何岩雨;刘建辉;蔡锋;李柏良;王立辉;周昌懋
【摘 要】海岸风沙是海岸带陆-海-气相互作用的突出产物.本文通过福建平潭岛远垱澳海滩风沙全环境要素观测,从海滩风沙垂向分布、滩面风沙起动和搬运等方面,探讨并总结自然海滩潮汐动态作用下的风沙运动过程.主要研究结论为:(1)海滩湿沙表面风沙流绝大部分(98.9％)在离滩面30 cm高度层内运动,不同粒径组沙粒的垂向分布形式不同;(2)潮汐旋回中的海滩起沙风速显著高于同等粒径内陆沙漠地区,其变化过程主要为滩面平均表层湿度与风区长度相互"博弈"的结果;(3)海滩风沙输送量主要受风速、滩面平均表层湿度与风区长度耦合作用,涨落潮不同阶段输沙量变化的主导影响因素不同;(4)"干沙起动+湿沙表面传输"为典型的海滩风沙搬运模式之一,滩面风沙运程较短,总体呈"接力"式特征向海岸前缘沙丘搬运.
【期刊名称】《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2018(040)009
【总页数】13页(P90-102)
【关键词】潮汐;海滩风沙;垂向分布;起动;搬运
【作 者】何岩雨;刘建辉;蔡锋;李柏良;王立辉;周昌懋
【作者单位】福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108;国家海洋局海岛研究中心 海岛保护处,福建 平潭 350400;国家海洋局海岛研究中心 海岛保护处,福建 平潭 350400;国家海洋局第三海洋研究所,福建 厦门 361005;西交利物浦大学 环境科学系,江苏 苏州 215123;福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108;福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108;国家海洋局海岛研究中心 海岛保护处,福建 平潭 350400
【正文语种】中 文
【中图分类】P737.1
1 引言
海岸带是陆-海-气交互作用的特殊地带，海岸风沙正是这种相互作用的突出产物[1]。对海岸风沙的研究不仅有助于阐明海岸带的动力结构、特征以及砂质海岸的演化进程，同时能为新
兴海港建设、滨海旅游开发等新时代海洋开发建设中海岸风沙灾害的防护提供科学依据。我国关于海岸风沙问题的大规模研究始于20世纪80年代，主要是借鉴内陆沙漠地区的研究内容、技术和方法，研究成果体现于海岸沙丘沉积特征[2-3]、成因机制[4-5]、区域性海岸沙丘发育模式[2，6-7]以及海岸沙丘移动特征[8-9]、风沙流结构[10-12]、风沙沉积物特征[13]等方面。与内陆沙漠地区的风沙活动不同，海岸风沙有其独特的环境特征，其中最主要的特征即波浪和潮汐作用。波浪作用影响下的海滩-海岸沙丘相互作用模式近年来逐步受到重视[14-15]，但关于潮汐作用影响下的海滩风沙运动过程，目前国内仍未见相关研究报道。国外对海滩风沙运动过程中的表层湿度和风区效应展开较多研究，如Jackson和Nordstrom[16]根据风速、沙源区的不同提出海滩湿沙表面风沙运动的4种模式，Wiggs等[17]从临界起沙阈值、输沙率两个方面分析海滩表层湿度动态变化对滩面风沙运动的作用，Bauer和Davidson-Arnot[18]提出综合考虑风向、海滩地形、风区效应的海滩风沙运动理论框架，Lynch等[19]研究了风区长度的持续增大对海滩风沙运动的负反馈机制。国外对海滩风沙运动规律的研究逐步深入，但在潮汐综合影响下的风沙运动过程探索方面，目前仍存在不足。本文针对当前国内外学者在潮汐对海滩风沙影响关系研究上的薄弱之处，采用野外试验和室内分析相结合的方法，从海滩风沙流结构以及滩面风沙起动、搬运等方面，探索自然海滩潮汐动态作用下的风沙运动过程。
2 研究区概况
研究区位于福建省平潭岛坛南湾南部的远垱澳海滩(图1)。平潭岛位于台湾海峡西岸北部，海峡喇叭口强劲的向岸盛行风、来自闽江的丰富沙源供给以及岛上岬湾遍布的适宜地形空间，塑造了平潭岛尤为典型和极富科研价值的海岛海岸风沙地貌，是我国不可多得的海岸风沙研究天然试验场。
图1 研究区位图Fig.1 Location of study area
