0 引言
潮滩是在细颗粒沉积物供应丰富的条件下以潮汐作用为主形成的一种地貌类型,位于海陆相互作用最为敏感的地带
[1],其物质组成及地貌形态受潮差、潮流、波浪、沉积物供应及植被等因素的影响,具有显著的空间差异
[2-4]。潮滩具有显著的消浪、弱流功能,尤其在风暴期间,能减缓流速,消耗波能,有效抵御风暴潮对近岸的浪潮侵害,因而在海岸防护方面发挥着至关重要的作用
[5-6]。然而,随着海平面不断上升、地面沉降、流域及海岸带人类活动的不断加剧,潮滩面积逐渐减少
[4,7],大部分淤泥质海岸都遭受不同程度的侵蚀
[8-9]。
江苏海岸以具有宽阔的粉砂淤泥质潮滩、快速淤长与剧烈侵蚀著称于世。随着1855年黄河北归后,因巨量泥沙供应被切断而导致废黄河口及附近海岸发生侵蚀,侵蚀强度随着离开河口水下三角洲中心区距离的增加而逐渐减弱
[10-11],射阳河口地处废黄河三角洲南缘,曾是20世纪80年代前该区域海岸侵蚀的南北分界点,即北侧海岸呈现侵蚀状态,而南侧海岸地区因废黄河口侵蚀物质向南输运而表现出淤积特征
[11-13]。但随着时间的推移,尤其是2000年以来,射阳河口以南海岸也逐渐开始发生侵蚀,并且侵蚀强度逐渐增大
[14-15]。近年来,随着江苏中部地区港口建设及围填海工程的快速增加,对射阳河口及周边海岸侵蚀产生了显著影响,如射阳港航道清淤使得射阳河口地区沉积物向口内输运,并在一定程度上增加了河口地区的水动力强度
[16],从而加剧了河口地区的海岸侵蚀;而射阳港区双导堤的建设也改变了区域水动力格局,进而影响了河口及周边海域的冲淤变化
[17];而建闸和围垦减轻闸下河道侵蚀,但会加剧河口外侧及附近海岸侵蚀强度
[18-19]。现场调查发现,射阳河口两侧海岸侵蚀严重,导致沿岸众多鱼塘损毁,道路及沿海工程安全受到严重威胁(
图1)。严重的海岸侵蚀已经给当地社会经济发展和居民财产安全带来了严重影响,亟需开展生态保护与修复工作。然而,目前虽然对海岸侵蚀的原因有了总体认识
[11,14-15,20],但由于射阳河口附近海岸因海岸侵蚀时空变化复杂
[21],目前对于该区域海岸侵蚀特征及其时空变化规律的认识还不够清晰,严重制约了该地区海岸侵蚀防护与生态修复工作的开展。
因此,本文以射阳河口附近潮滩为研究区域,通过沉积物采样与分析、沉积动力观测与计算、不同时期断面地形重复调查等手段,分析射阳河口附近潮滩侵蚀的时空变化特征及其控制机制,为射阳河口附近海岸侵蚀防护、海岸带生态修复提供科学依据。
1 研究区概况
射阳河口位于江苏沿海中部(
图2a),潮汐性质为不正规半日潮,平均涨潮历时为4h 49 min,平均落潮历时为7h 36 min,最大潮差为4.16 m,平均潮差为2.15 m,潮流性质为不规则半日潮流,主要受南黄海旋转潮波和苏北沿岸流的影响
[22]。射阳河口地区的潮间带地貌以潮滩地貌为主,可细分为高潮位泥滩、中潮位粉砂-淤泥混合滩和低潮位粉砂-细砂滩,其中位于中、高潮位的粉砂淤泥质潮滩面积为56.20 km
2,位于低潮位的粉砂细砂质潮滩面积为84.73 km
2[22]。
遥感监测结果显示,近年来射阳河口北侧海岸侵蚀强度有所减小,但南侧海岸逐渐开始侵蚀,并且侵蚀强度逐渐增大
[14-15,20-21]。现场调查发现,射阳河口北侧潮间带已基本被侵蚀殆尽,在生态潜堤的保护下,原本一直受损后退的养殖海堤目前已较为稳定,但射阳河口南侧海岸侵蚀严重,导致沿岸众多鱼塘、道路损毁严重(
