大鵬灣岬灣型海灘季節性變化特征及原因分析
——以官湖海灘為例

劉星璐，徐 昇，羅小峰，張功瑾，丁 磊，路川藤，丁 佩

(1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；2.深圳市規劃和自然資源局，廣東 深圳 518038)

由于近年來全球氣候變化及人類大規模活動的影響[1-2]，我國70%左右的砂質海岸發生了海岸侵蝕現象[3]，導致自然海灘和人工海灘都隨之發生海灘侵蝕[4]，對旅游生態行業產生負面影響，因此海灘保護成為海岸帶生態修復的焦點問題之一。

岬灣海灘是主要的砂質海岸類型，這類海灘的特點在于岬角遮蔽效應，岬角掩護范圍的大小決定了海灘的沉積[5]，相比于開敞型海灘，形成穩定狀態的可能性較高[6]，較難發生侵蝕現象[7]，然而臺風暴潮破壞[8]以及人類活動影響都會導致岬灣型海灘發生侵蝕和岸灘失穩[9]。除了個別極大臺風暴潮的毀壞作用難以通過自然作用恢復以外，一般情況下，隨著季節的變化，風暴侵蝕和常浪恢復的循環作用[10]會使岬灣型海灘處于一個動態平衡[11-12]。季節變化往往會帶來風浪條件與平均潮位的變化，而風浪是岬灣類海灘剖面變化的主要動力控制因子[13]，平均潮位也會影響破波帶區域與侵蝕基準面的位置[14]，引起岸灘侵蝕的加劇[15]。已有研究表明，海灘剖面的形態變化具有一定的季節循環性，但堆積與侵蝕的季節性具體過程和地理位置密切相關，不同區域季節性變化不同。西班牙桑坦德省的海灘一年中冬季堆積夏季侵蝕，且恢復堆積比侵蝕的時間長[16]，而美國太平洋西北部海灘會每年夏季外擴15～20 m，到冬季又恢復平衡[17]。我國青島石老人海灘[18]在平穩期呈現夏季堆積冬季侵蝕，變化幅度較小，而在劇變期呈現夏季侵蝕冬季堆積的變化特征；湄洲島西南部海灘[19]表現為夏季后濱和高潮帶侵蝕，低潮帶和淺水區淤積，冬季與之相反。因此華南地區岬灣型海灘的季節循環變化難以簡單類推且可能存在其特殊性。同時，岬灣型海灘一旦發生年際間的侵蝕趨勢，其剖面必然先在年內的季節性變化上有所體現，探究不同季節發生的趨勢性調整，可以深化其年際間趨勢性變化內在機制的認識。

官湖海灘位于大鵬灣東北部，近年來年際間呈西側淤積東側侵蝕的趨勢，尤其官湖社區前沿海灘侵蝕退化尤為顯著，海灘養護工程亟待制定。對于養護方案的選擇，岬灣型海灘與開敞型海灘也有所不同，應當依據不同的退化原因進行合適的方案比選，例如岬灣型海灘的特征岬角受到破壞，應當優先修復岬角構建靜態平衡岬灣進行補砂修復，或者由于岬灣型海灘獨特的地形條件而引起的差異性季節輸沙，應當對流失沙體情況嚴重的剖面著重補沙，亦或是選擇流失率最大的季節進行養護補沙工作，減少不必要的人力物力消耗等等，均需要對岬灣型海灘的季節性變化規律進行研究。為支撐海灘的退化原因分析與養護方案制定，于2020—2021年開展了官湖海灘剖面測量，本文基于此，深入分析研究海灘的季節性變化特征與原因，一方面能夠加強對華南區域大鵬灣海灘季節性變化特征的認識；另一方面，可為相關岬灣型海灘的養護方案制定提供科學依據。

1 海灘季節性變化特征研究

1.1 研究區域概況

大鵬灣位于大鵬半島與香港九龍半島之間，且東北西三面環山，灣口朝向為東南方向，總面積約335 km2。在大鵬灣的東北部，充斥諸多砂質海岸與岬角，岬角間形成岬灣型海灘，本次研究對象為官湖區域，研究區域格局分布如圖1所示。

官湖區域的主要岬角為官湖角，自西向東為官湖海灘與觀海灣海灘，兩海灘被望魚嶺分隔，是典型的岬灣型海灘。大鵬灣潮汐為不規則半日混合潮，2020年平均高潮位約為0.91 m(85高程，下同)，平均低潮位約為-0.63 m，大潮平均潮差1.98 m，潮汐強度弱[20]。風浪資料來源于深圳市海洋監測預報中心，經2020年葵涌下沙站點(位置見圖1)觀測數據統計而得，大鵬灣常風向為SSW，頻率為11.1%，次常風向為NW，頻率為9.7%，夏季常風向為SSW，冬季常風向為NW，年平均風速為4.5 m/s；灣內主要受外海涌浪影響，全年強浪向為SSW，最大波高為2.6 m，常浪向為SSW，頻率為47.59%，次常浪向為S，頻率為36.55%。

