波浪—海滩—沙丘相互作用研究进展.pdf
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1、第 43 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.43,No.9Sept.,2023热带地理TROPICAL GEOGRAPHY波浪海滩沙丘相互作用研究进展田伟1,董玉祥1,2(1.中山大学地理科学与规划学院/广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室,广州 510275;2.广州新华学院 资源与城乡规划学院,广州 510520)摘要:基于Web of Science数据库搜索关键词“波浪海滩沙丘相互作用”,筛分出与主题紧密相关的文献近百篇并对其梳理与分析,将研究阶段与理论模式进行划分,厘清当前研究存在的问题与机遇。结果发现,波浪海滩沙丘相互作用研究自1980s以来经历了理论提出、区域拓展、深
2、入研究3个发展阶段。理论模式从单一的概念模式发展为不同尺度概念下的相互作用理论模式,研究方法从单一的野外测绘和海图测深资料发展到野外实地观测、室内风洞试验、3S技术与数值模拟相结合的综合研究方法;研究区域,从澳大利亚东南部海岸扩展到欧洲、北美洲、南美洲和亚洲等地海岸。同时,波浪海滩沙丘相互作用研究中也存在一些尚未解决的问题:针对不同区域的海岸沙丘动力地貌系统难以总结出一个具有普适应的理论模式;微观尺度内,已有的理论内容难以完全的揭示波浪、潮汐水动力与碎波带/海滩和风动力与海滩沙丘地貌之间的复杂相互作用机理;中观尺度内,整个碎波带、海滩与沙丘系统对风暴的响应与反馈机理还需要进一步观测与深入研究,
3、且建立事件尺度内的动力与地貌响应过程和中期地貌形态变化之间的联系还需要更长时期的实地观测与模型改进;宏观尺度内,海平面抬升引起海岸变化的预测模型需要多时空的实地观测数据支持与验证。未来可结合历史资料、实地观测数据、高分辨率遥感影像数据,综合分析各环境要素与碎波带、海滩、沙丘地形地貌之间的动力过程与形态响应关系,采用数值模拟技术揭示不同时空尺度的波浪海滩沙丘相互作用关系机理,进一步完善波浪海滩沙丘相互作用理论内容。关键词:波浪;海滩;沙丘;海岸风沙地貌;风沙动力作用过程;波浪作用过程中图分类号:P737.1;P931.3 文献标志码:A 文章编号:1001-5221(2023)09-1665-1
4、3DOI:10.13284/ki.rddl.003729 开放科学(资源服务)标识码(OSID):海岸沙丘广泛发育于不同纬度的砂质海岸带,是以波浪作用为主的海滩和以风力作用为主的海岸共同构成的复杂动力地貌系统,系统各要素之间相互作用与反馈体现着陆海气三相交互作用(Short et al.,1982;Sherman et al.,1993)。海岸沙丘的形成发育具有高度时空异质性,不同区域海岸波浪海滩沙丘三相相互作用过程、程度与关系差异显著,如即使同一海岸在暴露风况程度、海滩宽度、沉积物特征、植物种群类型与分布情况基本一致时,仅波浪能沿岸微弱的变化也可引起海岸沙丘规模空间上显著差异,故波浪海滩沙丘
5、三相互作用研究一直是海岸风沙地貌研究的重点与难点(Short et al.,1982;Pye,1983,1990;Psuty,1986,1988;Sherman et al.,1993;Nielsen,2004;Saye et al.,2005;Miot et al.,2010;Cohn et al.,2018;Moulton et al.,2021)。始于20世纪80年代,波浪海滩沙丘相互作用研究大致可归结为理论提出、研究区域拓展、深入研究3个阶段,其中早期提出包括波浪能海滩/碎波带动力地貌状态海岸沙丘动力地貌特征之间关系模式、海滩与沙丘沉积物收支平衡理论、综合海岸动力环境要素与海岸沙丘形成
6、发育理论等概念模式(Short et al.,1982;Psuty,1986;Pye,1990;Sherman et al.,1993);之后研究区域不断拓展,从澳大利亚东南部海岸、英国Sefton海岸扩展收稿日期:2022-06-16;修回日期:2022-07-15基金项目:国家自然科学基金项目“中国海岸风蚀地貌的发育与演变”(41871006)作者简介:田伟(1985),女,天津人,博士研究生,研究方向为海岸风沙地貌,(E-mail);通信作者:董玉祥(1964),男,河南西平人,教授,主要从事海岸风沙地貌和土地退化研究,(E-mail)。田伟,董玉祥.2023.波浪海滩沙丘相互作用研究进
