（自然地理学专业论文）神泉湾弧形海岸动力地貌特征及其演变趋势分析.pdf

神泉湾弧形海岸动力地貌特征 及其演变趋势分析 专业：自然地理学 硕士生：李鑫 指导老师：杨清书副教授 摘要 砂质弧形海岸是一种普遍存在的岸线形态，具有多样性与复杂性等特点，相 关因素包括海岸的沉积环境、湾顶的开口方向、波浪的入射方向及强度、上下岬 角的位置、地貌条件与水深等，是各种因素综合作用的结果。 神泉湾是典型的砂质弧形海岸，上岬角为澳角至屿头，下岬角为鸡兰礁。本 文运用沉积学、动力地貌学、泥沙运动力学、海岸动力学等多学科的综合知识， 在实地考察的基础上，运用多元统计对应因子分析方法和g a o c o l l i o n s 粒径趋势 分析( g s t a 模型) 对神泉湾湾内沉积环境和泥沙的运移进行研究、应用s m s 波浪模型模拟神泉湾湾内波浪动力场并计算沿岸输沙的变化、根据弧形海岸的岸 线响应特征和地貌结构模式探讨神泉湾弧形海岸海滩特征以及剖面时空变化规 律、分析神泉湾在港口工程前后海岸形态的演变趋势及稳定性，分析结果表明： 神泉湾湾内表层沉积物以细砂和粘土质粉砂为主，其分布特征主要表现为： 纵向分布上，沉积物由北至南呈由粗到细的变化趋势，分选程度由好变差，偏度 分布总体上呈正偏。横向分布上，各类型沉积物基本呈与岸线平行的带状分布。 分选系数与偏度等值线也基本与岸线相平行。不同沉积环境中的沉积物受到地 形、水动力及泥沙来源等因素影响而表现为不同的沉积特征。 神泉湾海域表层沉积物净输运趋势为：以龙江新入海河口为界，东侧海滩以 “自东向西”输运趋势为主，西侧海滩以“自西向东 输运趋势为主，整体的纵 向输沙趋势为“自东向西”；新入海河口外水域陆、海动力相互作用，相互消能， 沉积物输运趋势很弱且不明显。 神泉湾弧形海岸属波控一弱潮海岸，波浪动力较强，常向浪依次为e s e 、e 和s e ，强浪向为s e 、s s e 和s ，由于其开口向南，上岬角与海岸呈较大钝角相 交，且海湾长度较大，因此神泉湾各个方向常浪、强浪、对弧形海湾的泥沙运动 和岸滩调整过程均可以产生影响。同时，龙江入海口动力作用弱，对整个弧形海 岸影响较小。湾内泥沙供给主要来自于本海湾的近岸( 或内陆架) 海域，总的泥 沙供给不足，沿岸输沙量较小。 目前，神泉湾正处于侵蚀型动态平衡状态，海湾的上岬角遮蔽段侵蚀，下岬 角切线段相对堆积。拟建港口工程中防波堤的修筑将使海湾的形态要素发生变 化，进而使海湾的动力泥沙地貌体系发生重新调整，波浪动力场重新分布， 泥沙输移的方向及强度发生改变，使神泉湾发育成为双螺线型弧形海岸。 关键词：神泉湾弧形海岸沿岸输沙对数螺线型海岸海岸演变趋势 s t u d yo nc o a s t a ld y n a m i cm o r p h o l o g ya n de v o l u t i o nt e n d e n c y o f s h e n q u a nh e a d l a n d b a y a b s t r a c t h e a d l a n d - b a yi sac o m m o nf o r mo ft h ec o a s t l i n e t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e h e a d l a n d - b a yi sd i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t y t h e r ea r eal o to ff a c t o r st h a tl e a dt ot h i s t y p eo fb a yc o m ei n t ob e i n g ，i n c l u d i n gs e d i m e n te n v i r o n m e n t ，t h ei n d i r e c t i o no ft h e s h a d o wz o n e ，t h ew a v ed i r e c t i o na n di n t e n s i t y , t h el o c a t i o no ft h ed o w n c o a s th e a d l a n d a n du p c o a s th e a d l a n d s h e n q u a nb a yi sat y p i c a lh e a d l a n d - b a y t h eu p c o a s th e a d l i n ei sa o j i a ot o y u t o u j i a o ，a n dt h ed o w n c o a s th e a d l a n di sj i l a n j i a o t h i sp a p e rt a k e sa d v a n t a g eo ft h e v i e w p o i n t o f s e d i m e n t o l o g y , d y n a m i cg e o m o r p h o l o g y , s