臺風“利奇馬”對山東省海陽市海灘演化過程的影響

高偉 ，李萍*，高珊，田梓文，李兵，劉杰，徐元芹

(1.自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，山東 青島 266061；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266237；3.自然資源部第一海洋研究所 海岸帶科學與海洋發展戰略研究中心,山東 青島 266061；4.自然資源部海島研究中心，福建 平潭 350400)

1 引言

海岸帶是國民經濟發展的主要區域，是人類活動最活躍最頻繁的地帶[1-2]。隨著海洋經濟的快速發展和海岸帶開發日趨增強，海岸帶系統格局或要素發生重大改變，特別是在全球變暖的大背景下，臺風、寒潮等極端天氣現象愈發頻繁[3]，導致海岸侵蝕地質災害現象頻發，嚴重威脅沿海經濟社會發展和人民生命財產安全[4]。山東省擁有漫長的大陸海岸線，沙灘資源豐富，大陸海岸線長達3 345 km，但是約有1 186 km松散沉積物組成的海岸發生侵蝕[5]，占總岸線長度的35%左右，其中80% 的濱海沙灘正遭受侵蝕或者嚴重侵蝕，特別是煙臺市濱海沙灘侵蝕情況嚴重[6]。海灘作為海岸帶沉積動力地貌響應的動態單元，受多種因素影響，如在長時間尺度上受海平面變化、構造活動等的持續影響，短時間尺度上受波浪、潮汐、極端天氣情況和人類活動等影響。在影響海岸沙灘形態變化的諸多因素中，臺風及其帶來的風暴增水是影響海灘剖面形態變化最主要的動力因素[7]。臺風過境時，往往使得海灘在短時間內遭受嚴重侵蝕，海灘地形地貌發生改變，雖然臺風過后灘面可以進入恢復期，但是臺風對后濱和風成沙丘等造成的破壞往往恢復周期較長甚至是形成永久性的破壞[8]。諸多學者對砂質海灘的臺風影響過程進行了相關的研究工作[9-14]，研究表明風暴期間灘面侵蝕和正常天氣下泥沙向岸回淤是中、長尺度沙灘剖面演化的主要過程[15]，但是不同類型的沙灘對臺風的響應程度也有很大的不同[16]，甚至在臺風過境時灘面表現出基本穩定的狀態[17]。我國是遭受臺風等極端天氣災害的重災區，以瓊、桂、粵、閩、浙、蘇和魯等省份[18-24]遭受災害最為明顯，其中山東省是我國北方省份中遭受臺風災害的重災區。山東省平均每年1.1 個臺風過境[25]且主要發生在7-9 月，海陽市是山東省受臺風影響較重的地區之一[26]，如1992 年的9216 號熱帶風暴使山東省砂質海岸遭受嚴重侵蝕，海陽市的部分岸段最大蝕退距離達30 m[27]。因此，本文選擇2019 年8 月1909 號臺風“利奇馬”過境山東時，研究其對海陽市“萬米沙灘”的影響過程，從而探討北方砂質海灘對極端氣候事件的響應過程。

2 研究區與臺風“利奇馬”概況

2.1 研究區概況

海陽市位于黃海之濱，山東半島南端，處于青島、煙臺、威海3 個開放城市中心地帶（圖1a），隸屬于國務院確定的首批沿海開放城市之一的煙臺市，2012 年亞沙會在海陽成功舉辦，2015 年成功入選首批“國家級旅游度假區”。海陽夏季盛行南風和東南風，年平均風速為3.2 m/s；常浪向為SSW 向；強浪向為SE 向，最大波高為5.8 m；次強浪向為SSE 向，最大波高為3.9 m[28]。潮流主要為規則半日潮流，潮流為往復流。通過實測資料計算可知海陽區域平均低潮位為-1.80 m，平均高潮位為1.72 m；最低潮潮位為-2.73 m，最高潮潮位為2.30 m（海陽平均海平面為-0.04 m[29]，1985 國家高程基準）。

