海岸带是陆地与海洋的交汇地带, 不仅拥有独特的生态系统和丰富的自然资源, 更在全球经济、文化和战略格局中占据重要地位^[1-3]。

砂质海岸由松散的沉积物组成, 与基岩海岸和人工海岸相比, 是一种脆弱的海岸类型, 对周围环境要素的变化较敏感^[4-5]。砂质海岸的蚀淤变化以及动力机制一直是众多学者研究的热点问题^[6-8]。自然和人为因素是影响海岸侵蚀的主要因素。气候变化、径流变化、海平面上升等可在长时间尺度范围内导致海岸侵蚀, 极端天气事件可在短时间内改变砂质海岸的稳定性^[9-12]。另一方面, 人类活动对砂质海岸稳定性扰动较大, 沿海建筑、采砂、滩面养殖、航道疏浚等, 不仅改变海岸带地区的水沙动力环境和泥沙运动平衡, 而且人为改变了海滩的形态和物质组成, 进一步加剧了砂质海岸侵蚀^[13-15]。据统计, 中国沿海70%砂质海岸线处于侵蚀状态^[16], 多数是由于不合理的人类活动导致^{[15, 17]}。

在诸多自然因素与人为因素的影响下, 砂质海岸的演变、影响因素与作用机制受到学者们的高度关注^[18-22]。我国砂质海岸长约2 670 km, 其中辽宁、河北、山东、福建、广东等地砂质海滩侵蚀较为显著。于德海等^[23]对辽东半岛海岸侵蚀的分布规律和发育特征进行了探究, 发现砂质海岸侵蚀较重的区域主要分布在绥中和鲅鱼圈一带, 并对其侵蚀强度划定了等级。孙佳璇等^[24]利用海滩重复剖面测量及探槽粒径测量所获取的冲淤数据、探槽粒径变化实测数据, 分析了日照2个重点海滩的侵蚀现状及侵蚀原因。李荣茂^[5]通过在福建深沪湾砂质海滩布设10条剖面观测地形地貌、沉积物粒度等指标, 深入探究了该区域砂质海岸的稳定性与承灾能力。朱萝云等^[25]通过采用Landsat系列大样本数据和野外调查数据, 对广东17个砂质海滩的海岸演变进行了研究, 认为人类活动是广东砂质海岸线演变的主要驱动机制。山东海岸线总长3 121 km, 砂质海岸长约760 km^[26-27], 但部分砂质海岸正遭受海滩侵蚀和海岸线后退等问题^{[8, 28, 29]}。山东半岛东部砂质海岸主要分布在日照、青岛、威海及海阳, 海阳的沙滩以沙细、浪稳、坡缓、水清而著称, 绵延近20 km, 有“万米海滩”的美誉, 但由于海岸带旅游业发展及海滩养殖等过度开发利用, 海阳市海滩自然形态受到较大的影响, 尤以人工构筑物建设导致的砂质海岸侵蚀最为明显^[30-34]。虽然, 近年来人工构筑物建设基本停滞, 但其产生的累积效应仍持续影响着万米海滩区域的砂质海岸稳定性。

1 数据与方法 1.1 研究区域概况

海阳市隶属于山东省烟台市, 位于胶东半岛南岸, 濒临黄海, 位于120°50′~121°29′E, 36°16′~37°10′N, 是烟台市的重要卫星城市之一, 也是青岛和烟台两个经济强市的交汇点。海岸线西起丁字湾西北岸, 东至乳山湾西南侧官厅嘴, 总长度约230 km, 其中砂质岸线自丁字湾口至乳山湾西南侧官厅嘴, 共长约120 km^[33]。在本文的研究范围内, 海滩区域起始于万米海滩的滨海西路中段, 沿海岸线延伸, 直至海阳港的西侧边界, 涵盖了凤翔海滩(连理岛大桥以东至P9剖面附近)与万米海滩浴场(P9剖面以东)两大核心区域。该段海滩砂质为山东少见的平直开敞砂质海岸, 以沙雕建筑、沙滩排球及海滩旅游著称, 分布人工岛、港口、浴场、养殖等人类活动, 是研究砂质海岸侵蚀的良好选区, 其地理位置见图 1。

