吳 建, 拾 兵

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島, 266100; 2. 海軍92854部隊, 廣東 湛江, 254002)

近岸補沙養(yǎng)護海灘研究綜述

A review of the shoreface nourishment for beach protection

吳 建1,2, 拾 兵1

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島, 266100; 2. 海軍92854部隊, 廣東 湛江, 254002)

在海平面上升、風暴頻率增加等自然因素和人工挖沙、河流水利及海岸工程建設等人為因素的影響下, 海灘侵蝕的現(xiàn)象越來越普遍[1-6]。我國廈門島、北戴河、青島匯泉灣等黃金海灘灘面變陡, 顆粒粗化,岸線萎縮, 可用沙灘面積大幅減少, 海灘資源的損失已成為濱海城市旅游業(yè)發(fā)展的瓶頸。隨著人們對海灘侵蝕問題的重視, 學者和專家提出了各種海灘防護政策和工程措施并付諸實踐[7-9], 其中環(huán)境友好型的人工育灘工程在歐、美、日等發(fā)達國家的海岸防護中逐步興起[10-12]。

按照泥沙在海岸剖面拋填位置的不同, 人工育灘可分為沙丘補沙(將所有的補給泥沙堆積在平均高潮位以上)、海灘補沙(將泥沙堆積在平均低潮位與沙丘線之間)、近岸補沙(將補給泥沙拋填在平均低潮位以下形成人工沙壩, 依靠波浪作用將泥沙向岸灘輸移)等形式[13], 其中海灘補沙能快速拓寬干灘, 在美國得到廣泛應用, 我國香港、海南、廈門、青島等地也有工程實踐, 而水深－8 m以內(nèi)的近岸補沙在歐洲特別是荷蘭已逐漸取代海灘補沙在育灘工程中的主導地位, 發(fā)揮突出的防護作用。與海灘補沙等人工育灘形式相比近岸補沙有兩點優(yōu)勢： 其一施工作業(yè)中海灘的休閑娛樂等不會受到干擾; 其二無需直接在岸灘上拋沙, 省去輸沙到岸灘的施工工序, 節(jié)約費用。荷蘭海岸防護實踐表明, 近岸補沙比海灘補沙的效果更為理想, 是一種非常有潛力的海灘防護方法[14]。

近岸補沙在海灘防護中的潛在作用有兩方面：“喂養(yǎng)”效應和“遮蔽”效應。所謂“喂養(yǎng)”效應就是拋填泥沙在波流作用下向岸輸移, 于其后一定位置落淤,形成對海灘的養(yǎng)護; 所謂“遮蔽”效應, 就是通過破浪削弱波能, 形成水平環(huán)流, 促使遮蔽區(qū)水體的挾沙能力減低, 為沿岸運動泥沙在拋填沙體后沉積提供條件, 發(fā)揮潛堤的作用[15]。本文對近岸補沙的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分別從工程實踐、現(xiàn)場觀測、物理模型試驗、理論分析與數(shù)值模擬角度進行了總結, 并展望了該領域的發(fā)展趨勢。

1 研究現(xiàn)狀

海灘地貌形態(tài)的變化, 涉及海灘地形動力學、近海地質(zhì)學、海岸動力學、泥沙運動力學、黏性流體力學等各學科, 特別是泥沙運動的復雜性, 使得對海灘侵蝕及防護的研究出現(xiàn)困難。在一開始的近岸補沙育灘實踐中, 填沙體基本保持穩(wěn)定, 或沒有明顯減弱其后方海灘的侵蝕速度, 造成對其研究的一度停止。NOURTEC(Innovative Nourishment Techniques Evaluation)工程計劃實施以來, 研究者從現(xiàn)場后期觀測、物理模型、數(shù)值模擬及理論分析等方面,加強對近岸補沙防護機理及效果的認識, 為海灘填沙防護實踐提供了理論指導, 減少了工程實施的經(jīng)驗因素。

1.1 工程實踐

近岸補沙工程實踐在初期并沒有取得較理想的防護效果。20世紀90年代前各工程的補沙多穩(wěn)定在拋填區(qū)域, 只有少數(shù)采取直接海岸防護措施且拋填水深較淺時, 沙壩才向岸移動, 這些成功的育灘實踐包括巴西的 Copacabana Beach、丹麥的 Limtjord Barriers、澳大利亞的 Kira Beach、加拿大的 Silver Strand等處海灘[16-17]的補沙。1993年5月至1996年12月歐盟對近岸補沙方法, 展開的專題研究NOURTEC(包括1992年對德國Norderney 0.26 km2的近岸區(qū)域拋沙約 350 000 m3, 1993年對丹麥Torsminde Tange 0.24 km2的近岸區(qū)域拋沙250 000 m3,1993年荷蘭 Terschelling水深 4.5～7 m 處填沙2 000 000 m3)取得了較好的防護效果, 推動了近岸補沙工程的發(fā)展, 其中荷蘭的育灘實踐發(fā)展最為迅速。

