?？跒持虚g岸段海灘剖面短期時(shí)空變化及沉積動(dòng)態(tài)分析*

朱士兵, 胡丹妮, 張會(huì)領(lǐng), 曾春華, 李澤華, 李志強(qiáng)

?？跒持虚g岸段海灘剖面短期時(shí)空變化及沉積動(dòng)態(tài)分析*

朱士兵, 胡丹妮, 張會(huì)領(lǐng), 曾春華, 李澤華, 李志強(qiáng)

廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 海洋工程學(xué)院, 廣東 湛江 524088

海灘的演變特征是海岸地形動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容?；谠诤？跒臣偃蘸┻B續(xù)33d的地形剖面觀測數(shù)據(jù)和臺風(fēng)前后表層沉積物粒度參數(shù)數(shù)據(jù), 分析了?？跒持虚g岸段海灘剖面及沉積物變化特征。利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析, 得出觀測期間海口灣海灘有4個(gè)主要模態(tài), 分別對應(yīng)于涌浪對海灘的建設(shè)過程、當(dāng)?shù)仫L(fēng)浪對海灘的侵蝕過程、臺風(fēng)對海灘的侵蝕過程和海灘特征地形的調(diào)整過程。研究結(jié)果表明: 涌浪和風(fēng)浪對海灘剖面的作用受到了潮位調(diào)制的影響; ?？跒澈╋@示出遮蔽型海灘變化特征; 沉積物粒度參數(shù)對海灘變化反應(yīng)敏感, 可以提供豐富的海灘演變信息。

海灘剖面; 時(shí)空變化; 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù); 沉積物; 臺風(fēng)

天然海灘位于海陸相互作用的敏感地帶, 海灘變化過程是海岸波、潮、風(fēng)等動(dòng)力因子和海灘地形相互作用的結(jié)果(Rosen, 1978; Chen, 1995)。海灘剖面是海灘物質(zhì)組成、動(dòng)力作用和坡面形態(tài)三者之間動(dòng)態(tài)調(diào)整的結(jié)果(陳子燊等, 1993), 剖面變化主要與海灘坡度、波陡、底質(zhì)粒徑等因素有關(guān)(常瑞芳, 1997)。國內(nèi)外對海灘剖面的變化研究較多的采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析方法(Larson et al, 1999; 陳子燊, 2000; 戴志軍等, 2001; 李志龍等, 2004; Li et al, 2005; 于吉濤等, 2015), 通過分解得到剖面的變化模態(tài), 進(jìn)而分析海灘的主要變化過程。其中陳子燊(2000)利用粵西水東灣海灘重復(fù)測量的地形剖面, 得出海灘地形主要由水下砂壩運(yùn)移、灘肩進(jìn)退和后濱侵蝕3個(gè)空間過程構(gòu)成; 戴志軍等(2001)利用粵東寮咀口岬間海灘重復(fù)測量的剖面數(shù)據(jù), 通過經(jīng)驗(yàn)特征函數(shù)及主要空間函數(shù)的分析和功率譜估計(jì)分析, 得出海灘的主要空間模式及周期; 于吉濤等(2015)利用EOF分析了波控中等潮差海灘剖面時(shí)空變化過程。前期研究成果中, 很少有學(xué)者同時(shí)關(guān)注海灘表層沉積物變化, 研究的海灘也以開敞的海灘為主, 對于較遮蔽的海灘關(guān)注較少。本文利用在海口灣海灘(假日海灘)連續(xù)33d (包含2次臺風(fēng)過程)觀測的海灘剖面數(shù)據(jù)和采集表層沉積物, 采用EOF分析和沉積特征參數(shù)變化分析, 探討?？跒澈┰诙虝r(shí)間尺度上, 多種動(dòng)力因素作用下的海灘沉積動(dòng)態(tài)和剖面變化特征。

