董 超，周宇渤，張 朋，徐 喆，王圣民，胡凱翔

(浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，浙江 寧波 315000)

岬彎沙質(zhì)海岸的維持、發(fā)展和演化是沿岸泥沙供給、輸運與區(qū)域波浪動力條件長期相適應(yīng)的結(jié)果，其中沿岸輸沙是引起沙質(zhì)海岸泥沙動態(tài)變化、海岸演變的重要因素，在岸線的長期演化進程中起著控制作用。關(guān)于沿岸輸沙的獲取通常有現(xiàn)場調(diào)查和計算公式2種方法，現(xiàn)場調(diào)查是沿岸輸沙研究的基礎(chǔ)，但往往受到實際復雜條件的限制，計算公式方法應(yīng)用更為普遍[1]，在國內(nèi)外海岸工程、泥沙研究中得到廣泛驗證。郭雅瓊等[2]采用公式計算的方法對廣西萬尾島金灘的沿岸輸沙進行計算，探討了岬彎沙質(zhì)岸灘穩(wěn)定性與泥沙運動周期性變化的關(guān)系；童朝鋒等[3]利用3種不同的沿岸輸沙計算公式，探討了海南島西南岸沿岸輸沙特性與近岸工程建設(shè)的相互影響。綜合波浪動力條件和泥沙沿岸輸運研究對于深入了解此類海岸地貌環(huán)境具有重要學術(shù)價值，同時對于防治岬彎沙質(zhì)海岸侵蝕可以起到重要的指導作用。

位于舟山朱家尖島東南海岸的南沙海灘，沙灘質(zhì)地優(yōu)越，海灘平緩開闊，屬于典型的岬彎沙質(zhì)海岸地貌，自20世紀80年代就已有相關(guān)學者對海岸沉積環(huán)境、海灘分布與成因、物質(zhì)來源等方面開展過相關(guān)研究。陳洪德等[4]對朱家尖島的現(xiàn)代海岸沉積環(huán)境進行了研究，對島嶼的現(xiàn)代海岸所處的水動力環(huán)境、沉積物物質(zhì)組成和來源、沉積物分布和參數(shù)特征都分別進行了不同程度的探討和分析；王愛軍等[5]通過海灘剖面采樣分析，討論了礫石灘沉積物分布及其粒度參數(shù)特征，通過對礫石起動流速和軌跡的計算，分析了海灘穩(wěn)定情況；金永福等[6]探討了崎頭洋海沙開采后對朱家尖沿岸沙灘的影響程度，研究結(jié)果表明，崎頭洋海沙開采流場影響范圍僅限于采沙區(qū), 采沙不會對朱家尖沿岸沙灘沙量產(chǎn)生影響；張朝陽等[7]通過對朱家尖島以東海域58個表層沉積物樣品及4個柱狀樣品分析，研究該海域海底沉積物的粒度特征；程林等[8]對東沙海灘沉積與地貌動態(tài)變化進行研究與分析，認為海灘地貌呈現(xiàn)季節(jié)性調(diào)整，水動力(波浪、潮汐)、沉積物來源和人類活動是影響東沙海灘發(fā)育演變的主要因素。上述成果一般觀測空間尺度大、時間尺度短，未能對沙質(zhì)海灘季節(jié)性和年際變化趨勢及原因給出較好的結(jié)論及解釋；此外，目前還未見有朱家尖南部沙質(zhì)海岸沿岸輸沙計算和分析的相關(guān)學術(shù)研究。本文基于小尺度觀測周期的海灘剖面數(shù)據(jù)成果，通過中長期波浪觀測資料，利用不同的波能流公式計算方法對朱家尖南沙海灘的沿岸輸沙進行計算分析，總結(jié)該海灘剖面在觀測周期內(nèi)的變化特征和泥沙運動規(guī)律，探討沿岸輸沙在海灘長期演變過程中的重要作用，旨在為今后海灘旅游資源開發(fā)和持續(xù)利用、海岸環(huán)境的管理提供支撐和參考。

