海平面上升—夹河断流背景下烟台套子湾海滩砂粒度变化

刘立新，王昕，陈浩宇，李训鹏，3

(1.哈尔滨师范大学寒区地理环境监测与空间信息服务黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150025；2.鲁东大学资源与环境工程学院，山东 烟台 264025；3.华东师范大学河口海岸国家重点实验室，上海 200062)

0 引言

在气候变暖背景下，全球平均海平面上升，导致近岸波浪和潮汐能量增加，加剧海岸蚀退和岸滩下蚀。我国约有60%～70%左右的砂质海岸线处于蚀退状态[1-2]。山东省沙滩岸线总长约335km[3]，北部分布较为典型的砂质海滩，已有研究表明该区海滩滩面呈现侵蚀堆积交替变化的状态，以侵蚀为主，20世纪70年代以来，山东半岛海滩侵蚀形式日益严峻，有74%的沙滩受人工干预，80%砂质海滩遭受侵蚀[3-5]，其中烟台、威海等地侵蚀严重，表现在海滩沉积物呈变粗的趋势[6]。遥感数据揭示烟台套子湾两侧侵蚀速率达1.0～2.3m/a，每年损失土地面积3961～38851m2，已经影响到了沿海公路的安全[7]。

套子湾外来泥沙很少，主要是河流输沙和潮流输沙及侵蚀海岸来沙[8]，河流输沙主要是从夹河入海口向东西两侧沿岸运输[9]。随着夹河断流天数日益增加，河流入海输沙量日益减少，夹河河口及附近海滩将面临更为强烈的海洋动力改造，侵蚀加强。砂质海滩侵蚀的主要表现除了海岸线后退，海滩变窄、变薄，坡度变陡，还表现在海滩沉积物粒径粗化[3，10-17]。沉积物的粒度特征是反映沉积环境的重要参数，与地貌类型、水动力条件、物质来源和搬运方式等因素密切相关[18-21]。在物源一定的情况下，可以通过粒度特征的变化来反演影响沉积物沉积的水动力环境[22-23]。

本文对烟台套子湾2021年与2005—2006年夹河口东西两侧海滩砂的粒度特征进行对比分析(图1)，揭示近16年来套子湾海滩沉积物粒度特征变化对全球海平面上升—夹河入海水沙减少等过程的具体响应，研究结果对套子湾的未来规划利用及其环境防治有着重要的意义。

图1 套子湾研究区地图(a—研究区位置及取样区示意图；b—海滩横剖面中滩面采样点位置)

1 区域概况

烟台大陆海岸线总长909km,以自然沙质海岸线为主，占全市大陆海岸线总长度的44.30%，约339.2km[24-25]，海岸带地表覆盖以自然覆盖为主[26]。套子湾位于山东烟台北部，西起龙门眼，东至芝罘岛西北角，呈凹弧形向北敞开。历史时期由夹河口的东移漂沙和芝罘岛上侵蚀下来的砾石在岛南的波影区堆积连接起来逐渐形成了芝罘岛连岛沙坝[27]，该坝于18世纪才整体成为露出低潮面的沙洲，并在一个世纪以后才成为露出高潮面之上的海岸低地[28]。套子湾则是在连岛沙坝芝罘岛形成后的开敞式次生湾，自1993年于夹河口西侧修建突堤后[9]，河口附近再无其他明显的人为改造工程，2000年后近岸挖沙工程减少，套子湾岸线变化不再明显[8]，海滩沉积物长期以受海水动力改造为主。湾内以风浪为主，强浪为NE向，常浪为NW向，潮流的运动方式在东部以旋转流为主，西部以往复流为主[8-9]，这种运动方式促进了夹河河口物质的沿岸运输。

