粵東南澳島青澳海灘侵蝕退化風(fēng)險評價及其安全調(diào)控

李 平杜 軍張志衛(wèi)徐國強

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

濱海沙灘是非常寶貴的旅游資源,是開展海浴、沙浴和日光浴最佳場所,亦是海洋與陸地天然緩沖器[1]。海灘在激浪作用下堆積形成,是海岸帶最活躍地貌單元之一[2]。我國不同地域海灘旅游差異顯著,自然環(huán)境佳、交通便捷的海灘人滿為患,遠(yuǎn)超其承載能力超負(fù)荷工作,另一些海灘鮮有游客光顧。海灘游客激增,過度使用,海灘侵蝕退化增加,出現(xiàn)明顯的灘面物質(zhì)粗化或泥化現(xiàn)象、坡度變陡、海灘萎縮和水體污染加劇等跡象。此問題出現(xiàn)原因及防治措施,尚無更好對策,主要原因在于對沙灘物質(zhì)運移規(guī)律與演化機制認(rèn)識不足。

海灘作為非常寶貴旅游資源,其質(zhì)量關(guān)系到海灘受青睞的程度,如何客觀全面地評價海灘質(zhì)量,一直是學(xué)界關(guān)注的熱點[3]。近年在海島海灘侵蝕范圍與程度逐步加劇形勢下,海灘侵蝕風(fēng)險評價作為表征海灘侵蝕趨勢方法,進一步評估侵蝕發(fā)生可能性及其發(fā)展趨勢。監(jiān)測評價后認(rèn)為狹窄的玉帶灘沙壩存在決口風(fēng)險[4],對廢黃河三角洲侵蝕脆弱性進行評估[5],對海州灣海岸侵蝕進行了基于風(fēng)險評價影響因子的體系構(gòu)建[6]。近年海平面上升,海灘寬度縮窄、坡度變陡和灘面物質(zhì)粗化等海灘退化問題日趨嚴(yán)重,引起廣泛關(guān)注,成為海岸工程研究的熱點[2]。然而,何為海灘侵蝕風(fēng)險?評價因子如何選擇?不同學(xué)者關(guān)注重點與角度不同,給出不同定義與解釋[7]。海灘侵蝕風(fēng)險評價工作有限,雖然定義不盡相同,但風(fēng)險評價核心在于對侵蝕程度及災(zāi)變預(yù)測,基礎(chǔ)在于準(zhǔn)確的侵蝕過程監(jiān)測及主導(dǎo)因素分析。

粵東南澳島位于南海沿岸海陸交匯海域,島東部青澳灣面向南海,屬于典型岬灣-沙壩海岸地貌,保存了完整的沙壩-澙湖體系[8]。本文在總結(jié)前人工作基礎(chǔ)上,圍繞海島海灘退化過程及其與旅游開發(fā)作用與關(guān)系開展研究,以期為嚴(yán)重侵蝕海灘提供科學(xué)可行的安全調(diào)控措施建議。依據(jù)南澳島主要海灘自然特征,開發(fā)現(xiàn)狀及侵蝕風(fēng)險評價,對青澳灣沉積物、水深地形以及潮流動力調(diào)查,根據(jù)青澳海灘及海灣沉積物、水深地形和岸線修測結(jié)果,探討青澳灣海床蝕淤動態(tài)、青澳海灘演變動態(tài)及其安全調(diào)控。

1 南澳島海灘資源狀況

南澳島是廣東唯一海島縣,也是全國14個海島縣中唯一4A級旅游區(qū)。南澳島面積約110.89 km2,全島岸線長約84.30 km,其中砂質(zhì)岸線13.00 km。2015年南澳大橋通車后,海灘旅游發(fā)展迅猛,游客人數(shù)猛增。青澳海灘是南澳島龍頭景區(qū),位于最東端半封閉星灣月海灣,海灣形似新月,灣口方向東南,灣頂發(fā)育海灘,海灘坡緩而平,是廣東僅有的2個A級天然海濱浴場之一。

