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华南是西北太平洋热带风暴的主要作用区,每年都要遭受十余个风暴的袭击。风暴作为华南海滩的主要动力因素之一,对很多海滩的发育和演化起到重要作用。每次风暴对海滩来说都是一次洗礼,其诱发的大浪和水位变化对海滩作用剧烈,在短时间内可使海滩地形地貌产生灾难性破坏,引起海岸侵蚀。国内海滩风暴效应研究相对薄弱,本文基于多次风暴的追踪调查数据和记录,以野外的第一手数据为基础,结合相关数学统计归纳分析方法,探讨了华南海滩风暴响应特征和规律,研究了海滩风暴效应的影响因子,深入分析了华南海滩的动力地貌过程,丰富了我国海滩风暴效益的研究成果,可为我国海岸带的减灾防灾和灾后重建提供相关的科学依据。
论文包括以下几个方面的内容:
(1)华南海滩风暴效应特征:基于华南8处海滩6次风暴调查资料,从海滩动力地貌特征入手,研究不同类型海滩的风暴响应特征。
(2)华南海滩风暴响应规律与差异性:基于海滩剖面定量分析,探讨了海滩后滨、海滩滩面的风暴响应形式和规律,从波浪和潮汐的耦合影响角度提出了一个新动力地貌参数εT,以此来揭示海滩风暴响应规律。
(3)海滩风暴效应自然影响因子:对海滩风暴效应自然因子进行了分类,分析各个因子在风暴效益中的贡献,探讨了各类因子之间的相互作用关系。
(4)海滩风暴地貌过程人为影响:以水东港海滩废弃海堤与崇武半月湾南防波堤建设对风暴响应的研究实例出发,分析了人为因子和自然因子耦合对海滩风暴效应的作用,探讨了人为因素影响下的海滩动力地貌过程。
论文得出如下基本结论:
(1)由于华南沿海动力差别大,在不同强度的潮汐和波浪影响下发育多种类型的海滩,不同类型海滩的风暴效应特征表现出明显的差异性,本文根据海滩动力地貌特征将其划分为耗散型低潮阶地型和沙坝型三种主要类型。耗散型海滩对热带风暴响应表现迟缓,通常表现为滨后沙丘的侵蚀和滩面的略微调整,海滩坡度变化微小,宽缓的滩面给台风浪给多能量耗散的空间,减弱了风暴浪对海滩作用的强度,使该类型海滩总体上表现为对风暴作用的迟钝响应,具有很强的抗风暴能力;低潮阶地型海滩对风暴的响应总体表现为强烈的上部剖面改造,风暴作用下该类海滩产生强烈的侵蚀,具滩肩海滩,整个滩肩可能在一次风暴中侵蚀殆尽,通过滩肩调整,其在海滩风暴过程起到良好的缓冲作用,可提供足够的物源以满足剖面调整,为海滩提供可逆的风暴循环过程,对无滩肩的海滩,风暴浪直接冲击海滩后的侵蚀台地或堤防,引起强烈的坍塌侵蚀、堤防破坏和不可恢复的岸线蚀退;沙坝型海滩在风暴期间通常表现为滩肩的侵蚀和沙坝的向海迁移或潮间带沙坝夷平消失,易发生冲越,沙坝型海滩通常发育于典型的浪控海岸,对波况变化反应灵敏,海滩风暴响应也因此更为复杂,该类型海滩潮间带高程变化幅度通常不大,若后滨无沙丘或人工护岸,在风暴增水影响下更易发生漫项冲越。
(2)不同海滩的后滨对风暴作用的响应各不相同。从后滨类型分析:侵蚀成因后滨在风暴期间会受到严重的侵蚀,崖岸坍塌和破坏,从而引起岸线的永久的不可恢复性后退;堆积成因后滨在风暴期间也往往受到严重的侵蚀和破坏,其通常是可恢复的;人工海岸其后滨固定则通常不会变化。从响应强度来看:在风暴作用之下,海滩后滨响应特征取决于后滨最大高度和风暴作用上限的相对关系,强潮海滩风暴增水对近岸水位变化的影响有限,风暴潮位通常不会大幅度超出潮间带范围,风暴冲越不多见,风暴恰遇天文大潮时才可能冲越;而弱潮海滩,风暴增水会显著改变水位,风暴潮位更容易超出潮间带的范围,引发进冲越现象。
