基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙湾海滩养护分析

冯琼瑛，杨 锋，肖 敏，张瑜斌

（1.广东海洋大学 实验教学部，广东 湛江 524009；2.湛江市海洋与渔业环境测站，广东 湛江 524039；3.广东海洋大学 信息学院，广东 湛江 524088；4.广东海洋大学 海洋资源与环境监测中心，广东 湛江 524088）

基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙湾海滩养护分析

冯琼瑛1，杨 锋2，肖 敏3，张瑜斌4*

（1.广东海洋大学 实验教学部，广东 湛江 524009；2.湛江市海洋与渔业环境测站，广东 湛江 524039；3.广东海洋大学 信息学院，广东 湛江 524088；4.广东海洋大学 海洋资源与环境监测中心，广东 湛江 524088）

以湛江金沙湾海滩养护前后不同时期沉积物粒度监测数据、海底高程扫描数据和遥感影像为依据，运用ArcGIS 3D Analyst进行沉积物和海底地形分析，得出湛江市金沙湾海滩养护工程实施前后不同时期海底沉积物、地形表面和动态剖面变化情况。结果表明，湛江金沙湾海滩侵蚀区域集中在风车广场对出海域和原红嘴鸥码头附近，后期应重点考虑对此区域进行修复重建。关键词：海滩养护；ArcGIS 3D Analyst；沉积物；地形；侵蚀热点

海滩养护是指根据设计方案，向海滩大量抛沙，或同时辅以硬式工程，使受蚀海滩增宽和稳定的工程行为，被认为是当前抵御海岸侵蚀、维持海岸线平衡最有效的措施[1]。国外有关海滩养护的理论较为成熟，针对海滩在波浪、风暴潮作用下的实验研究很多，国内起步稍晚但发展较快，一些学者开展了海滩养护剖面设计和实验模拟应用研究[2-5]。

1 金沙湾海滩养护工程概况

湛江金沙湾海滩位于广东省湛江市赤坎区，濒临金沙湾观海长廊，东临湛江海湾，西侧从北至南有风车广场、劳丽诗广场以及红嘴鸥码头（2013年拆除），海滩面积约为40 000 m2，海岸线长300 m，最多可容纳20 000名游客。

为改善港湾生态环境，建设“一湾两岸”的城市景观，2012年湛江市政府对金沙湾海滩进行了整治养护，整个工程历时50 d，分2期进行，第1期2012年10月11日～10月25日，第2期2012年10月27日～12月中旬。养护岸线长约800 m，北至风车广场，西至劳丽诗广场，南至红嘴鸥码头，纵深约150 m，面积为10.6万 m2。养护内容包括吹填石英沙、清理海底暗礁、处理污水淤泥等。工程位置和养护范围如图1黄色区域所示。

2 数据来源和分析方法

本文的分析数据主要有金沙湾海滩工程养护前后沉积物粒度监测记录和海底高程扫描数据。其中，海底沉积物数据分别于2012年9月（养护前）、2012年12月（养护后）、2014年6月（养护20个月后）由湛江市海洋与渔业环境监测站按《海洋监测规范》（GB17378.5-2007）进行监测取样。海底高程数据以当地理论最低潮位为基准，分别于2012年10月10日（养护前）、2012年10月24日（养护中）、2012年11月26日（养护后）、2013年8月3日（养护10个月后）、2014年3月6日（养护15个月后）由该站依据《海洋调查规范》（GB/ T12763.10-2007）进行扫描、监测取得。

图1 湛江金沙湾海滩养护工程位置示意图

2.1 沉积物粒度分析方法

根据金沙湾海滩沉积物采样实测的粒度数据，按《海洋沉积物质量》（GB18668-2002）将沉积物分为砂、粉砂质砂、砂质粉沙、粉沙、粘土质粉沙、砂质粘土、粉沙质粘土和粘土8种，运用Arctoolbox→自然邻域法工具进行沉积物插值分析，得到养滩前后不同时期沉积物分布示意图。

