钦州湾人工海滩剖面变化过程

2022-08-08冯炳斌王日明黎树式黄鹄胡宝清

热带海洋学报 2022年4期

关键词：钦州剖面强降雨

冯炳斌 , 王日明 , 黎树式黄鹄胡宝清

1. 北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室(南宁师范大学), 南宁广西 530000;

2. 地理科学与规划学院(南宁师范大学) , 南宁广西 530000;

3. 广西北部湾海洋灾害研究重点实验室(北部湾大学), 钦州广西 535011;

4. 钦州市环境生态修复重点实验室(北部湾大学), 钦州广西 535011

海滩是海岸带最为活跃且始终处于变化状态的地貌单元, 其剖面形态与沿岸波浪特征、泥沙补给和海滩沉积物粒度等直接相关(戴志军等, 2008)。然而, 因全球变暖引发的海平面上升及高强度人类活动, 当今全球超过30%的海滩处于侵蚀后退之中(Vousdoukas et al, 2020)。根据自然资源部发布的《2018 年中国海平面公报》, 我国沿海海平面亦以3.3mm·a-1的速率上升, 高于同时段全球平均水平, 这显然将加剧对海滩潜在的侵蚀风险。因而, 通过修复海滩或人工营造海滩以防护岸滩侵蚀及缓冲海洋灾害为众多学者和政府所关注(Benassai et al, 1997; Hanson et al, 2002; 张振克, 2002; 曹惠美等, 2009)。国外较早就出现公共岸滩计划及人工海滩工程设计(Davison et al, 1992; Hanson et al, 2002), 国内也有不少学者对秦皇岛(邱若峰等, 2014; 杨燕雄等, 2014; 刘建涛等, 2018)、潍坊(周军等, 2014)、厦门(陈坚等, 2002; 雷刚等, 2013), 以及三亚(毛龙江等, 2006; 季小梅等, 2007)等地的海滩工程实践进行了侵蚀及恢复方面的相关研究。研究者主要从海滩的平面和剖面设计方面开展海滩的修复和养护研究(Dean, 1991; Lee, 1994; 董丽红等, 2012; 朱嘉, 2014; 蔡锋等, 2019)。然而, 因实际海滩动力环境差别较大, 导致海滩修复的理论或技术缺乏普适性, 特别是针对海滩修复或养护后的监测研究甚少, 这就给人工海滩设计及海滩侵蚀补滩带来了挑战。本文以国内首个中强潮、弱波浪动力环境下的人工海滩修复案例(钦州湾人工海滩)为研究对象, 通过工程后的两年逐月高程监测分析, 揭示其剖面动态变化过程。这可为国内类似环境的人工海滩养护及海滩管理与开发提供理论支撑。

1 数据和方法

1.1 研究区域

钦州湾位于广西北部湾海岸线中段, 其东北为钦江平原, 东南为犀牛角平原, 两平原岸线及西部与西北部的台地、丘陵岸线围成形似“葫芦”的湾域(图1)。沙井半岛人工沙滩所在“葫芦”的内部区称茅尾海, 向南至湾口长13km, 湾域宽8km。茅尾海北部临近钦州市市区, 有钦江、茅岭江等中小河流汇入, 两江携带的泥沙在河口区附近沉积, 形成大片浅滩。钦州湾茅尾海沙井岛海滩的修复工程是茅尾海综合整治一期工程的配套项目。该项目主要施工内容是在茅尾海沙井岛南岸实施海滩修复, 工程填砂用量75×103m3, 建成人工沙滩长约1200m, 宽约200m。工程于2014 年4 月开工, 2016 年9 月顺利完工。

研究区属南亚热带季风气候, 雨热同期, 干湿分明(黎树式等, 2017)。多年平均气温22.1℃, 降雨量为2170mm。降雨丰富而集中, 其中5—9 月为雨季, 11 月至次年 3 月为旱季。多年平均风速为2.6m·s-1, 受冬春寒潮和夏秋台风影响, 大风天气较多。然而受地形和水深影响, 海湾内普遍波能较小, 冬季多偏北风浪, 夏季多偏南和西南向浪。钦州湾属不正规全日潮, 湾颈处多年平均潮差为2.46m(董德信等, 2015)。