图1)。此外,射阳河口也是受台风影响较为严重的地区,平均每年有3个台风会影响到该地区
[23],给当地造成了巨大的经济损失
[24]。
2 研究方法
2.1 表层沉积物采集与粒度分析
2022年6月1日在射阳河口北侧和南侧设置观测断面,在退潮后人行下滩采集观测站位表层1 cm厚度的沉积物样品(具体观测站位见
图2b, d)。野外采集的样品用密封袋封装带回实验室,经去除有机质、碳酸盐、添加分散剂等前处理后,利用英国Malvern公司生产的Mastersize 2000型激光粒度仪进行粒度分析,获得表层沉积物的各粒度组分含量和中值粒径,采用谢帕德分类体系确定沉积物类型。
2.2 现场沉积动力观测与数据处理
为了解射阳河口两侧潮间带地区的沉积动力特征,2022年6月1—10日在北侧潮间带下部A4站位和南侧潮间带下部B5站位(站位分布见
图2b,d),分别安装了声学多普勒流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV,挪威 Nortek公司)和波潮仪(TWaves,北京海洲赛维科技有限公司),观测时段覆盖大潮后期至小潮,观测包括淹没水深、流速、流向、波高、波周期等在内的沉积动力要素。2024年9月4—7日利用三脚架在A4站位进行沉积动力要素重复观测,观测时段覆盖大潮后期至中潮,三脚架上安装了ADV和波潮仪(RBR-Wave,加拿大RBR公司),但观测期间由于三脚架倾斜严重,导致流速数据无法使用,仅获得淹没水深、波高和波周期数据。ADV数据采集设置为脉冲模式,采样间隔为10 min,采样频率为4 Hz,每次采样时间为256 s;仪器安装完成后测量ADV探头距离滩面高度为25 cm,由于ADV测量的是仪器探头15 cm处的流速,因此实际观测层位为距离滩面10 cm高度处的水动力;TWaves数据采集设置为连续模式,采样频率为4 Hz,仪器探头距离滩面10 cm;RBR-Wave数据采集设置为脉冲模式,采样间隔为5 min,采样频率为4 Hz,每次采样时间为256 s,仪器探头距离滩面10 cm。
ADV观测数据利用仪器自带软件导出后,对每组脉冲数据进行质量控制,具体过程和方法参见鲁远征等
[25],利用经过质量控制的数据计算平均流速和流向;TWaves观测数据利用仪器自带软件,以2 min间隔导出水深、有效波高和平均波周期;RBR-Wave观测数据利用仪器自带软件以5 min间隔导出水深、有效波高和平均波周期。
2.3 断面地形重复测量
为了解射阳河口两侧潮滩剖面地形变化,自2014年以来在射阳河口南侧布设了长期观测断面,采用中海达iRTK5定期对断面地形进行高程测量;为对比分析射阳河口两侧潮滩侵蚀差异,2020年在射阳河口北侧设置长期观测断面,定期进行断面地形高程测量(断面位置见
图2c, d)。在每条断面设置起始点,做好标记,每次测量均从该起始点开始;观测数据利用仪器自带软件导出后,换算至国家85高程基准面。为便于对比分析并获得较多的数据资料,本文选择夏半年(5—10月)的地形测量数据进行分析。
3 结果
3.1 表层沉积物粒度组成
粒度分析结果表明,射阳河口北侧潮间带表层沉积物中值粒径为5.04~2.81 Φ,平均值为3.41 Φ;潮间带上部靠岸边的沉积物粒度组分以粉砂为主,沉积物类型为砂质粉砂,中值粒径为5.04 Φ;在潮间带中上部至潮间带下部,表层沉积物粒度组分以砂为主,不含黏土组分,粉砂含量很低,沉积物类型为砂,中值粒径由岸向海总体减小(
