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Journal of Tropical Oceanography >

2024 , Vol. 43 >Issue 5: 106 - 115

DOI: https://doi.org/10.11978/2023169

Marine Geomorphology

A study of the effect of shore platform morphology on coastal erosion of rocky cliffs in the Wucaiwan Bay, E’man, Hainan Island

  • ZHAO Zhongwei , 1, 2 ,
  • WU Lingyun 1, 3 ,
  • GAO Weijian 1, 3 ,
  • LI Wei , 1, 2, 3
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 511458, China
  • 2. Sanya Institute of Ocean Eco-Environmental Engineering, Sanya 572000, China
  • 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
LI Wei. email:

Received date: 2023-11-08

  Revised date: 2023-12-04

  Online published: 2023-12-26

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42206216)

Hainan Provincial Natural Science Foundation of China(421QN0978)

Fold

Abstract

The intensification of extreme wave marine hazard induced by global ocean change is very likely to accelerate the geo-hazard risk of cliff erosion in Hainan Island. Shore platforms are expected to effectively attenuate wave energy approaching the shore and consequently reduce the erosive impact of extreme waves on cliff. Shore platforms are commonly observed in volcanic rocky coasts on NW Hainan Island, providing an ideal natural laboratory to evaluate the effect of shore platform morphology on cliff erosion. This study employs the Wucaiwan Bay rocky coastline in the E’man Town, Danzhou City, Hainan Island as the study area. Time-lapsed marine remote sensing images revealed the cliff erosion rate is about 0.26 m·a-1 in the last decade in the area. Physical oceanography analysis suggested a maximum significant wave height of 7.8 m could be expected visiting the area in a 100-years return level. The geomorphological characteristics of the sloping shore platform and the rock strength of cliffs were further surveyed via coastal geomorphological approaches. Numerical computation outputs suggest the shore platforms is capable of reducing the wave erosional forces on cliff by over 80% under future extreme wave conditions. This study further discusses the natural coastal protection from sediment beaches, vegetations and in situ deposition of eroded boulders at rock cliff foot.

Key words： shore platform; cliff erosion; basalt coast; numerical computation; Hainan Island

Cite this article

ZHAO Zhongwei , WU Lingyun , GAO Weijian , LI Wei . A study of the effect of shore platform morphology on coastal erosion of rocky cliffs in the Wucaiwan Bay, E’man, Hainan Island[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2024 , 43(5) : 106 -115 . DOI: 10.11978/2023169

