山东半岛东南部典型砂质岸滩季节性演化及控制因素探讨——以海阳万米海滩为例

解航，杨怡红，朱龙海,3，张晓东,3，胡日军,3，尹砚军，冷星

1. 中国海洋大学海洋地球科学学院，青岛 266100

2. 山东省海洋工程咨询协会，济南 250013

3. 中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，青岛 266100

海岸带是海洋与陆地相互作用的地带，占全球岸线总长约1/8 的砂质海岸是海岸带中最敏感的区域之一。海滩周围的水动力环境、泥沙条件及海滩沉积物特征共同塑造了海滩丰富的地形地貌特征[1-2]。海岸带地区人口密度约为世界平均水平的3 倍；我国大陆海岸线总长约18000 km，近半数的人口生活在沿海地区[3]。前人将海岸线类型概括为5 类：粉砂淤泥质岸线、砂质岸线、基岩岸线、生物岸线和人工岸线[4]。其中，占全球岸线总长13%的砂质岸线在全世界范围内的分布十分广泛，我国砂质海岸主要分布在东北部、东部和南部沿海地区[5]。山东拥有长达3121 km 的海岸线，占全国海岸线总长的1/6，滨海旅游业产值约占海洋产业总产值的2/3[6]。在山东绵长的岸线上，分布有百余处滨海海滩，空间分布均匀，海滩类型以沙坝潟湖海岸最多[1]。海阳市位于山东半岛东南部海岸线的中间处，其南部沿NE-SW 方向分布有绵延近30 km 的砂质岸滩，偶有基岩岬角分布，著名的海阳万米海滩旅游区便位于此处。该区域岸线周围有河口、基岩岬角、港口、人工岛等众多自然和人工要素分布。

海滩是重要的滨海旅游资源，海滩的形态和表层沉积物变化与波浪等自然因素和海岸工程建设等人为因素有关，其所造成的影响往往可以作用于数百千米的海岸线[7]。自20 世纪初以来，不断有国外学者对海滩剖面形态和表层沉积物的演化特征和控制因素进行研究[8-14]，80 年代以来，诸多国内学者开始通过调查分析对我国砂质海岸分布特征、侵蚀现状和侵蚀原因做了总结与概括[15-20]。对于山东半岛砂质海岸的研究更多集中于海滩的侵蚀现状及原因，且选择的典型区域相对集中在半岛北部和东部[21-31]。前人对于海阳南部砂质岸滩的研究，主要是通过以数值模拟为基础结合实测资料来探讨近岸人工构筑物对其周围砂质岸滩的影响[32-36]，或极端天气对沙滩造成的短促破坏[37]。

综上，国内外学者对岸滩演化开展了众多研究，取得了丰硕成果。然而，海滩的演化受泥沙来源、海洋动力和工程建设等共同影响，具有区域差异性，这些差异的形成和发育是海岸环境演变的一个重要组成部分[38]，既反映了海滩的地貌格局，同时也显现出海岸动力过程与海岸工程环境对海滩的共同作用。据此，本文以实测资料为基础对研究区不同岸段海滩剖面形态和沉积物粒度特征的季节变化差异进行研究，并根据研究区气象水文资料和浪潮作用指数的计算结果，结合前人成果对控制研究区海滩季节性变化和差异的原因进行探讨，以求对探究中国北方，尤其是山东半岛东南部区域砂质海岸的演化规律起到一定的指示作用。

1 研究区概况

研究区位于山东半岛东南部、烟台海阳市南部的万米海滩区域，如图1 所示，南临黄海，介于海阳港和丁字湾之间。海阳万米海滩位于山东半岛东南部海岸线的中间处，此处沿NE-SW 方向分布有绵延近30 km 的沙坝潟湖海岸[1]。海滩中部有东村河入海，为季节性河流，向海输沙量较少，仅在丰水期有少量泥沙向海输运，枯水期流量微小或断流，基本无泥沙向海输运[33]。研究区地处北温带，具有典型的大陆性海洋季风气候特征，各季节特征明显。夏季多偏南风，偶有台风天气，平均每年1—2 次[39]；冬季则多偏北风；春、秋两季南北风转换交替出现。

