《Marine Geology》：Field study of water content and small-scale topographic changes during tidal cycles in the swash zone
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在日本某耗散型沙坝海滩的冲裂带开展了现场观测，以探究冲裂带砂层含水率特征及其与地面高程变化的关系。数据集依据潮汐运动进行分离，并对选取的高潮期案例展开了详细分析。分析中，依据上部沉积层（距地表约5 cm）含水率将每个潮汐周期划分为四个相位。关于潮位与上部砂层含
在日本某耗散型沙坝海滩的冲裂带开展了现场观测，以探究冲裂带砂层含水率特征及其与地面高程变化的关系。数据集依据潮汐运动进行分离，并对选取的高潮期案例展开了详细分析。分析中，依据上部沉积层（距地表约5 cm）含水率将每个潮汐周期划分为四个相位。关于潮位与上部砂层含水率的相关性特征，从低潮至含水率快速增加前呈负相关（相位1）。一旦水体到达传感器，含水率显著增加，相关性转为正相关（相位2）。高潮期间，含水率保持恒定（饱和状态），因此两者之间未观察到相关性（相位3）。退潮期间，含水率逐渐降低，再次呈现正相关（相位4）。上部砂层含水率与垂向含水率梯度的相关性特征在相位1为正相关，在相位3和相位4为负相关。研究人员进一步考察了相位2和相位3期间引起地面高程变化的因素。结果表明，在相位2期间含水率快速增加时，地面高程变化除受砂层含水率变化影响外，还受到初始地面高程和波浪能量通量的影响。在相位3期间含水率保持恒定时，地面高程变化受到波浪能量通量和初始地面高程的影响。研究明确了贡献于地形变化的外力随潮汐相位而变化。
本文发表于《Marine Geology》，研究背景源于冲裂带及近岸带地形变化研究的重要性。近岸区域由于多种来源的泥沙补给，大量沉积物在冲浪带迁移，导致海滩剖面频繁变化。特别是在冲裂带，由于波浪和天气条件变化导致砂体含水率改变，沉积物输运机制更为复杂。地下水位同样影响土壤水分、冲裂带及前滩或后滩区域的沉积物输运，以及风成沉积物输运。尽管前人已从波浪上溯和潮汐变化角度对沉积层含水率变化进行了研究，但关于涨潮和退潮期间含水率与床面高程变化的时间变化特征，尚缺乏详细的观测与分析。因此，本研究旨在解决冲裂带上部沉积层含水率如何受潮汐运动影响，以及何种外力影响地形变化这两个关键科学问题。
研究人员在日本太平洋沿岸的Hasaki海岸开展了为期6天（2022年9月6日至20日）的现场观测。研究选取的测点位于冲裂带内，地面高程高于平均高潮位且低于高潮期最大波浪上溯高度处（x=10 m）。研究人员在该位置安装了三个EC-5含水率仪，分别位于初始地面高程以下5 cm、15 cm和25 cm处，另有一个安装于地面以上5 cm处未纳入分析。同时，利用安装在码头上的超声波测距仪同步测量地面高程变化。波浪条件通过码头中线处（x=145 m，水深约2.63 m）的超声波测波仪获取，潮位数据来源于NOWPHAS鹿岛港观测站并转换至Hasaki海岸基准面。数据经5分钟平均处理，含水率梯度通过三传感器数据计算获得，地面高程数据经3秒平均后取5分钟最大值。研究选取含水率输出稳定且未发生侵蚀的9月9日至15日数据进行分析，并将数据按完整潮汐周期分割为11个周期，剔除数据异常的周期7后，最终采用10个周期数据。
研究结果部分，"冲裂带含水率与地面高程变化"显示，观测期间地面高程波动幅度约10 cm，9月8日及9月13日至18日出现较高波浪上溯。含水率随潮汐运动波动，上层（黑色线）幅度最大且随深度增加而减小。含水率随涨潮快速增加，各深度达到稳定值；退潮初期则急剧下降，随后逐渐趋近于各深度的恒定值。实验室测得饱和海水电条件下含水率为0.684 m3/m3，高潮期上层含水率与此值基本一致。
"潮汐过程中的含水率与地面高程变化"部分，研究将数据集分割为11个完整潮汐周期。集合平均结果显示，上层含水率在潮汐起始阶段变化最显著，中层和下层波动较小。上层、中层和下层含水率分别波动于0.6至0.7 m3/m3、0.5至0.6 m3/m3和0.4至0.5 m3/m3之间。标准偏差在含水率增减阶段较大，高、低潮阶段较小。平均地面高程在涨潮初期（t/T<0.2）未发生变化，上溯波浪到达测点后略有增加；潮位接近高潮时地面高程降低，退潮期间再次略有增加。第一次淤积发生在含水率随涨潮快速增加的0.2至约0.4时段；0.4至0.7时段各层含水率接近最大，发生侵蚀至约0.5时段后逐渐淤积。涨潮至高潮及退潮期间的淤积与Duncan Jr (1964)的结果一致。
讨论部分首先从"不同深度的含水率"展开。根据Hasaki海岸冲裂带过去三年测得的砂体抗剪强度与深度关系，抗剪强度随深度增加而增大，表明沉积物更加密实、孔隙比更小、含水率更低。高潮期（约0.4