e d i m e n t m o v e m e n t m e c h a n i c sa n ds e a c o a s td y n a m i c ss y n t h e t i c a l l y b a s e do nt h el o c a li n v e s t i g a t i o n ，t h i s p a p e ra p p l i e st h em u l t i e l e m e n tc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa n dg a o c o l l i n sg r a i ns i z e t r e n d sa n a l y s i s ( g s t am o d e l ) t or e v e a lt h es e d i m e n t a r ye n v i r o n m e n ta n ds e d i m e n t s t r a n s p o r tt r e n dp a r e r s ，s i m u l a t e st h ed i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fw a v ef a c t o r si n n e a r s h o r ea n dd i r e c t i o no fs e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n , t h e na n a l y s i st h ee v o l v e m e n ta n d s t a b i l i t yo f t h eb a yb e f o r ea n d a f t e rt h ee n g i n e e r i n g t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es e d i m e n t sw e r em a i n l yc o m p o s e do ff i n es a n da n d c l a y e ys i l t l o n g i t u d i n a ld i s t r i b u t i o n ，s e d i m e n tf r o mn o a ht os o u t hi sf r o mc o a r s et o v e r yf r e et r e n d s t h es o r t i n gc o e f f i c i e n tw a sr e c o g n i z e d 勰 b e t t e r - w o r s e s t a t e a n d t h es k e w n e s sp r e s e n tp o s i t i v e s k e w e d t r a n s v e r sd i s t r i b u t i o n , e a c ht y p eo fs e d i m e n t w a sr e c o g n i z e d 硒z o n a ld i s t r i b u t i o n t h e i s o p l e t h so fs o r t i n gc o e f f i c i e n ta n d s k e w n e s sa r ep a r a l l e lt ot h ec o a s t l i n e t h es e d i m e n ti nt h e s ee n v i r o n m e n t s ，i n f l u e n c e d b yd y n a m i c ，p h y s i o g n o m ya n ds e d i m e n ts o u r c e ，p u tu pd i s s i m i l a rs e d i m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c s t h en e tt r a n s p o r tt r e n dp a r e ro ft h es e d i m e n ti ns h e n q u a nb a ya c t s 嬲t h e f o l l o w i n g s t h es e d i m e n t s ，d e v i d e db yt h en e we s t u a r y , a r et r a n s p o r t e d “e a s t - w e s t o nt h ee a s ts i d ea n d “w e s t - e a s t ”o nt h ew e s ts i d e t n s h e n q u a nb a yi saw a v e c o n t r o l l e db e a c h , t h ep o w e ro fw a v ei ss