粤东南澳岛青澳海滩侵蚀退化风险评价及其安全调控

李 平杜 军张志卫徐国强

(自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061)

滨海沙滩是非常宝贵的旅游资源,是开展海浴、沙浴和日光浴最佳场所,亦是海洋与陆地天然缓冲器[1]。海滩在激浪作用下堆积形成,是海岸带最活跃地貌单元之一[2]。我国不同地域海滩旅游差异显著,自然环境佳、交通便捷的海滩人满为患,远超其承载能力超负荷工作,另一些海滩鲜有游客光顾。海滩游客激增,过度使用,海滩侵蚀退化增加,出现明显的滩面物质粗化或泥化现象、坡度变陡、海滩萎缩和水体污染加剧等迹象。此问题出现原因及防治措施,尚无更好对策,主要原因在于对沙滩物质运移规律与演化机制认识不足。

海滩作为非常宝贵旅游资源,其质量关系到海滩受青睐的程度,如何客观全面地评价海滩质量,一直是学界关注的热点[3]。近年在海岛海滩侵蚀范围与程度逐步加剧形势下,海滩侵蚀风险评价作为表征海滩侵蚀趋势方法,进一步评估侵蚀发生可能性及其发展趋势。监测评价后认为狭窄的玉带滩沙坝存在决口风险[4],对废黄河三角洲侵蚀脆弱性进行评估[5],对海州湾海岸侵蚀进行了基于风险评价影响因子的体系构建[6]。近年海平面上升,海滩宽度缩窄、坡度变陡和滩面物质粗化等海滩退化问题日趋严重,引起广泛关注,成为海岸工程研究的热点[2]。然而,何为海滩侵蚀风险?评价因子如何选择?不同学者关注重点与角度不同,给出不同定义与解释[7]。海滩侵蚀风险评价工作有限,虽然定义不尽相同,但风险评价核心在于对侵蚀程度及灾变预测,基础在于准确的侵蚀过程监测及主导因素分析。

粤东南澳岛位于南海沿岸海陆交汇海域,岛东部青澳湾面向南海,属于典型岬湾-沙坝海岸地貌,保存了完整的沙坝-澙湖体系[8]。本文在总结前人工作基础上,围绕海岛海滩退化过程及其与旅游开发作用与关系开展研究,以期为严重侵蚀海滩提供科学可行的安全调控措施建议。依据南澳岛主要海滩自然特征,开发现状及侵蚀风险评价,对青澳湾沉积物、水深地形以及潮流动力调查,根据青澳海滩及海湾沉积物、水深地形和岸线修测结果,探讨青澳湾海床蚀淤动态、青澳海滩演变动态及其安全调控。

1 南澳岛海滩资源状况

南澳岛是广东唯一海岛县,也是全国14个海岛县中唯一4A级旅游区。南澳岛面积约110.89 km2,全岛岸线长约84.30 km,其中砂质岸线13.00 km。2015年南澳大桥通车后,海滩旅游发展迅猛,游客人数猛增。青澳海滩是南澳岛龙头景区,位于最东端半封闭星湾月海湾,海湾形似新月,湾口方向东南,湾顶发育海滩,海滩坡缓而平,是广东仅有的2个A级天然海滨浴场之一。

采用遥感影像解译量算与实地调查验证相结合的方法对南澳岛海滩的分布、规模和短期动态等特征进行统计(表1),统计结果表明南澳岛主要海滩12处,其中长度大于700 m的海滩6处,较集中分布在海岛东部和南部,其中浅水湾沙滩和青澳沙滩自然环境与配套设施最佳,游客集中(表2)。

表1 南澳岛海滩资源概况Table 1 Beaches in the Nan'ao Island,Guangdong province

续表

表2 南澳岛主要海滩特征参数Table 2 Characteristic parameters of main beaches in the Nan'ao Island