7、展.热带地理,43(9):1665-1677.Tian Wei,and Dong Yuxiang.2023.Research Progress on Wave-Beach-Dune Interactions.Tropical Geography,43(9):1665-1677.43 卷热带地理到英国多处海岸、爱尔兰、法国、丹麦、西班牙、北美以及巴西和中国等区域海岸,通过具体实例研究验证已有理论模式(Guilln et al.,1999;Aagaard et al.,2004;Saye et al.,2005;Anthony et al.,2006,2009;Vespremeanu-Stroe
8、et al.,2007a;Dan et al.,2009;Houser,2009;Servera et al.,2009;Qi et al.,2010;董玉祥,2010;Miot et al.,2012);近期波浪海滩沙丘相互作用机理研究不断深入,结合现代测量、数据处理及模拟技术,量化了事件尺度水动力作用过程和风沙动力作用过程,以及中长期尺度海滩沙丘形态变化的联系,探索不同环境要素在海滩沙丘地貌状态变化中的影响程度差异(Anthony,2013;Bauer et al.,2015;Zhang et al.,2015;Darke et al.,2016;Moore et al.,2016;Cas
9、telle et al.,2017;Walker et al.,2017;Cohn et al.,2018;Dez et al.,2018;Malvrez et al.,2019;Anthony et al.,2020;Costas et al.,2020;Moulton et al.,2021;He et al.,2022)。相比国际上波浪海滩沙丘相互作用理论模式、数据获取技术与分析方法、区域研究等方面的显著进展,国内相关案例研究较少,且理论模式难以全面的揭示不同区域海岸沙丘系统的三相相互作用机理。因此,本文从Web of Science 数据库,搜索关键词“波浪海滩沙丘相互作用”,筛分出与
10、主题紧密相关的文献近百篇,并对其进行梳理与分析,厘清当前研究存在的问题与机遇,为下一步探索与揭示中国的不同区域岸段的波浪海滩沙丘相互作用关系提供科学依据。1 波浪海滩沙丘相互作用理论模式 波浪海滩沙丘相互作用模式主要分析与海岸沙丘地貌形态相关的水动力作用过程、风沙运动过程、植被覆盖情况、沙源沉积物供给以及人类活动干扰之间的相互作用关系,揭示海岸沙丘地貌形态的时空变化规律(Short et al.,1982;Pye,1990;Sherman et al.,1993;Walker et al.,2017)。海岸地貌学家通过借鉴其他领域的定义与概念,引入到海岸沙丘的相关研究中。Sherman等(19
11、93)借鉴Valentin(1952)的“尺度”概念,将时空尺度内波浪海滩沙丘相互作用关系划分为微观尺度(Microscale)、中观尺度(Mesoscale)与宏观尺度(Macroscale)3类(表1)。Walker等(2017)借鉴“尺度意识(scale aware)(Schumm et al.,1965)”以及河流侵蚀循环理论,将海滩与沙丘地貌动力系统研究划分为空间上“点(Plot)”尺度、“地貌(Landform)”尺度和“景观(Landscape)”尺度研究。以下将从微观、中观与宏观尺度分别阐述波浪海滩沙丘相互作用的理论内容。1.1微观尺度理论模式微观尺度界定的时间范围是数小时数天
12、,空间范围是数毫米数米。微观尺度内波浪-海滩-沙丘相互作用研究近岸带水动力、风动力、波浪侵蚀表1 微观、中观、宏观尺度波浪海滩沙丘相互作用模式与研究区域Table 1The model of wave-beach-dune interactions in micro-,meso-,macro-domains and related study areas尺度微观中观宏观理论模式海滩沉积物供给与传输协同作用理论(Houser,2009)波浪-碎波带/海滩地貌动力状态-沙丘动力地貌特征关系模式(Short et al.,1982)海滩/沙丘沉积物收支平衡理论(Psuty,1986,1988,199
