0 引言
本质上,海岸的淤积或侵蚀均受控于潮滩系统与外界、潮滩系统内部的沉积物收支格局。沉积物收支分析是一种基于质量守恒的方法,通过核算源、汇以及一系列时间和空间尺度上的水、沉积物交换,将水文学和地貌学联系起来[10]。潮滩侵蚀与淤积过程遵循沉积物收支平衡的理论框架,其核心是沉积物在水动力的驱动下发生再悬浮、输运和沉降,并最终导致潮滩的冲淤变化。在该理论框架中,波浪和潮流是主要驱动力,沉积物是媒介,地貌形态塑造是结果(图1)。目前已经有一些基于该理论框架进行的海岸地貌长时间尺度演化的实例研究并取得了良好效果[11-12]。结合野外实测估算沉积物收支平衡,需要频繁的高精度海洋动力及地形测量,工作成本高昂[13],因此相关研究相对较少,而其对于了解潮滩地貌动力学模式是至关重要的。
江苏海岸整体地貌系统正经历从淤积向侵蚀的转变,且侵蚀范围不断向南扩大,给区域生态安全和经济可持续发展带来了巨大压力[14]。此外,江苏海岸当前基本为人工岸线,基于岸线进退的判别方法难以反映潮滩侵蚀/淤积的真实情况。本文选择在江苏中部典型的潮滩——大丰潮滩进行了多个潮周期的水动力、沉积过程及地形现场观测,利用高精度实测数据验证沉积物收支理论在潮滩地貌冲淤动态分析中的有效性,明确江苏中部潮滩当前真实的侵蚀/淤积过程与状态,深入揭示潮滩侵蚀-淤积动态的驱动机制,为科学评估潮滩地貌状态提供新视角和方法论支持。
1 研究区概况
2 数据来源和处理
2.1 野外观测和实验室分析
于2021年5月12日—21日,在大丰潮间带进行了10天(共19个潮周期,依次记为T1~T19)的沉积动力和地貌参数同步观测。共设置3个站位(F01、F02和F03),其中F01和F02站位之间距离450 m,F02和F03站位之间距离628 m,F01站位距岸150 m。站位均布置在光滩上,附近未发现有潮水沟或排水沟。观测期间,除16日为大风天气外,其余时段天气正常。每个站位的观测架上均包括 SBE 26 plus(浪潮仪)、Acoustic Doppler Velocimeter (ADV,三维点式流速仪)和OBS-3A(光学浊度计)三种仪器,仪器探头距底高度均保持一致,仪器设置参数见表1。其中,SBE 26 plus主要用来获取海面高频波动数据,同时记录相应水位、波数、有效波高和有效波周期等参数;ADV用于获取特定水深点的三维高频流速数据,同时记录滩面高程变化信息;OBS-3A用于获取观测期间水体浊度数据。
表1 仪器设置参数Tab.1 Instrument setting parameter |
| 仪器 | 生产公司 | 距底高度/cm | 测量精度 | 采样频率 | 采样间隔 | 工作时间 | 每间隔采样数 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ADV | Nortek, USA | 0.15 | ±1 mm | 16 Hz | 5 min | 256 s | 4 096 |
| SBE 26 plus | Sea-Bird, USA | 0.15 | 0.01% | 4 Hz | 5 min | 256 s | 1 024 |
| OBS-3A | D&A, USA | 0.15 | <2% | 1 Hz | 连续观测 | 连续观测 | 60 |
利用野外收集的海水对OBS-3A获得的水体浊度数据进行实验室标定,将其转化为对应的悬沙质量浓度,其转化关系见图3。
2.2 沉积动力连续方程
沉积动力学的连续方程根据沉积物容重将体积变化转化为高程的变化。由此将输入和输出沉积物之间的差异转化为底床变化,表现为滩面的侵蚀或淤积。其一般形式为
$\partial H_\mathrm{b}/\partial t+(\partial q_x/\partial x+\partial q_y/\partial y)/\gamma+E+G=0$
式中:Hb为床面高程;t为时间;$ \partial H_{\mathrm{b}}/\partial t$代表床面高程随时间的变化率,即侵蚀/淤积速率;qx和qy分别为沉积物输运率的跨岸分量和沿岸分量;γ为沉积物容重;E为局地水柱中悬沙总变化量所对等的床面变化率,其与悬沙平流输运和底部再悬浮过程有关;G为与沉积物输运无关的局地物质变化率,主要与生物生长、颗粒态物质降解等生物地球化学作用相关。 由于沉积物输运率的沿岸分量(qy)相比跨岸分量(qx)对潮滩地貌变化的贡献很小[18],并且高悬沙潮滩G值一般很小,因此,该连续方程可简化为
