胡高建，戴志军，周晓妍，李为华

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200241)

海岸带是地球表层水圈、大气圈、岩石圈和生物圈相互作用的动力脆弱敏感区[1-2]，聚居了世界超过60%的人口，其重要性不言而喻。然而，在全球气候变化导致海平面持续上升[3]以及流域建坝等人类活动引起入海泥沙快速减少[4-6]的背景下，沿海地区普遍遭受侵蚀。海床作为海岸带向海延伸的地貌主体，受控于高强度人类活动和自然应力等多重胁迫影响，近年来其不稳定性日益凸显[7-8]。同时，频繁风暴潮作用亦会进一步加速海床冲淤进程，引起泥沙剧烈运移[9]，造成海床失稳。因此，深入了解近岸海床的地貌演化并分析其驱动机制具有重要的理论意义和实际价值。

聚焦我国东海海域，长江作为我国第一大入海河流，其携带的入海泥沙承担着邻近海域海床地貌塑造的主要物质来源。目前，针对长江入海泥沙减少对浙江近岸海域海床的影响研究主要集中在浙江中北部海域[10-11]。已有研究表明，受制于长江入海泥沙减少，近年来由长江口南槽绕过南汇嘴进入杭州湾的泥沙量有所降低，杭州湾北岸已存在由淤积转为冲刷的趋势[10]。地处于浙江中部的台州湾海域海床也因上游来沙量减少而呈现略有冲刷状态[11]。然而较少学者关注距离长江口较远的浙南沿海地区海床冲淤状况，特别是浙南海域海床冲淤是否对长江入海泥沙变化产生响应尚无涉及。此外，研究区域内大型近海工程建设也会影响海床稳定，而海床稳定与否又直接关系到工程的稳定与安全。因此，强化海床冲淤变化过程分析不仅可加深区域泥沙输运机制的理解，而且有利于相关政府和管理部门针对海床变化特征提出相应工程防护措施。基于此，本研究以苍南部分海域作为研究区域，多尺度分析海床冲淤状态，为该区域海床现状评估以及近海工程构建安全与否提供部分理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

苍南县位于浙江省最南端，濒临东海，南与福建省接壤，属亚热带海洋性季风气候，热带风暴及台风频发。研究区域位于苍南县顶草屿以南至南关岛东北海域。海区内分布顶草屿、北关岛等岛屿。沿岸为沿海山丘地形，山峦起伏且向海深入，其中以大尖山和三澳较为突出，共同构成岬角港湾控制的曲折基岩岸线，并夹杂海坎、沛垒、柳垄、长沙等零散砂质海滩。与砂质海滩不同，北关港内则分布宽广的淤泥质潮滩(图1)。

图1 苍南近岸海域位置及研究范围

苍南海域半日分潮占绝对优势，浅水分潮占比相对较小，故潮汐属正规半日潮型。该海域平均潮差约为4.4 m，最大潮差约为7.3 m，属强潮海域[12]。波浪主要以风涌混合浪为主，常浪向为E向，次常浪向为ENE和NE向，常规天气下平均波高介于1.0～2.0 m之间，在台风等极端天气下，最大波高可超过5.0 m[12]。海区潮流运动以旋转流为主，但在北关港、沿浦湾等海域因地形影响而以往复流为主[12]。此外，研究区域近岸港湾岬角内以砂为主，粒径较粗。外海底质以粉砂为主，其次是粘土。该海域底质整体归纳为粘土质粉砂，且实测中值粒径介于0.005 4～0.008 6 mm之间[13]。

1.2 资料收集

本研究收集了1931、1970、2005、2009及2017等年份的海图(表1)。同时还整理长江大通站1955—2016年入海水沙数据及1945—2019年区域过境台风资料。其中长江入海水沙数据来源于长江水文网(http://www.cjh.com.cn)，台风数据来自于中央气象台台风数据网(http://typhoon.nmc.cn/web.html)以及温州台风网(http://www.wztf121.com)。

