（自然地理学专业论文）华南岬间海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制.pdf

摘要 华南岬间海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制 专业：自然地理学 博士生：李志龙 指导教师：陈子桑教授 摘要 沙质海岸正遭受着侵蚀后退过程，此类海岸演变趋势和侵蚀机制己逐渐引 起了人们的关注。岬问海湾是华南沿海广泛分布的一种地貌形态。本文就华南 岬间海湾沙质海岸为研究对象，以现场实测资料为基础，采用多种研究方法， 按不同时空尺度，探讨了华南岬问海湾沙质海岸的侵蚀演变机制与平面平衡形 态规律。 研究的目的在于探索海洋动力和近岸地形的变化规律，不同尺度动力与地 形的相互作用模式，并且给出这样的模式一个物理解释。根据对控制过程的认 识，从地形动力学与岸线形态规律出发，探求稳定的海滩状态与平衡岸线形态。 波浪是沙质海岸的主要驱动力，了解岬间海湾沙质海岸近岸波浪场波要素 时空分布特征是海滩侵蚀演变研究与岬湾形态规律机制分析的基础与前提。对 粤东靖海湾波浪近岸传播变形进行了数值模拟并分析了近岸波浪场波要素分布 特征。反映了岬间海湾破波波高存在自切线段指向遮蔽段递减的沿岸变化梯度。 海滩前滨是海陆相互作用最直接的区域，其冲流蚀积过程是与横向输沙机 制相联系的中、小空间尺度和时间尺度的海滩过程，是海滩蚀积规律最直接的 反映。根据粤东后江湾实测海滩前滨剖面，选用了入射波频带波高、长重力波 频带波高、垂岸流分量等7 个动力因子，采用典型相关分析方法，分析了前滨 海滩过程的四个作用模式，讨论了各模式的控制因子及其作用机制。同时，海 滩前滨由于冲流作用是海滩最活跃的区域，冲流带海滩高频振动分析显示出滩 面存在多个频段的周期振动。通过分析冲流带高频振动的影响动力因子，讨论 扣山大学博士论文华南岬问海湾沙质海岸半衡形态与侵蚀机制 了潮水位对海滩的影响机制与波能流对海滩变化的重要影响。 从海滩地形动力学出发，以靖海湾海滩状态分析为例，讨论了华南岬问海 湾海滩状态的空间差异与时间变化。 台风大浪是影响海岸侵蚀的重要的因予。以粤西水东湾海滩对8 6 1 6 号台风 的响应为例，探讨了台风大浪对岬问海湾沙质海岸侵蚀的影响。结果表明台风 对海岸侵蚀影响是显著的，由于岬间海湾的海滩状态与形态特点，不同位置的 海滩侵蚀受影响程度有所不同耗散性海滩侵蚀较小，反射性海滩侵蚀较大， 海湾切线段侵蚀较小，遮蔽段侵蚀较大。 海平面上升是影响海岸侵蚀另一重要因子。应用奇异谱( s s a ) 分析方法， 分析并讨论了华南相对海平面的变化趋势。以后江湾与水东湾为例，分别采用 2 o m m a 与2 5 m m a 两个预案，应用e v e r t s 剖面积分法预测了海岸对海平面上 升的响应，表明微小幅度的海平面上升可造成大幅度的岸线退缩和大面积海滩 被淹没。分析表明海平面上升也对水位极值分布推算有着显著的影响，而水位 极值分布对海岸安全工程设计具有非常重要地意义。应用海门站3 1 年的最高潮 水位资料，求作了p 一型和g u m b e 型极值水位频率曲线，比较分析了海平面 上升对极值水位推算的影响，表明由于海平面上升，导致多年一遇高水位增高。 沿岸输沙是与氏时间尺度的海岸侵蚀演变过程相联系的。常浪情况下，横 向输沙只是把泥沙在近岸区来回搬运，从较长时间看并不引起海岸的侵蚀。沙 质海岸的长期岸滩演变主要是由沿岸输沙所造成的。分析了波浪的沿岸输沙机 理及沿岸输沙影响海岸侵蚀的作用机制，并以后江湾拟建拦沙堤为工程背景， 根据沿岸输沙机理，建立了岬例海湾岸线演变的一线模型，预报拦沙堤建成之 后的岸线变化，讨论了海岸工程建筑对沿岸输沙及岸线蚀积变形的影响。 岸线变形动态模式( 如一线模式) 模拟更大的空间尺度和时间尺度岸线演 变会产生较大的误差，而海湾平衡形态规律为研究更大时空尺度岸线的稳定性 提供了有效的方法。 当前的海湾岸线形态模型都是用特定的数学函数( 如对数螺线函数，双曲线 函数，抛物线函数) 去拟合岸线。海湾演变问题是一个复杂的非线性动力系统问 题，海湾平衡形态并非简单的数学函数关系能够描述的。考虑到b p 神经网络具 有处理复杂非线性函数的能力，以华南岬间海湾为学习样本，建立个基于b p i i 摘要 神经网络的岬间海湾平衡形态模型砖 对当前海湾平衡形态模型定义主波向与下 岬角所存在的不足之处，从入射波折射绕射机理上解释了静态平衡形态的形成及 其影响因素，重新合理定义了主波向与“下岬角”并提出了其具体算法。 应用模型对华南3 1 个主要岬间海湾的稳定性进行t n 定，并讨论了模型在 海岸防护工程上的应用。 