1 研究區(qū)概況

?？跒澄挥诃傊莺{南岸的中部岸段, 為一向北敞開的弧形海灣, 東部為南渡江三角洲的西緣, 西部為玄武巖臺地構(gòu)成的后海岬角, 北為瓊州海峽水域?；讟?gòu)造為海口斷隆區(qū)的組成部分, ?？跒乘畲蟛糠中∮?m, 水下地形向北傾斜, 坡度1‰。?？跒巢ɡ撕土鲌鍪芎{潮的波浪場和流場影響。波浪以風(fēng)浪為主, 北向風(fēng)為向岸風(fēng), 其風(fēng)浪較強(qiáng), 南向風(fēng)為離岸風(fēng), 其風(fēng)浪較弱(王寶燦等, 2006)。根據(jù)?？跒硸|部白沙門站測波資料統(tǒng)計(jì), 該區(qū)域的波浪有東北偏東向(ENE)、東北向(NE)和北向(N) 3個(gè)主浪向, 夏季盛行東南向浪, 強(qiáng)度比冬季小。海峽漲潮以東流為主, 落潮以西流為主, 灣口附近流速為1m×s–1左右, 流向?yàn)闁|—西(E–W)向, 在灣頂附近流速減小, 僅為0.1~0.25m×s–1, 余流為逆時(shí)針方向, 量值在0.1m×s–1以下(龔文平等, 2004)。潮汐屬于非正規(guī)日潮混合潮, 多年平均潮差為0.82m, 最大潮差為3.31m。泥沙來源和南渡江三角洲岸灘的侵蝕后退和泥沙搬遷密切相關(guān), 在沿岸波流和潮流作用下, 泥沙進(jìn)行自東向西的沿岸運(yùn)移, 導(dǎo)致?？跒硸|側(cè)的美麗沙堆積體不斷向西南方向延伸(田明等, 1994; 周晗宇等, 2013; 謝華亮等, 2014)。本文研究岸段為?？跒持虚g岸段的假日海灘(圖1), 屬于典型的弧形砂質(zhì)海灘。

圖1 研究區(qū)概況(a)、剖面(b、c)及臺風(fēng)路徑(a)

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

2018年7月9日至8月11日, 在?？跒臣偃蘸┎煌抖尾荚O(shè)4條由岸向海觀測海灘地形變化的剖面, 共獲取33d剖面地形數(shù)據(jù)。同時(shí)在中間岸段布設(shè)一個(gè)沿岸方向?qū)捈s60m的三維海灘地貌測量斷面, 本文選取海灘中間岸段進(jìn)行研究, 剖面及三維地貌網(wǎng)面示意見圖1。逐日用南方測繪全站儀對海灘剖面向海觀測至涉水最深處, 剖面垂岸兩測點(diǎn)之間距離約為2m, 遇到地形變化顯著位置進(jìn)行加密以獲得更加詳盡的海灘地形信息。常浪情況下, 在7月9日、7月19日、8月1日、8月7日分別在海灘潮上帶、潮間帶、潮下帶采取表層沉積物。觀測期間, 臺風(fēng)“塔拉斯”(2018年7月16日)和臺風(fēng)“?？ā?2018年7月22日)從海南南部海域經(jīng)過, 研究區(qū)域在臺風(fēng)影響的范圍內(nèi)。于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后分別采取表層沉積物, 33d內(nèi)采取了7次(臺風(fēng)前2次, 臺風(fēng)后5次)共21組沉積物數(shù)據(jù)。對采取得沉積物在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去除有機(jī)質(zhì)、除去鈣膠結(jié)物、洗鹽、烘干步驟, 然后用篩分振動(dòng)儀測試得出沉積物各組分含量。同時(shí)收集海洋站在瓊州海峽的波浪、潮汐觀測數(shù)據(jù)。臺風(fēng)信息見圖1, 臺風(fēng)期間研究區(qū)海域波浪、潮位信息見圖2。

圖2 臺風(fēng)期間研究區(qū)海域波浪、潮位信息

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選取海灘中間岸段的剖面進(jìn)行分析(圖3)。為了地形數(shù)據(jù)的統(tǒng)一及精確, 將所測的剖面長度控制在50m, 對于測距較短的剖面(7月28日剖面長度48.56m, 8月1日剖面長度49.16m)采用線性插值法外延至50m, 然后將50m剖面長度以2m間隔進(jìn)行線性插值, 從而得到26個(gè)相應(yīng)的岸灘剖面高程變化, 與時(shí)間參數(shù)組成26×33矩陣。計(jì)算空間協(xié)方差矩陣前。先對矩陣進(jìn)行距平化預(yù)處理。

