广西北海银滩侵蚀动力研究

刘涛，王增军，张建兵

( 1. 广西大学 海洋学院，广西 南宁 530004；2. 北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；3. 国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西 北海 536000)

1 引言

由于全球变暖引发的气候变化、海平面上升以及人类活动的影响，海岸侵蚀在全球范围内已经成为普遍现象[1-3]，位于砂质海岸的海滩具有重要的经济价值，海滩侵蚀的动力机制和防治措施一直是海岸带研究的热点问题之一。银滩是位于广西北海市南部海岸的一处著名旅游海滩，系全新世海侵以来沉积的沙坝型海滩[4]，以砂质纯白、滩面宽阔而闻名，属于典型的耗散型海滩[5]，近年来。银滩也出现了诸如岸线后退、宽度变窄、滩面沉积物粗化等侵蚀迹象[6-7]，许多学者关于银滩的波浪特征[8]、海滩动力环境[9]，以及台风造成的滩面侵蚀特征[10]进行了研究，为我们理解银滩的地貌及动力特征打下了基础，但是现在仍然缺乏关于银滩的区域地形地貌、滩面高程长期动态变化以及水文过程的研究，这就限制了我们深入研究银滩的地貌动力和侵蚀机制。有鉴于此，本文研究针对银滩海水浴场，调查和分析了滩面高程、坡度和剖面形态的区域变化特征，基于历史数据计算了1985年以来平均海平面位置线的后退距离，并结合当地海平面上升、气候变化和人类活动特征分析了造成银滩侵蚀的主要原因。此外，通过调查2016-2018年间滩面高程动态变化，以及两次台风期间的水位过程和波浪特征，分析了台风期间水文特征与海滩侵蚀的关系，进而探讨了最有可能造成银滩侵蚀的台风路径。

2 研究区与方法

银滩位于广西北海市南部海岸，西北偏西走向，岸线总长度约5 km，沉积物以细沙为主。本文研究所涉及的区域为银滩海水浴场岸段，西边界为电建村渔港突堤，东边界为咸田渔港码头，岸线总长度约2.5 km（图1）。该区域潮汐以全日潮为主，平均潮差为2.5 m，最大潮差为5.3 m，属于强潮海岸。夏季盛行偏南向混合浪，平均波高为0.9 m，其中涌浪频率约为30%，冬季盛行东北向风浪，平均波高为0.8 m，台风期间记录的最大波高为4.8 m[11-12]。

2016年8月至2018年10月，使用GPS-RTK设备，对于研究区内的3个固定海滩断面进行了重复观测，观测的平面误差小于0.05 m，高程误差小于0.03 m。于2018年12月12日对银滩海水浴场进行了1∶1 000的地形测量，并绘制滩面等高线图。为了分析近年来的滩面侵蚀后退距离，利用该区域1985年的历史地形图，利用控制点进行了矢量化后的坐标转换，将其坐标系转化为CGCS2000坐标系，以便与当前测量结果进行对比。

本文研究所涉及的台风期间银滩岸外水位和波浪特征的数据来源于国家海洋局北海海洋环境监测中心站，潮位数据观测使用的是自动记录仪，潮位数据在本文中被转化为国家1985高程数据，增水数据由实测数据减去预报数据得到。波高、波向数据则由银滩观察哨利用多功能望眼镜，分别在每日8:00、11:00、14:00、17:00进行观测得到。

图 1 银滩的地理位置及研究区域Fig. 1 Location of the Yintan Beach and study area

图 2 滩面高程等值线（a）及不同时期的平均海平面位置线（b）Fig. 2 The contour of beach surface elevation (a), and the distance of mean sea level position withdrawing (b)

3 结果

3.1 滩面高程、坡度及侵蚀后退距离特征

对银滩海水浴场的滩面高程测量表明，海滩后缘高程一般超过4 m，略高于当地最大高潮位（图2a）。除位于中部的少数海滩断面（c1-c2）之外，大部分区域已经不存在滩肩地貌（图3）。在3 m高程以下，海滩高程断面的形态大致呈上凸状，即高程愈大坡度越小。将当前的高程测量结果与1985年的历史数据对比，结果表明自1985年以来，研究区内的平均海平面位置后退了0～80 m（图2b）。与1985年相比，当前的平均海平面位置线更加平直，表明1985年以来的海滩侵蚀优先发生在等高线向海突出的岸段，海滩侵蚀导致海滩各处的地形有均一化趋势。除去海滩两侧靠近突堤的区域，平均海平面附近（高程0～1 m）的滩面坡度在0.02～0.025之间，在空间上变化不大；在平均高潮线附近（高程1～2 m），滩面坡度则变化较大，为0.008～0.023（图4）。值得注意的是：在平均高潮线附近，各处滩面坡度与滩面后退距离有明显的负相关关系（R2=0.71），即后退距离越大，则滩面坡度越小。这表明在海滩上部，滩面下蚀深度有随着高程增大而增加的趋势。

