海口湾中间岸段海滩剖面短期时空变化及沉积动态分析*

朱士兵, 胡丹妮, 张会领, 曾春华, 李泽华, 李志强

海口湾中间岸段海滩剖面短期时空变化及沉积动态分析*

朱士兵, 胡丹妮, 张会领, 曾春华, 李泽华, 李志强

广东海洋大学电子与信息工程学院, 海洋工程学院, 广东 湛江 524088

海滩的演变特征是海岸地形动力学研究的一个重要内容。基于在海口湾假日海滩连续33d的地形剖面观测数据和台风前后表层沉积物粒度参数数据, 分析了海口湾中间岸段海滩剖面及沉积物变化特征。利用经验正交函数分析, 得出观测期间海口湾海滩有4个主要模态, 分别对应于涌浪对海滩的建设过程、当地风浪对海滩的侵蚀过程、台风对海滩的侵蚀过程和海滩特征地形的调整过程。研究结果表明: 涌浪和风浪对海滩剖面的作用受到了潮位调制的影响; 海口湾海滩显示出遮蔽型海滩变化特征; 沉积物粒度参数对海滩变化反应敏感, 可以提供丰富的海滩演变信息。

海滩剖面; 时空变化; 经验正交函数; 沉积物; 台风

天然海滩位于海陆相互作用的敏感地带, 海滩变化过程是海岸波、潮、风等动力因子和海滩地形相互作用的结果(Rosen, 1978; Chen, 1995)。海滩剖面是海滩物质组成、动力作用和坡面形态三者之间动态调整的结果(陈子燊等, 1993), 剖面变化主要与海滩坡度、波陡、底质粒径等因素有关(常瑞芳, 1997)。国内外对海滩剖面的变化研究较多的采用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析方法(Larson et al, 1999; 陈子燊, 2000; 戴志军等, 2001; 李志龙等, 2004; Li et al, 2005; 于吉涛等, 2015), 通过分解得到剖面的变化模态, 进而分析海滩的主要变化过程。其中陈子燊(2000)利用粤西水东湾海滩重复测量的地形剖面, 得出海滩地形主要由水下砂坝运移、滩肩进退和后滨侵蚀3个空间过程构成; 戴志军等(2001)利用粤东寮咀口岬间海滩重复测量的剖面数据, 通过经验特征函数及主要空间函数的分析和功率谱估计分析, 得出海滩的主要空间模式及周期; 于吉涛等(2015)利用EOF分析了波控中等潮差海滩剖面时空变化过程。前期研究成果中, 很少有学者同时关注海滩表层沉积物变化, 研究的海滩也以开敞的海滩为主, 对于较遮蔽的海滩关注较少。本文利用在海口湾海滩(假日海滩)连续33d (包含2次台风过程)观测的海滩剖面数据和采集表层沉积物, 采用EOF分析和沉积特征参数变化分析, 探讨海口湾海滩在短时间尺度上, 多种动力因素作用下的海滩沉积动态和剖面变化特征。

1 研究区概况

海口湾位于琼州海峡南岸的中部岸段, 为一向北敞开的弧形海湾, 东部为南渡江三角洲的西缘, 西部为玄武岩台地构成的后海岬角, 北为琼州海峡水域。基底构造为海口断隆区的组成部分, 海口湾水深大部分小于5m, 水下地形向北倾斜, 坡度1‰。海口湾波浪和流场受海峡潮的波浪场和流场影响。波浪以风浪为主, 北向风为向岸风, 其风浪较强, 南向风为离岸风, 其风浪较弱(王宝灿等, 2006)。根据海口湾东部白沙门站测波资料统计, 该区域的波浪有东北偏东向(ENE)、东北向(NE)和北向(N) 3个主浪向, 夏季盛行东南向浪, 强度比冬季小。海峡涨潮以东流为主, 落潮以西流为主, 湾口附近流速为1m×s–1左右, 流向为东—西(E–W)向, 在湾顶附近流速减小, 仅为0.1~0.25m×s–1, 余流为逆时针方向, 量值在0.1m×s–1以下(龚文平等, 2004)。潮汐属于非正规日潮混合潮, 多年平均潮差为0.82m, 最大潮差为3.31m。泥沙来源和南渡江三角洲岸滩的侵蚀后退和泥沙搬迁密切相关, 在沿岸波流和潮流作用下, 泥沙进行自东向西的沿岸运移, 导致海口湾东侧的美丽沙堆积体不断向西南方向延伸(田明等, 1994; 周晗宇等, 2013; 谢华亮等, 2014)。本文研究岸段为海口湾中间岸段的假日海滩(图1), 属于典型的弧形砂质海滩。