受季风环流和台湾海峡“管束效应”影响，平潭岛风力强劲，是中国风力资源最为丰富的海岛之一。多年平均风速为9.0 m/s，年平均风速最大为10.1 m/s。多年月平均风速以11月为全年最大(11.4 m/s)，10月和12月的平均风速也分别达到11.1 m/s和11.2 m/s，以8月为全年最小(6.7 m/s)。据平潭海洋站1980-2003年风速风向统计资料(图2)可知，平潭年最大风频为NNE向(43%)，次大为NE向(18%)，SW风和SSW风各占10%、7%；各风向的平均风速以NNE向最大，为10.9 m/s，其次为NE向(10.2 m/s)和N向(7.8 m/s)。海峡的风
图2 平潭海洋站风玫瑰图(1980-2003年)Fig.2 Rose plot of long-term (1980-2003) wind data from the Pingtan ocean station
平潭岛多年平均降雨量约1 100 mm，降雨量季节性差异明显：10月至翌年3月的月降水量均小于100 mm，是全年的旱季，降水量仅占年降水量的26%。旱季叠加强风、大风天气，使得10月至翌年3月为平潭岛风沙活动的主要季节。
远垱澳海滩位于典型的强潮海岸区。据平潭海洋站1960-2003年资料统计结果，平潭附近潮汐为正规半日潮，最高潮位为420 cm(基面为1985国家高程基准，下同)，最低潮位为-370 cm，多年平均潮位为17 cm，平均潮差4.63 m。研究区海滩退潮宽度达300～400 m，滩面平缓，坡度约为1∶80～1∶100，滩面沉积物主要为中砂和细砂。
3 试验方法
3.1 试验方案
远垱澳“潮汐-海滩风沙”全环境要素观测试验包含气象、潮汐、海滩风沙流、滩面风沙运动强度以及海滩表层湿度5个观测模块，其中海滩风沙流为独立观测，其余4项为同步观测。同步观测的起讫时间为2017年3月6日11：35-23：45，包含1个潮周期旋回。全要素观测试验的平面布置和剖面布置见图3和图4。
海滩地貌单元的风速、风向、空气温度、相对湿度等环境要素采用有线气象站(Vantage Pro2)测定，气象站架设于P1(图5a)。三杯式风速仪离地高度2 m，观测和记录的时间间隔为1 min，并与风蚀传感器共用一个数据采集器(CR1000)，实现风况和海滩风沙运动强度的同步测量。
海滩潮汐过程采用GPS-RTK(STONEX S9)测定，每隔1 h人工量测潮水沿海滩剖面上溯的潮冲迹线位置(图4)，并于低潮时段测量剖面地形。由于试验剖面顺海滩风沙运动方向布置，潮冲迹线至风蚀传感器架设位置(P1)的连线距离即为风区长度。
海滩风沙流为独立观测，采用50路方口集沙仪(BL-DJSQ)测定，集沙仪于2017年3月7日12：50埋设于P1(图5b)，集沙口正对迎风方向(NNE)。由于集沙仪每个集沙室容积较小，现场观测时需频繁查看以防塞满，并于2017年3月7日15：21底层集沙室(0～2 cm层)即将填满前收起。室内分析时，首先将不同高度层样品放入电热鼓风箱中恒温(105℃)烘干24 h，取出样品，用精确度0.01 g的电子天平称量干重。样品的颗粒粒径采用激光粒度仪测定，粒径分级根据温特华氏(Wentworth)粒径分级法。
海滩风沙运动强度采用风蚀传感器(TM-H14-LIN)测定，同气象站、集沙仪一致，风蚀传感器
埋置地点为P1(图5a)。风蚀传感器含头部和基座两部分，头部长14.2 cm，基座长20.8 cm，感应环中心高出基顶面7.5 cm(图5c)。现场观测时，将基座埋入沙地中，基顶面与海滩表面齐平，感应环高出于地表，可感测7～8 cm高度范围低速撞击传感器时直径约50～70 μm的粒子，并输出沙粒的撞击动能和撞击颗粒数。风蚀传感器观测和记录的时间间隔为1 min，并与2 m高处的三杯式风速仪共用一个数据采集器(CR1000)，实现测量上的精准同步。
海滩表层湿度采用现场沙样采集和室内重量含水率测定相结合的方法获得。现场观测时，P1～P5观测点位的沙样每隔1 h采用表层取样器(图5d)分别采集，采集厚度为表层2 mm，潮水淹及定为饱和，潮水退去逐时刮取。表层取样器是由早期Reginato[20]设计的土壤水分采样器发展而来，其主体结构含一个200 mm(长)×200 mm(宽)×50 mm(高)的不锈钢框架以及一片伸延出壁面2 mm，可沿框架前后活动的刮片组成，可便捷刮取海滩表层2 mm的沙样。
图3 平面布置图Fig.3 Layout of field observation
3.2 风蚀传感器校正
风蚀传感器的两个输出参数为沙粒撞击动能(KE)和撞击颗粒数(SI)，为建立KE、SI与输沙量