图 3 银滩典型海滩剖面形态Fig. 3 The elevation of typical transects in the Yintan Beach

图 4 滩面坡度空间变化（a）及海滩上部（高程1～2 m）滩面坡度与侵蚀后退距离的关系（b）Fig. 4 The spatial change of beach surface slope (a), and the relation between beach slope and withdrawing distance of mean sea level position (b)

3.2 滩面高程动态变化

2016年8-12月，3个固定观测断面YT1、YT2和YT3的滩面高程的变化很小，最大不超过10 cm（图5），期间有一次台风影响广西沿岸，即1621号台风“莎莉嘉”，该台风在菲律宾以东洋面上生成，横穿海南岛，进入北部湾后中心风速为30 m/s，10月19日14时在广西东兴登陆后风速迅速衰减，在中越边境地区消失。台风期间银滩最高水位为2.3 m，最大增水值60 cm，岸外有效波高为1.2～1.3 m（图6）。考虑到登陆时间为10月份，此时夏季风已经衰弱，而冬季风还没有爆发，广西沿岸的波浪能量较为微弱，应该不存在侵蚀滩面快速回淤的可能，12月的海滩滩面高程与8月相比变化很小，表明1 621号台风没有对银滩造成显著侵蚀。

2017年影响广西沿岸的台风有1次，即1713号台风“天鸽”，该台风在西北太平洋生成，于2017年8月23日12时在广东珠海市登陆，然后西偏北方向而行，横穿广西南部，期间台风中心风速约20 m/s。当台风中心在银滩东北向时，当地风向为北偏西，引起海岸减水，最大可达100 cm，随着台风中心西移，当地风向转为西偏南，开始引起海岸增水，最大值约为40 cm。此次台风期间银滩最高水位为2.4 m，最高水位前后岸外有效波高为0.7 m。虽然缺乏2017年的滩面高程数据，但是考虑到1713号台风期间的最高水位与1621号台风期间相当，而有效波高低于1621号台风，可以判定1713号台风也不会造成银滩侵蚀。

2018年4月，银滩滩面较2016年12月有明显侵蚀，在平均高潮线以上滩面侵蚀深度为20～30 cm，在平均高潮线以下则出现滩脊与滩槽地貌，下蚀深度最大可达60 cm。2017年11月初的卫星图像表明当时滩面尚未出现滩脊地貌（图7），2018年4月的滩面侵蚀应为春季东南向风浪或冬季的东北向风浪所致，此类风浪周期较短，如果叠加天文大潮，则可能入射海滩上部造成滩面侵蚀。实际上，由于冬、春季节风浪的侵蚀作用，春季银滩滩面经常出现这种脊槽相间的地貌（图7），在2018年10月，滩面脊槽地貌已经完全消失，滩面高程也恢复到了2016年时的水平，表明夏季西南涌浪导致的滩面回淤可以恢复冬、春季节的滩面侵蚀。

图 5 2016-2018年银滩典型滩面高程变化Fig. 5 The variation of typical beach surface elevation in the Yintan Beach from 2016 to 2018

图 6 台风“莎莉嘉”期间银滩岸外水位过程及波浪特征Fig. 6 The variation of offshore water depth and wave height during Typhoon Sarika in the Yintan Beach

图 7 卫星图像（来源于Google Earth）反映的银滩海水浴场滩面地貌特征Fig. 7 The morphology of the Yintan Beach surface in satellite images (from Google Earth)

4 讨论

4.1 银滩侵蚀动力分析

1985年以来，银滩海水浴场区域平均海平面位置线的最大后退距离可达80 m，同时期当地海平面上升平均速率约为2 mm/a[13]，考虑当前平均海平面附近的滩面坡度为0.02～0.024，可估算海平面上升导致的滩面后退距离不超过3 m，可见海平面上升因素对于当前的银滩侵蚀贡献很小。此外，由于银滩为当地著名的旅游景点，当地较为注重保护，也不存在大规模挖沙导致海滩侵蚀的可能性。

近年来银滩等高线有更加平直的趋势，且当前海滩剖面中普遍缺失滩肩地貌，这是强浪侵蚀海滩的典型特征，因为波浪折射效应会导致向海突出地形首先被侵蚀，并可在高水位时侵蚀滩肩。本文研究证实，虽然冬、春季节的东北向或东南向风浪可能会造成滩面侵蚀，但是此类侵蚀的程度较弱，随后的夏季西南向涌浪即可使得滩面高程完全恢复。2003年以来广西沿岸的风暴潮出现频率较以往增加应该是银滩侵蚀的直接原因[14]，风暴潮期间海滩水位很高，强浪可以入射海滩上部，从而造成强烈侵蚀，由于风暴潮频率高，风暴潮造成的滩面侵蚀量超过夏季回淤量，导致银滩开始进入侵蚀状态。