关键词：岬问海湾沙质海岸，地形动力，海岸侵蚀，平面平衡形态 i i i 中山大学博士论文华南岬问海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制 e r o s i o nm e c h a n i s m sa n d e q u i l i b r i u ms h a p e so fs a n d yc o a s t o fh e a d l a n db a y si ns o u t hc h i n a m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y n a m e ：l iz h i l o n g s u p e r v i s o r ：p r o lc h e nz i s h e n a b s t r a c t s a n d yc o a s t sa r es u f f e r i n gf r o me r o s i o n ，w h i c hg r a d u a l l yi sa t t r a c t i n gp e o p l e s a t t e n t i o nt o t h eh e a d l a n db a y sa r eau b i q u i t o u sm o r p h o l o g i cf o r mi nt h es o u t ho f c h i n a h e a d l a n ds a n d yb a y si ns o u t hc h i n aa ss t u d y i n go b j e c t ，b a s e do f ff i e l d m e a s u r e dd a t e ，a d o p t e dv a r i o u sm e a n s ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts c a l e so ft e m p o r a la n d s p a t i a l ，e r o s i o nm e c h a n i s m sa n de q u i l i b r i u ms h a p e so fh e a d l a n ds a n d yb a y si ns o u t h c h i n aw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a i no b j e c t i v e so ft h ea n a l y s i sw e r et op r o b ei n t ot h ev a r i e t yr u l eo fs e a d y n a m i c sa n dm o r p h o l o g y , t h ei n t e r a c t i o np a t t e r n so fd y n a m i c sa n dm o r p h o l o g yi n v a r i o u ss c a l e so ft e m p o r a la n ds p a t i a l ，a n dp r o v i d es u c hp a t t e r n sap h y s i c a l i n t e r p r e t a t i o n ，b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go fm o r p h o r d y n a m i c sp r o c e s s e s ，s e e kt h e s t a b l eb e a c hs t a t e sa n dt h ef o r mo fs t a t i ce q u i l i b r i u ms h o r e l i n e w a v e sa r ep r i m a r yd y n a m i c so fs a n d yc o a s t s t ou n d e r s t a n dt h ed i s t r i b u t i n g c h a r a c t e r i s t i c so fw a v ef a c t o r si nn e a r s h o r ei sp r e c o n d i t i o no fs t u d y i n gb e a c he r o s i o n s a n de q u i l i b r i u ms h o r e l i n es h a p e s t h ew a v ef i e l d so fj i n g h a ib a yw e r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e da n dw a v ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eb r o k e nw a v eh e i g h t st e n d e dt oa s c e n df r o ms h a d o wz o n et ot a n g e n tz o n ei n h e a d l a n db a yc o a s t s f o r e s h o r e s a r et h ef i r s t h a n di n t e r a c t i o na r e ao fl a n d sa n ds e a s t h e m o r p h o d y n a m i cp r o c e s s e si nt h ef o r e s h o r e ，w h i c ha r ei n t e r m e d i a t eo rs m a l ls c a l e s r e l a t i n g c r