图1 研究区概况(a)、剖面(b、c)及台风路径(a)

2 数据和研究方法

2.1 数据获取

2018年7月9日至8月11日, 在海口湾假日海滩不同岸段布设4条由岸向海观测海滩地形变化的剖面, 共获取33d剖面地形数据。同时在中间岸段布设一个沿岸方向宽约60m的三维海滩地貌测量断面, 本文选取海滩中间岸段进行研究, 剖面及三维地貌网面示意见图1。逐日用南方测绘全站仪对海滩剖面向海观测至涉水最深处, 剖面垂岸两测点之间距离约为2m, 遇到地形变化显著位置进行加密以获得更加详尽的海滩地形信息。常浪情况下, 在7月9日、7月19日、8月1日、8月7日分别在海滩潮上带、潮间带、潮下带采取表层沉积物。观测期间, 台风“塔拉斯”(2018年7月16日)和台风“桑卡”(2018年7月22日)从海南南部海域经过, 研究区域在台风影响的范围内。于台风前和台风后分别采取表层沉积物, 33d内采取了7次(台风前2次, 台风后5次)共21组沉积物数据。对采取得沉积物在实验室进行去除有机质、除去钙胶结物、洗盐、烘干步骤, 然后用筛分振动仪测试得出沉积物各组分含量。同时收集海洋站在琼州海峡的波浪、潮汐观测数据。台风信息见图1, 台风期间研究区海域波浪、潮位信息见图2。

图2 台风期间研究区海域波浪、潮位信息

2.2 数据预处理

本文选取海滩中间岸段的剖面进行分析(图3)。为了地形数据的统一及精确, 将所测的剖面长度控制在50m, 对于测距较短的剖面(7月28日剖面长度48.56m, 8月1日剖面长度49.16m)采用线性插值法外延至50m, 然后将50m剖面长度以2m间隔进行线性插值, 从而得到26个相应的岸滩剖面高程变化, 与时间参数组成26×33矩阵。计算空间协方差矩阵前。先对矩阵进行距平化预处理。

2.3 海滩地形时空变化分析

运用经验正交函数方法分析海滩剖面形态的时空变化。经验正交函数分析方法是分析矩阵数据中的结构特征, 提取主要数据特征量的方法(Larson et al, 2003)。EOF其实就是对空间上的因子分析, 是没有固定的展开形式的典型场函数。EOF最早被气象问题分析所引用, 由于该方法能在有限区域对不规则分布的站点进行分解、展开收敛快、很容易将变量场的信息集中在几个模态上、分离出的空间结构具有一定的物理意义等优点, EOF分析法分析海滩时空变化的具体操作为:

图3 研究区海滩连续30d地形观测曲线

将研究区海滩时空变化场记为F(=1, 2, …,;=1, 2, …,), 其中为空间点对应于研究区剖面的等距高程值,为时间序列长度对应于对研究区剖面的观测天数, 即个高程值的个时次的观测数据矩阵, 将F分解成相互正交的时间函数与相互正交的空间函数的乘积之和, 其矩阵形式为:

=

式中:为岸滩演变要素场(研究区数据资料矩阵);为空间函数(岸滩演变过程的典型场);为时间函数(衡量典型场的权重系数)。

2.4 沉积特性分析

采用Collias等矩法公式计算沉积物4个粒度参数(Collias et al, 1963), 刘志杰等(2013)对比3种计算海洋沉积物粒度参数方法, 发现Collias等矩法计算出的沉积物粒度分布特征更灵敏、更可靠, 可以更好地反映沉积环境对沉积物的改造作用。运用沉积动力学知识结合海滩表层沉积物参数(平均粒径z、分选系数σ、偏态S、峰态)分析海滩33d内的沉积动态变化特征。