"潮汐周期内相位划分"部分，研究基于上层含水率波动将数据划分为相位1至相位4。相位1与2的边界定义为上层含水率开始持续快速增加的时刻；相位2与3的边界为上层含水率增至最高值95%以上的时刻；相位3与4的边界为上层含水率降至最高值95%以下的时刻。相位1期间潮位开始上升但上溯水未到达测点；相位2期间上溯波浪因潮位增加而到达测点，含水率增加并开始影响地面高程；相位3为潮位上升达到高潮，含水率较高且保持稳定的时段；相位4为潮位下降、上溯位置向海移动、含水率逐渐降低的时段。
"潮位、含水率与含水率梯度的相互作用"部分，相位1（图12）平均持续时间191分钟（95–275分钟，标准差54分钟）。潮位从最低潮逐渐增加，上层含水率持续降低，含水率梯度大多接近零。经最大-最小法无量纲化后，含水率随潮位增加呈二次函数降低（R2=0.709），含水率梯度与含水率呈正相关（R2=0.696）。相位2（图13）平均持续时间82分钟（50–140分钟，标准差27分钟）。潮位均匀上升，上层含水率快速增至约0.5 m3/m3后缓慢升至0.6 m3/m3以上。含水率随潮位增加呈二次函数增长，与含水率梯度无明确相关性（R2=0.06）。相位3（图14）平均持续时间240分钟（165–295分钟，标准差47分钟）。潮位接近高潮，含水率近乎恒定饱和，含水率梯度接近零或正值。潮位与含水率因变幅小而无明显相关性，含水率梯度与含水率呈负相关（R2=0.548）。相位4（图15）平均持续时间211分钟（150–275分钟，标准差44分钟）。潮位因退潮而线性下降，含水率从饱和状态急剧下降后非线性趋近恒定。含水率梯度与含水率呈负线性关系（R2=0.587）。
"地面高程变化、含水率与波浪运动的关系"部分，地面高程变化主要发生在相位2和相位3。相位2期间（图16），5次淤积和5次侵蚀，变化幅度均在约3 cm以内。多元回归分析表明，地面高程变化（Δz）主要受含水率增量（ΔWc）、初始地面高程（Gi）、波浪能量通量（Ef）和波浪上溯高度（R）影响，标准化后关系为：Δz=1.057ΔWc－0.822Gi－0.365Ef+0.154R+0.281（R2=0.606）。其中含水率增量和初始地面高最为重要，波浪能量通量呈负相关，波浪上溯高度影响最小。三项变量回归方程为Δz=1.028ΔWc－0.779Gi－0.447Ef+0.352（R2=0.588）。相位3期间（图17），3次淤积和7次侵蚀，变化幅度大于相位2。由于含水率变化小，选取波浪能量通量、初始地面高程和波浪上溯高度作为参数，标准化后关系为：Δz=0.377Ef－0.409Gi－0.029R+0.646（R2=0.632）。波浪能量通量和初始地面高程为主要变量，波浪上溯高度影响可忽略。两项变量回归方程为Δz=0.395Ef－0.411Gi+0.630（R2=0.632）。此处波浪能量通量与地面高程变化呈正相关，与相位2相反，表明高潮期间较大的波浪能量通量可将更多沉积物从冲浪带带入冲裂带。
研究结论部分翻译如下：现场观测在耗散型沙坝海滩的冲裂带开展，以探究砂层含水率特征。含水率仪安装在冲裂带偏陆侧位置，使用了6天的数据。数据按各潮汐运动分离，并依据含水率变化过程划分为四个相位：相位1为低而恒定的含水率；相位2为含水率快速增加；相位3为高值恒定含水率；相位4为含水率降低。针对各相位，讨论了潮位、含水率和垂向含水率梯度之间的相关性特征，并分析了相位2和相位3期间微地形变化的贡献因素。结果表明，潮位与上部砂层（地面以下约5 cm）含水率的相关性在相位1为负，在相位2和相位4为正。相位3由于潮汐变幅小，两者之间未观察到相关性。潮位与含水率的关系为非线性，相关系数大于0.7。上部砂层含水率与垂向含水率梯度的相关性在相位1为正，其他相位为负。相位1的相关系数约为0.70且为线性关系，相位3为弱非线性，相位4为线性。相位2和相位3期间地面高程变化与波浪运动的相关性研究表明，相位2期间地面高程波动除受含水率变化影响外，还受初始地面高程和波浪能量通量的影响。随着上溯波浪增加，含水率逐渐增大，较大的含水率导致更大的入渗并引起地面高程增加；但较大的波浪能量通量和较高的初始地面高程对地面高程增加起负作用。相位3期间由于多数情况下含水率变幅小，该值被剔除出解释变量。此相位的地面高程变化受波浪能量通量和初始地面高程影响，两者贡献率相近。初始地面高程与地面高程变化呈负相关，与相位2相同；但波浪能量通量与地面高程变化呈正相关。本研究中地形变化较小，上层获得的含水率被视为表面含水率。但需注意，一旦含水率仪的垂向位置因淤积和侵蚀而改变，含水率稳定值的深度可能变化，必须予以考虑。此外，由于观测在单点开展且波浪条件有限，有望在同时开展的实验中考察时空分布并进行更准确的分析。尽管经验公式针对Hasaki海滩条件导出，但沉积物类型和波浪条件与全球相似纬度其他海滩典型条件一致，因此预期这些发现可适用于相似强迫条件下的那些海滩。
