北海银滩响应台风作用的动力地貌过程

喜扬洋 , 王日明, 冯炳斌, 陈波

1. 广西科学院广西北部湾海洋研究中心, 广西近海海洋环境科学重点实验室, 广西 南宁 530007;

2. 北部湾大学, 广西北部湾海岸科学与工程实验室/钦州市环境生态修复重点实验室, 广西 钦州 535011;

3. 南宁师范大学, 北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室, 广西 南宁 530000;

4. 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062

近年来全球变暖导致气候变化加剧和海平面上升(Meehl et al, 2005; Nicholls et al, 2010), 世界沿海绝大部分海岸发生岸线后退及滩面下蚀现象(吉学宽 等, 2019; Athanasiou et al, 2020; Vousdoukas et al, 2020), 对滨海生态环境及经济发展已产生不可忽视的影响。其中, 作为海岸主要极端高能事件之一的台风, 其对海滩造成的侵蚀后退过程及影响备受国内外学者关注(Cai et al, 2009; Gervais et al, 2012; 黎树式 等, 2017; Shimozono et al, 2020; Valentín et al, 2020)。然而, 海滩地貌对台风作用的响应关系复杂且结果多样。如蔡锋等(2004)的研究表明, 台风气旋前进方向右侧的海滩受风暴浪冲击发生剧烈变化, 而左侧海滩地形基本保持原状; 西北佛罗里达州大堡礁海岸在飓风“伊万”影响下发生岸线后退、下凹及沙坝消失等(Wang et al, 2006); Stockdon 等(2007)发现风暴会对海滩滩肩和滨后沙丘产生较强的侵蚀作用, 然而台风亦可能会导致海滩局部出现淤积(Ge et al, 2017)。显然, 台风强弱、路径和地理位置的差异性都将导致海滩地貌产生不同的变化(陈子燊, 1995; Short, 1996; 戴志军 等, 2008; Harley et al, 2017)。因此, 应当在借鉴他人研究结果的基础上, 独立分析区域海滩对台风的响应, 并考虑更多因素, 不能放大单个台风的作用(Coco et al, 2014)。

根据Short(1996)的研究, 将海滩分为弱潮型海滩(平均大潮潮位小于2m)与强潮型海滩(平均大潮潮位大于4m)。以弱潮型海滩为例, 其滩面起伏并发育有多个沙坝, 相继的台风作用可导致弱潮型海滩发生复杂的侵蚀现象, 沙坝体系发生明显的移动, 甚至消亡等(龚昊 等, 2017); 对于强潮型海滩, 其滩面平缓, 后滨发育有沙丘或滩肩, 在台风作用下, 后滨沙丘、滩肩和高潮位带滩面均会遭受强烈侵蚀(雷刚 等, 2005)。然而, 广西北部湾的海滩多属于中等潮差性质, 兼具强潮型海滩光滑平坦的高潮位带滩面与后滨沙丘和弱潮型海滩丰富的水下沙坝系统(Ge et al, 2017), 其动力地貌过程对台风的响应具有重要的科学价值, 尤其是北海银滩(黄鹄 等, 2011; 黄祖明 等, 2021)。

根据目前已有的报导, 影响银滩的台风主要有1409 号台风“威马逊”和1621 号台风“莎莉嘉”。其中, 台风“威马逊”作用前后, 海滩沙丘-滩肩-沙坝体系的地貌状态基本不变, 海滩局部发生侵蚀后退(黎树式 等, 2017); 而台风“莎莉嘉”则未对银滩造成明显的侵蚀(刘涛 等, 2020), 其冲淤幅度相对较小(黄祖明 等, 2021)。综上, 这两个台风均未对银滩造成显著的影响, 表明银滩后滨与前滨对台风的响应与强潮型海滩相似。然而, 银滩潮间带分布有大尺度的沙坝系统(Ge et al, 2017), 前人研究银滩响应台风的动力地貌过程均未提及潮间带沙坝的作用。基于此, 本文以北海银滩为例, 分析2020 年“浪卡”台风影响前后的潮间带沙坝剖面高程和沉积物变化, 探讨北海银滩响应台风的地貌变化, 尤其要揭示近岸沙坝在其间所起的作用, 以期为银滩的保护和开发提供理论依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