2.2 地形分析方法

地形表面常采用等高线、Grid、TIN等模型来表达。先将金沙湾养滩前后高程扫描数据进行坐标换带；然后用Excel软件整理为标准格式，导入ArcMap10；再利用3D Analyst→TIN管理→创建TIN和编辑TIN工具，生成不同时期TIN表面地形；最后结合应用Arctoolbox→3D Analyst→栅值表面→等值线，生成等值线图。

剖面监测能反映不同阶段海滩动态变化情况，本工程依据金沙湾海滩地形特点，设计了EW01、EW02、EW03东西方向3条监测剖面。依据不同时期的地形栅格表面，用3D Analyst→线插值工具生成某剖面线插值，并创建剖面图，再将同一剖面线不同时期的结果叠加，得出不同时期地形剖面变化结果。

2.3 高程变化分析方法

为了直观地查看养滩前后地形表面变化情况，运用3D Analyst工具，通过栅格插值分别生成不同测量时期的表面栅格，再用3D Analyst 的“栅格计算→减”工具，生成不同时间的高程变化示意图。

3 对比结果与分析

金沙湾海滩养滩前后效果如图2所示。可以看出，养滩前，海滩起伏较多，游人稀少；养滩后，地形平缓，沙滩洁净，游客众多。

图2 养滩前后的湛江金沙湾海滩实景图

3.1 沉积物粒度分析

粒度是沉积学的经典指标，粒度的空间变化指示着沉积环境与搬运动力条件的变化。在养护工程不同时期，应充分考虑该海滩的沉积物粒度特征、功能需求等因素，选择合适的抛沙方式、位置、成分、数量和沙源[6]。运用沉积物分析方法，分别生成养滩前（2012年9月）、养滩后（2012年12月）和养滩20个月后（2014年6月）的沉积物分布示意图（图3）。可以看出，养滩前取样区域沉积物以粘土质粉沙为主，约占整个采样区域的50%；砂次之，占20%，主要分布在海滩西南侧近岸。在设计抛沙时，宜采用滩肩补沙，将补给泥沙主要堆积在平均潮位以上，增加干滩宽度[3]；同时，对于离岸较远的粘土质粉沙区域可辅以宽厚土工布铺盖，减少抛沙沉陷。养滩后，砂的比例大幅增加，达到52%，距离岸线300 m远处由于无法抛沙，沉积物粒度变化不大。整治20个月后，受水动力影响，抛沙流散，砂比例减少，粉沙比例上升。因此，后期修补时可采取近岸补沙或辅以离岸潜堤来削波护沙。

图3 金沙湾海滩沉积物分布示意图

3.2 地形表面分析

地形表面常采用Grid、TIN、等值线等来分析。运用3D Analyst中的TIN分析工具，生成养滩前、养滩后、养滩10个月后的地形表面如图4所示；运用3D Analyst中的等值线分析方法，生成养滩前、养滩后和养滩15个月后的等值线如图5所示。

结合图4、图5可以看出：养滩前，风车广场下侧有一深潭，落差近10 m，劳丽诗广场至原红嘴鸥码头一带近原红嘴鸥码头附近等值线密集，地形起伏较大，为重点整治区域。养滩后由于大量抛沙，海滩地形趋缓，凹凸和深潭得到填补。养滩10个月后，受波浪等水动力作用，抛沙向东推移，离岸150～350 m处海滩地形变得坑洼不平，风车广场下侧出现侵蚀。养滩15个月后，风车广场和原红嘴鸥码头附近侵蚀加剧，落差变大，同时风车广场一侧对出海域约150 m处存在一处深沟，深沟两侧高程等值线非常密集，容易造成溺水事故。后期监管时要重点考虑这些侵蚀区域。