连理岛由2座人工岛组成, 2009年1月获国务院批准建设, 连理岛总面积将近1.8×10⁶ m², 是中国北方首个离岸式人工岛屿。岛陆之间由一条1 500 m长的透水式海上观光大桥连接, 实现了海陆互动、岛滩相连。

研究区的潮汐类型属于正规半日潮, 平均潮差为2.39 m, 以风浪为主, 平均波高介于0.5 m至0.8 m, 春季常浪向为SSE, 秋季强浪向为SSW^[35]。研究区潮汐、海流及波浪的特征共同构成了其独特的海洋动力环境。

1.2 数据来源

本研究采用的数据分别为无人机航摄数据和海滩剖面GNSS RTK(Global Navigation Satellite System Real-Time Kinematic)测量数据。

无人机航摄是近年来开展海岸岸滩地形监测的主要技术手段, 在2017年4月采用DJI M600 PRO搭载了PHASE IXU-1000相机实施航摄, 在大潮低潮时实施航拍。每段海岸, 沿海岸走向布设两条航线, 飞行高度120 m, 地面采样间隔(Ground Sampling Distance, GSD)可达到2.5 cm, 航向重叠70%, 旁向重叠80%。航摄前, 现场均匀布设像控点, 像控点间距控制在150 m之内; 航摄时, 同步采用GNSS RTK采集滩面高程检查点。2017年以后采用无人机搭载激光雷达进行航拍, 滩面高程精度优于5 cm。共获取了2017年、2019年、2021年、2023年共4期航拍影像数据。无人机航摄采集的数据均采用大疆智图软件分别进行处理获得点云数据。

GNSS RTK接收山东省CORS(Continuously Operating Reference Stations)信号, 在大潮低潮时实施调查, 共获取了11条剖面数据, 观测时间分别为2016年7月、2017年11月、2018年10月、2019年11月、2020年4月、2021年4月及2022年6月, 共7个年度。每条剖面观测前, 均在剖面起点(起点均为E级GPS控制点)进行比对, 比对互差控制在平面2 cm, 高程5 cm之内。沿布设的监测剖面自起点向海进行放样测量, 平均放样间距不大于1.5 m, 在地形起伏较大区域(例如滩肩等部位)则加密采点, 每个测量点均要求偏离设计测线不超过±0.1 m。

1.3 研究方法

对点云数据进行噪声、点云分类处理后, 将点云进行垂直基准转换, 高程统一到1985国家高程基准; 为减少后续处理与分析工作量且确保结果准确性, 按0.2 m空间间隔对点云抽稀处理, 保持地形的主要特征不变。

对处理后的点云数据统一划定陆地边界和水边界划定, 以便各相邻年份进行量化比较。陆地边界的划定依据山东省修测海岸线。对于水域边界, 由于各年份航拍时潮时略有不同, 影像中海滩向海一侧水边界选取宽度最小年份作为基准边界, 其他年份水边界参照该基准划定。由于2017年无人机航拍数据不完整, 因此在进行2017—2019年海滩体积变化分析时, 单独划分测量边界进行比较。

为便于比较分析, 根据调查区海滩的开发利用类型、自然地理特征, 划分为3个典型岸段。从海滨西路中段海滩划分到羊角畔河口西侧1 700 m(以下简称西段海滩调查区), 该段海滩的滩肩和后滨多为养殖池, 前滨的人类活动扰动较少, 基本保持自然状态。羊角畔河口西侧1 700 m到连理岛大桥以西(以下简称中段海滩调查区), 该段海滩的后滨为养殖、房地产开发、沙滩排球运动和旅游休闲, 滩肩和前滨多有人类活动。从连理岛大桥以东到海阳港(以下简称东段海滩调查区), 包含凤翔海滩和万米海滩浴场, 该段海滩以沙雕建筑和海滩旅游著称, 海滩上人类活动频繁。

将3个不同岸段的点云数据逐一导入到ArcGIS软件中。利用这些点云数据, 构建不同年份各岸段的高程网格(DEM)数据。通过ArcGIS的空间分析工具对比相邻年份之间的DEM, 得到相邻年份同一岸段区域内的体积差异, 即沙滩侵蚀量或淤积量(负值代表侵蚀, 正值代表淤积)。通过比较分析, 各岸段海滩的侵蚀或淤积特征, 发现侵蚀或者淤积量显著变化的区域。并辅以11条典型剖面的GNSS RTK实测高程数据, 其中P1、P2、P3、P4剖面位于西段海滩调查区, P5、P6、P7、P8剖面位于中段海滩调查区, P9、P10、P11剖面位于东段海滩调查区, 结合各剖面滨下形态变化, 进一步分析海滩侵蚀特征及其原因。

