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热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 4: 82 - 96

DOI: https://doi.org/10.11978/2021091

海洋地貌学

台风季节朱家尖岛砂、砾质岬湾海滩的不同沉积地貌动态变化

  • 郭俊丽 , 1 ,
  • 时连强 2 ,
  • 陈沈良 , 1 ,
  • 张敏 2 ,
  • 常洋 1 ,
  • 张达恒 2
展开
  • 1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200241
  • 2.自然资源部第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012
陈沈良, 男, 博士, 教授, 主要从事河口海岸动力地貌过程研究。email:

郭俊丽(1994—), 女, 河南开封人, 博士研究生, 主要从事海岸动力地貌过程研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2021-07-15

  修回日期: 2021-09-07

  网络出版日期: 2021-09-19

基金资助

浙江省基础公益研究计划项目(LHZ22D060001)

收起

Dynamic variations of different sedimentary geomorphology of sandy and gravel embayed beaches on the Zhujiajian Island during typhoon season

  • GUO Junli , 1 ,
  • SHI Lianqiang 2 ,
  • CHEN Shenliang , 1 ,
  • ZHANG Min 2 ,
  • CHANG Yang 1 ,
  • ZHANG Daheng 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • 2. Second Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Hangzhou 310012, China
CHEN Shenliang. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2021-07-15

  Revised date: 2021-09-07

  Online published: 2021-09-19

Supported by

Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(LHZ22D060001)

Fold

摘要

岬湾砂、砾质海岸是海岛、海岸带重要的旅游资源, 具有较高的社会经济和生态价值, 长期以来备受关注。本文以浙江朱家尖岛东岸的5个代表性岬湾海滩为例, 基于2019年台风季节早期、中期及晚期测量获得的海滩地形和沉积物数据, 结合海滩近岸的水动力数据, 分析了砂质海滩和砾石海滩这两种不同类型岬湾海滩的沉积地貌动态变化。结果表明, 朱家尖岛东岸5个海滩在台风季节出现了不同的体积变化, 大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘海滩的单宽体积变化分别为11.93m3·m-1、-54.41m3·m-1、-19.75m3·m-1、2.19m3·m-1和-1.96m3·m-1。砾石滩较砂质海滩更为稳定, 无人类活动干扰的砂质海滩在台风季节侵蚀更少、变化更小。台风季节大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘海滩表层沉积物的平均粒径分别为2.47Փ、2.24Փ、2.64Փ、-5.96Փ和-6.03Փ, 粒径粗化和离岸输运是5个海滩表层沉积物在台风季节的主要表现, 砂质海滩的沉积物粒度特征变化比砾石海滩要大。沉积物粒径、台风强度及台风期间的主要波向与海滩走向之间的关系、海岸工程这3种因素都可能对海滩在台风季节的沉积地貌动态变化产生影响。本文研究结果可为台风季节的海滩管理提供参考。

关键词： 岬湾海滩; 剖面形态; 粒度特征; 人类活动; 台风季节

本文引用格式

郭俊丽 , 时连强 , 陈沈良 , 张敏 , 常洋 , 张达恒 . 台风季节朱家尖岛砂、砾质岬湾海滩的不同沉积地貌动态变化[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(4) : 82 -96 . DOI: 10.11978/2021091

Abstract

The embayed sandy and gravel beaches are important tourism resources in the coastal zone of islands, with high socio-economic and ecological values and having received study attention for years. This study focuses on five representative embayed beaches on the east coast of the Zhujiajian Island in Zhejiang Province. The beach topography and sediment data were obtained from three field campaigns in the early, middle and late stages of the 2019 typhoon season, and the nearshore hydrodynamic data were also collected and analyzed. Then, the dynamic changes of topography and sediment characteristics of five different embayed beaches were detected. The results show that the five beaches experienced different volume changes during the typhoon season, i.e., 11.93 m3·m-1(Dashali), -54.41 m3·m-1 (Dongsha), -19.75 m3·m-1 (Qiansha), 2.19 m3·m-1 (Wushitang) and -1.96 m3·m-1 (Xiaowushitang), respectively. The gravel beaches were more stable than the sandy beaches, and the sandy beach without human activity is less eroded during the typhoon season. The mean grain size of surficial sediments on Dashali, Dongsha, Qiansha, Wushitang and Xiaowushitang during the typhoon season are 2.47 Փ, 2.24 Փ, 2.64 Փ, -5.96 Փ and -6.03 Փ, respectively, with coarsening and onshore transport being the main performances of their changes. The change of sediment grain size on sandy beaches is more significant than that on the gravel beaches. The sediment grain size, the energy level of typhoon, and the angle between the main wave direction during the typhoon and the beach orientation, and coastal engineering can have impacts on beach morphological variation during typhoon seasons. This research can provide reference for the beach management during typhoon seasons.