海南岛海岸线总长约 1682km, 海岸侵蚀作用几乎环绕全岛, 导致海岛陆地面积逐年锐减(季荣耀 等, 2007; 文世勇 等, 2020)。近年来, 海南岛海岸侵蚀更是呈现出不断加剧的发展趋势, 常造成堤岸坍塌、村镇后迁和海岸工程设施破坏等灾害性事件(石海莹 等, 2018; 邸有鹏 等, 2019)。海南省“十四五”规划和“2035 远景目标”明确指出要提高对海岸带的保护和增强对海洋灾害的防灾减灾能力。海南岛西北部儋州的基岩海岸不仅连接着世界级旅游项目海花岛, 更是洋浦经济开发区的所在地, 因此是海南岛最具开发潜力的海岸带区域(李丽 等, 2019)。
基岩海岸中的海蚀崖通常较为陡峭, 海浪对海蚀崖的侵蚀作用往往集中在基底部位。于是, 海蚀洞等特殊海岸地貌便开始形成。之后, 在海岸侵蚀的长期作用下, 这些海蚀洞的规模不断扩大。最终, 海蚀洞顶部悬突的岩体在重力作用下发生瞬时性崩坠(Bird, 1993; Masselink et al, 2016)。因此, 基岩海岸的海蚀崖侵蚀过程更有可能引发大型海岸滑塌和海啸等链式海洋地质灾害。例如, 夏威夷群岛(Hawaiian Archipelago)、加纳里群岛(Canary Islands)和佛得角群岛(Cape Verde Islands)都多次发生过由海蚀崖侵蚀滑塌形成海啸的灾害性事件(Krastel et al, 2001; Ramalho et al, 2015; Doi et al, 2020)。近年来, 全球气候变化导致海洋环境日益复杂, 风暴强度逐渐加大和海面持续上升使得未来海南儋州基岩海岸所面临的极端风浪危害和海蚀崖侵蚀威胁逐年递增(徐笑梅 等, 2019)。具体来讲, 未来极端海洋动力对儋州基岩海岸的侵蚀影响, 直接关系着洋浦经济开发区大量港口码头、油气储存和炼化设施的安全稳定和长期服役性。
海蚀崖受海浪侵蚀及风化作用不断后退的同时也会在其潮间带形成向海倾斜或半水平的平台状地形, 称之为海蚀平台(Trenhaile, 2000)。国内外学者通过大量的野外现场观测和数值计算发现海蚀平台能够对波浪能量起到吸收衰减的作用。波浪经过海蚀平台并最终到达海蚀崖的过程中能量不断衰减, 有效地减缓了其对海蚀崖的侵蚀(庄克琳 等, 1999; Trenhaile, 2002; Beetham et al, 2011; Poate et al, 2018; Zhao et al, 2019)。海南儋州市峨蔓地区广泛发育有海蚀平台(韩孝辉 等, 2018), 只有厘清这些海蚀平台的存在会对其陆端海蚀崖的侵蚀产生什么样的影响, 才能准确评估全球海洋环境恶化对其产生的灾害风险, 从而科学保障儋州洋浦经济开发区基岩海岸的可持续开发利用。
因此, 本研究以海南岛儋州市峨蔓镇的五彩湾基岩海岸为研究对象(图1), 先利用高分辨率卫星遥感影像刻画了其近十年的海蚀崖侵蚀速率, 再通过野外海岸地貌实地考察获得其海蚀平台的地貌特征及海蚀崖表面的岩石抗侵蚀强度。随后, 基于极值分析理论, 通过该区域过去83年的历史波浪特征预测了其未来可能遭受的最大波高。在此基础上, 本文利用数值计算方法计算了在海蚀平台地貌特征影响下, 这些海蚀崖在未来的侵蚀速率, 并探讨了海蚀崖底部其他地貌单元的天然护岸作用。
图1 研究区域位置及地质图

a. 海南岛数字高程模型渲染图, 数据源自先进陆地观测卫星获取的海南岛12.5m数字高程模型, 审图号为GS(2019)3266; b. 海南岛西北部区域地质图, 该图基于海南省标准地图服务网站下载的审图号为琼S(2021)007标准地图制作; c. 五彩湾海岸卫星遥感图, 数据源自谷歌地球(Google Earth), 图中红色方框是研究区范围示意; 蓝圈WP1标记图3波浪分析点位置

Fig. 1 The location and geological map of the study area.

(a) DEM map of the Hainan Island, data sourced from ALOS with a spatial resolution of 12.5 m; (b) the geological map of the NW Hainan Island; (c) Google Earth satellite image of the Wucaiwan Bay, blue dot marks the position of wave analysis point in Fig. 3

1 区域背景

本文研究的五彩湾基岩海岸位于海南省西北部儋州市的峨蔓镇龙门村(19°53′30″N, 109°15′42″E)。五彩湾海蚀崖顶端建有兵马角灯塔, 是海南岛西北航线及洋浦经济开发区港口重要的助航标志(图1)。此外, 海蚀崖顶部建有大面积风力发电机群, 其近岸近年来也被儋州市开发为峨蔓海洋牧场示范区。因此, 在五彩湾基岩海岸开展海蚀平台发育对其海蚀崖侵蚀影响的研究具有极高的区域代表性和科学实践性。