表1 海图资料说明

1.3 研究方法

1.3.1 基于ArcGIS对海图数据的处理 首先，基于ArcGIS平台将所有海图的水深点及等深线数字化。其次，将数字化海图矢量文件统一到1954北京坐标系和理论深度基准面，根据各海图测量范围确定冲淤边界并构建数字高程模型。同时，进一步提取2、5、10 m等深线，以详细表征研究区域海床不同深度的变化趋势。由于海图比例尺及测量水深范围有所差异，抠去近岸深水区域以准确反映海床变化。此外，1931、1970年未能提取出有效2 m等深线，故本研究仅考虑2005、2009、2017年 2 m等深线以分析其近十年迁移变化。再次，基于历年海床数字高程模型，分别计算研究区海域1931—1970、1971—2005、2006—2009、2010—2017年期间的海床冲淤量、冲淤面积、冲淤强度以及冲淤速率等主要冲淤特征参数。同时，选择合适区域设置两个特征剖面(图1)并提取剖面水深参数，由此比较不同年份海床剖面地形变化。

1.3.2 潮流、波浪对底部泥沙起动的计算 采用窦国仁(1999)中的公式[14]计算垂线平均流速代表的泥沙起动流速，将泥沙起动流速uc与实际垂线平均潮流流速u对比，以探明该区域潮流对底部泥沙的起动能力。具体公式为

(1)

式(1)中：uc表示泥沙起动流速(m/s)；h表示水深(m)；Δ表示床面糙率高度(mm)；ρs表示泥沙密度(g/cm3)，ρ表示海水密度(g/cm3)；D50表示底部泥沙中值粒径(mm)；γ1表示床面泥沙干容重，γ2表示泥沙颗粒的稳定干容重(t/m3)；ε0表示综合粘结力参数(cm3/s2)；δ表示薄膜水厚度参数(cm)。一般ε0取1.75 cm3/s2，δ取2.31×10-5cm，ρs取2.65 g/cm3，ρ取1.02 g/cm3。

当uc>u时，泥沙不易起动，否之则泥沙进入起动状态。

在此基础上，窦国仁等(2001)[15]进一步探讨波浪对底部泥沙起动的影响，并提出底部泥沙少量动情况的起动波高经验公式。将起动波高Hc与平均波高H对比，以此分析波浪对底部泥沙的起动能力。具体公式为

(2)

式(2)中：Hc表示起动波高(m)；T表示波浪周期(s)；h表示水深(m)；L表示有限水深波长(m)，其他参数设置参照式(1)。对于给定的波周期以及水深，L可通过迭代法求得。

(3)

式(3)中：L为有限水深波长，T为波浪周期，d为水深(m)，单位参照式(2)。

当Hc>H时，泥沙不易起动，否之则泥沙进入起动状态。

2 结果与讨论

2.1 海域等深线变化状态

海床不同等深线的变化反映了海床地貌迁移趋势。2 m等深线主要分布于北关港内(图2)。在2006—2009年间，2 m等深线向陆后退，后退幅度在60～80 m之间，最远超过100 m。2010—2017年间，2 m等深线继续向陆略微后退，后退幅度在20～30 m之间。2006—2017年间，北关港内2 m等深线整体大致以每年7.5 m的速度向陆后退，这表征近年来北关港内出现侵蚀的特征。

5 m等深线主要分布于近岸大尖山和三澳岬角港湾岸段与北关港南部口门两个区域(图2)。前者在1971—2017年间，5 m等深线呈现阶段向陆后退趋势，年平均后退距离约8.5 m，后退距离最远超过500 m，这标志1970年后该岬湾岸段滩涂持续冲刷后退。在北关港口门处，5 m等深线同步向陆后退，年平均后退距离约7.3 m，后退距离最远可达700 m。

图2 1931—2017年苍南近岸海域等深线迁移变化

同时，10 m等深线主要分布在深水区附近以及北关岛东北部的开阔海域(图2)。在1931—1970年间，位于北关岛东北部开阔海域10 m等深线普遍向海扩张，淤进速度大致为32.9 m/a，淤进距离最远可达2 000 m。可见该时间段内北关岛东北部开阔海域发生明显淤积。1971—2005年间，该开阔海域10 m等深线扩张与后退并存，在北关岛东北部海域10 m等深线向海扩张，淤进速度大致为9.5 m/a，但在北关岛东部10 m等深线向陆后退，后退速度大致为8.0 m/a。在2006—2009年间，该开阔海域10 m等深线向陆后退，后退速度大致为32.0 m/a，后退幅度介于150～200 m。2010—2017年间，10 m等深线继续向陆后退，后退速度较上一时间段减缓。因此，在1971—2017年间，研究区域海床10 m等深线整体呈现向岸退缩状态。同时，位于北关岛东部10 m等深线因为北关岛阻挡作用，摆动幅度较北关岛东北部开阔海域较小，但摆动趋势与上述基本一致。总之，在1931—2017年间，10 m等深线在北关岛东北部的开阔海域经历了先向陆内移再向海外移而又向陆内移的变化趋势。