Key words： embayed beaches; profile morphology; grain size characteristics; human activities; typhoon season

岬湾砂、砾质海岸是海岛、海岸带重要的旅游资源, 具有较高的社会经济和生态价值, 长期以来备受关注。以往绝大多数海滩研究关注的是砂质海滩, 如砂质海滩风暴侵蚀及恢复(蔡锋 等, 2004; Qi et al, 2010; Ge et al, 2017; 龚昊 等, 2017; 郭俊丽 等, 2019)、海滩平衡剖面(李志龙 等, 2006; Dai et al, 2007)、海滩养护(Hamm et al, 2002; Hanson et al, 2002; Castelle et al, 2009; 庄振业 等, 2009; Cai et al, 2011; Luo et al, 2016; 蔡锋 等, 2019)和海滩的稳定性(戴志军 等, 2006; 程武风 等, 2017)等。与之相比, 砾石滩的研究则较为局限, 主要开展了风暴巨砾的起动(高抒 等, 2019)、砾石滩的沉积地貌特征总结分析(陈洪德 等, 1982; 张国栋 等, 1987; 王爱军 等, 2004)以及砂质海滩的卵石养护(束芳芳 等, 2019)等方面的研究。
台风这一气象灾害常年影响我国的东南沿海, 而台风大浪是海滩快速变化的主要驱动力(戴志军 等, 2001; 曾春华 等, 2020)。岸线的走向与台风风暴路径可影响波浪的入射角, 进而通过控制沿岸沉积物输运来影响海滩和/或沙丘的响应(Costas et al, 2005; Anthony, 2013; 童宵岭 等, 2014; Castelle et al, 2015)。除了受动力作用影响外, 海滩对风暴的响应差异还受到海滩形态(Haerens et al, 2012)、海滩类型(Masselink et al, 2016; 朱士兵 等, 2019)、沉积物粒径(Prodger et al, 2016)和地质条件(Loureiro et al, 2012)等因素的影响。在过去的几十年中, 为了应对台风灾害, 我国已经实施了大量的海滩养护、海堤建设等海岸工程(Cai et al, 2011; Luo et al, 2016; Kuang et al, 2019)。海滩养护工程的实施虽然有效地保护了海滩资源, 但会影响海滩的沉积地貌动态平衡。当有人类活动干扰时, 海滩沉积地貌动态对风暴的响应变得更为复杂(Guo et al, 2020)。因此, 对比研究不同沉积物类型和不同人为干扰程度的海滩, 有助于深入了解岬湾海滩的动力地貌过程。
舟山群岛是热门的旅游地, 拥有30多个岬湾海滩(夏小明, 2014), 其中朱家尖岛东岸的海滩尤为出名。台风是影响舟山群岛的常见气象灾害且对海滩的形态有重大影响, 甚至威胁到舟山的旅游业。每年的7月至9月是台风登陆和影响浙江最多的季节, 约占登陆总个数的93%(许浩恩 等, 2009)。因此, 本研究以朱家尖岛东岸不同沉积物类型且受人类活动影响程度不同的岬湾海滩为例, 对比分析台风季节下砂质海滩和砾石海滩这两种不同岬湾海滩的剖面地形及沉积物特征变化, 探明不同类型岬湾海滩对台风季节强水动力的响应特征及其影响因素, 为台风季节的海滩管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

朱家尖岛是舟山市的第五大岛, 位于舟山群岛的东南部海域(图1a、1b), 陆域面积62.2km2, 海岸线长79.2km。朱家尖岛西岸发育淤泥质海岸, 东岸则多为砂、砾质海岸和基岩海岸, 其东岸的十里金沙是舟山著名的旅游胜地(夏小明, 2014), 大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘是朱家尖岛典型的岬湾海滩。
图1 研究区域位置、观测站位及海滩剖面设置图

Fig. 1 Map of study area, observation stations and profile setting on five beaches

大沙里海滩位于朱家尖岛东北端, 全长约900m, 岬角长度约600m(图1c)。该砂质海滩南部较陡, 北部平坦, 沿岸的坡度介于2.2%至2.8%之间, 平均为2.4%。其陆地一侧虽有海堤存在, 但该海滩仍保存有完好的沙丘和植被。沉积物中值粒径在2.12Փ至2.74Փ之间, 组分主要为细砂。东沙海滩全长约1500m, 岬角长度约1350m(图1e)。海滩坡度介于2.9%至3.5%之间, 沉积物的中值粒径在1.4Փ至2.74Փ(细砂到中砂)之间。2012年海堤的全线建成打破了海滩上沉积物的横向输运平衡(程林 等, 2014), 海堤的建设和频繁的风暴使得东沙海滩长期处于侵蚀状态(郭俊丽 等, 2018)。为防止风暴侵蚀和扩大海滩干滩面积, 东沙海滩管理部门在2016年和2017年之间共实施了沉积物补给总量约为52000m3的海滩养护项目(Guo et al, 2020)。千沙海滩位于朱家尖岛东南部的大青山风景区, 全长约1200m, 岬角长度800m(图1f)。该砂质海滩坡度由北至南逐渐变缓, 介于1.6% 至2.9%之间, 平均为2.2%。千沙海滩背靠基岩, 局部有沙丘及植被存在, 沉积物中值粒径在2.18Փ至3.18Փ之间, 该海滩无海岸工程建设。
大乌石塘与小乌石塘海滩(图1d)是分别位于朱家尖岛东部的岬湾砾石海滩。两个砾石滩的大潮高潮线以上有砾石堤分布, 砾石堤后为海堤, 砾石滩两侧都有较高的海蚀崖。砾石堤呈阶梯状向海方向递降, 至低潮位高差达8m 以上。两个砾石滩所处海湾大小不同, 乌石塘砾石滩所处的漳州湾纵深约2.5km, 宽度约0.8~1.2km; 而小乌石塘砾石滩所在的海湾长度约0.8km, 宽约0.3~0.4km(王爱军 等, 2004)。