1990年前荷蘭每年有20～30 ha的沙丘消失, 直至1990年荷蘭制定動態(tài)海岸防護政策, 以該年初的岸線為基準, 通過人工填沙實現(xiàn)海岸的動態(tài)穩(wěn)定,使大部分海灘寬度在1990～1999年期間有10 m左右的增長。 2000年荷蘭對海岸防護政策重新評估, 認為近岸補沙比海灘填沙效果較理想且經(jīng)濟[18], 由此促進了荷蘭海岸近岸補沙量于2001年后迅速地增長,據(jù)資料統(tǒng)計僅 2000～2007年荷蘭近岸填沙量就超過50 Mm3, 在其Schiermonnikooa, Wadden coast, Petten,Noord-Holland coast, Zuid-Holland coast, Voordelta area等海岸－4～－8 m水深處的補沙工程都取得了較理想的防治效果[19-20]。從圖 1[21]荷蘭 Terschelling近岸補沙對岸線的影響可以看出, 近岸補沙工程防止了海岸侵蝕后退, 并使岸線向海推進。

圖1 近岸補沙對岸線的影響

1.2 現(xiàn)場觀測研究

NOURTEC通過海岸監(jiān)測系統(tǒng)及人工測量對瓦登海(the Wadden Sea)沿岸丹麥Torsminde Tange、荷蘭Terschelling和德國Norderney海岸的近岸補沙進行全面監(jiān)測。比較不同水深單位長度泥沙體積的變化發(fā)現(xiàn), 1992年在德國Norderney海岸進行的海灘和近岸組合補沙, 效果優(yōu)于 1989年的單純海灘補沙[22]; 1993年對丹麥Torsminde Tange的最外沙壩拋填粗泥沙, 減弱了后方海灘侵蝕強度; 1993年在荷蘭 Terchelling的近岸補沙有較強的向岸輸移, 岸灘拓寬超過預期。

Bougdanou[13]對南荷蘭省 Ter Heijde, Katwijk,Noordwijk等三處近岸補沙的實踐從泥沙總體積、斷面、沿岸輸沙、海灘寬度等方面進行觀測, 發(fā)現(xiàn)近岸補沙工程促進了泥沙的向岸運動, 判定工程成功。Baptist, Grunnet, VanDuin等[17,21-23]總結了荷蘭海岸近岸補沙的工程實踐, 發(fā)現(xiàn)近岸補沙對沙壩系統(tǒng)循環(huán)周期、位置等自身演化規(guī)律產(chǎn)生影響, 沙壩在較短時間內(nèi)演變?yōu)楹０渡硥蜗到y(tǒng)的部分, 其對近岸地形的影響周期在2～8 a, 而在不同的地點表現(xiàn)出不同的形態(tài)動力行為, 如 Terchelling的近岸補沙有較強的向岸輸移和岸灘拓寬, 西南海岸的填沙較長時間保持在拋填位置, 而在Egmond等處的填沙并沒有較好地減弱海灘侵蝕強度, 監(jiān)測還發(fā)現(xiàn)填沙對海洋生態(tài)的干擾可在短期內(nèi)恢復。

2002年分別在巴塞羅那Bogatell長600 m的海灘拋沙70 000 m3與La Barceloneta長1 100 m的海灘拋沙40 000 m3形成近岸沙壩, 現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)填沙使灘面面積增加了5 000～13 000 m2, 但一年半后出現(xiàn)侵蝕并越來越嚴重, 海灘面積與育灘前相當或更少, 認為形態(tài)動力系統(tǒng)對水下剖面有較大影響[24]。

1.3 物理模型試驗研究

實驗室研究通常在二維水槽或大型水池中進行剖面及區(qū)域性的模擬試驗分析, 增進了對近岸補沙作用及效果的認識, 對工程布置有指導作用。

1.3.1 以研究水下沙壩對波浪折減效果為目的的試驗

Zwambom 等[25]為南非的德班海灘養(yǎng)護工程進行動床試驗, 以波浪折減系數(shù)的大小尋找最佳的沙壩頂寬, 并認為海灘侵蝕與深水波陡和深水弗勞德數(shù)有關。Sawaragi等[26]通過二維定床試驗, 分析了水下沙壩在底寬固定而高度變化時的消波效能和碎波范圍。Vincent 等[27]對水深45 cm處, 高30 cm的固定人工沙壩試驗, 以不同入射條件探討沙壩后方波高變化, 結果顯示不論是規(guī)則波或單向入射的不規(guī)則波皆會在沙丘后方形成聚焦效應。最近筆者也對北戴河海岸的水下沙壩育灘工程進行了斷面物理模型試驗, 結果表明近岸人工沙壩對波浪的消減可達30%以上[28]。

