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海岸 · 沉积物、海平面与岸线账本
海岸不是一条固定的线，而是一条在波浪、潮汐、河流、风和人为工程共同作用下移动的沉积边界。本页用守恒和沉降速度解释“海滩为什么会长、为什么会退、为什么补沙不等于永久解决”。
学习层：先给一个海岸单元记账，再把净沉积映射成岸线变化
1. 具体情境：港口疏浚、河口来沙和一场风暴被放到同一张图上
设想一个有河流来沙的海湾：港口需要疏浚，海滩管理者考虑补沙，外海波浪又把一部分沙沿岸搬走。这个场景用来练习边界选择，不代表某一海岸未来一定会发生什么。第一步不是猜岸线向哪边走，而是画出沉积控制体，列出每条输入和输出的正负号。
2. 揭示前预测：四股通量加起来，海岸会长还是会退？
打开实验前先预测：
- \(Q_{\rm in}>Q_{\rm out}\) 且没有其他项时，沉积物储量会增加还是减少？
- 同样的密度和黏度下，粒径变大，Stokes 近似的沉降速度会变快还是变慢？
- 补沙 \(Q_{\rm nour}\) 是不是只要为正，就能保证岸线永久向海推进？
提交预测后，实验把河流来沙、沿岸输出、补沙和疏浚放进一个年尺度账本，并将净体积除以“活动剖面深度 × 岸线长度”，得到一个透明的岸线速度代理。
3. 公式桥：先守恒，再做形态映射
对一个选定的海岸沉积单元，体积预算写成
这里所有 \(Q\) 都取体积通量，正号表示进入单元。若把活动剖面近似成平均深度 \(h_*\)、岸线长度 \(L\) 的矩形，则
其中 \(S\) 是顺岸平均岸线位移；正值只是“在这个简化坐标中向海推进”，不等于每个剖面都同时推进。
细颗粒在低雷诺数下可用 Stokes 沉降近似连接粒径与垂向停留时间：
它明确告诉我们 \(w_s\propto d^2\)，但只在颗粒近似球形、层流阻力、静水和稀悬沙边界内成立。波浪底床剪切还可用 Shields 数量级衡量启动倾向：
实验不把 \(\theta\) 假装成完整的波流地貌模型，而是把沉降速度作为一个可审计的第二账本。
4. 互动实验：沉积输入、输出和粒径一起改
JavaScript 失效时的静态 fallback：默认海岸单元为河流来沙 \(Q_{\rm in}=120\)、沿岸输出 \(Q_{\rm out}=100\)、补沙 \(Q_{\rm nour}=10\)、疏浚 \(Q_{\rm dredge}=5\)，单位均为 \(10^3\ \mathrm{m^3\,yr^{-1}}\)；活动剖面深度 \(h_*=6\ \mathrm m\)、岸线长度 \(L=10\ \mathrm{km}\)、粒径 \(d=0.20\ \mathrm{mm}\)。
| 账本量 | 默认结果 | 单位 / 读法 |
|---|---|---|
| 净沉积通量 | 25 | 10³ m³·yr⁻¹，正值为净输入 |
| 岸线位移代理 | +0.42 | m·yr⁻¹，矩形剖面近似 |
| Stokes 沉降速度 | 0.0036 | m·s⁻¹，低雷诺数教学近似 |
| 颗粒雷诺数 | 0.72 | 无量纲，接近近似边界 |
| 模型状态 | 需看波流 | 沉降公式不替代底床输运 |
预测门要求先判断“净输入 / 净输出”“大粒径沉降更快 / 更慢”“补沙永久 / 受输出约束”。揭示后，至少拖动一条通量和粒径滑杆，观察结果账本与流程图同步更新。
5. 边界：岸线位移是体积预算的一个投影
- \(Q_{\rm in}\) 与 \(Q_{\rm out}\) 必须属于同一控制体：把河口来沙的总量和一段海滩的沿岸输出混在一起，会人为制造净沉积。