1.2 数据获取与处理

1.2.1 水动力数据获取

根据沈家门海洋站(29°55′48″N, 122°18′E)提供的潮汐数据显示, 朱家尖岛近岸的潮汐类型主要为半日潮, 平均潮差为2.6m(夏小明, 2014)。逐时波浪数据由位于约20m水深处的波浪浮标(29°48′N, 122°30′E)获得。研究区的主要波浪方向来自E向,有效波高较大的波浪主要来自NE和SE之间的方向(Guo et al, 2020)。在2019年的台风季节, 朱家尖岛近岸波浪浮标观测到的最大有效波高为6.77m。期间共有4个不同等级的台风影响研究区(表1), 分别为热带风暴“丹娜丝”(Danas)、超强台风“利奇马”(Lekima)、超强台风“玲玲”(Lingling)和台风“塔巴”(Tapah)。
表1 2019年台风季节影响研究区域的台风信息

Tab. 1 Information of typhoons affected study area during the 2019 typhoon season

台风名称 最强等级 生成时间 消亡时间 影响研究区域的时间范围
丹娜丝(Danas) 强热带风暴 7月15日17时 7月21日20时 7月19日7时—7月19日17时
利奇马(Lekima) 超强台风 8月4日14时 8月13日11时 8月9日16时—8月10日1时
玲玲(Lingling) 超强台风 9月1日20时 9月8日10时 9月6日13时—9月6日17时
塔巴(Tapah) 台风 9月18日23时 9月23日8时 9月21日11时—9月22日5时

1.2.2 地形数据获取与处理

为了分析台风季节朱家尖岛东岸5个岬湾海滩地形、表层沉积物的变化特征, 本文于2019年7月18日、2019年8月31日、2019年9月24日对海滩地形和表层沉积物的粒度特征进行了3次测量, 分别代表台风季节早期、中期及晚期阶段的特征(早期至中期视为台风季节前期, 中期至晚期视为台风季节后期)。根据5个海滩的沉积地貌特征依次设置了观测剖面的数量, 分别是大沙里5条, 东沙海滩6条, 乌石塘4条, 小乌石塘4条(图1), 在台风季节共获得57条地形剖面。岸滩地形均在低潮时利用RTK GPS连接CORS基站对固定剖面位置追踪测量(水平和垂向精度分别为±8mm和±15mm), 获得原始数据后校正至1985黄海高程。
根据Burvingt等(2018)的方法, 计算海滩剖面的单宽体积Vprofile(单位: m3·m-1):
${{V}_{\text{profile}}}=\int_{{{z}_{\min }}}^{{{z}_{\max }}}{z\text{d}z}$
其中, z对应于每米插值的地形高程值, zmin和zmax分别为海滩剖面最低处和起始点(海堤/陡崖)的高程(图2)。在本研究中, 由于每个海滩的不同特点, 各海滩的zmin略有不同, 但砂质海滩的zmin都在0m高程附近。砂质海滩以0m高程处的海岸距离为准计算海滩剖面体积, 砾石海滩以2m高程处的离岸距离为准计算海滩剖面体积。本文选取的zmin和zmax之间的剖面部分是海滩提供休闲娱乐的主要区域, 该区域的沉积地貌动态变化与海滩的旅游功能息息相关。海滩剖面体积变化是指相对于2019年台风季节第一次调查(即台风季节早期)的变化。
图2 海滩剖面及沉积物采样站位示意图(以东沙海滩DS11剖面的第二次调查为例)

Fig. 2 Example of profile morphology and surficial sediment sampling sites (taking profile DS11 as an example)

1.2.3 沉积物数据获取与处理

3个砂质海滩共获得48个剖面数据和192个表层沉积物样品。沉积物采集时以海堤或基岩为起点, 沿剖面方向每50m设置一个采样点(图2), 采样时去除表面覆盖的杂质, 取厚度3~5cm的表层沉积物装入样品袋, 而后送至实验室进行测试分析。沉积物样品的处理均参照标准实验室流程(Carver, 1971), 样品预处理后采用SFY-D音波震动式全自动筛分粒度仪进行粒度分析。SFY-D筛分仪采用音波振动, 使空气在一个密闭的叠筛腔体中运动, 震荡的空气使样品颗粒作周期的垂直运动, 筛网的堵孔现象减少, 使用电磁击铁垂直敲击, 使团聚的颗粒分散, 减少了筛网的磨损和颗粒被打碎的现象。沉积物粒径以Փ值表示(Folk et al, 1957), 分析范围从-3Փ至5Փ(以0.5Փ为间隔), 得到测量结果后利用图解法(Folk et al, 1957)计算平均粒径、分选系数、偏态和峰态。
砾石滩沉积物数据采取原地测量的方式, 在每次测量中每条剖面设置3个测量样方(1m×1m), 分别位于剖面的起点、砾石堤顶及潮间带, 随机用游标卡尺测量表层42颗砾石的平均粒径(D)和长轴(A)、中轴(B)及短轴(C)长度。2个砾石滩在3次测量后各获得样方36个, 共测量砾石3024颗。砾石常用的形态参数有最大投影球度(maximum projection sphericity, MPS)(Powers, 1953)、扁长指数(oblate-prolate index, OPI)(Sneed et al, 1958)以及盘状-杆状指数(disc-rod index, DRI)(Dobkins et al, 1970), 这组参数是粗颗粒沉积物结构分析中的重要参数, 可以提供沉积物的产地、搬运特征及沉积动力环境等有关信息(Benn et al, 1993; 王爱军 等, 2004)。