o s s s h o r es e d i m e n t t r a n s p o r t ，s t r a i g h t l y r e f l e c t e r o s i o n d e p o s i t i o n m e c h a n i s mo fb e a c h b a s e do nt h em e a s u r e dd a t ao fb e a c hp r o f i l e sa n dw a v e si n h o u j i a n gb a y , s e l e c t e ds e v e nf a c t o r so fd y n a m i c s ，a d o p t e dc a n o n i c a lc o r r e l a t i o n 摘要 a n a l y s i s ，f o u rp a t t e r n so ff o r e s h o r eg o v e r n i n gp r o c e s s e sw a se x p l a i n e d ，a n dt h e g o v e r n i n gf a c t o r so fe a c hp a t t e r nw e r ed i s c u s s e d o nt h eo t h e rh a n d ，f o r e s h o r e sa r e t h em o s td r a s t i ca r e ao fb e a c h t h ea n a l y s i so fh i g h f r e q u e n c yb e a c ho s c i l l a t i o ni nt h e s w a s hz o n ei n d i c a t e dt h a tb e a c hf a c eo s c i l l a t i o nh a ds e v e r a ld i f f e r e n tf r e q u e n c y p e r i o d s m e c h a n i s m sw h i c ht i d el e v e le f f e c tb e a c ha n di m p o r t a n te f f e c to fe n e r g yf l u x i nt h ev a r i a t i o nw e r ed i s c u s s e d b a s e do nm o r p h o d y n a m i c s ，t h r o u g l la n a l y s i so fb e a c hs t a t eo fj i n g h a ib a y , i tw a s d i s c u s s e dt h a tb e a c hs t a t ed i v e r s i t yo f i h e a d l a n ds a n d yb a yi ns o u t h c h i n ai nt e m p o r a l a n ds p a t i a l s t o r mi sa ni m p o r t a n tf a c t o ro fe f f e c t i n gc o a s te r o s i o n t a k e ns h u i d o n gb a ya sa n e x a m p l e ，r e s p o n s eo fs h u i d o n gb a yt o8 6 1 6t y p h o o nw a sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w e d t h a tt h ee f f e c to fs t o r mi nc o a s tw a so b v i o u s ，b e c a u s eo fd i f f e r e n c eo fb e a c hs t a t ea n d s h a p e ，d e g r e eo fe r o s i o nw a sd i f f e r e n tt ot h eb e a c hi nd i f f e r e n tl o c a t i o no fb a y ：d e g r e e o fe r o s i o nw a sg r e a t e rr e f l e c t i v eb e a c ht h a nd i s s i p a t i v eb e a c ha n dt a n g e n tz o n et h a n s h a d o wz o n e e f f e c to fs e al e v e lr i s ei ne r o s i o no fc o a s ti so t h e ri m p o r t a n tf a c t o r a p p l i e d s i n g u l a rs p e c t r u ma n a l y s i s ，t r e n do fs e al e v e lc h a n g ew a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d