2.3 海灘地形時(shí)空變化分析

運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)方法分析海灘剖面形態(tài)的時(shí)空變化。經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法是分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征, 提取主要數(shù)據(jù)特征量的方法(Larson et al, 2003)。EOF其實(shí)就是對空間上的因子分析, 是沒有固定的展開形式的典型場函數(shù)。EOF最早被氣象問題分析所引用, 由于該方法能在有限區(qū)域?qū)Σ灰?guī)則分布的站點(diǎn)進(jìn)行分解、展開收斂快、很容易將變量場的信息集中在幾個(gè)模態(tài)上、分離出的空間結(jié)構(gòu)具有一定的物理意義等優(yōu)點(diǎn), EOF分析法分析海灘時(shí)空變化的具體操作為:

圖3 研究區(qū)海灘連續(xù)30d地形觀測曲線

將研究區(qū)海灘時(shí)空變化場記為F(=1, 2, …,;=1, 2, …,), 其中為空間點(diǎn)對應(yīng)于研究區(qū)剖面的等距高程值,為時(shí)間序列長度對應(yīng)于對研究區(qū)剖面的觀測天數(shù), 即個(gè)高程值的個(gè)時(shí)次的觀測數(shù)據(jù)矩陣, 將F分解成相互正交的時(shí)間函數(shù)與相互正交的空間函數(shù)的乘積之和, 其矩陣形式為:

=

式中:為岸灘演變要素場(研究區(qū)數(shù)據(jù)資料矩陣);為空間函數(shù)(岸灘演變過程的典型場);為時(shí)間函數(shù)(衡量典型場的權(quán)重系數(shù))。

2.4 沉積特性分析

采用Collias等矩法公式計(jì)算沉積物4個(gè)粒度參數(shù)(Collias et al, 1963), 劉志杰等(2013)對比3種計(jì)算海洋沉積物粒度參數(shù)方法, 發(fā)現(xiàn)Collias等矩法計(jì)算出的沉積物粒度分布特征更靈敏、更可靠, 可以更好地反映沉積環(huán)境對沉積物的改造作用。運(yùn)用沉積動(dòng)力學(xué)知識結(jié)合海灘表層沉積物參數(shù)(平均粒徑z、分選系數(shù)σ、偏態(tài)S、峰態(tài))分析海灘33d內(nèi)的沉積動(dòng)態(tài)變化特征。

3 結(jié)果分析

采用EOF分析法對海灘剖面進(jìn)行分解, 得出了研究海灘岸段短期演變的時(shí)空模態(tài)特征值。EOF分析所得到的前4個(gè)空間特征值累計(jì)方差達(dá)到85.83% (表1)。各主要模態(tài)的時(shí)空變化過程將圖4。

表1 EOF分析海灘剖面時(shí)空模態(tài)結(jié)果

圖4 EOF分析時(shí)空模態(tài)變化圖

3.1 主要模態(tài)分析

空間特征函數(shù)的極值表示最大變化的區(qū)域, 而節(jié)點(diǎn)指示的是相對穩(wěn)定的地帶, 在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生泥沙交換, 泥沙在節(jié)點(diǎn)兩邊發(fā)生向海或向陸運(yùn)動(dòng), 將毗鄰區(qū)域的淤積和侵蝕劃分開, 因此剖面在結(jié)點(diǎn)兩側(cè)呈現(xiàn)反相變化趨勢。根據(jù)研究區(qū)潮位信息及現(xiàn)場觀測可知21m、28m、37m和44m處分別代表著灘肩前緣、高潮位、波浪破碎線和低潮位(圖5)。

圖5 ?？跒澈┑孛蔡卣?/p>

第一模態(tài)所占總方差為38.73%, 空間特征函數(shù)分別在20m、27m、30m、45m處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)。在30~45m范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值, 對應(yīng)著海灘地形的潮間帶, 說明潮間帶是33d內(nèi)海灘剖面平均變化最大的區(qū)間, 是海灘形態(tài)最主要的響應(yīng)。從第一空間特征曲線(圖4a)特征及相對沖淤線位置可以看出, 潮間帶(30~45m)發(fā)生侵蝕(曲線位于沖淤線以下), 侵蝕的泥沙分別向海向海向陸搬運(yùn), 造成海灘后濱(20m以上)和水下(45m以下)淤積(曲線位于沖淤線以上)。在30m高潮帶附近泥沙存在輸運(yùn)并逐漸增強(qiáng)一直延續(xù)到45m處的低潮線附近, 在波浪破碎的37m處達(dá)到峰值?？傮w來看, 空間特征函數(shù)表現(xiàn)為潮間帶泥沙向岸搬運(yùn), 海灘處于涌浪剖面的塑造過程中, 灘肩變的越來越顯著。