$\partial H_\mathrm{b}/\partial t+(\partial q_x/\partial x)/\gamma+E=0$
沉积物输运率的跨岸分量为
$\partial q_x/\partial x=\frac{q_{x_2}-q_{x_1}}{x_2-x_1}$
沉积物输运量为
$q^2=\int_0^t\int_0^h\rho(z,t)\cdot U(z,t)\mathrm{d}z\mathrm{d}t$
式中:h为水深;ρ(z,t)为t时刻在z水深条件下的悬沙质量浓度;U(z,t)为t时刻在z水深条件下的流速。
局地床面变化率(E)为
E=
式中: 为局地水柱中的悬沙总量。
以上公式表明,床面冲淤速率受控于沉积物输运率的水平梯度变化,可通过多个站位的水位、流速、流向、悬沙质量浓度观测值,计算出沉积物输运率qx和参数E,进而根据公式(2)计算得到床面冲淤速率。
3 结果与分析
3.1 研究区海洋动力环境
3.1.1 水深
2021年5月12日—21日共19个潮周期内,研究区水深的时间序列如图4a所示。5月12日—14日处于大潮时段,5月19日—21日为小潮时段,其他观测时间处于中潮时期,其中16日出现了明显的大风天气。观测期间,F01站位各个潮周期的平均水深为0.16~0.61 m,最大水深为0.19~0.88 m;F02站位各个潮周期的平均水深为0.35~1.02 m,最大水深为0.5~1.43 m;F03站位各个潮周期的平均水深为0.18~2.18 m,最大水深为2.00~3.42 m。F03、F02和F01观测点的平均淹没时间分别是8.1 h、4.5 h和3.0 h,平均最大水深依次为2.82 m、0.92 m和0.47 m(图4a)。
3.1.2 流速
观测期间,由海向陆,流速逐渐减小,F03、F02和F01站的平均流速分别为0.19 m/s、0.14 m/s和0.03 m/s;随着大潮向小潮转变,流速逐渐减小,其中16日(T9~T10,大风天气)流速明显大于之前的潮周期。F03站的潮周期平均流速为0.14~0.29 m/s,最大流速为0.23~0.74 m/s;F02站的潮周期平均流速为0.06~0.33 m/s,最大流速为0.09~0.47 m/s;F01站的潮周期平均流速为0.02~0.04 m/s,最大流速为0.03~0.09 m/s(图4b)。
3.1.3 有效波高
观测期间,由海向陆,有效波高亦呈减小趋势,F03、F02和F01站的有效波高平均值分别为0.24 m、0.23 m和0.14 m。其中,F03站的潮周期平均有效波高为0.06~0.64 m,最大有效波高为0.09~0.98 m;F02站的潮周期平均有效波高为0.07~0.53 m,最大有效波高为0.09~0.71 m;F01站的潮周期平均有效波高为0.06~0.29 m,最大有效波高为0.07~0.43 m。从大潮转至中潮,有效波高明显减小,其中,16日的有效波高明显大于其他时段(图4c)。
3.1.4 悬沙质量浓度
由海向陆,悬沙质量浓度总体上呈降低趋势,F03、F02和F01站的平均悬沙质量浓度分别为7.49 kg/m3、2.23 kg/m3和1.36 kg/m3,潮周期平均悬沙质量浓度分别为2.35~12.66 kg/m3、0.36~8.03 kg/m3和0.44~3.06 kg/m3。其中,大潮初期、小潮期及16日的悬沙质量浓度较高。F03站的潮周期悬沙质量浓度呈双峰型,即涨潮和落潮各有1个峰值,落潮峰值大于涨潮峰值;F02站在大部分时间的悬沙质量浓度都较低,不超过3.0 kg/m3;F01站的悬沙质量浓度一般不超过1.5 kg/m3(图4d)。
3.2 沉积物收支与床面冲淤变化
3.2.1 沉积物输运量
3个站位在观测期间的悬沙通量变化过程示于图5,总体上,由海向陆逐渐减小。F03站的悬沙通量范围为-4 530~2 000 kg/m;F02站悬沙通量绝对值一般不超过300 kg/m,但16日的悬沙通量较大,最大值达到了615 kg/m;F01站悬沙通量在3个站中最小,正常天气条件下,绝对值不超过20 kg/m,16日相对较大,达到了-35 kg/m。在一个潮周期内,各站悬沙通量多表现为落潮期较大,涨潮期较小。