t a k e nh o u j i a n gb a ya n ds h u i d o n gb a ya se x a m p l e s ，a d o p t e dt w op r o j e c to f2 0 m m a a n d2 5 m m a ，a p p l i e de v e r t si n t e g r a lm e t h o d ，r e s p o n s eo fc o a s tt os e al e v e lr i s ew a s f o r e c a s t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tal i t t e rr i s eo fs e al e v e lc o u l dm a k es h o r e l i n e r e t r e a tl a r g e e f f e c to fs e al e v e lr i s e i nc a l c u l a t i o no fe x t r e m el e v e ld i s t r i b u t i n gi s o b v i o u st o o a p p l i e de x t r e m eh i g hl e v e ld a t eo f3 1 y e a r si nh a i m e ns t a t i o n ，f r e q u e n c y c u r v eo fp - i i la n dg u m b e lw e r ec a l c u l a t e d t h r o u i g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g ，t h e r e s u l ts h o w e dt h a ts e al e v e lr i s ec a u s e de x t r e m eh i g hl e v e lb e c o m eh i g h e r l o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r ti sr e l a t i o n a lw i t hc o a s t a le r o s i o np r o c e s s e so fl a r g e t e m p o r a ls c a l e u n d e rn o r m a lw a v e sc o n d i t i o n ，c r o s s - s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r to n l y t a k e ss e d i m e n ti n s i d e a n d - o u t s i d e ，a n dc a n tc a u s ec o a s te r o d ei nal o n gp e r i o d s a n d yc o a s te r o s i o ni sc a u s e db yl o n g s h o r es e d i m e n ti nal o n gp e r i o d m e c h a n i s m so f l o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r ta n de f f e c to fl o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r ti nc o a s t e r o s i o nw e r ea n a l y z e d t a k e ng l o y n e sb e i n gb u i l ta sb a c k g r o u n d ，b a s e do n m e c h a n i s mo fl o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r t ，o n e l i n em o d e lo fh e a d l a n db a yw a s b u i l t c h a n g eo fs h o r e l i n ew a sf o r e c a s t e da p p l y i n gt h em o d e l ，a n dt h e e f f e c to f s t r u c t u r en e a rs h o r et os h o r e l i n ec h a n g i n gw a sd i s c u s s e d v 中山大学博士i 仑文华南岬问海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制 t h es h o r e l i n ee v o l v e m e n tm o d e la so n e - l i n em o d e lw i l lb r i n gg r e a td e v i a t i o n ， w h e ns i m u l a t i n gs h o