海岸带地区典型地质灾害链研究进展与展望

郭兴杰 ,  王寒梅 ,  詹龙喜

中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 272 -286.

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中国工程科学 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3) : 272 -286. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.12.003
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海岸带地区典型地质灾害链研究进展与展望

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Typical Geological Hazard Chain in Coastal Areas: Progress and Prospects

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摘要

海岸带地区资源丰富、经济发达、人口密集，受气候环境变化、人类活动等共同影响，区域性地质灾害易发且分布广泛，尤其是单一灾害持续演变而触发形成的链式灾害，对确保海岸稳定和沿海城市安全带来较大威胁。本文综合分析了全球海岸带地区面临的典型地质灾害如海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡的研究现状，全面梳理了其概念内涵、灾害分布、破坏机理与防治措施，总结归纳了地质灾害研究的主要监测技术、力学理论、物理模型和数值模拟方法，并梳理了各自的适用条件和发展瓶颈。研究发现，海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡多发生于同一区域，具有同源链和因果链的相关性，即海岸带持续侵蚀可以引起浅层气的泄漏或者直接导致海底滑坡，而地质层内的浅层气大量泄漏又可能触发海底滑坡。为防治海岸带地区的地质灾害链，及时“阻源断链”，本文提出了海岸带地区地质灾害监测预警发展策略，建议在人口密集的海岸带地区构建“空天地海”多维一体化监测系统，开展大数据与数值模拟的机理研判，结合人工智能提升灾害链预警预报能力，以期为海岸带地区城市安全和地质灾害源头治理提供参考。

Abstract

Coastal areas are rich in resources, economically developed, and densely populated. Affected by climate changes and human activities, regional geological disasters are prone to occur and are widely distributed, especially chain disasters triggered by the continuous evolution of individual disasters, posing a great threat to coastal stability and safety of coastal cities. This study analyzes the current status of typical geological hazards such as coastal erosion, shallow gas activities, and offshore submarine landslides in coastal areas worldwide, and sorts out their concepts, distribution, failure mechanisms, and prevention measures. Additionally, it summarizes the major monitoring techniques, theoretical methods, physical models, and numerical simulation methods for geological hazard research, and explores their applicable conditions and development bottlenecks. It is found that coastal erosion, shallow gas activities, and offshore submarine landslides mostly occur in the same area, and have correlations in terms of source and causal chains; that is, continuous coastal erosion can cause shallow gas leakage or directly lead to submarine landslides, and large amount of shallow gas leakage in geological layers can also trigger submarine landslides. To prevent and control the geological hazard chain in coastal areas, this study proposes a development strategy for future geological hazard monitoring and early warning, suggesting to build a space-air-Earth-sea multi-dimension integrated monitoring system, carry out mechanism analysis of big data and numerical simulation, and improve the early warning and forecasting of disaster chains with artificial intelligence, so as to provide a reference for urban safety and geological hazard source control in coastal areas.

Graphical abstract

关键词

海岸带 / 地质 / 灾害链 / 破坏机制 / 一体化监测 / 人工智能

Key words

coastal areas / geology / disaster chain / destruction mechanism / integrated monitoring / artificial intelligence

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郭兴杰,王寒梅,詹龙喜. 海岸带地区典型地质灾害链研究进展与展望[J]. 中国工程科学, 2025, 27(3): 272-286 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.12.003

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一、 前言

海岸带地区资源丰富、经济发达、人口密集，聚集了全球约60%的人口、80%的超大城市[1]，如新加坡、伦敦、香港、汉堡、鹿特丹、纽约、迪拜、东京、上海等港口城市。我国海岸带地区约占全国陆地国土面积的13%，集中了约70%的城市、42%的人口和73%的国民收入[2]。海岸带地区地理区位优越，拥有丰富的生态环境资源，承载了港口码头、跨海大桥、海上风电、钻井平台及海洋牧场等特殊功能，是人类生活和社会发展最活跃的关键地带[3]，因此，加强对近岸海域灾害风险的研究，对推动海岸带地区城市发展和确保海岸稳定具有重要意义[4]。

链式灾害指一个灾害发生后，触发生成另一个甚至多个次生灾害，导致短期内发生多个灾害的叠加[5]。链式灾害逐渐成为灾害学研究的热点。在链式灾害中，次生灾害也可能成为新的灾害触发源，加剧对周围环境的破坏程度[6]。受气候变化和海岸带地区人类活动的影响，近百年来，全球海岸带地区普遍出现海岸侵蚀、海底滑坡等地质灾害，且此区域也是浅层气的主要分布区，浅层气活动对近海工程安全存在一定的影响，因此海岸侵蚀、近海海底滑坡、浅层气活动成为海岸带地区的典型灾害。全球约70%的海滩存在海岸侵蚀现象[7,8]，威胁沿海城市的安全；海岸侵蚀加剧了浅层气的逸出，增加了温室气体的排放，且海岸带地区浅层气逸出破坏工程设施的案例屡见不鲜[9~11]。近年来，近海海底滑坡不断给沿海城市带来人员伤亡和经济损失[12~14]，但由于海底滑坡的瞬发性，浅层气与海底滑坡的关系尚待进一步研究。综上，海岸侵蚀会诱发浅层气泄漏，浅层气大量泄漏则加剧地质层的脆弱性，可能诱发海底滑坡等次生地质灾害，这3类灾害形成了典型的海洋地质链式灾害，加剧了海岸带地区的脆弱性，亟需深入研究以及时阻止灾害链的形成。

