使用RFID技术在位于新西兰南岛的一个混合沙砾海滩上测量海滨鹅卵石和卵石的磨损情况

《Geomorphology》：Measuring beach pebbles and cobbles abrasion with RFID technology on a mixed sand and gravel beach, South Island, New Zealand

新西兰南岛混合沙砾海滩RFID追踪显示平均日磨损率0.02%/天，年率7.30%，磨损与运输距离和波浪能量显著相关。

　　

摘要

自20世纪初以来，人们就开始研究原位磨损的测量方法，认为这是某些混合沉积物海滩海岸沉积物预算中的重要损失来源。传统的通过追踪卵石或鹅卵石来评估磨损程度的方法存在许多缺点，然而，射频识别（RFID）技术现在使得在海滩上追踪和重新定位带有标签的颗粒成为可能。在这项研究中，RFID被用于量化新西兰南岛一个混合沙砾海滩上卵石和鹅卵石的磨损情况。共有228颗灰岩卵石和鹅卵石被标记，并在研究海滩上分两次释放。其中一些卵石和鹅卵石在释放后的头两天内就被重新定位，之后每隔几个月再次被重新定位，最长恢复期为15个月。每次重新定位时都会对颗粒进行称重，以评估其磨损情况，并记录它们的位置，从而计算出从初始释放点开始的移动距离。卵石和鹅卵石的平均日磨损率为0.02%/天，相当于每年7.30%的重量损失。研究发现磨损程度与传输距离和波能之间存在显著相关性。这些结果为混合沉积物海滩的磨损率研究提供了宝贵的数据。该研究还提供了关于沿岸和横向位移以及埋藏深度的详细信息。与世界各地的先前研究相比，目前还无法得出适用于所有混合海滩的通用磨损率。

引言

在混合沙砾（MSG）海滩上，沉积物磨损可占到沉积物体积损失的90%（Gibb和Adams，1982；Hemmingsen，2001；Hicks和Todd，2003；Hemmingsen，2004；Eikaas和Hemmingsen，2006；Chen和Stephenson，2015）。历史上，这些估计值是基于实验室滚筒实验得出的（Marshall，1928，Marshall，1929；Hemmingsen，2001，Hemmingsen，2004），这些实验在比较不同类型沉积物的磨损性方面非常有用（Eikaas和Hemmingsen，2006）。例如，新西兰南岛坎特伯雷湾的沉积物在滚筒实验中的磨损损失率为0.31–2.04%/km（Hemmingsen，2001）。然而，滚筒实验并不能真实模拟冲刷区的复杂传输动态，在那里波能会导致颗粒的运动、碰撞和埋藏（Chen，2015）。因此，目前尚不确定基于滚筒实验得出的磨损率是否能够代表实际现场情况。

为了获得现场测得的磨损率，研究人员尝试使用带有标签的颗粒进行直接测量。早期的方法包括对颗粒进行涂色或标记（例如，Richardson，1902；Jolliffe，1964；Carr，1971；Caldwell，1983；Hassan等人，1984；Nicholls和Wright，1991；Bray等人，1996；Van Wellen等人，1999），而较新的研究则应用了电子追踪器，如被动集成应答器（PIT）和RFID标签，这些技术提高了回收率，并允许随时间重复测量（例如，Allan等人，2006；Bertoni等人，2011；Li等人，2023）。RFID技术已被广泛用于研究砾石海滩（Allan等人，2006；Bertoni等人，2009，2010，2011，2012，2016；Dickson等人，2011；Benelli等人，2009；Curtiss等人，2009；Miller等人，2011；Osborne等人，2011；Dolphin等人，2016；Han等人，2017；Grottoli等人，2019；Gomez-Pazo等人，2021；Li等人，2023；Young等人，2023；Bertoni等人，2024）以及河床（例如，Nichols，2004；Lamarre等人，2005；Breton等人，2022）和海岸平台（例如，Hastewell等人，2019；Hastewell等人，2020）上的沉积物传输。尽管如此，专门针对磨损率的研究仍然相对较少。