图1 研究区地理位置及取样站位图Fig.1 Location of the study area

研究区潮汐以规则半日潮为主，平均潮差2.24 m，四季变化不明显。海流以潮流为主，主要为正规半日潮流，潮流运动形式为往复流，主流向为E-W 向，大潮期间涨、落潮流最大平均流速分别为0.37、0.32 m/s；小潮期涨、落潮流最大平均流速分别为0.18 和0.17 m/s[36]。研究区海浪的主导波型呈现季节性交替变化，春季和冬季以风浪为主、夏季以涌浪为主，秋季风浪、涌浪频率相当[40]，常浪向为SSW 向，次常浪向为S 向和SW 向；强浪向为SE 向，最大波高为5.8 m，次强浪向为SSE 向，最大波高为3.9 m[41]。

研究区泥沙来源为研究区内部的东村河和东侧约11.7 km 的留格河，以及丁字湾和乳山口两个海湾。其中位于研究区西侧约12.7 km 的乳山口的泥沙受海流影响，主要向南输运，对研究区泥沙贡献较弱；而位于研究区西侧约10.4 km 的丁字湾，其泥沙受沿岸流影响，自西向东输运，为研究区最重要的泥沙供应源[42]。

2 数据与方法

2.1 地形测量

海滩剖面监测是研究海滩地形变化的重要手段 之 一[43]。2018 年10 月、2019 年1 月、5 月和8 月，中国海洋大学在海阳万米海滩开展了6 条剖面4 个季节的海滩地形测量，测线布设如图2 所示。在以往的研究中，每个剖面通常采用单一测线的测量结果进行岸滩演化的分析。从统计学角度来看，单一测线的测量具有一定的局限性，本次研究在主测线两侧各50 m 处分别布设一条测线进行同步测量，通过3 条测线的综合分析可更客观地反映海滩地形变化特征。测量前，在各剖面靠陆侧选择人工构筑物等相对稳定的标识物作为基准点，以利于各期测量结果的对比。采用华测X90 双频RTK 进行高程测量，水平精度±（10 +10-6）mm，垂直精度±（20 +10-6）mm。室内采用Grapher、Hypack、AutoCAD 和Surfer 等软件对测量结果进行数据处理和成图。

图2 研究区海滩地形测线Fig.2 Topographic lines and surface sediment stations in the study area

2.2 表层沉积物取样及实验分析

沉积物粒度参数一定程度上可以指示岸滩的沉积动力环境[44]，通过取样分析海滩沉积物粒度变化是了解海滩动态的重要手段[45]，因此在6 条海滩剖面测线位置，自岸向海每隔5～10 m 进行表层沉积物取样，取样起止点坐标见表1。取样时采用RTK进行定位，使用取样铲取表层2～3 cm 表层沉积物，样品质量均不少于500 g，并使用自封袋封装编号。海滩样品室内实验采用筛析法，使用孔径间隔为0.5Ф的标准筛和标准振筛机进行实验分析。此处选取水动力环境差异明显的滩肩和滩面的样品进行比较分析。

表1 研究区海滩滩肩表层沉积物取样起止点坐标Table 1 Coordinates of starting and ending points for surface sediments sampling on beach berms in the study area

3 结果

3.1 海滩剖面季节变化特征

本文获得了2018—2019 年4 个季节的海滩地形测量结果，为便于定量分析和比较，将各剖面4 次观测数据绘制成剖面图，在各剖面上标示平均高潮线（MHW）、平均低潮线（MLW）等主要特征潮汐水位，如图3 所示。从各剖面平面分布来看，受海阳港和连理岛影响，不同海滩剖面的季节变化存在较大的差异，如连理岛-东村河河口以西的T1、T2 和T3 海滩剖面季节变化幅度较大，以东的T5 和T6 海滩滩肩季节变化幅度较大。因此，为了更好地分析海阳万米海滩地形的变化特征，将6 条海滩测量剖面分成3 组（连理岛西侧的T1、T2、T3 剖面，连理岛北侧的T4 剖面，连理岛东侧的T5、T6 剖面）分别进行详细分析：