2 结果

2.1 台风季节朱家尖岛近岸动力特征

2019年台风季节共有4个不同等级的台风影响研究区: 热带风暴“丹娜丝”(Danas)、超强台风“利奇马”(Lekima)、超强台风“玲玲”(Lingling)和台风“塔巴”(Tapah)。研究区的年平均有效波高和周期只有0.82m和3.6s(Guo et al, 2020), 而2019年台风季节的平均有效波高为1.16m, 平均周期为5.5s(图3a、3b)。最大有效波高和周期分别为6.77m和9.9s。整个台风季节, 朱家尖岛近岸海域的波浪主要为SE向, 波高较大的方向主要出现于NE和SE之间(图3c)。前3个台风的主导波浪方向为SE向, 而在最后一个台风期间则为E向。4个台风引起的风暴浪有效波高最大值分别达到4.68m、6.77m、3.71m和4.03m(图3a), 对应的波向分别为135°、40°、100°和84°(图3c)。
图3 台风季节朱家尖岛近岸海域有效波高(a)、平均波周期(b)、波向(c)、潮位和增水情况(d)以及风速、风向过程(e)

垂直的灰色阴影表示2019年台风季节的4个台风影响研究区域的时间, 图c中2019年7月1日至2019年7月15日的波向因仪器故障而未展示相应数据

Fig. 3 Significant wave height (a), mean wave period (b), wave direction (c), tidal level and surge (d) and wind speed and direction (e) at the nearshore of the Zhujiajian Island during the 2019 typhoon season. The vertical grey shadow areas show the four typhoons’ influencing time span. The wave direction from 2019/7/1 to 2019/7/15 is not displayed due to the instrument failure

2019年台风季节研究区逐时实测潮位、天文潮位和风暴增水情况如图3d所示, 涵盖了大约6个大小潮周期。从图3d可以看出, 最低和最高水位均出现在大潮期间, 分别为-1.75m和2.49m。4次台风均导致朱家尖岛近岸出现明显的增水, 分别为0.6m、0.96m、0.57m和0.98m(图3d)。
图3e展示了台风季节朱家尖岛近岸海域的风况信息。2019年台风季节研究区域观测到的平均风速为3.12m·s-1, 最大风速19.9m·s-1出现在超强台风“利奇马”过境期间(2019年8月10日8时)。研究时间段内风向主要来自N向和 E向之间。在4个台风影响朱家尖岛期间, 研究区域测得的最大风速分别为9.5m·s-1、19.9m·s-1、14m·s-1和15.1m·s-1(图3e), 对应的风向分别为68°、22°、4°、22°。

2.2 岬湾海滩剖面形态变化

2.2.1 砂质海滩

大沙里海滩剖面在台风季节总体呈现略微淤积的状态, 在台风季节前期、后期及整个台风季节海滩的平均单宽体积变化量分别为4.57m3·m-1、7.35m3·m-1和11.93m3·m-1(表2)。该砂质海滩在台风季节开始阶段, 每个剖面在离岸距离40~60m处都有滩肩存在, 而受台风影响后滩肩出现向陆后退或消失, 台风季节结束后海滩剖面趋于平滑且平缓(图4a—e)。台风季节的强水动力仅改变了部分剖面(YA06、YA08和YA10)的形态, 而未造成海滩剖面侵蚀。
表2 朱家尖岛大沙里、东沙和千沙海滩单宽体积变化统计表

Tab. 2 Chart of volume changes of Dashali, Dongsha and Qiansha beaches on the Zhujiajian Island

剖面 单宽体积变化量/(m3·m-1)
台风季节前期 台风季节后期 整个台风季节
大沙里 YA02 -10.72 27.29 16.58
YA04 2.67 8.39 11.06
YA06 30.98 13.30 44.28
YA08 2.26 11.55 13.81
YA10 -2.32 -23.79 -26.10
平均值 4.57 7.35 11.93
东沙 DS05 3.49 -57.03 -53.54
DS11 -77.77 -46.40 -124.17
DS17 -80.73 -2.65 -83.39
DS22 -9.22 -32.45 -41.67
DS26 -1.67 -5.66 -7.33
DS30 -9.03 -6.95 -15.97
平均值 -35.68 -18.82 -54.51
千沙 QS01 5.40 -13.97 -8.57
QS05 18.82 -41.74 -22.92
QS09 27.22 -9.72 -9.72
QS13 -43.02 -66.08 -10.91
QS17 -4.91 -41.73 -46.63
平均值 0.70 -34.65 -19.75
图4 大沙里(a—e)、东沙(f—k)和千沙海滩(l—p)典型剖面在台风季节的变化特征

Fig. 4 Variations in typical profiles of the Dashali beach (a~e), Dongsha beach (f~k) and Qiansha beach (l~p) during the typhoon season

