台风“巴威”对威海楮岛沙滩的侵蚀研究

2022-08-30陈海南杨丽中付玉成乔守文石洪源

海洋湖沼通报 2022年4期

陈海南，杨丽中，付玉成，乔守文，石洪源*

(1.国家海洋局北海海洋环境监测中心站，广西北海 536000； 2.水利工程学院，鲁东大学，山东烟台 264025)

引言

山东是一个海洋大省，海岸线全长3 000多公里，全国排名第二。拥有150个优质沙滩资源，正是这些得天独厚的资源造就了山东发达的滨海经济。但山东省沙滩侵蚀十分严重，约80%的沙滩遭受侵蚀灾害。尤其是极端天气的增多，沿海风暴引发增水和大浪，在短时间内就会对沙滩造成严重侵蚀，改变沙滩原有形态[1]。在改变沙滩所有因素中，台风及其带来的风暴增水是最主要的动力因素[2]。台风改变后的沙滩，在1—2月内进行快速修复，之后短则数月，长则数年才能恢复其历史形态[3-4]。因此，诸多学者开始了台风对沙滩形态影响的研究工作。研究表明，台风期间沙滩滩肩进退、后滨侵蚀以及水下沙坝运移和台风过后开始恢复历史形态是沙滩剖面演化的主要过程[5]，但台风对不同位置，不同类型的沙滩侵蚀程度以及后期恢复也均不相同[6-7]。在台风期间，处于台风路径右侧的沙滩受台风影响较路径左侧沙滩影响较大，遭遇的侵蚀情况更严重[8]。岬角突出程度同样是影响台风对沙滩侵蚀的重要因素[9]。不同类型的沙滩在台风过后的表层沉积物粒度也不相同，岬湾海滩沉积物粒度变化最为明显[10]。此外，数值模拟[11]和物理模型试验[12]成为研究沙滩侵蚀，泥沙输运的主要方法。

但现有研究主要集中在在同一沙滩对不同台风的响应对比以及同一区域不同位置海滩对台风的响应对比，同一沙滩不同区域研究较少。本文以山东省威海市楮岛沙滩作为研究对象，通过测量2008号台风“巴威”前后沙滩剖面和沉积物数据，探究台风“巴威”对楮岛沙滩演化的影响，为山东省滨海沙滩的保护和防灾减灾提供科学依据。

1 研究区域与台风概况

1.1 研究区域概况

楮岛位于山东半岛东南侧，北、东、南三面环海，东临黄海，北靠桑沟湾，整体呈东南至西北走向。地理坐标37°00′～37°03′N，122°31′～122°34′E(图1)，属北温带季风型气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明。楮岛属于不规则半日潮，平均高潮位1.35 m，平均低潮位-0.36 m。常风向为N—NW和S—SW，平均风速达6.4～6.6 m/s。波浪类型为风浪和涌浪，主要是以风浪为主，波向以S和SSE为主，年平均有效波高0.41 m，年最大有效波高1.47 m，年最大波高4.7 m，年平均周期4.94 s。南沙滩全长2.7 km，宽度平均为76.6 m，沉积物由砂砾、中砂、细砂组成，主要以细砂为主，质地较为柔软[13]。

图1 研究区域及剖面位置

1.2 台风“巴威”介绍

2020年第8号台风“巴威”8月21日诞生于关岛东南方向上的热带低压，中心坐标21.60°N，123.50°E，风力7级，风速15 m/s。8月22日8时，升级为8级热带风暴，正式命名为“巴威”，中心坐标23.30°N，122.50°E，中心风速18 m/s。22日17时，升级为10级强热带风暴，中心坐标24.80°N，123.70°E，中心风速25 m/s。24日2时，升级为12级台风，中心坐标27.20°N，125.40°E，中心风速33 m/s。25日11时，升级为14级强台风，中心坐标29.50°N，125.50°E，中心风速42 m/s。自26日12时开始，研究区域开始受强风干扰，风力7级，自此至27日8时，研究区域一直受8～11级风力干扰，此后研究区域风力开始逐渐减小，直至恢复正常。台风“巴威”继续北移，27日8时，“巴威”在中朝交界附近登陆，中心风力12级，并于上午10时减弱为10级强热带风暴，此后逐渐减弱，直至消亡，具体路径见图6。

