海南万宁岬湾海岸海滩稳定性研究

程武风，陈沈良，胡 进

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

海南万宁岬湾海岸海滩稳定性研究

程武风，陈沈良，胡 进

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

岬湾海岸海滩的稳定性及其演变是砂质海岸研究的重要内容。基于多期遥感影像、海滩沉积物粒度分布，并采用岬湾海滩平衡形态模型(MEPBAY)，分析探讨了海南岛东部万宁4个典型岬湾海岸海滩的稳定性及其模型的应用。研究表明，除东澳湾凸角处于不稳定状态，其余海岸处于静态或准静态平衡状态；岬湾海滩沉积物粒度在遮蔽段和开敞段有明显的差异，相邻海滩之间没有明显的泥沙交换，每个岬湾海滩都是相对独立的地貌单元；模型中上岬角控制点选取应考虑岛礁及水下礁坪；抛物线模型可以拓展应用于有离岸岛情况下的海湾。研究成果可为岬湾海滩的稳定性评估和管理提供科学依据。

岬湾海岸；沉积物特征；稳定性；抛物线平面形态模型；MEPBAY

Abstract: Headland-bay beach stability and its evolution processes are significant to the study of sandy coasts. In this paper, the beach stability of four typical headland-bay beaches along Wanning coast in the east Hainan Island were analyzed based on remote sensing images over the recent 40 years and MEPBAY model developed from the parabolic bay shape model. The results show that the four headland-bay beaches are in or close to the static equilibrium except the shoreline salient of Dong-ao Bay with an unstable state; Beach sediment size distribution displays a significant difference between the sheltering and open section, and there is no significant sediment exchange between adjacent beaches and each embayed beach is a relatively independent geomorphological unit; the existence of submerged reefs and shoals cannot be ignored in selecting suitable headland control point; the parabolic bay shape model can be applied in the case of offshore islands. This study can provide a scientific basis for headland-bay stability assessment and management.

Keywords: headland-bay coasts；sediment characteristics；stability；parabolic bay shape model；MEPBAY

砂质海岸经常被自然岬角所分隔，在全球风-浪系统产生的盛行涌浪作用下，往往会将其塑造成稳定的不对称的弧形海岸——岬湾海岸[1]。岬湾海岸是全球普遍存在的一种重要类型，约占世界岸线的51%[2]。我国华南地区包括海南岛沿岸更是普遍发育[3]。根据海滩稳定性特征，岬湾砂质海滩可分为静态平衡、动态平衡和不稳定三种状态[1, 4-5]。当海滩上游来沙或陆域来沙(如河流输沙)与海湾输出的泥沙相平衡，海湾岸线维持平衡状态，称之为“动态平衡”；当岸线侵蚀至极限位置，盛行波浪沿整个海湾边界同时破碎，此时沿岸输沙为零，称之为 “静态平衡”[4]。

岬湾海滩地貌以往的研究主要集中在特定区域的经验模拟[6]。其形态模型主要有对数螺线型[7]、双曲线型[8]、抛物线型[9]、椭圆模型[10]等。如果实际岸线与这些经验关系式相符，一般可认为此海滩岸线处于静态平衡状态。然而大多数形态模型仅考虑了海湾的几何要素，而忽略了波浪方向和岬角的位置。抛物线模型作为判定海湾稳定性应用最广泛的平面形态模型，充分考虑了上述因素，在评价海滩稳定性和预测由人工建筑物引起的岸线变化方面具有很好的理论机制[11]。但当岬湾海岸受离岸岛、堤影响时，很难应用抛物线模型来预测海岸蚀积状态[12-13]。选择海南岛东部万宁4个典型的岬湾海岸，基于多期遥感影像分析近40年的岸线变化，并采用岬湾海滩平衡形态模型(MEPBAY)分析讨论岬湾海岸的稳定性及抛物线模型的应用，并进一步根据海滩沉积物分布特征，探讨岬湾海滩的独立性。

图1 研究区域及海滩取样断面位置Fig. 1 Study area and location of beach sampling sites

1 资料和方法

研究区位于海南岛东部万宁市前鞍岭至牛庙岭之间，在地质构造上属琼东南坳陷带，基底为寒武纪的古老岩系，呈NE-SW向带状展布[14]。地理坐标为110.43°～110.55°E，18.70°～18.77°N，主要由4个岬湾海滩组成，由北至南依次为多德湾、春园湾、保定湾和东澳湾，岸外有甘蔗岛和大洲岛等岛屿，在保定湾南端有太阳河入海口(图1)。研究区岬湾海岸是在各岸段花岗岩低丘展布轮廓的基础上，经风浪侵蚀和沿岸漂沙堆积而成的。这些岸段属同一海区，而岸线轮廓和走向有所不同。研究海区全年以混合浪为主，出现频率达78%，年均波高0.9 m，最大波高可达5.2 m；年均潮差0.92 m，为浪控弱潮海岸[15]。

