基于數字圖像的山東長山島礫石海灘表層礫石形貌特征研究

王興，王永紅*，徐楊楊，向亞武

( 1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

1 引言

礫石海灘多發育在基巖海岸附近，其在世界海岸帶地區分布雖不廣泛，但卻是一種穩定性非常高的海岸地貌，沉積物具有粒徑粗（2～256 mm）、所處位置坡度大等特征[1]。礫石海灘的規模、演化的時間尺度及其穩定性受物質來源、區域地質地貌類型等因素的制約[2]。礫石海灘物質來源主要包括臨近的河流輸送、冰川搬運、海岸侵蝕等[3]。目前對礫石海灘，包括細礫灘（D50=2～10 mm）、混合砂礫灘和純礫石海灘的形貌特征、礫石磨蝕、輸運以及穩定性方面研究較為豐富[4–12]。Masselink 等[5]對英國 Slapton 細礫灘（D50=2～10 mm）現場調查發現，在特定波浪潮流條件下（Hs=0.5～1 m；Ts=4～8 s；潮差=3～4 m），沖流帶上部形成高灘肩，沖流帶和激浪帶之間形成臺階；Harley等[6]研究發現意大利中部某礫石海灘坡度變化在0.10～0.25之間，粗礫和中礫集中在后濱，細礫分布在灘面。王愛軍等[2]對浙江朱家尖島兩處礫石海灘粒度及形態參數特征分析，并討論了磨蝕與搬運作用對礫石改造的相對重要性。在中等波浪條件下，混合砂礫灘的中礫運動方向主要為橫向移動[4]，細礫與砂則以沿岸輸移為主，而且高能環境下扁平狀礫石被搬運得更遠[7]。廈門天泉灣人工礫石海灘在強潮強動力環境下，年平均輸移率為1 015.6～2 392.5 m3/a[8]。純礫石灘沉積物和地貌受臺風影響后，礫石發生大規模的整體運動，但后期能夠自然恢復，因孔隙度大、波浪下滲率高而較砂質海灘穩定[9–11]，有顯著的自然防波堤效果[12]。

礫石海灘最基本的參數是礫石的形貌特征。礫石的形態在一定程度上可以反映礫石的動力條件、搬運與沉積過程、物源性質，其定量分析對沉積環境判斷具有重要的指示意義[13]。研究礫石海灘表層礫石形貌特征對認識礫石灘的形成發育及其水動力過程具有重要作用。以往針對礫石海灘礫石形貌的研究，研究人員多采用卡尺測量或目估法[14–15]等傳統方法獲取礫石參數?？ǔ邷y量雖然可以獲得三維的數據，但由于費時費力，難以使用大量的樣品數據對礫石形態進行評定。

目前，可以采用數字照相與圖像處理技術定量獲取礫石形態參數。雖然數字圖像提取技術只可獲取礫石顆粒的二維信息，但由于其可以快速大量采集礫石樣品的形貌數據，仍可反映礫石分布和變化特征。例如前人已在冰川堆積物[16]、戈壁表層礫石[17]和泥石流卵礫石[18]等研究中利用此方法取得了良好的效果。本研究以山東長山島礫石海灘為例，應用計算機圖像處理軟件對現場拍攝的沉積物圖像進行處理，快速大量獲取礫石海灘表面礫石粒徑及形態參數。結合剖面形態數據，探討礫石海灘形態分布特征及控制因素，為礫石海岸環境的可持續發展提供科學依據。

2 研究區域及方法

2.1 研究區域概況

南、北長山島隸屬山東省長島縣（圖1），地理位置上處于渤海海峽的南部，長山水道與廟島海峽之間，其中南長山島岸線長21.60 km，面積為13.43 km2，為山東第一大島。北長山島北臨長山水道，南接南長山島，該島呈NW向展布，岸線長15.68 km，面積為8.25 km2。研究區在地質構造上屬于膠遼古陸的一部分，受第四紀斷裂活動的影響，長山島沿岸形成各種陡峭的海蝕崖、海蝕平臺等海岸地貌[19]，島上基巖大范圍出露，主要由上元古界蓬萊群淺變質巖組成，巖性包括千枚巖、板巖、石英巖、片巖等[20]。