為探究官湖海灘季節性變化特征，于2020年5月、2020年7月、2020年10月、2021年1月分四次對深圳官湖海灘進行剖面測量與沉積物采樣，測量時間選取潮汐表預測大潮低潮位時刻，沉積物采樣與剖面測量同步進行。

利用RTK進行人工碎步剖面高程測量，地形變化不明顯處三步一測，地形變化明顯處適當加密監測點數量，雖然監測斷面固定，但由于每次監測點位置不重合，因此在斷面上設置固定分析點，監測數據插值到固定點。測量剖面間距100 m，見圖1。觀測期間無臺風影響。

圖1 研究區域格局分布

由于官湖海灘在形態上表現為西寬東窄，總結每個測量斷面的演變規律、剖面形態與相對地理位置后將剖面進行歸類分組，具體分組為1#～4#剖面、5#～7#剖面以及9#～12#剖面，第一組剖面具有灘肩且冬季灘肩緣回到初始灘肩緣位置，第二組剖面無灘肩呈斜坡型，第三組剖面具有灘肩但冬季灘肩緣未回到初始灘肩緣位置，相對地理位置分別對應官湖海灘西側、官湖海灘東側與觀海灣海灘，各組剖面的形態與演變規律大致相似，測剖面分組與特征如表1所示。

表1 觀測剖面分組與特征

為簡化文章篇幅，選取2#、6#、10#剖面分別作為官湖海灘西側、官湖海灘東側與觀海灣海灘的典型斷面進行研究。

1.2 剖面特征

根據圖2～圖4可知，官湖海灘不同位置的剖面呈現不同的形態，官湖海灘西側由于天然岬角的存在，海灘寬度在 60 m 左右，存在灘肩；向東海灘寬度減小，東側海灘剖面寬度僅40 m左右，逐漸變為無灘肩剖面形態；觀海灣海灘臨近東部岬角，寬度在50 m左右，同樣存在灘肩。

圖2 官湖西側2#剖面變化

官湖海灘西側剖面如圖2所示，秋季后濱侵蝕深度最大位置在距近岸40 m 處。冬季剖面相比于夏秋季剖面更陡，在秋季一部分后濱沙轉化為前濱沙，后濱平均侵蝕0.78 m，最大侵蝕達1.7 m，前濱平均淤積0.09 m，最大淤積達0.2 m，到冬季時，一部分前濱沙由于堆積作用又轉化為后濱沙，前濱平均侵蝕0.23 m，最大侵蝕達0.36 m，后濱平均淤積0.77 m，最大淤積達1.68 m，處于動態平衡的狀態。灘肩緣從夏季開始向岸內方向移動，到秋季離岸最近，向岸移動約20 m，到冬季回到夏季的初始位置，灘肩長度從夏季開始到冬季，經歷先變短再變長的過程。

官湖海灘東側剖面如圖3所示，秋季后濱侵蝕深度最大的位置在距近岸30 m處附近，和官湖西側剖面相比有一定程度的后移，同時官湖海灘東側剖面灘坎灘肩逐漸消失，剖面形狀呈斜坡型，同樣表現為夏秋季海灘剖面比冬春季坡度更緩，在秋季一部分后濱沙轉化為前濱沙，后濱平均侵蝕0.4 m，最大侵蝕達0.9 m，前濱平均淤積0.24 m；到冬季時，一部分前濱沙由于堆積作用又轉化為后濱沙，前濱平均侵蝕0.34 m，后濱平均淤積0.35 m，最大淤積達0.84 m。

圖3 官湖東側6#剖面變化

觀海灣海灘剖面如圖4所示，后濱秋季侵蝕深度最大的位置又回到了距近岸40 m處。剖面同樣表現為秋緩冬陡。灘肩緣夏季開始向岸內移動，秋季離岸最近，向岸移動約20 m，冬季逐漸向海移動，但與官湖海灘西側剖面不同，沒有回到夏季的初始位置，灘肩長度從夏季開始到冬季，經歷先變短再變長，比起夏季初始長度變短。在秋季一部分后濱沙轉化為前濱沙，后濱平均侵蝕1 m，最大侵蝕達1.5 m，前濱平均淤積0.2 m；到冬季一部分前濱沙由于堆積作用又轉化為后濱沙，前濱平均侵蝕0.2 m，最大侵蝕達0.4 m，后濱平均淤積0.45 m，最大淤積達0.88 m。具體各位置前后濱平均變化量如圖5所示。