目前，沿海城市面临海平面上升、海岸侵蚀、海底滑坡等灾害风险压力，亟需提高抵御海洋灾害的能力。全球气候变化和人类活动对海岸带地区的驱动影响，加之海底环境复杂多变和地质变化具有隐蔽性等制约因素，致使对海岸带地区的地质灾害调查研究进展略显缓慢。近年来，随着地质勘察技术和海洋定点观测的不断深入，部分调查已实现高分辨率、大范围的数据获取，集成了海洋动力、悬沙沉积、地形地貌、地质结构等多要素数据，为海岸带地区地质灾害的研究提供了基础，但针对各灾害之间的链式灾害产生原因、监测等略显不足，亟需系统化调查研究海岸带地区地质灾害链的致灾机理和灾害风险。

本文选择海岸带地区普遍存在的海岸侵蚀、近海海底滑坡、浅层气活动3类地质灾害进行综述，分析不同灾害之间的链式关系，总结其灾害定义、区域分布、破坏机理、预测防治以及主要研究方法等，并结合信息化和人工智能对未来研究方向进行展望，以提升海岸带地区地质灾害的防治能力，为海岸带地区城市安全和地质灾害源头治理提供参考。

二、 海岸带地区典型地质灾害研究进展

（一） 海岸侵蚀研究

《海洋学术语 海洋地质学》（GB/T18190—2017）将海岸侵蚀界定为：自然或人为因素作用引起的岸线侵蚀后退，或滩面下蚀、变窄变陡的灾变现象。海岸侵蚀通常是在风浪、潮流等自然因素或围海造陆、航道疏浚、近岸采砂等人为作用下，海岸局部范围内的泥沙支出大于泥沙收入，沉积物处于净损失状态，即在外力作用下造成海岸线的后退或下蚀、滩面变窄、陡坎坡度增大、表层沉积物粗化等现象，是一种典型的海洋地质灾害[15,16]。海岸侵蚀可引起多种链式灾害或次生灾害，包括增加盐水入侵、土壤盐碱化、洪水、滩涂萎缩、土地淹没、浅层气逸出、海底滑坡等，也会带来近海生物栖息地减缩、生物多样性和生态系统功能降低等不利影响[17]。有研究指出，2100年前，全球范围内有50%的砂质海岸将被侵蚀消失，海岸线减少约13.2×104 km[18]。全球海岸可分为基岩海岸、砂质海岸、淤泥质海岸、生物海岸，这些海岸都有发生侵蚀的相关记录，其中砂质海岸受侵蚀的范围最大[19]。相较于砂质海岸，全球50%以上的海岸都是基岩海岸，过去通常认为基岩海岸是稳定性海岸，但随着全球气候变化的影响，到2100年，基岩海岸的侵蚀速率可能将增加10倍[20]。淤泥质海岸基本分布于河口或者湾区，气候变化背景下全球水下三角洲普遍存在隐性退化风险，高侵蚀风险区主要集中在东亚、地中海和墨西哥湾沿岸[21]。海岸侵蚀在全球分布广泛，如澳大利亚新南威尔士州海岸[22]、北极海岸[23]、维尔京群岛海滩[24]、巴拿马蓬塔查梅海岸[25]以及巴西的4个河口三角洲[26]；自20世纪50年代以来，我国海岸线普遍发生侵蚀[27]，其中砂质海岸侵蚀率达49.5%[28]。

海岸侵蚀是全球性灾害，主要由环境变化和人类活动影响引起，自然变化因素包括海平面上升、风暴潮、近海波浪、潮流、河流入海泥沙变化、地面沉降等，人类活动因素包括流域入海输沙减少、近海过度采砂、大型工程建设等[29]。其中，全球海平面上升是引起海岸侵蚀的共性因素[30]，并在海岸侵蚀中起到了主导作用[31]；强烈的波浪冲击和波浪破碎都会增强局部潮流冲刷能力，是海岸侵蚀不可忽视的重要因素[32]。砂质海岸的侵蚀与潮流冲刷有关，部分“凹型”岸线增强了潮流的冲刷力[33]；风暴潮等极端气候还会对砂质海岸带来强烈的扰动效应[34,35]。基岩海岸是由弱岩化物质组成，一般认为波浪[36]、地表径流渗流[37]、暴雨[38,39]等不良因素是引起基岩海岸侵蚀的主要原因，基岩海岸侵蚀后形成了大量的海蚀崖、海蚀洞或海蚀柱。淤泥质海岸的冲淤变化与河流输沙供应有较大的关系，且与上游输沙量变化存在一定的“滞后效应”[40]。一般认为，近海波浪、地面沉降、海平面上升、泥沙供应较少是引起淤泥质海岸侵蚀的主要因素[41,42]。淤泥质海岸基本分布于河口或者湾区，受人类活动影响明显，如一些河口或海岸的工程建设增加了局部水流流速、潮位和潮差，引起了局部海岸侵蚀[43~45]。