t r o n g t h em o s t f r e q u e n td i r e c t i o no fw a v ei se s e ，ea n ds e s i n c ei t so p e n i n gf a c e st ot h es o u t h ，t h e u p c o a s ta n dt h ec o a s t l i n ei n t e r s e c t 弱a l lo b t u s ea n g l e ，a n dt h eb a yl e n g t hi sl o n g e a c h f r e q u e n tw a v ea n ds t r o n gw a v em a yi n f l u e n c et h eh e a d l a n d b a y ss e d i m e n tm o v e m e n t a n dt h eb e a c hf r o n ta l i g n m e n tp r o c e d u r e m e a n w h i l e ，t h ee s t u a r yd y n a m i ci st o ow e a k t oi n f l u e n c et h ee n t i r ea r cs e a c o a s t t h es e d i m e n ti nt h eb a yi st r a n s p o r t e dm a i n l y f r o mi n n e rc o n t i n e n t a ls h e l f t h et o t a ls e d i m e n ts u p p l i e sa r ei n s u f f i c i e n t ，a n d s e d i m e n t a r yt r a n s p o r ti sw e a k s h e n q u a nb a yi so i lt h es t a t eo fe r o s i o nh o m e o s t a s i s t h es h a d o wz o n ei sb e i n g e r o d e d ，w h i l et h et a n g e m i a lp o r t i o na tt h ed o w n c o a s te n di sb e i n gd e p o s i t i n g t h e h a r b o u rd i v i d e st h eb a yi n t ot w os m a l lh e a d l a n d - b a y s ，t h ec o n f i g u r a t i o n so ft h eb a y w i l lq u i t ed i f f e r e n tf r o mb e f o r e a d a p t i n gt ot h i sc h a n g e ，w a v ed y n a m i c a lf i e l d d i s t r i b u t i o n , t h ed i r e c t i o na n di n t e n s i t yo fs e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o nh a v ea l s o c h a n g e d t h es t a t eo fs h e n q u a nb a yw i l lc h a n g ef r o ml o g a r i t h m i cs p i r a lc o a s t l i n et o l o g a r i t h m i cd o u b l es p i r a lc o a s t l i n e k e yw o r d ：s h e n q u a nb a y , h e a d l a n d b a y , s e d i m e n t a r yt r a n s p o r t ，l o g a r i t h m i cs p i r a l c o a s t l i n e ，e v o l u t i o nt e n d e n c yo fb a y i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：档 日期：2 9 9 年月歹日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 保密论文保密期满后，适用本声明。 学位论文作者签名：含 才 同期：二，o 年多月石 缝 导师签名： 日日期：m p 年月日 第一章引言 弧形海岸是华南的典型海岸类型之一，是砂质海岸在泥沙供给不足的情况 下，优势波浪斜向入射海岸形成的一种主要与波浪动力及其一定的沿岸输沙率相 适应的稳定的海岸类型【l j 。