间的量化关系，特开展风蚀传感器与简易集沙仪校正实验。校正实验(图6)于2017年1月23日开展，风蚀传感器的埋设地点为P1。简易集沙仪采用Sherman等的专利设计[21]，由两个集沙盒叠合而成，每个集沙盒开口10 cm×10 cm，总集沙高度和面积分别为20 cm、200 cm2。集沙盒四周用致密尼龙网裹覆，透气而不过沙。
图4 试验剖面与潮位相对位置关系Fig.4 Relative position of experimental profile and tidal level
图5 仪器架设图Fig.5 Instruments of field observation
图6 风蚀传感器校正实验现场布置图Fig.6 Field calibration of wind erosion sensor
实验开展前，于室内将手机与电脑时钟进行精度校正(到秒)；实验开展时，在风蚀传感器进入工作状态后，对照手机时间，采用简易集沙仪随机收集18袋风沙样品。每次集沙完毕立即将沙样装入自封袋，自封袋上注明编号和采集的起讫时间；室内分析时，首先将沙样放入电热鼓风箱中恒温(105℃)烘干24 h，取出样品，用精度0.01 g的电子天平称量干重。其次，出风蚀传感器数据记录仪上对应采集时间段的KE和SI，并采用最小二乘法分别分析集沙量和KE、SI间的相关关系。校正实验分析结果见图7和表1。
图7 集沙量随撞击动能KE(a)、撞击颗粒数SI(b)变化的散点关系Fig.7 Scatter relationship between sand flux and particle kinetic energy (a) or sensor impact (b)表1 最小二乘法拟合结果Tab.1 Fitting result by least square method
散点关系线性函数多项式函数拟合公式决定系数拟合公式决定系数集沙量-KEy=0.350 9x0.839 8y=-6×10-5x2+0.415 9x0.856 1集沙量-SIy=1.764 5x0.035 7y=-0.007 7x2+3.627 4x0.540 4
由图7可直观判定，集沙量随KE变化的散点分布较为集中，总体呈良好的正相关态势；由表1进一步明确，集沙量与KE间的量化关系以多项式拟合效果最佳，具体拟合公式为y=-6×10-5x2+0.415 9x，决定系数为0.856 1。
4 海滩湿沙表面风沙流垂向分布特征
海滩风沙流独立观测结果显示(图8)，远垱澳海滩湿沙表面的风沙流绝大部分(98.9%)在离滩面30 cm高度层内运动，其中又特别集中分布于0～10 cm气流层内(约占80%)。该结果与吴正等[22]关于沙漠地区的观测结果基本一致，表明潮间带湿沙下垫面对风沙流垂向分布高度
并无明显制约作用。部分研究指出，表面湿度虽可以捕获部分低能的跃移沙粒而减少输沙，但由湿度导致的床面黏结和硬化反而会使更多的沙粒反弹，运动到更高处[23-25]。
图8 不同高度层内搬运的沙量占总沙量的百分比Fig.8 Percent content of aeolian sand at different altitudes
结合沙样粒度分析结果(图9)，进一步将0～30 cm气流层内的风沙搬运量与高度进行回归拟合，结果表明(图10)，总输沙量随高度呈指数递减分布规律，决定系数R2高达0.992 0；不同粒径组沙粒的输沙量随高度分布的最佳拟合函数不同，中砂和细砂遵循指数递减分布律，粗砂为幂函数。值得注意的是，挟沙气流中沙量沿垂线呈负指数的整体分布规律已被多数风洞实验[26-28]和野外观测[29-31]所证实，但近床面的输沙量分布形式目前仍存在不同见解。以本文观测结果(图10)为例，总砂及中砂输沙量沿垂线分布的上段符合传统的指数递减分布规律，但近滩面区(0～2 cm)实测输沙量明显偏离拟合值。Butterfield[32]认为，近床面区以上大部分范围(19 mm以上)是作跃移运动的沙粒，跃移形式有利于使输沙量沿垂线呈指数分布；近床面区(19 mm以下)包含作蠕移运动的沙粒，蠕移运动倾向于使输沙量偏离指数分布而呈幂函数衰减。董玉祥和马骏[10]指出，粗砂的运动集中发生于受湍流影响的近表层，其
输沙量随高度的变化整体满足负幂律关系；细砂多以跃移形式运动，其输沙量垂线分布是单一指数递减函数；中砂的运动方式存在蠕移和跃移变化，跃移成分增大则由负幂函数转变为指数函数分布。可见，输沙量垂线分布形式主要与气流中的沙粒运动形式相联系，而沙粒运动形式又因沙粒粒径的不同而不同。
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