台风“巴威”期间的波浪、风数据来源于ERA5(ECMWF Reanalysis v5)，主要包括波高、波向、风速、风向等要素。ERA5是The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)第5代再分析产品，通过耦合大气—波浪模型，产生风和波浪的数据集，为海洋科学研究提供了数据来源。ERA5数据具有高分辨率逐时分析场，可以准确的分析山东省海域大气和海洋状态[14]。许多学者已经采用ERA5数据进行海洋研究，并取得一系列成果[15-16]。本文数据研究点(37°1′34.97″N，122°34′9.44″E)位于沙滩中部E向2 km处，取8月26日、27日为台风影响期间数据，8月15日—8月31日(除26日、27日)为正常状况下的数据，研究得知，正常情况下，研究区域风向主要为SSW和S向(图2左)；研究区域主要波浪方向为S和SSE向(图2右)，最大波高为1.2 m；台风影响期间，研究区域风向以SSW和NE向为主(图2左)，26日17点研究区域最大风速达11.2 m/s，约为平常的两倍；主要波浪方向为E向(图2右)，26日19点研究区域最大波高达4.7m(图3)。

图2 台风及正常状况下研究区域波向及风向玫瑰图

图3 “巴威”台风过程中波高逐时变化过程(ERA5数据)

2 数据采集及分析

利用北斗海达TS7 RTK于2020年8月24日及28日对研究区域进行沙滩剖面数据采集。在楮岛沙滩选取9个剖面进行观测(图1)，为保证两次测量剖面的同一性，利用RTK自带的定位系统，进行三次点放样，放样点树立插杆，确保采样过程的直线性。并在起始点打入固定桩，保证起始点高程不变，使每次数据起点都起始于同一点。测量选在最低潮时进行，自起始点每2 m进行一次测量，在冲刷区剖面变化较大区域测量距离改为1 m。

选取N01剖面、N06剖面作为取沙剖面，在其沙丘底脚、滩肩及冲刷区位置定点采集约200 g滩面沉积物。在实验室对其烘干，然后使用电动振筛分仪对所取样本进行筛分处理，筛分范围为-2.25Φ～4Φ(Φ=-log2D,D为中值粒径)，采用Folk&Ward[17]公示计算沉积物平均粒径(Md)以及分选系数(σ)。

基于1985国家高程基准将台风前后测量沙滩剖面图叠加，对比分析海滩剖面特征变化(图4)，以剖面单宽蚀积量[18]来表示海滩侵蚀淤积状况，公式见(1)和(2)。

UED=S2-S1

(1)

(2)

图4 海滩剖面变化示意图(MSL为平均海平面)

海滩经过水动力作用导致状态发生变化，海滩状态可以反映出台风对沙滩演化过程的影响。海滩状态则是由海滩泥沙来描述，通过Wright等[19]提出的无量纲沉降速率(Ω)来划分海滩类型，公式如下：

(3)

式中，Hb表示破波波高(m)；ωs表示泥沙沉降速率(m/s)；T表示波浪周期(s)。

通过计算得到海滩类型：反射型(Ω<1)、消散型(Ω>6)、过渡型(1<Ω<6)。

由于台风影响期间研究区域破波波高数据难以取得，利用Sunamura等[14]的海滩坡度计算公式推导：

(4)

式中，tana表示海滩坡度；g代表重力加速度；D代表沉积物中值粒径；T表示波浪周期。

泥沙沉降速率则按照Ferguson等[20]提出的公式计算，公式适用泥沙粒径范围为0.1～2 mm：

(5)

式中，ω表示泥沙沉降速率；R为沉积物水下比重，R=1.65；g=9.8m·s-2；D为泥沙中值粒径；C1=18、C2=1；ν为运动粘滞系数，ν=1.0×10-6kg·m·s-1。

由(3)～(5)公式联立可求得：

(6)

3 结果与讨论

3.1 台风前后海滩剖面及沉积物变化

海滩剖面变化结果见图5，可知台风对沙滩演化过程产生重大影响，滩面地形发生明显的侵淤变化。

图5 NO1—NO9剖面地形变化图

NO1、NO2、NO3剖面台风影响变化较类似，主要表现为后滨轻微淤积，有堆积沙丘形成，滩肩短距离后移，蚀退量较少，坡度略有减小，最大下蚀均发生在滩肩下部，侵蚀位置主要位于滩肩及高、中潮带，低潮带存在轻微淤积状况，其单宽淤积量相差不大，分别为-7.94 m3/m、-7.57 m3/m、-10.47 m3/m。