圖1 研究區域位置及剖面分布Fig.1 Location and profile of the study area

長島地區年平均氣溫為11.9℃，屬于溫帶季風氣候，易遭受寒潮襲擊，平均每年發生寒潮3.2次（據1958–1985年統計），主要發生在10月至翌年4月。渤海海峽一帶是北方最大風浪區之一，常年大風風向為NW–NNE[21]，波浪四季都是以風成浪為主，頻率占95%以上。該地區年平均波高可達1.1 m，冬半年平均波高達1.5 m，其中N和NNE向浪年平均波高達1.7～1.8 m，而偏南向的波高則較小，平均為0.7 m[22]。潮汐屬正規半日潮，平均潮差為1.07 m，多年平均海平面為0.065 m[23–25]。

2.2 研究方法與數據來源

2.2.1 礫石灘樣品采集和剖面測量

于2016年10月在南、北長山島7個礫石海灘（北長山島的月牙灣、九丈崖、長灘，南長山島的仙境源、林海、長山尾、明珠廣場）進行野外作業。依據海灘規模不同，每個礫石灘布設1～3條剖面，運用RTK（Real-Time Kinematic）進行剖面測量。由陸向海，每個剖面選取4個位置（灘肩、灘肩頂、高潮線和水邊線）進行拍照和樣品采集，共拍照并采集樣品55個，其中北長山島28個，南長山島27個。表層礫石照片拍攝使用佳能EOS 550D數碼相機（鏡頭EFS18–55 mm，光圈 F3.5）（圖2）。因此，本文探討的是原位垂直投影形態的表層礫石形貌特征。

2.2.2 礫石參數獲取

由于受光照、灘面平整度等外界因素的影響，獲得的照片通常會存在圖像噪聲。為了更準確地獲取礫石特征，需在提取信息之前，運用相關軟件對原始圖像進行降噪處理[16]。本文應用Photoshop和ImageJ（V1.52p）兩款軟件進行室內圖像處理和數字信息提取。首先使用Photoshop的“鏡頭矯正”功能對圖像進行幾何形變的矯正。接著用“裁剪”工具沿樣方外框進行裁剪，對照片做亮度、對比度和銳化處理，以獲取更清晰礫石顆粒邊緣，然后使用ImageJ軟件“徒手工具”勾畫單顆礫石邊界（圖3），軟件會自動獲得礫石的直徑、周長、面積和形狀參數，這里的形狀參數指磨圓度和形狀比率。本研究只選取樣方內具有完整形態的礫石，樣方邊緣的顆粒以及表面礫石顆粒存在相互疊置現象的礫石未納入研究對象。本次研究選取的礫石測量參數及其計算方法見表1，對所采集的55個樣品，共獲取2 508顆礫石的參數資料，平均每個樣品約有45顆礫石。為方便礫石二維數據對比，使用卡尺測量礫石的長軸和短軸，并帶入公式得出礫石粒徑D。

圖2 研究區礫石灘及采集樣方圖Fig.2 Pictures of gravel beach and the image collection of gravel in the study area

2.2.3 粒徑數據計算

沉積物粒度參數不僅可以用來識別沉積物的沉積環境類型、獲取水動力等信息，還可以用來指示沉積物的輸運方向。根據ImageJ軟件獲得的數據，參考Folk-Ward圖解法計算表層礫石的粒度參數，包括平均粒徑、分選系數、峰度和偏態。

3 結果

3.1 誤差與穩定性

利用圖像獲取礫石形貌數據的過程中存在兩個誤差（拍照誤差和徒手勾畫誤差）。拍攝過程中，將標有25 cm×25 cm刻度的不銹鋼方框分別置于海灘4個特征位置的表面，在距地表0.5 m的高度手持數碼相機垂直拍攝，為獲取更清晰可靠的數字圖像，避免畸變，每個樣方拍攝3幅照片。

表1 軟件統計得出的礫石顆粒形狀參數（據文獻[17]）Table 1 Gravel particle shape parameters obtained from software statistics (from reference [17])

應用 ImageJ（V1.52p）“徒手選擇”工具對單顆礫石進行多次跟蹤測量，10組數據的礫石粒徑統計相對誤差小于5%，變異系數小于3%，標準誤差為0.24。為進一步探討ImageJ測量的可重復性和穩定性，以及不同操作人對測量結果的影響，以月牙灣海灘某采樣點的66顆礫石為例，進行多次重復測量對比。結果顯示（圖4a），每次測量數值無顯著性差異，說明該ImageJ圖像測量法可重復性較好，穩定性也較高，受使用者主觀因素影響較小，在大規模礫石測量時測量1次便可。

