东海岛东北部典型岸段短期冲淤变化及影响因素分析*

杨奇铮，李 萍*，高 伟，杨庆乐，陈本清，张彤辉，周 航，高 珊

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005；3.广东省海洋与渔业环境监测中心，广东 广州 510222)



东海岛东北部典型岸段短期冲淤变化及影响因素分析*

杨奇铮1，李 萍1*，高 伟1，杨庆乐1，陈本清2，张彤辉3，周 航1，高 珊1

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005；3.广东省海洋与渔业环境监测中心，广东 广州 510222)

通过无人机遥感、岸滩监测剖面、监测桩和沉积物粒度分析等手段研究了东海岛东北部典型岸段短期冲淤变化特征。结果表明，研究区岸线在一年半的时间内呈现后退趋势，侵蚀严重区域岸线平均后退约10 m；岸滩夏季年度变化以侵蚀为主，侵蚀严重部位主要位于低滩，最大下蚀可达1 m以上；半年度剖面监测结果显示，岸滩季节性变化明显，存在冬淤夏冲的特征；受风暴潮的影响，岸滩在2014-06—09发生严重侵蚀，部分区域后滨沙丘后退约20 m；沉积物平均粒径分布的区域差异表明，沉积物有沿岸向北和向陆一侧运移的趋势。风暴潮、虾池排污和灯塔是影响东海岛典型岸段冲淤的主要因素。

东海岛；海岸冲淤；粒度参数；无人机遥感

海岸是海陆相互作用的敏感地带，在海陆交互的动力作用下，海岸进行着侵蚀和淤积的变化过程。砂质海岸由于其组成物质疏松，岸线变化速度常以m/a计。短时间尺度内，风暴潮、岸滩上修建的人工构筑物，如灯塔、堤坝等是造成海滩冲淤变化的主要驱动力，破坏海滩的稳定状态，并向新的稳定状态发展[1]。以年为周期的岸滩剖面监测及沉积物运移分析可有效地了解滩面的冲淤变化和海滩砂的运移，对海岸防护及海岸带的开发具有重要意义。东海岛位于广东省南部，是湛江市经济技术开发区的重要组成部分，是进出湛江港的门户，战略地位十分重要。目前对东海岛的研究多集中在地质地貌及潮流场的变化[2-6]，而对海岛岸滩冲淤变化及海岸侵蚀方面的研究较少。本文依托海洋公益性行业科研专项“我国典型海岛地质灾害监测与预警示范研究”，将东海岛东北侧砂质海岸作为研究对象，通过周期性无人机拍摄、岸滩剖面高程监测、采样和粒度分析，研究岸滩的冲淤变化，分析沉积物的运移趋势，以期掌握东海岛砂质海岸侵蚀状况，为东海岛长滩的保护开发提供基础资料。

1 区域概况

东海岛位于雷州半岛东部，地处北回归线以南，属于典型的季风气候区，具有明显的亚热带季风气候。东海岛为大陆岛，系大陆地块延伸到海底并出露海面而形成的岛屿，其地质构造、岩性和地貌等方面与邻近大陆基本相似。海岛岸线平直，东侧发育了宽2 km、高程18～31 m的大型海岸风成沙地和海滩。湛江湾口门形成深槽及大规模的落潮三角洲，研究区即位于落潮三角洲的西南边滩。东海岛附近海域潮汐属于不正规半日潮，受湛江港口门地形的影响，涨潮历时大于落潮历时，研究区涨潮流近NW向，落潮流近SE向。研究区沙滩长约几公里，滩面宽150～200 m，滩面坡度较缓，以砂为主，无砾石。高滩之上发育有高约5～8 m风成沙丘。研究区南侧低滩有人工修建的灯塔，因海水冲刷基座已损坏严重。

2 研究方法

本文主要采用了无人机遥感解译岸线变化、实测岸滩剖面高程变化和沉积物粒度分析的研究方法。无人机遥感解译数据来源于2012-12-2014-04监测岸段的无人机作业。利用高性能四旋翼无人机遥感系统获取了近1 000张东海岛监测岸段的高重叠度低空无人机遥感影像。通过后期遥感解译，提取岸线变化数据，并对灯塔附近岸线变化明显的区域，以7 m的间距布设了20个后退强度分析断面，计算岸线冲淤变化强度。

