砂质海岸侵蚀研究进展

第29卷第2期热带地理Vol.29，No.22009年3月TROPICALGEOGRAPHYMar.，2009收稿日期：2008-12-29；修订日期：2009-02-13.基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号:40576041）.作者简介:于吉涛（1981―），男，山东威海人，博士研究生，研究方向为海岸环境演变，（E-mail）[e-mail]。*通讯作者，（E-mail）[e-mail]。砂质海岸侵蚀研究进展于吉涛，陈子燊*（中山大学地理科学与规划学院水资源与环境系，广州510275）摘要：地形动力学方法已成为国外海岸地形动力过程研究的主要方法，国内仍多采用传统地理学的定性、半定量的研究方法，在海岸地形和水动力之间耦合机制方面所做的研究相对较少，这是国内砂质海岸侵蚀研究需加强之处。文中首先回顾了国内外砂质海岸侵蚀的研究历程，然后从海岸地形动力过程入手，从小、中、大3个尺度介绍了国、内外砂质海岸侵蚀的研究状况。关键词：砂质海岸；多尺度地形动力过程；海岸演变中图分类号：P737.23文献标识码：A文章编号：1001-5221（2009）02-0112-07我国砂质海岸分布范围较广，沿海各省市均有砂质海岸分布，但随着全球海平面的上升以及人类对海岸带的无序开发，原本脆弱不堪的砂质海岸正在遭受缓慢持续的破坏，我国70﹪左右的砂质海岸遭受侵蚀，已成为砂质海岸面临的一个普遍问题。海岸侵蚀已引起全球高度重视，海岸侵蚀机制与岸滩防护成为当前地球科学研究的重点与前沿，砂质海岸侵蚀及其机制也已成为海岸带陆海相互作用（LOICZ）研究的重要内容。1国内、外研究概况国外对砂质海岸的研究起步于20世纪五六十年代。美国、日本、英国、澳大利亚、前苏联等国都投入巨资进行现场观测和理论研究，开展海岸侵蚀研究和防护工作。由于海滩系统的复杂性及研究手段的限制，海岸演变和地形过程最初多采用静态性描述的方法，而机制研究较少。美国海岸工程研究中心（CERC）最早利用实验量化来进行海滩地形变化的研究。地层学和沉积学方法也被应用于海岸演变研究中。20世纪70年代以后，海岸理论的研究有了较大发展，研究人员开始从水动力和风动力等角度研究海岸侵蚀，Wright和Thom1977年在总结前人理论研究的基础上，首先提出“地形动力学”（morphodynamics）概念[1]。Wright和Short依据地形动力学的研究思想，对澳大利亚东南部海滩地形和对应的水动力环境进行了多年研究，总结提出了海滩地貌的6种重要状态及其在不同动力影响下相互转化的规律[2–3]。此后，地形动力过程的研究引起了大量学者的关注，地形动力学方法也已成为海岸地形动力过程研究的主要方法。国内对海岸侵蚀的研究基本上开始于20世纪80年代，喻国华[4]、王文海[5]、陈子燊[6]等人较早提出了中国的海岸侵蚀问题。国内对砂质海岸侵蚀的研究较多，研究成果比较丰富，其中大部分研究集中在海岸侵蚀原因及影响因素方面[7-9]，研究方法以定性分析为主。部分研究集中在海岸地形侵蚀过程方面，分析海岸地形、剖面的变化[10–13]，研究方法采用定性、半定量方法，而在地形和水动力之间耦合机制方面研究相对较少。国内20多年对砂质海岸侵蚀的研究主要采用传统地理学的定性、半定量的研究方法，而从地形动力过程研究海岸侵蚀的时、空变化起步较晚，亟需进一步发展。当前，对海岸侵蚀研究进展的综述论文，主要见于沈焕庭[14]、胡刚[15]等。作者回顾了近10年我国河口海岸/岸滩侵蚀研究进展，重点回顾了海岸侵蚀原因、过程与模型模式等方面。由于地形动力学方法已成为国外海岸侵蚀研究的主要方法，而我国的发展比较滞后，因此基于地形动力过程对我国砂质海岸侵蚀的研究进行对比、回顾将具有实质意义。地形动力过程（morphodynamicprocess）即地形和驱动泥沙运动的水动力间相互反馈作用下的变化过程。