它往往介于上、下岬角之间，其弧形( 或螺旋型) 湾项 凹入段为相对侵蚀岸段，偏于上岬角一侧，海滩剖面平缓，呈上凹形，属“消散 型”海滩性质；偏于下波侧方向的岸段为相对堆积岸段( 称切线段) ，十分平直， 其海滩剖面较陡，呈上凸状，趋于“反射型 海滩性质【2 】。这是一种很有特色的、 分布很广的海岸类型，尤其是在我国华南沿海地区分布广泛。弧形海岸演变是响 应外部环境变化而发生的海岸动力地貌过程的结果，是涉及到泥沙运输的流体动 力与地形的相互调整【3 1 。 1 1 研究目的和研究意义 海岸带是海洋与陆地唇齿相依的地带，既是人类向海洋进军的第一道阶 梯，也是陆地抵御海洋各种灾害性动力系统的前沿天然屏障。在当前全球气候 变暖、海平面上升的作用下，世界上的海岸特别是砂质海岸的演变趋势发生显 著变化，海岸承受岸线资源开发的后效应及严重的环境压力，海岸带己成为全 球变化及其陆海相互作用研究的关键地带。开展陆海相互作用条件下的海岸环 境演变和海滩过程研究，对寻求与社会经济发展相协调的途径来管理和利用海 岸带，并使其有持续性发展的前景，具有重大的现实意义。 岬间弧形海岸是全球范围内分布最为普遍的海岸类型，约占世界总海岸线 的5 1 4 1 。由于岬间弧形海岸的泥沙活动性较小，经过防浪、拦沙，海岸的凹 入地带可作为港工建筑优良选址。分析弧形海岸的动力地貌过程对深入了解弧 形海岸的环境及其相互作用，对于港口和航道的开发、海岸侵蚀问题的解决都 具有重要的指导作用。神泉湾是我国华南地区典型的砂质弧形海岸，并且同样 面临着人类活动的开发及其潜在后效应、海岸的侵蚀、岸滩平衡及稳定的问题。 神泉湾曾经是惠来县重要渔港神泉港的所在地，应经济发展的需求，为开发 利用神泉港漏湖的滩涂资源和港航条件，人为地减弱了神泉港渭湖的潮汐动力 l 强度，同时因龙江改道工程改变了径流动力的空间分布，截断了漏湖的径流， 针对局部岸段的侵蚀问题对岸滩进行工程整治，这一系列的人类活动不仅使神 泉港丧失了通航能力，同时也引起了神泉湾弧形海岸的波浪动力改变，导致了 神泉湾弧形海岸局部岸段发生严重侵蚀，现有防沙堤工程遭到冲刷破坏。深入 了解神泉湾弧形海岸形成的原理及变化发展规律，可以对人工建筑物引起的海 岸变形进行预测和预防。 弧形海岸的演变与人类的利用改造活动之间不断地相互协调与适应。神泉港 高强度的人类活动引起地形变化，地形变化引起的动力边界条件变化导致水动力 特征发生变化，水动力则又通过沉积物的搬运反作用于地貌，使地貌发生调整。 这种动力与地貌的相互作用研究以及对弧形海岸演变的研究又是陆海相互作用 研究的重要内容，也是海岸带对人类活动响应的研究热点之一，均具有重要的科 学意义。同时，本文注重动力地貌环境特征与海岸工程相结合，并应用于实际港 口建设中，可以为优化港口平面设计提供科学依据，有利于港口的开发、整治与 改善。 1 2 研究进展 1 2 1 海岸动力和沉积研究 由松散沉积物组成的海岸是最重要的海岸类型之一，它对动力条件和泥沙来 源改变的敏感反应决定了它在工程上和环境方面的重要意义【5 】。对于海岸沉积物 的研究，国内外众多学者从不同层面，使用不同方法做出了大量卓有成效的研究 工作。j au d d e n ( 1 9 1 4 ) 早就提出了沉积物粒度与碎屑沉积物的搬运营力、搬运距 离有关，碎屑沉积物的粒度组成受沉积时水动力条件的控制，他最早研究不同环 境沉积物的粒度分布特征，力图找出粒度组成与环境之间的关系。 c k w e n t w o r t h ( 1 9 3 1 ) 采用粒度直方图来区分不同的环境。目前粒度分析中广泛使 用的0 值就是k r u m b e i n ( 1 9 3 4 ) j 根据乌登温得华粒级标准( u d d e n - w e n t w o r t h s c a l e ) 通过对数变换而来，给沉积物的分析工作带来了便利；兀鲁欣( 1 9 5 8 ) 7 1 认为沉积相是沉积物特征及其生成环境的综合，综合的考虑了水动力、泥沙和地 貌三方面因素；v i s h e ( 1 9 6 9 ) t 8 】对1 5 0 0 多个样品进行粒度分析和在正态分布概率 2 纸上作图后，得出了沉积物搬运方式与粒度分布之间的关系，为沉积物的运动与 泥沙的粒径之间关系提供了一种简便的方法。国内学者对沉积物研究最为成功的 是钱宁、万兆惠( 1 9 8 3 ) 9 1 ，他们以泥沙为研究对象，提出了一种新的研究方法， 进而开启了一门新的独立学科一泥沙运动力学，主要研究泥沙颗粒在重力、流水、 波浪和风力作用下的冲刷、搬运和沉积过程，以及这些运动过程中所造成的宏观 演变。 随着水力学和沉积学的不断深入，不同环境的不同水动力条件和搬运方式以 及他们所形成的粒度特征的大量资料积累，使得粒度分布成为反映原始沉积状况 和沉积物输移过程的环境标志。m c l a n r e n 和b o w e l s ( 1 9 8 5 ) 1 0 , 1 1 】发展了一维沉 积物粒径趋势模型，用来判别沉积物的净搬运方向；2 0 世纪9 0 年代初，高抒和 c o l l i n s ( 1 9 9 2 ) 1 1 2 1 5 j 。