东沙海滩在整个台风季节的平均单宽体积变化量为-54.51m3·m-1, 整体以侵蚀为主, 且在台风季节前期侵蚀较多(-35.68 m3·m-1)。其中, 南部剖面(图4f—h)变化较大, 最大单宽侵蚀量可达124.17m3·m-1 (出现在DS11剖面); DS05和DS17剖面在台风季节早期出现滩脊, 经历台风季节的强水动力作用后滩脊消失而转为平坦斜坡式剖面。与海滩南部剖面相比, 北部的3个剖面(DS22、DS26和DS30)在台风季节则相对稳定, 平均单宽体积变化量仅为-10.83m3·m-1。
千沙海滩剖面在台风季节前期较后期稳定(图4g—i), 平均单宽体积变化量分别为0.7m3·m-1(前期)和-34.65m3·m-1(后期)。海滩剖面形态在整个台风季节均表现为平坦斜坡式剖面, 坡度则呈现出逐渐变缓的趋势。千沙海滩的剖面在台风季节以轻微侵蚀为主, 剖面形态在3个砂质海滩中变化最小。

2.2.2 砾石海滩

剖面地形测量结果显示, 与砂质海滩相比, 砾石海滩剖面更为陡峭, 最高点高程可达6m以上。就台风季节的剖面形态变化而言, 砾石滩的海滩剖面比砂质海滩剖面变化小, 形态相对稳定。
乌石塘海滩剖面在台风季节总体呈略微的堆积状态(图5a—d), 在台风季节前期、后期及整个台风季节的海滩平均单宽体积变化分别为3.8m3·m-1、-1.61m3·m-1、2.19m3·m-1(表3)。乌石塘海滩除剖面WST01外, 其余3个剖面都有明显的砾石堤存在, 宽度约为10m。台风季节的强水动力仅在后期造成了略微侵蚀, 最大单宽体积变化仅5m3·m-1左右。与小乌石塘相比, 乌石塘海滩的剖面更为稳定。
图5 台风季节乌石塘(a—d)、小乌石塘(e—h)海滩的剖面形态变化特征

Fig. 5 Morphological changes of profiles on Wushitang beach (a~d) and Xiaowushitang beach (e~h) during the typhoon season

表3 朱家尖岛乌石塘和小乌石塘海滩单宽体积变化统计表

Tab. 3 Chart of volume changes of Wushitang and Xiaowushitang beaches on Zhujiajian Island

剖面 单宽体积变化量/(m3·m-1)
台风季节前期 台风季节后期 整个台风季节
乌石塘 WST01 2.67 -0.07 2.59
WST02 5.31 -3.63 1.68
WST03 4.88 0.16 5.04
WST04 2.32 -2.90 -0.58
平均值 3.80 -1.61 2.18
小乌石塘 XWST01 1.80 1.16 2.96
XWST02 0.21 -6.47 -6.27
XWST03 6.05 0.28 6.33
XWST04 2.57 -13.42 -10.85
平均值 2.66 -4.61 -1.96
小乌石塘海滩在台风季节前期、后期及整个台风季节的平均单宽体积变化分别为2.66m3·m-1、-4.61m3·m-1、-1.96m3·m-1(图5e—h), 表明该海滩在台风季节的后期开始出现略微侵蚀, 最大单宽侵蚀可达13.42m3·m-1(XWST04)。小乌石塘除XWST04剖面外也存在宽约10m的砾石堤。

2.3 台风季节岬湾海滩沉积物的特征变化

2.3.1 砂质海滩

沉积物粒度分析结果表明大沙里、东沙、千沙的海滩主要由细砂组成, 其中千沙海滩沉积物粒径最细。在整个台风季节东沙海滩的表层沉积物变化最大, 其次是大沙里, 千沙变化最小。3个海滩表层沉积物的平均粒径普遍变粗, 分选性变差, 偏态主要表现为负偏, 峰态表现为由中等至窄尖变化(图6、图7)。
图6 台风季节大沙里(a、d、g、j)、东沙(b、e、h、k)、千沙(c、f、i、l)海滩表层沉积物粒度特征在离岸方向上的变化

Fig. 6 Cross-shore grain size characteristics of surficial sediments on Dashali (a, d, g, j), Dongsha (b, e, h, k) and Qiansha (c, f, i, l) during the typhoon season

图7 台风季节大沙里(a、d、g、j)、东沙(b、e、h、k)、千沙(c、f、i、l)海滩表层沉积物粒度特征在沿岸方向上的变化

Fig. 7 Alongshore grain size characteristics of surficial sediments on Dashali (a, d, g, j), Dongsha (b, e, h, k) and Qiansha (c, f, i, l) during the typhoon season