从海岸环境冲淤演变角度区分上述时空尺度，进一步归纳为：（1）小尺度海岸侵蚀——岸滩对风暴浪的响应；（2）中尺度海岸侵蚀——海滩剖面年2期于吉涛等：砂质海岸侵蚀研究进展113周变化；（3）大尺度海岸侵蚀——近岸水动力长期作用下海岸线形态的大尺度响应。据此对国内外20多年来砂质海岸侵蚀的研究工作、成果进行概述。2小尺度海岸侵蚀研究小尺度海岸侵蚀的研究主要集中在风暴浪对海岸地形动力过程的影响和岸滩对风暴浪的响应特征与耦合机制等方面。地形动力相互耦合的时空过程主要为0.1s~几天、0.01mm~10m的尺度上。2.1风暴浪对海岸地形动力过程的影响风暴浪是引起海岸短时间变化的最重要因素。在风暴条件下，泥沙离岸运移，滩肩消失，较强的冲浪直接到达海蚀岸并对海蚀崖进行侵蚀[16]。如果有迅速、连续的风暴，大量泥沙离岸运移，海岸侵蚀将进一步加剧。对风暴潮的研究，国内外研究人员已开展大量的工作，主要集中在风暴潮机制及预报方法上[17–18]。风暴在海岸地形－沉积动力学方面的重要性也已引起国外研究人员的高度关注。Hayes和Boothroyd对风暴作为改变海岸形态的重要动力进行了论述[19]；Larson和Kraus在Krieble和Dean的平衡剖面的基础上，提出风暴侵蚀海滩模型，并进行试验和提出经验剖面数据[20]；Lee等指出连续的风暴对海滩的作用比单个特大风暴的作用还要强[21]；Cox和Pirrello利用联合概率和累积效应对连续几个风暴造成的侵蚀和岸线后退进行了研究，也证明了这一点[22]。而国内在这方面的研究相对较少，主要采用定性分析或统计方法[23–24]。2.2岸滩对风暴浪的响应特征与耦合机制海滩地形受台风暴浪冲击普遍发生急剧变化，剖面类型由滩肩式向沙坝式转变，海滩在数小时内后退有时可达几十米。风暴快速地使泥沙再分布，成为控制岸线短期变化的（＜10a）最重要因素，可使局部岸线变化加速甚至导致岸线的变化趋势发生改变，这种重大的改变对岸线今后10年甚至更长时间的变化趋势发生重大的影响[25]。岸滩对风暴浪的响应是在台风大浪波动力和潮位暴涨的双重作用下造成的。不同岸段海滩特征地形组合、剖面形态、泥沙组成和岸线走向对风暴浪的响应不同，将决定海滩剖面的地形动力分布，反过来又会导致风暴期间海滩不同的侵蚀方式。这一耦合作用机制已成为国外开展这一方面研究的主要内容，但国内的研究相对较少：戴志军等运用交叉谱等方法分析了寮河口海滩剖面短期变化过程的主要动力作用，结果表明海滩短期的变化过程主要是响应风应力、波浪及台风大浪等动力的作用[26]；蔡锋等探讨了“9914号”台风袭击厦门岛期间海滩的变形特征和侵蚀状态，认为不同走向海岸岸滩地形对同一台风大浪波动力作用具有不同响应特征[27]；陈子燊等分析了粤西水东湾“8616号”台风作用下海滩剖面地形动力与侵蚀机制，认为剖面地形动力特征值大小决定了台风期间遭受侵蚀和岸线变化的幅度，而地形动力的剖面分布型式则导致剖面泥沙输运方向和侵蚀或淤积部位的差别[28]。3中尺度海岸侵蚀研究在全球变暖导致海平面上升并同时造成海岸侵蚀的背景下，砂质海滩地形动力学和中短期海岸演变是当前重要的研究课题[29]，海岸剖面地形动力模式（morphodynamiccoastalprofilemodels）被作为预测近岸地形变化的海岸管理中的标准工具[30]。中尺度海岸侵蚀的研究主要集中在海滩剖面年周变化上，时空过程主要为1s~1a、1m~10km的尺度。海滩侵蚀是影响临海建筑物稳定性的不利因素[31]，临海工程可行性论证中必须对海滩侵蚀情况做出评估，主要是通过海滩剖面的时空变化反映海滩侵蚀程度的强度。海滩剖面的时空易变性充分反映了海滩环境的独特性，海滩剖面通过其物质组成、坡度与地貌形态结构的时空变化在一定程度上反映了复杂的过程——响应系统的海滩主要过程[32]。海滩剖面的研究是海滩侵蚀研究的一个重要手段。对海滩剖面的研究主要集中在海滩剖面蚀积类型判定、海滩剖面时空变化过程研究和海滩平衡剖面研究等方面。