几项结合RFID和磨损测量的现场研究提供了有价值的见解。Allan等人（2006）和Dickson等人（2011）报告了较低的平均磨损损失（≤1.8%），但发现移动距离与颗粒磨损之间存在强烈相关性。同样，Bertoni等人（2011）表明磨损程度随波能和沿岸位置显著变化，位于堤坝上的颗粒比位于冲刷区的颗粒磨损更严重。Chen和Stephenson（2015）使用磨损篮子进一步证实了这种沿岸变化，指出固定颗粒的重量损失大于自由移动的颗粒，这突显了流动性在磨损评估中的重要性。

尽管取得了这些进展，现有文献仍缺乏关于自然条件下混合沙砾海滩上沉积物磨损的详细长期测量数据。以往的研究在方法、海滩环境、追踪物质和波浪条件方面存在很大差异，因此难以将磨损率进行普遍化。尽管如此，这些研究总体上表明磨损在空间和时间上都是异质的，并受到颗粒位置、传输距离和波能的强烈影响。

本研究旨在利用RFID技术追踪和量化新西兰南岛一个混合沙砾海滩上卵石和鹅卵石的磨损情况。在15个月的时间里，带有标签的颗粒被反复回收、称重和地理定位。我们提供了关于磨损率、沿岸和横向位移、埋藏深度以及波浪条件的详细数据，并将我们的结果与现有的基于现场的研究进行比较，以增进对混合沙砾海滩沉积物磨损的理解。

研究地点

蒂马鲁的South Beach位于新西兰南岛的东海岸（图1）。海滩长2.8公里，低潮线到冲刷坡之间的平均宽度为100米，北部和中部地区背靠工业区，南部地区则有一个绿化带。South Beach是一个相对独立的海滩，南端由岬角环绕，北端有防波堤，因此这个海湾海滩非常适合进行现场磨损实验。

方法

RFID技术可以追踪和重新定位被释放到海滩上的单个卵石或鹅卵石。每次重新定位和称重时都可以测量这些颗粒的重量损失。对于耐用的颗粒，其重量损失被认为是由于在混合沙砾海滩上的磨损过程造成的。所使用的射频识别设备购自Oregon RFID，包括一个HDX（半双工）背包式读取器和用于背包的杆状天线。

波浪和潮汐数据

由于无法获得近海的波浪数据，我们使用了美国国家海洋和大气管理局（NOAA）提供的Wavewatch III模型的模拟输出数据，该数据来自距离蒂马鲁South Beach 22公里的44.51°S 171.5°E点，时间范围为我们的野外实验期间（2012年1月28日至2013年5月1日）。图4显示了六小时平均有效波高（图4 A）、波浪方向频率直方图（图4 C）和有效波高（图4 D）。

与以往研究的比较

将我们的结果与之前使用RFID技术的研究进行比较，发现测得的磨损率存在差异（表6）。由于岩石类型、颗粒大小、标签重量和追踪时间的不同，直接比较较为困难。因此，我们将磨损率标准化为每100克颗粒重量的日损失。四项研究中的日损失量相差三个数量级。这些差异可能是由于岩石类型的差异所致。

结论

利用RFID技术，我们研究了新西兰南岛蒂马鲁一个混合沙砾海滩上卵石和鹅卵石的磨损情况。研究显示，这些颗粒的平均磨损率为0.02%/天，年均磨损率为7.30%。卵石和鹅卵石的磨损损失与移动距离和波能显著相关。卵石和鹅卵石的日传输距离呈现对数递减趋势。

作者贡献声明

Bin Chen：撰写初稿、方法论设计、数据整理、概念构建。Wayne Stephenson：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹集。Maree Hemmingsen：撰写、审稿与编辑。Mike Hilton：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢奥塔哥大学博士奖学金、奥塔哥大学地理学院以及国家自然科学基金（编号41706091）的财政支持。我们还要感谢Geog380课程的学生们在现场协助寻找卵石和鹅卵石的工作。同时，也要感谢David Howarth先生在钻孔和植入RFID标签方面提供的帮助。Brian Finlayson副教授也给予了重要支持。