從第一時(shí)間特征函數(shù)(圖4b)可以看出, 7月11日達(dá)到峰值后曲線變化逐漸減弱, 在7月14日達(dá)到最低峰值后曲線變化逐漸增強(qiáng)到最大值, 7月25日后曲線又逐漸減低至最小值。這一變化過程與波浪作用過程基本一致, 但同時(shí)受到潮汐的調(diào)制作用, 是潮汐調(diào)制下波浪對海灘的作用(圖2)。觀測期間, 雖然受到臺風(fēng)“塔拉斯”的影響, 但海區(qū)基本為涌浪, 海灘剖面表現(xiàn)為涌浪剖面特征。大潮高潮期間, 泥沙被涌浪搬運(yùn)到海灘的高處。

第二模態(tài)所占總方差為26.01%, 是海灘剖面變化的次要模式。空間特征函數(shù)分別在4m、19m、27m、37m處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn), 代表著海灘剖面在這4個(gè)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了沖淤變化。由第二空間特征函數(shù)(圖4c)可以看出: 研究區(qū)海灘后濱和潮間帶發(fā)生侵蝕、灘肩和水下部分淤積; 在37m碎波帶處泥沙擺動(dòng)強(qiáng)烈, 分別在向海44m低潮線處和向岸32m高潮線附近達(dá)到兩個(gè)最大峰值, 指示海灘在潮間帶泥沙沿剖面的強(qiáng)烈地橫向運(yùn)動(dòng)?？臻g特征函數(shù)反映出海灘處于灘肩及后濱侵蝕(節(jié)點(diǎn)位于20m附近), 而水下處于淤積并形成水下沙壩的特征。

從第二時(shí)間特征函數(shù)圖(圖4d)可以看出, 在曲線起點(diǎn)處存在一個(gè)大于0.4的峰值后曲線變化逐漸減弱并形成一個(gè)較小的峰值, 隨后形成一個(gè)約為15d的周期。其中起點(diǎn)的峰值對應(yīng)著朔望潮期, 隨后潮差減小。周期對應(yīng)著大、小潮汐的半月周期, 與時(shí)間特征函數(shù)相對應(yīng), 說明此模態(tài)指示了潮汐對海灘的地形變化的調(diào)制作用。海灘在風(fēng)浪情況下, 泥沙會(huì)發(fā)生向海搬運(yùn), 造成海灘的侵蝕, 在臺風(fēng)“塔拉斯”登陸(7月16日)前后, 潮位上升, 高潮位時(shí), 侵蝕型風(fēng)浪可以到達(dá)向岸更遠(yuǎn)處引起了泥沙的運(yùn)動(dòng), 造成后濱侵蝕。此時(shí), 時(shí)間函數(shù)振幅變化最大, 也進(jìn)一步反映了該模態(tài)是潮汐調(diào)制下風(fēng)浪對海灘的侵蝕過程。

第三模態(tài)總方差貢獻(xiàn)為13.36%, 空間特征函數(shù)分別在13m、15m、21m、29m、37m、43m處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)(圖4e), 海灘灘肩前緣、高潮帶、低潮帶處向海向陸部分都發(fā)生了泥沙的運(yùn)動(dòng), 具體灘肩和潮間帶均侵蝕, 碎波帶向岸處和水下部分之間形成淤積–侵蝕–淤積特征。

從第三時(shí)間特征函數(shù)(圖4f)可以看到, 變化曲線有明顯的峰值, 峰值對應(yīng)著2017年7月16日的臺風(fēng)“塔拉斯”和7月22日的“?？ā钡男纬? 說明第三模態(tài)海灘地形變化主要是由臺風(fēng)引起的波能強(qiáng)度增加引起的。對比4個(gè)空間特征函數(shù), 只有第三空間特征函數(shù)在灘肩前緣以外的13m和15m處出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn), 這是由于臺風(fēng)期間引起的海面增水, 波浪動(dòng)力增強(qiáng), 波浪越過灘肩, 使得灘肩前緣以外的向岸更遠(yuǎn)處發(fā)生泥沙的搬運(yùn), 后濱遭到破壞。由于兩次臺風(fēng)均從海南島南部穿過且臺風(fēng)強(qiáng)度等級較小, 導(dǎo)致時(shí)間特征函數(shù)峰值并不是太大, 但空間特征函數(shù)所對應(yīng)的灘肩前緣、高潮帶、低潮帶海灘都發(fā)生了強(qiáng)烈的變化。臺風(fēng)過后, 動(dòng)力情況逐漸平穩(wěn), 與時(shí)間特征函數(shù)曲線較好的吻合。