为探讨青澳海滩稳定性与侵蚀灾变风险及其安全调控对策,布设了监测剖面与取样站位,测量岸滩水深地形,分析沉积物、潮流。剖面、站位布设兼顾海滩规模、开敞度等特征,确保测量反映海滩所有自然特征,长度大于1 km海滩断面间距150 m,长度小于1 km海滩断面不少于5个。采用动力沉积与地貌演变分析相结合方法对海滩岸线变迁、岸滩蚀淤变化、稳定性机理进行探讨。

2 南澳岛海滩侵蚀风险评价

2.1 海滩侵蚀风险评价模式

海滩侵蚀风险评价主要对评价海滩侵蚀现状及其发展趋势进行评估预测。在对目标海滩侵蚀现状、灾变过程及主导因子进行分析基础上,梳理参照前人关于海岸侵蚀风险评价方法体系,根据海岛海滩演变特征,遴选反映侵蚀风险特征的指标因子,确定评价标准建立评价方法体系。根据评价结果与海滩侵蚀监测结果,经过多轮改正完善该方法体系,对评价因子进行科学选择。

海滩侵蚀风险包括退化危险性程度、海滩自身易损性和海滩防护能力三方面。实际上海滩侵蚀灾害风险评价难以区分海滩易损性与抗风险能力。例如区域GDP(国民生产总值)在海滩易损性和抗风险能力两方面互为矛盾,区域GDP愈大灾损越大,但对抗风险能力来说,区域GDP愈大灾害处理能力(如灾后补助能力)越强。依据准确性和可操作性原则,对风险评价指标体系进行检验—调整—再检验—再调整,建立适用于南澳岛的海滩侵蚀风险评价指标体系(表3)。

风险评价对各评价指标量化,对目标海滩开展风险评价。由于各指标参数的单位不同、量级不同很难将其合并进行运算,进行标准划分再量化分级。定义N=(g+h+Hw)/3,Hu=u,M=r；危险性因子H=N×20%+Hu×10%+M×70%,其中N为自然因素,Hu代表人为因素,M为海岸动态因素,V为侵蚀海岸易损性,C为侵蚀风险防范能力。根据危险性系数H划分危险性等级:1～1.6为低危险性；1.6～2.4为中危险性；2.4～3.0为高危险性。易损性(V)/能力(C)的值介于1/3～3。软质海岸侵蚀风险指数侵蚀风险指数值介于1/3到9之间,将海岸侵蚀风险划分为三个等级:1/3≤R＜3为低风险,3≤R＜6为中风险,6≤R＜9高风险。

表3 海滩侵蚀风险评价指标体系Table 3 Evaluation index system of beach erosion risk

2.2 南澳岛海滩侵蚀风险评价

南澳岛交通便利,海滩质量及设施俱佳,管理科学规范,部分海滩通过升级可改造成为热门旅游胜地,具有发展成为优质海水浴场潜力。评价数据源于实测数据和统计年鉴,海滩动态包括淤积、稳定和侵蚀三等级,淤积和稳定岸段无侵蚀速率,不同岸段侵蚀速率不尽相同,侵蚀速率根据不同期次遥感影像解译对比,以及地形图及实测岸滩和水深数据计算(表4)。

利用构建的评价模式对南澳岛12处目标海滩进行评价因子赋值,评价风险等级,结果显示,高风险海滩4个,中等风险7个,低风险3个(表5)。总体而言南澳岛海滩侵蚀风险等级较高,对中风险等级海滩应组织开展海滩跟踪监测,及时关注海滩动态；对高风险等级海滩应在探究发育机制,制定有针对性的科学方案进行修复整治,修复方案需既要充分考虑海滩自然和利用现状,又进一步从驱动因子入手,实施软硬工程相结合治理方案。

表4 南澳岛海滩侵蚀风险评价因子量值Table 4 Risk assessment factor value of beach erosion in the Nan'ao Island

表5 南澳岛海滩侵蚀风险评价结果Table 5 Results of beach erosion risk assessment in the Nan'ao Island