r e l i n ee v o l v e m e n to fl a r g e rt e m p o r a la n ds p a t i a ls c a l e h o w e v e r , e q u i l i b r i u ms h a p e sr u l e o fb a yo f f e r sa v a i l a b i l i t ym e a n sf o rs h o r e l i n es t a b i l i t y a s s e s s m e n to fl a r g et e m p o r a la n d s p a t i a ls c a l e s h o r e l i n es h a p e sm o d e lo fn o w a d a y sa l la p p l i e ds p e c i f i c a l l yf u n c t i o n ，s u c ha s l o g a r i t h m i cs p k a l , p a r a b o l i c ，h y p e r b o l i ca n ds oo n ，t os i m u l a t es h o r e l i n e p r o b l e m so f b a ye v o l v e m e n ta r ec o m p l e xa n dn o n l i n e a r , c o n s e q u e n t ly s i m p l ef u n c t i o n c a n t d e s c r i b et h es h a p eo fe q u i l i b r i u mb a y c o n s i d e r e dt h eb a c kp r o p a g a t i o na r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k sh a v et h ec a p a b i l i t yt od e a lw i t hc o m p l e xn o n l i n e a rp r o b l e m ，t a k e n h e a d l a n db a yi nt h es o u t ho fc h i n aa ss a m p l e ，ab a c kp r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sm o d e lc o n c e r n i n ge q u i l i b r i u ms h a p e so fh e a d l a n db a yw a sb u i l t i na d d i t i o n d e f i n i e n so ff r o n to r i e n t a t i o na n dd o w n c o a s tt i pf o rs h a p em o d e lo fn o w a d a y sw a sn o t r e a s o n a b l e t h r o u g ha n a l y z i n gf o r m i n gm e c h a n i s mo f s t a t i ce q u i l i b r i u ms h a p e ，f r o n t o r i e n t a t i o na n dd o w n c o a s tw e r ed e f m e dr e a s o n a b l ya n dt h ec a l c u l a t i n gm e a n sw e r e p r o v i d e d a tl a s t ，a p p l i e dt h em o d e lt oe s t i m a t et h es t a b i l i t yo f3 1h e a d l a n db a y si ns o u t h c h i n a ，a n dd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no f c o a s t d e f e n de n g i n e e r i n g k e y w o r d ：h e a d l a n ds a n d yb a y ，m o r p h o r d y n a m i c s ，c o a s te r o s i o n ，e q u i l i b r i u m s h a p e v i 第1 章绪埝 1 1 研究意义 第1 章绪论 海岸是海洋与陆地相互接触、相互作用的空间。海陆接触的部分瞬时所在 为一条水边线，但它处于经常变动之中，表现为兼具海陆而宽窄不一的带状区 域。广义的海岸即海岸带。海岸带是地球上大气圈、水圈、岩石圈和生物圈最 紧密接触的部分，自然环境复杂，自然资源丰富多样，通常是人类生产生活的 重要场所“1 。世界上半数以上的城市、人口、经济都集中在海岸带。海岸带环境、 资源与灾害对沿海地区经济发展及人口生存影响极大。然而，当今全球海岸普 遍遭受着侵蚀后退过程。