1.1 地质条件背景

五彩湾地处峨蔓火山岩区, 位于琼北火山区的西北角, 属于雷琼火山群的滨海和浅海环境(樊祺诚 等, 2004)。该区域受欧亚碰撞与南海扩张的影响而火山活动频繁, 火山口主要沿NE 向的三都-峨蔓断裂和 NW 向的兵马角-笔架岭断裂发育, 并具有多次火山喷发的特征(王颖 等, 1990; 符启基 等, 2012)。年代学结果显示峨蔓火山区的火山活动时代应属于中、晚更新世(杨文健 等, 2022)。兵马角火山位于该火山口链的最北端, 被认为是一个独立喷发的火山机构, 其火口应位于五彩滩的西侧, 但已被海洋侵蚀殆尽。其东侧剩余的火山侧翼, 形成了如今五彩湾的火山岩基岩海岸(赵勇伟 等, 2022)。五彩湾基岩海岸在岩性上主要由气孔状基性橄榄玄武岩组成, 呈现为深灰色或灰黑色, 并伴有紫红色和灰黑色的熔结集块岩出露在基岩陡崖(韩孝辉 等, 2018)。在海浪的长期侵蚀作用下, 五彩湾海发育情况有海蚀崖、海蚀柱和海蚀平台等独特的海蚀残余火山地貌(曾其爽, 1985)。

1.2 海洋环境背景

风暴潮和灾害性海浪是海南岛发生最频繁和影响最严重的海洋灾害(石海莹, 2013)。近岸观测数据显示, 海南岛西部的年平均有效波高约为0.8m, 平均波周期约为3.6s, 波浪主要来向为 SSW 方向, 而强浪主要来向为 WSW 向(冯兴如 等, 2018)。此外, 波浪强度还呈现出季节性变化特征, 且冬季波浪强度最大, 秋季波浪强度最小, 并且台风过境期间有明显的波浪增强效应(黄心裕 等, 2022)。根据五彩湾附近的洋浦港潮汐记录显示, 该区域属于正规全日潮环境, 最高潮位4.06m, 最低潮位0.24m, 平均潮位1.91m, 最大潮差3.60m, 最大潮速0.7m·s-1 (侍茂崇 等, 2011)。区域性海流表面流速一般为 1.03~1.54m·s-1 (曾其爽, 1985)。

2 数据和方法

2.1 海岸地貌调查

本文作者于2023年3月31日至4月1日之间对海南峨蔓五彩湾进行了海岸地貌考察, 着重考察了海蚀平台的发育情况和地貌特征, 并用大疆无人机Mavic Air 2s 对五彩湾海蚀崖及海蚀平台进行了空中悬停密集摄影(照片数量超200张, 重叠率达80%以上)。无人机摄影照片随后被导入photoscan软件中, 用于生成三维点云并制作海岸数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM), 本文2.5及2.6节的数值计算即是以此无人机构建的DEM作为初始地形模型。除了对基岩海岸岩性进行野外定性解释之外, 本文还利用施密特锤(HT-225型回弹仪)对天然暴露海蚀崖、古海蚀台地迎浪面的抗侵蚀强度进行了测量, 各站点的测试次数为30次(图2)。需要说明的是, 为了减少考察作业对五彩湾天然海岸地貌的人为破坏, 本文的岩石强度是在裸露的岩石表面直接测量的, 不涉及裸露面风化强度的测试, 也未将岩表的风化面进行人为剥离刮出对比未风化基岩的岩石强度。
图2 五彩湾基岩海岸无人机航拍图及海岸地貌解释图

a. SP1~SP8标记海岸岩石施密特锤测试点位置; b. PP1~PP5标记古海蚀平台发育位置, 3条红色直线为图6中波高衰减模拟断面所在位置

Fig. 2 The aerial image of the Wucaiwan Bay rocky coast taken by UAV (unmanned aerial vehicle) and the interpreted coastal geomorphological map.

(a) Sites SP1-SP8 locate where the Schmidt hammer tests were conducted; (b) sites PP1-PP5 mark positions where paleo-shore platform occurred, red lines are the transects represented in the wave height attenuation modelling in Fig. 6