1 區(qū)域沉積環(huán)境與水文動力條件

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)南沙海灘位于舟山朱家尖島東南狼彎海域，周圍低山環(huán)繞，屬岬彎沙質(zhì)海灘，海灘長度約1.25 km，海岸呈近東西走向。根據(jù)海灘岸線走向，布設(shè)了6條測量剖面(圖1)，2012—2015年分別沿布設(shè)的海灘剖面進行了地形測量與采樣工作。

圖1 研究區(qū)位置和剖面布設(shè)Fig.1 Research area and profile stations

灘面高程數(shù)據(jù)的獲取采用GPS-RTK的測量方法，測量時間分別為2012年8月、11月，2013年3月、8月、10月和11月，2014年8月以及2015年7月。測量的數(shù)據(jù)輸出并經(jīng)處理后，將不同期的同名曲線一一進行對比研究，以便了解區(qū)域海灘地形地貌變化。2012年8月沿布設(shè)的海灘剖面由岸向海進行了海灘沉積物取樣，2013年在研究區(qū)海域開展了底質(zhì)沉積物取樣。室內(nèi)沉積物樣品分析采用篩分和激光粒度儀測試2種方法；沉積物分類采用幅克沉積物三角圖分類[9]。

1.2 區(qū)域沉積環(huán)境特征

研究區(qū)海灘沉積物樣品主要為沙和含礫沙，其中以沙為主，占所有樣品的67%，含礫沙占33%。含礫沙又以具有較高的沙組分為特征，多數(shù)樣品占95% 以上，多分布在海灘的中部偏西南區(qū)域(圖2)；據(jù)前人研究[2]，朱家尖東岸海灘沉積物礦物組分中以石英、長石等陸源碎屑礦物為主，其中石英質(zhì)量分數(shù)高達77%～82%，礦物成熟度較高，這些礦物理化性質(zhì)較為穩(wěn)定，因此，研究區(qū)海灘泥沙多來源于鄰近地帶；考慮到區(qū)域附近沒有入海河流，因此沙灘物質(zhì)不可能是河流來沙。該海域是典型的基巖岬灣海岸，組成海灘粗粒物質(zhì)多來自鄰近基巖岬角侵蝕，基巖山體破碎的產(chǎn)物，部分可能是內(nèi)陸架沉積物在沿岸流的作用下搬運而來。

圖2 海灘沉積物沙含量分布Fig.2 Distribution of percent content of sand in beach sediments

海底沉積物類型主要為黏土質(zhì)粉沙、粉沙和中細沙，中值粒徑介于0.005～0.447 mm之間，中值粒徑由近岸向外海呈逐漸增大趨勢，近岸變化較劇烈，外海變化不大(圖3)。

圖3 海底沉積物中值粒徑等值線分布Fig.3 Distribution of medium diameter in bottom sediments

1.3 水文動力與泥沙條件

1.3.1 波浪特征

據(jù)朱家尖波浪觀測站1959—1964年資料，區(qū)域以風浪為主，平均波高0.5 m，波周期3.6 s ，歷史最大波高4.2 m，波向為E(出現(xiàn)時間為8月)；各月平均波高0.3～0.6 m；各月平均波周期2.8～4.5 s；波高季節(jié)變化：大浪集中于7—9 月；常波向及頻率：N(14.2%)、NE(17.9%)、SE(10.3%)。