1.2 数据来源

本研究使用GPS-RTK(平面精度±1cm, 垂向精度±2cm)对钦州湾人工海滩的固定剖面进行测量, 剖面(陆向起点: 108°34′46′E, 21°50′19′N; 海向终点: 108°34′45′E, 21°50′14′′N)设置长度152m, 每隔2m放样测量(图1c)。经西安80 坐标控制点校验与坐标参数转换后, 将测量高程由大地椭球高订正至1985黄海高程, 获取了区域2018 年1 月—2019 年12 月两年内的逐月剖面高程实测数据。观测期间恰逢2018 年9 月的1822 号和2019 年8 月的1907 号台风过境, 故在台风发生月各加测了1 次, 用以表示台风前、后的剖面形态, 最后共采集到26 期数据。将26 期剖面高程数据按照所属季度及年份平均求取相应的季节剖面和年际剖面。区域气象和潮汐数据来源于温室数据共享平台(http://data.sheshiyuanyi. com/)和中国海洋信息网(http://www.nmdis.org.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1 潮带划分与单宽体积计算

根据大、小潮的平均潮高来划分潮带, 通过建立当地“预报潮高”与“实测高程”(1985 黄海高程, 下同)两个基准面换算, 准确划分潮带范围。结合2018—2019 年龙门站潮位预报数据, 根据平均大、小潮的高、低水位线, 确定潮上带、高潮带及中潮带的范围, 再将高、中潮带内部等分划分, 从而一共划分出潮上带(WB)、高高潮带(HH)、高中潮带(HM)、中高潮带(MH)、中中潮带(MM)和中低潮带(ML)等6个人工海滩剖面分带(图2)。低潮区由于监测难以实施, 且底质为淤泥质, 不利于开展滨海旅游活动, 故未将低潮区列入分析。计算剖面单宽体积时, 将人工海滩所测剖面的自陆向海最远点滩位的水平高度作为直角边, 并计算直角梯形的体积, 从而求得测量剖面2018—2019 年季度及月际的单宽体积序列。

1.3.2 冲淤过程与泥沙输移的EOF 解析

经验正交函数分析方法(Empirical Orthogonal Function, EOF)是一种通过分析矩阵数据隐藏的结构特征, 以提取表征矩阵主要信息的统计分析方法(Dai et al, 2013)。EOF 可将一组相互关联的变量分解为时间和空间对应函数乘积的线性组合。这种方法展开和收敛快, 且将大量资料信息浓缩集中化, 在海滩剖面研究中已被广泛运用(Aubrey et al, 1980; Shu et al, 1998; 戴志军等, 2002)。本文运用 EOF 方法分析钦州湾人工海滩剖面的时空变化特征, 进而揭示钦州湾人工海滩剖面的变化信息。

EOF 分解公式表示为:

式中:Hij表示第i天在第j个点的海滩剖面高程测量值,Tik为时间特征函数,Ski为空间特征函数,n为每条剖面的高程点数(本文中n=76),m为剖面数(本文中m=26)。其具体计算步骤是: 首先对剖面的高程数据进行中心化处理, 计算其空间协方差矩阵; 然后由雅克比旋转方法得到该实对称矩阵的特征值和特征向量; 将特征值按从大到小的顺序重新排列, 并根据特征值计算模态贡献度。EOF 的优势是识别一组新的统计自变量, 从原始数据中捕获大部分观察到的方差(Wei et al, 2014), 在剖面变化研究中用较少的自变量即可描述和表征原始数据的主要信息。

2 结果分析

2.1 多时间尺度的剖面冲淤变化

在观测剖面平均高潮线以上的滩肩位置(距固定桩点横向距离20～40m 处)存在一处宽约25m、深为0.7m 的冲刷凹槽(图3a), 此处因受人工海滩后滨降雨汇流冲刷而槽沟发育较大。潮间带剖面呈现三段式结构, 坡度自上而下为陡-缓-陡变化, 即高潮带坡度较陡, 中高潮带、中中潮带坡度稍缓, 以及中低潮带坡度稍陡(图3b、3c)。