3.3 地形剖面分析

运用剖面分析法，得到EW01、EW02、EW03剖面变化如图6所示。养滩后海滩剖面外推，海滩宽度和沙层厚度增加，减轻了海岸侵蚀，起到了软性护岸作用。从EW01看到，养滩前该剖面离岸100～300 m处有3处深沟；养滩后3处深沟得到填补，高程普遍增加1.0～2.0 m；整治10个月后，受波浪和潮汐影响，高程降低，离岸150～300 m区域变得起伏不平；整治15个月后，这一区段渐趋平稳，但400 m处一直存在宽约50 m的深沟。EW02和EW03剖面类似。需注意的是EW03末端（原红嘴鸥码头附近）显著下降，为侵蚀热点。

图4 湛江金沙湾海滩地形图

图5 金沙湾海滩养滩前后等值线图

3.4 高程变化分析

运用高程变化分析法，得到养护工程实施前后不同时间的高程差变化，如图7所示。

养滩前后高程变化最显著区域为劳丽诗广场和大风车广场附近（图7a箭头A、B），这也是工程设计的整治区域，高程变化在0.5～3.0 m。养滩10个月后，由于波浪、潮汐等水动力环境影响，抛沙流失，近岸高程下降，尤其以风车广场附近海域高程降低最为明显（图7b箭头A′），离岸150 m处海域高程上升。养滩15个月后，风车广场一侧海域侵蚀加重（图7c箭头A″），深度达1.5～2.5 m。原红嘴鸥码头附近严重下陷（图7c箭头C″），结合等值线图可以看出该处等值线密集、地势陡降，市民游泳至此易发生溺水事故，为后期监管养护重点区域。

图6 金沙湾海滩剖面监测结果

图7 金沙湾海滩高程变化示意图

4 结 语

通过对金沙湾海滩近2 a沉积物与海底地形的监测分析，得出金沙湾海滩侵蚀主要集中在风车广场、风车广场对出海域150 m深槽和原红嘴鸥码头附近海域（图8中bs1、bs2、bs3区域），后期应着重对此区域进行补沙回填。同时，考虑风车广场附近深槽容易发生冲刷，补沙回填不能根本解决金沙湾海滩海床下沉问题，可考虑同时在上游沙湾入海口排污管出水处修筑潜坝以阻挡排污管出水和海流对补沙的冲刷。离岸潜坝修筑实施方案需通过建立数值模型进一步确定。

图8 湛江金沙湾海滩侵蚀热点区域示意图

海滩养护的目的是使养护沙长期稳定在养护区内，但侵蚀热点的出现会影响整个养护海滩的稳定性及再养护的周期。许多学者研究了海滩养护侵蚀热点的特征与成因[7-9]，根据这些文献资料，结合金沙湾海滩近2 a的监测分析，得出其侵蚀成因主要有：①排污管道。风车广场北侧的沙湾入海口排污管道阻断海滩沿岸沉积物的输运，造成排污管道下游bs1、bs2区域的强烈侵蚀。②水下地形。风车广场对出150 m有宽50 m、深5 m的深沟（图8中bs2区域），该深沟除对波浪有一定的消减作用外，也造成这一区域的强烈侵蚀。③金沙湾海滩属天然岬湾海岸，两头的岬角能有效防止湾内的沉积物向湾区外流失，但在岬角附近往往容易出现侵蚀热点（图8中bs1、bs3区域)。④近岸工程和人类活动也是造成海滩侵蚀的原因，如图8中bs3区域由于人工采沙，侵蚀明显。此外，湛江是台风暴潮易发地区，风暴潮对海岸的侵蚀也不容忽视。

因此，海滩养护应充分考虑该海滩的沉积物特征、功能要求和地形状况，选择合适的抛沙方式、位置、成分、数量和沙源。同时，后期监管也是海滩养护的重要组成部分，运用 3S 技术对养护海滩工程进行多方位时空变化监测分析，有利于科学长效地实施海滩养护，提升海滩和海岸带的环境和生态价值。

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P208

B

1672-4623（2016）05-0085-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.027

冯琼瑛，硕士，高级实验师，主要从事数据库及GIS应用工作。

2015-07-29。

项目来源：广东省科技计划资助项目（2013B020309011）；广东省教育厅科技创新资助项目（2013KJCX0095）。（*为通讯作者）