鑒于朱家尖觀測結(jié)果缺少必要的觀測要素，同時引用嵊山海域波浪觀測站長年觀測數(shù)據(jù)，該站靠近外海，波浪要素受地形等環(huán)境條件的影響小。經(jīng)統(tǒng)計，與本區(qū)域的平均波高線性相關(guān)系數(shù)為0.57，最大波高的相關(guān)系數(shù)為0.73，均呈較顯著相關(guān)趨勢，能夠較好地反映研究區(qū)深水波浪環(huán)境。因此，在對研究區(qū)海域動力條件和泥沙輸運等的分析、計算時采用嵊山海域的波浪統(tǒng)計結(jié)果作為深水波浪要素輸入，以此推算研究區(qū)近岸海域波浪破碎時的淺水波要素。波浪特征表現(xiàn)為：頻率以N向最大，為18.51%；S向次之，為12.87%；其他波向出現(xiàn)較多的有NNE向、NE向；該海域常浪向為N～NE、S向。海域平均波高介于0.97～1.32 m之間，最大波高分布介于1.4～3.8 m之間。

1.3.2 沿岸流

波浪斜向入射至海岸，由于會發(fā)生折射現(xiàn)象，波峰線未達到與岸線平行前，波浪發(fā)生破碎，破碎后在破波帶內(nèi)會產(chǎn)生一股平行岸線的沿岸流，沿岸流是破波帶內(nèi)泥沙起動和輸運的的主要動力，對于研究海岸演變有重大意義[10]。關(guān)于破波帶沿岸流流速強度的獲取目前一方面通過半定量的解析公式計算，另一方面主要通過建立近岸波流模型模擬沿岸流流場結(jié)構(gòu)[11-12]；本文采用解析計算方法，利用Longuet-Higgins沿岸流計算公式[13]，獲得了各剖面不同波向波浪入射破碎后的沿岸流速(表1)。計算結(jié)果表明，研究區(qū)沿岸流介于0.88～1.23 m/s之間，沿岸流強度與破波角波高、海灘坡度等有關(guān)，在破波點達到最大，向岸隨著水深減小，其強度減弱。

表1 研究區(qū)沿岸流速計算結(jié)果

1.3.3 波流作用下的泥沙起動

沙質(zhì)海灘演變過程中沿岸流驅(qū)動下的泥沙輸運起到重要作用，而泥沙搬運的先決條件是沿岸流作用下泥沙的起動問題。本次利用曹祖德等[14]從邊界層理論得出的波、流共存時的泥沙起動公式(式(1))，計算了研究區(qū)海灘各斷面上泥沙的臨界起動流速。

(1)

式中：ue——泥沙臨界起動流速，m/s；d——泥沙粒徑，mm。

本區(qū)域沉積物顆粒較粗，海岸沙灘泥沙中值粒徑介于0.309～0.386 mm之間，一般以單顆粒泥沙起動為主，采用式(1)計算的泥沙臨界起動流速最大值為0.20 m/s(表2)，表明這一區(qū)域波浪破碎后掀起的泥沙可以比較容易被起動，隨沿岸流進行輸運，其主要動能來自波浪破碎后產(chǎn)生的輻射應(yīng)力，隨著波能的減弱，泥沙在岬角處落淤堆積。

表2 研究區(qū)泥沙臨界起動流速計算結(jié)果

2 海灘剖面變化特征

2.1 季節(jié)變化

研究區(qū)岸灘總體坡度較平緩，沙灘寬度介于140～210 m之間，高潮時水位線最高可達4.1 m(1985國家高程基準，下同)，平均高程約3.5 m，低潮水位線高程介于-1～0 m之間；剖面形態(tài)由岸向海平緩過渡，除個別剖面外，一般呈現(xiàn)略微下凹的斜坡形。