例如，美国百分之八十的海岸线遭侵蚀( 中国环境报， 2 0 0 0 8 9 ) ，尼日利亚的海岸线正在以每年2 0 到3 0 米的惊人速度向陆后退( 中 国旅游报， 2 0 0 2 11 - - 2 1 ) 。另外，由于全球气候变暖引起的海平面的上升和 人类活动的负面影响加剧了海岸的侵蚀。海岸侵蚀机制及其岸滩防护成为当前 地球科学研究的重点与前沿。2 0 世纪7 0 年代以来，包括澳大利亚、美国、英国、 加拿大、荷兰等发达国家的地理学或自然地理学研究人员致力于海岸侵蚀过程 的研究，海岸演变及其应用方面已经成为这些国家自然地理学研究最活跃的领 域或方向。 按其床面物质组成不同，海岸可以分为由无粘性泥沙组成的沙质海岸和由粘 性泥沙组成的淤泥质海岸。由于无粘性泥沙运动特性及其主要驱动力的差异，沙 质海岸有着自己特有的形态结构及其冲淤演变规律。沙质海岸的主要驱动力是波 浪。1 。波浪从深水入射进入近岸带，由于近岸带地形的作用而发生折射、绕射、 底摩擦、破碎、反射、波一波相互作用等复杂的过程，其能量最终在近岸带消散。 近岸带的泥沙经过波浪的搅动，搬动、沉积而使得海岸地形发生变化。二战后， 特别是2 0 世纪8 0 年代以来，不少研究人员对从不同的角度对沙质海岸的形态变 化及其冲淤演变规律进行了大量的研究，并取得了不少的研究成果。但是由于波 浪的运动、地形的变化、及其波浪与地形的相互作用的复杂性，大量的非线性作 用过程，海滩地形测量带来的困难等，使得对沙质海岸的侵蚀机制及演变规律仍 中山大学博十论文华南岬问海湾沙质海岸平衡_ l ；态与侵蚀机制 然缺乏足够的认识，沙质海岸的侵蚀和演变规律有待进一步的深入研究。 华南沿海岬间海湾沙质海岸分布广泛，除了大河口邻近海岸外，基本上属岬 阃海湾沙质海岸。沙质海岸岸线长度占华南总岸线总长度的1 3 以上。1 。跟世界 其他沙质海岸一样，华南沙质海岸同样遭受着普遍侵蚀后退现象。在科学落后， 经济不发达的年代，海岸带人烟稀少，经济落后，即使破坏性大的台风大浪引起 的强烈的侵蚀作用，也不一定造成灾难性的后果。因此，过去华南沿海沙质海岸 的侵蚀问题没有引起人们足够的关注。改革开放以来，在经济全球化的带动下， 我国的经济外向型特征越来越强，海岸带成了我国经济强势发展纽带，大量的货 物商品进出口都要依赖沿海港口。华南沿海优良港湾众多，港口码头的建设也取 得了巨大的成就，其中珠江三角洲港口群已成为大力推进华南地区形成的香港为 轴的国际运输中心“1 。随着居民收入水平的提高和自由支配时间的增加，海岸( 主 要是沙滩) 已经成为了我国居民重要的旅游目的地。华南海岸带自然环境优美， 致常年国内外游客如云。据1 9 9 2 年统计( 国家海洋局，1 9 9 5 ) ，华南沿海旅行社 4 4 5 家。1 9 9 8 年广东省接待海外游客7 0 0 0 万次，滨海旅游产值3 3 5 亿元，位全 国第一。华南沙质海岸已有原来的不毛之地变成了现在的宝贵的黄金海岸。对华 南沙质海岸侵蚀机制的研究，了解华南岬间海湾的演变规律，可以为华南海岸带 的保护、开发、利用、管理提供理论依据。因此，在华南海岸带经济取得迅速发 展的今天，加强对华南海岸带侵蚀演变规律的研究具有有迫切的现实意义。 平衡海岸平面曲线形态规律是研究沙质海岸演变与稳定的重要规律之一。应 用海岸平面平衡形态规律，可以对海岸的侵蚀和堆积状况进行预报。根据其预报 结果把人类的生产、生活设施布置在可能侵蚀区域之外，同时它还为人工岬头护 岸、填海造地工程以及选择港口和治理航道等工程应用提供了重要的科学依据。 华南岬间沙质海岸因为其本身的地理位置和地理环境，既有世界其他海岸共性， 也有着自己的特性。故而，其海岸带演变有着与世界其他海岸相同的规律，也有 其独特的一面。因此，华南岬间沙质海岸的侵蚀机制和平面平衡形态规律的研究， 既为华南海岸防护与海岸带土地利用等实际应用提供了重要的理论依据，对华南 海岸带的经济的稳定与发展有着重要的作用；又是海岸带陆海相互作用的重要内 容，处于有关学科领域发展的前缘，是自然科学多学科交叉及其与社会科学的交 叉点，具有重要的理论和现实意义。 第l 章绪论 1 2 国内外研究概况 沙质海岸的侵蚀问题，实质是海岸带泥沙在波浪、潮汐等驱动力的作用下如 何运动的问题。海岸在动力的作用下无时无刻不在发生变化，i e 是这些变化吸引 了一代又一代的海岸科学家从事海岸研究。 国外对海岸的研究起步较早。二战后，许多科研组织与团体意识到对海岸自 然地理知识的缺乏，开始从事海岸方面的研究。如英国皇家学会( t h er o y a l s o c i e t y ) 与英国南极调查局( b a s ) 开始鼓励海岸方面的研究。“；美国地质调 查局海军研究办公室与自然科学基金会开展了某些区域的海岸带调查”1 1 ：澳大 利亚科学和工业研究组织( c s i r o ) 已经将海岸带的研究作为土地研究与区域调 查项目的一部分”。最初对海岸演变与地形形成的研究以大尺度的地形( 或地貌) 为主，采用静态描述的方法”。由于受研究手段的限制，缺乏机制分析。美国 海岸侵蚀研究团即现在的美国海岸工程研究中心( c e r c ) 首先应用实验量化 方法来解释海滩地形的变化。随后有很多的研究人员应用并发展了这一方法” 。这一方法的特点是通过实验的测量数据如滩面坡度、泥沙粒径、波高建立经 验方程，应用经验方程预测海滩对驱动力的响应。对海滩过程的解释主要依赖于 统计数据之间的相关性，并没有确定性的理论。