海岸侵蚀对滨海城市及岸带工程设施有较大的影响，因此，海岸侵蚀预测、防护和修复成为近期的研究热点。海平面上升是诱发海岸侵蚀的共性因素，针对海平面上升 ‒ 近岸水动力 ‒ 水下地形变化三者之间关系的研究较多，研究结果也与实测数据进行了对比修正[30,46,47]；而对海岸侵蚀的未来变化预测是研究的另一大热点，基于历史水下地形的时空变化和当前环境特征开展数值模拟，定量预测未来演变特征[48]。物理模型可更为直观地研究海岸侵蚀的演变过程，以论证上游人工补沙、海塘工程、近岸防波堤工程等的防护效果[49~51]。近年来，随着生态保护和可持续发展理念的引入，海岸生态修复得到了快速发展。其中，砂质海岸的生态修复主要有生态海堤[52]、人工防护林[53,54]、种植盐生植被[29]等措施；基岩海岸的生态修复措施主要为种植防护林以抵挡风暴潮和波浪的直接冲击，在近岸抛石形成防波堤台，并在抛石区利用格网箱围拢建立绿植地台，减缓基岩海岸的侵蚀[55,56]；淤泥质海岸的生态修复措施主要以种植盐生植被为主，在海岸带种植海草床替代外来入侵物种互花米草的种植[57]，维护海岸潮间带的水质和生物多样性功能，增强海岸带的稳定性[58]。上海市临港南汇潮滩通过在中低滩提升海三棱藨草的种植存活率、中高滩涂种植芦苇，提高海岸生态系统的自我修复能力，增强海岸带的自然防护能力[59]。

（二） 浅层气活动研究

浅层气主要由有机物快速沉积埋藏后，经生物降解和热降解作用，形成甲烷和二氧化碳气体，并以游离态存在于地层孔隙中[60]。浅层气埋藏较浅，受周围环境变化影响，渗漏逸出后通常会形成麻坑或者丘陵等地貌[61,62]。河口三角洲沉积中心为浅层气的埋藏提供了天然环境[63]。据调查，含气的地质层具有高压缩性和低抗剪强度等特征，且含气土层在台风、地震、波浪作用下极易液化，破坏土层原有的结构[64]。

浅层气在陆域或海域均有分布，沉积层中的浅层气分布将增加沉积物中的孔隙水压力，破坏沉积层原始的稳定性。在人类工程活动、地震、风暴潮等作用下，上覆沉积层极易发生破坏，引起浅层气的泄露，进而导致沉积层发生塌陷破坏[65]；浅层气泄露会将甲烷气直接排放在大气中，增加了温室气体排放，导致全球气候变暖[8]。海岸带地区的工程建设，如城市地铁、基坑开挖、跨海大桥、海上风电及石油钻井平台等，都有可能因浅层气活动遭受威胁或破坏。2010年，美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台发生爆炸事故[66]；2001年，杭州湾大桥在工程勘察过程中突发浅层气喷发现象，导致工程实施受阻[67]；杭州地铁1号线在建设过程中，遭遇到多起高压浅层气喷发并燃烧现象，喷发后地面随之发生塌陷，导致勘察和施工受阻[68]。

浅层气活动会引起桩基失稳、井喷火灾、海底塌陷、海底滑坡、生态环境破坏以及全球变暖等，目前针对浅层气引发的灾害尚未有较为成熟的防治措施，基本停留在浅层气分布的调查监测中。声学探测广泛应用于浅层气调查，如单道地震、多道地震、浅地层剖面仪等。地质含气层可以有效吸收或散射声波能量，使声波振幅在含气层中迅速衰减[65]。在地震剖面数据中，若出现声学的异常反射（如增强反射、空白反射、浊反射等），则可能存在浅层气；浅层气分布区周围可能存在地质“气烟囱”，在海床表面也可能出现麻坑地貌。为顺利实施海洋工程，工程开展前需针对浅层气分布区开展精细调查。

（三） 近海海底滑坡研究

海底滑坡是水下松散地质层在重力的作用下，沿斜坡向下发生坍塌、滑动或者碎屑流的变化过程[65]。海底滑坡可诱发海啸并导致海洋工程的破坏，而近海滑坡则可直接破坏海岸线并造成人员伤亡，如1929年加拿大大班克斯地区的地震触发海底滑坡[69]、1964年美国阿拉斯加中南部威廉王子湾发生地震诱发的海底滑坡[12]、1979年因海底蠕变导致法国尼斯港口周围海域发生的海底滑坡[13]、1998年巴布亚新几内亚近海地震诱发了海底滑坡[70,71]、2018年印度尼西亚Anak Krakatau火山爆发触发的海底滑坡[72]等。近海海底滑坡主要分布于河口[73]、峡湾[74]等地区；根据地貌特征，可以将海底滑坡分为蠕变、坍塌、滑动、碎屑流和浊流[75,76]。