同時用卡尺測量來核驗圖像方法的可靠性。比較使用卡尺測量和使用ImageJ計算獲得的二維礫石粒徑（長、中軸的Feret粒徑），發現兩種方法測量結果的絕對誤差為0.11～6.72 mm，平均絕對誤差為3.17 mm，平均相對誤差為8.9%，相關系數R2=0.917 3。總體說明軟件計算結果是可靠的。拍照誤差、徒手勾畫誤差均為系統誤差，最終獲得的數據可以說明不同礫石灘的礫石形貌變化。

3.2 礫石灘剖面特征

研究區礫石海灘規模大小不等，北長山島礫石灘長度大于南長山島（表2）。其中北長山島的月牙灣海灘和長灘海灘規模較大；南長山島的仙境源海灘規模最小，僅長240 m，寬20 m。北長山島礫石灘剖面平均坡度范圍為21%～35%，南長山島為16%～33%，平均坡度最大的是九丈崖海灘，最小的是仙境源海灘。

圖4 ImageJ測量結果可重復性/穩定性對比（a）（1～7為不同人員測量的數據）和不同方式測量的礫石二維數據對比（b）Fig.4 Comparison of repeatability/stability of measurement results of ImageJ software (a)(1–7 are measured by different people), and comparison of 2-D gravel data in different ways (b)

根據剖面形態，礫石灘可分為灘肩型和階梯斜坡型兩類（圖5），其中發育灘肩的有長灘海灘、林海海灘和明珠廣場海灘，九丈崖海灘、月牙灣海灘、仙境源海灘和長山尾海灘屬于階梯斜坡型礫石灘。長灘海灘灘肩最窄，平均寬約6 m；林海海灘灘肩平均寬11 m，在高潮線附近可見臺階；明珠廣場灘肩發育最寬，平均寬28 m。階梯斜坡型礫石灘與灘肩型礫石灘相比，海灘形態彎曲度較大，高潮線或水邊線處多發育灘脊–溝槽。九丈崖海灘、長山尾海灘和仙境源海灘礫石灘發育一級階梯，月牙灣發育二級階梯。

3.3 礫石形貌特征

3.3.1 粒徑

研究區海灘表層礫石粒徑分布范圍為4～79 mm，主要為中礫。北長山島海灘礫石的平均粒徑略小于南長山島。在北長山島，九丈崖海灘的礫石最粗，粒徑分布范圍為9～79 mm，為中礫，分選較好；月牙灣海灘礫石最小，為中粒，粒徑介于6～30 mm之間，分選最好。在南長山島，明珠廣場海灘礫石粒徑最粗，粒徑分布范圍為11～77 mm，分選較好；礫石粒徑最細的是仙境源海灘礫石，介于4～12 mm之間，分選較好（表3）。

表2 礫石灘基本信息Table 2 Basic information of different gravel beaches

在同一剖面上，由陸向海，各海灘平均粒徑的變化具有良好的規律性，從灘肩向海礫石逐漸減小，71%的海灘在水邊線處開始轉折，向海方向平均粒徑增大（圖6a，圖7a）。同一海灘，沿海岸線方向，不同剖面上相同特征位置處的礫石大小也有差異（圖7a）。北長山島九丈崖海灘兩條剖面的礫石粒徑相差較大，PM1的礫石粒徑明顯粗于PM2；月牙灣PM2各特征點（除水邊線）的礫石粒徑比PM1、PM3粗，但PM3水邊線處的礫石粒徑約為PM1、PM2的3倍；自灘肩頂向海方向，長灘PM2礫石粒徑粗于PM1的，且距海越近，粒度差距越大。南長山島仙境源海灘由陸向海，礫石粒徑逐漸變細；林海PM1在灘肩、灘肩頂處礫石粒徑最細，PM3礫石粒徑在高潮線、水邊線處比PM1、PM2的細；長山尾PM1礫石粒徑均大于PM2的；明珠廣場PM1礫石粒徑比PM2的細。總體來說，自灘肩至高潮線附近，礫石粒徑逐漸變小，水邊線處轉折有所增大。

