach in the west coast of Haikou Bay[J]. Journal of Tropical Oceanography, 34(5): 57-63. (in Chinese with English abstract)

[10]
张翠萍, 贾后磊, 郑兆勇, 等, 2016. 离岸人工岛填海造地的正负环境效应分析及对策研究-以海南万宁日月湾人工岛为例[J]. 海洋湖沼通报, (2): 17-23.

ZHANG CUIPING, JIA HOULEI, ZHENG ZHAOYONG, et al, 2016. Countermeasures and analysis on the positive and negative environmental effect of offshore artificial island reclamation-a case study of artificial island project of Riyue bay Hainan[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, (2): 17-23.. (in Chinese with English abstract)

[11]
钟小菁, 2017. 海南岛海滩地貌动态: 常态过程, 极端事件和人工岛建设的影响[D]. 上海: 华东师范大学.

ZHONG XIAOJING, 2017. Morphodynamics of the beaches around Hainan Island: the normal processes, the influences of extreme events and artificial island construction[D]. Shanghai: East China Normal University. (in Chinese with English abstract)

[12]
BERRISFORD P, DEE D P, POLI P, et al, 2011. The ERA-interim archive version 2.0[R]. Shinfield Park: ECMWF.

[13]
BRUUN P, 1962. Sea-level rise as a cause of shore erosion[J]. Journal of the Waterways and Harbors Division, 88(1): 117-130.

[14]
DALLY W R, POPE J, 1986. Detached breakwaters for shore protection[R]. San Diego: Unknown:51.

[15]
HALLERMEIER R J, 1983. Sand transport limits in coastal structure design[C]// Proceedings of the international conference on coastal structure’83. New York: ASCE: 703-716.

[16]
MULLER J, WÜST R A J, HEARTY P J, 2006. Sediment transport along an artificial shoreline: "The Strand", Townsville, NE-Queensland, Australia[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 66(1-2): 204-210.

DOI

[17]
NAM P T, LARSON M, HANSON H, et al, 2011. A numerical model of beach morphological evolution due to waves and currents in the vicinity of coastal structures[J]. Coastal Engineering, 58(9): 863-876.

DOI

[18]
NISHI R, UDA T, SATO M, et al, 1998. Coastal erosion caused by construction of an artificial island and performance of beach nourishment[C]// Proceedings of 26th international conference on coastal engineering. Reston: ASCE: 1679-1692.

[19]
SCHWAB W C, BALDWIN W E, HAPKE C J, et al, 2013. Geologic evidence for onshore sediment transport from the inner continental shelf: Fire Island, New York[J]. Journal of Coastal Research, 29(3): 526-544.

[20]
SHORT A D. 1979. Wave power and beach-stages: a global model[C]// Proceedings of 16th coastal engineering conference. Reston: ASCE:1145-1162.

[21]
VOUSDOUKAS M I, RANASINGHE R, MENTASCHI L, et al. 2020. Sandy coastlines under threat of erosion[J]. Nature Climate Change, 10(3): 260-263.

DOI

[22]
ZHU JUN, CAI FENG, SHI FENGYAN, et al, 2019. Beach response to breakwater layouts of drainage pipe outlets during beach nourishment[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 228: 106354.

DOI

[23]
ZYSERMAN J A, JOHNSON H K, 2002. Modelling morphological processes in the vicinity of shore-parallel breakwaters[J]. Coastal Engineering, 45(3-4): 261-284.

DOI

Options
文章导航

/

〈 〉