大沙里海滩(图6a、6d、6g、6j和图7a、7d、7g、7j)在台风季节的表层沉积物粒度特征变化结果显示, 海滩表层沉积物主要为细砂, 平均粒径在台风季节的早期、中期及晚期分别为2.49Փ(粒径范围介于1.86~2.68Փ)、2.5Փ(粒径范围介于1.71~2.67Փ)和2.42Փ(粒径范围介于1.5~2.69Փ), 经历了先变细后变粗的过程。表层沉积物的平均粒径存在由岸至海逐渐变粗的离岸方向分异特征, 4个采样点中以P3采样点的粒径变化最大(图6a); 而沿岸方向上的平均粒径变化则较为一致, 且无明显变化(图7a)。在整个台风季节, 海滩沉积物的分选系数有小幅度的增长, 即在台风季节的3个阶段分别为0.33、0.36和0.49, 分选性逐渐变差。沉积物的偏态主要表现为负偏且变化不大, 沉积物的峰态在台风季节也发生了显著的变化, 由中等变为窄尖。
东沙海滩在台风季节的表层沉积物粒度特征变化结果显示, 除细砂成分外, 海滩沉积物中还有少量的极细砂、粗砂和砾石成分。在2019年台风季节早期, 海滩沉积物的平均粒径为2.29Փ(粒径范围介于-1.17~3.16Փ)。两次台风过后, 平均粒径变为2.37Փ(粒径范围介于-0.12~3.05Փ), 其中南部海滩仍有少量细砾。在台风季节结束时, 东沙海滩沉积物的平均粒径变为2.07Փ(粒径范围介于-1.08~2.96Փ), 海滩沉积物的分选性变得更差, 且为3个海滩中分选性最差的。东沙海滩沉积物的偏态在整个台风季节均表现为负偏, 峰态趋向于窄尖。该砂质海滩的沉积物特征存在明显的沿岸和离岸方向上的差异, 主要表现为沿岸方向上以海滩南部(尤其是剖面DS11, 图7b、7e、7h、7k)变化最为显著, 离岸方向上以P1采样点的沉积物变化最大(图6b、6e、6h、6k)。沿岸方向上沉积物的变化差异可能与海滩补沙有关, 而离岸方向上P1采样点为有砂覆盖的砾石带位置, 台风季节的强水动力带走细颗粒物质使得该处变化较大。
千沙海滩表层沉积物粒度特征在台风季节的变化结果显示, 其表层沉积物主要是细砂, 含少量的极细砂和粗砂。在台风季节的早期, 沉积物的平均粒径为2.61Փ(粒径范围介于1.63~3.1Փ); 到了中期, 平均粒径略微增加到2.64Փ(粒径范围介于2.25~2.74Փ); 在台风季节结束时, 平均粒径为2.67Փ(粒径范围介于2.39~2.78Փ)。该砂质海滩的沉积物粒径在空间上最为均匀, 粒径最细, 分选性也最好(图6c、6f、6i、6l和图7c、7f、7i、7l), 沉积物粒度特征在沿岸方向和离岸方向上均无明显分异。千沙海滩沉积物的偏态在台风季节表现为近对称状, 峰态在台风季节表现为中等, 且峰态和偏态也几乎无变化。

2.3.2 砾石海滩

乌石塘和小乌石塘砾滩表层沉积物在台风季节的变化具有相似的规律, 在台风季节前期粒径普遍显著增粗, 后期则恢复至台风季节开始时的粒径大小。
台风季节早期、中期及晚期乌石塘海滩表层砾石的平均粒径分别为-5.33Փ、-7.18Փ和-5.38Փ, 平均粒径在台风季节前期变大后, 到台风季节结束几乎又恢复至台风季开始时的粒径。在离岸方向上,剖面起点处的砾石平均粒径变化最大, 潮间带处的砾石平均粒径变化最小(图8a)。从沿岸方向上看, 海滩南部的沉积物粒径比北部更粗, 在台风季节的变化也比海滩北部明显(图8c)。
图8 台风季节乌石塘(a、c)、小乌石塘(b、d)海滩表层沉积物的平均粒径变化

Fig. 8 Mean grain size of surficial sediments on Wushitang (a, c) and Xiaowushitang (b, d) beaches during the typhoon season

小乌石塘海滩表层沉积物的平均粒径在台风季节的早期、中期及晚期分别为-5.4Փ、-7.16Փ、-5.53Փ, 粒径的总体变化在台风季节前期较大, 台风季节结束时也基本能恢复至原来的粒径。小乌石塘海滩沉积物在离岸方向上的粒径变化与乌石塘海滩相似, 剖面起点处与砾石堤顶处的沉积物粒径都有明显的粗化, 而潮间带沉积物在台风季节的变化则相对较小(图8b)。海滩沉积物在沿岸方向上的变化主要表现为海滩南部变化大, 北部相对稳定(图8d)。
根据测量获得的砾石长轴(A)、中轴(B)及短轴(C)数据, 可计算得到乌石塘海滩和小乌石塘海滩的最大投影球度(MPS)、扁长指数(OPI)和杆状-盘状指数(DRI)数值(表4、表5)。其中, MPS的计算结果显示, 台风季节两个砾石滩沉积物的MPS变化较小, 但总体上都经历了先减小后增大的趋势。MPS的特征主要表现为在离岸方向上逐渐增大, 在沿岸方向上差异不大, 小乌石塘在沿岸方向和离岸方向上的MPS差异及变化均比乌石塘大。OPI的计算结果显示, 整个台风季节乌石塘海滩沉积物的OPI值都小于小乌石塘海滩, 两个海滩沉积物的OPI都表现出了先减小后增大的趋势。在离岸方向上, OPI逐渐减小, 沿岸方向上则表现为从南到北逐渐增大。DRI的计算结果显示, 两个砾石滩沉积物的DRI在沿岸和离岸方向上都无明显的变化, 且持续保持在0.4~0.5之间。沉积物的平均粒径一般沿着海滩物质的搬运方向逐渐减小, 而盘状和扁平状砾石含量会增高, 根据这一常规特征可以分析海滩沉积物的搬运方向(Komar, 1976)。台风季节乌石塘和小乌石塘的表层沉积物在离岸方向上主要表现为向海搬运, 在沿岸方向上则主要表现为由南向北搬运, 这一特征在台风季节的前期更为显著。
表4 台风季节乌石塘和小乌石塘海滩各剖面表层沉积物的形态参数