2 典型岸段年际侵蚀与淤积变化 2.1 侵蚀量特征及变化分析

东段海滩研究区自2017年来均遭遇侵蚀, 2017— 2019年靠近连理岛近滩面前滨以弱侵蚀为主, 而远离连理岛大桥的东侧海滩呈现淤积, 侵蚀与淤积大致平衡, 总体略有淤积(图 2), 淤积量为4 870.52 m³, 见表 1。2019—2021年为凤翔滩前滨侵蚀较为明显, 2021— 2023年表现为万米沙滩浴场前滨侵蚀明显, 侵蚀范围进一步加剧。其后滨除凤翔滩呈点状淤积的区域外, 后滨多为弱侵蚀, 点状淤积主要为凤翔滩多座沙雕作品区域。2019—2021年和2021—2023年间的该区域总体侵蚀量(侵蚀量与淤积量的差值)分别达到19 228.11 m³和21 784.19 m³, 显示出侵蚀加剧的趋势。

中段海滩研究区在2017—2019年、2019—2021年与2021—2023年的侵蚀与淤积变化呈现出明显的差异性, 侵蚀和淤积交错分布(图 2)。2017—2019年, 该区域以淤积为主, 主要集中在羊角畔附近的滩面上。2019—2021年, 该区域以侵蚀为主, 主要集中在羊角畔区域和连理岛大桥西侧海滩, 而羊角畔两侧海滩的前滨和后滨则以淤积为主, 但总体表现为侵蚀, 总侵蚀量为17 488.95 m³, 见表 1。但在2021— 2023年, 羊角畔区域由侵蚀转为淤积, 而羊角畔两侧海滩的前滨明显发生侵蚀, 连理岛大桥西侧海滩侵蚀加剧, 羊角畔河口西侧海滩由2019—2021年的淤积为主转变为自西向东呈先侵蚀后淤积特征, 侵蚀和淤积强度均有所加大。中段海滩研究区总体呈淤积, 总淤积量为90 352.91 m³, 以羊角畔河口区域淤积最为显著。

西段海滩研究区在2017—2019年、2019—2021年与2021—2023年内均呈现出淤积的趋势, 但2021— 2023年则呈大面积淤积特征(图 2)。2017—2019年间, 海滩前滨发生侵蚀, 而后滨淤积十分明显。2019—2021年, 滩面淤积与侵蚀交替分布, 蚀淤大致平衡, 但淤积部分以条带状形式分布在海滩上, 后滨和前滨均有淤积或侵蚀。而2021—2023年则呈整体显著淤积, 少部分前滨和后滨为侵蚀, 总体淤积量达到43 611.46 m³ (表 1), 滩面大范围淤积, 应与海滩养殖人为补砂填砂有关。

因此, 多年来3段海滩的侵蚀与淤积变化特征差异较大, 西段海滩研究区海滩前滨呈弱侵蚀-弱淤积-淤积的变化特征, 中段海滩研究区海滩呈淤积-弱侵蚀-淤积的变化特征, 东段海滩研究区呈弱淤积-弱侵蚀-侵蚀的变化特征, 表明3段海滩研究区的侵蚀和淤积机制存在一定差异性。

2.2 典型剖面年际变化特征

图 3为研究区典型剖面的年变化情况。P1剖面后滨2016—2020年一直较为稳定, 但2021和2022年发生较大变动, 2021年后滨开始下蚀严重, 2022年后滨变为淤积, 伴随滩肩前移, 滩肩顶高程增加。自2017年始前滨区域开始有较为明显的淤积, 以2022年最为显著, 但内滨区域一直较为稳定。据现场调查, 主要是后滨后方紧邻的养殖户为养殖设施抵御风浪, 人为堆高后滨和滩肩。P2剖面后滨和前滨每年波动较大, 内滨则相对稳定, 2016—2017年间后滨和前滨下蚀严重, 滩肩遭到破坏, 2018—2021年后滨和滩肩逐渐恢复, 但2022年滩肩和前滨遭受侵蚀明显。P3和P4剖面, 除P4剖面的前滨略有淤积外, 2016—2022年总体相对稳定。