礫石的磨圓度表示碎屑顆粒的棱角被磨圓的程度，磨圓度值越大說明磨損的越嚴重。本文依據軟件中的磨圓度測量數據，參考Powers[15]將礫石磨圓度劃分為極棱角狀（0.12～0.17）、棱角狀（0.17～0.25）、次棱角狀（0.25～0.35）、次圓狀（0.35～0.49）、圓狀（0.49～0.70）和極圓狀（0.70～1.00）。

研究區海灘礫石磨圓度值分布范圍為0.59～0.75，北長山島海灘礫石平均磨圓度與南長山島幾乎相同，均為圓狀（圖6b）。不同海灘礫石磨圓度對比圖（圖7b），采用1倍標準差間距將平均磨圓度進行分級。月牙灣海灘的磨圓最好（0.699），長灘海灘的磨圓度差（0.659），符合野外觀察的情況。

由陸向海，南、北長山島礫石磨圓度呈現逐漸增大的現象，說明礫石磨圓逐漸變好（圖7b）。各海灘具體而言又稍有不同，從灘肩到水邊線，九丈崖海灘、長山尾海灘、林海海灘礫石磨圓度逐漸增大，磨圓越來越好；長灘海灘和月牙灣海灘從灘肩到高潮線磨圓度逐漸增大，但到水邊線處急劇下降，磨圓度變差；明珠廣場海灘和仙境源海灘礫石磨圓趨勢相同，均表現為灘肩頂處磨圓度最大，向海、向陸均變差。同一海灘，不同剖面上相同特征位置處的礫石磨圓也有差異。北長山島九丈崖海灘PM2在灘肩頂與高潮線處的礫石磨圓度要高于PM1；月牙灣海灘PM1在灘肩頂處的礫石磨圓度略大于PM2和PM3，但在高潮線、水邊線位置PM2的礫石磨圓度高于PM1和PM3，PM3在灘肩處礫石磨圓度最大；長灘海灘PM1在灘肩、水邊線處礫石磨圓度略高于PM2。南長山島仙境源海灘灘肩頂處的磨圓相對較好；林海海灘PM3（除灘肩外）礫石磨圓度好于另外兩個剖面；長山尾海灘PM1礫石磨圓度在不同位置均高于PM2；明珠廣場海灘PM1在灘肩頂與高潮線處的礫石磨圓度高于PM2?？傮w來說，各海灘礫石磨圓由陸向海逐漸變好。

圖5 礫石灘剖面形態圖Fig.5 Profile morphology of different gravel beaches

表3 各海灘沉積物粒度參數及分布Table 3 Grain size parameters and distribution of gravels at different beaches

圖6 不同礫石灘的礫石平均粒徑（a）、磨圓度（b）和形狀比率（c）分布Fig.6 The distribution of the mean particle size (a), roundness (b), and shape ratio (c) at different gravel beaches

3.3.3 形狀比率特征

礫石的形狀比率即礫石長短軸之比，整體來看，海灘礫石形狀比率均值分布范圍為1.36～1.77。采用1倍標準差間距將各海灘礫石平均形狀比率進行分級[17]（圖6c），北長山島略小于南長山島，其中月牙灣海灘的礫石形狀比率值最?。?.49），海灘礫石多為近橢圓形，長灘海灘礫石形狀比率值最大（1.61），海灘礫石則更接近長條狀。從陸向海方向，海灘礫石形狀比率呈逐漸降低的趨勢，礫石形狀趨于近橢圓形（圖7c）。同一海灘，不同剖面上相同特征位置處的礫石形狀比率亦有些不同。北長山島九丈崖海灘PM1高潮線處的礫石形狀比率更大；月牙灣海灘PM1水邊線處的礫石形狀比率大，PM2灘肩處的礫石形狀比率大，在PM3灘肩頂與高潮線處的形狀比率大；長灘海灘PM1（除高潮線）的礫石形狀比率明顯小于PM2。南長山島仙境源海灘礫石形狀比率在灘肩頂處最?。涣趾：┰跒┘缣嶱M2的礫石形狀比率大于PM1和PM3；長山尾海灘PM1礫石形狀比率明顯小于PM2；明珠廣場海灘在灘肩頂與高潮線處PM2的礫石形狀比率比PM1大?？傮w來說，由陸向海礫石形狀比率逐漸減小，表現為從近長條狀向近橢圓狀過渡。