胶东半岛注入套子湾最大的河流是夹河，发源于低山丘陵，源近流短，比降较大，雨季河水暴涨，流量骤增，汛期多年平均天然径流量占全年80%以上[29]。但夹河在近37年时间内，每年断流天数几乎都在100天以上，2000年以后，断流天数增多，断流现象逐年加剧，年断流天数基本都在300天以上，径流量日益减少，输沙量急剧减小，对夹河口东西两岸的海岸地貌产生了巨大的影响。

2 材料与方法

考虑到海滩中滩面为波浪上冲流和回流密集作用区，对海滩动力过程响应敏感，2021年3月分别在夹河东西两侧海滩的中滩面(包括夹河东沙嘴附近)每间隔一定距离的10cm×10cm样方表层上，均匀刮取约1cm深的样品约500g。其中夹河口东部取样位置为自东向西每隔20m取一次样品，共取5个，记JHD1～JHD5；夹河东部沙嘴处自西向东每隔20m取一次样品，取3个，记沙嘴1、沙嘴2、沙嘴3；两突堤间自东向西每次间隔50～100m取一次样品，共取12个样品，记JHX1～JHX12(图1)。

用筛析法对海滩砂样品进行粒度分析。每个样品随机取约120g海滩砂，加入清水静置12h去除样品中所含的盐分和大生物碎屑，洗盐两次后加入烘干箱，调节至75℃烘干12h后取出称重。选取0～4Φ的套筛，套筛粒径间距为1/2Φ，筛样后将每一粒级分别放入1/10000g的电子天平中称重后，放入收纳袋中保存。利用Origin中Akima Spline插值运算，基于图解法读取粒度累积曲线上累积含量分别为5%、16%、25%、50%、75%、84%、95%对应的粒径值，依据Fork和Word图解公式计算得出常用粒度参数[29]。

3 研究结果

夹河口东侧沙嘴处样品的平均粒径1.01～1.22Φ，标准偏差约为0.37～0.45，分选为好，偏态系数为-0.13～-0.06，偏度以微弱负偏和近对称为主，峰度为1.11～1.19，属于不明显的窄峰态。夹河口东侧中滩面海滩砂样品的平均粒径值介于1.39～1.64Φ，标准偏差约为0.33～0.45，属于分选极好和好，偏态系数为-0.19～0.20，多数呈近对称和微负偏，峰度介于0.86～1.30，属于中等至微宽。夹河口西岸中滩面海滩砂样品的平均粒径值介于1.47～1.91Φ(表1)，标准偏差约为0.23～0.38，属于分选极好和好，偏态系数为-0.10～0.30，多为近对称分布，峰度大部分0.77～1.30，属于中等至宽，总的来说，夹河东西两侧均具有典型的海滩砂特征。

所有样品的频率分布曲线均表现为近正态分布，属于典型的海滩砂沉积物粒度分布特征。不同粒级组分百分含量分布表明夹河西海滩砂中主要组分为中砂和细砂，夹河东及沙嘴样品中的粗砂、中砂含量更高(图2)。

夹河口沙嘴处样品的概率累积曲线以两段式为主(图3)，沙嘴-1甚至可以归为一段式，沉积物组分较单一，表明其沉积动力单一，沙嘴样品受到较强改造。两侧海滩砂样品概率累积曲线表现为三段式，样品中包含有跃移、推移和悬移组分，夹河东侧样品推移组分和跃移组分之间的粗截点在1Φ左右，推移组分含量在2%～10%之间，跃移组分和悬移组分之间的细截点位于2.2Φ左右，悬移组分含量小于2%，跃移组分含量最高。夹河西侧样品概率累计曲线也表现为三段式，推移组分和跃移组分的粗截点在1Φ左右，推移组分含量小于2%，跃移组分和悬移组分之间的细截点在2～2.3Φ之间，悬移组分含量小于2%，跃移组分含量高达95%左右。