海底滑坡多发生在低角度斜坡（<2°）上[77,78]，受海洋环境复杂性和滑坡短期瞬发性影响，较难开展海底滑坡现场监测和触发机制研究。引起海底滑坡的因素很多（见图1），主要的触发因素为地震、快速沉积、天然气水合物分解，其他还有风暴潮、底辟、孔隙气、波浪、潮流、潮汐、海平面上升、侵蚀作用、人类活动等[10,79~81]。很多海底滑坡是由外部环境变化和内部地质失稳等不利因素共同触发的，前者包括地震、沉积作用、波浪、潮汐、人类活动等，后者包括天然气水合物分解、底辟作用、孔隙气等因素。

近年来，随着野外观测仪器、原位监测技术的深入应用，海底滑坡调查研究逐渐成为全球研究的热点。针对海底滑坡的野外调查技术主要包括多波束深测、旁侧声呐、浅地层剖面探测、地震测量、地质钻孔等地貌和地质探测手段。尽管已有多种类型的调查方法，但由于海底滑坡的瞬发性和不可预测性，目前尚未获取现场的海底滑坡变化过程和触发环境信息[78]。目前，相关研究已在潜在滑坡区开展了孔隙水压力[82]、海床地形[83]等原位观测，但极少有监测成功的案例。针对海底滑坡破坏过程的监测极为困难，有关海底滑坡破坏机制研究尚处于探索阶段，还没有较为成熟的防治措施。

三、 海岸带地区典型地质灾害监测方法研究进展

（一） 监测技术

根据海岸带地区海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡等典型地质灾害的触发模式不同，可以分为缓变性和突发性灾害[84]。其中，海岸侵蚀主要是由于水下地形持续冲刷而形成的灾害，属于缓变性灾害；尽管海底浅层气时有少量逸出现象，但并未能形成明显的灾害效应，而在环境扰动后高压气体会大量喷发而出，对地质层产生较强的破坏作用，此时就会变成突发性灾害；近海海底滑坡具有瞬发特征，属于突变性灾害。目前，针对地质灾害，通常采用周期性监测、原位观测两种手段，前者适用于大范围监测以及灾害普查，而后者则适用于在潜在地质灾害区进行长期定点监测。两类监测技术各有利弊，周期性监测的优点是可以在短期内开展大范围调查，弊端是缺乏长时间序列数据；而原位监测的优势是可获取长时间连续数据，弊端是相关调查的空间范围有限。

1. 海岸侵蚀监测技术

海岸侵蚀的主要监测要素包括潮流的流速与流向、悬沙、底沙以及地形地貌，各类要素相互作用，需开展同步监测。针对海岸侵蚀，开展周期性监测可以获取较大范围的地形变化，掌握地形的周期性冲淤变化，主要的地形地貌监测仪器有单波束测深仪和多波束测深仪。在重点海洋地质灾害区，可以采用原位观测对动力、沉积、地貌等进行协同监测。最早针对海洋地形地貌进行的原位监测是1965年普捷湾地形地貌观测[85]，之后逐步增加了对水文要素的监测，如1979年大西洋中部湾应用的海洋数据模型[86]；目前，海底观测网已进行了极大改进，集成了流速、悬沙、地形、地貌、海底环境等观测要素，典型代表有美国的自动化监测潜水仪[87]和地球同步合成孔径监测系统[88]、我国的自升式连体潜标系统[89]及海底边界层原位监测装置[90]。

2. 浅层气监测技术

浅层气主要埋藏于近海海底数米乃至几百米深度的沉积层中，浅层气的赋存改变了海底沉积层的物理性质，使地层密度、孔隙率等都发生了变化。传统勘测是基于钻孔勘探进行浅层气抽采，可直观收集并监测浅层气成分；声波探测是目前主要的浅层气勘测方法之一，可穿透海水和地层，根据声波在不同地层中传播速率、频率、能量等变化来判断是否存在浅层气，采用的仪器包括浅地层剖面仪、单道地震、多道地震等[91]。此外，重磁技术、光学、薄膜界面探测等逐渐在浅层气监测领域应用。近年来，基于声学原理的近海浅层气原位观测方法应用广泛，典型案例有英国南安普顿大学的海底沉积物声学测量仪、美国海军研究实验室的声学原位观测系统、我国自然资源部第二海洋研究所的海底物理原位测试系统、荷兰辉固公司的静力触探仪和薄膜界面观测仪耦合监测系统[92]。

3 海底滑坡监测技术

海底滑坡具有瞬发性的特征，极难监测滑动过程。目前已知的滑坡监测资料多是灾后的监测和推演，如通过钻孔勘探和地形测绘手段获取地层结构、沉积物物理属性和地形变化特征。海底滑坡的发生区域基本集中于一些特殊的斜坡区域或者不稳定地层周围。为理解滑坡的变化过程和触发机制，通常采用原位观测技术来监测海底滑坡。海底滑坡的原位观测主要针对地形演化和地层孔压两个方面。目前已有一些研究尝试，如开展了尼日尔河口三角洲浅层气[93]、苏门答腊岛水下三角洲地震后孔压变化[94]、法国尼斯水下监测[95]、新西兰Hikurangi海沟慢滑坡[96]、我国黄河三角洲海底失稳[97]等研究，但目前监测效果和技术尚待提高。

