威海国际海水浴场裂流调查与区划研究*

于华明， 张鲲鹏， 李松霖， 褚芹芹

(1.中国海洋大学海洋与大气学院， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学三亚海洋研究院， 海南 三亚 572024；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 山东 青岛 266237； 4.国家海洋局秦皇岛海洋环境监测中心站，河北 秦皇岛 066002)

裂流(Rip current)，又称离岸流，是在海浪和浅滩地形共同作用下形成辐射应力和压力差，海浪破碎后堆积至岸边的壅高水体穿过碎浪带，在岸边形成的一股射束式强劲水流，多以垂直或接近垂直于岸线的方向集中回流入海。裂流发生位置及特征往往因海浪、地形和岸线形状等因素变化而变化，通常出现在不平整浅滩沙槽上方水体，或向海突出的结构物、礁石两侧，实际的裂流发生常常伴随着顺时针和逆时针的环流系统，裂流示意图见图1[1]。裂流流速通常在0.3～0.5 m/s，极端情况瞬时流速超过2.0 m/s，长度在几十米至上百米之间。裂流区别于裂潮(Rip tide)和回头浪(Undertow)，裂流并不是涨急落急的急潮流，也不是在顺岸地形均匀平坦时海岸波浪反射造成的回头浪，回头浪顺岸更为均匀，造成的流速相对较小。

裂流可将游泳者迅速拖拽至深水，造成游泳者的恐慌而溺水，而其表面平静，具有迷惑性，是滨海游客潜在的危险“杀手”。据美国海洋与大气局统计，60%～87%的海滩溺亡事故与裂流有关。美国救生联盟估计80%的破波带救援与裂流有关，大约每年发生100起裂流溺亡事件[2]。在澳大利亚每时每刻有超过17 000个裂流发生[3]，89%的破波带海岸救援与裂流有关[4]，平均每年有21起裂流溺亡事件发生[5]，这超过了由于森林火灾、洪水、飓风和鲨鱼造成的死亡总和。虽然海洋学家和海滩安全管理者非常清楚裂流对游客的危害，但是海滩游客对裂流的认识和了解却非常有限，科学家、海滩管理者和游客之间的信息沟通不畅是造成裂流溺亡事件频发的重要原因(见图2)。美国针对重点沿海、沿湖海滩开展了裂流风险排查，并树立裂流警示牌工作，每日发布裂流风险预警报服务，通过网站、问卷调查和拍摄科普视频等方式向公众宣传推广裂流避险知识。英国、澳大利亚、新西兰、日本、韩国、西班牙、丹麦等国家也在裂流的监测、预警和科普方面做了大量工作。

Shepard等[6]定性描述了裂流特征，发现裂流强度和延伸距离与入射波波高有关，指出裂流是近岸环流系统的一部分。Longuet-Higgins等[7]引入辐射应力为数值模拟裂流打下基础。Bowen等[8-9]发现沿岸方向的压力梯度支流会从波高较大的地方流向波高较小的地方，在波高较小处汇聚形成向海方向的裂流，解释了码头、支柱、防波堤等处经常出现裂流的原因。Aagaard等[10]发现裂流最大速度出现在低潮，因为高潮时波浪传播通过沙坝时破碎较少，导致裂流较弱。

图1 裂流示意图Fig.1 Schematic diagram of rip current

图2 信息沟通不畅裂流造成溺亡示意图Fig.2 Schematic diagram of drowning caused by poor information communication about rip current

中国对于裂流研究起步较晚，最早的研究者是黄冠鑫[11]，1978年他基于理论分析破波带和辐射应力讨论裂流产生的原因，认为裂流发生的位置与破波带的宽度及垂直岸线方向的水深变化有关。此后20余年，国内有关裂流的研究几乎中断。王彦等[12]总结了国内外裂流研究进展，包括观测技术、理论机理、数值模拟等。李志强等[13]对三亚大东海裂流风险进行评估，认为该区域以沙坝型海滩为主，属高风险海滩，裂流是溺水事件最主要原因。孟凡昌等[14]总结了国内外裂流的研究成果，介绍了几个典型的经验预报方法。张尧、刘旭楠等[15]归纳了遥感影像分析、现场勘测、地形动力学概念化分析等裂流评价方法，总结了典型海滩裂流风险及安全警示现状，提出了裂流防范的发展方向。总体而言，目前我国海滩管理与裂流研究工作分离存在安全隐患，亟待进行裂流调查工作，提高人们海滩活动的安全性。