从年际剖面变化上看, 槽沟得到加宽而内部侵蚀与淤积不均一, 高潮带整体略有侵蚀, 尤其高高潮带侵蚀较为明显(图4a)。整个中潮带淤积与侵蚀并存, 中高潮带略有侵蚀, 中中潮带基本稳定, 而中低潮带则以淤积为主(图4a)。从季度剖面变化上看, 在2018 年第三季度之后剖面的冲淤形态较之前有较大变化(图 4b), 此外整体剖面形态出现“夏蚀冬淤”的规律性变化特征: 冬春季剖面为淤积状态, 夏秋季剖面为侵蚀状态(图4b)。从月际剖面变化来看, 常况下剖面在大多数时段变化幅度不大(图5), 样点的平均高程变化量小于 4cm; 而在2018 年7—9 月(图5b、5c)及2019 年8—9 月(图5e、5f)期间剖面的高程变化相对显著, 样点的平均高程变化量达到6～9cm。台风期间(图5b、5f)剖面上部槽沟深切且加宽, 槽沟向海方向的高程因侵蚀后退而进一步降低, “夏蚀冬淤”的月际变化也有所体现。

2.2 单宽体积变化

人工海滩在建成后的观测时段内, 剖面单宽体积略有下降, 剖面横向因泥沙输移而导致其不同部位的单宽体积变化趋势有所差异。不同潮位分带具有侵蚀与淤积交替出现的情况。从季度变化看, 不同潮带单宽剖面体积变化趋势显示, 潮上带为下降趋势(图6a), 高高潮带为显著下降趋势(图6b), 高中潮带为上升趋势(图 6c), 中高潮带为下降趋势(图6d), 中中潮带基本稳定(图6e), 到中低潮带又转为上升趋势(图6f)。其中, 中中潮带处于冲淤转换的过渡地带, 季度单宽体积量曲线呈现来回变动的规律, 线性变化趋势极不显著(图6e)。

从月际变化来看, 海滩中不同潮位分带的冲淤趋势(图7)与季度变化趋势(图6)基本一致。潮上带干滩、高高潮带、中高潮带单宽体积呈现显著下降趋势。其中, 高高潮带单宽体积下降速率最大, 达到 0.12m3·mon-1, 其侵蚀趋势的置信度水平高达99.999%以上(图7b)。中高潮带、中低潮带则呈现淤积态势, 中低潮带单宽体积上升趋势通过99.99%的显著性水平检验, 平均增加0.08m3·mon-1(图7f)。常况下, 剖面高潮带和中潮带上部单宽体积增加而潮带下部单宽体积减小。海滩剖面经历强降雨和台风事件, 可导致不同潮位分带的单宽体积快速变化。2018 年9 月10—20 日期间因受到强降雨和台风“山竹”影响, 高中潮带(图7c)与中高潮带(图7d)侵蚀明显, 剖面单宽体积减少量分别达到 1.51m3和1.58m3。2019 年8 月台风“韦帕”导致剖面全段冲刷蚀退, 潮带上部冲刷幅度大于潮带下部, 潮上带干滩流失的单宽体积量达5.63m3, 整个高潮带及中高潮带流失量也超过1.39m3, 至中中潮带及中低潮带流失量小于0.6m3。

2.3 高程模态时空变化特征

剖面高程经EOF 分解, 前3 个模态累计贡献率达到81%(表1), 可以代表剖面时空变化的主要特征, 其余模态可视为随机过程而不再讨论(戴志军等, 2002)。

表1 剖面高程EOF 分解后前3 个模态的贡献度 Tab. 1 The contribution of the first three modes after the decomposition of profile height by EOF