（1）连理岛-东村河以西海滩剖面变化

连理岛-东村河以西海滩长约7.70 km，相邻海域开阔。从陆向海分别为养殖场、风成沙丘、滩肩陡坎、滩面，部分养殖场外围建筑有防护工程，风成沙丘上有绿色植被覆盖。海滩地形较为平缓，滩面坡度约1∶55～1∶40。该岸段海滩人类活动较少，可较好地反映自然状态下的海滩变化。如图3 所示，各剖面变化特征为：秋季至冬季，滩肩以侵蚀为主，侵蚀量为0.11～0.37 m，侵蚀沉积物向海运移，部分堆积在滩肩下部，形成高约0.22 ～0.66 m、宽约20～40 m 的沿岸沙坝；冬季至春季，沿岸沙坝消减，沉积物向岸输运沉积，滩肩处微弱淤积，淤积量约0.20～0.60 m；春季至夏季，受2019 年9 号台风“利奇马”影响，海滩滩肩发生侵蚀，侵蚀量约0.21～0.46 m，其程度大于冬季，滩面下部发生淤积，同时在较之冬季离岸更远的位置（76～158 m）形成相对高度为0.21～0.64 m、宽度为28～53 m 的沿岸沙坝，以及多个规模较小的小型沙坝。

图3 连理岛-东村河以西、以北海滩剖面图Fig.3 Beach profiles to the west and north of Dongcun River of Lianli Island

（2）连理岛-东村河海滩剖面变化

连理岛-东村河海滩剖面位于连理岛以北，东村河入海口东侧的一处荒滩，人类活动稀少，该地位于人工岛屿“连理岛”向岸侧，原为东村河河口处发育的接岸沙嘴，整体地势较之西侧海滩略陡，滩面坡度约为1∶15。该处海滩后滨宽阔，滩肩上有大量低矮植被覆盖，从陆向海分别为风成沙丘、滩肩、滩面。从剖面形态的季节变化来看，测线T4-1 处呈现与西侧海滩相似的季节性特点，但变化幅度略小，而T4-2 和T4-3 处则呈现不同的变化特征。如图3 所示，该剖面季节变化特征为：秋季至冬季，T4-1 测线处滩肩微弱侵蚀，侵蚀量约为0.25～0.3 m，物质向下搬运，在滩面形成淤积，淤积厚度为0.21～0.24 m；冬季至春季，海滩剖面变化为“下冲上淤”，滩面被冲刷，物质向岸输运塑造滩肩，淤积厚度为0.28～0.45 m；春季到夏季，受台风“利奇马”影响，滩肩下部下蚀0.16～0.21 m，其程度大于冬季，滩面淤积0.24～0.28 m。测线T4-2 和T4-3 处则表现出不同的季节变化特征，其在强水动力季节中海滩整体呈现淤积状态。

（3）连理岛-东村河以东海滩剖面变化

连理岛-东村河以东海滩长约4.67 km，附近海域分布有人工岛和港口等人工构筑物。从陆向海分别为人工娱乐设施、风成沙丘、滩肩、滩面，沙丘上无植被覆盖。该区域海滩滩肩高，后滨较为宽广，滩面较窄，滩面坡度较之西侧海滩略陡约为1∶15～1∶10。该岸段海滩人类活动频繁，分布有多处已开发利用的滨海旅游设施，人类活动对海滩的影响强烈，尤以T5 测线处海滩更为明显。如图4所示，各剖面变化特征如下：

图4 连理岛-东村河以东海滩剖面图Fig.4 Beach profile to the east of Dongcun River on Lianli Island

T5 测线处海滩秋季至冬季，海滩剖面形态总体较为稳定，滩肩上部有0.05～0.08 m 的微弱侵蚀，下部则有0.16～0.21 m 的微弱淤积，滩面则有0.12～0.18 m 的微弱淤积；冬季到春季，滩面均有不同程度的侵蚀，尤其以T5-2 测线处最为严重，最大侵蚀量可达0.8 m，其原因可能与当地旅游旺季前，人类活动对该区域的改造有关；春季至夏季，受该地人类活动和台风“利奇马”影响，海滩滩肩发生严重侵蚀，最大侵蚀量可达1.32 m，滩肩略有淤积，淤积量为0.17～0.24 m。经过与前人对该区域受台风“利奇马”影响情况的研究结果[37]对比后发现，台风对该岸段的影响小于西侧岸段，故而造成春季到夏季滩肩严重侵蚀的原因可能为当地旅游旺季频繁的人类活动。