1.1资料来源

1.1.1 海滩沉积物

在研究区海滩布置30个断面(见图1)，从南至北4个岬湾分别设置12、10、5、3个断面，于2014年12月和2015年8月开展海滩地形测量和沉积物取样。每个断面设3个取样点，分别位于后滨、滩肩和滩面。对获取的180个样品烘干后，采用基于动态数字成像技术的多功能粒径粒形分析仪(Camsizer XT)进行粒度分析[16]。分别计算每个断面两次取样的沉积物中值粒径的平均值，共得到30组数据，以φ值表示。

1.1.2 遥感影像

多光谱遥感影像应用于岸线提取具有范围大和光谱特征丰富的优势[17]。Landsat卫星遥感影像(包括MSS、TM、ETM+、OLI等)，自1972年以来已提供40多年的数据记录，在大区域范围、中长尺度的岸线变化研究具有独特的优势[18]。为了减少季节和风暴潮的影响，通常选取春季或夏季的影像作为数据源[19]。本文选取1975、1988、2000、2010、2015年5景成像时间相近的春夏季影像作为数据源(表1)，其中1975年影像经系统几何校正处理的数据，其他4景影像等级为L1T经过几何精校正处理得到的数据。以2015年遥感影像作为基准，对其余4期影像进行几何校正统一为WGS84坐标UTM投影。

表1 研究使用的Landsat数据Tab. 1 Landsat data used in the study

根据2015年8月海滩地形测量结果计算，由于潮位的变化(平均潮差)对水边线的影响不大于11 m，在Landsat遥感影像分辨率(30 m)内，因而由潮差引起的水边线变化可以忽略。另外，各影像数据获取季节接近，岸线提取时忽略海平面季节性变化的影响。研究区岸边水体清澈，水体和沙滩界线分明，可通过谱间关系法提取水边线来进行岸线变化分析[20]。

1.2抛物线模型与MEPBAY

Hsu and Evans[9]通过对27个被认为是处于静态平衡的原型海湾和实验模型的模拟，得出了一个二阶多项式模型(即抛物线模型)，其曲线方程为：

式中：Rn为海滩上任意一点到极点的极半径；R为两岬角间的距离(即控制线长度)；β为入射波波峰线和控制线的夹角；θ为极半径与波峰线之间的夹角(图2)；C0、C1、C2为β的函数，由27个海滩和实验室数据作回归分析得到，分别表示为：

图2 抛物线平面形态模型示意Fig. 2 Definition sketch for parabolic bay shaped model

根据实际海湾上、下岬角控制点以及优势波浪入射方向确定参数，模拟海湾的静态平衡岸线，通过与实际岸线的比较可以预报海湾的平衡状态。研究发现，静态平衡的岬湾海岸，波峰线基本平行于切线[21]；对于切线段充分发展的岬湾海岸，可认为垂直切线的方向即为盛行波浪入射方向[22]；Gonzalez and Medina[22]、李志龙[23]等分别根据沿岸流流速和输沙公式推导出曲线段与直线段连接点为下岬角控制点。

然而，实际应用抛物线模型的步骤复杂和繁琐，特别是对于不同的几种结果比较时，需要重复大量的计算。Klein等基于抛物线形态模型开发了可视化应用软件(model for equilibrium planform of bay beaches，简称MEPBAY)，该软件是分析岬湾海岸蚀积状态以及岬角控制点的改变对岸滩影响的工具。在利用MEPBAY计算海湾静态平衡岸线时，通常只需一幅研究海湾的正摄影像并了解该海湾波浪折绕射特征即可[24-25]，不仅简化了繁琐的计算，而且应用稳定，简单直观。同时，利用MEPBAY对实际海湾分析证明了岸线存在静态平衡、动态平衡和不稳定三种状态[24]。

2 结果分析

2.1岬湾岸线的长期变化

分别对1975、1988、2000、2010和2015年研究区遥感影像进行岸线提取并分析岸线变化(图3)。总体上，近40年来研究区4个岬湾海岸的岸线变化不大，仅两处有较明显的变化：一处在保定湾的湾顶东侧；另一处在东澳湾南端。研究区除上述两处岸段有较明显变化外，其余海湾岸线均无明显变化，处于相对稳定状态。