北部湾位于中国南海的西北部, 是中国西南最便捷的出海港湾, 沿岸海滩众多。根据文献报导(陈宪云 等, 2013; 陈波 等, 2017), 在1950—2010年期间, 广西沿海地区受台风影响共有 90 余次, 其中最严重的18 次台风直接在广西沿海登陆, 对区域海岸构成侵蚀和破坏风险。银滩位于广西的北海市银海区(图 1), 沉积物组分主要是细砂和极细砂(Ma et al, 2019)。1996—2010 年北海站的验潮资料统计表明, 银滩潮汐以全日潮为主, 多年平均潮差为2.46m, 平均大潮潮差为3.5m, 属于中等潮差海滩(Short, 1991)。本文以台风后相对平整的剖面为基础, 结合当地平均海平面高程(H)和波浪破碎特征, 将剖面分成5 部分(图2): 后滨(H＞2.31m)、前滨上(2.31m＞H＞1.15m)、前滨中(1.15m＞H＞0m)、前滨下(0m＞H＞-1.0m)和冲流带(-1.0m＞H＞-1.57m)。

1.2 数据收集与研究方法

台风“浪卡”于2020 年10 月11 日14 时在菲律宾的伊罗戈斯地区西北海域生成, 于10 月13 日19时20 分左右在海南省琼海市博鳌镇登陆, 至10 月15 日2 时消散。台风“浪卡”的路径如图1 所示, 根据中央气象台的台风实时预报和北海潮汐表, 台风7 级风圈影响银滩的时间范围约为13 日18 时至14 日9 时, 潮位介于最低潮涨初至最高潮期间, 潮情变化则是逐渐由中潮转为大潮。

在2020 年10 月13 日台风来临(7 级风圈)时和10月19 日台风过境后, 分别使用GPS-RTK 对研究区域的顺直岸段进行高程测量, 随后将高程数据修正至平均海平面, 同时采集对应剖面的表层沉积物。沉积物采集顺序自银滩后滨沙丘向海至涉水最深处, 剖面长度为200m, 采集间距10m, 共采集表层沉积物样品42个。沉积物样品在室内经酸洗干燥后, 利用粒度测量仪器(Camsizer X2)获取沉积物的粒级分布数据, 之后参考Folk 等(1957)提出的方法计算沉积物粒度参数, 并绘制剖面沉积物的中值粒径、分选系数、偏度和峰态曲线, 以及沉积物粒度累积概率曲线。

2 结果分析

2.1 台风前后剖面地貌变化

由图2 可以发现, 台风前剖面起伏特征明显, 后滨与前滨上之间发育有小型的沙丘与滩肩, 前滨上存在较浅的滩槽, 前滨中出现小型沙丘, 前滨下与冲流带之间发育大型沙坝。然而, 台风过后海滩剖面发生明显变化: 后滨出现侵蚀, 沙丘被抹平, 滩面趋于平整, 侵蚀高度约 0.09～0.57m; 前滨上原滩槽被填充, 淤积深度约 0.02～0.34m; 前滨中的小型沙坝被抚平, 侵蚀高度为 0.16～ 0.25m; 前滨下与冲流带间的大型沙坝被削平至消失。后滨至前滨下的坡度(不含大型沙坝)由2.06%变为2.16%, 坡度变化较小。

2.2 台风前后沉积物粒度参数变化

沉积物粒度四参数分别是中值粒径、分选系数、偏度和峰态, 中值粒径(Ф)可用粒级换算, 公式为Ф=-log2D, 其中D为粒级大小, 单位为mm。如图3 所示, 剖面沉积物的中值粒径、分选系数和偏度呈现自陆向海逐渐增大的趋势, 而峰态则相反。

其中, 中值粒径由2.6Φ 增大至3.2Φ, 即主要沉积物组分由细砂转变为极细砂; 分选系数逐渐变差, 数值由0.35 逐渐增大至0.65; 偏度均为负偏且逐渐变小, 表明沉积物越靠近海越往粗偏; 峰态逐渐变大, 表明粒径分布越来越尖。

按潮间带位置分析, 台风后后滨沉积物的中值粒径变化不大; 前滨上与前滨中发生局部增大的现象, 表明沉积物变细; 而前滨下则明显减小, 表示沉积物变粗; 冲流带沉积物的中值粒径出现交错变化的情况。与此同时, 对于分选系数、偏度和峰态, 后滨、前滨上和前滨中在台风前后的变化都极小; 至前滨下则发生剧烈变化, 其中分选变差, 偏度更趋向于负偏且更小, 峰态局部变大; 冲流带附近同样出现粒径上下波动分布的情形。