通过南澳岛海滩资源侵蚀风险评价及其评价结果,对于南澳岛海滩遭受侵蚀的可能性及其侵蚀灾变趋势的空间差异性具有全面而总体性的认识。实地调查与侵蚀风险评价结果具有一致契合度,例如青澳沙滩侵蚀风险评价结果属于高风险等级,实地调查发现该海滩侵蚀退化明显,侵蚀陡坎高差大、沙滩粗化严重、坡度陡化严重,岸滩冲淤变化频繁,表明建立的侵蚀风险评价方法具有科学性,评价结果能够反映海滩侵蚀灾变风险。海滩侵蚀主导因子在构建的海滩侵蚀风险评价因子体系均有涉及,各因子贡献不同在海滩侵蚀风险评价中权重不同。另外,尽管各方法中因子权重有差别,但使用同一种方法对南澳岛主要海滩侵蚀风险进行评价,评价结果在一定程度上真实反映了各海滩在侵蚀风险方面的地域差异,及各岸段海滩遭受侵蚀破坏原因。

遴选的评价因子既包括了自然因素、海岸动态,也包括了不同岸段社会经济发展的差异性,这些不同因子构成了制约海滩侵蚀的主导因素,也是海滩遭受侵蚀原因,只是在某一岸段,各因子贡献不同,两者息息相关。青澳海滩面向开阔外海,波浪作用强劲,易起动泥沙造成泥沙流失、引发海滩侵蚀破坏；海滩无序、超负荷的开发也加剧了海滩侵蚀。就空间分布总体变化与特征而言,侵蚀风险较大岸段,一般侵蚀比较严重,或者开发强度很大,或者所在海域波浪强劲,从后续的发展态势上看继续遭受侵蚀破坏可能性大。

3 青澳海滩自然现状与演变过程

南澳岛青澳湾位于南澳岛东端星弯月海湾内,青澳海滩位处青澳湾湾顶,海滩长度大约1 350 m,规模适中,新月形半封闭形状海湾的遮蔽作用形成的“流小浪弱”的海湾环境对青澳海滩有一定保护作用(图1)。

图1 南澳岛青澳海滩遥感影像Fig.1 Remote sensing image of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

3.1 沙滩沉积物及其变化特征

南澳岛东部、东南近岸底质以基岩礁盘为主,南部和西部底质以沙泥类型为主。为分析青澳湾底质沉积物特征,在青澳湾和青澳海滩进行表层沉积物取样,在自然资源部第一海洋研究所粒度分析实验室进行了沉积物粒度参数分析工作。现场取样分析青澳海滩沉积物以中细沙为主,海滩坡缓水下地形平坦。

图2 南澳岛青澳湾底质沉积物分布Fig.2 The sediment distribution of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

青澳湾底质沉积物以砂为主,仅个别站位为粉砂,砂组分为98.6%～100%,平均99.8%(表6),中值粒径0.8Φ～3.0Φ,平均2.31Φ,平均粒径在0.9Φ～2.9Φ,平均2.25Φ。沉积物分选系数为0.44～1.02,平均0.63；偏态范围为-0.46～0.14,平均值-0.22；峰态变化范围为0.34～2.03,平均0.75。动态变化方面,横向上自陆向海中值粒径有增大-变小-增大变化趋势,总体上沉积物趋于粗化；沿岸方向,自海滩中部向两侧,沉积物中值粒径趋于变小。2015-01沉积物粒径较2015-09粒径粗,这与冬季偏北向风强劲、水动力增强有关。

与海滩沉积物类型与组分颗粒分级特征极其相似,青澳湾海底表层沉积物以砂为主,仅海湾两翼个别站位沉积物偏细,包括粉砂质和黏土质沉积物类型(图2),粒径从湾顶向湾口趋于粗化,表明岸滩与海湾海床之间存在频繁而剧烈的物质交换,海滩物质主要来源于湾内海床沉积物。

表6 南澳岛青澳海滩底质沉积物参数及其变化Table 6 Parameters of Qing'ao beach sediments in the Nan'ao Island