圖4 觀海灣10#剖面變化

圖5 各剖面前后濱季節平均變化量(淤積為正，侵蝕為負)

各剖面坡度特征與輸沙特征如表2所示。

表2 剖面坡度特征與輸沙特征

整體總結三個位置的海灘剖面雖然剖面形態各有不同，但總體呈夏秋緩冬春陡的姿態，同時在秋季，后濱的侵蝕程度與前濱的堆積程度均達到最大，而官湖西側剖面與觀海灣剖面后濱侵蝕最大處均位于距近岸40 m處，位于兩者之間的官湖東側剖面后濱侵蝕最大處則有一定的后移，在距近岸30 m處。從圖5可以得出，三個位置的剖面均在夏季后濱成侵蝕趨勢，但侵蝕幅度相對較小；秋季后濱侵蝕前濱堆積，處于離岸輸沙的侵蝕狀態；冬季后濱堆積前濱侵蝕，處于向岸輸沙的堆積狀態。

1.3 粒徑特征

對沉積物采樣進行級配計算，得到各剖面不同高程的D50值，采樣所處位置分別為低潮位、中潮位與高潮位。根據采樣點高程不同，沉積物盡管各組分所占百分比不同，但分布均為細砂的含量較高，中砂的含量次之，粗砂再次之，礫最少。2#剖面、6#剖面、10#剖面各采樣點位置D50值如圖6所示。

圖6 各典型剖面D50季節分布

綜合看來，官湖海灘沉積物粒徑整體變化幅度不大，季節性變化主要有以下兩點：1)中低潮位附近夏秋季粒徑相對略粗，冬春季相對略細。夏秋季灘面呈侵蝕趨勢，細顆粒泥沙流失，從而導致夏秋季灘面粒徑相對其他季節較粗。2)高潮位附近粒徑在冬季相較于其他季節明顯變粗。隨著冬季的堆積作用，原本秋季中低潮位粗顆粒泥沙向上堆積，使得冬季高潮位處的粒徑變粗。

一年四次測量證明了岬灣型海灘具有顯著的季節性變化特征，開展相應的原因分析研究對于預測剖面形態、開展補沙養護工作及降低補沙流失率，具有重要的指導意義。

2 季節性變化原因分析

岬灣型海灘與一般海灘一樣，處于動態變化之中，岬灣型海灘剖面形態主要與水文氣象條件、海灘基本組成以及相對地理位置有關。水文氣象條件包括潮汐、氣溫以及風暴潮等，海灘基本組成包括海床坡度與沉積物粒度分布，相對地理位置指是否靠近岬角掩護范圍，而究其本質是這些因素引起了侵蝕沉積動力的改變，侵蝕沉積動力一般指風、波浪以及潮位等。根據測量期間的水文氣象條件資料收集，2020年大鵬灣地區無臺風暴潮的侵襲，實際上官湖海灘剖面季節性變化的主要影響因素為季節性風浪變化與季節性平均潮位變化。本節將結合研究區域概況，對上述官湖海灘的整體季節性變化特征進行原因分析，并對橫向輸沙進行計算驗證。

2.1 季節性風浪變化

采用葵涌下沙站點2020年1月1日0時—2020年12月31日22時的1/10大波高、平均周期、有效波高、最大波高、浪向各4 369個數據進行波浪要素統計，繪制2020年夏秋季和冬季浪向頻率分布圖(圖7)以及2020年各月份平均最大波高表(表3)。

圖7 2020年季節浪向頻率分布圖

表3 2020年各月份平均最大波高

夏秋季(2020年6月—11月)，常風向為SSW，浪相對較大，夏秋季各月份平均最大波高均大于0.3 m，8月份甚至接近0.6 m，達到0.57 m；常浪向為SSW，頻率為46.09%，次常浪向為S，頻率為44.99%，夏秋季常風向與常浪向一致，均為SSW。官湖附近海域的SSW向強浪直接作用于灘面，造成大量水體涌上灘面，海灘很快形成飽和，難以進行進一步的滲透作用，水體開始向離岸方向回流，與上沖水體形成激烈對沖，造成灘面侵蝕，同時大量沙體隨回流向海搬運，所以夏秋季后濱侵蝕，前濱堆積，且秋季達到變化的最大值。之后隨著回流速度的衰減，且泥沙到達閉合水深以外，逐漸在外濱處發生堆積，形成水下的離岸沙壩，阻擋了波浪的進一步侵蝕，最后隨著時間的推移，恢復常浪作用下，泥沙向岸推移，在冬季恢復向岸堆積作用，使剖面達到每年的相對平衡狀態。