3 结果分析

采用EOF分析法对海滩剖面进行分解, 得出了研究海滩岸段短期演变的时空模态特征值。EOF分析所得到的前4个空间特征值累计方差达到85.83% (表1)。各主要模态的时空变化过程将图4。

表1 EOF分析海滩剖面时空模态结果

图4 EOF分析时空模态变化图

3.1 主要模态分析

空间特征函数的极值表示最大变化的区域, 而节点指示的是相对稳定的地带, 在节点处发生泥沙交换, 泥沙在节点两边发生向海或向陆运动, 将毗邻区域的淤积和侵蚀划分开, 因此剖面在结点两侧呈现反相变化趋势。根据研究区潮位信息及现场观测可知21m、28m、37m和44m处分别代表着滩肩前缘、高潮位、波浪破碎线和低潮位(图5)。

图5 海口湾海滩地貌特征

第一模态所占总方差为38.73%, 空间特征函数分别在20m、27m、30m、45m处出现节点。在30~45m范围内出现峰值, 对应着海滩地形的潮间带, 说明潮间带是33d内海滩剖面平均变化最大的区间, 是海滩形态最主要的响应。从第一空间特征曲线(图4a)特征及相对冲淤线位置可以看出, 潮间带(30~45m)发生侵蚀(曲线位于冲淤线以下), 侵蚀的泥沙分别向海向海向陆搬运, 造成海滩后滨(20m以上)和水下(45m以下)淤积(曲线位于冲淤线以上)。在30m高潮带附近泥沙存在输运并逐渐增强一直延续到45m处的低潮线附近, 在波浪破碎的37m处达到峰值。总体来看, 空间特征函数表现为潮间带泥沙向岸搬运, 海滩处于涌浪剖面的塑造过程中, 滩肩变的越来越显著。

从第一时间特征函数(图4b)可以看出, 7月11日达到峰值后曲线变化逐渐减弱, 在7月14日达到最低峰值后曲线变化逐渐增强到最大值, 7月25日后曲线又逐渐减低至最小值。这一变化过程与波浪作用过程基本一致, 但同时受到潮汐的调制作用, 是潮汐调制下波浪对海滩的作用(图2)。观测期间, 虽然受到台风“塔拉斯”的影响, 但海区基本为涌浪, 海滩剖面表现为涌浪剖面特征。大潮高潮期间, 泥沙被涌浪搬运到海滩的高处。

第二模态所占总方差为26.01%, 是海滩剖面变化的次要模式。空间特征函数分别在4m、19m、27m、37m处出现节点, 代表着海滩剖面在这4个节点处发生了冲淤变化。由第二空间特征函数(图4c)可以看出: 研究区海滩后滨和潮间带发生侵蚀、滩肩和水下部分淤积; 在37m碎波带处泥沙摆动强烈, 分别在向海44m低潮线处和向岸32m高潮线附近达到两个最大峰值, 指示海滩在潮间带泥沙沿剖面的强烈地横向运动。空间特征函数反映出海滩处于滩肩及后滨侵蚀(节点位于20m附近), 而水下处于淤积并形成水下沙坝的特征。

从第二时间特征函数图(图4d)可以看出, 在曲线起点处存在一个大于0.4的峰值后曲线变化逐渐减弱并形成一个较小的峰值, 随后形成一个约为15d的周期。其中起点的峰值对应着朔望潮期, 随后潮差减小。周期对应着大、小潮汐的半月周期, 与时间特征函数相对应, 说明此模态指示了潮汐对海滩的地形变化的调制作用。海滩在风浪情况下, 泥沙会发生向海搬运, 造成海滩的侵蚀, 在台风“塔拉斯”登陆(7月16日)前后, 潮位上升, 高潮位时, 侵蚀型风浪可以到达向岸更远处引起了泥沙的运动, 造成后滨侵蚀。此时, 时间函数振幅变化最大, 也进一步反映了该模态是潮汐调制下风浪对海滩的侵蚀过程。

第三模态总方差贡献为13.36%, 空间特征函数分别在13m、15m、21m、29m、37m、43m处出现节点(图4e), 海滩滩肩前缘、高潮带、低潮带处向海向陆部分都发生了泥沙的运动, 具体滩肩和潮间带均侵蚀, 碎波带向岸处和水下部分之间形成淤积–侵蚀–淤积特征。

