基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙灣海灘養護分析

馮瓊瑛，楊 鋒，肖 敏，張瑜斌

（1.廣東海洋大學 實驗教學部，廣東 湛江 524009；2.湛江市海洋與漁業環境測站，廣東 湛江 524039；3.廣東海洋大學 信息學院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學 海洋資源與環境監測中心，廣東 湛江 524088）

基于ArcGIS 3D Analyst的湛江金沙灣海灘養護分析

馮瓊瑛1，楊 鋒2，肖 敏3，張瑜斌4*

（1.廣東海洋大學 實驗教學部，廣東 湛江 524009；2.湛江市海洋與漁業環境測站，廣東 湛江 524039；3.廣東海洋大學 信息學院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學 海洋資源與環境監測中心，廣東 湛江 524088）

以湛江金沙灣海灘養護前后不同時期沉積物粒度監測數據、海底高程掃描數據和遙感影像為依據，運用ArcGIS 3D Analyst進行沉積物和海底地形分析，得出湛江市金沙灣海灘養護工程實施前后不同時期海底沉積物、地形表面和動態剖面變化情況。結果表明，湛江金沙灣海灘侵蝕區域集中在風車廣場對出海域和原紅嘴鷗碼頭附近，后期應重點考慮對此區域進行修復重建。關鍵詞：海灘養護；ArcGIS 3D Analyst；沉積物；地形；侵蝕熱點

海灘養護是指根據設計方案，向海灘大量拋沙，或同時輔以硬式工程，使受蝕海灘增寬和穩定的工程行為，被認為是當前抵御海岸侵蝕、維持海岸線平衡最有效的措施[1]。國外有關海灘養護的理論較為成熟，針對海灘在波浪、風暴潮作用下的實驗研究很多，國內起步稍晚但發展較快，一些學者開展了海灘養護剖面設計和實驗模擬應用研究[2-5]。

1 金沙灣海灘養護工程概況

湛江金沙灣海灘位于廣東省湛江市赤坎區，瀕臨金沙灣觀海長廊，東臨湛江海灣，西側從北至南有風車廣場、勞麗詩廣場以及紅嘴鷗碼頭（2013年拆除），海灘面積約為40 000 m2，海岸線長300 m，最多可容納20 000名游客。

為改善港灣生態環境，建設“一灣兩岸”的城市景觀，2012年湛江市政府對金沙灣海灘進行了整治養護，整個工程歷時50 d，分2期進行，第1期2012年10月11日～10月25日，第2期2012年10月27日～12月中旬。養護岸線長約800 m，北至風車廣場，西至勞麗詩廣場，南至紅嘴鷗碼頭，縱深約150 m，面積為10.6萬 m2。養護內容包括吹填石英沙、清理海底暗礁、處理污水淤泥等。工程位置和養護范圍如圖1黃色區域所示。

2 數據來源和分析方法

本文的分析數據主要有金沙灣海灘工程養護前后沉積物粒度監測記錄和海底高程掃描數據。其中，海底沉積物數據分別于2012年9月（養護前）、2012年12月（養護后）、2014年6月（養護20個月后）由湛江市海洋與漁業環境監測站按《海洋監測規范》（GB17378.5-2007）進行監測取樣。海底高程數據以當地理論最低潮位為基準，分別于2012年10月10日（養護前）、2012年10月24日（養護中）、2012年11月26日（養護后）、2013年8月3日（養護10個月后）、2014年3月6日（養護15個月后）由該站依據《海洋調查規范》（GB/ T12763.10-2007）進行掃描、監測取得。

圖1 湛江金沙灣海灘養護工程位置示意圖

2.1 沉積物粒度分析方法

根據金沙灣海灘沉積物采樣實測的粒度數據，按《海洋沉積物質量》（GB18668-2002）將沉積物分為砂、粉砂質砂、砂質粉沙、粉沙、粘土質粉沙、砂質粘土、粉沙質粘土和粘土8種，運用Arctoolbox→自然鄰域法工具進行沉積物插值分析，得到養灘前后不同時期沉積物分布示意圖。

2.2 地形分析方法

地形表面常采用等高線、Grid、TIN等模型來表達。先將金沙灣養灘前后高程掃描數據進行坐標換帶；然后用Excel軟件整理為標準格式，導入ArcMap10；再利用3D Analyst→TIN管理→創建TIN和編輯TIN工具，生成不同時期TIN表面地形；最后結合應用Arctoolbox→3D Analyst→柵值表面→等值線，生成等值線圖。