岸滩剖面高程监测：研究区域内共布设6条监测剖面(图1)，剖面长80～150 m，自高滩沙丘延伸至低潮时水边线。基于COS系统采用GPS-RTK技术和载波相位动态实时差分方法，精度可达到厘米级。分别于2013-01,2013-06,2013-12和2014-06月初低潮时，对剖面进行GPS监测测量。剖面P01，P03，P05各安置3个监测桩，自海向陆分别为1、2、3号监测桩，定时测量监测桩的高度及高滩监测桩到沙丘的距离，以便对GPS定位数据进行验证。

图1 监测剖面布设及监测桩分布Fig.1 The layouts of monitoring profiles and the distribution of monitoring stake stations

采样与粒度分析：沿6条监测剖面，分别在高滩、中滩、低滩取其表层2 cm左右的砂质样，每个站位取样2～3个，2013-02-12 三次共取样106个。样品粒径大于0.063 mm的物质所占比例大于85%，采用筛析法在湛江市海洋与渔业环境监测站粒度实验室进行测试。

3 结果与讨论

3.1 岸线冲淤变化

对比2012-12-2014-04无人机监测影像，解译后提取了东海岛东北部典型岸线变化数据(图2)。纵观整个监测区域，在一年半的时间里，岸线变化明显，主要可以分为：岸线无明显变化区域、岸线侵蚀严重区域、岸线轻微侵蚀区域和岸线轻微淤积区域等。监测岸段灯塔附近约150 m长的岸线存在严重侵蚀现象，砂质岸线后退明显，主要表现为在海浪的作用下，砂质海岸不断崩塌、侵蚀，从而导致砂质岸线不断后退。岸段北部约有200 m左右的岸线无明显变化，中南侧和南侧呈现出岸线轻微后退与岸线堆积前移共存的现象，这表明在一年半的时间里，此处岸线处于正常的变化范围之中,没有受到大型自然灾害和人为因素的影响。

图2 岸线变化空间分布图Fig.2 The spatial distribution of Shoreline changes

对2个时期的无人机遥感影像进行红绿光谱叠加处理，得到较为明显的岸线变化对比图像(图3)。灯塔附近海岸线明显后退，向陆地方向呈现出凹形，红绿光谱叠加图中绿色部分表示监测时间段内，研究区域岸线后退部分。

为了进一步定量分析该侵蚀严重岸段，对后退强度分析断面进行统计(图4)，可以发现从2012-12-2014-04，在一年半的时间里，灯塔附近监测岸段平均后退10 m左右。以灯塔为中心，中间部分海岸侵蚀现象较为严重，岸线最大后退距离接近18 m；监测区域两边岸线变化较小，断面1与断面20的后退距离约为3 m。灯塔的存在，对岸线的影响较为明显，距离灯塔较近的岸段，岸线侵蚀较为严重。

图3 红绿光谱叠加图像Fig.3 The superimposed image of red and green spectrums

图4 灯塔附近岸线后退距离统计分布Fig.4 The statistical distribution of shoreline retreat distances near the lighthouses

3.2 岸滩剖面冲淤变化

3.2.1 冬季岸滩剖面冲淤变化特征

对比分析2013-06和2013-12两次岸滩剖面的测量数据，获得了研究区域半年的岸滩剖面高程变化和冬季岸滩高程变化结果。图5为东海岛典型岸段4个不同位置冬季岸滩监测剖面冲淤变化图，除P01剖面(图5a)以外，其他剖面主要以淤积为主，高滩与低滩淤积现象比较明显。其中位于岸滩中部灯塔附近的P03剖面(图5b)淤积现象最为严重，最大淤积接近2 m。P05(图6c)与P06剖面(图6d)变化情况类似，淤积现象主要发生在高滩与低滩，幅度较小，平均淤积约0.5 m。南部的P01剖面由于虾池排污的影响，在监测时间段内下蚀现象明显，下蚀速率为0.7 m/a。

图5 冬季监测剖面冲淤变化Fig.5 The erosion-deposition variation of the beach profiles in winter

3.2.2 夏季岸滩剖面冲淤变化特征

2013-12和2014-06分别对研究区域进行了岸滩剖面监测，对比两次监测的剖面数据，得到夏季半年度监测区域岸滩剖面冲淤变化特征。

选取监测岸段不同位置的4个剖面(图6)，观察其冲淤变化情况。监测结果表明研究区域岸滩在夏季以侵蚀为主，除灯塔附近P03剖面(图6b)高滩有部分淤积外，其他剖面侵蚀现象明显，其中监测区域北部的P06剖面(图6d)在监测时间段内侵蚀现象最为严重，处于全线下蚀的趋势，最大侵蚀达1.5 m以上；虾池附近的P01剖面(图6a)下蚀速率约为1 m/a，较冬季下蚀速率增加；P05剖面(图6c)的侵蚀现象主要发生在离岸距离大于35 m的中滩和低滩，中高滩有小范围的淤积现象。