3.2.2 床面冲淤变化
从潮周期和天气事件影响的角度,选取T2(大潮期)、T9(大风天气)和T19(小潮期)这3个潮周期进行沉积物收支计算。
从图6a~6c可以看出,正常天气条件下(T2和T19),F01—F02断面涨落潮冲淤变化较小,在1 mm以内;而受大风天气影响,T9的冲淤变化幅度明显增大,其中冲淤变化的计算值分别为-5.01 mm和2.75 mm,实测值分别为-3.10 mm和2.40 mm。从图6d~6f可见,F02—F03断面在各周期内的冲淤变化幅度均比F01—F02断面大,其中,T2内的冲淤变化计算值为-19.32 mm和3.91 mm,实测值为-16.30 mm和2.90 mm;T9内的冲淤变化计算值为-19.58 mm和17.59 mm,实测值为-18.50 mm和15.70 mm;T19内的冲淤变化计算值为-4.62 mm和6.64 mm,实测值为-4.80 mm和3.20 mm。
涨潮期,涨潮流将沉积物向岸输运,导致滩面淤积;落潮期,落潮流携带沉积物向海输运,导致滩面冲刷。从图6可以看到,在大潮期和大风天气,水动力较强,落潮时的冲刷量大于涨潮时的淤积量,滩面处于侵蚀状态;在小潮期,水动力相对较弱,落潮时的冲刷量小于涨潮时的淤积量,滩面处于淤积状态。
为进一步测试沉积物收支方法对较长时间下潮滩冲淤的预测效果,选取数据较为连续、完整的T13—T19(7个潮周期),计算F01—F02和F02—F03断面的冲淤变化并与实测值进行比较。结果表明计算值与实测值亦具有良好的一致性:T13—T19期间,F01—F02断面表现为淤积,计算值与实测值分别为1.17 mm和0.90 mm,F02—F03断面整体表现为冲刷,计算值与实测值分别为-10.76 mm和-8.40 mm(图7)。
4 讨论
海岸线位置的变化常被视为潮滩侵蚀或淤积的重要表征指标[19],但对于潮滩侵蚀/淤积趋势识别来说,该方法存在一定局限性。例如人工岸线类型的潮滩岸线是固定的、无法移动的;粉砂淤泥质潮滩的变化相对岸线变化存在时滞性,由淤积转向全面侵蚀(海岸线后退)需要经历数年的剖面调整。遥感技术因其成本低、监测频次高等优势,被广泛用于海岸线动态变化、潮滩时空演变等相关研究[20-21],但该方法难以定量解析潮滩演变过程及其沉积动力学机制。本研究针对江苏大丰潮滩建立了基于潮滩系统沉积物收支分析的潮滩演变解析模型。结果显示,潮间带下部(F02—F03断面)在潮周期内呈现显著的沉积物亏损,而上部(F01—F02断面)则表现为相对平衡甚至轻微盈余。这种沉积物收支格局指示了目前江苏中部海岸潮间带下部剧烈侵蚀,上部保持稳定或轻微淤积的演变格局,这与樊一阳等[22]在对江苏中部潮滩多年剖面形态变化研究中的结论一致,然而,基于潮滩剖面形态变化的结果无法反映冲淤变化的动力机制。因此,需要综合沉积物收支分析与潮滩剖面形态变化信息,以更准确地评估潮滩侵蚀/淤积的真实状态与变化趋势。通过沉积物质量守恒分析发现:大潮与强风浪期间,水动力增强导致沉积物输运能力剧增,落潮期沉积物亏损量显著高于涨潮期沉积物淤积量;小潮期间,水动力减弱导致沉积物输运能力降低,潮滩动态趋于稳定甚至表现为轻微淤积。上述结果表明在自然状态下,高能动力是驱动潮滩持续侵蚀的主导因素。
5 结论
本研究基于沉积物收支平衡理论,结合江苏大丰潮滩的高精度野外观测数据,系统揭示了潮滩冲淤动态的驱动机制与演变特征,主要结论如下。
1)潮滩冲淤过程对动力条件高度敏感。大潮期及高能风浪期间,沉积物输运能力显著增强,落潮期沉积物亏损量远高于涨潮期淤积量,是驱动滩面侵蚀的主要因素;而小潮期间水动力减弱,沉积物净输运量下降,滩面动态趋于稳定甚至出现轻微淤积。
2)当前大丰潮滩呈现明显的空间异质性:潮间带上部地貌相对稳定或轻微淤积,而中下部区域则表现为持续侵蚀。
3)沉积物收支分析在潮滩环境下具有良好的适用性,能够刻画出短时间内的滩面冲淤变化,为潮滩地貌动态监测提供了有效的定量化工具,可作为潮滩演变评估的重要补充指标,以实现对潮滩冲淤状态和机制的精准识别。