(3)海滩原有滩面特性的不同,其风暴响应的强度和表现形式各异,风暴作用下海滩趋于发育耗散性更好的滩面,海滩滩面坡度变化量和风前滩面坡度正相关,坡度缓的海滩在风暴作用中表现的更为迟钝,坡度陡的海滩则响应强烈。本文划分出以下四种海滩滩面响应模式:①迟缓型:滩面本身耗散性好,在风暴作用下其滩面响应迟缓,几乎无明显的趋势性泥沙输运,通常表现为滩面的局部微调,海滩滩面变化量一般不大,滩面坡度基本固定不变。②坡度调整型:滩面反射性强,为抵抗风暴海滩泥沙发生明显的向海输运,以降低海滩坡度,调整滩面宽度以获取更大的耗能空间。③沙坝调整型:风暴期间大量的潮间带沉积物向海搬运至潮下带,引起潮间带沙坝(Swash Bar)的夷平和水下沙坝向海迁移和增长,以此获取更好的耗能效果。④局部异常型:在潮间带有礁石、潜堤、河道和采沙坑时,这些区域会成为风暴作用的焦点,海滩滩面对风暴的响应则会表现出局部的异常行为。
(4)海滩风暴响应强度是指海滩在风暴作用下的变化幅度,本文将海滩剖面平均变化量作为衡量海滩风暴响应强度的指数。提出的海滩地貌动力学参数εT=ε·MSR综合考虑了潮汐、波浪和海滩形态等多个因素,能够有效反映出华南海滩风暴响应强度与海滩动力地貌特征的之间的联系:εT与海滩响应强度存在明显负相关,随着εT的增加成指数规律递减。参数提出解决海滩物质组成和波浪动力因素的无量纲泥沙沉速不能完全反映华南海滩风暴相应规律,其考虑了潮汐对海滩风暴效益的影响。
(5)尝试将海滩风暴效应的自然影响因子可以概括为三类主动因子、被动因子和稳定因子。主动因子决定着海滩风暴效应的驱动力,被动因子则是海滩本身的性质,通常在风暴动力作用下做出被动的调整,稳定因子则是海滩风暴效应的重要影响因子,其本身不决定海滩风暴过程,但会改变海滩响应的强度和表现形式。不同因子控制下海滩风暴行为差异大:①气旋性质通过驱动水动力影响海滩风暴行为,强度大、移动速度慢、作用时间长的气旋趋于诱发更强的水动力,海滩响应就更剧烈。②海岸走向通过改变风暴期间的输沙状态影响海滩风暴行为,风暴期间波浪如不是垂直入射则会引起强烈的纵向输沙,引起海滩剖面整体蚀淤。③近岸水深变化较快的地形不利于风暴波浪能量的耗散,其相邻海滩对风暴的响应更为剧烈;近岸平缓的地形波浪能量耗散较好,近海水下浅滩和水下三角洲的发育也有利波浪能量的底摩擦耗散,其相邻海滩对风暴的响应强度也就较小。④天文潮位通过改变风暴水动力作用的上限影响着海滩风暴效应的强度和形式。海岸的轮廓和海岛等可形成遮蔽环境减小海滩风暴响应强度。
(6)风暴作用可将人类活动影响进一步放大,海滩风暴地貌过程中人为因素影响明显,通常会引起海滩风暴过程的不平衡和不对称,导致附近海滩护岸功能和风暴抵御能力下降。①水东港东段的废弃海堤在风暴增水和大浪作用下废物海堤未起到有效的保护作用,但是在随后的恢复阶段则能阻止低潮带泥沙的向岸运动,致使废弃海滩内侧海滩处于亏损状态,引起海岸永久性侵蚀。②崇武半月湾防波堤防护的建造使得这种风暴期间的泥沙损失难以恢复,其改变的海湾的形态,阻挡了东向来浪,也阻止了西向输沙,引起海滩的纵向输沙不平衡,致使西部海滩因侵蚀而丧失了滩肩,护岸能力明显减弱,风暴期间无能获得足够的泥沙缓冲,对风暴的响应程度明显加大,防波堤的不利因素在风暴条件下得到明显的放大,其通过改变风暴水动力、海滩性质和风暴后海滩恢复过程等方式影响着半月湾海滩的风暴响应特征和海滩过程。