13、2;Sherman et al.,1993)海岸前丘形态与风动力、海洋动力作用程度关系概念模式(de Almeida et al.,2019;Pelln et al.,2019)海平面上升引起的海岸侵蚀后退模型(仅考虑沉积物向海一侧传输)(Bruun Model)(Bruun,1954;1962)海平面上升引起的海岸侵蚀后退模型(仅考虑沉积物向陆传输)(RD-A Model)(Davidson-Arnott,2005)修正Bruun模型(既考虑沉积物向海一侧传输,也考虑沉积物向岸传输)(Rosati et al.,2013)研究区域Skallingen海岸沙丘系统(丹麦)(Anthony et
14、 al.,2006);北海南部的法国海岸(Anthony et al.,2009);Long Beach Penisula Oysterville海滩沙丘系统(Cohn et al.,2018);Calvert Island West Beach海滩沙丘系统(Grilliot et al.,2019)英格兰及威尔士五处海岸(Saye et al.,2005);澳大利亚东南部Queesland海岸(Moulton et al.,2021);巴西南部Mocambique海滩(Miot et al.,2010);中国福建南部海岸(刘建辉 等,2014)西部加利福尼亚州的Humbolt Bay Nat
15、ional Wildlife Refuge海岸(Rader et al.,2018);加拿大Princess Edward Island海岸(Walker et al.,2017);多瑙河三角洲海岸(Vespremeanu-Stroe et al.,2007a);英国及新西兰部分海岸(Pye,1990)西班牙北部六处稳定状态海岸沙丘系统(Pelln et al.,2019)北美、欧洲,新西兰,澳大利亚海岸(Bruun,1954;1962)加拿大Princess Edward Island障壁岛海岸沙丘系统(Walker et al.,2017)美国海岸(Rosati et al.,2013)1
16、666田伟等:波浪海滩沙丘相互作用研究进展9 期海滩向海搬运沙源沉积物与海滩表面风沙流向岸传输沙源供给海岸沙丘的过程,亦是海滩与沙丘之间物质交换与能量耗散过程(Sherman et al.,1993;Bauer et al.,1999)。海滩上风沙流向岸输沙能力不仅受到近岸带向海滩供给沙源量的影响,还受到海滩沙含水量、冰雪覆盖、盐壳、和圆木残骸等粗颗粒层的限制。因此Houser(2009)借鉴协同作用理论提出:当近岸沙坝向岸移动与碎波带合并为海滩提供沙源与海滩沙源沉积物被风携带向岸传输同步发生时,海岸沙丘建立且规模扩大;反之海岸沙丘遭受侵蚀破坏、规模减小。根据Walker等(2017)的“点(
17、Plot)”尺度概念,单个输沙事件是海滩地形、海滩面含水量、风向、波浪爬高、风速等各环境要素相互作用的结果,反映气流运动与风程、海滩表层沙含水量、海滩和沙丘地貌形态之间的作用与反馈。输沙活动的起始与中断以及输沙量变化反映各环境要素相互作用的时空变化,以及其对海滩-沙丘地貌蚀/积格局变化的控制作用。1.2中观尺度理论模式中观尺度界定时间范围在数月数年内,空间范围为数米数千米。中观尺度研究月/年际周期内的水动力作用与风动力作用过程对海滩沙丘地形地貌变化的作用与贡献,既需考虑平静天气条件下海滩与沙丘地形变化,也需研究极端天气状况下风暴与台风(群)对整个系统作用程度以及系统的响应与反馈(Sherman
18、 et al.,1993)。从“Landform(地貌)”尺度看,海滩沙丘地形地貌状态与系统的沉积物收支状况、海岸沙丘植被生长与覆盖程度、输沙事件和风暴作用效应与贡献密不可分(Walker et al.,2017)。因此对其不同区域的海岸沙丘系统研究证实,它既是多年内潮波状况与海滩动力地貌状态和沙丘动力地貌状态的一一对应关系,也是海滩与沙丘沉积物收支状态与海岸沙丘的体积规模变化关系,还反映水动力作用与风沙活动在整个系统达到稳定状态时所做出的相对贡献。1)波浪碎波带/海滩沙丘相互作用模式Short等(1982)基于澳大利亚南部海岸观测、调查和分析,总结波浪能高低与碎波带/海滩地貌动力状态与沙丘地
19、貌动力特征之间的关系。波浪从深海传入到近海发生破波时,近岸带地形变化与海岸岬角地形引起波浪折射、衍射导致波浪能沿岸再分配;波浪与近岸带地形的相互作用与反馈决定碎波带/海滩的地貌动力状态,风动力与海滩地形相互作用与反馈决定了海岸沙丘体积规模与地貌形态(表2)(Short,1978;Short et al.,1982)。波浪与碎波带/海滩沙丘相互作用亦体现在碎波带与海滩和沙丘之间的沉积物交换,以及海岸前丘形态变化与植被盖度、植物种群丰富度之间的关系,而植物生长状况和种群数也受到波浪能高低与盐雾浓度的影响(Short et al.,1982;Hesp,1988)。2)海滩/沙丘沉积物收支平衡理论海滩