（二） 力学理论

地质灾害研究的力学理论主要涉及土力学、水力学、弹性力学、塑性力学、流动软化和流固耦合等，主要分析土体内部固体、液体、气体之间的力学关系。

海岸侵蚀主要涉及近底潮流挟沙力和悬沙浓度之间的力学关系。海床表层泥沙在海底水流流动的冲击下，由静止转变为跃动，当发生大量泥沙跃动并输运时，海床就会发生侵蚀。目前，有关泥沙起动的理论计算多基于野外观测、物理模型实验进行推导和总结[98~101]。由于海底环境的复杂性，泥沙起动涉及沉积物粒度、均匀沙、非均匀沙、黏滞性、悬沙浓度、海床坡度、波浪、潮流、潮型、恒定流、非恒定流、水深等因素，还没有统一公式可适用于不同的海洋环境，因此出现了多个不同的泥沙起动公式，且包含了一系列待定参数。不同泥沙起动公式存在一定的共性，如都涉及沉积物粒度、流速、水深等因素。常用潮流挟沙力与悬沙浓度对比来判别是否会发生海岸侵蚀现象，即当潮流挟沙能力大于目前悬沙量时，将发生海岸侵蚀现象[98,99,101]。由于波浪对潮流动力有较大影响，尚未构建针对波浪和潮流耦合的挟沙公式，亟需完善海岸带数据以丰富挟沙力公式。

海底滑坡和浅层气变化是由外部环境扰动、内部压力变化或者内外相互作用导致的地层突变现象，在空间上存在极强的一致性，对地质体稳定性评价显得尤为重要。基于内部理想化假设的统计方法是评价地质体稳定性的主流方法，如极限平衡、滑移线场、极限分析。极限平衡是应用最广泛的计算方法，主要理论基础为摩尔 ‒ 库伦理论，需要计算抗剪强度和极限承担剪切应力的比值，当比值大于1时，处于稳定状态，反之，则可能诱发滑坡[102]。目前极限平衡理论也进行了大量的改进，如Janbu法、Bishop法、Morgenstern-Price法、Sarma法、上限分析法等[65]。滑移线场理论可以用于研究滑移线的几何力学特征，建立滑移线与塑性变形规律之间的联系[103]，其主要基础理论与极限平衡理论类似。极限分析基于经典塑性理论，对应力应变关系进行理想化假设，即将土体假设为符合流体的塑性物质，常用于解决复杂工程问题[104]。

上述计算理论都存在一定的理想化假设，在适用环境上存在一定的差异。其中，泥沙起动受海洋复杂环境的影响，尚无适用于所有环境的通用公式。土体内部的理论计算是将土体假设为均质的二维状态，而实际三维土体在变化过程中各个区域的受力和形变都有一定的差异且变化更为复杂，因此，均质二维假设与实际的土体变形存在一定的差异。

（三） 物理模型

海洋环境具有空间大、环境变化复杂等特征，常规的物理探测较难识别海洋变化要素的全貌和全过程，物理模型则可以通过将海底环境微缩到实验室尺度中，设计大量的边界条件（如密度、速度、尺度、性质等），建立与实际环境相似的模拟环境，并在接收端布置传感器收集变化过程和数据结果。物理模型具有易控制、可重复、应用广等优势，可根据不同需求修改周围的环境条件，进行不同假设场景的模拟实验，成为研究海岸带地质灾害的重要方法之一[65]。海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡的破坏界面基本位于地质体内部或海床表面，较难直接监测变化过程，因此，小尺度的物理模型更易调整变化因素来模拟实际环境。

水槽实验和离心模型是研究地质灾害的主要物理模型。水槽实验是在波浪、潮流、沉积物、地质体自重荷载等作用下的模拟研究方法，可以用来模拟海岸侵蚀、海底滑坡等地质灾害；离心模型是利用土工离心机补偿模型尺寸减小带来的自重应力损失，来模拟海底滑坡等地质灾害，模型结果与实际环境极为接近。在物理模型的搭建过程中，模型参数的选取是提高模型准确率的关键。