图6 夏季监测剖面冲淤变化Fig.6 The erosion-deposition variation of the beach profiles in summer

3.2.3 年度岸滩剖面冲淤变化

对比2013-06和2014-06两次岸滩剖面监测数据，可以得到研究区域2013至2014年夏季年度岸滩剖面冲淤变化情况。

通过观察P01，P03，P05和P06四个剖面(图7)的冲淤变化可以发现，监测区域岸滩夏季年度变化以侵蚀为主，P01剖面(图7a)和P06剖面(图7d)在监测时间段内处于全线侵蚀的趋势，其中，高滩剖面倾角变大，中低滩倾角变小，最大下蚀高度超过1 m。南部的P05剖面(图7c)侵蚀严重岸段主要位于离岸距离大于30 m的低滩。P03剖面(图7b)由于灯塔的影响，呈现出与其他剖面完全不同的冲淤变化状态，该剖面岸滩整体淤积现象十分明显，平均淤积速率可达1.5 m/a。

图7 夏季年度监测剖面冲淤变化Fig.7 Theannual erosion-deposition variation of the beach profiles in summer

3.2.4 监测桩数据变化特征

为了进一步了解滩面侵蚀或淤积状况，在监测剖面P01，P03，P05各布设3个监测桩，自海向陆记为1，2，3号，定时测量监测桩的高度及高滩监测桩到沙丘的距离。高度的变化代表滩面下蚀或淤积程度，到沙丘距离变化表示沙丘后退或淤进情况。3个剖面部分监测桩数据如表1所示，对比不同时间的监测数据可以看出，在2013-12-2014-06的时间段内，P03剖面有明显变化，该处滩面淤积0.83 m，淤积速率达到1.66 m/a。其他剖面的侵蚀与淤积现象并不明显。由表1中坡脚距的变化可以发现，除P05剖面后滨沙丘有小幅度淤进现象外，其他剖面后滨沙丘呈现后退趋势。

2014-07热带风暴“威马逊”登陆华南沿海，通过对比2014-06-09的监测数据可知，监测区域海滩发生巨大变化，后滨沙丘后退现象严重，最大可达20 m。中高滩监测桩高度变大，下蚀现象十分明显，平均下降0.7 m左右。部分剖面中滩存在淤积现象，这是因为在经过大型风暴潮的侵袭，海岸后退所侵蚀下来的泥沙被搬运到离岸区，泥沙向海搬运的结果，使近岸区滩面下蚀，在离岸区堆积，部分地区形成沿岸沙坝[7]。

表1 剖面监测桩数据(m)Table 1 The data of the monitoring stakes along the profiles

3.3 沉积物平均粒径变化特征

研究区表层样品砂含量占95%以上，砾、泥质以及贝壳等生物成分含量较少，对沉积物粒度分析影响较小。样品平均粒径介于0Ф～1Ф之间，属于粗砂。粒度频率曲线分布多为单峰，近于正态分布，表明沉积物物源单一或其沉积作用受稳定的水动力条件控制[8]。由于长期受到沿岸波浪活动的作用，海滩沉积物分选往往较好，研究区表层样品中，分选处于好、较好、极好总和占95%以上。仅5%表层样的分选中等或较差。

不同沉积环境中沉积物的粒度参数存在差异。同时，沉积物粒度参数在空间上的变化也能反映出沉积物搬运过程的差异性。这些参数主要包括平均粒径(Ф)、分选系数(δ)、偏度和峰态等[9-10]。本文主要利用平均粒径(Ф)来分析东海岛2013年度岸滩剖面粒度变化特征，可以反映出研究区域内的水动力状况及沉积物的搬运趋势[11]。

对采集的沉积物进行粒度分析，并绘制平均粒径空间分布图(图8)。总体上沉积物平均粒径存在“南北差异”的分布特征，少数站位的沉积物与周边的沉积物略有差异，这是因为个别采样点粒度参数偏大或偏小。研究区南部，Ф值粒径相对较大，砂质更细，且Ф值粒径具有沿岸向北变大的趋势；同时，沉积物的平均粒径也存在着“海陆差异”。研究区域沉积物Ф值粒径沿岸呈条带状分布，向海方向沉积物粒径值逐渐变小，沉积物逐渐变粗。