印把海滩形态和变化过程当作“黑 箱”来研究。统计方法虽然不能对海滩在驱动力作用下的变化物理机制有明确的 解释，但是可以促进对作用机制的认识。另外，这一方法在海岸工程应用方面有 一定的利用价值。有些研究人员从水动力与风动力的角度来研究海岸的短期过程 “7 “1 。这些研究则解释了动力与形态之间相互联系的物理机制。数学方法、室内 实验、野外观测等是早期海岸研究的主要手段。k o m a r 对这些研究作了系统的论 述加。 七十年代，一些研究人员开始注意海滩的侵蚀过程与形态之间在不同的时空 尺度的相互调节。w r i g h t 和t h o m 首先提出了一较完整的地形动力学 ( m o r p h o d y n a m i c s ) 概念“。地形动力学从流体动力、泥沙运动、地形变化之间 的相互耦合过程来研究海岸的演变，是指地形和驱使泥沙运动的水动力间非单向 的相互作用和变化过程，考虑沉积形态、水动力过程和沉积物再分布的完整组合 以及他们的类型、这些组合时间变化的次序和范围、这些组合与他们对环境状况 3 中山大学障士论文 华南岬问海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制 时间变化性之间的联系。w r i g h t 和s h o r t 以澳大利亚不同海岸背景的岬间海滩 为例、利用碎波尺度参量总结了反射性、耗散性和介于二者之间的中间类型海滩 碎波带波流、地形、组合和剖面特征”。l i p p m a n n 和h o l m a n 进一步划分了 8 种海滩状态和4 种沙坝类型，并和w r i g h t 的分类进行了对比1 。地形动力学 方法在短期或某个事件尺度范围的海岸过程的研究取得了一定成就。由于海岸系 统和过程是非线性的，特别是中长期的海岸侵蚀演变，动力过程与形态之间的相 互作用更为复杂。地形动力学方法在对于跃期的海滩演变研究仍然存在较大困 难。 海滩剖面是海滩侵蚀研究的一个重要手段。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。s h e p a r d 通过对美国西海岸的近岸观测提出了“冬季剖面”( 风暴 剖面) 与“夏季剖面”( 涌浪剖面) 的概念“1 ，反映了剖面形态与动力特征及剖 面类型的转换与蚀积过程的关系。一些学者进一步研究了粒度与波浪尺度对海滩 剖面类型的影响啡“。剖面除了依赖于风暴与涌浪条件的变化外，还显示出与其 他动力要素( 如潮汐、风) 相应的变化啪。“。“中立点”假说的提出引起了研究 人员极的兴趣，根据中立点假说，研究人员提出了许多海滩平衡剖面模型。2 “1 。 平衡剖面形态只是根据动力和海滩泥沙充分作用下的实验或实测的海滩剖面经 过经验拟合而得到的一个具有统计意义上的相对平衡的海滩形态。实际的海滩剖 面是受当地波候、沉积物性质，物源供应海岸地貌形态、地质基础等众多的要素 控制的，因此理想的平衡剖面在自然界是难以找到的。尽管如此，海滩平衡剖面 对海岸侵蚀变化和海滩过程的研究是有着重要意义的。正如1 a r s o n 和k r a u s 指 出”：“如果已经在实验条件下能够证明海滩平衡剖面的存在，那么从理论上讲， 是否能在自然界找到绝对的平衡剖面就变的不那么重要了”。 随着计算机技术的发展，数值模拟方法在海岸侵蚀演变有了长足的发展并应 用更为广泛。如近岸波浪数学模型中，平面二维波浪模型的理论不断发展与完善， 有不少的模型已应用于海岸工程，比较典型的模型有h i s w a 、r e f d i f - 1 、s w a n 、 c g w a v e 、h a r b d 等；垂向二维模型开始应用于一些简单的实例，主要有n e w f l u m e 、 s k y l ，a ；三维波浪模型的研究已经起步。”。海岸侵蚀演变模型可分为跟泥沙横向 运动有关的剖面模型与泥沙沿岸运动有关的岸线模型及三维模型。剖面模型是在 4 第l 章绪论 平衡剖面理论与海滩泥沙的横向输运机制建立起来的，可用来预测剖面形态对海 洋动力如潮汐，风暴浪等及海岸工程建筑的响应。较为典型的剖面模型有： e d u n e 。、s b e a c h 。1 、c c c l “、c r o s s “”等。岸线模型包括一线模型与多线模型。 一线模型是较为简单而又发展成熟的模型，在海岸工程中应用广泛“。工程中 应用较多的一线模型有g e n e s i s 、l i t p a c k 、s a n d 9 4 、u n i b e s t 等。多线模型因为 需要对横向输沙有个明确的描述“1 ，但目前横向输沙机理还不十分清楚，这 就限制了多线模型在工程中的应用。三维模型对实际现象简化较少，因而应用范 围较大“”，但需要更多的计算时间，另外，因为动力与形态之间相互作用的复杂 性，三维模型对海滩侵蚀演变的可信度还是较低，特别是对海滩变化的长期预测。 在海岸工程应用方面，数值模拟相对于室内的物理模型，其优点是成本较低，实 验方案容易变换。 国内有关沙质海岸侵蚀问题的研究有：陈子粲在2 0 世纪8 0 年代即指出了中 国海岸侵蚀问题与主要控制因素“”；夏东兴、季子修进一步讨论了中国的海岸侵 蚀问题“”；陈子桑通过对剖面蚀积变化的主要周期及其与波能的耦合关系、海 滩不同高度带体积变化的动态特征以其弧形海岸海滩地貌对台风大浪的响应过 程的分析，通过高能与低能条件下泥沙搬运方向和高能条件下海滩碎波带地形状 态与波动过程的研究，探讨了近岸带地形、动力和沉积环境之间的相互关系“1 f ”。 