2.2 海床冲淤特征

在1931—1970年间，海床呈现整体淤积状态[图3(a)]。其中，净淤积量达到169.47×106m3，海床整体平均淤积厚度为2.07 m，淤积速率为5.18 cm/a(表2)。1971—2005年间，海床呈现冲淤并存状态，但整体以淤积为主，侵蚀主要发生在岬角港湾段近海区域以及北关岛南部海域，北关港以及外海区域都呈现淤积状态[图3(b)]，净淤积量达到12.24×106m3，海床平均淤积厚度为0.15 m，淤积速率为0.41 cm/a(表2)。2006—2009年间，海床淤积面积小于冲刷面积，淤积主要位于北关岛周围以及北关港内，外海区域呈现弱侵蚀状态[图3(c)]，净冲刷量为14.7×106m3，平均冲刷厚度为0.18 m，冲刷速率为3.60 cm/a(表2)。2010—2017年间，海床持续冲刷，但整体冲刷量不大，净冲刷量约10.17×106m3，平均冲刷厚度为0.12 m，冲刷速率为1.33 cm/a(表2)，然而，从海区冲刷面积来看，海床趋于一个全面弱冲刷状态[图3(d)]。纵观1931—2017年间，海床整体呈现淤积—淤积减弱—转为冲刷—持续冲刷趋势。

图3 苍南近岸海域海床冲淤变化

表2 苍南近岸海域海床冲淤特征参数

2.3 特征剖面变化

为更直观地表达研究区域海床演变特征，选择海坎沙滩附近岬角作为起点向海延伸至研究区域边界，以及长沙沙滩作为起点向北关港港口延伸至研究区域边界的两个剖面进行剖面地形分析(图1)。

剖面1[图4(a)]显示，1931—1970年，该剖面水下地形呈现整体淤积的趋势，平均淤积幅度超过2 m，淤积幅度明显。1971—2005年，在离岸2.5 km的距离内该剖面发生侵蚀，离岸2.5 km以外，该剖面发生淤积，淤积幅度大多低于1 m。2006—2009年，在离岸1.0 km的距离内，海床冲刷明显，在离岸1.0～3.0 km的距离内，海床剖面呈现小幅淤积状态，之后在离岸3.0 km以外，该剖面呈现略微冲刷状态。2010—2017年，该剖面整体发生冲刷，但冲刷幅度不大。

剖面2[图4(b)]显示，1931—1970年，该剖面在北关港近岸区域淤积严重，平均淤积幅度在2 m以上，在北关港港口处淤积减缓，淤积幅度在1 m左右。1971—2005年，该剖面继续淤积，平均淤积幅度在1～2 m之间，在离岸4.0 km之外，则发生冲刷，平均冲刷幅度在0.5 m内。2006—2009年，近岸1.0 km之内仍呈现淤积状态，离岸1.0～2.5 km内，海床发生冲刷，在离岸2.5 km以外，两条剖面线交替起伏，海床冲淤并存。2010—2017年，两条剖面趋势相近，整体呈现略微冲刷状态。

图4 苍南近岸海域剖面水深变化

整体来看，除1931—1970年的大幅淤积外，剖面1的5、10 m等深线皆有向陆后退的趋势，海床淤积幅度减弱，并呈现微冲趋势。位于北关港内的剖面2变化较为剧烈，上世纪北关港内淤积量较大，至2005年后淤积减弱，之后该剖面略有起伏，但趋势较为一致。

2.4 讨论

2.4.1 沉积物来源及变化 苍南县海岸类型以基岩港湾海岸为主。因波浪或台风等强劲动力冲蚀以及各种风化作用影响，基岩剥离下的粗颗粒沉积物就近堆积于海岸附近，发育成以砂为主的海滩，这是近岸海床粗颗粒沉积物的主要来源[16]。同时，研究区海域以北依次分布有椒江、瓯江、飞云江、鳌江等入海河流，其中椒江年均输沙量约为122万吨[17]、瓯江约为205万吨[18]、飞云江约为40万吨[19]、鳌江约为8万吨[20]。这些河流的输沙强度均较小，且受制于河口强潮性质，导致向下游输运的泥沙因涨潮优势流作用难以进一步输移到近海或离岸较远区域。加之，研究区以北沿岸岬角向海突出而隔断沿岸泥沙输送，这就进一步阻碍入海河流相对较粗的泥沙进入研究区。然而，这些河流输沙入海过程中也会带有一定数量的细颗粒物质随着潮流和沿岸流搬运南下，但由于量级很小而难以产生对研究区域海床冲刷或淤积的影响[12，21]。