采用遙感影像解譯量算與實地調(diào)查驗證相結(jié)合的方法對南澳島海灘的分布、規(guī)模和短期動態(tài)等特征進行統(tǒng)計(表1),統(tǒng)計結(jié)果表明南澳島主要海灘12處,其中長度大于700 m的海灘6處,較集中分布在海島東部和南部,其中淺水灣沙灘和青澳沙灘自然環(huán)境與配套設(shè)施最佳,游客集中(表2)。

表1 南澳島海灘資源概況Table 1 Beaches in the Nan'ao Island,Guangdong province

續(xù)表

表2 南澳島主要海灘特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of main beaches in the Nan'ao Island

為探討青澳海灘穩(wěn)定性與侵蝕災(zāi)變風(fēng)險及其安全調(diào)控對策,布設(shè)了監(jiān)測剖面與取樣站位,測量岸灘水深地形,分析沉積物、潮流。剖面、站位布設(shè)兼顧海灘規(guī)模、開敞度等特征,確保測量反映海灘所有自然特征,長度大于1 km海灘斷面間距150 m,長度小于1 km海灘斷面不少于5個。采用動力沉積與地貌演變分析相結(jié)合方法對海灘岸線變遷、岸灘蝕淤變化、穩(wěn)定性機理進行探討。

2 南澳島海灘侵蝕風(fēng)險評價

2.1 海灘侵蝕風(fēng)險評價模式

海灘侵蝕風(fēng)險評價主要對評價海灘侵蝕現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢進行評估預(yù)測。在對目標(biāo)海灘侵蝕現(xiàn)狀、災(zāi)變過程及主導(dǎo)因子進行分析基礎(chǔ)上,梳理參照前人關(guān)于海岸侵蝕風(fēng)險評價方法體系,根據(jù)海島海灘演變特征,遴選反映侵蝕風(fēng)險特征的指標(biāo)因子,確定評價標(biāo)準(zhǔn)建立評價方法體系。根據(jù)評價結(jié)果與海灘侵蝕監(jiān)測結(jié)果,經(jīng)過多輪改正完善該方法體系,對評價因子進行科學(xué)選擇。

海灘侵蝕風(fēng)險包括退化危險性程度、海灘自身易損性和海灘防護能力三方面。實際上海灘侵蝕災(zāi)害風(fēng)險評價難以區(qū)分海灘易損性與抗風(fēng)險能力。例如區(qū)域GDP(國民生產(chǎn)總值)在海灘易損性和抗風(fēng)險能力兩方面互為矛盾,區(qū)域GDP愈大災(zāi)損越大,但對抗風(fēng)險能力來說,區(qū)域GDP愈大災(zāi)害處理能力(如災(zāi)后補助能力)越強。依據(jù)準(zhǔn)確性和可操作性原則,對風(fēng)險評價指標(biāo)體系進行檢驗—調(diào)整—再檢驗—再調(diào)整,建立適用于南澳島的海灘侵蝕風(fēng)險評價指標(biāo)體系(表3)。

風(fēng)險評價對各評價指標(biāo)量化,對目標(biāo)海灘開展風(fēng)險評價。由于各指標(biāo)參數(shù)的單位不同、量級不同很難將其合并進行運算,進行標(biāo)準(zhǔn)劃分再量化分級。定義N=(g+h+Hw)/3,Hu=u,M=r；危險性因子H=N×20%+Hu×10%+M×70%,其中N為自然因素,Hu代表人為因素,M為海岸動態(tài)因素,V為侵蝕海岸易損性,C為侵蝕風(fēng)險防范能力。根據(jù)危險性系數(shù)H劃分危險性等級:1～1.6為低危險性；1.6～2.4為中危險性；2.4～3.0為高危險性。易損性(V)/能力(C)的值介于1/3～3。軟質(zhì)海岸侵蝕風(fēng)險指數(shù)侵蝕風(fēng)險指數(shù)值介于1/3到9之間,將海岸侵蝕風(fēng)險劃分為三個等級:1/3≤R＜3為低風(fēng)險,3≤R＜6為中風(fēng)險,6≤R＜9高風(fēng)險。