2.2 波浪特征分析方法

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的第五代全球气候大气再分析模型(ECMWF Reanalysis V5, ERA5), 获取了五彩湾基岩海岸近岸(即图1c中WP1所示位置坐标: 19°53′24″N, 109°15′36″E)自1940年1月1日00时至2022年12月31日24时, 共计83年的小时分辨率波浪特征数据(包含有效波高、平均波周期和波浪方向)。这些再分析数据随后被输入到由中国科学院南海海洋研究所开发的基于ERA5的区域极端风浪特征智能分析软件中, 用于分析不同波浪方向(45°间隔)各级有效波高(1米·级-1)和平均波周期(1秒·级-1)的出现频率, 以及各年度前10%有效波高和平均波周期随年度时间的变化特征(图3)。为了准确刻画五彩湾海蚀崖在未来气候变化影响下可能遭受的极端波浪强度, 本文基于WP1站位83年间的历史年度最大有效波高, 利用极值理论预测了该区域10年、50年和100年回归周期的最大有效波高(图4)。本节获得的波浪特征分析结果作为本文2.5及2.6节数值计算的波浪边界条件。
图3 五彩湾基岩海岸近岸历史波浪特征分析图

a. 有效波高玫瑰花图; b. 平均波周期玫瑰花图; c. 前10%有效波高随年度变化图, 蓝色方块对应各年度第95百分位数所对应的有效波高数值; d. 前10%平均波周期随年度变化图, 橙色圆点对应各年度第95百分位数所对应的平均波周期数值

Fig. 3 Wave analysis plots of the nearshore historical wave properties in Wucaiwan Bay area.

(a) Wave rose diagram of significant wave height; (b) wave rose diagram of mean wave period; (c) annual variation of upper 10 percentile significant wave height, blue squares represent the 95 percentile significant wave height of each year; (d) annual variation of upper 10 percentile mean wave period, orange circles represent the 95 percentile mean wave period of each year

图4 基于1940—2022年历史数据的波浪高度极值理论分析图

a. 概率图; b. 分位数图; c. 回归周期图; d. 密度图

Fig. 4 Plots of the analysis of significant wave height based on the extreme value theory and using historical wave data from 1940-2022.

(a) Probability plot; (b) quantile plot; (c) return level plot; (d) density plot

2.3 卫星遥感分析方法

为了观测五彩湾海蚀崖的长周期侵蚀情况, 本文使用了采集于2014年3月6日和2023年5月21日之间的5张WorldView-2卫星图像。这些遥感的数据主要通过ENVI软件进行校正处理, 包括影像融合、辐射校正和自动配准, 校正所对应的均方根误差(root mean square error, RMSE)为0.40~0.87m。影像融合主要是利用主成分光谱锐化(principal components, PC) Spectral Sharpening模块对全色影像(分辨率0.5m)和多光谱影像(分辨率2m)进行融合。辐射校正则是以先进陆地观测卫星(advanced land observing satellite, ALOS)获取的海南岛12.5m数字高程模型地形数据DEM为基础, 利用有理多项式系数(rational polynomial coefficients,RPC)辐射校正流程化工具(RPC orthorectification workflow)进行处理。自动配准则是以辐射校正过的2014年3月6日遥感图像作为参考图像, 利用自动配准流程化工具(Image Registration Workflow)对其余4张图像进行配准。处理后的遥感影像随后被导入到地理空间分析软件ArcGIS中。本文利用数字化海岸线分析系统模块(digital shoreline analysis system, DSAS)分析了五彩湾海蚀崖自2014年3月6日至2023年5月21日时间段的侵蚀距离(图5)。
图5 五彩湾基岩海岸历史卫星图

a~e分别采集自2014年3月6日和2023年5月21日之间; f. 海蚀崖侵蚀距离, 测算自图a (绿线)和图e (红线)中标记的海蚀崖位置

Fig. 5 Historical satellite images of the Wucaiwan Bay rocky coast.