由长江入海的泥沙除“喂养”河口水下三角洲外，其他泥沙主要通过江浙沿岸流向南输送。因沿岸动力及局部地形变化，悬浮泥沙向南输送过程中不断发生沉降和沉积。沉积的细颗粒泥沙在随后波浪扰动影响下可发生再悬浮，并由江浙沿岸流挟带再次向南输移，已有研究表明悬浮泥沙最远可延伸至福建北部，从而在浙闽近岸海域形成宽广的泥质沉积带[22-23]。此外，前人通过对长江入海泥沙、浙江河流入海泥沙以及温州近岸沉积物进行粒度分析、矿物鉴定以及化学测定，结果充分表明浙江入海河流的矿物及化学成分与温州近岸海域的矿物及化学成分不一致，与长江入海泥沙契合度较高[16]。因此，可认为江浙沿岸流携带的长江入海细颗粒泥沙是该海域海床淤积的主要物质来源。

近年来，由于流域建坝、采沙等人类活动影响，长江入海泥沙量呈现急剧减少趋势[24]。在长江入海径流量没有明显变化趋势下，长江入海泥沙减少将直接导致长江口口门及相邻水域水体含沙量降低。若水动力环境无明显变化，未来长江口口外水下三角洲及沿岸将可能呈现总体缓慢淤积或冲刷的趋势[6]。显然，江浙沿岸流输沙量受此牵连亦将减少，继而影响到浙江泥质沉积带的泥沙供应。20世纪80年代始,长江流域水库拦截的泥沙总量就已超过其入海泥沙总量[24]。1955—1970年大通站年输沙量基本维持在4.0～6.0亿吨，年平均输沙量为4.98亿吨，数量巨大，研究区海床该期间也是呈现大幅淤积的现象。1971—2005年期间经历了两次重大人类活动干预，分别为1985年的葛洲坝工程和2003年三峡大坝工程拦水运行，大量拦截上游来沙，导致入海泥沙骤降，期间年入海泥沙量基本维持在2.0～4.0亿吨，年均输沙量为3.84亿吨。2003年三峡大坝蓄水运用后，长江来沙量进一步减小，大通站年输沙量全面低于2.0亿吨，年均输沙量仅为1.31亿吨(图5)。进一步将四个阶段的泥沙净淤积量与长江入海泥沙量对比分析，结果显示长江入海泥沙量持续减少与研究区海域海床淤积减弱并逐渐转为冲刷具有明显同步性，二者联系较为紧密(图6)。因此，可认为长江入海泥沙减少将导致参与研究区域海床地貌塑造的泥沙量下降，继而影响该海域海床地貌变化，减弱淤积甚至冲刷。

图5 大通站 1955—2016年入海水沙变化

图6 苍南近岸海域海床冲淤与长江来沙趋势对比

2.4.2 动力环境影响 海区动力环境对于海床地貌塑造至关重要[25]。讨论海床稳定性首先应考虑区域水动力如潮流、波浪等对底部泥沙起动的影响。据浙江省水利河口研究院于2015年在研究区海域实测潮流、波浪等资料[13]显示，研究区域外海实测最大垂线平均流速为0.62 m/s，流向为55°，近岸实测最大垂线平均流速出现在北关港海域，流速为1.06 m/s，流向为149°[13]。同时，该年平均波高为1.5 m，平均波周期为4.9 s[13]。且该年“凡比亚”台风影响期间，该区域最大实测波高达5.6 m[13]。