图3 1975年至2015年保定湾和东澳湾岸线变化Fig. 3 Shoreline changes at Dong-ao and Baoding from 1975 to 2015

保定湾东侧岸线明显变化主要发生在1988与2000年之间。期间1994年在保定湾东侧建造了一个1 000吨级的驳船码头，为防止港口淤积，在港口南侧水域的小担石岩礁至乌场岭西侧之间建造一条东西向的防波堤，同时在港口西侧以抛石堆砌了一条与岸近似垂直的潜坝。在这两条堤、坝制约下，构成了航道口向西南方向的环抱式港池。这一工程布局改变了保定湾湾顶与水动力之间的动态平衡，海湾的流态、波场和泥沙运移随着工程布局产生变化，沿岸水动力重新塑造与人为海湾轮廓相适应的海滩剖面，因而在防波堤外侧岸段发育了新的沙滩[15]。同时，码头、防波堤等人工建筑物也导致湾顶东侧岸线变化。然而，整个保定湾海滩在工程前后并无明显变化，说明在岬角掩护范围内修建工程对岬湾海滩的影响不大。

东澳湾海岸南段，由于岸外约5 km存在面积4.36 km2的离岸岛——大洲岛，处于岛屿的波影区，导致该段岸线向海突出，形成一定规模的凸角堆积体。该凸角的位置与波浪特性密切相关，波向以及波高的改变都会影响凸角的位置和规模。多年岸线变化显示，该凸角有明显的移动，1988与2015年岸线相比，变动距离最大约88 m。

2.2抛物线模型对海滩蚀积状况的预报

根据保定湾北侧乌场波浪站(1985年10月—1986年9月)一年的观测资料，保定湾的主波向为133.2°[23]。因研究区4个岬湾位于同一海区，可认为各岬湾的波浪特性相同。根据2015年4月6日遥感影像和波况利用MEPBAY软件计算岬湾静态平衡岸线的位置，对岬湾海岸的侵蚀和堆积进行预报，得出每个海湾的理论静态平衡岸线，并验证抛物线平面形态模型在该区域的适用性。

1)多德湾、春园湾

多德湾、春园湾受前鞍岭、大长岭和乌场岭基岩岬角控制，形成两个岸线形态相似的岬湾海岸。利用MEPBAY计算静态平衡岸线与实际岸线比较如图4，图中点弧线为通过MEPBAY得出的理论静态平衡岸线。波浪运动至上岬角时发生绕射，波峰线产生变形，在岬角岸段波向线密集，波能辐聚，产生侵蚀作用；在海湾岸段波向线扩散，波能辐散，沿岸输沙由岬角向湾内运移，产生堆积。MEPBAY的预测岸线与实际岸线比较，两个海湾都拟合较好，表明多德湾和春园湾海岸处于静态平衡状态。

图4 多德湾和春园湾实际岸线与MEPBAY预测静态平衡岸线对比Fig. 4 Comparison of existing shoreline periphery with the static equilibrium planform at Duode and Chunyuan Bay

2)保定湾

保定湾北端为乌场岭基岩岬角，以乌场岭最外端作为上岬角控制点(如图5，A点)，MEPBAY计算结果显示，在湾顶西侧预测岸线较海湾的实际岸线向陆偏离。主要原因是由于沿乌场岭岬角向陆分布着许多岛礁屹突海面，当波浪在乌场岭发生绕射后，这些岛礁进一步改变了波浪的条件，削弱了波浪对岸滩的作用，导致沉积物在遮蔽段堆积，也使理论静态平衡岸线的预测有一定的偏差。由于上岬角附近地形的复杂性，导致以A点(图5)为上岬角控制点的预测结果并不能准确判断保定湾海岸的平衡状态。

图5 保定湾岸线和MEPBAY预测静态平衡岸线Fig. 5 Comparison of existing shoreline periphery with the static equilibrium planform at Baoding Bay

图6 东澳湾岸线和MEPBAY预测静态平衡岸线Fig. 6 Comparison of existing shoreline periphery with the static equilibrium planform at Dong-ao Bay