海陽海岸線長130 km，砂質海岸平直，海岸走向基本為東北-西南方向，屬于潟湖沙壩型海岸[30]。海灘堆積物以淺黃色中、細砂為主，分選較好，沙灘沉積物向海由粗變細，大潮高潮期間，部分岸段潮水可以直接抵達灘肩下緣。同時部分海灘灘肩后發育為風成沙丘，在海灘的東、中部為酒店和旅游設施等，東村河口南側的海灘上存在大量臨海養殖場，部分養殖設施直接建設在海灘灘肩和后濱，或是完全建設在海灘之上。其中的度假區也就是被稱為“萬米海灘”的砂質海灘，其長度超過20 km，沙細、浪穩、坡緩、水清，是國內最好的海灘之一，但近年來由于波浪、風暴潮等自然因素和采砂、養殖等人為原因，海陽海灘侵蝕嚴重。

圖1 研究區位置和臺風“利奇馬”路徑Fig.1 Location of study area and Typhoon Lekima track

2.2 臺風“利奇馬”概況

2019 年8 月4 日，臺風“利奇馬”（編號：1 909）誕生于西北太平洋洋面上，10 日凌晨，“利奇馬”以超強臺風登陸浙江，中心附近最大風力16 級（52 m/s），一舉成為1949 年以來登陸我國大陸地區的第五強臺風。在其穿過江蘇移入黃海后，11 日20 時50 分在山東省青島市黃島區海域再次登陸，中心附近最大風力9 級（23 m/s，熱帶風暴級），之后迅速穿過山東半島后進入渤海，13 日減弱為熱帶低壓，14 時，中央氣象臺對其停止編號（圖1b）。“利奇馬”給山東省帶來8 級以上陣風，它登陸強度強、陸地滯留時間長、降雨強度大且極端性顯著、大風影響范圍廣且持續時間長，使華東及環渤海等地遭受嚴重風雨影響[31]。其對海陽市的影響主要為8 月10-14 日，其中8 月11-12 日影響最為嚴重，期間國家海洋局煙臺海洋預報臺發布海浪II 級“橙色”預警，東南風超過8 級（圖2），海陽市海域浪高可達4.5 m[32]（圖1c），對海陽市海灘造成了嚴重的沖擊。根據千里巖驗潮站實測潮位資料，臺風過境期間海陽海域增水過程主要發生在11-12 日，平均增水超過50 cm，最大增水時間為11日中午，增水高達75 cm（圖3）。

圖2 臺風“利奇馬”過境期間研究區風向變化Fig.2 Changes of wind directions during Typhoon Lekima landing

3 數據來源

本文數據主要依托山東省重大科技創新工程專項課題“海岸侵蝕綜合預警關鍵技術及對生態脆弱性的影響”，對海陽市砂質岸線進行了周期性的灘面監測工作。2019 年7 月2-4 日完成了海陽海灘夏季剖面和無人機影像的監測任務，在8 月14 日臺風“利奇馬”過程影響結束后，8 月15-17 日對該海灘進行了重點剖面和無人機影像的復測任務，獲得了臺風對砂質海灘影響過程的第一手資料。同時，7 月4 日至8 月14 日期間，除臺風“利奇馬”外，海陽海域并無其他臺風或風暴潮過程，因此兩次監測數據可以完整反映臺風“利奇馬”對海陽砂質海灘的影響過程。

3.1 無人機監測

圖3 臺風“利奇馬”過境期間海陽海域實測潮位與增水過程（千里巖驗潮站）Fig.3 Hourly tide height process and high tide water at Haiyang area during Typhoon Lekima landing (tide gauge station:Qianliyan)

無人機監測工作采用大疆M600 PRO 六軸飛行器，在前期現場踏勘和確定無人機監測范圍的基礎上，在白天最低潮時航飛，利用無人機航線規劃軟件進行航線規劃，對無人機的飛行路徑、控制方式、飛行高度、飛行速度、旁向重疊度等主要技術參數進行設定。航飛時根據預先設計的航線進行無人機自主導航飛行作業，飛行高度為150 m，作業區域長度約10 km，每次作業起降3 個航次。同時在地面布置相控點約50 個，用于后期圖像處理的校準工作，通過相控點校準和基準點比測，無人機影像后處理平面精度優于0.05 m，高程精度約為0.10 m。室內工作主要是依據多時相無人機正射圖像，采用人工識別和臺風前后圖層疊加對比解譯等手段，開展海灘灘面變化特征以及海岸侵蝕等分析。