T6 测线处海滩秋季到冬季，滩肩和滩面均发生侵蚀，侵蚀量为0.21～0.37 m；冬季至春季，沉积物向岸运移沉积，滩肩处于微淤积状态，淤积量约0.20 m；春季至夏季，受2019 年台风“利奇马”影响，海滩滩肩发生侵蚀，侵蚀量为0.26～0.31 m，侵蚀沉积物向海运移，部分堆积在滩肩下部和滩面处，淤积量为0.34～0.59 m。

3.2 海滩沉积物平面分布季节变化

沉积物粒度参数是描述沉积环境的一个重要指标，其变化特征在一定程度上可以反映研究区沉积环境特点以及沉积物的输运过程。此处选取水动力环境差异明显的滩肩和滩面的样品进行比较分析。同时为方便描述，将各站位样品以东村河河口为界分为西侧（T1-T3）和东侧（T4-T6）分别描述、分析。

（1）平均粒径

如图5 所示，研究区海滩表层沉积物样品的平均粒径（Mz）为0.29～2.94Ф，其季节变化整体呈现以下特点：

秋季平均粒径呈现“西细东粗”的格局，其中西侧滩肩样品平均粒径为1.57～2.35Ф，滩面样品为2.09～2.44Ф，东侧的滩肩样品平均粒径为1.13～1.20Ф，滩面样品为1.74～2.94Ф；冬季整体变化趋势为西侧变粗而东侧变细，其中西侧滩肩样品平均粒径为0.60～1.19Ф，滩面样品为0.95～1.43Ф，东侧的滩肩样品平均粒径为1.28～1.71Ф，滩面样品为1.81～1.93Ф；春季滩肩样品平均粒径除T1 站位相对较粗（Mz=0.83Ф）以外，其余站位均为0.97～1.36Ф，而滩面样品除T4 站位相对较粗（Mz=1.08Ф）外，其余站位均为1.44～2.31Ф，其变化趋势为西侧变细而东侧变粗；夏季受到台风影响，整体西侧变粗而东侧变细，其中西侧滩肩样品平均粒径为0.29～1.04Ф，滩面样品为0.33～0.77Ф，东侧的滩肩样品平均粒径为1.06～2.01Ф，滩面样品T4 站位相对较粗（Mz=0.74Ф），T5 和T6 站位为1.87～2.10Ф，其变化趋势与冬季相似但程度有所不同。

（2）分选系数

如图5 和表2 所示，研究区海滩表层沉积物样品的分选系数为0.35～1.91，分选等级为好—较差。平面上，整体东侧海滩表层沉积物分选好于西部，且随季节变化，东侧分选情况较之西侧更为稳定；季节变化上，秋季到冬季，西侧海滩表层沉积物分选变差而东侧基本不变，这一现象体现了西侧岸段海滩表层沉积物对强动力条件的响应较之东侧更为敏感，西侧海滩的滩面样品尤为明显；春季，除T2 站位的滩面样品（δ1=1.37）和T6 站位的滩肩样品（δ1=1.40）分选较差外，全岸段分选情况稳定在“分选较好”；夏季西侧海滩滩肩表层沉积物分选变差而滩面变好，东侧除T6 站位分选变好外，其余站位分选情况基本不变，整体而言，除西侧滩面外，夏季海滩表层沉积物分选系数变化趋势与冬季相似，体现了海滩对不同动力条件的响应有所差异。

表2 研究区海滩滩肩表层沉积物分选等级季节变化Table 2 Seasonal variation of sorting coefficient of berm surface sediments in the study area

图5 研究区海滩表层沉积物平均粒径、分选系数季节变化图Fig.5 Seasonal variation of mean grain size and sorting coefficient of beach surface sediments in the study area

4 讨论

岸滩演化受波浪、潮汐和台风等自然因素以及工程建设等人为因素的共同影响（图6），下面分别对各因素的影响进行讨论和分析。

图6 研究区岸滩时空演化控制因素示意图沿岸净输沙引自任智会等[34]。Fig.6 Schematic diagram of controlling factors of temporal and spatial evolution of shorelines in the study areaNet sediment transport along the coast was quote from Ren Zhihui et al[34].