图3a)。射阳河口南侧潮间带表层沉积物总体较北侧潮滩细,中值粒径为4.28~2.90 Φ,平均值为3.70 Φ;潮间带上部靠岸边沉积物以粉砂为主,其次为砂,沉积物类型为砂质粉砂,中值粒径为4.28 Φ;其余站位沉积物粒度组分以砂为主,除潮间带中上部的B2站位为砂、潮间带中部的B3站位为砂质粉砂外,其余站位沉积物类型为粉砂质砂;由岸向海沉积物中值粒径变化较为复杂,没有明显的规律(
图3b)。
3.2 水动力特征
2022年6月沉积动力观测结果显示,射阳河口北侧潮间带下部A4站位观测期间最大淹没水深和平均淹没水深为2.95 m和1.60 m,平均最大淹没水深由大潮期间的2.29 m减小至小潮期间的1.73 m(
图4a)。近底层流速由大潮期间的0.012~0.438 m/s(平均值为0.226 m/s)减小至小潮期间的0.008~0.407 m/s(平均值为0.189 m/s),潮流总体表现为北偏西-南偏东向的往复流(
图4b)。观测期间,潮间带下部有效波高最大值为0.92 m,平均值为0.40 m,波周期为1.8~6.2 s,平均值为3.7 s(
图4a)。
射阳河口南侧潮间带下部B5站位观测期间最大淹没水深和平均淹没水深为3.35 m和1.87 m,最大潮差和平均潮差由大潮期间的3.25 m和2.67 m减小至小潮期间的2.47 m和1.93 m(
图4c)。大潮期间近底层流速为0.005~0.337 m/s,平均值为0.170 m/s;小潮期间近底层流速为0.002~0.339 m/s,平均值为0.176 m/s,大、小潮流速变化不明显,潮流总体表现为北偏西-南偏东向的往复流(
图4d)。观测期间潮间带下部有效波高最大值为0.99 m,平均值为0.41 m,波周期为1.7~5.9 s,平均值为3.7 s(
图4c)。
2024年9月射阳河口北侧A4站位观测结果显示(
图4e),观测期间最大淹没水深、最小淹没水深和平均淹没水深分别为4.40、1.16和2.97 m,有效波高最大值为1.05 m,平均值为0.44 m;波周期为3.20~7.15 s,平均值为4.88 s。2024年9月观测获得的最大淹没水深和平均淹没水深比2022年6月分别高出1.45 m和1.37 m,表明在两年多的时间里,A4站位侵蚀深度达1.40 m;有效波高略有增强。
3.3 潮滩地形剖面时空变化特征
射阳河口北侧潮滩断面重复测量结果表明(
图5a),射阳河口北侧潮滩在距离起始点约500 m远处开始才是自然潮滩分布,其滩面高程在2020—2024年总体呈现出逐渐降低的变化趋势。通过对比一定距离范围内的滩面高程平均值,分析潮滩侵蚀-淤积的时空变化特征。统计结果显示(
图5b),2020—2021年自然潮滩由岸向海方向由淤积逐渐转变为侵蚀,其中距离起始点800 m附近是淤积-侵蚀转换区域,在距离起始点900~1 000 m的地区侵蚀速率最大,约为0.399 m/a;整个自然潮滩测量范围内滩面总体表现为侵蚀,平均侵蚀速率为0.267 m/a。2021—2022年自然潮滩整体表现为侵蚀,但侵蚀速率相对较低,约为0.210 m/a,整个自然潮滩测量范围内滩面侵蚀强度较弱,平均侵蚀速率约为0.048 m/a。2022—2023年和2023—2024年自然潮滩上部均表现为淤积状态,向海方向均呈现侵蚀状态,自然潮滩测量范围内滩面均总体表现为侵蚀,最大侵蚀速率分别为0.648 m/a和0.281 m/a,平均侵蚀速率分别为0.117 m/a和0.007 m/a。综上所述,自2020年以来,射阳河口北侧自然潮滩总体表现为上部淤积、下部侵蚀,整个潮滩表现为侵蚀状态,但侵蚀速率逐年降低,在2020—2024年自然潮滩测量范围内滩面平均侵蚀速率为0.092 m/a。