从第三时间特征函数(图4f)可以看到, 变化曲线有明显的峰值, 峰值对应着2017年7月16日的台风“塔拉斯”和7月22日的“桑卡”的形成, 说明第三模态海滩地形变化主要是由台风引起的波能强度增加引起的。对比4个空间特征函数, 只有第三空间特征函数在滩肩前缘以外的13m和15m处出现了节点, 这是由于台风期间引起的海面增水, 波浪动力增强, 波浪越过滩肩, 使得滩肩前缘以外的向岸更远处发生泥沙的搬运, 后滨遭到破坏。由于两次台风均从海南岛南部穿过且台风强度等级较小, 导致时间特征函数峰值并不是太大, 但空间特征函数所对应的滩肩前缘、高潮带、低潮带海滩都发生了强烈的变化。台风过后, 动力情况逐渐平稳, 与时间特征函数曲线较好的吻合。

第四模态虽然仅占7.73%, 分别在16m、37m、45m处出现节点, 海滩在后滨、碎波带、低潮位处地形发生剖面形态变化。虽然总方差贡献率比较小, 但时间特征函数存在规律值得进行进一步分析探讨。从空间特征函数(图4g)可以看出, 在平均低潮线、碎波带、滩肩处附近存在泥沙运动。从7月14日、7月18日、7月30日实测的海滩三维地貌图可以看出地貌小的变化有滩肩的迁移、水下地形的转变、后滨的变化等。时间函数上表现出日变化的特征(图4h)。因此, 该模态推断为海滩特征地形的日内动态调整模态(图6)。

图6 7月14日(a)、7月18日(b)和7月30日(c)实测海滩三维地貌图

3.2 沉积物特征与动态

沉积物粒度分析是海洋沉积环境研究最基本的手段之一(黎树式等, 2017), 沉积物粒度参数也蕴含了丰富的沉积运移、沉积环境、沉积动力条件等方面的信息, 是反映沉积物物质来源及水动力条件的敏感性指标。对样品进行分析计算得到表层沉积物的特征参数见表2。

表2 台风“塔拉斯”前后研究区海滩沉积物特征空间分布表

注：z: 平均粒径;σ: 分选系数;S: 偏态;K: 峰态系数

“塔拉斯”台风前, 研究区海滩平均粒径(z)介于1.80~2.45(=log2,为泥沙粒径, 单位: mm), 平均值为2.19, 细砂含量达到78.46% (表2)。整个滩面泥沙存在分异性, 分别表现为潮上带和潮间带为细砂, 潮下带为中砂, 自陆向海方向沉积物粒度逐渐变粗, 这与波浪作用有关, 其中以潮下带最强, 沉积物明显粗化, 为中砂粒径, 向岸随着波浪动力减弱粒径变细, 形成与岸平行的中砂和细砂分布带。分选系数σ整体处在中等水平, 变化范围在0.45~0.91之间, 具体表现为潮上带沉积物分选好, 潮间带和潮下带分选中等, 且由岸向海沉积物分选系数逐渐增加, 分选逐渐变差。海口湾海滩潮上带为极负偏(–2.31), 潮间带和潮下带表现为负偏; 峰态系数K平均值为6.48, 粒度分布尖锐度比较窄。

从海滩沉积物粒度参数变化曲线可以看出, 在台风强度较弱(热带风暴级)情况下, 4个粒度参数均在台风“塔拉斯”作用期间出现明显的变化(图7)。台风期间的高能环境, 对沉积物扰动和搬运, 使沉积物组分在剖面上发生改变。台风“塔拉斯”作用后, 泥沙平均粒径(z)介于1.38~1.98, 中砂含量占37.36%, 海滩表层沉积物整体变粗。潮上带和潮间带分选变化截然不同: 潮上带和潮间带分选变差, 潮下带分选变好(表2)。这主要是因为台风的到来使潮下带区域成为泥沙交互作用最为明显的区域, 由于汇集了来自后滨、外海近岸区以及自身的泥沙, 其粒度组合集合了更多种泥沙类型, 因此表现为分选性变差。相反, 潮间带和潮上带区域在强风浪与高潮位的作用下, 原有的泥沙被充分搅动, 表层泥沙被重新进行分选, 粒度特征较为相似的泥沙更容易落淤在一起, 从而整体表现为粒度分选变好。同时, 台风的高能动力使得滩面沉积物负偏程度减弱, 呈现出更宽的峰态。