3.2 灘面高程監測

在海灘設置垂直岸線的灘面高程監測剖面，采用基于CORS 系統的高精度實時網絡差分技術，定位精度為厘米級，定期獲得剖面上點位的大地坐標及高程數據，繪制出臺風前后的灘面沖淤變化剖面圖。根據海灘灘面體系劃分，分別計算臺風前后不同灘面的單寬蝕淤量、坡度變化和沖淤變化極值等，從而獲取臺風對海灘的影響程度。灘面高程監測共設置剖面12 個（P01 至P12）（剖面位置見圖1a），趁最低潮時作業。

3.3 侵蝕量計算

圖4 東村河口西南側海灘臺風前后變化Fig.4 Beach changing after typhoon in the southwestern of Dongcun Estuary

臺風過境后，海灘各部分沖淤變化不同，單點高程變化不能準確計算沙灘損失，而剖面的單寬體積變化（如單寬侵蝕量、單寬淤積量）則可計算剖面兩側一定范圍的條帶狀海灘體積變化，因此本文采用單寬侵蝕量來計算臺風過境后的沙灘損失[33]。

4 監測結果

4.1 臺風前后海灘灘面地貌變化

無人機監測海灘長度約10 km，以東村河口為界，根據海灘灘面變化不同將研究區分為西南側海灘和東北側海灘，分別研究兩者在臺風前后的變化情況。

4.1.1 西南側海灘臺風前后變化

西南側海灘長度約4.6 km，整體較為平直，略呈弧形，基本以剖面P03 處為頂點，低潮時頂點處海灘寬度約150 m，向兩側海灘寬度相對變大，最大寬度約300 m。由海向陸依次為海水、潮間帶、風成沙丘，風成沙丘后修筑有高約1.0 m 的護堤，堤外為大片的養殖場。其中，潮間帶寬度較大，低潮時可見寬度約200 m，高潮帶坡度較大，中、低潮間帶坡度平緩，風成沙丘受護堤影響寬度只有15～30 m，沙丘上生長有綠色植被。同時，沿高潮線存在一條明顯的侵蝕陡坎，長約2.5 km，高約0.3～0.5 m（圖4，圖5a）。

根據臺風前后無人機正射影像分析可知，臺風后岸線變化不大，但部分灘面遭受沖蝕[34]。臺風對西南側海灘的主要影響包括3 個方面：（1）灘面下蝕：主要發生在高潮帶和中潮帶灘面，以P04 剖面南側灘面排水管道和矮墻為參照可知，水泥管道直徑約1 m，臺風后埋入沙灘的深度減少約1/3（圖4a），可以計算該處灘面下蝕0.3～0.5 m；（2）風成沙丘淤積：整個岸線的風成沙丘均有不同程度的淤積，表現為風成沙丘面積略有擴大，部分植被和建筑物被掩埋（圖4b）。以P05 剖面北側建筑被風沙掩埋為例，風成沙丘臺風后淤積厚度約0.1～0.2 m；（3）灘面微地貌消失：由于西南側海灘緊靠養殖場，養殖場排水形成了眾多排水沖蝕溝槽等微地貌[35]，臺風后表現為后濱的微地貌由于增水沖刷被夷平或后濱沙丘上的開挖痕跡被掩埋（圖4c）；（4）侵蝕陡坎消失：臺風后平行于大潮線的侵蝕陡坎消失，經實地勘查發現，該陡坎消失原因一部分是由于臺風增水沖刷被夷平，二是增水帶來的泥沙覆蓋在陡坎下的滸苔之上從而造成陡坎消失的假象（圖5，標紅區域表層為泥沙，下伏已變成白色的滸苔）。