2.3.1 第一模态时空变化特征

第一模态的空间特征系数变化峰值主要出现在20～40m 处冲刷槽沟和高潮带(图8a), 说明剖面中上部是人工海滩填沙区域变化最大的区间。剖面第一模态的时间特征系数值在2018 年7—9 月快速下降 (图8b), 曲线快速由正值区进入负值区。2018 年8月台风过境后, 第一模态时间特征系数几乎一直处于负值区, 表明剖面整体长时期处于侵蚀状态并一直延续至次年。在2019 年8 月台风经过前, 模态的时间特征系数曲线曾短暂处于节点位置, 此时剖面冲淤平衡, 而当台风经过后曲线再次下降, 剖面持续性侵蚀的态势没有改变。当时间特征系数为负值时, 高高潮带的泥沙显著向高中潮带输移。台风、强降雨在短时间内使得人工海滩泥沙重新分布, 剖面侵蚀后退, 并成为海滩短期(年季尺度)演变的控制因素。第一模态的总方差贡献率为56.78%, 是人工海滩在观测期间月际变化的主要模态, 因此可认为剖面响应台风或强降雨的高程降低是海滩月际剖面演变的主要模式。

2.3.2 第二模态时空变化特征

第二模态的空间特征系数变化(图8c)峰值主要出现在中低潮带, 而全段几乎均处于正值区, 且与第一模态的空间特征系数变化(图8a)相比, 对应峰谷呈反向趋势。结合第二模态的时间特征系数变化(图8d)来看, 在两年观测期内台风发生月份具有高负值, 台风发生后迅速转为高正值, 剖面即由侵蚀转为淤积。因此, 第二模态主要反映的是剖面经过台风后的淤积过程。当强降雨及台风发生时, 泥沙发生离岸方向输移, 即由潮带上部被快速带至潮带下部; 而之后月际观测可以发现台风期间被侵蚀的部位逐渐淤积和恢复, 泥沙发生向岸方向输移, 即由潮带下部被带回至潮带上部来补充海滩。该模态的总方差贡献率为17.13%, 是人工海滩在本次观测期间月际变化的次要模态, 可认为剖面经历台风或强降雨后逐渐淤积并恢复的过程是海滩月际剖面演变的次要模式。

2.3.3 第三模态时空变化特征

第三模态的空间特征系数变化(图8f)极大峰值出现在槽沟部位。潮间带空间特征系数变化表现为在冲淤平衡处反复震荡; 中潮带相较于高潮带表现得更为活跃, 因而反映的是近岸入射波浪在海滩中潮带附近破碎并形成卷流所引起的剖面冲淤变化特征。当模态时间系数为正数时, 中中潮带泥沙向中低潮带输移; 当模态时间系数为负数时, 中低潮带泥沙向中中潮带输移。该模态的总方差贡献率为7.21%, 可认为是海滩在正常海况波潮作用下月际剖面演变的其他模式。

3 讨论

3.1 强降雨和台风的作用

钦州湾地区属南亚热带季风气候, 风能丰富, 降雨量大且集中。台风引起的风暴增水漫滩可作用于整个海滩剖面, 并引发强烈的泥沙输移。同时, 强降雨汇流对人工海滩的冲刷同样不可忽视。由于钦州湾人工海滩后滨段较为宽广, 因而极易从潮上带开始汇集雨水并冲刷滩面。目前剖面滩肩之上已发育一条较深的槽沟, 因而在研究剖面的同时也观测了潮上带的干滩地带, 充分考虑了实地环境对人工海滩剖面已造成的和潜在的冲淤影响。