目前，国内外针对海床泥沙起动和交换的物理模型主要以水槽试验为主。早期开展水流挟沙力的水槽试验，通过染色泥沙和不染色泥沙运动对比发现了水下泥沙交换现象[105]；随着试验设备和传感器的不断发展，水槽试验更为精细化且可以进行信号接收，目前复杂流场、动床水槽试验成为地形演化和泥沙启动的主要方式之一[106]，以更好地模拟泥沙起动规律和输移机制。我国开展了大量的水槽试验，针对不同水深、粒径级配、水流流场场景，结合数值模拟和泥沙运动理论进行了全面分析，形成了泥沙起动输移公式[107]；同时，优化信号接收技术，利用快速摄影技术记录粗砂在不同情况下的泥沙起动和输移规律，精确获取泥沙迁移距离、起动高度等空间数据，相关结果与相关推移质计算公式进行了印证[108,109]。记录海底滑坡滑移过程的水体密度变化是模拟海底滑坡的主要方法[110]。天然气水合物分解是导致海底滑坡的主要因素之一，通过水槽实验模型可以分析天然气水合物分解后，在不同地层厚度、土壤物理属性、黏土层排水强度以及厚黏土覆盖层的破坏模式，据此构建海底地形的安全系数[111,112]。离心模型能够更好反映海底地层的重力效应，可以用来研究地层含水量和不同地层属性的海底滑坡失稳模式、分析滑坡触发机制[113]，也可以模拟地层内部触发海底滑坡的因素，如浅层气、高孔隙水压力、地层内的剪切破坏力、海底地形坡度等[114,115]。

综上，物理模型在模拟海底水流、地形、地质层的触发因素和相关机理方面有较大优势，但仍存在一定不足，如受传感器技术的限制，无法直接观察和记录泥沙起动、交换、沉积的全过程，加之泥沙运动存在一定的随机性，目前尚未突破海床泥沙运动机理的研究；地层内的浅层气变化和滑坡过程较难直接观测，如浅层气迁移过程、滑坡边界、破坏模式等，需在地层内部加强传感器的应用，构建超大型精细化物理模型，开展更为精细化的过程记录，完善地质灾害破坏理论和公式，为数值模拟和灾害防治提供基础依据。

（四） 数值模拟

随着地质学理论的不断完善、监测仪器和计算科学的快速发展，野外观测和物理模型为数值模拟的应用和发展提供了基础支撑。数值模拟基于理论计算公式，可以定量和精细刻画地质体内部应力场和周围水文流场的变化，并对其未来变化进行预测。数值模型常用的计算方法包括有限元法、有限差分法、有限单元法、边界元法、无限元法、流体力学、离散单元法、不连续变形分析法、欧拉 ‒ 拉格朗日耦合法等[116]。数值模拟大致可以分为连续变形分析法和离散变形分析法两类，前者适用于分析地形的连续变形、小位移特征以及塑流体变化等，可以对海岸侵蚀开展模拟与预测，而后者主要以软弱结构面切割成为离散块体为基本单元开展分析，适用于固体类突变性的数值模拟，可针对海底滑坡开展模拟分析。

海岸侵蚀的本质是地形演化，而地形演化主要取决于海洋近底泥沙运动方式，为此，开展海洋近底泥沙输运数值模拟成为研究地形演化的主要方式。近底泥沙输运数值模拟涉及泥沙粒径、波浪、潮流、陆架环流、风暴潮等影响要素[117~121]，据此构建的泥沙模型还会耦合其他动力要素，最终形成了涵盖多要素的综合模型，可以较为精确地模拟地形侵蚀过程。泥沙输运模型已在近海环境变化和工程活动评估中广泛应用，如河流入海泥沙锐减下的海岸侵蚀[122]，港口航道工程周围侵蚀淤积变化[123]、新建工程诱发海岸侵蚀现象等[124]。目前，针对近海浅层气的数值模拟研究较少，相关浅层气的模拟研究集中在深海天然气水合物分解形成的浅层气[125,126]，如“气泡羽流”模拟研究[127,128]。利用数值模拟，开展海底滑坡研究是近期的热点之一，主要聚焦海底滑坡某一阶段的运动演化过程[65]，模拟滑坡前的土体变形情况，如滑坡面软弱体的产生、扩展和破坏过程。海底滑坡的数值模拟要素包括地质软弱黏土层的失稳过程[129]、地质层泥沙之间的相互作用和非连续变形过程[130]、黏性滑坡体的中小尺度运动演化等[131]。此外，数值模拟还在海底滑坡的演化预测和古滑坡反演中应用，以获取海底滑坡未来的演化距离、变动速度、滑层厚度等[132]，或者反演古滑坡变化过程[133]。

需要指出的是，由于地质内部变化的隐蔽性，目前针对地质体的数值模拟结果还无法得到验证，加之地质环境和海洋环境的复杂性，未来数值模拟仍需要大量的基础监测数据作支撑。数值模拟的搭建基本以阶段性模拟为主，建议未来在海岸带地区的潜在地质灾害区建立自动化监测与数值模拟耦合全过程模拟。

四、 海岸带地区典型地质灾害的链式灾害关系

一些自然灾害发生后会诱发形成一个或多个次生灾害，进而形成灾害链。根据不同灾害之间的相互作用，可以将灾害链分为因果链、同源链、互斥链和偶排链[134]。对灾害链危害程度的评估不是简单的单灾害损失叠加，需要综合分析不同灾害之间的影响关系来确定灾害整体的危害程度[135]；需要指出的是，灾害链之间存在“级联效应”，其产生的系统性风险增加了防灾减灾的复杂性，有可能带来更高的风险[136]，如根据不同灾害链衍生出来损失链、事故链等[137]。地质灾害链是由一系列成因相近且线性分布或在时间、空间和成因上有所联系的地质灾害构成的灾害链[138]。地质链式灾害逐渐成为地球科学和工程科学的研究热点。