海岸建筑可能会阻断海岸泥沙的沿岸输运，从而导致下游海滩侵蚀。银滩海水浴场两侧都存在向海突出的堤坝或码头，内部也有一个侵入海滩的观景平台，观察其滩面高程特征，可发现银滩海水浴场西侧等高线整体上较东侧更为向海突出（图2a）；观景平台西侧滩面侵蚀较东侧显然更为严重（图2b）。这表明该区域存在自西向东的沿岸净输沙，银滩海水浴场东侧的渔港码头显然会阻断银滩海浴场以东的沿岸来沙，从而加剧了银滩海水浴场侵蚀。

4.2 侵蚀导致的海滩剖面演化趋势

如前所述，在平均海平面附近，滩面坡度在空间上变化不大，在平均高潮线附近，滩面坡度则与滩面侵蚀后退距离呈现负相关关系，这意味着海滩上部侵蚀程度越强则滩面坡度越小，滩面回淤量随着高程增加而减少可能是造成这一现象的主要原因。在强潮海滩，海滩的上部和下部的淹没频率相差很大，海滩下部由于淹没频率高，滩面回淤量较大，且滩面坡度主要取决于盛行波浪特征和沉积物粒径，故而侵蚀前后的滩面坡度变化不大。在海滩上部，由于滩面淹没频率随高程增加而减小，滩面回淤量也逐渐减小，随着海滩侵蚀加剧，海滩下部坡度变化不大，而海滩上部坡度则逐渐变小，从而导致海滩剖面形态由直线状逐渐向上凸状转化（图8）。

4.3 可能造成银滩侵蚀的台风路径

全球范围内的大量研究表明，高水位是风暴事件造成强烈海岸侵蚀的最重要条件[15-20]。如1621号台风和1713号台风期间，银滩最高水位仅为2.3 m，略高于当地平均高潮位，岸外平均波高为1.3 m和0.7 m，波浪在传入海滩中上部之前即已破碎，难以造成海滩上部的滩面侵蚀。2014年登陆广西沿岸的1409号超强台风“威马逊”，由于适逢小潮，台风期间水位较低，也没有导致银滩滩面的显著侵蚀[10]。对于一些海岸，台风路径对于海岸增水和波浪强度有很大影响[21-22]。影响广西沿岸的台风一般发源于西太平洋[23]，台风中心靠近研究区的路径可以分为3类（图9）：第一类台风自广东登陆后西行，台风中心横扫广西南部陆地区域，1713号台风属于此类；第二类自海南北部或雷州半岛登陆后，台风中心进入广西沿岸海域，在广西沿岸或中越边境登陆；第三类台风在进入北部湾后北行，在广西沿岸登陆。第一类台风登陆后因能量衰减导致风速迅速降低，难以在广西沿岸引起强烈的增水和波浪，不可能造成强烈的海滩侵蚀。而第二类台风，由于台风中心进入北部湾之后能量耗散很小，台风中心又接近广西沿岸，向岸风可以导致显著的海岸增水和强浪[24]，如果遇到天文大潮，则容易引发风暴潮，并造成强烈海滩侵蚀。第三类台风和第二类台风类似，也有可能造成强烈的海滩侵蚀，但是此类台风出现的几率较低。总而言之，第二类路径台风最有可能造成银滩侵蚀，为了预测银滩今后的侵蚀趋势，今后需加强此类台风期间银滩水文特征和滩面侵蚀特征的研究。

图 8 侵蚀导致的银滩海滩剖面形态演化示意图Fig. 8 The evolution of the Yintan Beach transect shape caused by erosion

图 9 中心靠近广西沿岸的主要台风路径类型示意图Fig. 9 Three types of typhoon center tracks passed by Guangxi coast

5 结论

（1）1985年以来，海滩侵蚀导致银滩滩面后退了约80 m，当前的海滩剖面中普遍缺失滩肩地貌，在海滩上部，海滩剖面形态呈上凸状，且滩面坡度与滩面后退距离之间呈负相关关系，这是由于在侵蚀过程中，强潮海滩上部的回淤量远低于海滩下部所导致的。

（2）冬、春季的风浪叠加高水位可以造成一定程度的滩面侵蚀，但是这种侵蚀可以被夏季西南向涌浪所导致的回淤所恢复。大风暴潮期间的强浪入射海滩上部可以造成难以恢复的滩面下蚀，发源于西太平洋，经海南岛北部或雷州半岛进入北部湾的台风最有可能引发大风暴潮，从而造成强烈的海滩侵蚀事件。2003年以来此类台风重现频率增加可能是导致银滩进入侵蚀状态的主要原因。银滩东侧的渔港码头阻断了自东向西的沿岸泥沙输运路径，也是加剧银滩侵蚀的原因之一。