本文以威海国际海水浴场裂流分布为主要研究对象，通过水深地形测量、海浪海流观测、高空摄影等调查方式，分析裂流可能发生的危险区域，并进行空间区划，希望寻找一套简易有效的针对海水浴场的裂流调查方案。

1 数据与方法

1.1 水深地形数据

威海国际海水浴场及附近海域的水深在40 m以内，水深测量范围为大潮高潮线至0 m等深线向海侧500 m，顺岸方向约2 000 m，潮间带采用三维激光扫描方式获取地形高程数据，潮下带采用单波束测量水深，水深测量分布均匀，获得1∶1 000水深地形资料，平面测量分辨率约为3 m，统一到国家85高程基准。

1.2 海浪与海流观测

裂流的发生与海浪密切相关，裂流观测的同时需要进行海浪同步观测。由于裂流发生具有瞬时性、不确定性和快速性，本研究尝试进行大量GPS漂流浮标进行观测。在开阔海域设置波浪海流连续观测站1个，站位坐标为122°2′E，37°32′N，如图3红点所示，采用浪龙AWAC ADCP实现海流和海浪的同步观测，观测时间为2019-04-12～05-08。通过海浪观测数据分析，可了解裂流的发生与局域海浪变化的关系，为掌握裂流发生规律提供依据。

为获取裂流信息，本文投放了30个微型GPS漂流浮标，在裂流区块布置GPS漂流浮标阵列，记录微型GPS漂流浮标运动轨迹，进而进行海流的精细化定量计算，其数据不仅可以对潮流进行分析，也可以随机搜索裂流，发现记录裂流位置。但是裂流发生时具有一定的危险性，尤其是在海浪较大的时候，所以布放微型GPS漂流浮标的时机和方法需要详细的计划。

1.3 分析评估方法

由于裂流发生及消失非常迅速，裂流的定量分析和评估存在一定困难，现阶段主要有：(1)通过水深地形分析划分出危险区域，裂流大都发生在沟槽或突出构筑物等地形不均匀区域，所以对精细化测量的地形进行分析是非常重要的。(2)采用高空摄影结合潮汐潮流和海浪连续观测，是分析识别裂流的有效方式。

现有的裂流研究表明：除礁石及建筑物引起的裂流外，裂流与海滩地形动力状态有密切的关联，通过对沙滩沙粒直径、潮差、有效波高、平均周期等指标参数的概念化计算，可对海滩附近水动力作用下的地形动力特性进行分析。潮浪参数及回落参数计算方式如下[11]：

(1)

(2)

(3)

W=(RgD2)/[C1v+(0.75C2RgD3)0.5]。

(4)

式中：D为沙粒直径；H为平均有效波高；T为周期；g为重力加速度，取9.81 m/s2；Hb为破碎波高；W为泥沙沉降速率；R为沉积物水下比重，按石英取为1.65；C1、C2为常数，C1=18、C2=1；v为运动粘滞，v=1.0×10-6kg·m-1·s-1。根据资料统计，沙粒直径D取为0.3 mm。

当Ω<2，RTR<3时，为完全反射型海滩类，3≤RTR≤7时，为有裂流的低潮台海滩类，裂流风险为中等，RTR>7时，为没有裂流的低潮台地海滩；当2≤Ω≤5，RTR<3时，为沙坝海滩类，3≤RTR≤7时，为低潮沙坝/裂流海滩类； 当5<Ω，RTR<3时，为沙坝消散型海滩类，3≤RTR时，为没有沙坝的消散海滩类。据研究表明，低潮沙坝/裂流海滩类与沙坝海滩类对海滩活动者的潜在威胁最大，是裂流风险最大的类型；沙坝消散型海滩类与有裂流的低潮台海滩类有可能出现裂流，风险等级为中等；其他类型极少出现裂流。