海岸侵蚀普遍发生在近岸海域，且属于缓变性灾害，海底滑坡则属于突变性灾害，加之浅层气在海岸带地区的广泛分布，3类地质灾害发生在同一区域，并存在一定的链式关系，即缓变性灾害的不断演化和发育诱发形成了突变性灾害。海岸带地区分布着众多城市建筑、港口码头和海洋工程设备，是人类活动的密集区域（见图2（a））。目前海岸带地区主要面临两个问题：一方面，全球海平面持续上升和频繁的极端气候增强了海岸带地区的潮流动力，加剧了水下地形的侵蚀现象；另一方面，全球流域输沙偏低以及近海地区大量的工程建设活动，如围海造陆、港口建设、航道疏浚、海塘工程、桥梁工程、人为采砂等改变了海岸带地区的物质输运和局部地形演化格局，尤其围海造陆、航道疏浚和工程采砂，直接减少了近海的泥沙量，加剧了海岸带地区的侵蚀效应（见图2（b））；海岸带地区地质沉积层中埋藏浅层气，并伴随有“气烟囱”等地质特征，在水下地形不断侵蚀下，浅层气的上覆层逐渐减少变薄，当沉积层内压超过上覆土压力和水压力时，上覆地质层将发生剪切破坏，浅层气将冲破上覆层并大量逸出[139]（见图2（c））；随着浅层气的大量逸出，沉积层内压将不断减小，地层内部出现空洞化现象，当外界水压力和土压力超过地层的抗剪强度时，地质层极易发生大范围的剪切破坏，并诱发海底滑坡现象（见图2（d））。另外，海岸侵蚀亦可直接触发海底滑坡[77]，其触发机制与地层结构存在一定的关系，但海底滑坡属于突变性灾害，极难直接监测，目前针对海底滑坡的破坏机制尚处于理论推测中，未形成共识。

因果链指一类灾害发生后触发形成另一类灾害。海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡存在典型的因果链相互关系，即海岸侵蚀引发浅层气逸出，浅层气逸出又导致近海海底滑坡，形成典型因果递进的链式灾害。同源链指基于同一原因在同一地区同时发生的系列灾害。全球海平面上升是推动海岸侵蚀和触发近海海底滑坡的重要原因，而海岸侵蚀可直接诱发浅层气活动和近海海底滑坡，因此，3类灾害亦存在同源链关系。目前针对海岸侵蚀的研究较为丰富，但针对浅层气活动和近海海底滑坡的研究还相对较少，随着对浅层气活动和海底滑坡的深入研究，可发现更多灾害诱因和链式关系。

五、 海岸带地区地质灾害监测预警发展策略

海岸带地区是全球经济、科技发展最优越的地区之一，针对地质灾害已经开展了较为丰富的调查、监测和研究，局部地质灾害研究已经完成了从定性到定量的转变。由于复杂的海洋环境以及海岸带地区人类活动的扰动效应，目前针对地质灾害的调查研究还面临一些挑战，如缺乏监测站网的系统性规划和长期持续的调查监测、数据的时空完整度缺失导致物理模型和数值模拟的支撑不够全面等，尚未系统性研究各灾害之间的链式关系，部分灾害也未能掌握其触发机制和演变过程。海岸带地区的海岸侵蚀、海底滑坡、浅层气活动属于因果链、同源链，可以从灾害源头或者中间进行治理，及时“阻源断链”，开展灾害防治工作。具体来看，海岸侵蚀属于灾害源头，海洋浅层气泄露或者海底滑坡相对较难防治，因此，海岸侵蚀成为灾害链防治的重要环节，也是重点需要监测的灾害。海岸带地区在数据监测、数据集成、模型预测以及智能化应用等方面还存在不足之处，受资金不足、技术设备的制约，多数野外观测处于局域化或碎片化调查阶段，无法系统性支撑海岸带地区地质灾害的管理，亟需在城市周围或潜在灾害区，构建完善的海洋监测站网，形成大数据集成，支撑模型预测和智能化决策。为此，本文构建海岸带地区地质灾害“监测站网 ‒ 数据平台 ‒ 深度学习 ‒ 智能预警 ‒ 决策管理”全方位管理平台（见图3），并积极引入新技术，更好推动海岸带地区地质灾害监测预警，保障城市的安全运营。