表3 海灘侵蝕風(fēng)險評價指標(biāo)體系Table 3 Evaluation index system of beach erosion risk

2.2 南澳島海灘侵蝕風(fēng)險評價

南澳島交通便利,海灘質(zhì)量及設(shè)施俱佳,管理科學(xué)規(guī)范,部分海灘通過升級可改造成為熱門旅游勝地,具有發(fā)展成為優(yōu)質(zhì)海水浴場潛力。評價數(shù)據(jù)源于實測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計年鑒,海灘動態(tài)包括淤積、穩(wěn)定和侵蝕三等級,淤積和穩(wěn)定岸段無侵蝕速率,不同岸段侵蝕速率不盡相同,侵蝕速率根據(jù)不同期次遙感影像解譯對比,以及地形圖及實測岸灘和水深數(shù)據(jù)計算(表4)。

利用構(gòu)建的評價模式對南澳島12處目標(biāo)海灘進行評價因子賦值,評價風(fēng)險等級,結(jié)果顯示,高風(fēng)險海灘4個,中等風(fēng)險7個,低風(fēng)險3個(表5)。總體而言南澳島海灘侵蝕風(fēng)險等級較高,對中風(fēng)險等級海灘應(yīng)組織開展海灘跟蹤監(jiān)測,及時關(guān)注海灘動態(tài)；對高風(fēng)險等級海灘應(yīng)在探究發(fā)育機制,制定有針對性的科學(xué)方案進行修復(fù)整治,修復(fù)方案需既要充分考慮海灘自然和利用現(xiàn)狀,又進一步從驅(qū)動因子入手,實施軟硬工程相結(jié)合治理方案。

表4 南澳島海灘侵蝕風(fēng)險評價因子量值Table 4 Risk assessment factor value of beach erosion in the Nan'ao Island

表5 南澳島海灘侵蝕風(fēng)險評價結(jié)果Table 5 Results of beach erosion risk assessment in the Nan'ao Island

通過南澳島海灘資源侵蝕風(fēng)險評價及其評價結(jié)果,對于南澳島海灘遭受侵蝕的可能性及其侵蝕災(zāi)變趨勢的空間差異性具有全面而總體性的認(rèn)識。實地調(diào)查與侵蝕風(fēng)險評價結(jié)果具有一致契合度,例如青澳沙灘侵蝕風(fēng)險評價結(jié)果屬于高風(fēng)險等級,實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該海灘侵蝕退化明顯,侵蝕陡坎高差大、沙灘粗化嚴(yán)重、坡度陡化嚴(yán)重,岸灘沖淤變化頻繁,表明建立的侵蝕風(fēng)險評價方法具有科學(xué)性,評價結(jié)果能夠反映海灘侵蝕災(zāi)變風(fēng)險。海灘侵蝕主導(dǎo)因子在構(gòu)建的海灘侵蝕風(fēng)險評價因子體系均有涉及,各因子貢獻(xiàn)不同在海灘侵蝕風(fēng)險評價中權(quán)重不同。另外,盡管各方法中因子權(quán)重有差別,但使用同一種方法對南澳島主要海灘侵蝕風(fēng)險進行評價,評價結(jié)果在一定程度上真實反映了各海灘在侵蝕風(fēng)險方面的地域差異,及各岸段海灘遭受侵蝕破壞原因。

遴選的評價因子既包括了自然因素、海岸動態(tài),也包括了不同岸段社會經(jīng)濟發(fā)展的差異性,這些不同因子構(gòu)成了制約海灘侵蝕的主導(dǎo)因素,也是海灘遭受侵蝕原因,只是在某一岸段,各因子貢獻(xiàn)不同,兩者息息相關(guān)。青澳海灘面向開闊外海,波浪作用強勁,易起動泥沙造成泥沙流失、引發(fā)海灘侵蝕破壞；海灘無序、超負(fù)荷的開發(fā)也加劇了海灘侵蝕。就空間分布總體變化與特征而言,侵蝕風(fēng)險較大岸段,一般侵蝕比較嚴(yán)重,或者開發(fā)強度很大,或者所在海域波浪強勁,從后續(xù)的發(fā)展態(tài)勢上看繼續(xù)遭受侵蝕破壞可能性大。