剖面監測能反映不同階段海灘動態變化情況，本工程依據金沙灣海灘地形特點，設計了EW01、EW02、EW03東西方向3條監測剖面。依據不同時期的地形柵格表面，用3D Analyst→線插值工具生成某剖面線插值，并創建剖面圖，再將同一剖面線不同時期的結果疊加，得出不同時期地形剖面變化結果。

2.3 高程變化分析方法

為了直觀地查看養灘前后地形表面變化情況，運用3D Analyst工具，通過柵格插值分別生成不同測量時期的表面柵格，再用3D Analyst 的“柵格計算→減”工具，生成不同時間的高程變化示意圖。

3 對比結果與分析

金沙灣海灘養灘前后效果如圖2所示。可以看出，養灘前，海灘起伏較多，游人稀少；養灘后，地形平緩，沙灘潔凈，游客眾多。

圖2 養灘前后的湛江金沙灣海灘實景圖

3.1 沉積物粒度分析

粒度是沉積學的經典指標，粒度的空間變化指示著沉積環境與搬運動力條件的變化。在養護工程不同時期，應充分考慮該海灘的沉積物粒度特征、功能需求等因素，選擇合適的拋沙方式、位置、成分、數量和沙源[6]。運用沉積物分析方法，分別生成養灘前（2012年9月）、養灘后（2012年12月）和養灘20個月后（2014年6月）的沉積物分布示意圖（圖3）。可以看出，養灘前取樣區域沉積物以粘土質粉沙為主，約占整個采樣區域的50%；砂次之，占20%，主要分布在海灘西南側近岸。在設計拋沙時，宜采用灘肩補沙，將補給泥沙主要堆積在平均潮位以上，增加干灘寬度[3]；同時，對于離岸較遠的粘土質粉沙區域可輔以寬厚土工布鋪蓋，減少拋沙沉陷。養灘后，砂的比例大幅增加，達到52%，距離岸線300 m遠處由于無法拋沙，沉積物粒度變化不大。整治20個月后，受水動力影響，拋沙流散，砂比例減少，粉沙比例上升。因此，后期修補時可采取近岸補沙或輔以離岸潛堤來削波護沙。

圖3 金沙灣海灘沉積物分布示意圖

3.2 地形表面分析

地形表面常采用Grid、TIN、等值線等來分析。運用3D Analyst中的TIN分析工具，生成養灘前、養灘后、養灘10個月后的地形表面如圖4所示；運用3D Analyst中的等值線分析方法，生成養灘前、養灘后和養灘15個月后的等值線如圖5所示。

結合圖4、圖5可以看出：養灘前，風車廣場下側有一深潭，落差近10 m，勞麗詩廣場至原紅嘴鷗碼頭一帶近原紅嘴鷗碼頭附近等值線密集，地形起伏較大，為重點整治區域。養灘后由于大量拋沙，海灘地形趨緩，凹凸和深潭得到填補。養灘10個月后，受波浪等水動力作用，拋沙向東推移，離岸150～350 m處海灘地形變得坑洼不平，風車廣場下側出現侵蝕。養灘15個月后，風車廣場和原紅嘴鷗碼頭附近侵蝕加劇，落差變大，同時風車廣場一側對出海域約150 m處存在一處深溝，深溝兩側高程等值線非常密集，容易造成溺水事故。后期監管時要重點考慮這些侵蝕區域。

3.3 地形剖面分析

運用剖面分析法，得到EW01、EW02、EW03剖面變化如圖6所示。養灘后海灘剖面外推，海灘寬度和沙層厚度增加，減輕了海岸侵蝕，起到了軟性護岸作用。從EW01看到，養灘前該剖面離岸100～300 m處有3處深溝；養灘后3處深溝得到填補，高程普遍增加1.0～2.0 m；整治10個月后，受波浪和潮汐影響，高程降低，離岸150～300 m區域變得起伏不平；整治15個月后，這一區段漸趨平穩，但400 m處一直存在寬約50 m的深溝。EW02和EW03剖面類似。需注意的是EW03末端（原紅嘴鷗碼頭附近）顯著下降，為侵蝕熱點。

圖4 湛江金沙灣海灘地形圖

圖5 金沙灣海灘養灘前后等值線圖

3.4 高程變化分析

運用高程變化分析法，得到養護工程實施前后不同時間的高程差變化，如圖7所示。

養灘前后高程變化最顯著區域為勞麗詩廣場和大風車廣場附近（圖7a箭頭A、B），這也是工程設計的整治區域，高程變化在0.5～3.0 m。養灘10個月后，由于波浪、潮汐等水動力環境影響，拋沙流失，近岸高程下降，尤其以風車廣場附近海域高程降低最為明顯（圖7b箭頭A′），離岸150 m處海域高程上升。養灘15個月后，風車廣場一側海域侵蝕加重（圖7c箭頭A″），深度達1.5～2.5 m。原紅嘴鷗碼頭附近嚴重下陷（圖7c箭頭C″），結合等值線圖可以看出該處等值線密集、地勢陡降，市民游泳至此易發生溺水事故，為后期監管養護重點區域。