(a)-(e) were collected between 06/Mar/2014 and 21/May/2023; (f) cliff retreat distance calculated between rocky cliff positions interpreted in (a) and (e), marked in green and red, respectively

2.4 岩石抗侵蚀强度计算

本文通过实验室经验公式(Aydin et al, 2005)将基岩海岸的野外施密特锤反弹测量值转化为海岸岩石的单轴抗压强度(${{S}_{\text{c}}}$, 单位: Mpa):
${{S}_{\text{c}}}=1.45\times {{\text{e}}^{\left( 0.07\times {{R}_{\text{L}}} \right)}}$
式中: RL (单位: mm)为本研究中采用施密特锤野外多次实测反弹测量值的平均值作为输入量(表1), 此处获得的岩石抗侵蚀强度计算结果作为本文2.6节数值计算的海蚀崖抗侵蚀阻力边界条件(主要为落在海蚀崖的SP1~SP5测量点结果)。
表1 五彩湾基岩海岸野外施密特锤反弹测量平均值(RL)及其对应岩石单轴抗压强度(Sc)

Tab. 1 Average Schmidt hammer rebound test values of the Wucaiwan Bay rocky coasts and their associated compressive strength Sc

测试点编号 施密特锤平均反弹参数/mm 海岸岩石的单轴抗压强度/Mpa 测试点位置
SP1 12 3.36 海蚀崖表面
SP2 11 3.13 海蚀崖表面
SP3 15 4.14 海蚀崖表面
SP4 33 14.61 海蚀崖表面
SP5 43 29.42 海蚀崖表面
SP6 46 36.29 海蚀崖底部侵蚀滑塌堆积物
SP7 14 3.86 古海蚀平台迎浪面
SP8 46 36.29 古海蚀平台迎浪面

2.5 海蚀平台衰减波浪模拟

Zhao等(2022)提出了一种适用于倾斜海蚀平台的有限元积分波浪传播模型。本文采用其模型用于模拟波浪经过海蚀平台对其吸收衰减后到达海蚀崖的波高强度(Hf, 单位: m):
$\frac{{{H}_{\text{f}}}}{{{H}_{\text{e}}}}=\alpha \left( {{e}^{-\beta x}}-1 \right)+1$
$\alpha =\text{exp}\left[ -0.016{{\left( \frac{h}{{{H}_{\text{e}}}} \right)}^{4}} \right]\alpha =\text{exp}\left[ -0.016{{\left( \frac{h}{{{H}_{\text{e}}}} \right)}^{4}} \right]$
$\beta =0.03\text{exp}\left[ -0.70\left( \frac{h}{{{H}_{\text{e}}}} \right) \right]$
式中: He 为海蚀平台外海测边界处的波浪高度, 一般等同为深水波高(单位: m)。本文中分别以区域历史年平均有效波高、年平均最大波高、10年回归周期最大波高、50年回归周期最大波高和100年回归周期最大波高作为输入值(图6)。α和β分别为无量纲系数和衰减系数, 均与水深h (单位: m)有强相关性。本文在模拟过程中按照Zhao等(2022)模型将宽度为W, 倾角为θ的倾斜海蚀平台以间隔 d=0.5m切分成一系列水平网格(海蚀平台宽度和倾角参数提取自海岸考察无人机测量获得的DEM)。
图6 海蚀平台发育影响下的波浪衰减模拟

a. 断面A—A′ ; b. 断面B—B′; c. 断面C—C′。断面位置标记在图2b 中, 图中红点表示海蚀平台向海侧边界, 绿点表示海蚀平台向陆侧边界

Fig. 6 Simulations of wave height attenuation travelling across shore platforms along transects A—A′ (a), B—B′ (b) and C—C′ (c), transects are located in Fig. 2b, red and green circles mark seaward and landward edges, respectively