射阳河口南侧潮滩断面重复测量结果表明(
图6),2018年以前射阳河口南侧潮滩总体表现为侵蚀,但强度较低,最大侵蚀速率约为0.052 m/a,整个潮滩测量范围内滩面平均侵蚀速率为0.040 m/a。2018年以后,滩面侵蚀后退较为明显,例如2021—2022年,潮水沟以西滩面侵蚀速率约为0.321 m/a,并且滩面宽度由2021年的400 m左右减小至2022年的250 m左右(基于同一滩面高程);而在2022—2023年,潮滩侵蚀速率显著增大,整个潮滩测量范围内滩面平均侵蚀速率为1.023 m/a,滩面高程进一步降低,滩面宽度则进一步减小至140 m左右;到2024年,滩面高程继续降低,2023—2024年潮滩侵蚀速率为0.902 m/a,滩面宽度持续减小,潮间带宽度小于20 m。综上所述,射阳河口南侧潮滩在2018年前侵蚀速率较低,但2018年以后,潮滩侵蚀速率显著增大,潮滩基本被侵蚀殆尽。
4 讨论
海岸侵蚀一般表现为岸线后退和滩面下蚀两种类型
[11,26]。从本质上讲,在各种时空尺度上,海岸侵蚀和淤积均受控于沉积物收支平衡格局
[6,27]。射阳河口附近海岸侵蚀范围不断扩大,从本质上讲也是物源和动力的变化引起该地区潮滩沉积物收支呈现亏损,从而引起潮滩不断发生侵蚀。
4.1 物源变化
1128年,黄河夺淮河由江苏北部入黄海,黄河带来的巨量细颗粒泥沙为江苏潮滩发育提供了充足的物源,江苏北部和中部潮滩快速淤长
[10]。但随着1855年黄河北归后,因巨量泥沙供应被切断,导致废黄河口至射阳河口海岸发生侵蚀,并且侵蚀强度随着离开河口水下三角洲中心区距离的增加而逐渐减弱
[10-11],而射阳河口以南海岸地区因废黄河口侵蚀物质向南输运而在早期表现出淤积特征
[12,28-29]。然而,随着海岸侵蚀防护工程的不断实施,因海岸侵蚀产生的泥沙供应逐渐减少,引起海岸侵蚀不断向南推进
[10-11,30]。遥感监测结果显示,2000年以来,射阳河口以南海岸也逐渐开始发生侵蚀,并且侵蚀强度逐渐增大
[14-15,20,31-32]。因此,江苏中部海岸侵蚀-淤积转换的过渡地区已经由20世纪80年代射阳河口向南推移至新洋港至斗龙港岸段
[33]。
本文研究结果表明,射阳河口两侧潮滩侵蚀强度呈现不一样的变化特征。根据《中国海洋环境质量公报》的监测数据(官方网址为
https://www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyhjzlgb/),射阳河口北侧岸段侵蚀长度比重由2013年的58.4%增加至2017年的68.3%,但平均侵蚀速率由2013年的26.4 m/a逐渐降至2017年的10.5 m/a。本文潮滩剖面观测结果也显示,2020年以来,射阳河口北侧潮滩滩面下蚀速率总体逐渐减小,表明射阳河口北侧潮滩侵蚀速率呈减弱趋势。根据不同时期遥感影像分析结果,射阳河口至新洋港河口中间海岸自2014年开始出现养殖池塘破坏、岸线后退,其中2014—2019年的岸线后退速率为12~44 m/a,平均为23.3 m/a,侵蚀岸线长度约占研究岸线长度的23%;但在2019—2021年的岸线后退速率快速增加至13~193 m/a,平均后退速率增加至43.5 m/a,侵蚀岸线长度比例增加至96%