图7 沉积物粒度参数变化 Φ=log2d, d为泥沙粒径(单位: mm)

4 讨论

4.1 海口湾中间岸段海滩月尺度内地形变化及控制因素

本文研究了海口湾海滩33d内海滩剖面时空变化。海滩剖面的变化是研究区的波浪、潮汐动力环境和台风“塔拉斯”及“桑卡”共同作用的结果。结果表明, 波浪、潮汐作用贡献了海滩地形月尺度下动态变化的主要驱动力, 这是由研究区所处位置的动力环境和台风情况(数量、强度, 气旋方向等)所决定的。假日海滩处在海口湾西侧, 主要为NE向风浪以及涌浪入射的岸线, 且处在流场中强流区位置, 波浪动力要素较强, 波浪动力变化显著(图2), 岸滩受到较强的冲刷作用; 观测期间月周期内最大潮差2m以上, 最小潮差0.5m左右, 潮位影响明显。强流和潮差是贡献岸滩短期时空变化两个主要模态的决定性条件。其中, 2017年7月16日和7月22日台风“塔拉斯”和7月23日的“桑卡”先后从海南南部过境, 研究区域处于台风影响的7级风圈边缘, 风力有限, 同时影响时间较短, 对海滩剖面变化的影响有限(仅贡献了方差的13.36%), 远不及代表涌浪作用和风浪作用的第一、二模态所占比重。因此, 观测期间月尺度内海口湾中间岸段海滩形态变化受波浪和潮位的共同作用。其中, 文中针对风浪和涌浪对海滩短期变化的贡献, 主要根据观测期间风浪和涌浪的明显不同特征判别。由于客观原因, 没有获取具体的风浪和涌浪数据, 这是文章的不足之处, 今后对海滩的短期时空变化还需要进行更详尽的观测和研究。

海口湾海滩剖面变化受地形地貌因素的影响。海口湾位于琼州海峡南侧的中间位置, 受到北边雷州半岛及东侧海口湾岬角地形的控制。同时湾口附近南海明珠人工岛占地约4.6km2, 距离研究岸段向海方向不到3km, 导致研究区海滩所处环境较为遮蔽。外海由琼州海峡东侧传入的波浪受到铺前湾和海口湾东侧大型岬角的控制, 波浪强度有所削弱, 到达海口湾波浪强度已经比较小, 以周期较长的波浪为主。受地形遮蔽的海滩在地形控制作用下, 海滩过程与开敞型或半开敞型有显著的不同(Eliot et al, 1986; Shenoi et al, 1987; Hegge et al, 1996; Burvingt 等, 2017)。例如Eliot等(1986)观测发现, 在强度较小的风暴作用下, 海滩滩面可以表现出稳定的淤积特征。Burvingt等(2017)发现遮蔽型海滩尽管沿岸输沙较大, 但海滩净变化量很小。本文对海口湾海滩的观测呈现出相似的结果。

4.2 海口湾中间岸段海滩月尺度内沉积动态分析

在33d的观测期间内, 海口湾海滩沉积物平均粒径在细砂范围内变化。其中, 在台风“塔拉斯”经过期间(7月16号左右), 平均粒径变化存在一段参数急剧变小(粒度变粗)的阶段(图7), 然后折线缓慢上升, 平均粒径逐渐变细。分选系数变化曲线和平均粒径变化相反, 在台风作用期间折线急剧变大(分选变差), 然后慢慢恢复, 变化过程对应台风影响时间。说明台风期间海洋环境动力加强, 滩面较细颗粒泥沙被风浪带离滩面, 向深水区运移, 较粗的泥沙留存在滩面上。台风过后, 海洋动力环境平稳, 海滩沉积物在波浪作用下逐渐恢复到原来状态。从前面的分析结果来看, 虽然地形变化不大, 但沉积物的平均粒径和分选呈现了良好的协变性关系。剖面地形的变化归根结底是沉积物的运移造成的, 海滩净变化量很小, 但沉积物变化显著, 说明沉积物发生了迁移交换。从沉积物粒度参数变化过程可以大致看出海滩经历极端动力后的恢复情况, 因此其变化有可能作为衡量海滩变化的一个指标, 但具体的变化情况还要深入研究。