2.6 海蚀崖侵蚀速率计算

本文采用Sunamura等(2014)提出的适用于刻画基岩海蚀崖侵蚀速率(dx/dt)的公式, 利用数值计算方法预测五彩湾海蚀崖在年平均有效波高、年平均最大波高、10年、50年和100年回归周期最大有效波高作用下的海蚀崖侵蚀速率:
$\frac{{{d}_{x}}}{{{d}_{t}}}=CF$
式中: C是比例常数, 对于近破波浪, C = 0.396mm·h-1, 对于已破波浪, C = 0.382mm·h-1, F为波浪对海蚀崖的侵蚀力(单位: N), 其计算公式为:
$F=\ln ({{F}_{\text{W}}}/{{F}_{\text{R}}})$
式中: FW是波浪冲击力(单位: N), 其计算公式为:
${{F}_{\text{W}}}=A\rho g{{H}_{\text{f}}}$
式中: A为无量纲系数, ρ 为海水密度, 取 1025kg·m-3; g 为重力加速度, 取 9.8m·s-2; FR则是海蚀崖的抗侵蚀阻力(单位: N), 其计算公式为:
${{F}_{\text{R}}}=B{{S}_{\text{c}}}$
式中: B为无量纲系数, 其与无量纲系数A的关系可表述如下:
$\varepsilon =B/A$
对于近破波浪, 无量纲系数ε=0.0015, 即A=667B; 而对于已破波浪, ε=0.0040, 即A=250B; 因此, 波浪对海蚀崖的侵蚀力F可以进一步推导为:
$F=\text{ln}\left( \frac{667\rho g{{H}_{\text{f}}}}{{{S}_{\text{c}}}} \right)$
$F=\text{ln}\left( \frac{250\rho g{{H}_{\text{f}}}}{{{S}_{\text{c}}}} \right)$

3 结果分析

3.1 海蚀平台的发育情况

五彩湾兵马角灯塔西南向脚下发育的海蚀平台平缓倾斜入海, 倾斜角度为0.8°~2°, 平均倾斜角度约为1°, 其向海侧的边缘未见有地形陡降的斜坡平台, 结合五彩湾处于中潮差环境的特点, 认定其为倾斜型海蚀平台(Sunamura, 1992; Kennedy, 2015; Stephenson et al, 2022)。海蚀平台低潮时大部分出露于水面, 平台向海侧边缘水深在低潮位以下约1m处。在高潮位时, 海蚀平台大部沉没于水下, 天文大潮条件下向陆侧边缘可到达基岩陡崖坡脚。海蚀平台呈狭长条带状分布, 延海岸方向(近南北走向)的延展超过250m, 海蚀平台的宽度在20~145m, 平均宽度约90m。海蚀平台整体微向海洋侧倾斜, 倾斜角度为0.8°~2°, 平均倾斜角度约1°。从断面上来看, 海蚀平台的向海侧主要为凸凹不平的玄武岩质岩滩, 其上常附有细粒石英砂、玄武岩等陆源岩屑和珊瑚和贝壳等生物碎屑。海蚀平台的中段存在明显高出现今海蚀平台的阶地平台(图2), 曾其爽(1985)、王颖等(1990)和韩孝辉等(2018)鉴于这些阶地平台之上覆盖有海滩玄武岩砾石, 认为其是在火山活动地壳抬升作用下, 上升到高于现今海蚀平台高度的“古海蚀平台”。本文全体作者通过野外观察, 同意前人对这些古海蚀平台演化形成过程的解释, 并在此文中沿用了“古海蚀平台”的定义, 但本文不指代具体的岩石年代信息。这些古海蚀平台高出现今海蚀平台1.3~4m, 平均高出约2.2m, 大于洋浦港的平均潮汐高度(1.9m)。此外, 施密特锤反弹测量证明某些古海蚀平台迎浪面的单轴抗压强度也更强(如SP7, 超过35MPa), 使得它们能够在海浪长期的冲蚀下残留下来。五彩湾海蚀平台的陆缘后段发育有平均宽度约20m的沉积沙滩, 主要由分选较差的海岸侵蚀碎屑和生物碎屑为主。海蚀平台的向陆侧末端则是高出海面25~30m的海蚀崖, 主要由玄武岩和熔结集块岩组成(赵勇伟 等, 2022), 海蚀崖表面风化现象明显。海蚀崖表面的施密特锤反弹测量值为11~46, 对应的岩石单轴抗压强度/抗侵蚀强度在3~36MPa (表1)。