2 数据分析

2.1 水深地形数据分析

将水深等值线与卫星遥感影像叠加得到图3，可以看出威海国际海水浴场海滩较为狭长，理论低潮线距离85高程3 m标高的距离约为50 m，海滩坡度约为0.03，海滩整体来说较为平缓。-6 m以深水下地形变陡，-6 m水深以浅水下地形地貌复杂，水深分布不均匀，尤其是-5～-1 m之间，水深迅速变缓，该区域为波浪破碎区域。在-5～-3 m之间，存在明显的5个水深超过5 m的“坑”，位于沿岸沙坝之间。而-2 m等深线呈现出7个近似垂直于岸线的槽状通道，这可能是地形控制的裂流通道，属于海滩型裂流区。通过走访海水浴场管理人员得知，在裂流通道发生溺水年均约2人。一般游泳者会在-3～1.5 m的海滩进行游泳和玩耍，由于这些裂流通道水深在-2 m左右，即使是大潮低潮，水深也超过0.5 m，大潮高潮时水深超过3 m，如果发生裂流就非常危险。在海滩东侧有一栈桥深入海中，可能为边界型裂流区，该区域虽然禁止游泳，但是仍然有人为了捕捞海参或是游玩而违反规定遭遇危险。

(红点为波浪海流连续观测站位。Red point is the continuous observation station of wave and current.)

2.2 海浪及流速分析

在观测时段内，海浪观测的波浪玫瑰图如图4所示，根据海浪玫瑰图可发现，观测时段内海浪整体波高较小。经统计发现，该时段以小浪为主，只在极少数情况下出现1.25 m以上的波浪(见表1)。在观测期间，海水浴场常浪向为N向，频率为11%；次常浪向为NNW向，频率为10%。强浪向为NNW向，最大有效波高为1.6 m；次强浪向为N向和ENE向，最大有效波高均为1.3 m。

图4 海浪玫瑰图Fig.4 Wave rose

表1 海况等级统计Tabel 1 Wave level statistics

将海流观测结果进行调和分析，将海流分离为天文潮流和余流，分析海流的成分组成。如图5所示，部分时刻海流流速超过0.2 m/s，天文潮流流速在0.1 m/s以内，这表明海水浴场附近的海流具有较强的余流。整体来说威海国际海水浴场的海流较弱，在不发生裂流的情况下，一般不会出现危险性的强海流。调和分析得到的潮流椭圆长短轴及长轴倾斜角表明天文潮流主要流向为南北向，M2分潮占优。

(红线为天文潮流。 The red line is astronomical tidal current.)

根据海浪观测结果，取该时间序列内海浪平均周期和平均有效波高计算的回落参数为4.89，潮浪参数为2.73，威海国际海水浴场为沙坝海滩类，根据评估标准，该时间段内，海水浴场的裂流风险等级为最高级。

2.3 漂流浮标轨迹分析

本文投放的漂流浮标较多，而裂流具有偶发性，故挑选了靠近裂流通道的较明显漂流浮标轨迹进行分析，图3中红线标示了漂流浮标的轨迹，在可能的潮流通道出现了较明显的离岸流现象。在东侧栈桥外容易发生边界型裂流，投放在此处的漂流浮标表现出远离岸边的漂流轨迹。海中突出的边界型构筑物容易出现裂流，需加以警示。

2.4 基于高空摄影的裂流观测

本文在海浪较大的时段用无人机对威海国际海水浴场裂流进行高空摄影观测，直观的对水下沙丘、低潮台地、裂流通道、海浪破碎带等进行拍照。威海国际海水浴场由于海浪、潮汐潮流及沙滩底质等综合原因，造成游泳海域出现沙丘与沟槽相间分布的水下地形特征，如图6所示，涨潮后水下沟渠纵横，低潮时刻的高空摄影显示沙丘台地出露，该海域平均潮差约为1.35 m，最大潮差超过2.5 m，在北向海浪较大的情况下，存在裂流发生的条件。图7黑圈清晰显示出海浪与地形的相互作用出现的裂流迹象，如果涨潮之后，北向海浪增强，裂流似乎不可避免。