表1 夹河海滩沙砾砂粒度参数分布

4 讨论

研究表明，夹河口沙嘴处海滩砂样品最粗，平均粒径在1.01～1.22Φ(表1)，样品中中砂含量高达60%，粗砂含量在40%(图3)，沉积物组分缺少悬浮组分，以跃移质为主(图3)，组分较单一，表明沙嘴处动力相对较强且相对稳定，沉积物受到波浪长期改造。夹河东部海滩砂样品明显比夹河口西侧的海滩砂样品偏粗(表1，图2)，夹河东侧海滩砂中的粗砂和中砂含量相对夹河西侧海滩砂样品高(图2)，而细砂组分相对夹河西侧样品偏低，两者概率累积曲线的粗、细截点位置差别不大，夹河东部海滩砂中滚动组分的含量略高，约2%，夹河西侧海滩砂的滚动组分含量不足1%(图3)。夹河东侧和西侧海滩砂的粒度差异表明现在夹河口东侧区域水动力较夹河口西侧强。

图2 频率分布曲线

图3 概率累积曲线

将2021年夹河河口附近中滩面海滩砂粒度数据与2005—2006年该地区海滩砂粒度数据对比发现，16年来夹河口两侧沉积物粒度明显粗化(表2)，分选变的更好。夹河口东侧海滩砂的平均粒径由2005年的1.71～2.62Φ，变为2021年的1.39～1.64Φ；海滩砂主要组分的粒径值明显粗化，由2005年的1.5～3Φ变为2021年的1～2.5Φ，偏粗约0.5Φ；2021年东侧海滩砂中的跃移组分的粒径值为1～2Φ，2005年海滩砂跃移组分的粒径值介于1.5～2Φ和3Φ之间，跃移组分变粗，概率累积曲线的粗细截点粗化0.5～1Φ(表2)。夹河口西侧海滩砂平均粒径近16年也明显变粗，由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ，概率累积曲线中的粗细截点位置相比偏粗0.5～1Φ(表2，图4)。西侧海滩砂标准偏差由0.27～0.65降低至0.23～0.38，东侧海滩砂标准偏差由0.31～0.51(其中靠近河口处的约0.40～0.50[9])，降低至2021年的0.33～0.45(样品均相对位于河口附近)，分选变好(表2、图4)。

表2 2021年与2005年夹河附近海滩样品粒度参数对比

图4 2021年海滩砂与2005年海滩砂平均粒径、标准偏差分布

海滩砂粒径粗化是海岸侵蚀的重要表现之一，粒度数据对比表明目前在夹河口附近的砂质海滩出现了较为明显的侵蚀。在以往对套子湾泥沙运动中的研究中表明，夹河具有向套子湾两侧海滩运输泥沙的能力[9]，而套子湾外来泥沙很少[8]。根据现有1981—2017年的夹河径流资料，发现37年间有36年发生了断流现象，1980年后断流天数基本在100天以上，在2000年以后，断流现象进一步加剧，基本都在300天以上(图5)。可以认为现在的夹河几乎不向河口区提供泥沙，即现代夹河口附近包括整个套子湾海滩砂的来源主要是历史时期夹河供应的，现代夹河入海沿岸输沙贡献微弱，历史时期搬运到海岸带地区的泥沙受到海洋动力的充分改造。

图5 夹河1967—2017年断流天数(烟台市水利局，夹河生态流量(水位)试点控制方案，2018年)