3.2 未来的海蚀崖侵蚀速率

卫星遥感分析显示五彩湾海蚀崖在2014年3月6日和2023年5月21日之间后退了0~8m, 平均后退了2.44m, 年平均侵蚀速率为0.26m·a-1, 与韩孝辉等(2018)根据实地调查估算的0.5m·a-1处于同一数量级。波浪特征分析结果显示五彩湾基岩海岸的年平均有效波高为0.61m, 年平均最大波高可达3.56m, 极值分析理论预判该区域在未来10年、50年和100年回归周期可遭遇的最大有效波高分别为4.98m、6.92m和7.8m (图 7)。由于波浪对海蚀崖的侵蚀力直接与波浪高度有关, 因此未来海洋变化带来的风暴浪趋强, 可能会导致五彩湾海蚀崖遭受其目前所承受2倍以上的侵蚀破坏。由于最终到达海蚀崖的波浪既有可能是近破波浪, 也有可能是已破波浪, 而且很难确定在未来这两种波浪形式哪一个对于海蚀崖的长周期侵蚀作用更起主导作用, 因此本文通过数值计算分析分别求取了海蚀平台影响下, 这两种波浪对于五彩湾海蚀崖造成的侵蚀速率强度(表2)。研究结果表明年平均有效波高工况下, 海蚀平台吸收衰减后到达海蚀崖的波浪高度在已破波浪和近破波浪条件下均低于临界波高(即FW<FR), 所以其对海蚀崖的侵蚀速率均为0。其他结果显示, 在近破波浪作用情况下, 年平均最大波高可以造成五彩湾海蚀崖以0.26~14.49m·a-1的速率侵蚀后退, 并在未来10年、50年和100年回归周期最大波高情况下以平均4.63m·a-1、6.04m·a-1和6.67m·a-1的速率发生海蚀崖侵蚀(图7b)。而在近破波浪作用情况下, 年平均最大有效波高可以导致海蚀崖的侵蚀速率为0.1~5.24m·a-1, 平均侵蚀速率为1.30m·a-1, 并在未来10年、50年和100年回归周期最大波高情况下以平均4.47m·a-1、5.83m·a-1和6.44m·a-1的侵蚀速率后退(图7c)。数值计算结果证明由于海蚀平台的存在, 五彩湾海蚀崖在未来的侵蚀速率相较于无海蚀平台情况平均减缓了80%以上, 有效降低了未来极端海洋环境对海蚀崖的侵蚀灾害威胁。
图7 五彩湾海蚀崖在未来极端波浪作用下的侵蚀后退速率预测

a. 无人机测量 DEM, 图中Sc表示不同区域海岸岩石的单轴抗压强度; b1~b4为年平均最大波高、10年回归周期、50年回归周期和100年回归周期在近破波浪条件下的海岸侵蚀速率; c1~c4为在已破波浪条件下的海岸侵蚀速率

Fig. 7 Predicted cliff erosion rates of the Wucaiwan Bay rocky cliff under future extreme wave conditions.

(a) DEM created by UAV, Sc values indicate rock cliff resistance strength at different coastal sectors; (b1) - (b4) predicted erosion rates induced by breaking waves using maximum wave heights of annual average, 10 years return level, 50 years return level and 100 years return level; (c1) - (c4) induced by broken waves

表2 五彩湾海蚀崖在未来极端海洋条件下的侵蚀速率

Tab. 2 Predicted cliff erosion rates of the Wucaiwan Bay rocky cliffs under future extreme waves

波高工况 输入波
高/m		 海蚀平台衰减
后最大波高/m		 海蚀平台衰减后最小波高/m 海蚀平台衰减后平均波高/m 最大海蚀崖侵蚀速率/(m·a-1) 最小海蚀崖侵蚀速率/(m·a-1) 平均海蚀崖侵
蚀速率/(m·a-1)		 海蚀平台平均衰减效果/%
近破波浪
年平均有效 0.61 0.37 0.24 0.26 0 0 0 57.38
年平均最大 3.56 1.95 0.34 0.70 14.49 0.26 3.60 80.33
10年回归周期最大 4.98 2.71 0.37 0.90 20.10 0.30 4.64 81.92
50年回归周期最大 6.92 3.74 0.40 1.16 27.77 0.35 6.04 83.23
100年回归周期最大 7.80 4.21 0.42 1.27 31.25 0.37 6.67 83.72
已破波浪
年平均有效 0.61 0.37 0.24 0.26 0 0 0 57.38
年平均最大 3.56 1.95 0.34 0.70 5.24 0.10 1.30 80.33
10年回归周期最大 4.98 2.71 0.37 0.90 19.39 0.29 4.47 81.92
50年回归周期最大 6.92 3.74 1.16 0.40 26.79 0.34 5.83 83.23
100年回归周期最大 7.80 4.21 0.41 1.27 30.15 0.36 6.44 83.72