冬季(2020年12月—2021年2月)，常風向為NW，常浪向為SSW，頻率為47.16%，由于經過夏秋季的灘面侵蝕，此時坡度較緩，閉合水深以內，隨著SSW波浪的持續作用與破碎，泥沙堆積在灘面，周而復始泥沙不斷堆積形成灘肩；另一方面冬季常風向為NW，即離岸風，風速較大，離岸風使表層水體做離岸運動，而底層水體則做向岸運動，不斷搬運泥沙在灘面堆積。隨著泥沙不斷向岸輸運，海灘下部遭受侵蝕達到一定坡陡時，由于冬季波浪強度較夏秋季較低，各月份平均最大波高基本小于0.3 m，波浪很難再搬運泥沙進入海灘，至此海灘剖面達到一個相對均衡狀態，所以冬季與夏秋季相反，后濱堆積，前濱侵蝕，冬季主要受SSW向涌浪和NW向季風的影響發生堆積。

由于存在S向常浪的作用，官湖海灘走向呈NW—SE，外海波浪補沙由于東岬角的掩護作用，靠近東岬角遮蔽段受影響較小，導致官湖海灘東側區域的觀海灣海灘冬季常浪剖面恢復較慢；官湖海灘西側剖面靠近西岬角，南向浪攜帶的泥沙在西岬角的掩護下，更易在西岬角的遮蔽段沉積，使官湖海灘西側區域剖面冬季常浪剖面恢復較快。

大鵬灣區域不同季節的不同風浪組合引起的橫向水流變化，使得搬運泥沙的方式也不同，泥沙的落淤與沖刷位置也不同，從而導致剖面的形態存在季節性變化。可見季節性風浪變化主要從動力的角度影響泥沙的輸運，使得海灘剖面呈現夏秋季侵蝕、冬季堆積的季節性變化特征。

2.2 季節性平均潮位變化

官湖海灘與觀海灣海灘雖然相對地理位置不同，海灘剖面形態有一定的差異性，但整體均處于夏秋侵蝕、冬季堆積的狀態，總體呈夏緩冬陡，這一特征與大鵬灣月平均潮位的季節性變化有關。

為了精確研究大鵬灣月平均潮位變化規律，收集廣東沿海多年月平均潮位與大鵬灣葵涌站2020年月平均潮位資料，如圖8所示。

圖8 大鵬灣月平均潮位變化

由圖8可知，廣東沿海每一個觀測年期間，8月份至10月份均為平均潮位上升時段，2017年8月份至10月份，夏秋季月平均潮位上升約0.5 m，2018年8月份至10月份，夏秋季平均潮位上升約0.2 m。而2017年10月份到次年3月份，冬春季平均潮位處于下降趨勢，2017年10月份至次年3月份，平均潮位下降約0.5 m。葵涌站與廣東沿海整體變化趨勢基本一致，在6月份到10月份月平均潮位處于上升階段，上升約0.29 m，10月份月平均潮位到達最大值0.63 m，10月份到12月份月平均潮位開始下降，但冬季的平均潮位已經遠大于夏秋季上升過程中的平均潮位。冬季平均潮位處于較大值，導致破波帶向岸方向移動，在破波帶內產生向岸流，具有一定的上沖力，將岸外泥沙向岸搬運，使得冬季后濱堆積，前濱侵蝕，從而導致冬季剖面變陡，秋季剖面稍緩。根據著名的布容法則[15,21]，濱海海灘侵蝕后退速率與海平面增高有關，隨著平均潮位上升，侵蝕基準面被抬高，同時海洋動力作用相對增強，沙量輸出增大，導致海岸侵蝕后退，但該法則適用于海岸長期演變，不宜解釋短期季節性變化。根據1977年Dean提出的平衡剖面半經驗公式，剖面將隨著水動力條件的變化形成新的平衡剖面，而1992年Bodge[22]提出指數表達式的平衡剖面模式，1994年Komar和McDougal[23]對其加以變換得到指數形式的新平衡剖面公式，在與Dean平衡剖面的比較中，與實際海灘剖面吻合更好，因此采用該公式計算：

h(y)=h0(1-e-Ky)

(1)