4.1.2 東北側海灘臺風前后變化

東北側海灘長度約5.3 km，整體亦較為平直，略呈弧形，基本以剖面P10 處為頂點，低潮時頂點處海灘寬度約140 m，向兩側海灘寬度相對變大，東村河口最大寬度約500 m。由海向陸依次為海水、潮間帶和風成沙丘，其后為城市道路或酒店住宅區（圖6）。該海灘發育高灘肩，陡斜的灘面和寬廣的低潮階地，可見大型灘角。較西南側海灘而言，其潮間帶較窄，一般在60～90 m，向陸側發育寬緩的風成沙丘，沙丘西側生長大片防風林，長約1.7 km，寬約500 m，其余部分防風林寬度僅有30 m 左右。

圖5 臺風“利奇馬”前后侵蝕陡坎變化Fig.5 Changes of erosion scarp after Typhoon Lekima

圖6 東村河口東北側海灘臺風前后變化Fig.6 Beach changing after typhoon in the northeastern of Dongcun Estuary

根據臺風前后無人機正射影像分析可知，臺風后P11 剖面附近岸線略有后退，其余部分變化不大，但灘面遭受沖蝕，其最大侵蝕位于連理島大橋處。臺風對東北側海灘的主要影響包括3 個方面：（1）潮汐通道歸股：該改變主要發生在東村河口。臺風前，東村河口潮汐通道分支較多，水深較淺，呈現“漫流”狀態；臺風后，受降雨導致的徑流量加大和潮汐增水水量加大的影響，東村河潮汐通道在短時間內歸股為幾條主要通道（圖6D），其直接導致河口東側沙灘頂部外側水深加大，沙灘坡度變陡。（2）灘面下蝕：主要發生在高-中潮帶灘面，以P09 北側連理島大橋處最為直觀，臺風前灘面可達第五個廢棄橋墩處且灘面較高，臺風后灘面后退至第六個廢棄橋墩處，且灘面下蝕約0.5 m（圖6E），表明該處灘面下蝕較為嚴重。（3）灘肩形態變化：臺風后在高潮線上部的灘肩高度明顯增加（圖6F），形成與高潮線基本平行的一條隆起狀灘脊。

4.2 臺風前后海灘剖面地形變化

4.2.1 西南側海灘剖面變化

馬河港大橋以南海灘，向陸側已開發為鹽田，南側為河流入海口，入海徑流量很小。該處風成沙丘直接連接潮間帶，受侵蝕較為嚴重，形成高約2.7 m 的陡坎，潮間帶則發育多條水下沙壩。臺風后，海灘中低潮灘形態變化較大，沙壩形態更為明顯且向岸不斷遷移，沙壩間溝槽持續沖刷，沙壩不斷增高（圖7a）。同時剖面整體坡度變化不大，其中沙丘陡坎上部風沙塌落量加大造成陡坎坡度略有降低，但高潮帶灘面受上部沙丘泥沙塌落堆積和下部沖刷的共同影響，坡度略有增加。

西南側海灘中低潮帶坡度相對較大，臺風后整體趨勢以侵蝕為主，海灘坡度整體變緩，且在離岸120～150 m 處的中低潮帶發育了高度為0.4～0.8 m 的水下沙壩。局部區域侵蝕主要發生在中低潮帶，部分灘面高潮帶也遭受較為嚴重的沖蝕（圖7d）。同時后濱發育的海灘則呈現出兩端淤積、中間侵蝕的狀態，即后濱和低潮帶灘面淤積、高-中潮帶灘面發生侵蝕（圖7b，圖8a）的現象。東村河口西側海灘受東村河口影響，中低潮帶發育多條寬緩的水下沙壩，臺風后侵蝕主要發生在高潮帶灘面（圖8b，圖8c），造成高潮帶坡度增加，但中低潮帶坡度變化不大，水下沙壩向岸遷移約34 m。

圖7 臺風“利奇馬”前后P01 至P04 海灘剖面變化情況Fig.7 Changes of beach profiles (P01-P04) after Typhoon Lekima