3.1海滩剖面蚀积类型判定对于海岸工程研究人员来说，岸滩稳定性是许多工程建设项目实施的重要基础。在海岸工程尤其是海底管线埋设工程前期的环境调查中，砂质海滩剖面冲淤幅度是关键的技术参数之一[33]。其中对于海滩剖面类型的判定是一重要组成部分。20世纪70年代前对剖面类型的判别基本上采用静态地貌学术语来描述，如风暴剖面、涌浪剖面、沙坝剖面、滩肩剖面、夏季剖面、冬季剖面等，这些描述具有地区性局限，并且仅采用简单的波陡或初始岸滩坡度来判别，实际应用较困难。采用地形动力学定量分析方法判别剖面冲淤类型可更好地反映岸滩的基本性质。这些判别式通常是依据实验室试验或现场观测数据，通过机理分析，建立起波要素、泥沙性质和剖面坡度之间的关系式，考虑了海滩剖面的3种114热带地理29卷主要类型：侵蚀型、过渡型和淤积型，并分别给出其临界值。在这一方面，国内外一些研究人员如Sunamura和Horikawa[34]、Hattori和Kawamoto[35]、徐啸[36]等提出的判别式有一定的代表性。这些研究成果促进了人们对海滩剖面冲淤特性的理解，但判别式中一些参数，如初始海滩坡度或碎波带平均坡度或阻力系数的确定使得其实际应用仍存在一定困难，同时这些判别式还需要在更广泛的天然海滩地形演变过程中作进一步验证[37]。3.2海滩剖面时空变化过程研究海滩剖面模拟试验是对海滩剖面时空变化过程一种相当近期的尝试，其物理过程的复杂性难以理解而使模型试验成为一个难题[38]，对砂质海滩剖面冲淤幅度的研究主要通过重复地形测量进行精确估算。但由于测量得到的海滩剖面包络线只能粗略地显示出海滩的空间变化特征，而无法表明海滩主要空间和时间变化过程的详细信息[33]。因此自20世纪70年代以来，国外以Aubrey为代表的一些研究人员着重考虑对现成观测资料的计算及处理，应用经验特征函数或主分量分析方法研究海滩剖面的时空变化特征，发现应用该方法分析海滩剖面变化能较好地描述海滩剖面地形变化的时空特征[39–44]。国内，陈子燊等[45]对粤西水东弧形海岸长时段重复测量海滩剖面的因子分析说明了各特征岸段剖面的主要地貌状态。频域分析反映了各岸段海滩体积的月周振动峰值和对波能的响应特征。陈子燊[32]和戴志军等[46]通过经验正交函数变换分析了剖面变化的主要空间过程及其时间振荡特性。3.3海滩平衡剖面的研究海滩平衡剖面是海洋动力和海滩泥沙充分作用下的一个具有统计意义的相对均衡的海滩形态[47]。绝对意义上的、理想的平衡海滩剖面在自然界是难以找到的，而统计意义上的海滩均衡特征可以满足海岸变化和海滩过程研究需要。对海滩平衡剖面的研究，国外学者已做过大量工作，如Dean[48]、Bodge[49]、Dubois[50]、Muňóz-Pérez[51]、Lee[52]等均提出了海岸平衡剖面模式数学表达式。陈子燊对海岸平衡剖面的研究进行了回顾[37]；印萍等探讨了海滩平衡剖面的概念、剖面形态与影响因素，通过对日照市一条平直砂质海岸海滩断面的长期观测，认为该海滩剖面不是一个理想的均一平面，而是由与海滩泥沙粒度相适应的两个均衡剖面组成，为统计意义上的均衡剖面[47]。李志强等对近年来提出的各种平衡剖面模式进行了总结，认为加强泥沙动力学研究是解决理论模式与实际剖面形态偏离的关键，并指出开展岬间海滩平衡剖面形态研究在理论与应用上都具有重要意义[53]。4大尺度海岸侵蚀研究大尺度海岸侵蚀是指在近岸水动力长期作用下海岸线形态的大尺度响应。研究内容主要有：海平面上升与海岸地形动力过程，年际、年代际岸线演变以及预测岸线变化的模型等方面，时空过程为数月至10a、1~100km的尺度。4.1海平面上升与海岸地形动力过程从全球看，长期岸线变化的最重要原因是海平面上升[54]，海平面上升将导致岸线侵蚀后退。现阶段全球海平面上升率有1.0~1.5mm/a、1.8mm/a、1.0mm/a和1~2mm/a等不统一的说法[55]。我国海平面的上升速率约为1.4mm/a[56]。海平面上升造成岸线的侵蚀后退已成为全球一个普遍现象。在国