Tab. 4 Morphological parameters of surficial sediments at different profiles on Wushitang and Xiaowushitang beaches

剖面 2019年7月18日 2019年8月31日 2019年9月24日
MPS OPI DRI MPS OPI DRI MPS OPI DRI
乌石塘 WST01 0.26 -1.94 0.46 0.20 -2.90 0.41 0.23 -2.22 0.42
WST02 0.23 -2.31 0.42 0.20 -2.87 0.39 0.24 -2.04 0.42
WST03 0.25 -1.34 0.46 0.23 -2.28 0.41 0.26 -2.47 0.40
WST04 0.30 -1.89 0.43 0.22 -1.84 0.44 0.22 -2.08 0.43
平均值 0.26 -1.87 0.44 0.21 -2.47 0.41 0.23 -2.20 0.42
小乌石塘 XWST01 0.23 -2.43 0.41 0.23 -0.12 0.50 0.22 -1.82 0.44
XWST02 0.29 -0.71 0.47 0.27 -0.74 0.48 0.31 -1.09 0.46
XWST03 0.28 -1.74 0.43 0.27 -0.59 0.47 0.34 -0.37 0.48
XWST04 0.37 -0.03 0.51 0.21 -2.07 0.43 0.33 0.06 0.51
平均值 0.29 -1.23 0.46 0.25 -0.88 0.47 0.30 -0.80 0.47
表5 台风季节乌石塘和小乌石塘海滩不同样方位置表层沉积物的形态参数

Tab. 5 Morphological parameters of surficial sediments measured at different sites on Wushitang and Xiaowushitang beaches

海滩 样方位置 2019年7月18日 2019年8月31 2019年9月24日
MPS OPI DRI MPS OPI DRI MPS OPI DRI
乌石塘 剖面起点 0.25 -1.82 0.45 0.21 -2.87 0.41 0.22 -2.59 0.40
砾石堤顶 0.26 -2.90 0.40 0.22 -2.21 0.42 0.24 -2.12 0.42
潮间带 0.28 -0.89 0.47 0.21 -2.33 0.42 0.25 -1.90 0.43
小乌石塘 剖面起点 0.28 -1.61 0.44 0.25 -0.65 0.48 0.30 -1.07 0.47
砾石堤顶 0.28 -1.61 0.44 0.22 -0.58 0.48 0.28 -1.10 0.46
潮间带 0.33 -0.46 0.49 0.26 -1.41 0.45 0.33 -0.24 0.50

3 讨论

海滩对台风响应的影响因素有很多, 而在台风频发的季节海滩沉积地貌变化将变得更为复杂。台风大浪是海滩快速变化的主要驱动力(戴志军 等,2001; 曾春华 等, 2020), 岸线走向与台风风暴路径将影响波浪的入射角, 进而通过控制沿岸沉积物的输运来影响海滩和沙丘的响应(Costas et al, 2005; Anthony, 2013; 童宵岭 等, 2014; Castelle et al, 2015)。除了受动力作用影响外, 海滩对风暴的响应差异还受到海滩形态(Haerens et al, 2012)、海滩类型(Masselink et al, 2016; 朱士兵 等, 2019)、沉积物粒径(Prodger et al, 2016)和地质条件(Loureiro et al, 2012)等因素的影响。本研究的5个海滩都处于朱家尖岛东部距离较近的岬湾中, 但5个海滩的沉积物、地形对台风季节的强水动力产生了不同的响应。基于这5个海滩的数据结果, 本文主要讨论海滩沉积物粒径、台风强度及台风方向与海滩走向的关系、海岸工程这3种因子对台风季节海滩沉积地貌动态变化的影响。

3.1 海滩沉积物粒径的影响

沉积物粒径是影响海滩对台风响应的一个重要因素, 不同沉积物粒径的海滩对台风的响应也是海滩研究的一个重要方面。砂质海滩受高能风暴浪作用时, 通常表现为大部分细粒径沉积物离岸输移、滩肩侵蚀等, 而砾石海滩则相对稳定(束芳芳 等, 2019), 这与本文的研究结果一致。不同沉积物的起动需要的流速与临界波高不同, 沉积物颗粒越大, 往往需要更高的能量来起动。王爱军等(2004)的研究发现乌石塘和小乌石塘沉积物起动的临界波高分别为4.69m和4.84m, 而在2019年的台风季节, 朱家尖岛近岸最大有效波高可达6.77m, 因此砾石海滩也产生了变化。另外, 最大投影球度大的砾石在粒径组分相差不多的条件下会被优先起动, 小乌石塘海滩砾石的球度大于乌石塘, 因此在相同动力条件下小乌石塘的砾石会先起动。这可能是台风季节小乌石塘海滩的地形和沉积物均比乌石塘海滩变化更大的原因。砂质海滩与砾石海滩相比, 前者沉积物较细, 所需要的起动流速与临界波高数值更小, 因此砂质海滩在台风季节的沉积地貌变化更为显著。在强侵蚀的高能海岸, 利用卵石、粗颗粒砾石等沉积物对海滩进行养护是减缓砂质海滩侵蚀的一种有效手段(Harley et al, 2014; 束芳芳 等, 2019), 这一认识可为海岸侵蚀防护与海滩养护提供更多选择。