1.3.2 以研究近岸補沙對泥沙輸移、沙壩遷移、剖面變化情況為目的的試驗

Gunyakti[29]進行了不同粒徑下近岸沙壩泥沙輸移的模型試驗, 結果顯示在同樣的波浪條件下, 粒徑較細的顆粒較易向岸傳輸, 若有沿岸流則易于被帶到外海甚至消失, 相反顆粒粗的填沙較容易沿岸輸移或保持在拋填處, 并給出拋填泥沙輸移與水下沙壩高度(hb)、水深(h)、壩頂高度(hc)、壩頂寬(Bc)的關系, 當和時, 會有75%的填沙向岸輸移。Sawaragi等[26]進行動床試驗, 以摩阻流速和泥沙沉速比(u*/ω)作為育灘泥沙運動的判別因子, 其值在0.5～0.6時會造成沙壩侵蝕,與以 Shields參數(shù)判別的結果一致。對 Perdido Key的近岸補沙, 進行水平比尺為1： 100, 垂向比尺1： 16,時間比尺1： 25的物理模型試驗, 通過各波況下沙壩質(zhì)心位置的變化, 判別沙壩的運動趨勢, 結果表明小波高、長周期的波浪促使沙壩向岸運動, 大波高、短周期的波浪造成沙壩離岸運動。SUPERTANK (The SUPERTANK data collection project)的水槽試驗包括寬、窄兩組水下沙壩, 寬沙壩為約30 m寬的矩形, 窄沙壩為底寬 15 m的三角形, 兩沙壩約高于底床1.5 m, 試驗測量了沙壩在波高Hm0=0.4 m, 波周期TP=8.0 s作用 810 min后地形變化情況, 結果顯示,窄沙壩相比寬沙壩在高度上有較快和幅度較大的減小, 更多的填沙向岸輸移, 而寬沙壩則有部分泥沙向海運動[30]。黃志誠、張慶民[31-32]分別對水平底床和斜坡上水下沙壩的演變情況進行了研究。Hoyng[33]對高位、低位兩種近岸補沙方案進行了常浪及風暴浪下的試驗, 結果表明近岸補沙在各工況下都降低了離岸輸沙率, 增強向岸輸沙, 拋沙體的高度對養(yǎng)護效果起到極其重要的影響。

圖2 近岸補沙形成的近岸流系

1.4 理論分析與數(shù)值模擬研究

目前對近岸補沙育灘的理論研究和數(shù)值模擬還不夠完善。Hallermeier[34]認為沙壩位置會影響泥沙輸移速率, 利用波浪和底床的參數(shù)計算了輸沙的極限水深, 定義內(nèi)部極限水深(hin)之內(nèi)為可動區(qū), 外部極限水深(hout)之外為穩(wěn)定區(qū), 兩者之間為緩動區(qū)(buffer zone)。Hands[35]以 Hallermeier極限水深公式判斷沙壩穩(wěn)定性, 將沙壩運動狀態(tài)做了有效區(qū)分。Larsen and Kraus[36]利用現(xiàn)場試驗資料, 回歸得到沙壩向、離岸輸移的臨界條件。Duin[23]、Koster等[37]對近岸補沙養(yǎng)護海灘的作用機理進行分析, 如圖 2,近岸補沙后, 波浪在離岸較遠處破碎, 消減了波能,使掩護區(qū)域沿岸流挾沙能力下降, 促使挾沙落淤,發(fā)揮掩護作用, 破波增水形成的水平環(huán)流, 增強了填沙頂部泥沙的向岸輸移, 從而起到喂養(yǎng)海灘作用。

數(shù)值模擬方面, 由于波流、泥沙輸移和岸灘底形等因素復雜的相互作用, 特別是泥沙運動的復雜性,近岸補沙養(yǎng)護海灘的模擬還存在著較多的不精確處,各模型只對波浪消減、沿岸流減弱及壩后泥沙沉積現(xiàn)象具備一定的預測能力。Douglass[38]依據(jù)Bagnold的推移質(zhì)方程和Bailard的泥沙輸移方程, 對水下沙壩進行數(shù)值研究, 在泥沙遷移的方向和尺度上計算結果與試驗數(shù)據(jù)較符, 對泥沙初始運動的忽略使泥沙遷移速率出現(xiàn)偏差。Van Duin等[23]利用基于過程的剖面模型 UNIBEST-TC和海岸區(qū)域模型DELFT3D-MOR對荷蘭 Egmond海岸近岸補沙進行模擬, 模型在沙壩移動、波浪消減、沿岸流速減少及泥沙在遮蔽區(qū)的沉積方面取得成功, 因忽略波浪不對稱引起的橫向輸沙, 預測剖面和現(xiàn)場測量剖面不吻合。Grunnet等[39]通過Delft 3D對Terschelling區(qū)域的填沙進行三維流動和泥沙輸移的模擬, 計算與NOURTEC的觀測數(shù)據(jù)比對, 有效反應了沙壩的遮護效應和喂給效應, 但對底床與運動泥沙交換的忽略, 使模型對近岸沙壩的遷移和發(fā)展預測能力不足。