3)东澳湾

由于大洲岛的存在，在东澳湾南段形成凸角地形，岸线形态特殊，并不满足应用抛物线模型的条件——岸外存在离岸岛、堤对海岸有影响时，无法应用模型判断海岸的蚀积状态。根据抛物线模型原理，上岬角控制点为波浪开始发生绕射点，也就是由于波浪的变形才导致岸线形态的变化。对东澳湾平面形态分析可知，波浪除了上岬角处(图6，A点)发生绕射之外，在大洲岛附近同样发生绕射，由于波浪的绕射改变了原有波浪特性，从而影响了海滩的发育。

根据抛物线模型原理结合波浪折绕射特性，可将东澳湾分为3段(图6，I、II、III)，分别以A、B点为上岬角控制点来预测海滩的蚀积状况。比较结果显示，海滨凸角处实际岸线在静态平衡岸线的向陆一侧，其它岸段与预测岸线吻合良好。

2.3岬湾海滩沉积物粒度分布特征

研究区各岬湾海滩断面平均粒度沿岸分布显示出明显的规律性变化(图7)。保定湾、春园湾和多德湾海滩沉积物中值粒径均表现为从南至北φ值逐渐增大，即各岬湾海滩沉积物从开敞段向遮蔽段由粗变细；东澳湾海滩沉积物粒度从开敞段向遮蔽段呈由粗变细的波动变化。研究区最细粒度(2.20φ)出现在保定湾的遮蔽段(断面21)；最粗粒度(0.47φ)则分别出现在保定湾的开敞段(断面16)和多德湾的开敞段(断面28)。相邻岬湾海滩沉积物粒径存在明显的突变，在岬湾掩护段粒度较开敞段明显变细。

图7 岬湾海滩沉积物平均中值粒径分布曲线Fig. 7 Averaged grain size distribution along headland-bay beaches

图8 岬角掩护范围示意Fig. 8 Definition sketch for cover range of the headland

显然，岬湾海滩沉积物粒度分布显著地受岬角的遮蔽效应影响，掩护范围的大小决定了岬湾海滩沉积物的分布特征。对于直线段充分发展的岬湾海岸(如保定湾)，上岬角掩护范围可由以下经验公式确定[22]：

式中：βr=2.13，LS为一年中作用时间为12 h大波所对应的平均波长，Y为海湾最大凹入，即上岬角点到海湾直线段的垂直距离，α为Y与控制线的夹角(图8)。

就保定湾而言，基于实测波浪资料和遥感影像岸线提取，可得出LS=104.89 m，Y=2 492.73 m，代入上述公式计算得到α=17.36°，求得保定湾靠近湾顶处3个断面(20～22)处于上岬角的掩护范围内。根据东澳湾海岸走向和波浪折绕射，其南段沙嘴附近海岸明显处于大洲岛的波影区，即在大洲岛的掩护范围内。

根据保定湾和东澳湾海岸的掩护范围及研究区海滩表层沉积样中值粒径分布，可明显分为两个类型：类型1，掩护区：表层沉积物中值粒径范围在1.4～2.2φ，范围从中砂至细砂，约占63%，包括春园湾湾顶、多德湾湾顶、保定湾湾顶，以及几乎整个东澳湾；类型2，开敞区：表层沉积物中值粒径范围在0.45～1.3φ，范围从粗砂至中砂，约占37%，包括春园湾、多德湾以及保定湾开敞段。可见，沉积物分布与岬湾海岸的形状特性存在一定的联系。

3 讨 论

一般来说，确定海岸的蚀积状况需要长期的现场监测或历史数据[26]。遥感影像显示，万宁4个岬湾海岸近40年来，除保定湾东侧岸段与东澳湾南段凸角有较明显变化外，其余岸线均处于相对稳定状态。根据抛物线模型预测结果，多德湾和春园湾预测岸线与实际岸线拟合良好，海岸处于静态平衡。保定湾由于其上岬角附近分布着许多岛礁，造成波浪变形复杂，导致理论静态平衡岸线的预测有一定的偏差。需要充分了解其湾内沉积物的收支，才能准确预测其海岸的稳定性。

3.1岬湾海滩的独立性

研究发现，当岬角向海延伸的水深超过最大闭合深度时，沉积物的输移不会越过岬角进入相邻海滩[27]。根据闭合深度(dl)计算公式[28]：

式中:He为每年超过12小时的非破碎有效波高，这里采用逐月最大波高值；Te为相应的周期；g为重力加速度。据此可计算得到逐月最大闭合深度(表2)。其中，10月份由台风引起的最大波高5.2 m，闭合深度达到10.70 m，其它月份的最大波高的闭合深度在2.49～6.82 m范围内。从2005年海图水深数据显示，研究区岬角向海伸入的水深在6～9 m，一般都大于闭合深度。因此，除极端事件外，海滩沉积物运移一般不会越过岬角，即相邻岬湾海滩之间没有显著的泥沙交换，各岬湾是相对独立的沉积地貌单元。