在m c l a n r e n 模型的基础上进行了深入的研究，逐步建立 了一种称为“粒径趋势分析 ( g r a i ns i z et r e n da n a l y s i s ) 的方法，以找出粒度特 征与沉积物输移格局之间的关系，建立沉积物输移趋势的二维数学模型，并用以 反映沉积物输移格局。 上述理论成果为以后的实际应用打下了坚实的科学基础。国内学者杨欧 ( 2 0 0 2 ) 0 9 1 、程鹏、高抒( 2 0 0 0 ) 2 0 1 ，汪亚平、高抒、贾建军( 2 0 0 0 ) 1 2 1 】，石 学法等( 2 0 0 2 ) 2 2 1 ，杨雪舞、王文介( 1 9 9 4 ) 2 3 1 ，陈子粲( 1 9 8 4 ) 2 4 1 等分别运 用m c l a m e n 和g a o 。c o l l i n s 粒径趋势分析模型，对长江口北支、北黄海西部海底 沉积物，胶州湾及邻近海域，粤东柘林湾进行了研究，获得了该区域沉积物粒径 趋势的矢量分布与搬运趋势，取得了良好的研究成果。 1 2 2 近岸水沙数值模拟研究 沙质海岸的演变问题，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【2 5 】。水流泥沙模型是对自然现象构造数学模型，其发展的两大基 础是数值计算方法和泥沙运动基本理论。 研究现状来看，除局部复杂的水流现象数值方法还不能满足要求外，其他描 述水体的宏观运动、数值模拟技术及对水流运动的模拟已基本满足工程需要，本 文将波浪作为影响神泉湾弧形海岸演变的主要海岸动力来进行数值模拟。对近岸 波浪传播变形的数值模拟是确定近岸波浪场的一种既简单又有效的方法。从近岸 3 波浪传播的数学模型多种多样，其中基于射线理论、能量平衡方程理论、波作用 守恒方程、h e l m h o l t z 方程、缓坡方程和b o u s s i n e s q 方程的研究较多，另外还有 a i r y 波理论方程、角谱模型、l a p l a c e 方程、n a v i e r - s t o k e s 方程等【2 6 2 9 1 。 相对而言，泥沙运动基本理论的发展比较缓慢，现有与泥沙运动相关的公式 大都还是半经验半理论性的，有的则完全是经验性的，这些公式对物理现象和机 理的体现还比较粗糙，因而各家泥沙模型差异较大。 1 2 3 弧形海岸演变研究 以基岩为基础发育的沉积性海岸，如果沿岸有岩石出露，并且向海伸出， 泥沙供给不充足，在常年优势浪向的波浪作用下，岬角庇护的海岸上行岸段被 塑造成弧形，在远离岬角的下行方向，海岸呈与盛行波向垂直的切线形。这类 海岸在演化过程中，最终在平面上出现弧形或曲线的形态( 图1 1 ) 。海滩研究 者给它们以许多不同的名字：半心形海湾( s i l v e s t e r , 1 9 6 0 ) 、对数螺线海滩 ( y a s s o ，1 9 6 5 ) 、锯齿状海湾( s i l v e s t e r 和h o ，1 9 7 2 ) 、弧形或钩状海滩( r e a 和 k o m a r , 1 9 7 5 ) 、袋状海滩( s i l v e s t e r ，e ta l ，1 9 8 0 ) 3 0 叫】等。根据形态成因条件， 弧形砂质湾滩一般可划分为两个地段：( 1 ) 遮蔽段，即上岬角背后的掩护区，也 是盛行波浪的波影区。盛行波浪经岬角绕射和海滩折射，将海滩侵蚀内凹成弧 形；( 2 ) 切线段，即靠近海岸下游岬角的直线段，一般与盛行波的波峰线平行。 图1 - 1 弧形海湾示意图( 据f i n k e l s t e i n ，1 9 8 2 ) 对弧形海岸( 主要是砂质弧形海岸) 的研究较多，主要集中于两个方面：一是对 4 弧形海岸历史演变过程的研究；二是对弧形海岸平面形态的研究。本文仅介绍对 弧形海岸岸线形态研究。 陆海作用下的弧形海岸平面形态响应规律是研究砂质海岸演变与稳定的关 键，也是时认识海滩过程及其近岸环境泥沙活动的重要基础。国外对此的研究涉 及到地理、海岸及其工程领域，已有近1 0 0 年的历史，理论分析成果较多。在 2 0 世纪5 0 年代以前，研究者主要从动力方面解释岸线形成的机理。在此以后， y a s s o 最早通过测量大量的原型海湾，发现被岬角保护下的海湾形态呈现对数螺 线形。他运用对数螺线模拟了原型海湾，进而提出海岸发育对数螺线理论模式 【3 1 1 ，即： r 2 r l = g x p ( 0 c o t p ) ( 1 - 1 ) 式中，r l 与r 2 分别为曲线上任意两点的极半径，0 是两条极半径之间的夹 角，1 3 是对数螺线恒量，根据海湾的波浪入射角度a 所确定，海岸即在上下岬角 控制的岸线内发育，其中优势波浪作用的上方向控制角为上岬角，下方向是下岬 角，上下岬角的连线即海湾的控制线为b ，a 为海岸的凹入长度( 图1 2 ) 。随后， 一些研究者分别提出了模拟岬湾海滩发育的模式，并解释对数螺线形轮廓的出现 原因，进一步完善了对数螺线形理论( r e a & k o m a r , 1 9 7 5 ；w a l t o n ，1 9 7 7 ；l e b l o n d ，1 9 7 9 ；p h i l i p s ，1 9 8 5 ；t a n & c h i e w , 1 9 9 4 ；k l e i n & m e n e z e s ，2 0 0 1 ) 【3 5 3 9 1 ，这些模式 都适合于对数螺线形图对数螺线海岸平面形态状，而且拟合很好。 