圖7 各海灘不同剖面及南、北長山島總體礫石粒度（a）、磨圓度（b）和形狀比率（c）分布Fig.7 The distribution of gravel size (a) , roundness (b), and shape ratio (c) in different gravel beaches sections and Changshan island

研究區礫石磨圓度、形狀比率均反映了沉積物磨損的成熟度[2]，二者呈明顯負相關（R2=0.98），磨圓度越大的礫石形狀比率值越小，礫石所受沉積環境的改造程度越大。南、北長山島礫石沉積物雖然沒有經過較長距離的搬運，但其磨圓度均較高（0.676），對應Powers標準的圓狀等級，礫石均已達到較成熟的階段，說明它們必然在海洋環境中經歷了長時間的磨蝕作用。

4 討論

4.1 礫石來源

地質構造是海岸地貌形態發育的基礎[27]。從海岸地貌的內動力作用來講，我國濱海礫石沉積地貌主要發育在構造隆起帶上，在新構造運動的影響下，長山島處于膠遼隆起帶，具備礫石灘發育的條件。研究區以波浪作用為主，海蝕崖等海岸地貌能夠保證礫石供給。南、北長山島出露的上元古界蓬萊群淺變質巖基巖中，石英巖的磨蝕速率最低。Kuenen[28]曾于室內進行水槽實驗，當保持巖石搬運速率為70 km/d時，石英巖磨蝕速率為0.021%/km，僅次于燧石，這種低磨蝕率也有助于粗顆粒物質的保存。以石英巖為主的海灘礫石，主要來自近源風化產物，包括附近岬角侵蝕物質、海灘后緩內側礫石堤等[19,29–30]。長山列島中北部島嶼（如南、北皇城島，大、小欽島和砣磯島）受地質構造、巖性及高能海水動力的影響，以發育海蝕地貌為主；而南部的島嶼（如南、北長山島）能夠形成諸多礫石海灘，這與地理位置和沿岸流的作用密切相關[19]。南、北長山島位于渤海海峽的南部區域，海水較淺，低鹽度逆時針沿岸流的作用利于形成海岸堆積地貌[19,22]。

4.2 礫石形貌影響因素

波浪、潮汐和風等外動力是塑造海岸地貌的重要外因，海灘礫石粒徑、剖面形態等主要取決于波浪和潮汐的強弱及此消彼長[27]。本文引入崔金瑞和夏東興[31]的浪潮作用指數K來闡明波浪、潮汐與海岸地貌類型的關系。長島地區年平均大風（風速≥10.8 m/s）日為116 d（1975–2005年），秋冬季更是風大浪急。應用南長山島測站數據[24]計算得出K=1.65（大于1），表明該區水動力條件以波浪作用為主，是典型的浪控海岸。

某銅礦山在進行選礦的過程中，添加了一些有機物比如黃藥、二號油和六偏磷酸鈉等等；利用這些有機物進行礦物和雜質的分選。選礦作業產生的廢水整體呈現出中性特質，其中硫化礦呈現出酸性，黃藥以及六偏磷酸鈉呈現出堿性特征。在中性條件下Zn、Fe 等金屬會在尾礦庫中自然氧化沉淀，但在短時間內選礦藥劑無法進行有效的分解，因此外排廢水中的污染物主要是殘留藥劑形成的COD（化學需氧量）。為了保證外排水的達標排放，需對化學需氧量濃度進行有效控制。

4.2.1 動力對于不同礫石灘礫石形貌的控制

不同位置的礫石海灘在地質條件與海水動力條件影響下[19]，礫石形貌有所差異。研究區內來自北方的風浪強度大于東向[23]，導致北向海灘（九丈崖海灘和月牙灣海灘）的平均粒徑（23.48 mm）大于東向海灘（長灘海灘，林海海灘和仙境源海灘）的平均粒徑（18.66 mm）；而南部的明珠廣場海灘和長山尾海灘受逆時針沿岸流強烈影響，堆積的礫石較粗。同為北向的九丈崖海灘和月牙灣海灘，礫石粗細差異的原因在于月牙灣海灘有岬角遮蔽，可以減弱波浪及風暴潮對灘面的直接作用，海灘礫石粒徑相對較細。仙境源海灘向東開敞，無強烈的沿岸流經過，疊加北部岬角阻擋等因素，作用于灘面的波浪能量較低，形成了研究區粒度最細的礫石海灘。