表2 研究区逐月波要素及最大闭合深度Tab. 2 Monthly wave parameters and their maximum closure depth at the study area

3.2岬角控制点的选取

保定湾南端有太阳河入海口，但因太阳河上游筑坝和万宁水库的建设，入海流量较小，几无泥沙输入。湾内既无河流输沙，与相邻海湾也没有显著的泥沙交换，表明保定湾为一个相对独立的沉积地貌单元，并且近40年的岸线无明显变化，说明该湾处于静态平衡状态。但MEPBAY预测结果与实际并不相符，究其原因主要是保定湾上岬角附近屹立水面的岛礁。在波浪条件一定的情况下，遮蔽段岸线形态和稳定性不仅与上岬角控制点的位置有关，而且与岬角附近地质地形密切相关[25, 29]。从Google Earth影像明显看出，在乌场岭岬角附近存在许多岛礁，波浪入射至此会进一步发生折绕射甚至破碎。当选取A点为上岬角控制点时，预测岸线(DA′)较实际岸线向陆伸入；而以B点为上岬角控制点时，预测岸线(DB′)与实际岸线拟合较好(图5)。所以，在应用抛物线模型时，上岬角控制点的确定不能忽略附近地质地形，充分考虑岬角附近岛礁和水下礁坪的存在。尽管上岬角的选择目前还没有一个量化的指标，存在很多经验成分，但通过抛物线模型预测岸线与实际岸线比较，对初步判断岬湾海岸的稳定性和海岸工程建设引起的岸线演变趋势预测仍有一定的实用性[30]。

3.3离岸岛的波影效应

当波浪传播受到离岸岛或防波堤的阻拦时，波浪会出现明显绕射[31]，影响波影区海滩的发育。东澳湾南侧由于大洲岛的遮蔽，在其波影区岸线发育向海向海突出的海滨凸角。海滩沉积物中值粒径与其它岬湾湾顶处沉积物同属类型1，表明整个东澳湾处于大洲岛以及新群岭岬角的掩护下。在应用抛物线模型时，将该湾进行分段，分别以A、B点为上岬角控制点来预测海滩的蚀积状况(图6)。结果显示，在该湾凸角处实际岸线较预测岸线偏向陆侧，其余岸段都拟合较好，表明东澳湾除凸角处于不稳定状态。凸角的不稳定状态与波浪条件变化有直接关系，当主控波浪向作用时，受岸外大洲岛的掩护，海滩向海发育凸角，当凸角还未完全发育至静态平衡岸线时，波向发生改变，致使凸角不能充分发育，沉积物的供给不足同样也是导致凸角不能充分发展至静态平衡岸线位置的原因。

4 结 语

利用基于抛物线模型开发的岬湾海滩平衡形态模型(MEPBAY)可视化计算机软件，对海南万宁4个岬湾海滩稳定性进行了模拟预测，并结合海滩沉积物粒度数据，分析探讨了岬湾海滩的稳定性和模型的应用。研究得到以下认识：

1)抛物线模型对研究区岬湾海岸海滩稳定性判断有很好的适用性，但岬角控制点的选取应充分其附近岛礁等地质地貌因素，特别是存在离岸岛情况下，应充分考虑波浪绕射点，选取合适的上岬角控制点进行海滩蚀积状态预测，模型才适合应用。

2)岬湾海滩通常具有较好的稳定性。研究区多德湾、春园湾、保定湾海岸处于静态平衡状态；东澳湾除凸角处于不稳定状态，其余岸段处于静态平衡状态。

3)岬湾海滩沉积物粒度在遮蔽段和开敞段有明显的差异，相邻海滩之间没有明显的泥沙交换，每个岬湾海滩都是相对独立的地貌单元。

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Stability of headland bay beaches on the east coast of Hainan Island

CHENG Wufeng, CHEN Shenliang, HU Jin

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

P753

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.014

1005-9865(2017)01-0121-08

2016-03-12

海洋公益性行业科研专项经费项目(201405037)

程武风(1991-)，男，河南兰考人，硕士研究生，从事海滩过程与地貌动力研究。

陈沈良，男，教授，主要从事河口海岸学研究。E-mail: slchen@sklec.ecnu.edu.cn