第四模態(tài)雖然僅占7.73%, 分別在16m、37m、45m處出現(xiàn)節(jié)點(diǎn), 海灘在后濱、碎波帶、低潮位處地形發(fā)生剖面形態(tài)變化。雖然總方差貢獻(xiàn)率比較小, 但時(shí)間特征函數(shù)存在規(guī)律值得進(jìn)行進(jìn)一步分析探討。從空間特征函數(shù)(圖4g)可以看出, 在平均低潮線、碎波帶、灘肩處附近存在泥沙運(yùn)動(dòng)。從7月14日、7月18日、7月30日實(shí)測的海灘三維地貌圖可以看出地貌小的變化有灘肩的遷移、水下地形的轉(zhuǎn)變、后濱的變化等。時(shí)間函數(shù)上表現(xiàn)出日變化的特征(圖4h)。因此, 該模態(tài)推斷為海灘特征地形的日內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)整模態(tài)(圖6)。

圖6 7月14日(a)、7月18日(b)和7月30日(c)實(shí)測海灘三維地貌圖

3.2 沉積物特征與動(dòng)態(tài)

沉積物粒度分析是海洋沉積環(huán)境研究最基本的手段之一(黎樹式等, 2017), 沉積物粒度參數(shù)也蘊(yùn)含了豐富的沉積運(yùn)移、沉積環(huán)境、沉積動(dòng)力條件等方面的信息, 是反映沉積物物質(zhì)來源及水動(dòng)力條件的敏感性指標(biāo)。對樣品進(jìn)行分析計(jì)算得到表層沉積物的特征參數(shù)見表2。

表2 臺風(fēng)“塔拉斯”前后研究區(qū)海灘沉積物特征空間分布表

注：z: 平均粒徑;σ: 分選系數(shù);S: 偏態(tài);K: 峰態(tài)系數(shù)

“塔拉斯”臺風(fēng)前, 研究區(qū)海灘平均粒徑(z)介于1.80~2.45(=log2,為泥沙粒徑, 單位: mm), 平均值為2.19, 細(xì)砂含量達(dá)到78.46% (表2)。整個(gè)灘面泥沙存在分異性, 分別表現(xiàn)為潮上帶和潮間帶為細(xì)砂, 潮下帶為中砂, 自陸向海方向沉積物粒度逐漸變粗, 這與波浪作用有關(guān), 其中以潮下帶最強(qiáng), 沉積物明顯粗化, 為中砂粒徑, 向岸隨著波浪動(dòng)力減弱粒徑變細(xì), 形成與岸平行的中砂和細(xì)砂分布帶。分選系數(shù)σ整體處在中等水平, 變化范圍在0.45~0.91之間, 具體表現(xiàn)為潮上帶沉積物分選好, 潮間帶和潮下帶分選中等, 且由岸向海沉積物分選系數(shù)逐漸增加, 分選逐漸變差。?？跒澈┏鄙蠋闃O負(fù)偏(–2.31), 潮間帶和潮下帶表現(xiàn)為負(fù)偏; 峰態(tài)系數(shù)K平均值為6.48, 粒度分布尖銳度比較窄。

從海灘沉積物粒度參數(shù)變化曲線可以看出, 在臺風(fēng)強(qiáng)度較弱(熱帶風(fēng)暴級)情況下, 4個(gè)粒度參數(shù)均在臺風(fēng)“塔拉斯”作用期間出現(xiàn)明顯的變化(圖7)。臺風(fēng)期間的高能環(huán)境, 對沉積物擾動(dòng)和搬運(yùn), 使沉積物組分在剖面上發(fā)生改變。臺風(fēng)“塔拉斯”作用后, 泥沙平均粒徑(z)介于1.38~1.98, 中砂含量占37.36%, 海灘表層沉積物整體變粗。潮上帶和潮間帶分選變化截然不同: 潮上帶和潮間帶分選變差, 潮下帶分選變好(表2)。這主要是因?yàn)榕_風(fēng)的到來使潮下帶區(qū)域成為泥沙交互作用最為明顯的區(qū)域, 由于匯集了來自后濱、外海近岸區(qū)以及自身的泥沙, 其粒度組合集合了更多種泥沙類型, 因此表現(xiàn)為分選性變差。相反, 潮間帶和潮上帶區(qū)域在強(qiáng)風(fēng)浪與高潮位的作用下, 原有的泥沙被充分?jǐn)噭?dòng), 表層泥沙被重新進(jìn)行分選, 粒度特征較為相似的泥沙更容易落淤在一起, 從而整體表現(xiàn)為粒度分選變好。同時(shí), 臺風(fēng)的高能動(dòng)力使得灘面沉積物負(fù)偏程度減弱, 呈現(xiàn)出更寬的峰態(tài)。