海滩变化受到波浪、潮汐和沉积物特征等共同作用, 是一个复杂的系统行为, 各因素相互影响又具有一定独立性。很多研究仅就地形变化进行EOF分析, 得到海滩的变化模态, 其信息是有限的。分析海滩的时空变化, 一定要从剖面形态、沉积物、动力因素全面考察。

5 结论

利用在海口湾海滩连续33d (包含2次台风过程)连续观测采样获得的数据, 采用EOF分析方法和沉积物粒度参数分析, 研究了该海滩的月内变化特征, 得到以下结论:

1) 海口湾海滩剖面时空变化呈现4种主要模态, 分别对应为涌浪作用下的海滩剖面堆积过程、当地风场作用下风浪的侵蚀过程、台风作用过程和滩面特征地形的调整过程。涌浪和风浪对海滩剖面的作用受到了潮位的调制影响。

2) 海口湾海滩地形变化受到地质背景的影响。铺前湾和海口湾东侧大型岬角的影响和“南海明珠人工岛”的遮蔽效应对研究区海滩动力环境产生了显著的影响。

3) 海滩剖面变化受到波浪、潮汐和沉积物特征等共同作用, 仅对地形变化进行分析, 得到海滩的变化信息是有限的。海滩演变过程中, 海滩表层沉积物平均粒径和分选呈现明显协变性, 可以提供更多的海滩变化信息。

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ROSEN P S, 1978. Beach processes and sedimentation[J]. The Journal of Geology, 86(1): 155.

SHENOI S S C, MURTY C S, VEERAYYA M, 1987. Monsoon-induced seasonal variability of sheltered versus exposed beaches along the west coast of India[J]. Marine Geology, 76: 117–130.

Analysis of short-term temporal and spatial changes and sedimentary dynamics at the middle section of Haikou Bay Beach*

ZHU Shibing, HU Danni, ZHANG Huiling, ZENG Chunhua, LI Zhehua, LI Zhiqiang

College of Electronic and Information Engineering, College of Ocean Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China

Beach evolution is an important topic in beach morphodynamic research. Based on beach profile data and surface sediment data observed for consecutive 33 days at the middle section of Haikou Bay Beach, characteristics of beach profile changes and sediment dynamics were analyzed. The empirical orthogonal function (EOF) analysis results showed that the profile variation contains four modes during the observation period, which corresponded to the beach construction process by swells, the beach erosion process by seas induced by local wind, the erosion process by typhoons, and the adjustment of characteristic topography, respectively. Influences of swells and seas on the beach profile were modulated by tide level. The analysis of beach profile variation and the geological background showed that Haikou Bay Beach has the characteristics of sheltered beach. Results also showed that grain size parameters of sediment were sensitive to beach changes, and can provide more abundant information on beach evolution.

beach profile; temporal and spatial variation; empirical orthogonal function; sediment; typhoon

date: 2018-11-14;

date: 2019-03-24.

National Natural Science Foundation of China (41676079); Project of Enhancing School with Innovation of Guangdong Ocean University (Q18307)

LI Zhiqiang. E-mail: qiangzl1974@163.com

P737.13

A

1009-5470(2019)05-0077-09

10.11978/2018120

http://www.jto.ac.cn

2018-11-14;

2019-03-24。

殷波编辑

国家自然科学基金(41676079); 广东海洋大学创新强校工程项目(Q18307)

朱士兵(1992— ), 男, 河南省商丘市人, 硕士研究生, 研究方向为海岸资源与环境。E-mail: 26585759@qq.com

李志强(1974— ), 教授, 博士, 研究方向为海滩过程、海岸工程环境。E-mail: qiangzl1974@163.com

*审稿专家对本文的完善提出了宝贵的意见，特此致谢。

Editor: YIN Bo