王文介对华南沿海海滩状态和演变的研究“；庄克琳建立了海岸侵鼬的解析模式 1 ；张我华等从环境工程的角度讨论了岸滩侵蚀的问题中建立了模型的基本框架 。”；李志龙等通过海滩体积变化的主分量分析，讨沦的海滩体积变化跟动力要 素的关系侧。李志龙等探讨了冲流带滩面高频振动特征并通过相关分析讨论了滩 面侵蚀与波浪和潮汐的关系”1 。 有关海岸侵蚀问题，虽然国内已有不少关注，但其所作工作大多是定性的， 宏观上的描述，对海岸过程模式及侵蚀机制，海岸稳定性机理及稳定形态方面系 统深入的研究并不多见。 随着海岸越来越引起人们的重视，海岸的研究也越来越深入。总的说来，现 代的海岸侵蚀演变研究具有如下特点： ( 1 ) 高新技术手段逐渐渗入。海滩波浪和地形特别是碎波带地形的测量 是非常困难的事情，新的精密仪器、声学、光学、遥感等高新技术手段的采用， 卜山大学博士硷文华南岬问海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀帆制 为海岸研究提供了大量的更为精确的数据。 ( 2 ) 数值模拟方法应用越来越广泛。确定性描述的数学模型应该是海岸侵蚀 演变预测研究的一个重要方向。但只有当动力与形态之间的作用机制有了更为清 楚的认识才能提供模型的可信度。 ( 3 ) 统计的，经验的方法仍然是海滩研究的一个重要手段。流体动力 泥沙输运地形变化之间的相互耦合存在许多复杂的非线性过程，相互之间 作用机制的认识仍然存在一定的困难。动力与形态之间的统计相关分析与侵蚀 演变趋势的经验预测具有简单而较高可信度的优点而仍被人们大量采用。 ( 4 ) 新的数学方法不断应用于海岸研究。如小波分析，神经网络模型等。 ( 5 ) 多学科交叉、多学科结合的现象越来越普遍，成为海岸过程研究的重 要发展趋势。 平衡海岸平面曲线形态规律与平衡剖面规律一样，是研究沙质海岸演变与稳 定的重要规律之一。y a s s o 最早通过模拟原型海湾，提出对数螺线模型“”1 。随后 的一些研究者通过大量原型海湾的模拟和波浪槽试验，提出了新的岸线平衡模 型。比较典型的有抛物线形模型“、椭圆形模型“1 、形态要素模型1 等。平 衡形态规律在海岸氏期侵蚀演变预测与防岸护岸工程上得到了广泛的应用”。 对海湾平面平衡形态研究在国内也逐渐引起了一些研究人员的重视，主要研 究成果有：夏益民提出的双曲线形模型及其实际工程的应用7 “；王文介对优势 波浪和次优势波浪对岬湾的作用可能形成双对数螺线海湾的研究”“；常瑞芳通过 波槽试验论述了波浪对稳定海湾形成的影响因子o ”等。 岬问海湾平面平衡形态经验模式的提出和发展为海岸平面形态的稳定性研 究提供了新的思路和方向。从最初对数螺线模型的提出到现在已经近半个世纪， 平面平衡形态模型也发展日趋成熟。它不仅在理论上为海岸形态与演变的研究提 供了新的方法和思路，在实际应用中也卓有成效。利用模型可以预报静态平衡岸 线，把人类的生产、生活设施布置在可能侵蚀区域之外。同时海湾平面平衡形态 经验模型为海岸工程人员设计经济、合理、有效的海岸防护工程，如岬角控制工 程、离岸堤工程、填海造地工程等提供了重要的理论依据。 但是，所有当前的平衡岸线模型当前的岸线形态模型，对所拟合的静态平衡 岸线缺乏机理上的分析，都是用特定的数学函数( 如对数螺线函数，双曲线函数， 第1 章绪论 抛物线函数) 去拟合岸线，而对岸线形态为什么满足这样的函数关系却没有解释。 除此之外，对模型中主波向与下岬角的定义也存在不合理的地方。有关岬间海湾 平衡形态规律的研究，有待进一步深入。 1 3 研究方法 1 野外考察观测 野外考察观测是整个地理学研究的重要手段和方法，对于海滩侵蚀过程和机 理的研究尤显重要。野外观测的内容有：地形与近岸动力测量、地质地貌考察、 沉积物收集识别、近岸现象的记录、寻访当地百姓了解海岸的历史演变和人类活 动等环境等。野外观测是该文写作的基础和重要工作。 2 多尺度结合 海岸系统是一个包含多过程、多尺度( 时间尺度和空间尺度) 变化的复杂 体系，海岸侵蚀演变过程体现为不同的时间尺度和空间尺度。这些不同尺度的海 滩过程交织在一起，互相影响作用。它们通过非线性相互作用，而不是简单的线 性相加。所以仅用个尺度进行研究是不全面的，也是不科学的。本文采用多尺 度结合的方法，从小尺度冲流带波流与滩面地形之间的相互作用( 时间尺度为秒 到小时，空间尺度为数米) 到大尺度海整个湾平面形态的演变( 时间尺度为多年， 空间尺度为数千米到数十千米) ，从不同层面研究海滩侵蚀机制，既分析各尺度 的特点和规律，也研究各尺度间的相互作用。 3 以点概面，点面兼顾 所研究的内容涉及整个华南海岸，涉及面广，难以面面俱到。对与某一过程 和规律的探讨，通过对华南几个典型海湾为例来作具体详细的研究，以点概面； 但同时对整个华南岬间沙质海岸的这一过程和规律进行综合分析和概括，点面兼 顾。 4 数值模拟 数值模拟的方法由于其简单易行的特点，现在水动力与岸线变形预报上有着 广泛的应用。采用数值模拟的方法，对华南典型海湾的波浪场分布和岸线变形进 行了模拟计算。 5 统计方法 7 卜山大学蹲七论文华南0 | i | 问海湾沙质海岸平衡形态与侵蚀机制 统计的，经验的方法是海岸、海滩研究的一个重要手段。流体动力泥沙 输运地形变