圖7 沉積物粒度參數(shù)變化 Φ=log2d, d為泥沙粒徑(單位: mm)

4 討論

4.1 海口灣中間岸段海灘月尺度內(nèi)地形變化及控制因素

本文研究了?？跒澈?3d內(nèi)海灘剖面時(shí)空變化。海灘剖面的變化是研究區(qū)的波浪、潮汐動(dòng)力環(huán)境和臺風(fēng)“塔拉斯”及“桑卡”共同作用的結(jié)果。結(jié)果表明, 波浪、潮汐作用貢獻(xiàn)了海灘地形月尺度下動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)力, 這是由研究區(qū)所處位置的動(dòng)力環(huán)境和臺風(fēng)情況(數(shù)量、強(qiáng)度, 氣旋方向等)所決定的。假日海灘處在海口灣西側(cè), 主要為NE向風(fēng)浪以及涌浪入射的岸線, 且處在流場中強(qiáng)流區(qū)位置, 波浪動(dòng)力要素較強(qiáng), 波浪動(dòng)力變化顯著(圖2), 岸灘受到較強(qiáng)的沖刷作用; 觀測期間月周期內(nèi)最大潮差2m以上, 最小潮差0.5m左右, 潮位影響明顯。強(qiáng)流和潮差是貢獻(xiàn)岸灘短期時(shí)空變化兩個(gè)主要模態(tài)的決定性條件。其中, 2017年7月16日和7月22日臺風(fēng)“塔拉斯”和7月23日的“?？ā毕群髲暮Ｄ夏喜窟^境, 研究區(qū)域處于臺風(fēng)影響的7級風(fēng)圈邊緣, 風(fēng)力有限, 同時(shí)影響時(shí)間較短, 對海灘剖面變化的影響有限(僅貢獻(xiàn)了方差的13.36%), 遠(yuǎn)不及代表涌浪作用和風(fēng)浪作用的第一、二模態(tài)所占比重。因此, 觀測期間月尺度內(nèi)海口灣中間岸段海灘形態(tài)變化受波浪和潮位的共同作用。其中, 文中針對風(fēng)浪和涌浪對海灘短期變化的貢獻(xiàn), 主要根據(jù)觀測期間風(fēng)浪和涌浪的明顯不同特征判別。由于客觀原因, 沒有獲取具體的風(fēng)浪和涌浪數(shù)據(jù), 這是文章的不足之處, 今后對海灘的短期時(shí)空變化還需要進(jìn)行更詳盡的觀測和研究。

?？跒澈┢拭孀兓艿匦蔚孛惨蛩氐挠绊?。海口灣位于瓊州海峽南側(cè)的中間位置, 受到北邊雷州半島及東側(cè)?？跒翅到堑匦蔚目刂?。同時(shí)灣口附近南海明珠人工島占地約4.6km2, 距離研究岸段向海方向不到3km, 導(dǎo)致研究區(qū)海灘所處環(huán)境較為遮蔽。外海由瓊州海峽東側(cè)傳入的波浪受到鋪前灣和?？跒硸|側(cè)大型岬角的控制, 波浪強(qiáng)度有所削弱, 到達(dá)海口灣波浪強(qiáng)度已經(jīng)比較小, 以周期較長的波浪為主。受地形遮蔽的海灘在地形控制作用下, 海灘過程與開敞型或半開敞型有顯著的不同(Eliot et al, 1986; Shenoi et al, 1987; Hegge et al, 1996; Burvingt 等, 2017)。例如Eliot等(1986)觀測發(fā)現(xiàn), 在強(qiáng)度較小的風(fēng)暴作用下, 海灘灘面可以表現(xiàn)出穩(wěn)定的淤積特征。Burvingt等(2017)發(fā)現(xiàn)遮蔽型海灘盡管沿岸輸沙較大, 但海灘凈變化量很小。本文對?？跒澈┑挠^測呈現(xiàn)出相似的結(jié)果。