3.3 天然护岸作用的影响

五彩湾海蚀崖脚下的沉积沙滩、崖底植被和海岸滑塌堆积物, 同样会对五彩湾的海蚀崖起到天然的侵蚀防护作用(图8)。卫星遥感证据显示海岸沙滩近十年来一直存在, 且其陆域表面积无明显增减。这些沉积在海蚀平台之上的沉积物和海岸滑塌碎屑可以覆盖和缓冲波浪对海蚀崖的直接冲击, 从而保护海蚀崖免受侵蚀并降低其侵蚀速率(Kennedy et al, 2015)。这些沉积沙滩的侵蚀防护作用与其宽度和高度有关, 一定程度上是由其所包含的沉积物体积所决定的(Trenhaile, 2016)。沙滩沉积物的大小和磨圆程度也会通过影响碎屑沉积物流动性的方式, 决定沙滩对海蚀崖的保护能力(Trenhaile, 2000)。海蚀崖的底部和表面天然长有海南龙血树、马尾树、露兜树和仙人掌等多种植物。这些植物在海蚀崖脚下形成了一种复杂的根茎结构, 不仅可以通过吸收波浪能量有效减缓波浪对海蚀崖的直接冲击(Odériz et al, 2020), 而且能够为海蚀崖基底提供额外的防护(Kogure, 2022)。五彩湾基岩海岸的南北边界岬角处海蚀平台的宽度虽然较窄, 但是其海蚀崖下端均堆积有大量海蚀崖侵蚀滑塌堆积物, 其抗侵蚀强度可达36MPa以上(图2中SP6标记位置)。这些棱角分明、直径平均2m以上的大型玄武岩海蚀崖滑塌堆积物可以像海岸工程扭王字块一样, 通过削弱波浪的冲击力保护海蚀崖(Andriani et al, 2007)。这些天然护岸作用虽然同样可以从一定程度上减缓波浪对五彩湾海蚀崖的侵蚀, 但是其影响能级能否达到海蚀平台所造成的80%以上衰减效果, 仍需要系统的现场观测进行量化研究。
图8 沙滩(a)、崖底植被(b)和海岸滑塌堆积物(c)天然护岸作用模式示意图

Fig. 8 Suggested natural coastal protections at rocky cliff root from sandy beaches, vegetations and in situ deposition of eroded boulders

4 结论

本文融合利用海洋遥感、海岸地貌、物理海洋和数值计算研究方法, 揭示了海南岛峨蔓五彩湾海蚀崖的现今侵蚀情况、海蚀平台地貌特征及其在未来极端海洋环境下对海蚀崖侵蚀的影响。
1) 现今情况: 五彩湾海蚀崖近10年的平均侵蚀速率达0.26m·a-1, 其前端存在一片长约250m, 平均宽90m微向海倾斜的倾斜型海蚀平台。
2) 未来趋势: 该区域在未来100年回归周期下的最大有效波高是其历史年最大波高的2倍, 势必会加剧五彩湾海蚀崖的侵蚀灾害风险。
3) 影响程度: 由于海蚀平台的存在, 使得未来极端波浪对五彩湾海蚀崖的侵蚀强度平均减缓80%以上。
4) 护岸因素: 五彩湾海蚀崖底部的沉积沙滩、崖底植被和海蚀崖滑塌堆积物能够起到天然护岸的作用, 进一步削弱海浪对五彩湾海蚀崖的侵蚀破坏作用。
然而, 海蚀平台和天然护岸作用虽然能够有效降低五彩湾海蚀崖发生大型侵蚀崩塌并伴生局部海啸等链式灾害的风险, 但是仍要避免对该区域海岸的过度开发和人为破坏, 以长久保留五彩湾独特的火山海岸景观, 和对洋浦经济开发区海岸用地的可持续开发。

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