從不同季節(jié)顯示的剖面變化(圖4)來看，研究區(qū)海灘呈現(xiàn)夏季沖刷和冬季淤積的趨勢，這與區(qū)域波浪隨季節(jié)變化造成的海岸動力條件有關(guān)；春季至夏季(3—8月)海灘各剖面淤積微弱，均以侵蝕狀態(tài)為主；由于所處的位置差異，不同剖面的侵蝕變化量主峰位置也有所差異，其中P1、P2、P3、P4號剖面位于離岸大約30～70 m的位置，P5、P6號剖面位于離岸120～130 m的位置；海灘各剖面最大侵蝕量可達89 cm左右，出現(xiàn)于P3號剖面；各海灘剖面平均變化量介于-0.47～0.18 m之間，平均變化程度最小的出現(xiàn)在P2號剖面，最大出現(xiàn)在P3號剖面；3—8月是區(qū)域波浪、潮汐和潮流最活躍的時期，同時疊加了臺風所造成的風暴浪作用，區(qū)域盛行的東南風一定程度上加強了偏S向波浪的入射，泥沙大范圍起動，海灘灘面被強烈侵蝕。夏季至秋季(8—10月)海灘各剖面表現(xiàn)為上部侵蝕為主，下部淤積，淤積量和侵蝕量呈持平狀態(tài)；各剖面中最大侵蝕量60 cm左右，出現(xiàn)于P2號剖面，最大淤積量出現(xiàn)在P5號剖面，淤積量47 cm；各海灘剖面平均變化量介于-0.05～0.15 m之間；整體來看，8—10月區(qū)域動力環(huán)境較上一階段有所減弱，剖面上主要表現(xiàn)為上部泥沙在回流的作用下做向海橫向輸沙運動，并在剖面下部發(fā)生堆積。秋季至冬季(10—11月)，海灘各剖面表現(xiàn)為進入冬季的修復期，除個別剖面外，海灘表現(xiàn)為上部弱侵蝕，其中侵蝕量均小于35 cm；各剖面淤積最大量為28 cm，出現(xiàn)在P4號剖面；各海灘剖面平均變化量介于0.02～0.12 m之間，平均變化程度最小的出現(xiàn)在P3號剖面，最大的出現(xiàn)在P4號剖面，平均變化量顯示了各剖面均是淤積量大于侵蝕量，而且淤積量較小，海灘呈穩(wěn)定、微淤積趨勢。10—11月波浪傳播至海灘前濱破碎后形成上沖流攜帶的泥沙做向岸的輸運，隨著流速減弱，泥沙沿剖面發(fā)生堆積。

圖4 觀測周期內(nèi)南沙海灘剖面P1的季節(jié)性變化(紅色代表淤積，綠色代表侵蝕)Fig.4 Seasonal variation of Nansha beach profile P1 during the observation period(red is deposition and green is erosion)

總體分析，潮汐和波浪等是影響南沙海灘地形季節(jié)性變化和調(diào)整的主要動力因素，尤其是破波帶內(nèi)波浪掀動的泥沙，在沿岸流的作用下進行輸送。此外，本海域潮差較大，潮汐作用較強，潮汐水位升降影響到波流對灘面的擾動范圍。另外，組成海灘的沉積物，一方面反映了海灘的物質(zhì)來源，在不斷調(diào)節(jié)與塑造著海灘地形和坡度環(huán)境同時又在一定程度上對入射波能起著緩沖調(diào)節(jié)作用，進而使海灘剖面的形狀和灘面動力地貌格局發(fā)生變化。

2.2 年際變化

南沙海灘2012—2015年的變化結(jié)果顯示，海灘P1～P4號剖面所處的位置均以侵蝕狀態(tài)為主，侵蝕幅度介于9～26 cm之間，其中P1號剖面位置侵蝕幅度最大；P5和P6號剖面呈淤積狀態(tài)，淤積幅度介于5～19 cm之間，其中P6號剖面淤積幅度最大；從蝕淤變化分布的平面圖來看，海灘大致以中部為界，東側(cè)呈整體侵蝕，西部呈整體淤積，并且有自東向西侵蝕量逐漸減弱、淤積量逐漸加強的趨勢，這與泥沙自北、東北向西、西南方向運動密切相關(guān)，波浪近岸掀沙、沿岸流輸沙是泥沙運動變化的重要因素。