純礫石海灘礫石磨圓度的高低與粒徑、沉積物分選程度及風浪流等因素存在一定的聯系。一般來講，礫石粒徑越大，啟動流速越大[9]，磨蝕愈難。北長山島九丈崖海灘和長灘海灘的礫石粒徑較粗，其磨圓度相對差；月牙灣海灘礫石粒徑較細，磨圓相對較好。如果礫石粒徑相似，則分選差的礫石磨圓度高。如九丈崖海灘與長灘海灘粒級雖然都處在中礫，但九丈崖海灘礫石分選性比長灘差，粒徑小的礫石易被波浪推動并拋入大礫石間的縫隙中[32]，邊棱更易受到磨蝕[33]。南長山島的林海海灘因受海洋動力條件影響較弱，加之顆粒粗、分選好的因素，磨蝕程度為南長山島最低。明珠廣場海灘礫石雖比仙境源海灘粗，但磨圓度處于同一等級，究其原因發現明珠廣場海灘分選較差，且有一定的含沙量，沙的填充加劇礫石磨蝕[34]，形成的礫石磨圓度更高。廟島海峽作為渤海海水外流的主要通道，沿岸流與風浪疊加強化了水動力條件，使得南長山島較粗的長山尾海灘礫石磨圓度略好于該島另外3個礫石海灘。

4.2.2 動力對于同一礫石灘礫石形貌的控制

沉積物輸運受粒級的控制作用明顯，與細粒的沙質海灘沉積物發生沿岸輸運不同的是，粗粒的礫石海灘以橫向運移為主[4,10]。研究區正常天氣下沉積物的臨界啟動流速大于1.1 m/s，臨界波高大于1.0 m[9]，據蓬萊觀測站1992–1994年波浪資料，秋冬季平均波高范圍為0.9～1.0 m[35]，仍小于啟動臨界值。粗粒的礫石無法在弱能量的波浪或潮流條件下進行大規模搬運，風暴潮的作用便顯得格外重要。該區所處海域——渤海海峽是我國風暴潮最嚴重的地區之一，其地形地貌及地理位置的特殊性使得這里一年四季均有風暴潮發生[36]，加之每年數次的寒潮災害，為礫石的搬運提供了強勁的水動力條件。在極端情況下，一次大的風暴潮可以將直徑1 m的巨石從低潮線下部搬運至潮間帶，將5～10 cm的礫石拋到8 m高的礫石堤頂部[37]，嚴重影響礫石的排列和分選。由于礫石海灘的顆粒粗、孔隙率大、滲透性強等特點，在風暴潮環境下，向岸的上沖流明顯強于向海的回流，大部分礫石發生向岸輸移，導致灘面侵蝕、灘肩堆積、灘面坡度明顯變陡[10–11]。從橫向來看，絕大多數礫石海灘在水邊線處的粒徑比高潮線處大，主要由于水邊線是波浪發生破碎和消能的第一站，水動力條件較強，較細的物質被帶走，唯有粗顆粒能夠留存下來。

礫石在水邊線處受到海水反復沖洗的幾率比后濱高得多，磨蝕效果也相對好，磨圓度最大，磨圓度向陸方向呈現變差的趨勢，灘肩位置的磨圓度最差，形成了長山島的礫石堆積模式（圖8）。同一海灘不同剖面上的礫石形貌變化趨勢相似，但由于相同特征點在海灘的分布區域不同，接收到的波浪能量不同，長此以往，導致礫石粒徑、磨圓及形狀比率有所差異，例如，北長山島九丈崖海灘PM1與PM2灘肩處的礫石粒徑大小一致，而灘肩頂、高潮線和水邊線處的礫石粒徑差異顯著。除了波浪因素，礫石灘附近沿岸流也可能會影響礫石在灘面上的分布，例如，南長山島長山尾海灘PM2各位置的礫石粒徑均比PM1細。

圖8 長山島礫石灘沉積物分布模式圖Fig.8 Pattern of gravel distribution in gravel beach in the Changshan Island