4.2.2 東北側海灘剖面變化

東北側灘面具有低緩的中低潮帶，坡度均小于1°。其中，P08、P09、P10 和P11 剖面形態類似，都發育有寬緩的后濱（P09 起點后為酒店圍欄，無法測量）和高灘肩，臺風后變化也基本相同，整體坡度略有減小，都表現為高潮帶灘面下蝕、后濱和中低潮帶灘面堆積的現象（圖8d，圖9a-c）。最大下蝕均發生在灘肩下部，灘肩遭受沖刷向岸移動（圖10），最大淤積除P08剖面外均位于高潮帶坡腳處。海陽港東北側約4.5 km處的海灘具有較寬的后濱沙丘，沙丘向海側遭受嚴重沖蝕，形成高度約2.5 m 的侵蝕陡坎（圖11），臺風后剖面整體以侵蝕為主，主要表現為灘肩下部侵蝕嚴重，下蝕距離達到0.86 m（圖9d），導致高潮帶坡度增加，中潮帶以弱淤積為主，且原低緩的水下沙壩向岸遷移約20 m。

4.3 臺風“利奇馬”對海陽海灘的侵蝕量

由于P01 和P12 剖面距離主海灘較遠且相對獨立，因此選擇P02 至P11 剖面參數參與計算臺風“利奇馬”對海灘造成的侵蝕量。剖面間隔較小，各剖面的平均單寬侵蝕量可以代表整條海灘的侵蝕情況。此外，各剖面測量最低高程均達到了平均低潮位，可以準確反映各個海灘地貌單元的沖蝕情況。

圖8 臺風“利奇馬”前后P05 至P08 海灘剖面變化情況Fig.8 Changes of beach profiles (P05-P08) after Typhoon Lekima

圖9 臺風“利奇馬”前后P09 至P12 海灘剖面變化情況Fig.9 Changes of beach profiles (P09-P12) after Typhoon Lekima

圖10 P10 剖面臺風后剖面形態Fig.10 Profile shape of P10 after typhoon

圖11 P12 剖面附近的沙丘沖蝕嚴重Fig.11 Serious erosion of sand dunes nearby profile P12

式中，V為海灘侵蝕量，單位：m3；為平均單寬侵蝕量，單位：m3/m；En為各剖面單寬侵蝕量，單位：m3/m；L為海灘長度，單位：m。

海陽主海灘長度10 km，整體以侵蝕為主，平均單寬侵蝕量為2.43 m3/m，計算可知臺風“利奇馬”過境期間海灘侵蝕量為2.43×104m3。其中，后濱和中低潮帶以弱淤積為主，平均單寬淤積量分別為1.53 m3/m和 2.41 m3/m，整體淤積量為3.94×104m3，高潮帶平均單寬侵蝕量為6.37 m3/m，整體侵蝕量為6.37×104m3，說明臺風過境期間對高潮帶灘面造成的沖刷最為嚴重，少部分泥沙隨沖越流到達后濱，更多的沉積物向海運動，堆積在較深水區，形成沙壩體。

5 討論

5.1 臺風對海灘的作用過程

臺風過程中的臺風浪沖擊是改變海灘地貌形態的最主要因素，風暴增水與潮汐過程的疊加同樣對海灘地貌變化有重要影響。正常天氣條件下，海灘沉積物運移與水動力作用之間相互平衡，形成灘面相對較陡的“常浪剖面”。根據本次臺風“利奇馬”路徑特點，在臺風影響的時間內，逆時針氣旋導致海陽海灘受東南風影響更為強烈（圖2），向岸風主導整個臺風過程，由此帶來的臺風浪正面沖擊海灘，造成了海灘的嚴重侵蝕。臺風期間，強風暴增水與漲潮過程導致水位快速升高，持續時間為2 d，增水造成海灘上部和前濱沖蝕嚴重[36]，同時臺風浪波高遠超過日常（圖1c），因此越頂浪將部分海灘沉積物帶向后濱；而水位升高同樣導致海灘潛水面抬升，海灘滲流作用減弱，灘面大量沉積物被回流帶向近岸海域，堆積形成水下沙壩或加積在原沙壩位置[37]，抬升海底標高，促使臺風浪提前破碎[38]，減緩對海灘的沖刷而最終形成“風暴剖面”。此外，向岸風受防風林和建筑物阻擋風速降低，攜沙能力下降導致風成沙丘略有淤積（圖12）。