圖6 金沙灣海灘剖面監測結果

圖7 金沙灣海灘高程變化示意圖

4 結 語

通過對金沙灣海灘近2 a沉積物與海底地形的監測分析，得出金沙灣海灘侵蝕主要集中在風車廣場、風車廣場對出海域150 m深槽和原紅嘴鷗碼頭附近海域（圖8中bs1、bs2、bs3區域），后期應著重對此區域進行補沙回填。同時，考慮風車廣場附近深槽容易發生沖刷，補沙回填不能根本解決金沙灣海灘海床下沉問題，可考慮同時在上游沙灣入海口排污管出水處修筑潛壩以阻擋排污管出水和海流對補沙的沖刷。離岸潛壩修筑實施方案需通過建立數值模型進一步確定。

圖8 湛江金沙灣海灘侵蝕熱點區域示意圖

海灘養護的目的是使養護沙長期穩定在養護區內，但侵蝕熱點的出現會影響整個養護海灘的穩定性及再養護的周期。許多學者研究了海灘養護侵蝕熱點的特征與成因[7-9]，根據這些文獻資料，結合金沙灣海灘近2 a的監測分析，得出其侵蝕成因主要有：①排污管道。風車廣場北側的沙灣入海口排污管道阻斷海灘沿岸沉積物的輸運，造成排污管道下游bs1、bs2區域的強烈侵蝕。②水下地形。風車廣場對出150 m有寬50 m、深5 m的深溝（圖8中bs2區域），該深溝除對波浪有一定的消減作用外，也造成這一區域的強烈侵蝕。③金沙灣海灘屬天然岬灣海岸，兩頭的岬角能有效防止灣內的沉積物向灣區外流失，但在岬角附近往往容易出現侵蝕熱點（圖8中bs1、bs3區域)。④近岸工程和人類活動也是造成海灘侵蝕的原因，如圖8中bs3區域由于人工采沙，侵蝕明顯。此外，湛江是臺風暴潮易發地區，風暴潮對海岸的侵蝕也不容忽視。

因此，海灘養護應充分考慮該海灘的沉積物特征、功能要求和地形狀況，選擇合適的拋沙方式、位置、成分、數量和沙源。同時，后期監管也是海灘養護的重要組成部分，運用 3S 技術對養護海灘工程進行多方位時空變化監測分析，有利于科學長效地實施海灘養護，提升海灘和海岸帶的環境和生態價值。

[1] 莊振業,王永紅,包敏,等.海灘養護過程和工程技術[J].中國海洋大學學報,2009,39(5)∶1 019-1 023

[2] 胡廣元,莊振業,高偉.歐洲各國海灘養護概觀和啟示[J].海洋地質動態,2008,24(12)∶29-33

[3] 莊振業,曹立華,李兵,等.我國海灘養護現狀[J].海洋地質與第四紀地質,2011(3)∶133-139

[4] 董麗紅,梁書秀,孫昭晨.海灘養護理論與試驗研究進展[J].海洋開發與管理,2012(5)∶44-49

[5] 楊燕雄,邱若峰,鄒志利,等.北戴河海灘養護方案實驗研究[J].水運工程,2010,440(4)∶18-23

[6] 李琰,胡克,王萍,等.大連復州灣底質沉積物粒度特征與沉積環境分析[J].海洋學研究,2013,31(3)∶41-48

[7] Bridges M H. Analysis of the Processes Creating Erosional Hot Spots in Beach Nourishment Projects[D]. Gainesville∶ Coastal＆Oceanographic Eng Program,U S of Florida,1995

[8] Dean R G,Liotta R,Simon G. Erosional Hotspots[M]. Gainesville∶ Coastal&Oceanographic Engineering Program,Univ of Florida,1999

[9] 蔚廣鑫,蔡鋒,戚洪帥,等.以3個典型個例探討養護海灘侵蝕熱點的特征及其成因類型[J].應用海洋學學報,2013, 32(1)∶52-60

P208

B

1672-4623（2016）05-0085-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.05.027

馮瓊瑛，碩士，高級實驗師，主要從事數據庫及GIS應用工作。

2015-07-29。

項目來源：廣東省科技計劃資助項目（2013B020309011）；廣東省教育廳科技創新資助項目（2013KJCX0095）。（*為通訊作者）