3 沿 岸 輸 沙

3.1 沿岸輸沙量計算

沙質(zhì)海岸沿岸輸沙主要發(fā)生在破波帶內(nèi)，其主要動力是波浪及其破波產(chǎn)生的沿岸流。波浪斜向入射時發(fā)生破碎，產(chǎn)生劇烈擾動，掀起大量泥沙，同時，斜向波破碎引起的沿岸流提供了沿岸搬運泥沙的動力，因此沙質(zhì)海岸的沿岸輸沙是引起岸灘演化的重要因素。沿岸輸沙的公式較多，其中波能流法是以大量的現(xiàn)場資料為依據(jù)將沿岸輸沙量與作用在海岸上的波功率聯(lián)系起來應(yīng)用較為廣泛[15-16]。為保證計算結(jié)果的準確性，采用美國Shoreprotectionmanual推薦的計算方法[17](CERC公式)和JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[18]沙質(zhì)海岸沿岸輸沙率計算公式共同對研究區(qū)沿岸輸沙進行計算，提高了沿岸輸沙量計算結(jié)果的可靠性。二者公式中同時考慮了波浪破碎后在破波帶內(nèi)波能對泥沙運動的重要貢獻，區(qū)別在于JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》綜合考慮了波能、深水波陡以及泥沙粒徑參數(shù)的影響，能夠更好地反映海灘泥沙運動的實際情況，從計算結(jié)果來看，CERC公式計算的沿岸輸沙量稍微偏大，這與前人的研究成果一致。

3.1.1 主要參數(shù)計算與選取

外海波浪傳入濱海區(qū)后，受到海底地形、地貌、水深變淺，以及沿岸島嶼、建筑物等影響，會發(fā)生破碎、變形、折射、繞射等；沿岸輸沙計算關(guān)鍵參數(shù)就是波浪在近岸區(qū)變形破碎后的波浪要素計算，包括波浪破碎后的波高、破波角度等。破波角度采用科赫(Koh)給出的公式計算。波浪破碎后的波高采用JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》中推薦的公式計算，結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)破波波高計算結(jié)果

3.1.2 沿岸輸沙計算結(jié)果

沿岸輸沙計算與沖淤動態(tài)分析需要對海岸進行劃分，本次計算利用所布設(shè)6個剖面P1～P6，將岸段自北向南劃分為7個岸段，分別命名為Ⅰ～Ⅶ，在每個斷面處將計算的各入射波的相關(guān)參數(shù)代入沿岸輸沙公式中進行計算，得到通過各個剖面的沿岸輸沙率，同時規(guī)定泥沙的南向運動為正，北向運動為負，最終可以得到各波向、各岸段的沿岸泥沙凈輸運。

造成海岸泥沙運動的主要入射波浪集中在ESE～SW這個范圍內(nèi)，其中正向輸沙最多的來自ESE方向(沿岸輸沙量高于300×103m3/a)，其次是SE向和SSE向；負向輸沙最多的來自S方向(沿岸輸沙量高于100×103m3/a)，其次是SSW向和SW向。研究區(qū)北側(cè)為陸域腹地，區(qū)域常浪向N～NE沒有造成明顯的沿岸輸沙，對研究區(qū)的泥沙運動影響較小。

3.2 沿岸輸沙對海灘蝕淤動態(tài)的影響

沙質(zhì)海岸近岸帶是泥沙活躍地區(qū)，泥沙運動對近岸區(qū)的生產(chǎn)和生活有重要影響，泥沙的運動和流失將會對濱海浴場造成不可逆轉(zhuǎn)的負面效應(yīng)。沿岸輸沙量的變化能夠引起岸線各段沖淤，從而促使岸線淤漲和侵蝕。