3.2 台风强度与台风期间主要波向的影响

海滩产生不同变化的本质是不同台风形成的水动力差异, 因此台风强度以及主要波向与海滩走向之间的关系对海滩的台风响应很重要(蔡锋 等, 2004; Qi et al, 2010; 童宵岭 等, 2014; 龚昊 等, 2017; 郭俊丽 等, 2019; 朱士兵 等, 2019; Guo et al, 2020), 这也可能是5个海滩在台风季节展现出不同沉积地貌变化的另一原因。5个海滩在台风季节均表现出不同程度的侵蚀, 尤其是在台风季节前期。超强台风“利奇马”(有效波高达6.77m)是2019年等级最高且有效波高最大的一个台风(图3), 它发生于台风季节的前期阶段, 这与5个海滩在该时段侵蚀更多密切相关。大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘的海滩方向分别为3°、19°、40°、19°和348°, 而4个台风影响研究区域期间的主波向分别为SE、SE、SE和E向。台风“利奇马”的主要波向与东沙和千沙的海滩走向接近垂直, 其影响朱家尖岛时的最大风速可达19.9m·s-1, 因此该台风对这两个海滩产生了强烈的影响。乌石塘海滩虽然与东沙的走向相同, 但由于其沉积物主要为砾石, 因而乌石塘海滩的变化较少且更为稳定。

3.3 海岸工程的影响

海岸工程(如海堤和海滩养护)也会影响到海滩在台风季节的动态变化。在风暴作用下, 大多数海滩呈侵蚀状态, 为减轻海滩侵蚀, 人们主要采取的措施分为软工程和硬工程两种。目前海岸工程防护措施首选海滩补沙(Peterson et al, 2006), 人工海岸建筑虽然能减轻风暴引起的岸线后退, 但硬工程会对邻近海滩产生负面影响(Hamm et al, 2002), 例如纵向的建筑会加剧风暴浪对海滩的侵蚀(Cooper et al, 2008), 同时限制海滩的内陆沉积物来源。如东沙海滩的海堤造成了该海滩的持续侵蚀(程林 等, 2014; 郭俊丽 等, 2018), 2016—2017年管理部门在东沙海滩实施了养护工程, 养护沉积物主要投放在海滩的南部(Guo et al, 2020)。然而, 与海滩固有的沉积物相比, 养护沉积物更容易遭受侵蚀(Seymour et al, 2005), 这可能是东沙海滩南部剖面变化最为显著的原因之一。与东沙海滩相比, 大沙里和千沙海滩的剖面和沉积物在台风季节相对较稳定, 这两个海滩受到海岸工程的干扰也更少, 表明人为干预较少的海滩在台风季节可能更稳定。与砂质海滩相比, 乌石塘和小乌石塘砾石海滩也建有海堤, 但通常波况下海堤附近的砾石很难受到影响(王爱军 等, 2004), 表明海堤的作用在砾石滩上并没有那么显著, 且砾石滩因沉积物颗粒粗而处于更为稳定的状态。

4 结论

本文针对朱家尖岛东岸的5个代表性岬湾海滩, 通过在2019年台风季节早期、中期及晚期的3次测量和表层沉积物采样与粒度测试, 获得了各海滩的地形和沉积物数据, 结合所收集的近岸水动力数据, 分析了不同类型岬湾海滩的沉积地貌动态变化, 得到以下主要结论:
1) 朱家尖岛东岸5个海滩在台风季节出现了不同的体积变化, 大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘海滩的单宽体积变化分别为11.93m3·m-1、-54.41m3·m-1、-19.75m3·m-1、2.19m3·m-1和-1.96m3·m-1。砾石海滩比砂质海滩更为稳定, 无人类活动干扰的砂质海滩比有人类活动干扰的砂质海滩侵蚀更少、变化更小。砂质海滩剖面主要表现为滩脊的蚀平与剖面的下切, 砾石海滩剖面则较为稳定, 未出现明显变化。
2) 台风季节大沙里、东沙、千沙、乌石塘和小乌石塘海滩表层沉积物的平均粒径分别为2.47Փ、2.24Փ、2.64Փ、-5.96Փ和-6.03Փ, 5个海滩的表层沉积物在沿岸方向和离岸方向上均呈现不同程度的分异及变化, 主要表现为粗化和离岸输运(搬运)。其中, 东沙海滩南部的沉积物粒径变化最大, 乌石塘和小乌石塘砾滩的沉积物最为稳定。
3) 沉积物粒径、台风强度及台风期间的主要波向与海滩走向之间的关系、海岸工程这3种因素都可能对海滩在台风季节的沉积地貌动态变化产生影响。本文的研究结果可为台风季节的海滩管理、侵蚀海滩的防护等提供参考。

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