对比分析2013-02-06平均粒径数据，北部区域沉积物平均粒径变大，表明此处岸滩附近水动力环境较强，表层细砂被海水搬运，露出下层粒径较大的砂体，因此，此处岸滩主要以侵蚀状态为主。岸段中南部向陆一侧平均粒径变小，这表明相邻岸滩粒径较小的砂体运移，在该岸段淤积，与岸滩剖面监测情况基本相符。通常来说，沿着沉积物运移的方向，沉积物有逐渐变细的趋势[12]，根据2013-06和2013-12的平均粒径分布图中蓝色和橘黄色区域的分布变化可以发现该岸段砂体有整体向北运移的趋势，同时北部地区有向陆运移的趋势。这表明研究区域波浪、潮汐等自然因素发生了变化，产生砂体平均粒径分布的变化[13]。

图8 样品粒度参数空间分布Fig.8 The spatial distribution of grain-size parameters of the samples

3.4 监测岸段短期冲淤变化主要影响因素

当海滩处于相对稳定的地质条件与动力环境下，各部分相互协调组成了一个完整的自然体系，其形态具有自我调节的能力[14-16]。东海岛东北部典型岸段在监测期内冲淤变化明显，其变化原因是由多种因素造成的，总体上分为自然因素和人为因素。其中，海平面上升是长时间尺度因素，短时间内影响较小；波浪、潮流是海底供砂的主要动力，是海滩砂的重要补给；风暴潮侵蚀能力强，短时间内可造成岸线大幅后退，是岸线侵蚀的主要自然因素；人为因素对海滩的影响明显，虾池排污即可直接冲蚀滩面，又可阻断沿岸流供砂，对海滩的破坏作用最为严重；人工构筑物灯塔通过改变周围流场，引起海滩的冲淤变化。

3.4.1 风暴潮

风暴潮是海滩发育和演化的主要动力因素。其过境所伴生的强风和气压骤变所引起的海上大浪和水位变化剧烈地作用于海滩，在短时间内对海滩地形地貌产生严重影响[17-20]。东海岛位于太平洋西岸，濒临南海，是西太平洋台风登陆中国的主要地区。每年登陆中国的9.5个台风中，广东省占3.5个。风暴潮一般发生在每年4-11月。

2014-07强热带风暴“威马逊”过境，在小时间尺度上对东海岛研究岸段造成了严重的海岸侵蚀现象。以表1中2014-06为界，分别从岸滩冲淤变化速率、变化幅度和后滨沙丘运动情况等方面说明风暴潮对研究区域岸滩的影响。对比2013-12-2014-06监测桩数据发现，P01剖面呈现小幅度侵蚀现象，平均侵蚀速率约为0.4 m/a，后滨沙丘处于缓慢后退趋势，后退速率约为0.24 m/a；P03和P05剖面呈现淤积趋势，其中P03剖面淤积现象明显，该处滩面淤积0.83 m，淤积速率达到1.66 m/a，后滨沙丘处于后退状态，后退速率为1.34 m/a；P05剖面后滨沙丘以1 m/a的速度向前淤进。

对2014-06和2014-09的监测桩数据进行比较可以发现，东海岛监测区域岸滩发生巨大变化，P01剖面高滩侵蚀现象严重，侵蚀速率达到原来的15倍，后滨沙丘后退10.94 m，远大于风暴潮之前的后退速率；P03与P05剖面岸滩由淤积变为侵蚀，在短短两个月时间内，P03剖面监测桩高度基本与2013-12持平，P05剖面监测桩高度较2013-12高出0.53 m，两剖面后滨沙丘变化幅度巨大，后退距离均超过16 m。因此可以看出风暴潮在短时间内即可对海岸造成重大侵蚀。后滨沙丘后退、滩面蚀低、岸线向陆迁移是风暴潮的主要地貌响应[21]。

3.4.2 人为因素

东海岛是全国最大的对虾养殖基地，研究区高滩之上，虾池遍布，虾池排污水直接向滩面排放，造成海滩的大量冲蚀。冲沟成S型，最大下蚀深度达1 m以上，直接影响面积近500 m2。除直接冲蚀滩面外，排污水流阻断沿岸泥沙的搬运，使得滩面物源减少。研究区域南部的P01剖面受排污活动的影响，该剖面在监测时间段内一直处于侵蚀状态，且滩面下蚀现象剧烈，平均侵蚀速率为1 m/a(图6a)，大于相同时间段内其他剖面的侵蚀速率。从冬季岸滩剖面冲淤变化特征中可以发现，当其他剖面呈现淤积特征时，只有虾池附近P01剖面呈现出与其他剖面不同的变化趋势，呈侵蚀现象，并且滩面下蚀明显。