5.2 海灘不同地貌單元對臺風的響應

圖12 臺風“利奇馬”對海陽海灘的作用過程示意圖Fig.12 Sketch map of the response process of the Haiyang Beach evolution to Typhoon Lekima

海陽海灘屬于典型的低潮階地型海灘，同時部分區域發育為沙壩型海灘，一般具有坡度較大的高潮帶和寬緩的中低潮帶，而南側后濱相對北側較窄。臺風后海灘整體以侵蝕為主，由海向陸不同地貌單元的形態變化反映了對臺風作用過程和強度的響應規律（表1）。

中低潮帶侵蝕與淤積并存：中低潮帶灘面以東村河口為界，西南側灘面坡度較陡，一般大于1°，東北側灘面較緩，一般小于1°。臺風后，西南側灘面整體遭受沖蝕，水下沙壩向岸遷移，部分灘面在中潮帶出現新的小沙壩，說明剖面有向沙壩式轉化的跡象；而東北側平緩灘面對大波浪具有更明顯的消散波能作用，因此臺風后灘面基本穩定。

高潮帶灘面侵蝕：臺風期間水位增高，風浪與潮流的共同作用致使高潮帶灘面上部受侵蝕嚴重[40]，且灘面坡度越大，水動力對灘面的沖刷強度越大（圖13）。臺風后，高潮帶灘面坡度略有增加，且整體呈現高潮帶灘面坡度越大，侵蝕量越大的趨勢（表1）。

后濱以弱淤積為主：灘肩向岸遷移，形態更加“棱角分明”（剖面P08），灘脊受臺風大浪激浪流堆積，高度增加約0.4 m，特別是東側灘脊隆起更加明顯。淤積原因有兩點：其一，臺風帶來的8 級強烈的東南向向岸風，攜帶細顆粒沉積物堆積于后濱區域；其二，臺風引起的巨浪增水越過灘脊后能量耗散，卷攜的泥沙沉降造成后濱堆積。

風成沙丘弱淤積和強侵蝕同時存在：淤積型沙丘向海側為寬緩的后濱，植被較多，大風攜帶的風沙在此堆積[39]，使得沙丘增高，但由于大風時間較短，淤積量較小。侵蝕型沙丘由于直接連接潮間帶，長期受波浪影響，一般在高潮線附近形成大型侵蝕陡坎，臺風期間潮位增高，波浪沖刷作用加強，使得侵蝕陡坎繼續向岸蝕退。

6 結論

（1）臺風“利奇馬”過境前后無人機正射影像對比顯示，臺風后海灘變化主要以風成沙丘面積略有擴大、高-中潮帶灘面發生下蝕、微地貌消失和潮汐通道加深等現象為主。

表1 臺風前后海陽海灘形態參數變化Table 1 Parameters changes of beach morphology after Typhoon Lekima

圖13 高潮帶灘面坡度與單寬侵蝕量之間的關系Fig.13 Relationship between the slope and the erosion amount in the high tide zone

（2）臺風后，海灘整體以遭受侵蝕為主，侵蝕主要發生在高潮帶灘面；風成沙丘以弱淤積為主，但部分岸段發生嚴重沖蝕；后濱受大風和沖越流攜沙堆積后以弱淤積為主；而中低潮帶沖淤主要受灘面坡度控制，表現為高坡度灘面沖蝕，低坡度灘面弱淤積，且臺風過后形成多個小型水下沙壩。

（3）臺風“利奇馬”過境期間對海陽海灘造成了約2.43×104m3的侵蝕量，其中，高潮帶灘面損失高達6.37×104m3，而后濱和中低潮帶灘面淤積量達到3.94×104m3，說明臺風“利奇馬”對海陽海灘的侵蝕整體以高潮帶灘面沖刷為主。