3.2 岸滩演变动态

青澳海滩岸滩动态(岸线进退、剖面蚀淤)存在明显的纵向区域差异和横向不同地貌部位蚀淤分化特征。2015-01—09期间青澳海滩两期次岸线修测比较表明海滩岸线呈现进退变化相间分布,而蚀淤变化幅度不大(小于1.8 m,平均0.6 m),海滩岸线处于稳定状态,未发生快速进退变化。

通过2015-09和2016-06两次测量地形南澳岛青澳海滩5条覆盖海滩代表性剖面(剖面间距150 m),绘制剖面地形变化过程(图3)量算海滩剖面变化,监测结果反映了岸滩剖面变化过程及特征。结果表明,2015-09—2016-06期间所有剖面垂向蚀淤变化幅度不大(平均0.45 m,最大1.20 m)。海滩不同位置剖面比较发现,大致海湾中部剖面侵蚀破坏更显著,海湾两翼剖面弱侵蚀或淤积变化特征明显,且主要发生在滩面上部(后滨)。横向比较来看各剖面变化不同,差异明显、类型多样,其中剖面1和剖面5呈现“上淤下冲”变化特征；剖面2呈现“上冲下淤”；剖面3呈现整体淤积变化；剖面4呈现整体冲刷。

图3 南澳岛青澳海滩剖面变化过程Fig.3 The profile variations of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

4 讨 论

青澳海滩蚀淤变化具有明显特征与规律,南澳岛海滩侵蚀风险评价结果证实侵蚀风险空间分异主要由海滩自身环境及其动力环境共同决定。

4.1 青澳海滩蚀退机制

岸滩稳定取决于泥沙来源、水动力和海岸地形三大因素动态平衡[9]。岸滩在泥沙运动与水动力变化共同影响下处于侵蚀与淤积动态变化,海滩蚀退演变根本原因在于动力环境变化、泥沙供给减少,海平面持续上升以及无序的海洋工程建设。

海滩退化影响因子多,机制复杂,系统内部沉积物收不抵支、入不敷出,则发生侵蚀退化。强劲波浪动力将泥沙搅起,潮流作用下发生横向移动或沿岸输运,局部海域发生泥沙流失亏损进而海滩被侵蚀破坏。为探讨海湾水动力对海滩影响,2015-09在青澳湾内布设了潮流观测站位以开展准同步调查,结果表明大潮期C1站实测最大流速7 cm/s,流向314°,C2站实测最大流速20 cm/s,流向46°；小潮期C1站最大流速7 cm/s,流向220°,C2站最大流速16 cm/s,流向36°(图4)。涨急海域主流向偏NE向,南澳岛东南端流速大(＞0.6 m/s),东侧青澳湾受岛屿岬角掩护流速较小,落急海域主流向偏SW向。青澳湾潮流落潮优势流(SE向)强于涨潮优势流(NW向),对于由湾外潮流携带泥沙输运进入湾内具有明显的抑制作用,近岸湾顶C1站流速明显小于湾口C2站,表层流速最大底层流速最小,由湾外进入湾内泥沙减少,潮周期泥沙以向湾外输运为主,单宽每天净输沙量3 400 t。

沿岸输沙是砂质海岸泥沙运动重要方式,依据《海港水文规范》[10]计算青澳海滩沿岸输沙参数:

式中:q为沿岸输沙率(m3/s),δ0为深水波陡,Cb为破碎波速,nb为波浪动力系数,αb为波浪破碎时波锋线与等深线间夹角(°)；K为输入系数,D为泥沙中值粒径；db为波浪破碎水深；Lb为波浪破碎波长。

图4 青澳湾潮流矢量图(大潮)Fig.4 Tidal current vector map of the Qing'ao Bay(tide)