2.3 台风前后沉积物组分变化

将沉积物组分分成15 个等级进行分析, 结果表明沉积物组分中极细砂(3～4Φ)和细砂(2～3Φ)占主要部分(图4), 沿程二者之和占比超过90%; 中砂(1～2Φ)占次要部分, 占比约5%～10%; 其余组分如粗砂(0～1Φ)和粗粉砂(4～6Φ)等组分占比不超过1%, 因此本文中对这些占比极少的组分不作讨论。 整体上, 沉积物组分自陆向海具有较明显的规律: 细砂的质量百分数自陆向海逐渐递减, 从约 75%逐渐减少到约 35%; 极细砂的质量百分数则是自陆向海逐渐递增, 从约20%逐渐增加到约60%; 中砂的质量百分数沿程变化不大, 在5%上下波动且不超过10%。台风前后沿程沉积物组分变化亦呈现一定的特征: 低潮位带(前滨中、下)细砂占比增加了1%～16%, 极细砂占比减少了1%～22%, 中砂占比增加了1%～6%, 故沉积物变粗; 高潮位带(前滨上、中)则相反, 细砂占比减少了1%～13%, 极细砂占比增加了1%～18%, 中砂占比减少了1%～5%, 因而沉积物变细。

3 讨论

3.1 台风期间海滩剖面变化的主控因素

台风来临时恰逢银滩开始涨潮, 台风引起的大浪极易在前滨下的大型沙坝附近破碎, 导致泥沙松动并被冲散到前滨中、前滨下和冲流带等区间, 使得沙坝逐渐变矮、变平乃至消失(图2)。在涨潮过程中, 波浪作用区间迅速向岸推移, 松散的泥沙与碎屑容易被卷起并冲离沙坝顶部, 而较粗沉积物则保留在原地; 坝顶后的低洼区间为泥沙的沉降创造了有利条件, 因此被冲散的泥沙在此沉降, 导致坝顶后的沉积物颗粒变粗, 分选变差(图2、图3)。由于沙坝的阻挡作用, 冲流带的泥沙在复杂水动力环境下发生剧烈扰动, 冲流带部分区域的泥沙被翻起, 而剩余区域则随沙坝的变化产生沉积, 故而台风后冲流带的粒径参数发生剧烈振荡。

根据陈波等(2017)的研究, 北部湾台风增水持续时间一般不低于 10h, 导致高水位的时间变长, 进而直接影响后滨的泥沙冲淤过程。本文选取的剖面, 其后滨最高处附近为人工海堤, 台风浪传播到后滨并击打在海堤上, 形成的下冲离岸流将后滨泥沙向海搬运, 削平后滨沙丘并造成滩面侵蚀。随后台风减弱、消亡, 随着潮位下降, 波浪击打在滩面并形成上冲流, 将部分表层粗颗粒泥沙带回后滨填补侵蚀, 故而后滨的粒径参数变化较小。前滨上、前滨中作为后滨与前滨下的缓冲区间, 粒度参数及组分变化介于二者之间, 在台风前有较浅的滩槽与小型的沙丘, 台风后泥沙填补在滩槽中, 而小型沙丘则被抹平, 表现为沉积物中值粒径局部增大(图3), 极细砂组分局部增多(图4)。

对比强潮型顺直海滩(雷刚 等, 2005), 本文所选取剖面的变化情况与强潮海滩模式接近, 即后滨被侵蚀, 前滨上和前滨中滩面起伏微弱, 处于弱侵蚀-堆积状态。但前滨下与冲流带的剖面变化则表现出类似于弱潮型海滩(龚昊 等, 2017)的情况, 即在沙坝被抹平过程中, 坝顶泥沙被冲散, 裸露出较致密的细颗粒泥沙, 粒径参数变化出现振荡的特点。因此, 波浪是顺直岸段粒度格局转变的主要动力因素, 而潮间带位置与沙坝决定了台风后滩面的粒度分布。

3.2 动力作用对海滩沉积的影响

台风期间沉积物搬运的动力主要来源于风力影响形成的波浪与波驱沿岸流。将沉积物的粒径组分绘制成沉积物累积概率曲线, 可以得知台风前后泥沙搬运营力的变化。根据累积概率曲线显示, 本文剖面的沉积物粒径组分自陆向海具有明显的分带特征。用P0—P4 点(位置见图2)代表剖面的后滨至冲流带, 其特征点是: 后滨推移质组分大幅减少(图5a、5b), 表明较粗颗粒的泥沙在台风期间被移走, 另一方面台风过后泥沙组分以跃移质为主, 说明水动力搬运力较弱, 泥沙堆积在后滨; 前滨(上、中、下)与冲流带(图5a—j)推移质组分明显增多, 并与跃移质组分一同向粗粒径方向靠拢, 揭示了台风浪对滩面泥沙的颠选作用, 使得粗颗粒泥沙被翻起, 并随滩面水流广泛分散在前滨与冲流带。特别地, 台风后冲流带的双推移质组分消失, 且跃移质组分与悬移质组分变化较小。台风前, 后滨沙丘位置(P5)亦然, 该现象与黎树式等(2017)的研究结果相符。相对宽阔平坦的前滨滩面具有较强的消散性, 波浪的作用形成上冲流, 使泥沙在较高的潮间带位置堆积(雷刚 等, 2005); 而起伏的后滨沙丘与大型沙坝使该区域的滩面具有一定的反射性, 波浪在该区域耗散较大, 这有利于泥沙搬运。