根据钦州市气象站的数据资料, 钦州市地区年内降雨变率大(图9), 而风力差异不是十分显著, 强降雨事件更易成为人工海滩剖面变化的主控因素。夏秋季节强降雨可单独或与台风叠加作用于人工海滩, 导致人工海滩夏半年的剖面变化幅度大于冬半年的剖面变化幅度。如2018 年8 月的多日降雨直接导致剖面高程较7 月快速蚀低; 同年9 月受1822 号台风“山竹”影响, 剖面高程也发生了明显的改变(样点最大侵蚀量0.24m, 平均侵蚀量0.04m), 剖面单宽体积减少3.50m3; 2019 年1907 号台风“韦帕”带来大风的同时, 一周内累计降雨量达307mm, 剖面发生了观测时段内最明显的改变(样点最大侵蚀量0.16m, 平均侵蚀量 0.09m), 剖面单宽体积减少11.49m3。强降雨和台风事件对人工海滩剖面动态变化的驱动是显著的, 这在EOF 解析的高程第一模态时空变化中同样得到反映, 强降雨与台风事件发生的时间点与第一模态时间特征函数的高负值高度对应。剖面在夏秋季节, 尤其是第三季度的快速变化是对区域内极端气象事件(强降雨、台风)的直接响应。可见, 强降雨与台风是驱动钦州湾人工海滩剖面发生变化的最重要的因素。

3.2 潮汐和波浪的作用

钦州湾是我国典型的全日潮海区, 平均大潮潮差约为3.70m, 属于中强潮海域。湾内(茅尾海)的潮流运动为典型的往复流, 且落潮流速大于涨潮流速。当潮差加大时, 由潮差引起的波浪作用基面向高潮位移动, 更易引起滩面上部侵蚀, 导致高高潮带侵蚀明显。由于夏半年人工海滩的月际平均潮位和平均高潮潮位要高于冬半年(图10), 是除强降雨与台风外导致剖面“夏蚀冬淤”的另一重要原因。

同时, 尽管钦州湾茅尾海的波浪为季节性波浪, 但其平均波高在0.2m 以下, 属于典型的弱波能环境, 这就导致了波浪作用在人工海滩影响中贡献较小。而海域内大浪出现频率也较低, 仅在风暴期间出现, 如观测期间出现的两个台风, 虽导致剖面分带中的高中潮带和中高潮带的泥沙显著发生离岸输移, 但与其他区域的海滩研究相比(Otvos, 2004; 郭俊丽等, 2018), 钦州湾人工海滩响应台风事件的剖面变化强度不大。常况下的钦州湾人工海滩波流作用较弱, 使得泥沙输移距离也相应较短, 泥沙仅在高潮带和中潮带内的上部向下部发生短距离转移, 这体现在相邻潮带单宽体积量增长与减小的交替出现。而在EOF 解析的剖面高程第二模态时间特征系数变化中, 同样出现了周期约为半年的周期性变化, 这与平均潮汐的高度转换时间基本一致。剖面高程第三模态的空间特征系数变化幅度较小, 更多地反映了钦州湾人工海滩弱波浪的卷流冲淤变化。由此来看, 人工海滩的冲淤变化强度主要是潮位控制的, 即常况下人工海滩受潮汐作用相对较强而受波浪作用相对较弱, 这在海岸后滨段发育的稳定盐沼植被带中也可体现出来。

3.3 人工海滩剖面的调整与趋稳

人工海滩的修复改变了近岸水动力-沉积-地貌系统, 新形成的人工海滩会进一步对海洋波流及岸段环境作出不同的响应。自2016 年完工至本研究观测结束, 钦州湾人工海滩均未实施补沙养护工程, 这为本研究探究弱波浪环境下人工海滩的剖面变化过程提供了良好条件。从剖面冲淤幅度、单宽体积变化及剖面高程第一模态时间特征系数变化来看, 剖面在2018 年第三季度均出现快速蚀退的剖面重塑现象, 为2 年观测时间内的显著变化。剖面经过2018 年第三季度的调整后, 剖面坡度逐渐平缓, 与波浪和泥沙趋向适应。除2019 年8 月受强降雨与台风影响外, 之后再无出现剧烈的变动。有研究表明, 人工海滩经过抛沙和调整期后, 新滩处于稳定期的寿命约为5～10a(Dean et al, 1994)。由于钦州湾人工海滩的工程抛沙坡度较缓, 这在一定程度上缩短了人工海滩剖面的调整周期, 未来人工海滩的剖面变化特征经调整期后将与波潮流作用及岸段沉积-地貌环境相适应。