3 青澳海灘自然現(xiàn)狀與演變過程

南澳島青澳灣位于南澳島東端星彎月海灣內(nèi),青澳海灘位處青澳灣灣頂,海灘長度大約1 350 m,規(guī)模適中,新月形半封閉形狀海灣的遮蔽作用形成的“流小浪弱”的海灣環(huán)境對青澳海灘有一定保護作用(圖1)。

圖1 南澳島青澳海灘遙感影像Fig.1 Remote sensing image of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

3.1 沙灘沉積物及其變化特征

南澳島東部、東南近岸底質(zhì)以基巖礁盤為主,南部和西部底質(zhì)以沙泥類型為主。為分析青澳灣底質(zhì)沉積物特征,在青澳灣和青澳海灘進行表層沉積物取樣,在自然資源部第一海洋研究所粒度分析實驗室進行了沉積物粒度參數(shù)分析工作。現(xiàn)場取樣分析青澳海灘沉積物以中細(xì)沙為主,海灘坡緩水下地形平坦。

圖2 南澳島青澳灣底質(zhì)沉積物分布Fig.2 The sediment distribution of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

青澳灣底質(zhì)沉積物以砂為主,僅個別站位為粉砂,砂組分為98.6%～100%,平均99.8%(表6),中值粒徑0.8Φ～3.0Φ,平均2.31Φ,平均粒徑在0.9Φ～2.9Φ,平均2.25Φ。沉積物分選系數(shù)為0.44～1.02,平均0.63；偏態(tài)范圍為-0.46～0.14,平均值-0.22；峰態(tài)變化范圍為0.34～2.03,平均0.75。動態(tài)變化方面,橫向上自陸向海中值粒徑有增大-變小-增大變化趨勢,總體上沉積物趨于粗化；沿岸方向,自海灘中部向兩側(cè),沉積物中值粒徑趨于變小。2015-01沉積物粒徑較2015-09粒徑粗,這與冬季偏北向風(fēng)強勁、水動力增強有關(guān)。

與海灘沉積物類型與組分顆粒分級特征極其相似,青澳灣海底表層沉積物以砂為主,僅海灣兩翼個別站位沉積物偏細(xì),包括粉砂質(zhì)和黏土質(zhì)沉積物類型(圖2),粒徑從灣頂向灣口趨于粗化,表明岸灘與海灣海床之間存在頻繁而劇烈的物質(zhì)交換,海灘物質(zhì)主要來源于灣內(nèi)海床沉積物。

表6 南澳島青澳海灘底質(zhì)沉積物參數(shù)及其變化Table 6 Parameters of Qing'ao beach sediments in the Nan'ao Island

3.2 岸灘演變動態(tài)

青澳海灘岸灘動態(tài)(岸線進退、剖面蝕淤)存在明顯的縱向區(qū)域差異和橫向不同地貌部位蝕淤分化特征。2015-01—09期間青澳海灘兩期次岸線修測比較表明海灘岸線呈現(xiàn)進退變化相間分布,而蝕淤變化幅度不大(小于1.8 m,平均0.6 m),海灘岸線處于穩(wěn)定狀態(tài),未發(fā)生快速進退變化。

通過2015-09和2016-06兩次測量地形南澳島青澳海灘5條覆蓋海灘代表性剖面(剖面間距150 m),繪制剖面地形變化過程(圖3)量算海灘剖面變化,監(jiān)測結(jié)果反映了岸灘剖面變化過程及特征。結(jié)果表明,2015-09—2016-06期間所有剖面垂向蝕淤變化幅度不大(平均0.45 m,最大1.20 m)。海灘不同位置剖面比較發(fā)現(xiàn),大致海灣中部剖面侵蝕破壞更顯著,海灣兩翼剖面弱侵蝕或淤積變化特征明顯,且主要發(fā)生在灘面上部(后濱)。橫向比較來看各剖面變化不同,差異明顯、類型多樣,其中剖面1和剖面5呈現(xiàn)“上淤下沖”變化特征；剖面2呈現(xiàn)“上沖下淤”；剖面3呈現(xiàn)整體淤積變化；剖面4呈現(xiàn)整體沖刷。