4.1 自然因素

（1）波浪

波浪向岸传播引起的质量输送流、破碎波产生的沿岸流及海岸水体堆积引起的离岸流等近岸流系是砂质岸滩的形成和发育最具影响的动力因素[38]。根据欧洲中期天气预报中心（ECMWF）2018 年秋季至2019 年夏季的气象水文数据（时间分辨率为6 h，空间分辨率为0.125°×0.125°）和《山东近海水文状况》[40]可知，研究区受季风气候影响，冬季有效波高最大，其余三季有效波高相近；冬季平均波向为东北向，春季、秋季为常浪向交替时期，波向分别为西南偏南向和东北偏北向，夏季为东南偏南向；研究区全年海浪波型呈季节性变化，冬季以风浪为主，夏季以涌浪为主，春、秋两季则为风浪涌浪混合作用。风对于研究区海滩地形以及表层沉积物粒度的作用主要是通过对波浪强度和方向的影响。从表3 可以看出，全年季风风向与平均浪向大致相符，虽然波浪的主导波型会因季节不同而发生改变，但研究区的风作为风浪形成的重要动力来源之一，在一定程度上促进了波浪对海滩的作用。同时由于陆地的遮挡，N 向和E 向波浪对研究区海域影响较小，S、W 向波浪影响较大。研究区浪向以S、SW 向为主，近岸海域有效波高呈自西向东、自北向南逐渐增大的趋势。

表3 研究区海滩滩面表层沉积物分选系数季节变化Table 3 Seasonal variation of sorting coefficient of beach surface sediments in the study area

前滨是波浪、潮汐作用最活跃的地带，海滩的变化主要发生在潮间带[46]。从研究区剖面监测结果可见，在冬季风盛行的2018 年冬季和受到台风侵袭的2019 年夏季，连理岛-东村河以西海滩普遍出现“上蚀下淤”的特点，这是由于强动力条件下波浪强度增大，水位增长，不断侵蚀滩肩，使得滩肩物质向下输运并在水下堆积形成沙坝，海滩坡度降低。沙坝的形成可以减缓波浪对海滩的侵蚀，进而形成“风暴剖面”。同时波浪强度和方向的季节性变化引起的近岸流系的变化影响了海滩的沿岸输沙和横向输沙状态[47-48]，使得细颗粒物质自岸向海垂向输运，同时沿岸线方向自NE 向SW 输运[34]。使得强动力季节连理岛-东村河以西海滩表层沉积物平均粒径增大、偏态值增大、峰态值减小。而在波浪强度减弱、波型和波向处于交替状态的春季和秋季，连理岛-东村河以西海滩剖面形态逐渐向“常浪剖面”恢复，即沿岸沙坝消减、物质向岸输运沉积、重塑滩肩，海滩坡度增大，而海滩表层沉积物粒度特征则表现为平均粒径减小、分选系数稳定、偏态值增大、峰态值降低。

（2）潮汐

潮汐对岸滩的影响体现在潮差大小调节波浪作用的范围，因而潮汐的季节性变化间接地控制着岸滩剖面形态和表层沉积物。根据中国海域潮汐预报软件Chinatide[49]所得到的研究区潮汐数据（表4），可以看出研究区潮差的季节变化较小，因此，潮汐作为相对固定的因素对研究区岸滩季节性演化特征贡献较小。

为进一步探究潮汐对研究区海滩演化的影响程度，此处引入浪潮作用指数K，其计算公式为：

式中H1/10为十分之一大波波高，R为平均潮差。当K＞1 时，波浪作用是海岸地貌演变的主要动力因素；当K＜1 时，潮汐作用是海岸地貌演变的主要动力因素；当K值接近于1 时，则海岸地貌属于过渡类型。结合表4，计算出研究区2018 年秋季至2019年夏季浪潮作用指数K（表5）。

表4 2018 年秋季至2019 年冬季研究区波浪和风场变化Table 4 Wave and wind field changes in the study area from autumn 2018 to winter 2019

表5 研究区2018 年秋季至2019 年冬季浪潮作用指数计算结果Table 5 Calculation results of wave action index from autumn 2018 to winter 2019 in the study area

从结果可以看出虽然研究区全年K值均大于1，但除冬季外其余3 个季节均接近于1，故而从波浪和潮汐的主次关系来看，研究区一般天气下冬季为明显的波浪作用为主，而其余三季则为波浪与潮汐共同作用的过渡阶段。同时前人研究指出K值的大小与海滩表层沉积物的中值粒径以及前滨滩面坡度有着很好的正相关关系[38]，与本文的观测结果相符合，故而浪潮作用指数判别法适用于研究区及附近相似海岸环境的海滩。