套子湾海水动力的主要表现为波浪和潮流。根据芝罘岛海洋站的资料[29-31]，套子湾附近海域以风浪为主，涌浪多出现于秋冬季节，常浪向以N向、NW向、NWW向为主，平均波高达1.29m，次常浪向为NNE向，河口泥沙除了垂直海岸做横向运动之外，还在波浪沿岸分力作用下向河口两侧纵向搬运。尽管研究区的潮汐较弱，但研究区多年来潮差仍呈增大趋势[32-33]。20世纪90年代套子湾附近初旺站平均潮差为152cm[9]，2010年增至199cm[8]。2010年烟台站的平均潮差为1.576m[34]，而根据国家海洋科学数据中心提供的潮汐数据推算，2019年与2020年烟台站平均潮差分别达到177.8cm、174.5cm，呈现明显的增值。根据国家自然资源部公布的《2020年中国海平面公报》数据[35]，20世纪80年代以来我国海平面呈现明显的波动上升，黄海沿海海平面上升速率为3.2mm/a，并且有加速上升的趋势(图6)，2005—2021年海平面上升幅度超过0.5m。海平面升高造成浅海陆架驻海潮波变化，导致的潮差增加，同时，海平面上升也导致近岸波浪能量增加、风暴潮作用增强，沿岸侵蚀是海平面升高、潮差增大、波浪动力增强共同作用的结果。河流入海物质减少，海洋动力相对增加，加剧海岸蚀退和岸滩下蚀，波浪的往复搬运，使得滨海和浅海近岸的砂砾分选较好，一般较粗、较重的颗粒搬运的距离较近，留在海滩上较细、较轻的颗粒搬运的距离较远[36]。有研究表明风浪作用较强的山东半岛北部浪潮作用指数与沉积物粒度具有较强的相关性(r2=0.6488)[37]。由此可见，海平面上升导致的海洋动力增强是研究区海滩砂粒度粗化、海滩侵蚀的主要原因。可以推测在夹河入海泥沙供应大大减少的情况下，波浪对历史时期堆积的海岸泥沙进行搬运，且首先搬运能够搬得动的细颗粒泥沙，而现有动力不足以搬运较粗颗粒，大部分在河口原地存留，导致海滩沉积物的粗化。

图6 1980—2020年我国海平面变化[35]

河流入海物质减少—海平面上升共同作用下，我国其他地区的砂质海岸也出现了侵蚀加剧，沉积物粗化的现象，诸如辽东湾东部[38]、福建[39]、山东半岛北部[40]等。且已有研究表明泥沙供应充足的岸段侵蚀比较弱，而泥沙供应不足的地区会出现全岸段侵蚀的现象。除去黄河，山东半岛地区的入海河流均为中小型山地河流，近几十年来随着河流上游建设水库、坝体及人口增加导致的工农业用水剧增[25，41]，河流入海泥沙骤减，与夹河入海泥沙输运情形相近。据统计，山东半岛每年因河流输沙量减少而亏损的砂量约为66.17×104t[42]，预计未来30年，黄海沿海海平面将上升50～160mm[35]，在河流入海水沙骤减、海平面加剧上升的背景下，叠加人为采沙活动，山东半岛的砂质海滩资源将面临更为明显的侵蚀。

5 结论

(1)现代夹河口两侧中滩面海滩砂样品以中砂、细砂为主，分选极好或好，标准偏差介于0.23～0.45，夹河口东侧海滩砂样品较西侧的海滩砂样品偏粗，粗砂含量略高，表明现在夹河口东侧区域水动力较夹河口西侧强，该区海滩砂受到海洋动力的长期改造分选较好。

(2)近16年夹河口两侧海滩砂粒度明显粗化，分选变好，表现在海滩砂平均粒径变粗、主要组分粒度变粗、概率累积曲线的粗细截点变粗及滚动、跃移、悬移组分含量明显变化。夹河口东侧海滩砂平均粒径由2005年的1.71～2.62Φ，变为2021年的1.39～1.64Φ，西侧海滩砂平均粒径由2005年的1.67～2.07Φ增粗至2021年的1.47～1.91Φ。2021年海滩砂主要组分的粒径值较2005年偏粗0.5Φ。2021年海滩砂粒度概率累积曲线中粗细截点位置偏粗0.5～1Φ。

(3)夹河入海泥沙减少，海平面上升，是近年来研究区海滩侵蚀、沉积物粗化的主要自然因素，如何合理开发、利用、保护砂质海滩资源将面临较大的挑战，海岸带管理工作也需要更多科学数据的支持和科学家们的关注。