由于该海域底部泥沙D50小于0.5 mm，粒径较细，泥沙颗粒间的粘结性对底部泥沙起动的阻碍作用较强。考虑颗粒间粘结力，Δ取1.0 mm，d1取0.5 mm，d2取10 mm，D取0.15 mm，床面稳定时间较长可认为床面泥沙干容重等于稳定干容重，即γ1=γ2。将各项参数带入式中，式(1)计算结果显示，常规天气下潮流对研究区域底部泥沙的起动能力较弱，仅在近岸2 m水深以浅区域可对底部泥沙产生起动影响(表3)。同时，通过式(3)求得该区域2、5、10 m水深的波浪波长分别为20.49、29.52、35.39 m。进一步通过式(2)求得不同中值粒径下的起动波高。结果显示，波浪对该区域底部泥沙的起动作用较潮流强烈，可对5 m水深以浅的底部泥沙产生起动影响(表3)。进一步考虑极端天气对区域底部泥沙起动的影响，“凡比亚”台风期间，该区域实测最大波高为5.6 m，均大于所计算的起动波高(表3)，可使10 m以深区域的底部泥沙发生起动。

表3 波浪、潮流对底部泥沙的起动能力计算

故在常规天气下，该区域5 m以浅区域泥沙可受潮流、波浪共同作用进入起动状态，5 m以深区域底部泥沙主要以过境或落淤为主。而在极端天气下，台风输入的巨大能量足以消除细颗粒泥沙之间的粘结力影响，使包括整个研究区域在内的海域底床发生泥沙起动，进而产生泥沙运移。

伴随人类世的到来，受人类活动影响所造成的海平面加速上升对沿岸侵蚀作用愈发明显[3]。同时，海平面上升会促进风暴潮的发生频率和强度，进一步加重风暴潮带来的危害[26]。浙江省温州市位于亚热带季风性气候区，属台风登陆高发区域。同时，所处的东海海域海平面较其他海域偏高程度最为明显[27]。在此背景下，对台风资料统计发现1970年前登陆温州的台风数量为8个，1971—2005年为10个，2006—2009年为4个，2010—2017年为6个，台风影响频率逐年递增(图7)。其中等级最高的0608号台风“桑美”曾从苍南县正面登陆。风暴潮期间，紧靠研究区海域的沙埕港口风暴增水可达1.7 m[28]，与强劲的波浪作用叠加可使包括整个研究区海域底部泥沙起动悬浮，并随潮流作用离岸输送，呈现典型的波浪掀沙、潮流输沙模式[29]，造成近岸海床冲刷失稳。对于岬湾砂质海岸而言，台风也会造成海滩滩面大幅冲刷、近岸海床的大尺度变形以及泥沙的大量运移[30-31]。往往一次风暴潮所引起的泥沙运移量就已超过整个季节乃至整个年份的泥沙变化，一些大型风暴潮所带来的地貌变化若干年后依然存在，引起的地貌变化往往需要很长时间来恢复。

图7 1945—2019年登陆温州的台风资料

因此，风暴潮期间，巨大的能量输入对研究区域由淤转冲起着很大的促进作用。但由于本研究缺少研究区域风暴潮前后的海床实测资料，故侧重定性讨论风暴潮对海床的影响，对于海床冲淤的定量影响需进一步观测佐证。

3 结论

本研究基于苍南不同时期海图资料、1955—2016年长江入海水沙数据以及1945—2019年台风数据，探讨苍南海域海床地貌演变趋势及其影响因素，主要结论包括：

(1)苍南海域等深线变化主要表现为：1931—1970年10 m等深线以32.9 m/a的速度向海扩张，海床大幅淤积；1971—2005年10 m等深线涨退并存，向陆后退趋势初现；2006—2017年10 m等深线持续向陆后退，外海趋于冲刷。1971—2017年5 m等深线以7～8 m/a的速度持续向陆后退，近海持续冲刷。2006—2017年2 m等深线也呈现向陆后退趋势，该期间北关港内发生冲刷。

(2)苍南海域海床冲淤主要表现为：1931—1970年海床净淤积量达到169.47×106m3，淤积强度为5.18 cm/a。1971—2005年海床净淤积量为12.24×106m3，淤积强度为0.41 cm/a。2006—2009年转为冲刷，海床净冲刷量为14.7×106m3，冲刷强度为3.60 cm/a。2010—2017年海床净冲刷量为10.17×106m3，冲刷强度为1.33 cm/a。冲淤结果显示，苍南海域海床未来可能呈现弱冲刷的趋势。

(3)常规天气下，研究区海域5 m水深以浅区域底质易在波浪、潮流共同作用下发生起动。极端天气如台风作用可使研究区海床整体发生泥沙起动并随潮流输送至研究区外。又因该海域台风频发造成海床频繁失稳，加之长江入海泥沙逐渐减少，导致区域泥沙供及不足，二者共同作用可能是研究区海床由淤积逐渐转为冲刷的主要因素。