青澳湾呈半封闭,SW—NE走向,湾口为SE向,北向和西向波浪对海滩作用有限,选取了ESE—SE—SSE向波浪进行输沙计算(表7)。沿岸输沙计算结果表明青澳沿岸输沙量不大,向东北向输沙率2.53×104m3/a,西南向输沙率4.21×104m3/a,净输沙率为1.68×104m3/a,方向偏西南。强劲的涨潮流携带大量泥沙通过狭窄湾口进入湾内,海湾两翼动力弱泥沙易落淤发生沉积,沿岸输沙在半封闭海湾内由中部向两侧输送。

表7 青澳海滩沿岸输沙(×104 m3·a-1)Table 7 Sediment transportation along coast of the Qing'ao Beach(×104 m3/a)

4.2 青澳海滩侵蚀退化与安全调控

青澳海滩资源丰富、质量优,海滩旅游配套与安全警示标示齐全,海滩管理制度科学可行,赴岛游客超过60%选择了青澳海滩。风险评价显示青澳海滩面临潜在的侵蚀退化风险,且呈加剧发展态势。游客数量的大幅增加导致海滩的超负荷运行,统计南澳连岛大桥建成之后青澳海滩游客数量增加了近30%,占滩建筑数量增加了一倍,海滩处于极度过载运营状态,造成了海滩泥沙供给平衡的破坏及其纵向物质交换受到极大干扰,由此必然加剧了游客安全威胁。

优化海滩开发利用方式,实行生态化管控及科学调控。海滩开发利用方式单一粗放,赴岛游客数量大幅攀升,且游客群体类型单一、时间集中。海滩管理不精细,未进行有计划的调控与科学引导,安全警示标志不齐全规范,沙滩生境环境恶劣,不利于沙滩植被生长,沙滩后缘构筑物植被带缺乏规划,易造成地基侵蚀掏空。海滩滩肩甚至出现了整体大幅侵蚀后退,无序人工占滩建筑加强了局部水动力。

海滩安全调控从海滩稳定及其游客安全采取措施,完善“沙丘—海滩—沙坝—潜堤”海滩体系与景观格局,实施科学有效生态调控策略。发展旅游、购物、休闲度假为一体综合旅游链,改变游客时间集中、群体单一等弊病。对于其他条件好、具备发展潜力海滩加大开发力度,形成各具特点以青澳海滩为龙头的海滩群。拓展提升基础及其配套设施,以满足旅游多方需求,改善海滩游客旅游娱乐环境。依托该沙滩形成食宿设施齐备、休闲度假安全保障齐全的旅游度假村,形成食宿设施齐备,配套设施包括安全标志、警示标志等均比较齐备了完善的管理制度、安全防护措施,配套设施包括安全标志、警示标志等均比较齐备。

5 结 语

南澳岛海滩资源禀赋佳,然而海滩侵蚀退化趋势明显,海滩及其旅客存在安全风险。本文利用建立海滩侵蚀风险评价方法开展海滩侵蚀风险评价,表明该评价方法科学可行,反映不同海滩侵蚀退化风险的空间差异,南澳岛近半数海滩侵蚀退化风险等级高,面临进一步侵蚀破坏风险。以严重侵蚀青澳海滩为例,探讨海滩侵蚀退化机制及安全调控建议。青澳湾以粗粒砂沉积物为主,岸线进退、岸滩蚀淤变化受泥沙供给与动力状况共同影响,存在明显横向蚀淤分化。泥沙动力沉积显示青澳湾落潮优势流强于涨潮优势流,其对于湾外潮流携带泥沙进入湾内具有抑制作用。青澳海滩动力季节变化、泥沙供给区域分异是海岛海滩规模与分布控制性因素,游客量季节性与海滩到达便捷性是直接影响海滩开发成熟性。青澳海滩存在 “无序海滩建筑,污水肆意排放,安全管理不规范”等问题,游客存在着潜在的安全风险隐患。丰富海滩资源与便捷交通加速了海滩承载负担与退化,无序无度占滩建设影响了海滩物质供给交换,打破了海滩系统平衡,加速了海滩退化,建议规范海滩开发行为,制定海滩开发红线与安全标识,实现海滩可持续生态开发及科学管理。