圖3 南澳島青澳海灘剖面變化過程Fig.3 The profile variations of Qing'ao Beach in the Nan'ao Island

4 討 論

青澳海灘蝕淤變化具有明顯特征與規(guī)律,南澳島海灘侵蝕風(fēng)險評價結(jié)果證實侵蝕風(fēng)險空間分異主要由海灘自身環(huán)境及其動力環(huán)境共同決定。

4.1 青澳海灘蝕退機制

岸灘穩(wěn)定取決于泥沙來源、水動力和海岸地形三大因素動態(tài)平衡[9]。岸灘在泥沙運動與水動力變化共同影響下處于侵蝕與淤積動態(tài)變化,海灘蝕退演變根本原因在于動力環(huán)境變化、泥沙供給減少,海平面持續(xù)上升以及無序的海洋工程建設(shè)。

海灘退化影響因子多,機制復(fù)雜,系統(tǒng)內(nèi)部沉積物收不抵支、入不敷出,則發(fā)生侵蝕退化。強勁波浪動力將泥沙攪起,潮流作用下發(fā)生橫向移動或沿岸輸運,局部海域發(fā)生泥沙流失虧損進而海灘被侵蝕破壞。為探討海灣水動力對海灘影響,2015-09在青澳灣內(nèi)布設(shè)了潮流觀測站位以開展準(zhǔn)同步調(diào)查,結(jié)果表明大潮期C1站實測最大流速7 cm/s,流向314°,C2站實測最大流速20 cm/s,流向46°；小潮期C1站最大流速7 cm/s,流向220°,C2站最大流速16 cm/s,流向36°(圖4)。漲急海域主流向偏NE向,南澳島東南端流速大(＞0.6 m/s),東側(cè)青澳灣受島嶼岬角掩護流速較小,落急海域主流向偏SW向。青澳灣潮流落潮優(yōu)勢流(SE向)強于漲潮優(yōu)勢流(NW向),對于由灣外潮流攜帶泥沙輸運進入灣內(nèi)具有明顯的抑制作用,近岸灣頂C1站流速明顯小于灣口C2站,表層流速最大底層流速最小,由灣外進入灣內(nèi)泥沙減少,潮周期泥沙以向灣外輸運為主,單寬每天凈輸沙量3 400 t。

沿岸輸沙是砂質(zhì)海岸泥沙運動重要方式,依據(jù)《海港水文規(guī)范》[10]計算青澳海灘沿岸輸沙參數(shù):

式中:q為沿岸輸沙率(m3/s),δ0為深水波陡,Cb為破碎波速,nb為波浪動力系數(shù),αb為波浪破碎時波鋒線與等深線間夾角(°)；K為輸入系數(shù),D為泥沙中值粒徑；db為波浪破碎水深；Lb為波浪破碎波長。

圖4 青澳灣潮流矢量圖(大潮)Fig.4 Tidal current vector map of the Qing'ao Bay(tide)

青澳灣呈半封閉,SW—NE走向,灣口為SE向,北向和西向波浪對海灘作用有限,選取了ESE—SE—SSE向波浪進行輸沙計算(表7)。沿岸輸沙計算結(jié)果表明青澳沿岸輸沙量不大,向東北向輸沙率2.53×104m3/a,西南向輸沙率4.21×104m3/a,凈輸沙率為1.68×104m3/a,方向偏西南。強勁的漲潮流攜帶大量泥沙通過狹窄灣口進入灣內(nèi),海灣兩翼動力弱泥沙易落淤發(fā)生沉積,沿岸輸沙在半封閉海灣內(nèi)由中部向兩側(cè)輸送。

表7 青澳海灘沿岸輸沙(×104 m3·a-1)Table 7 Sediment transportation along coast of the Qing'ao Beach(×104 m3/a)