[21]。潮滩剖面观测结果也显示,2018年以前射阳河口南侧潮滩滩面下蚀速率较低,但2018年以后,潮滩滩面下蚀速率增加,而2021年以后滩面下蚀速率显著增加,并且潮滩宽度显著减小(
图6)。上述分析表明,近年来,射阳河口北侧潮滩侵蚀强度逐渐降低,但射阳河口南侧潮滩侵蚀强度在2018年以后有所增强,而2021年后潮滩侵蚀强度显著增强。
这一变化趋势可能与海岸防护工程建设有关。2020年起,射阳河口北侧、运粮河口南侧海岸建设硬质防护海堤,2023年又在潮间带建设了生态潜堤进行消波(
图1),使得该岸段岸线后退和滩面下蚀趋势得到一定遏制。研究表明,废黄河三角洲及附近海岸侵蚀物质向南输运是南部潮滩沉积物的主要来源
[10-11,29,34]。本文粒度分析结果显示,射阳河口南侧潮滩沉积物较北侧潮滩细,支持了沉积物由北向南输运的观点。因此,射阳河口北侧潮滩地区防护堤和生态潜堤建设减弱了当地海岸侵蚀,由此导致北侧潮滩侵蚀、向南搬运的沉积物总量减少
[11],在动力条件不变的情况下,射阳河口南侧潮滩受侵蚀输出的沉积物通量不变,而接收北部潮滩侵蚀物质总量又减少,使得南部潮滩沉积物亏损程度进一步增强,从而使得射阳河口南侧潮滩侵蚀强度不断增大。
4.2 动力条件变化加剧海岸侵蚀
射阳河口潮滩侵蚀的动力学机制可从宏观动力格局和局部动力过程两个层面进行分析。在宏观动力格局方面,观测和模拟结果显示,江苏中部沿海地区以潮流作用为主,夏季和冬季的余流均向南,从而使得北部废黄河三角洲侵蚀下来的沉积物被潮流向南搬运
[35]。然而,由于早期废黄河口岸线向外突出20 km且有宏大的水下三角洲,由北向南传播的潮波受到阻挡,随着江苏海岸线后退,废黄河口水下三角洲夷平,由北向南传播的潮波变得更加顺畅,使得废黄河口南侧潮流增强,从而加剧了南部海岸的侵蚀。此外,江苏中部地区自2000年以来港口建设及围填海等重大工程建设数量和规模均快速增加
[31],使得岸线进一步顺直,改变了江苏沿海潮汐能量分布格局,引起江苏沿海M
2分潮加强
[36],使得沉积物输运格局和潮滩地貌发生变化
[34,37]。
数值模拟结果显示,江苏沿海地区泥沙输运主要受潮汐动力控制,而风、浪等动力作用主要在局部地区起作用
[35]。现场观测结果也表明,射阳河口南侧潮滩侵蚀的主要原因虽然是潮流动力,但波浪作用贡献也很显著,并且对潮间带上部侵蚀的贡献更大,且具有一定的季节差异
[21]。本文观测结果显示,射阳河口北侧和南侧海域波浪作用基本一致,没有明显的年际变化,但北侧潮滩地区的潮流作用强且具有较为明显的大-小潮差异,而南侧潮滩地区潮流作用相对较弱且没有明显的大-小潮差异,表明射阳河口北侧潮滩动力条件较南侧潮滩略强。根据2021年冬季和2022年夏季在射阳河口南侧观测计算结果,射阳河口南侧潮滩表现为沉积物的净输出,并在仅考虑推移质输运和近底层悬沙输运的情况下计算获得该地区潮滩整体侵蚀速率为0.191 m/a