20、与沙丘之间的沉积物交换过程引起海滩沙丘蚀积格局变化与相应的沙丘体积规模变化,在系统达到稳定状态时,海滩与沙丘沉积物收支动态平衡,因此海滩沙丘沉积物收支状况反映地貌尺度内海滩与沙丘相互作用关系。Psuty(1986;1988)总结得出:海滩沉积物收支为正,海滩存储沙源空间增大且向海一侧扩张,则沙丘建立;海滩沉积物收支为负,海滩向内陆后退,沙丘被侵蚀形成陡坎;沙丘沉积物收支为负时,沙丘体积规模减小,反之沙丘体积增长、规模扩大。在河口三角洲、障壁岛和沙咀海岸,因河流输沙量年际变化或沿岸流传输沉积物作用引起的海滩与沙丘沉积物收支从近端(河口)向远端变化,相应的海岸沙丘规表2 澳大利亚南部海岸波浪海滩沙
21、丘相互作用关系模式(Short et al.,1982)Table 2The wave-beach-dune interaction models in southeastern of Australia(Short et al.,1982)波浪高度/m2.512.51海滩动力地貌状态耗散型中间型反射型海滩形态与岸平行沙坝-低槽,平缓宽阔新月形沙坝;缓-中等海滩坡度新月形沙坝-滩尖角;缓-中等海滩坡度裂流;中-陡的海滩坡度无沙坝狭窄的碎波带,海滩坡度陡海滩侵蚀模式低频;波浪增水侵蚀频率从低到高变化,裂流侵蚀高频;波浪增水海岸前丘前缘侵蚀程度低频;沿岸方向形成连续沙丘侵蚀陡坎,冲刷侵蚀中频;在裂
22、流带形成侵蚀陡坎(间距1 000 m),裂流背部冲刷侵蚀中频;在裂流带形成侵蚀陡坎(间距:5001 000 m);在裂流背部冲刷侵蚀中频;在裂流带形成侵蚀陡坎(间距:500 m);在裂流背部冲刷侵蚀高频;形成连续沙丘陡坎;在较低处形成冲刷潜在输沙率高高-中中中-低低海岸前丘规模/潜在破坏频率大型海岸前丘/中等的破坏频率高-中等规模海岸前丘/中-高等的破坏频率中等规模海岸前丘/高频率的破坏中等-低规模海岸前丘/中-低破坏频率小型海岸前丘/低破坏频率海岸沙丘形态大型向陆后退沙席大型抛物线沙丘、沙席大型抛物线沙丘、风蚀坑不连续的风蚀坑海岸前丘陡坎,偶见风蚀坑166743 卷热带地理模随之变化(Psu
23、ty,1992)。后来,该理论被Sherman等(1993)扩展为9种海滩/沙丘蚀积状态与海岸沙丘地貌形态对应关系,其中的不确定海岸沙丘形态表明其可能有几种海岸沙丘(表 3)。此外,Pye(1990)基于澳大利亚北昆士兰海岸和英国Sefton海岸沙丘的研究,总结得出6种沙丘形态与海滩/沙丘沉积物收支状态、风能、植被有效集沙能力之间的相互作用关系(表4)。3)海岸前丘与海洋动力、风沙动力作用程度关系模式为了定量判别稳定状态的海岸前丘地貌形态与海洋动力、风沙动力作用程度的关系,Pelln等基于西班牙北部的六处海岸前丘坡脚位置、体积规模、输沙势和年平均总水位高度(等于天文潮汐水位+风暴涌浪水位+波浪
24、爬高水位)相关性分析,提出海岸前丘位置与规模取决于海洋动力与风沙动力作用的相对权重概念模式(Pelln et al.,2019;de Almeida et al.,2019)。当海洋动力作用较弱时,波浪作用难以到达沙丘坡脚,海岸前丘可持续地向海一侧前进,其规模受控于输沙势;随着沙丘不断向海扩张,海滩所能提供的沙源量逐渐减少,沙丘增长趋势变缓直至因风程有限规模不再增长,海岸前丘最终所处的位置由“自我调整的风程”决定。在海洋动力作用强的海岸,波浪侵蚀作用强,海岸前丘位置由年平均总水位线决定;当海滩宽度大于临界风程时,前丘体积规模增长至稳定状态,其规模与输沙势成正比;当海滩宽度小于风沙流达到饱和所需
25、的临界风程时,海岸前丘规模取决于受风程限制的输沙量(Pelln et al.,2019)。1.3宏观尺度理论模式宏观尺度界定时间范围:数十年至百年甚至千年;空间范围:百公里至千公里。百年至千年时间尺度海平面上升不可逆转。海平面上升引起海岸线与沙丘向内陆后退,破坏沿岸沉积物收支平衡,最终控制海滩沙丘系统长期演化(Sherman et al.,1993)。另外,河流携带入海泥沙沉积物减少、构造运动、地面沉降引起相对海平面抬升,导致海岸线后退和海滩沙丘侵蚀程度增加(Walker et al.,2017)。经典Bruun模型认为,海平面上升导致海滩侵蚀,海滩沉积物被向海的回流带到离岸带沉积,并未考虑海
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