（一） “空天地海”多维一体化监测预警系统

海岸带地区的海岸侵蚀、海底滑坡、浅层气活动地质灾害存在一定的同源链关系，部分监测站可以多门类同步监测，开展多要素的数据采集。建议构建“空天地海”多维一体化监测系统，开展空基、海基、地基多维集成化监测，深入挖掘多尺度、多要素数据的关联性，针对多发性潜在地质灾害开展监测，实现多灾害的长期定点监测。空基、天基数据源可分别利用卫星、无人机等，开展信息采集，形成多尺度的海岸带遥感数据；海基数据源可在近岸海域建设定点监测站，集成采集气象（包括雨量、温湿度、大气压力、风速风向等）、海洋水文（包括潮位、潮流速度和方向、波浪、含沙量、海冰及海水的理化性质等）以及水下地形等要素；地基数据源则可定期开展浅层剖面监测、孔隙水压力等地球物理调查。根据地基调查数据，研究和划定浅层气分布区、潜在海底滑坡活动区，在此二类灾害周围部署海洋水文、地形地貌的定点观测仪器，重点监测海岸侵蚀灾害，并将系统化监测数据分类分组整理，分析各组数据变化之间的关联性，分项研究气象水文变动、海床不稳定以及地层内的流体变化等，并根据各组数据变化完善对海岸带地区地质灾害的演变机制和链式关系。

（二） 基于大数据与数值模拟的机理研判

目前，大数据、云计算等先进技术已逐渐用于海岸带地质灾害监测和预防。将“空天地海”多维一体化监测系统数据汇总并传送至云平台，集成不同地质灾害的多维数据，针对不同灾害进行数据重组和再分配，之后开展自动化计算、分析、预警。全域野外监测需要大量资金和设备，但无法做到全方位监测，因此，数值模拟可以作为综合分析的补充。目前，海洋地质数值模拟涉及多门学科，如物理海洋学、沉积动力学、生态环境学、地质学等，也需要多要素数据支撑模型的边界条件，而缺乏高精度和连续性野外数据是目前数值模拟发展的主要瓶颈。为此，可将数值模拟耦合至云平台，形成对监测数据的补充，并根据监测数据变化修正模型的边界条件，使模拟结果更符合真实环境。此外，基于地质灾害链的发展机理，对浅层气分布区的海岸侵蚀进行常态化监测，并根据上覆层厚度设置浅层气泄露和海底滑坡的预警值，利用数值模拟对未来演化趋势进行研判，形成海岸带地区的智能化管理。

（三） 人工智能赋能灾害预警预报

近年来，全球人工智能技术迅速发展，但在海洋地质领域人工智能应用还略显不足。人工智能可在机器视觉、数据检索、定理证明、深度学习等方面应用，自动化学习吸收地质科学与海洋科学等相关知识和文献，而数据云可为人工智能分析提供数据材料。“空天地海”多维一体化监测为人工智能模型训练提供了丰富和系统的学习材料，使模型可以精准开展预警预报，更好服务于地质灾害的预警预报，减少人力分析成本，及时保障沿海城市的安全运营。目前，人工智能的应用已经在各行业渗透，但针对海岸带地质灾害的预报预警应用还处于初级阶段，主要受限于两方面：一是海洋环境复杂，数据获取难度较大，致使海洋地质调查监测数据的丰富度和系统化不够，无法支撑人工智能、大数据等的深度学习和分析[140]；二是海洋地质涉及多个流固耦合计算，目前尚未有成熟的理论，制约了人工智能分析算法的应用。基于此，建议在获取长时间监测数据的基础上，利用人工智能开展大数据训练学习，完善流固耦合计算理论，并形成动态的预警预报值；在管理层面开展多要素海岸带地质、水文、生态等数据的集成，从技术角度开展算法应用的探索，形成适用于海洋地质灾害预警预报的垂直大模型。

六、 结语

目前，全球海岸带地区地质灾害分布广泛，大部分地质灾害由气候环境变化与人类活动共同作用所致。本文详细总结了海岸带地区存在链式关系的3类地质灾害，即海岸侵蚀、浅层气活动、近海海底滑坡，梳理了3类地质灾害的概念内涵、灾害分布、破坏机理与防治措施，并对地质灾害的监测技术和研究方法如力学理论和数理统计、物理模型、数值模拟等进行了总结；提出了3类地质灾害的因果链、同源链关系，并提出了“阻源断链”策略。在3类链式灾害中，针对海岸侵蚀的防治至关重要，需要提升海岸侵蚀的监测、大数据分析以及模型预测能力，集成“空天地海”多维一体化监测系统，基于大数据与数值模拟加强机理分析和灾害预警，积极引入新技术，利用人工智能赋能预警预报。

近岸海域的地质灾害涉及海洋环境和地质环境，海洋环境具有复杂多变的特征，而地质环境则具有极强的隐蔽性，灾害的发育演化过程受到地质内应力与外部环境的共同驱动，演变机制极为复杂。因此，不同地质灾害的触发机制与演化特征都各有差异，即使相同灾害也存在相似或者不同的致灾因素，而不同灾害之间也可能存在关联性，导致在海岸带地区形成了链式灾害或次生灾害。基于此，建议相关管理部门针对人口密集的海岸带地区或者潜在地质灾害分布区开展监测站网的规划和布设，搭建海岸带地质灾害智慧管理预警平台，并构建适用于海岸带地质灾害防治的垂直大模型，同时加强多灾害的协同研究，提升海岸带地区地质灾害的防治能力。

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