P5剖面前滨和后滨呈现出侵蚀日益加剧的趋势, 2022年前滨侵蚀尤为严重, 导致滩肩后移。P6剖面前滨和后滨呈现较大波动, 前滨自2016—2022年主要以淤积为主, 2020—2022年淤积严重, 有向海淤积加剧的趋势, 但内滨则相对稳定。P7剖面呈现出较为稳定的逐渐淤积趋势, 滩肩逐年前移, 反映出该区域受到河口泥沙补给的正面影响。P8剖面与P7剖面恰恰相反, 呈现逐年侵蚀特征, 导致前滨和滩肩逐渐后退, 2022年后退尤为显著。

P9剖面的前滨和内滨总体呈现逐年侵蚀趋势, 2017年和2022年的滩肩均发生明显的前移和后退, 但2022年还伴随后滨淤积, 主要为后滨沙雕建筑需要补沙所致。P10剖面除2021年外, 其余年份均存在明显的侵蚀趋势, 2022年侵蚀严重。P11剖面自2016—2022年后滨相对稳定, 滩肩呈轻微淤积, 2022年滩肩高度显著增加, 海滩坡度逐年略有变陡, 内滨也呈逐年侵蚀特征。

3 讨论

西段海滩调查区的海滩蚀淤与紧邻后滨的养殖活动较为密切。位于紧邻后滨的养殖场为了保护其养殖设施免受海滩侵蚀影响, 不定期从后滨取沙, 堆高滩肩, 进一步破坏了海滩泥沙平衡, 加剧了局部海滩侵蚀。在2019年, 台风“利奇马”在山东南部海岸登陆, 对海阳海滩造成了较大危害, 多数海滩发生侵蚀, 海滩侵蚀量可达2.43×10⁴ m^3[36], 导致2019年较2017年海滩体积变化量较大。2019年以后, 尚无影响本区的极端天气事件发生, 由于该区域沿岸输沙方向为自西向东, 西段海滩调查区靠近丁字湾口, 沿岸输沙可补充部分损失泥沙, 故2021和2023年西段海滩调查区多呈淤积特征。

中段海滩调查区淤积与侵蚀年变化较大, 既有羊角畔径流输沙在河口沉积的作用, 也有人类活动扰动的影响。羊角畔由于在潟湖内围填海并筑坝, 人工调节入海径流量, 只有在夏季径流量较大时, 进入河口的径流和泥沙较多, 其他季节入海径流较少。羊角畔东侧与连理岛大桥之间海滩主要为沙滩排球比赛场区, 该区域由于比赛场地需要, 常年采用人工堆沙的方式, 使得该区域海滩呈逐年淤积特征。由于连理岛建设后的波影区效应, 原来本区由西向东的输沙方向, 变为连理岛后方海岸输沙方向分为两支, 分别为自东向西和自西向东, 而在连岛桥梁接岸局部岸段输沙方向则变为向接岸段输送, 长时间后易产生岛后沙嘴, 但淤积量不大, 沙嘴的两侧海岸则表现为侵蚀。因此, 紧邻连理岛大桥海滩受此影响, 呈逐年侵蚀特征, P8剖面的滩肩逐年后退, 其泥沙向西输运, 对P7剖面附近海滩淤积起到了一定作用。羊角畔西侧海滩前滨区域近几年来经历了侵蚀-淤积-侵蚀的变化, 2019年台风“利奇马”过境山东南部沿海后, 海阳海滩普遍遭受侵蚀, 随后逐渐恢复, 但由于该区域在靠近河口区拆除了多个养殖池, 恢复了部分沙滩, 导致2023年在河口西侧形成了一条明显的淤积带。2021年在前滨发育的条状的淤积带, 在2023年被侵蚀殆尽, 形成条状的侵蚀带, 表明该淤积带泥沙可能沿岸向东输运, 对其东侧淤积带形成具有一定贡献。