式中：h(y)為離岸y距離處的水深，h0為極限水深，y為距岸邊水平距離，K為現場測定參數。從式(1)可得，水深與離岸距離呈正相關，當潮位抬升時，即水位增加，y也隨之增加。冬季相比于夏秋季，平均潮位已經抬高到較大值，平衡剖面整體向離岸方向移動，剖面呈向平衡剖面演變的趨勢，呈堆積狀態；夏秋季相比于冬春季，潮位有所降低，平衡剖面整體向岸方向移動，隨著剖面向平衡剖面演變，呈侵蝕狀態。因此，年內月平均潮位的變化是海灘剖面季節性變化的原因之一。

2.3 季節性橫向輸沙計算

當一年內不同季節的波浪條件有很大變化時，海灘剖面會在風暴剖面與常浪剖面兩種形式之間相互轉化，假設海灘上泥沙的縱向運動是平衡的，在剖面形式轉化時，一般可以認為泥沙只是在離岸區和岸邊之間來回搬運，而研究表明，轉化的條件與波陡、組成海灘的泥沙粒徑以及海灘坡度有關。因此引出判別參數K[24]對岸灘剖面的橫向輸沙特征進行判別：

(2)

根據深水波彌散關系，L0=gT2/2π，化簡可得：

(3)

式中：H0為深水波高，tanβ為岸灘坡度，T為深水波周期，ω為泥沙沉速。泥沙沉速ω根據沙質泥沙沉速經驗公式，根據實測資料，大鵬灣泥沙粒徑處于0.05～1.8 mm區間，故采用半經驗公式計算泥沙沉速ω[24]：

ω=10-[0.447(lgD50)2+1.96lgD50+2.736]

(4)

代入式(3)得出K值，若K>0.5，橫向輸沙為離岸輸沙，若K<0.5，為向岸輸沙。實測波浪資料來源于葵涌下沙站，距官湖海灘最近，同時根據全年浪向頻率分布圖(圖9所示)，全年觀測站點浪向大多為SSW與S向，即官湖海灘入射波浪基本處于垂直入射的情況，因此可以忽略波浪的折射效應，統計各觀測月份的有效深水波高、平均波周期如表4所示。

圖9 2020年全年浪向頻率分布圖

表4 官湖海灘各觀測月份計算波要素

泥沙沉速ω根據四次測量不同剖面的沉積物粒徑D50代入式(4)計算得出，岸灘坡度tanβ根據四次測量剖面的前灘坡度計算得出，將各數據代入式(3)，計算官湖海灘不同季節K值如表5所示。

表5 官湖海灘剖面K值季節分布

可見官湖海灘剖面盡管位置形態有所不同，但K值在夏秋季均大于0.5，冬季小于0.5，說明官湖海灘處于夏秋季離岸輸沙、冬季向岸輸沙的狀態，與上文剖面形態演變即夏秋季侵蝕、冬季堆積的規律一致。

3 結 語

基于2020—2021年大鵬灣官湖海灘實測數據，總結大鵬灣岬灣型海灘季節性變化特征及原因，運用平衡剖面與橫向輸沙判別式等公式驗證了理論與實測數據的一致性，為該區域海灘養護與防御工程的實施提供科學指導，具體結論如下：

1)官湖海灘剖面坡度夏秋緩冬春陡，夏秋季后濱侵蝕，前濱堆積，冬春季相反，海灘剖面坡度秋季達到最大，春季最小。

2)官湖海灘泥沙粒徑季節性變化幅度不大，中低潮位附近夏秋季粒徑相對略粗，冬春季相對略細，高潮位附近冬季粒徑明顯粗于其他季節。

3)岬灣型海灘剖面季節性變化與風浪、平均潮位的季節性變化密切相關。夏秋季平均潮位逐漸升高，南向波浪強度較大，在二者的共同作用下，海灘后濱侵蝕明顯，泥沙離岸輸運，并在前濱淤積，冬春季，平均潮位逐漸回落，波浪強度亦減弱，夏秋季前濱淤積的泥沙發生侵蝕，并在后濱淤積，形成海灘剖面一年四季的周期性變化。

4)通過橫向輸沙理論公式計算，官湖海灘剖面夏秋季為侵蝕型剖面，冬春季為堆積型剖面，與實測海灘剖面結果一致。

5)由于官湖海灘夏秋季侵蝕冬季堆積，應當在夏秋季進行適當的補沙防御措施，減少海灘面積損失，同時由于官湖海灘東側與觀海灣海灘堆積恢復作用較慢，補沙體積應略大于官湖海灘西側，即補沙的重點區域宜為官湖海灘東側與觀海灣海灘，且根據各剖面季節性變化規律，主要流失部位為灘肩，應進行灘肩補沙。若修建相關海岸工程，應主要防御SSW向波浪，削弱夏秋季波浪的侵蝕作用。