通過數(shù)值模型研究填沙的影響因素以指導工程實踐方面, 也取得了一定的成果。Lee[40]同樣以Bailard的泥沙輸移方程為基礎建立模型, 有效預測了沙壩的平坦化和泥沙輸移方向,定性給出沙壩遷移與波高和泥沙粒徑存在的依賴關系。Larson[41]利用均方根波高為等效波高進行海灘剖面在隨機波浪下的演化模擬, 分析了沙壩形狀、灘肩水浸及波浪破碎對填沙的影響。Kriau?iūniene 等[42]利用 MIKE21 軟件, 對風暴條件下泥沙輸移、底床演變和動態(tài)平衡剖面等方面進行模擬, 確定了立陶宛某近岸補沙工程的最佳拋填位置。Koster[37]利用DELFT3D軟件對不同動力條件和不同特征下的駝峰式補沙(humplike nourishing)和沙壩補沙(bar nourishing)的模擬表明駝峰式補沙能使單位尺度的填沙更多向岸輸移, 而在風暴條件下駝峰式補沙的防護效果隨著波向角的增大愈加明顯, 且保持相當?shù)南虬遁斏澈徒镀拭?駝峰式補沙所需填沙量比沙壩補沙要少, 同時給出填沙體長200 m, 間隔300～500 m時, 對海灘養(yǎng)護效果較好。

Leeuwen等[43]避開數(shù)值模擬的條件限制, 利用線性穩(wěn)定性分析的方法, 對長直海岸上不同尺度的水下沙壩在波浪作用下的消散特征進行研究, 表明長尺度的沙壩消散較慢, 且有向岸泥沙輸移。

2 發(fā)展趨勢

在美國, 人工育灘與護岸建筑在海岸侵蝕防護中運用的比例達到4∶1以上, 在歐洲、日本等發(fā)達國家人工育灘的實踐也在迅速增加。近岸補沙在海灘侵蝕防治上與海灘補沙、沙丘補沙等方法相比更具有主動性。從圖3[19]荷蘭人工育灘填沙趨勢可以看出, 近岸補沙的補沙量和占人工育灘工程的比例都在增長。在“硬性”結構防護海岸暴露諸多弊端的今天,

海灘面臨的侵蝕因素增多, 影響強度加大, 其脆弱性日益凸顯, 加大“軟性”防護工程措施實現(xiàn)海灘動態(tài)防護已成為發(fā)達國家海岸防護的主導思想, 近岸補沙防護海灘的應用, 使海灘防護位置從灘面走向近岸, 深化了“保堤必須保灘”的海岸防護理念。

圖3 荷蘭人工填沙趨勢

3 結語

國內(nèi)外近岸補沙工程實踐及研究成果表明, 近岸補沙作為更主動的人工育灘方式, 不僅能夠有效地抵御海灘侵蝕, 保持海灘動態(tài)平衡, 亦適用于海濱浴場的整治, 促進濱海旅游業(yè)的發(fā)展。在我國青島匯泉灣等地的旅游海灘, 來沙量縮減, 沿岸泥沙輸移明顯, 合理使用近岸補沙, 不僅可以削減波浪及沿岸流的輸沙強度, 而且作為海上儲沙庫, 海洋動力通過搬運填沙形成對岸灘的喂養(yǎng), 促使海灘動態(tài)穩(wěn)定, 可見近岸補沙是保證濱海城市旅游業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的有效措施。但諸如填沙對初始地形的影響及自身響應, 沙壩尺度及布置對防護效果的影響等問題還沒有得到充分認識。國內(nèi)對近岸補沙的設計以拋填粗沙形成穩(wěn)定潛堤, 只發(fā)揮消波作用而忽視其喂養(yǎng)效應?？梢? 對這種自然化的海灘侵蝕防治方法及其防護效果, 迫切需要深入研究, 為不同海岸環(huán)境下各種海灘養(yǎng)護工程的建設提供科學依據(jù)。

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P753

A

1000-3096(2011)08-0108-05

2009-12-17;

2011-05-23

國家 863計劃項目(2008AA09Z309); 國家自然科學基金項目(50879084)

吳建(1983-), 男, 安徽宿州人, 助理工程師, 碩士研究生,主要研究方向： 海灘侵蝕與防護, E-mail： woo-jian@163.com;拾兵(1961-), 男, 通信作者, 教授, 博士生導師, 主要從事河流、河口與海岸動力學研究, E-mail： sediment@ouc.edu.cn

劉珊珊)