下 罗 够 1 p 图1 - 2 弧形海湾平面要素 s i l v e s t e r ( 1 9 7 0 ，1 9 7 4 ) 阐述了岸线向对数螺线形发展的规律【螂1 1 ，并提出了预 报弧形海岸岸线位置( 包括海湾切线段与直线段) 的方法，认为螺线切线和螺线 5 半径夹角与波向角之间的关系必须落在图1 1 的曲线或附近，或者岸线曲率半径 和湾口弦长的比值与入射波向角之间的关系必须落在图1 2 的曲线或附近，否则 弧形海岸未达到平衡。h s u 等( 1 9 8 9 ) 在s i l v e s t c r 工作的基础上提出弧形海岸“极 端平衡”和“动态平衡 的概念【4 2 1 ，认为在没有泥沙来源的情况下岸线向极 端平衡发展，在有沿岸输沙的条件下岸线趋向动态平衡，并提出岸线预报方法及 推导方程： a b = 0 0 1 4 0 0 0 0 0 0 9 4 a 2 ( 1 2 ) 他们提出的极端平衡方程为： r b = 0 810 0 3 3 0 o 7 7 ( 1 3 ) 当海湾落在r b 与0 8 1 0 0 8 3 0o 7 7 的曲线上或附近为平衡，否则，弧形海岸 为动态平衡( h s u ，c ta l ，1 9 5 9 ) 。g o n z d l c z 和m e d i n a ( 2 0 0 1 ) 进一步在h u s 等( 1 9 8 9 ) 的基础上提出了可以适应不同的自然和人工岬问海滩的判定弧形海岸是否均衡 的解析模式【矧。 国内对弧形海湾形态研究的起步较晚。王文介m 1 ( 1 9 8 5 ) 研究了粤东锯齿状 弧形砂质海滩的发育。李春初 4 5 1 ( 1 9 8 6 ) 初步分析了华南港湾弧形海岸的特征。 夏益民 4 6 1 ( 1 9 8 8 ) 通过实验资分析归纳出一个与自然界的平衡海岸形态相符的极 限平衡岸线曲线规律。同时，他认为岸线的凹入与波浪的入射没有关系。李绍宁 4 7 1 ( 1 9 8 8 ) 指出岬湾沙质海岸可能由初始状态为侵蚀或堆积的海湾发育成螺线形 海湾。陈子桑、李春初等 4 s l ( 1 9 9 0 ) 对华南砂质弧形海岸岸线形态与地貌发育作 了定量研究。戴志军、李春初【1 1 ( 2 0 0 4 ) 通过研究华南3 4 个典型的弧形海岸岸线形 态指标，分析其动力、沉积和地貌特征，指出海湾的开口和波浪强度是海岸形态 发生变化的重要因子，将砂质弧形海岸的研究推进了一大步。 国内对神泉湾弧形海岸的研究较少，戴志军在研究华南弧形海岸发育演变的 过程中曾经从平衡稳定性的角度对神泉湾进行过探讨。他所做的工作是基于天然 环境状态下的自然演变分析，在人类活动与神泉湾弧形海岸演变的响应方面并未 作深入研究。由于人类活动人为改变地形边界，导致动力格局改变，最终将影响 弧形海岸的演变趋势，为了港i ：1 - 1 - 程建设及海岸侵蚀治理工作中的需要，应对神 泉湾的泥沙运动状态以及人工建筑物引起的海岸变形作进一步的分析。 6 1 3 研究范围与区域概况 1 3 1 研究范围 神泉湾是介于东经1 1 6 。0 6 1 1 6 。2 2 、北纬2 2 。4 7 - - 2 2 。5 87 之间 的一个弧形海湾，大部分岸段位于广东省揭阳市惠来县。东起澳角( 上岬角) 、 西至鸡兰礁( 下岬角) 的整个弧形海湾是本文的主要研究区域( 图卜3 ) 。 1 3 2 研究区域概况 图2 - 1 神泉湾位置示意图 神泉湾弧形海岸是冰后期于澳角一神泉花岗岩台地西南侧发育起来的砂质 海岸，有龙江和雷岭水系在此汇流入海。龙江和雷岭水系均发育于中生代花岗岩 和石英砂岩分布区，地面风化比较强烈。自6 0 0 0 年前海平面相对稳定后，河流 和原陆坡带来的大量泥沙在河流和海洋( 潮流、海流、波浪) 两类动力因素的共 同作用下将古神泉湾逐步填塞，并发育成现今的对数螺线形海岸轮廓。 目前神泉内湾已漏湖性质，湾内为咸潮所控制，纳潮面积3 5 平方公里，漏 湖水深普遍小于2 m 。淀湖潮汐通道长约1 2 k m ，平均潮位水面宽度8 0 , l o o m ， 水深2 5 m ，动力较弱，淀湖湾口向西延伸出长约2 k m 的沙坝。潮汐通道口( 龙 江原入海口) 居于神泉湾东侧，距离弧形湾顶约l k m ，龙江新开入海河口距湾顶 的岸线距离约8 8 k m ，距离弧形下岬角( 鸡兰礁) 的岸线距离约为2 0 3 k m 。神泉 7 湾向南开敞，海湾开口宽度超过2 0 k m ，上岬角( 澳角至屿头角) 岸线走向呈n w s e 向，对神泉湾的屏障和掩护效果不佳，岸滩坡度较为平缓，约为1 7 0 0 h 鲫。研究 区域主要受控于风、波浪、潮汐等海洋动力条件，同时也受到该海湾地形、泥沙 条件及龙江流域来水来沙条件的影响。 神泉湾的气候属于南亚热带季风气候，冬季盛行东北季风，夏季为西南季风。 日照充足，年均温度2 l - 2 2 ，终年无霜冻，为台风频发地区，雨量丰沛， 多年平均降水量1 9 2 4 4 m m ，其中4 - - 9 月降水量占全年的8 0 - 8 5 ，降水集中。 