3 裂流区划分析与建议

威海国际海水浴场水下地形较复杂，离岸约200 m范围存在5个潮沟结构，中浪大浪期间波浪在此处开始破碎，为波浪破碎带，由黑色点划线所围区为潮沟危险区。该区域水深超过3.5 m，低潮时水深也在2 m以深，存在潮流的往复，如果有北风作用此处波高较高，应列为休闲滨海游客的禁游区。

图6 低潮北向浪时的高空摄影图Fig.6 Aerial photograph of low tide with north wave

从1 m等深线至-3 m等深线之间，岸滩较缓，但是水下等深线不平直，存在大小水下沙丘7处， 沙丘两侧存在明显的裂流沟槽通道。图8由黄色虚线(A、B、C、D、E、F、G)所围区为岸滩型裂流危险区，尤其是水深在-1.5～-2.5 m之间，由观测可知，在偏北风造成的海浪或外海传播来的涌浪作用下，极易造成裂流，各裂流区块发生裂流的平均流速在0.5～1 m/s之间，在较为开阔的C、E区块短时流速甚至可以高达1 m/s以上，故此处在北向浪较大时应予以隔离。

图7 高空摄影显示的裂流Fig.7 Rip current shown by aerial photograph

(红色点划线区为潮沟危险区；黄色虚线为岸滩型裂流危险区；红色实线区为边界型裂流危险区。 The red dot marking area is the dangerous area of tidal channel.The yellow dotted line is the dangerous area of sandy beach type rip current. The red solid line area is the dangerous area of boundary type rip current.)

红色实线(H)区存在人工构筑物，海蚀岩石地貌，为边界型裂流危险区，该区域水下地形复杂，水深较深，主要为较大的石块底质，风浪较大时极易发生裂流，在偏北风造成的海浪或外海传播来的涌浪作用下，最大流速可达1.2 m/s，危险性大，应列为休闲滨海游客的禁游区。

基于以上数据分析与裂流区划分析结果，本文提出如下建议。

(1)划分安全区域，调整危险区域的功能用途

根据裂流分析与区划进行浴场海域区划与功能调整，边界型裂流危险区应禁止游客进入，岸滩型裂流危险区应禁止游客游泳，但为了增加趣味性，可设置隔离通道，增加海上娱乐项目，如游艇项目，沟槽区可作为游艇通道，并辅以安全网保证游客安全。在水深3 m的潮沟危险区设置防鲨网，禁止滨海休闲游客进入到更深的危险区游泳。潮沟危险区以南不存在岸滩型裂流危险区的海域可划为游泳安全区，开放游泳活动。增设裂流区标识与标语，并设立标志桩，对危险区域进行标识划分。

(2)加强监测、预报、瞭望和广播

裂流的发生跟海浪的传播方向和大小具有密切的关系，海水浴场管理部门应及时接收海洋预报信息或专门购买裂流监测和精细化预报服务，建立裂流预警机制。设置瞭望塔，增加高空自动监测设备，及时识别发现裂流，及时发现溺水者。海水浴场管理人员及时告知广大游客海水浴场情况，在有阵风或者海浪过大时，及时广播，停止游泳活动，关闭浴场。

(3)加大裂流宣传力度

在海水浴场适宜的区域设置裂流宣传栏，进行裂流知识和应对措施的宣传。海水浴场管理部门加强对游客的安全宣传工作，加大公众科普教育力度，使游客理解裂流的危险性，远离危险，在碰到裂流时知道如何应对。

4 结语

本文以一个具体的海水浴场为研究对象，通过水深地形测量、海浪海流定点连续观测、微型漂流浮标观测及高空摄影等多种观测方式相结合，尝试采用可行且易于实现的方法对裂流区进行识别，并进行威海国际海水浴场裂流区划，给出安全管理建议。主要结论有：威海国际海水浴场水下地形较为复杂，离岸200 m范围内存在5个沙丘-沟槽结构，沟槽和东侧栈桥前沿是裂流危险区，分属海滩型裂流危险区和边界型裂流危险区，裂流流速在0.5～1 m/s之间，观测期间裂流平均风险等级为中等，在裂流危险区进行必要的隔离，加强裂流监测和预报，进行大力宣传，加强有效管理是保障浴场安全的重要措施。