在中段海滩研究区域靠近河口的区域, 淤积较为显著。羊角畔上游泥沙最终多在河口区域沉积下来, 形成了明显的淤积带。此外, 连理岛建设后区域输沙格局有所变化, 加之波影区的效应, 减弱河口风浪作用, 有利于河口区域泥沙淤积。作为一道天然的屏障, 连理岛的存在有效抵御了风浪对海滩的直接侵袭, 减弱了风浪的冲刷。

东段海滩调查区多年来基本呈侵蚀特征。东段海滩处于该区域内自西向东沿岸输沙的末端, 沙源减少, 加之连理岛建设后, 区域沿岸输沙方向变化, 导致东段海滩调查区的沿岸来沙逐年减少, 加速了区域内侵蚀发生。其中, 凤翔滩西侧接近连理岛大桥, 局部泥沙输运方向受连理岛建设影响为自东向西, 而凤翔滩东侧的泥沙输运方向为自西向东, 故凤翔滩遭受侵蚀较为严重。万米沙滩浴场在2023年侵蚀进一步加剧, 前滨普遍受侵蚀, 且海滩干滩宽度逐年萎缩, P11剖面的坡度也呈逐年变陡的趋势。虽然, 万米沙滩浴场近年通过“东村河生态修复及清淤工程” “海阳市海洋生态保护修复工程”和“2024年烟台市海洋生态保护修复工程项目”, 先后对羊角畔河口和万米沙滩旅游区等修复砂质海岸15 km, 修复滨海湿地12.67 hm², 2024年拟修复砂质岸线4.7 km, 拟补沙2.59×10⁵ m³, 但仍不能改变其侵蚀加剧的趋势。

因此, 调查区海滩由于不同人类活动的影响, 其侵蚀和淤积的空间分布特征差异性较大。人类活动改变了局部泥沙输运方向, 不仅对羊角畔河口泥沙沉积与侵蚀格局, 且对邻近海滩的侵蚀与淤积造成了一定不利影响。加之, 对后滨和滩肩的人为改造, 破坏了海滩自然平衡。

4 结论

本文以山东烟台海阳市的万米沙滩为研究对象, 通过外业调查采集数据分析, 对研究海滩进行了近8 a海阳万米海湾侵蚀量化分析, 从而判断海阳市万米海滩的蚀淤情况, 得出以下结论。

(1) 自2017年起, 东、中、西三段海滩研究区均展现出复杂的侵蚀与淤积变化。东段海滩侵蚀趋势逐年加剧, 特别是海滩前滨。中段海滩侵蚀与淤积交错, 经历由淤积到侵蚀再到淤积的转变, 2019—2021年总体侵蚀量为17 389.05 m³, 羊角畔河口为主要淤积区域。西段海滩则持续淤积, 尤其在2021—2023年间呈现大面积淤积特征, 总淤积量为43 611.46 m³。

(2) 通过对比分析不同年份间的海滩剖面, 西段研究区P1到P4剖面较为稳定, 侵蚀与淤积都有发生, 近年来滩面前滨以0 m线为分界线, 此线以上部分有淤积趋势, 此线以下部分有侵蚀的趋势。中段研究区临近河口的P6和P7剖面呈现稳定淤积的态势, 而远离河口的P5和P8断面海滩呈现明显持续侵蚀的态势; 东段研究区3条剖面除某些年份外, 几乎呈现弱侵蚀状态。不同研究区内海滩剖面的变化形态与不同岸段海滩体积变化结果相吻合。

(3) 西段海滩调查区的海滩蚀淤受紧邻后滨养殖活动显著影响, 养殖者为保护设施取沙堆高滩肩, 破坏了泥沙平衡, 且沿岸自西向东输沙为西段海滩带来补充, 因此2021和2023年滩面多表现为淤积特征。中段海滩调查区淤积与侵蚀变化显著, 受羊角畔径流沉积和人类活动影响, 造成羊角畔两侧侵蚀与淤积的不断变化。河口区受复杂水动力、雨季径流大增及连理岛屏障作用共同影响, 淤积十分显著。东段海滩调查区多年来持续侵蚀, 因处沿岸输沙末端且沙源减少, 连理岛建设改变输沙方向, 导致来沙逐年减少而加速侵蚀, 其中凤翔海滩与万米沙滩浴场侵蚀趋势不断加剧。