冬季盛行东北季风，夏季为西南季风。该海域内海水的水温变化范围是2 2 3 2 7 5 。枯水期平均水温2 2 9 2 ，丰水期平均水温2 7 3 3 1 2 。丰水期与枯水期 水温变化不大，仅相差5 2 。海区水温时空分布差别不明显，日较差也较小删。 1 4 资料收集 本文搜集的资料包括用于地形演变研究的地形资料和历史海图，用于s m s 波浪模拟与沿岸输沙计算的波浪观测资料、水文泥沙资料，以及用于沉积物特征 分析的实测资料，具体如下。 1 4 1 地形资料 用于地形和岸线分析，以及波浪模拟边界条件分析的数据取自石牌山至浪 角2 0 0 5 年海图( 1 ：5 0 0 0 0 ) ，和神泉湾1 9 6 5 年地形图( 1 ：5 0 0 0 0 ) 。由于搜集到 的地形资料成图比例尺、范围、数据格式、基面、坐标均不一致，在进行地形演 变研究时将各个水下地形高程数据统- n 珠江基面、坐标系统已转换成经纬度坐 标。资料来源于中山大学河口海岸研究所和中山大学地理学院图书馆。 1 4 2 实测资料 ( 1 ) 观测资料 本研究在“中委广东石化原油及产品码头工程一产品码头港区海岸动力地貌 及相关海岸工程问题研究的资助下进行。用于分析潮汐、海流的水文资料以及 用于波浪数值模拟观测数据来源于该项目资料，由国家海洋局南海分局勘察中心 提供，主要分为两个部分：一是2 0 0 8 年7 月2 7 日至2 0 0 9 年7 月2 7 日在广东惠 r 来县沟疏村附近海域离岸约7 k i n 处布设被浪观测站点的运时风速、风向、气温、 气压、相对湿度、潮汐、海浪要素的调查统计资料，其中浮标波浪观测站水深约 2 0 米；二是2 0 0 9 年7 月2 3n 至2 9n 的大、小潮流、台沙量数据。 ( 2 ) 底质采样 于2 0 0 9 年9 月4 “日大潮期间，中山大学河口所对惠来县神泉湾海域进 行了表层沉积物调查，并于2 0 0 9 年9 月4 “日，2 0 1 0 年1 月扣6 分两次对神 泉湾弧形海岸进行了夏季与冬季海滩沙样及湾内底质采集( 图i - 4 ) 。 ( 3 ) 剖面采集与测量 用于海濉剖面时空变化分析的海滩剖面数据，是在中山大学河口所对惠来 县神泉湾海域进行的海岸动力地貌调查中，于2 0 0 9 年9 月4 - 6 同，2 0 1 0 年1 月分两次对神泉湾弧形海岸各岸段的海滩进行了剖面形态采集，分别代表 夏、冬两季海滩地形的季节变化( 图1 4 ) 。 2 2 2 ： ij 趣零 ，。，r 。二 鲥 i 女”二”二 ：严0 二二51 2 j 二二二a 二 2 2 e i l 。二二一。d 2 2 8 8 j 图l 一剖面采样点布设 1 5 研究方法 本文采用沉积学、泥沙运动力学、海岸动力学、海岸动力地貌学、水文学等 多学科交叉方法，以岬间弧形海岸平衡理论研究神泉湾弧形海岸的演变及其对人 类活动的响应。将动力过程与地貌过程帽结合，实测资料分析与数值模拟相结合， 井注重历史与现代过程的对比，宏观与微观、定性与定量研究相结合。 沉积物特征分析：对沉积物样品进行筛析法等处理得到原始数据后，运用粒 度分析法，研究神泉港表层沉积物的粒度参数及沉积物类型与分布特征；运用 g a o c o l l i n s 粒径趋势分析模型研究神泉湾表层沉积物的净输运趋势。 近岸波浪场数值模拟与泥沙运动分析：应用s m s 波浪模型模拟自然条件下 神泉湾的波浪传播过程；应用s m s 模型计算中的出的各波浪要素计算沿岸输沙 量。 动力地貌与海岸侵蚀分析：根据弧形海岸平衡理论分析神泉湾演变趋势。并 借助于f o r t r a n 、a r c g i s 、s u r f e r 、g r a p h e r 、p h o t o s h o p 、m e p b a y 、e x c e l 等计算机 软件进行辅助研究。 1 0 第二章神泉湾海岸动力环境 神泉湾是介于东经1 1 6 。0 6 1 1 6 。2 27 、北纬2 2 。4 7 - 2 2 。5 87 之间的一 个弧形海湾。主要受控于风、波浪、潮汐等海洋动力条件，同时也受到该海湾地 形、泥沙条件及龙江流域来水来沙条件的影响。 现场观测数据主要由两个部分：一是2 0 0 8 年7 月2 7 日至2 0 0 9 年7 月2 7 日的风速、风向、气温、气压、相对湿度、潮汐、海浪要素的调查统计资料，其 中浮标波浪观测站水深约2 0 m ：二是2 0 0 9 年7 月2 3 日至2 9 日的大、小潮潮流、 含沙量数据。 2 1 潮汐和潮流 2 1 1 潮汐 粤东海区潮汐主要是太平洋潮波经巴士海峡传入南海后，向台湾海峡方向传 播的过程中形成的，同时受到东海潮波系统的影响，潮汐现象比较复杂。神泉港 海域潮汐的日不等现象显著，潮汐的空间变化明显。根据d e f a n t ( 1 9 5 8 ) 提出的 潮汐系数公式s f = ( k 1 + 0 1 ) ( m 2 十0 2 ) 计算，自海门湾西端到神泉港湾，海岸 线长达8 0 k m ，潮汐系数自海门湾的2 0 1 递增至神泉港的4 5 ，属于不规则日潮 混合潮型。