4.2 ?？跒持虚g岸段海灘月尺度內(nèi)沉積動(dòng)態(tài)分析

在33d的觀測期間內(nèi), ?？跒澈┏练e物平均粒徑在細(xì)砂范圍內(nèi)變化。其中, 在臺風(fēng)“塔拉斯”經(jīng)過期間(7月16號左右), 平均粒徑變化存在一段參數(shù)急劇變小(粒度變粗)的階段(圖7), 然后折線緩慢上升, 平均粒徑逐漸變細(xì)。分選系數(shù)變化曲線和平均粒徑變化相反, 在臺風(fēng)作用期間折線急劇變大(分選變差), 然后慢慢恢復(fù), 變化過程對應(yīng)臺風(fēng)影響時(shí)間。說明臺風(fēng)期間海洋環(huán)境動(dòng)力加強(qiáng), 灘面較細(xì)顆粒泥沙被風(fēng)浪帶離灘面, 向深水區(qū)運(yùn)移, 較粗的泥沙留存在灘面上。臺風(fēng)過后, 海洋動(dòng)力環(huán)境平穩(wěn), 海灘沉積物在波浪作用下逐漸恢復(fù)到原來狀態(tài)。從前面的分析結(jié)果來看, 雖然地形變化不大, 但沉積物的平均粒徑和分選呈現(xiàn)了良好的協(xié)變性關(guān)系。剖面地形的變化歸根結(jié)底是沉積物的運(yùn)移造成的, 海灘凈變化量很小, 但沉積物變化顯著, 說明沉積物發(fā)生了遷移交換。從沉積物粒度參數(shù)變化過程可以大致看出海灘經(jīng)歷極端動(dòng)力后的恢復(fù)情況, 因此其變化有可能作為衡量海灘變化的一個(gè)指標(biāo), 但具體的變化情況還要深入研究。

海灘變化受到波浪、潮汐和沉積物特征等共同作用, 是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)行為, 各因素相互影響又具有一定獨(dú)立性。很多研究僅就地形變化進(jìn)行EOF分析, 得到海灘的變化模態(tài), 其信息是有限的。分析海灘的時(shí)空變化, 一定要從剖面形態(tài)、沉積物、動(dòng)力因素全面考察。

5 結(jié)論

利用在?？跒澈┻B續(xù)33d (包含2次臺風(fēng)過程)連續(xù)觀測采樣獲得的數(shù)據(jù), 采用EOF分析方法和沉積物粒度參數(shù)分析, 研究了該海灘的月內(nèi)變化特征, 得到以下結(jié)論:

1) ?？跒澈┢拭鏁r(shí)空變化呈現(xiàn)4種主要模態(tài), 分別對應(yīng)為涌浪作用下的海灘剖面堆積過程、當(dāng)?shù)仫L(fēng)場作用下風(fēng)浪的侵蝕過程、臺風(fēng)作用過程和灘面特征地形的調(diào)整過程。涌浪和風(fēng)浪對海灘剖面的作用受到了潮位的調(diào)制影響。

2) ?？跒澈┑匦巫兓艿降刭|(zhì)背景的影響。鋪前灣和?？跒硸|側(cè)大型岬角的影響和“南海明珠人工島”的遮蔽效應(yīng)對研究區(qū)海灘動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生了顯著的影響。

3) 海灘剖面變化受到波浪、潮汐和沉積物特征等共同作用, 僅對地形變化進(jìn)行分析, 得到海灘的變化信息是有限的。海灘演變過程中, 海灘表層沉積物平均粒徑和分選呈現(xiàn)明顯協(xié)變性, 可以提供更多的海灘變化信息。

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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。

殷波編輯

國家自然科學(xué)基金(41676079); 廣東海洋大學(xué)創(chuàng)新強(qiáng)校工程項(xiàng)目(Q18307)

朱士兵(1992— ), 男, 河南省商丘市人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楹０顿Y源與環(huán)境。E-mail: 26585759@qq.com

李志強(qiáng)(1974— ), 教授, 博士, 研究方向?yàn)楹┻^程、海岸工程環(huán)境。E-mail: qiangzl1974@163.com

*審稿專家對本文的完善提出了寶貴的意見，特此致謝。

Editor: YIN Bo