[21],而本文断面地形观测结果显示,射阳河口南侧潮滩剖面在2021—2022年的潮滩剖面整体平均侵蚀速率为0.321 m/a,两者结果基本一致。射阳河口北侧潮滩观测点附近在2022—2024年的侵蚀深度为1.449 m(按最大淹没水深计算),侵蚀速率为0.725 m/a,明显高于射阳河口南侧地区,也高于观测站位北侧的潮滩剖面重复观测计算结果(同期侵蚀速率约为0.242 m/a),这可能与生态潜堤建设有关。生态潜堤建设后,有效保护了潮间带中上部潮滩不受侵蚀,但潜堤的存在在一定程度上相当于缩窄了潮间带宽度,增加了滩面坡度
[13,38],导致波浪作用增强,进一步增大了滩面下蚀速率。本文观测和计算结果验证了该地区水动力观测计算和数值模拟结果的可靠性
[21,35],进一步说明射阳河口附近潮滩侵蚀主要受控于波-流联合作用,并且潮流作用起主导作用,而波浪作用贡献也较为显著。
此外,射阳河口周边诸多工程建设也对射阳河口及周边海岸侵蚀产生了显著影响,如射阳港航道清淤、射阳港区双导堤的建设、建闸等人类活动对射阳河口附近海域的水动力和冲淤变化格局产生了影响,在一定程度上加剧了河口外侧及附近海岸侵蚀强度
[17,19,39]。
根据上述分析,射阳河口附近潮滩侵蚀范围不断向南延伸,其侵蚀强度总体加强,主要原因是物源供应逐渐减少和正常天气情况下水动力作用逐渐增强。研究结果显示,江苏沿海易遭受台风风暴潮的影响,在台风风暴潮的作用下,江苏潮滩沉积物输运过程、侵蚀-淤积格局、潮滩地貌演化都会发生显著变化
[40-42]。数值模拟结果显示,不同路径台风影响下射阳河口北侧和南侧水动力过程和沉积物输运格局有一定差异
[24],而本文沉积物粒度分析、沉积动力观测和潮滩地形剖面重复测量均是在正常天气情况下开展的,尤其是潮滩剖面地形测量结果,无法剔除出台风暴潮事件的影响。因此,我们将在今后的研究中加强对台风风暴潮前后潮滩剖面地形重复测量和台风影响过程期间沉积动力学观测,以进一步分析台风风暴潮对射阳河口附近潮滩侵蚀-淤积过程及其控制机制。
5 结论
江苏射阳河口附近潮滩正经历着较为严重的侵蚀,并且侵蚀强度不断增强,侵蚀岸段不断向南迁移。本文研究结果表明:
(1)射阳河口两侧潮滩表层沉积物以砂和粉砂为主,其中射阳河口北侧潮滩沉表层沉积物中值粒径为5.04~2.81 Φ,平均值为3.41 Φ;南侧潮滩表层沉积物中值粒径为4.28~2.90 Φ,平均值为3.70 Φ;北侧潮滩表层沉积物较南侧潮滩略粗。射阳河口北侧潮滩潮流作用强,并且具有较为显著的大-小潮差异,而射阳河口南侧潮滩潮流作用相对较弱,并且大-小潮差异不明显;波浪作用空间差异较小,并且年际变化不明显。
(2)自2020年以来,在防护海堤和生态潜堤的保护下,射阳河口北侧自然潮滩总体表现为上部淤积、下部侵蚀、整个潮滩表现为侵蚀状态,但侵蚀速率逐年降低;射阳河口南侧潮滩在2018年以前侵蚀速率较低,但2018年以后,受物源供应持续减少、宏观水动力进一步增强、局部海洋工程建设等因素影响,潮滩侵蚀速率显著增大,潮滩基本被侵蚀殆尽;射阳河口附近潮滩侵蚀主要受控于波-流联合作用,并且潮流作用起主导作用,而波浪作用贡献也较为显著。
黄书仁、黄思添参与了野外采样工作,黄书仁参与了实验室样品分析,谨致谢忱!
自然资源部滨海盐沼湿地生态与资源重点实验室开放课题(KLCSMERMNR202309)
自然资源部华东海岸带野外科学观测研究站开放基金(ORSECCZ2022202)
国家自然科学基金区域创新发展联合基金(U22A20585)
中国地质调查局地质调查项目(DD20242758)