根据统计，神泉湾年平均潮差在0 4 1 6 m 之间，大陆沿岸平均潮差 相对较小。 研究海域的潮汐波动比较复杂，观测期间( 站点位置见图2 - 1 ，潮位过程见 图2 - 2 ) ，该海区一天中高高潮与低低潮潮差最大都不超过1 5 m ( 大潮) ，最小仅 为0 4 4 m ( 小潮) 。因受浅水分潮的影响，潮汐曲线出现明显变形，表现为高高 潮期间有一小波动，落潮中期也有一小波动。 图2 - 1 现场疆铡站位示意图 2 1 2 潮流 81 52 2 2 9 3 6 d 3 s 0 5 76 7 88 5 9 29 91 0 6 1 1 3 1 2 0 i 2 7 1 3 4 1 4 1 1 4 8 1 5 5 1 6 2 h f 目( 十目) 1 0 1 - - w 0 2 图2 - 22 0 0 9 年7 月2 3 2 9 日神泉湾及邻近海区嘲位变化 根据2 0 0 9 年7 月2 3 日至2 9r 的大小潮观测数据分析，研究海域的潮流主 要具有以下特征：研究海域的潮流为明显的往复流，涨落潮流方向近似平行卡岸 线，涨潮流由东向西或由东北向西南方向流动，落潮流基本由西向东或由西南向 东北流动。与潮位的变化不同的，是研究海域的潮流表现为比较显著的半n 潮流。 观测期间，涨潮锓大流速( 08 6 m s ，c l 0 2 站点) 小于落潮撮大流速( 10 2 删s ， c l 0 1 站点) ，见表2 + 1 。 0 表2 - 12 0 0 9 年7 月2 3 - 2 9 日夏季大、小潮观测统计结果 注：观测期间，c l 0 3 一- c l 0 7 站部分时段海域表层流动速度明显小于中底层流速。 观测过程中，c l 0 6 与c l 0 7 两个站点位于弧形湾内，而c l 0 1 c l 0 5 五个 站点位于弧形海岸上岬角以外海域。因其空间位置的差异，各站点潮流特性也有 较明显的差异。图2 2 、图2 3 分别是c l 0 1 、c l 0 5 、c l 0 7 三个站点大、小潮流 速示意图。分析得出： ( 1 ) 弧形海湾内的涨落潮流速度显著小于上岬角海域的涨落潮速度。位于 弧形海岸上岬角以外海域的c l 0 1 一c l 0 5 五个站点大、小潮落潮平均流速分别为 0 9 m s 、0 6 8 m s ，涨潮平均流速分别为0 6 3 m s 和0 6 1 m s 。c l 0 6 与c l 0 7 两个 站点位于弧形湾内，大、小潮落潮平均流速为0 3 4 m s 和0 2 5 5 m s ，涨潮平均流速 为0 2 5 m s 和0 2 5 5 m s 。 ( 2 ) 上岬角海域的潮流为正规半日潮流，图2 3 a ，2 3 b ，2 _ 4 a ，2 - 4 b 中与 表层、中层、底层流速相对应的流速过程线涨落趋势一致；而弧形海湾内更倾向 于非正规半日潮流，图2 3 c ，2 4 c 显示c l 0 7 站点观测到的底层海流相对于表层 海流有明显的滞后性。 ( 3 ) 上岬角海域的落潮流历时与涨潮流历时大致相当，图2 3 a ，2 3 b ，2 4 a ， 2 4 b 中流速过程线均表现出较好的对称性；弧形海湾内落潮流历时显著大于涨潮 流历时，约是其2 倍。 ( 4 ) 大潮最大落潮流速( 1 0 2 m s ) 大于小潮最大落潮流速( o 7 4 m s ) ，最 大涨潮流速分别为0 8 6 m s 和0 7 7 m s ，相差不大。 6 0v 侧f 矿扩扩矿扩萝梦 c l 0 l 衰屉。6 1 层底层 时阃 4 0 0 q 蹴l 梦扩扩妒 c l 0 。 一# ；o 幅一e g ” l 图2 - 3 神泉湾实测各站大潮流速过程线 8 0 i 0 澎一 二妒，篓，篇二曼芦气， ( c ) 图 4 神泉湾实测各站小潮流速过程线 2 1 3 余流 研究海域的余流主要山广东沿岸流和局地风海流所引起。观测期间，研究海 域币处于西南季肛【盛行的季节，西南季风驱动形成由西南向东北方向运动的啤东 沿岸流。实际观测资料表明( 图2 5 ) ，太、小潮期间，全潮平均的沿岸流相对 较大约在01 o2 m s 之间，偏东向流动。只是弧形海湾内( c 【，0 6 、c i ，0 7 站) 与上岬角外海域的流向不同，大小不同；大小潮余流的流向也有所差异。弧形海 湾内余流由下岬角向岸流向弧形湾顶，而上岬角外海域沿岸或离岸流动。 坚鼓f ! 队一一 1 、嘲 。- 口 002k 蚋m o2 “m 1 1 6 51 1 6 2 01 1 6 2 5”63 01 1 6 3 51 1 6 4 0”64 5 1 1 6 5 01 1 65 5 图2 - 5 大、小潮余流图 2 1 4 古沙量、水温及盐度 研究区域内海水的盐度变化不大，而且比较高，变化范围是3 20 5 3 41 5 ， 枯水期的平均值是3 38 1 ，丰水期的平均值是3 22 6 。枯水期和丰水期的表、底层 盐度差别不大，盐度时空分布差别不明显。可见龙江入海径流不大，对海域盐度 场影响很小。 研究海域实测悬浮泥沙禽沙量很小。夏季，神泉湾海域的平均含沙量为 o0 1 4 7 k g m 3 ，实测最大台沙量为o1 3 8 4 k g m 3 ，悬沙量一般随水深的增加山表 层向底层递增，相差2