4.2 青澳海灘侵蝕退化與安全調(diào)控

青澳海灘資源豐富、質(zhì)量優(yōu),海灘旅游配套與安全警示標(biāo)示齊全,海灘管理制度科學(xué)可行,赴島游客超過60%選擇了青澳海灘。風(fēng)險評價顯示青澳海灘面臨潛在的侵蝕退化風(fēng)險,且呈加劇發(fā)展態(tài)勢。游客數(shù)量的大幅增加導(dǎo)致海灘的超負(fù)荷運行,統(tǒng)計南澳連島大橋建成之后青澳海灘游客數(shù)量增加了近30%,占灘建筑數(shù)量增加了一倍,海灘處于極度過載運營狀態(tài),造成了海灘泥沙供給平衡的破壞及其縱向物質(zhì)交換受到極大干擾,由此必然加劇了游客安全威脅。

優(yōu)化海灘開發(fā)利用方式,實行生態(tài)化管控及科學(xué)調(diào)控。海灘開發(fā)利用方式單一粗放,赴島游客數(shù)量大幅攀升,且游客群體類型單一、時間集中。海灘管理不精細(xì),未進行有計劃的調(diào)控與科學(xué)引導(dǎo),安全警示標(biāo)志不齊全規(guī)范,沙灘生境環(huán)境惡劣,不利于沙灘植被生長,沙灘后緣構(gòu)筑物植被帶缺乏規(guī)劃,易造成地基侵蝕掏空。海灘灘肩甚至出現(xiàn)了整體大幅侵蝕后退,無序人工占灘建筑加強了局部水動力。

海灘安全調(diào)控從海灘穩(wěn)定及其游客安全采取措施,完善“沙丘—海灘—沙壩—潛堤”海灘體系與景觀格局,實施科學(xué)有效生態(tài)調(diào)控策略。發(fā)展旅游、購物、休閑度假為一體綜合旅游鏈,改變游客時間集中、群體單一等弊病。對于其他條件好、具備發(fā)展?jié)摿┘哟箝_發(fā)力度,形成各具特點以青澳海灘為龍頭的海灘群。拓展提升基礎(chǔ)及其配套設(shè)施,以滿足旅游多方需求,改善海灘游客旅游娛樂環(huán)境。依托該沙灘形成食宿設(shè)施齊備、休閑度假安全保障齊全的旅游度假村,形成食宿設(shè)施齊備,配套設(shè)施包括安全標(biāo)志、警示標(biāo)志等均比較齊備了完善的管理制度、安全防護措施,配套設(shè)施包括安全標(biāo)志、警示標(biāo)志等均比較齊備。

5 結(jié) 語

南澳島海灘資源稟賦佳,然而海灘侵蝕退化趨勢明顯,海灘及其旅客存在安全風(fēng)險。本文利用建立海灘侵蝕風(fēng)險評價方法開展海灘侵蝕風(fēng)險評價,表明該評價方法科學(xué)可行,反映不同海灘侵蝕退化風(fēng)險的空間差異,南澳島近半數(shù)海灘侵蝕退化風(fēng)險等級高,面臨進一步侵蝕破壞風(fēng)險。以嚴(yán)重侵蝕青澳海灘為例,探討海灘侵蝕退化機制及安全調(diào)控建議。青澳灣以粗粒砂沉積物為主,岸線進退、岸灘蝕淤變化受泥沙供給與動力狀況共同影響,存在明顯橫向蝕淤分化。泥沙動力沉積顯示青澳灣落潮優(yōu)勢流強于漲潮優(yōu)勢流,其對于灣外潮流攜帶泥沙進入灣內(nèi)具有抑制作用。青澳海灘動力季節(jié)變化、泥沙供給區(qū)域分異是海島海灘規(guī)模與分布控制性因素,游客量季節(jié)性與海灘到達(dá)便捷性是直接影響海灘開發(fā)成熟性。青澳海灘存在 “無序海灘建筑,污水肆意排放,安全管理不規(guī)范”等問題,游客存在著潛在的安全風(fēng)險隱患。豐富海灘資源與便捷交通加速了海灘承載負(fù)擔(dān)與退化,無序無度占灘建設(shè)影響了海灘物質(zhì)供給交換,打破了海灘系統(tǒng)平衡,加速了海灘退化,建議規(guī)范海灘開發(fā)行為,制定海灘開發(fā)紅線與安全標(biāo)識,實現(xiàn)海灘可持續(xù)生態(tài)開發(fā)及科學(xué)管理。