- 岸线不是一维直尺：潮位基准、剖面形状、植被、沙丘、泥滩与硬质岸线会改变“体积到位移”的映射。
- 补沙不是无损输入：风暴、沿岸漂移和再悬浮可能很快把补沙带出单元；补沙量为正不保证长期净储存为正。
- 沉降速度不等于输运速度：波浪和湍流可以把颗粒重新悬浮，黏性泥沙还涉及絮凝；Stokes 公式只表达一个局部阻力极限。
- 海平面变化改变的是边界与容纳空间：它可能改变潮间带位置和侵蚀几何，但不能在没有沉积供给、剖面和波浪信息时直接推出岸线数字。
迁移问题：若疏浚量从 \(5\) 增至 \(30\times10^3\ \mathrm{m^3\,yr^{-1}}\)，净沉积和岸线速度如何变化？若随后把岸线长度扩大一倍，为什么同样的净体积对应的平均位移速度减半？请指出哪一个变化属于账本通量，哪一个变化属于几何归一化。
1. 海岸是开放控制体
沉积学的第一条纪律是画边界。一个海岸单元可以按河口到岬角、一个潮汐盆地或一个工程管理区划定；不同边界会得到不同的 \(Q_{\rm in}\) 和 \(Q_{\rm out}\)。因此“这片海岸在侵蚀”必须说明观测窗口、潮位基准、岸段范围和沉积物粒级。
沉积物来源包括河流、悬崖侵蚀、海床再悬浮、风成输入和人工补沙；去向包括沿岸输运、离岸输运、深槽沉积、疏浚移除和风暴后的暂存。一个简化预算可以很清楚，但清楚不等于完整。
2. 数量级感：粒径与沉降
沙粒直径常落在亚毫米到毫米量级，泥沙更细，砾石更粗。Stokes 公式中的 \(d^2\) 意味着粒径从 \(0.2\) mm 增到 \(0.4\) mm 时，其他参数不变，沉降速度约增为四倍；实际进入非层流阻力区后，这个比例会变弱。
默认示意中的沉降速度只有毫米每秒量级。它对应的静水沉降时间可能是分钟到小时，但海滩的水平输运由波周期、潮汐、风暴持续时间和底床剪切共同控制，所以不能用“沉降快”替代“最终留在岸上”。
3. 海平面与沉积的耦合
相对海平面上升会改变潮间带、波浪破碎位置和岸坡几何；沉积供给则决定岸滩能否填充新增容纳空间。两者可能形成不同组合：高供给海岸可以淤积，低供给海岸可以退缩，硬质工程又会把沉积转移到邻近岸段。
这也是为什么海岸风险分析要区分 hazard、exposure 和 vulnerability。一次风暴是物理扰动，处在低洼地带的建筑是暴露，排水、预警和土地利用决定脆弱性；岸线账本只处理其中的沉积物状态变量。
4. 资料与证据边界
USGS 的海岸变化资料适合了解岸线观测、风暴和地貌过程；IPCC AR6 WGII 适合了解海平面、海岸风险与适应边界。动态岸线数字必须带指标年、基准线、分析窗口和核验日期；本页只把稳定的质量守恒、Stokes 近似和示意参数放入实验。
做一次量纲检查：若净通量用 \(10^3\ \mathrm{m^3\,yr^{-1}}\)，就要乘 \(1000\) 才回到体积单位；若岸线长度用 km，就要乘 \(1000\) 才能和米制深度相乘。这个检查看似琐碎，却能把一条“每年推进几米”的解释从数量级错误中救回来。
真正的沉积闭合还需要说明孔隙度、压实和沉积物是否在活动剖面内循环。若输入是干体积、输出是湿体积，账本必须先统一测量定义；否则净值的正负可能只是采样口径差异。
岸线位移也要说明“相对哪一个基准面”。潮滩的湿润边界、植被线、砂丘脚和人工岸线并不代表同一个几何位置；把不同指标拼成一条趋势线前，必须先做定义和基准转换。
推荐阅读 USGS Coastal Change Hazards Portal 与 IPCC AR6 WGII。不把一张局地岸线图直接外推成整个海岸带的未来预测。
下一页：海岸能量来自更大的账本。我们把太阳短波和地球长波放到同一张行星能量收支表中。