3.3 大型沙坝消失的影响因素

2020 年10 月14 日凌晨2 时, 银滩附近的波浪高度为1～1.5m。黄祖明等(2020)的计算结果表明，银滩在波高1～1.5m 情况下的全面推移临界水深为1.17～1.85m, 表面推移临界水深为1.95～2.84m。结合银滩的潮汐情况, 推测台风期间大型沙坝所在区域的泥沙活动可由全面推移逐渐转变为表面推移，预示着沙坝区域推移质组分会显著增加, 这与本文的实际观测结果相符(图5i、5j)。

考虑到银滩内滨区域有丰富的潮下带沙坝系统, 波浪由外海传入时, 在内滨区发生破碎, 使传入海滩的波浪能减弱。随着涨潮水位逐渐上升, 内滨对波浪的减弱效果进一步减小, 波浪破碎区域也逐渐向岸移动, 进一步增加了其对波浪的破坏能力。此外, 根据北海气象站2020 年10 月13 日20 时至14 日的气象数据(http://envf.ust.hk/dataview/stnplot/current/), 银滩在台风“浪卡”期间以东向风为主, 风力为3～5级, 风力较弱。而银滩夏季的平均浪高为0.9m, 表明靠近海滩的波浪能量受台风增幅有限, 故推测大型沙坝的消失可能还存在其他动力因素。

本文研究的剖面东侧为银滩沙嘴(图 1), 在弧形沙嘴地形的影响下, 波浪靠岸后迅速转为波驱沿岸流, 水流裹挟泥沙自东向西输运。而近岸的大型沙坝阻挡了波浪, 也极易在其向海外沿形成波驱沿岸流, 同时也使得沙坝外沿的泥沙被卷起。随着水位的上涨, 该动力过程逐渐将沙坝的泥沙从外至内逐步搬运离开, 导致沙坝由外至内被削平。从图5i—l 可以发现, 跃移质组分也有明显的增多, 表明台风期间水流的强度增大, 从而进一步佐证了该推断的动力作用是存在的。

综上, 大型沙坝消失的原因可能有三种: 其一为台风浪带来的泥沙启动与其驱动的近底离岸流作用, 即台风浪使泥沙向海推移, 导致沙坝逐渐向海移动或被逐渐削平; 其二为台风浪驱动的波驱沿岸流卷起沙坝外沿泥沙, 与同时形成的纵向流相结合, 由海向陆逐步削平沙坝; 其三是前两种原因的耦合作用所共同导致, 但这还需要更多的观测手段和更丰富的观测数据来验证。因此, 台风浪是造成大型沙坝消失的主要因素, 而海滩地形(沙坝的位置或弧形沙嘴)与波浪的相互作用也对沙坝的消失有影响, 进而使海滩表面沉积物发生改变。

4 结论

本文从沉积物和海滩剖面变化特征方面分析了银滩响应台风的动力地貌过程, 主要结论包括:

1) 台风前后, 银滩沉积物均以中砂、细砂和极细砂为主, 三者占比超过95%。台风后不同潮间带位置的沉积物组分变化特征表现为: 低潮位带(前滨中、下)中砂和细砂占比增多, 沉积物变粗; 高潮位带(前滨中、上)则极细砂占比增多, 细砂和中砂占比减少, 粒径变细; 冲流带组分出现交错式粗细变化。

2) 银滩地貌响应台风作用过程表现为: 大型沙坝消失, 后滨沙丘被削平, 滩面坡度趋于平缓, 侵蚀与淤积情况沿滩面交替出现; 后滨和前滨的响应与强潮型海滩类似, 而较低潮间带位置的响应则更接近弱潮型海滩。

3) 波浪作用是影响顺直海滩沉积和地貌变化的主要动力因素, 而海滩地形则可能影响了近岸波浪的转变形式, 从而改变了滩面地貌, 并对沉积物的粒径分布产生进一步影响。

由于本文的研究仅针对一次台风前后银滩顺直岸段剖面的滩面冲淤变化和粒径参数进行了分析, 因而仍存在很多不足之处。若结合滩面的水动力情况调查与水下地形测绘等数据, 将可更全面地分析和论证银滩响应台风的动力地貌过程。