計算結(jié)果表明，從Ⅰ號岸段開始，海岸泥沙被侵蝕過P1剖面后帶到下游的Ⅱ號岸段，凈侵蝕量為156.10×103m3；過P2剖面后泥沙減少到103.68×103m3，說明在Ⅱ號岸段發(fā)生了泥沙的少量堆積，凈淤積量為52.42×103m3；之后泥沙繼續(xù)向西側(cè)輸運，過P3剖面后泥沙增加到141.23×103m3，因此Ⅲ號岸段為明顯的泥沙輸出段，呈侵蝕趨勢，凈侵蝕量為37.55×103m3；過P4剖面的泥沙量迅速增加到172.77×103m3，上游來沙不足以補充此處的輸沙量，Ⅳ號岸段發(fā)生明顯的侵蝕，呈泥沙凈流出段，凈侵蝕量為31.54×103m3；過P5剖面的泥沙量迅速減少到72.23×103m3，說明上游岸段發(fā)生明顯的淤積，泥沙呈凈輸入，凈淤積量為100.54×103m3；過P6剖面的泥沙繼續(xù)減少到43.85×103m3，因此Ⅵ號岸段為微弱淤積岸段，凈淤積量為28.38×103m3；過P6剖面后泥沙繼續(xù)向下游輸運，在下游岬角發(fā)生堆積。在沿岸泥沙的作用下，研究區(qū)海岸呈現(xiàn)上游處明顯侵蝕狀態(tài)，下游岬角處則是明顯堆積現(xiàn)象。由于波浪和泥沙復雜的發(fā)生和運動機制，導致與海灘監(jiān)測剖面測量結(jié)果有一定的出入，但整體上仍然能夠反映海灘泥沙運移的基本趨勢，在不考慮人類活動對海灘影響的情況下，沿岸輸沙對海灘蝕淤動態(tài)起到了關(guān)鍵作用。據(jù)1984年和2012年的海圖水深測量資料顯示(圖5)，研究區(qū)0 m線常年呈西側(cè)向海淤漲，而上游東側(cè)區(qū)域有向岸方向蝕退的演化趨勢，與海岸泥沙的凈輸運有密切聯(lián)系。

圖5 南沙海灘2012—2015年夏季觀測期年際蝕淤變化Fig.5 Interannual changes of erosion and deposition in Nansha beach during summer observation period from 2012 to 2015

4 結(jié) 論

a. 研究區(qū)海岸沉積環(huán)境特征主要表現(xiàn)為海灘沉積物主要為沙和含礫沙，海域中沉積物類型為黏土質(zhì)粉沙、粉沙和中細沙；沉積物粒度參數(shù)中值粒徑由近岸向外海呈逐漸增大趨勢；海灘的沉積物組分和粒度分布特征指示了海灘泥沙為強動力水環(huán)境下的近源沉積，鄰近海岸的基巖侵蝕來沙是沉積物的重要物質(zhì)來源。

b. 研究區(qū)海灘受到波流等動力條件和沉積物分異格局的共同作用，海灘剖面各季節(jié)不斷重塑和調(diào)整，剖面季節(jié)變化特征一般表現(xiàn)如下：春季的緩慢侵蝕；夏季為快速侵蝕階段；秋冬季海灘動力條件發(fā)生改變，侵蝕程度減小，呈快速淤積，尤其是波浪對海灘泥沙的擾動減弱，海灘得到修復。

c. 研究區(qū)海灘沖淤特征表現(xiàn)為以中部為界，東側(cè)呈整體侵蝕，西部呈整體淤積，并且有自東向西侵蝕量逐漸減少而淤積量逐漸增加的趨勢，這是波浪掀沙、沿岸流輸沙作用的結(jié)果。

d. 海灘沿岸輸沙量計算結(jié)果表明，沿岸輸沙主要來自ESE、SE、SSE、S等方向；研究區(qū)各岸段沿岸凈輸沙量平均值介于43.85×103～172.77×103m3/a；沿岸輸沙是造成海灘蝕淤動態(tài)變化、海岸線長期演變的重要因素。