低滩灯塔的存在，使其周边流场发生变化，水动力的侵蚀使得构筑物周边水深变大，形成以构筑物为中心的盆状凹地，造成P03剖面附近海滩滩面宽仅60 m左右。对比冬季和年度岸滩剖面的冲淤变化情况可以发现，临近灯塔海滩变化情况与其他剖面不同，岸滩淤积情况比较明显，最大淤积可达2 m以上。同时该区域岸线后退严重，平均后退距离为9.7 m。灯塔等海岸建筑物可以引起其周边波、流发生变化。同时波浪的折射、绕射使得一些区域波浪能量聚集，一些区域波浪能力辐散，由此，海滩也相应地向着新的稳定状态变化[7]。

4 结 论

通过无人机遥感、岸滩监测剖面、监测桩和沉积物粒度分析等手段研究了东海岛东北部典型岸段短期冲淤变化特征及其影响因素，结果表明，研究区域岸线以后退为主，岸滩剖面主要呈现侵蚀状态，沉积物平均粒径分布受水动力状况变化影响。具体结果如下：

1)低空无人机遥感解译表明，岸线在一年半的时间内发生较明显变化，整段岸线后退前移均有，以后退为主；灯塔附近200 m岸线后退最为明显，平均后退距离约10 m左右，最大后退距离达到18 m。

2)岸滩剖面夏季年度变化以侵蚀为主，侵蚀严重部位一般在低滩，最大下蚀可超过1 m。半年度剖面结果显示，岸滩存在冬淤夏冲的特征，监测桩数据表明，受风暴潮的影响，大部分岸滩高滩发生侵蚀，后滨沙丘后退严重，最大可接近20 m。

3)研究区沉积物的平均粒径分布存在着“南北差异”和“海陆差异”，北部地区砂质较粗，南部地区砂质较细；从海向陆Φ值增大，砂体平均粒径减小。沉积物具有沿岸向北和向岸运移的趋势。

4)风暴潮、虾池排污、灯塔构筑物是影响东海岛短期岸滩冲淤变化的主要因素。

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Received: October 27, 2015

Short-term Coastal Erosion-deposition Variation Analysis of Northeastern Donghai Island

YANG Qi-zheng1, LI Ping1, GAO Wei1, YANG Qing-le1, CHEN Ben-qing2,ZHANG Tong-hui3, ZHOU Hang1,GAO Shan1

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China; 2.TheThirdInstituteofOceanography,SOA, Xiamen 361005, China; 3.GuangdongOceanandFisheryEnvironmentalMonitoringCenter, Guangzhou 510222, China)

Based on a combination of UAV remote sensing technique, monitoring profiles, monitoring stakes and grain-size analysis for surface sediment, this study analyzed the spatio-temporal erosion-deposition pattern of the coastline in northern Donghai Island. The results showed that the coastline of the study area retreated significantly during the 1.5-year observation period, with an average of about 10 meters in the most severe erosional section. Coastal erosion mainly occurred in summer, and the most intensive erosion was concentrated in the lower tidal flat where a maximum of >1 m vertical-erosion was observed. A "Winter-deposition, Summer-erosion" pattern can be determined from half-year monitoring results. Impacted by the intensive storm surge, the study area experienced dramatic erosion during June-September in 2014, during which some back-shore dunes were retreated by about 20 meters. Grain-size distribution of the surface sediment showed that the surface sediments were mainly transported northwards and landwards along the coast. Strong storm surges, pollution releasing from shrimp ponds, and the construction of lighthouse, should be mainly responsible for the erosion-deposition changes in this area.

Donghai Island; coastal erosion-deposition; grain-size parameters; UAV remote sensing system

2015-10-27

海洋公益性行业科研专项——我国典型海岛地质灾害监测与预警示范研究(201005010)； 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——近50年来广西大陆岸线变迁及其与人类活动的关系(2012G09)

杨奇铮(1991-)，男，辽宁海城人，硕士研究生，主要从事海洋地质与灾害地质方面研究.Email: yangqz91@163.com

*通讯作者：李 萍(1972-)，女，内蒙古赤峰人，研究员，博士，主要从事海洋地质与灾害地质方面研究.E-mail：liping@fio.org.cn

P736

A

1671-6647(2016)04-0532-10

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.009