（3）极端天气

台风带来的短时间内的迅速增水和其所造成的剧烈的水动力环境改变使得海滩地貌遭受严重侵蚀，部分海滩地貌所遭受的破坏无法在短期内恢复甚至是永久性的改变。本文中2019 年8 月的海滩观测正是在2019 年第9 号台风“利奇马”过境后展开的（图7），观测结果很好地展现了台风“利奇马”对研究区海滩造成的影响与破坏。

图7 台风“利奇马”过境期间研究区风向变化[37]Fig.7 Wind direction change in the study area during the transit of Typhoon Lekima[37]

在海滩剖面形态的变化上，台风所造成的滩肩侵蚀较之冬季风暴而言侵蚀量更大，其所形成的水下沙坝较之冬季风暴而言规模较小，但数量更多，同时发育的距离更远。在海滩表层沉积物粒度变化上，台风所造成的研究区海滩表层沉积物粒度参数的横向分异和垂向分异更加明显，这体现了研究区对不同强度的动力环境表现出的响应差异，因此海滩的防护除了需关注正常天气下的波浪和潮汐外，还需重视台风等极端天气对海滩造成的剧烈而迅速的影响。

4.2 人为因素

除自然条件的变化外，以海岸工程为主的人为因素是造成研究区海滩地形剖面和表层沉积物粒度参数东西差异的另一重要原因。

通过研究区海滩剖面形态和海滩表层沉积物粒度特征季节变化的分析和讨论，可以看出研究区海滩剖面形态和海滩表层沉积物粒度特征季节变化特征以连理岛-东村河河口为界限东西分异。由于该人工岛与东村河河口组成的特殊海岸地貌体系，使得从丁字湾自西向东而来的沿岸输沙过程在该处受到阻碍，进而使得部分沉积物淤积在其东侧海滩，最终导致东西两侧季节变化特征分异。

根据前人对该区域附近的潮流和波浪数值模拟结果[33-34]可以看出，研究区近岸潮流较小，一般小于0.25 m/s，同时受到近岸人工构筑物的影响使得近岸区域尤其海阳港西部较之人工岛建设前明显减小；海阳港西港区和连理岛之间海域，由于受到两者掩护，其有效波高普遍小于1.4 m，海阳港西港区西侧掩护水域有效波高一般小于1.4 m，连理岛后方水域有效波高一般小于1.0 m。由于陆地的遮挡，N 向和E 向波浪对研究区海域影响较小，S、W向波浪影响较大。研究区浪向以S、SW 向为主，近岸海域有效波高呈自西向东、自北向南逐渐增大的趋势。因此，连理岛的建设阻碍了研究区的沿岸输沙过程，保护了东侧海滩和水下岸坡，而海阳港则拦截了继续向西输运的泥沙，并在其西侧产生淤积。

5 结论

（1）连理岛-东村河口以西海滩剖面形态在强动力和弱动力条件下分别呈“上蚀下淤”和“下冲上塑”特征，夏季台风造成的滩肩侵蚀量大于冬季风，在滩面形成的沙坝数量多、规模小且离岸距离较之冬季风更远。连理岛-东村河口处海滩剖面形态整体呈淤积状态，且在强动力条件下的淤积量大于弱动力条件。连理岛-东村河口以东海滩剖面形态的季节性变化幅度小于以西海滩，同时滩肩顶剖面形态在夏季出现明显下凹特征。

（2）表层沉积物粒度特征变化同样呈现东西差异的特点，秋季到冬季，西侧海滩表层沉积物粒度变粗、分选变差，而东侧海滩变细、分选基本不变；冬季到春季，海滩表层沉积物粒度总体变细、分选较好；夏季变化趋势与冬季相似，但变化幅度有所差异。

（3）人工岛和港口等海岸工程建设是导致海滩剖面形态和表层沉积物粒度东西差异的主导因素；波浪和台风事件等是控制砂质岸滩季节性演化的主要动力因素；潮汐作用、旅游开发等人类活动也会对岸滩演化造成一定影响。