4.2.3 人為影響

長島風景旅游區每年吸引大量游客前來旅游觀光，人類活動對礫石形貌的影響不容忽視。游客“采石”的不文明行為[38]不僅破壞旅游資源，也對海灘研究數據的可靠性產生一定影響。另外旅游景區為提升游客舒適度，大規模開發海灘后濱。本次野外工作時，仙境源礫石灘后濱正在施工建設房屋和木棧道，明珠廣場已完成人工填砂工程，原本的礫石海灘變成了砂礫灘。在“長島球石”的大量流失，降低海灘礫石磨圓度的同時，還可能增大礫石啟動的動力條件，進而影響灘面礫石的分布。后濱環形公路、沿海木棧道等設施的修建，大大縮短灘肩寬度，影響礫石海灘坡度。除此以外，我國基巖海島開發過程中還存在開山采石現象。研究區北長山島長灘海灘處于該島上的重要采石區內，采石過程中極可能引起小規模的坍塌、滑坡現象[39]，產生的礫石會直接散落在灘面上，造成長灘礫石分選、磨圓和粒徑都有別于其他礫石灘，破壞了自然規律。

4.3 礫石形貌對于礫石灘形貌的影響

海灘沉積物顆粒越粗，海水的滲透率越大，研究表明在沖流帶下部波浪滲透率達到40%，在沖流帶上部可高達100%[5]，由于上沖流和回流之間存在不對稱性[40]，加之礫石的起動流速較大，沉積物在灘肩處不斷堆積，海灘的坡度隨之增加。英格蘭Chesil礫石海灘的最大坡度為1∶2，這是波浪作用所形成海灘中的最大坡度[41]。長山島各礫石海灘平均坡度介于16%～35%之間，對研究區礫石海灘前濱坡度與顆粒中值粒徑的分析發現，二者呈明顯的正相關（R2=0.549 3），海灘坡度越大其粒徑越粗（圖9）。

圖9 礫石灘前濱坡度與粒度關系Fig.9 Relationship between slope and grain size of gravel beach foreshore

除了礫石顆粒大小，不同的礫石形狀（如橢球形、扁平形等）亦可能影響礫石灘剖面形態。研究發現，相比橢球形礫石，顆粒較大的扁平形礫石更容易堆積在灘肩高處的位置。在中等能量波浪條件下，上沖流可以把大而扁的礫石拖上灘面，一旦到達灘肩，由于海水滲透率高，最扁的礫石留在此處，不斷增高灘肩，而橢球形的礫石在重力影響下沿灘面滾下來[4]。

自全新世中期海平面趨于今天高度以來，南、北長山島沿岸海灘沉積物經過潮汐、波浪及海流5 000～6 000 a的相互作用[42]，不斷發生粒度、形態變化，但作為高能環境下的堆積物，研究礫石海灘的演變還需要未來進行長期的波浪和風暴潮數據監測。

5 結論

（1）北長山島海灘礫石的平均粒徑略小于南長山島，主要為中礫。從灘肩到高潮線礫石平均粒徑逐漸減小，水邊線處受到破波帶影響出現轉折，粒徑高于高潮線；礫石分選較好、磨圓度較高，且由陸向海磨圓度變好，形狀比率與磨圓度呈負相關（R2=0.98），礫石已達到較成熟階段。

（2）研究區海岸為典型浪控海岸，7個礫石海灘由于地理位置、海灘開口朝向及水動力強度差異等，導致各海灘礫石粒徑分布也不同。九丈崖海灘與長山尾海灘直面風浪潮流沖刷，粒徑最粗；而月牙灣海灘與仙境源海灘由于岬角的阻擋，灘面受到波浪能量小，粒徑最細。風浪、海流和風暴潮共同影響礫石灘形貌變化。礫石的向岸搬運與強水動力條件密切相關，只有在達到最大波高或者災害性海浪出現時，才會發生大規模橫向運移。

（3）礫石海灘前濱坡度與粒徑呈正相關（R2=0.549 3），由于礫石海灘顆粒粗，灘面滲透率高，向岸上沖流強度明顯高于向?；亓?，導致灘肩高度增加，坡度不斷變大。（4）數字圖像技術是量算礫石的一種有效方法，有助于建立統一的顆粒形貌定量描述標準。隨著技術發展，使用三維激光掃描等技術，可以獲得更多的礫石形貌信息，從而理解礫石海灘的動力地貌演變過程。

致謝：感謝陳昌祥、楊遠東、常繼強、杜佳在野外采樣及數據分析等方面給予的幫助。感謝審稿人的意見，使得本文得到極大的提高。