NO4、NO5剖面整体存在淤积状况，单宽淤积量分别为1.2 m3/m、6.38 m3/m。两处剖面后滨同样存在轻微淤积，NO4剖面滩肩轻微下蚀，滩肩坡度变缓，中潮带发生严重淤积且形成沙坝，低潮带则发生侵蚀；NO5剖面则是在高潮带发生严重淤积，最大淤积高度约0.7 m，中潮带轻微侵蚀，低潮带形成连续小型沙坝。

NO6、NO7、NO8、NO9剖面坡度相比沙滩其他剖面开始变陡，且整体均发生侵蚀，其单宽淤积量为-3.94 m3/m、-4.5 m3/m、-16.3 m3/m、-8.23 m3/m。NO6、NO7、NO9剖面均被波浪侵蚀滩肩，泥沙被搬运至后滨及中、低潮带。NO8剖面为侵蚀最严重的剖面，剖面最大下蚀位于滩肩，深度约为1.1 m。

NO1、NO6剖面台风前后沙样烘干筛分结果显示(表1)：滩面沉积物发生较为明显的变化，台风前滩面沉积物平均粒径范围为1.16Φ～2.45Φ，台风影响过后滩面沉积物平均粒径变为-0.33Φ～2.18Φ，滩面沉积物平均粒径变大，冲刷区变化最为明显。滩面沉积物分选系数范围为0.44～0.88，台风影响过后分选系数变化为0.35～1.51，沉积物分选性变差，滩肩沉积物分选性变化最为明显。这主要是台风期间引起较强的水动力环境如强浪，造成粒径较小的沉积物发生搬移，使下层粒径较粗颗粒裸露在表层。

表1 滩面沉积物特征

NO1、NO6剖面滩面状态特征值计算结果显示(表2)：台风过后，NO1、NO6两个剖面的无量纲沉降速率Ω变大，相比台风之前沙滩状态向更加消散的方向转变。NO6剖面Ω变化较明显，海滩状态变化幅度较大响应台风引起的动力能量。台风引起动力因素增强，沙滩后滨淤积，滩肩下蚀甚至消失，坡度减小，使沙滩变得更加消散。

表2 滩面类型变化

楮岛海滩在台风“巴威”影响下，沙滩整体主要表现为中间淤积、两边侵蚀的变化特征。根据ERA5波浪数据分析可知，台风过境期间，楮岛沙滩主要受到NE向风、SSW向风，以及E向波浪影响。波浪自东向入射，经东北部岬头的绕射致使沿岸流速大于离岸流速，带动泥沙向北输运，与南部流速较小沿岸流在海滩中部位置形成涡旋，导致海滩中部造成淤积。

根据尤再进等[21]提出的沙丘-海滩稳定性因素分析，沙滩西南侧滩肩较宽、坡度较缓，稳定性相比沙滩东北侧较好，故8、9号剖面较1、2、3号剖面侵蚀较大，滩面沉积物粒径、分选性、沙滩状态也较后者变化明显。风暴潮带来的增水和大浪会在短期内增强研究区域内水动力环境，使波浪的影响范围扩大到沙滩后滨带，水位升高还会导致海滩浅水面抬升，海滩渗流作用减弱，滩面大量沉积物被回流带向近岸海域，堆积形成水下沙坝[22]。台风引起的台风浪在越过滩肩后能量消散，携带的泥沙发生沉降则是造成后滨淤积的主要原因。

图6 “利奇马”与“巴威”路径对比

3.2 对比台风“利奇马”的影响效果

1909号台风“利奇马”于2019年8月20日开始对研究区域造成影响，强度为热带风暴，距离研究区域最短距离为236.83 km，台风路径位于研究区域左侧；台风“巴威”强度为强台风，大于台风“利奇马”强度，距离研究区域最短距离为181.55 km，台风路径位于研究区域右侧。在“利奇马”影响下，研究区域东北侧侵蚀情况较西南侧严重，沉积物粒径变大，沙滩状态向更消散的方向发展，与“巴威”影响沙滩变化一致。但在“利奇马”的影响下，测量剖面全部遭受侵蚀，无淤积情况出现，平均单宽淤积量为-12.51 m3/m，最小单宽淤积量为-5.2 m3/m，最大单宽淤积量为-19.8 m3/m，沉积物分选系数范围为0.62～2.09。由此可见，滩面沉积物变化以及滩面侵蚀状况对两次台风影响表现出明显差异，“利奇马”对研究区域影响程度大于“巴威”。对比两次台风路径(图6)发现，与蔡峰[8]等提出的位于台风路径右侧的沙滩更容易遭受侵蚀理论相匹配。