朱 嘉，劉建輝，蔡曉瓊，3

（1．南京大學 南京 210008；2．國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005；3．國家海島規(guī)劃與保護研究中心 廈門 361005）

珠江口外伶仃島海灘修復研究*

朱 嘉1，2，3，劉建輝2，蔡曉瓊2，3

（1．南京大學 南京 210008；2．國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005；3．國家海島規(guī)劃與保護研究中心 廈門 361005）

海灘養(yǎng)護是當前全球廣泛流行的具有生態(tài)環(huán)境保護意義的軟式海岸工程手段。文章以廣東珠海外伶仃島小石嘴沙灘為例，首次選取珠江口海島沙灘，開展近岸動力、近岸地形、海岸動力地貌、沉積特征等多方面的研究，最終通過補沙方法修復了一個適應于該研究區(qū)近岸動力條件的人工海灘，不僅極大地增強了海灘抗蝕能力，而且較好地改良了海岸景觀。

海島；海灘養(yǎng)護；海岸動力地貌；人工海灘

縱觀發(fā)達國家的海灘養(yǎng)護工程，一個顯著特征是海灘養(yǎng)護與海洋旅游密切結(jié)合，相互促進。大規(guī)模海灘養(yǎng)護工程不僅有效保護了海岸免受侵蝕，降低了颶風帶來的海岸帶風暴潮災害，而且在改善海岸環(huán)境、發(fā)展旅游業(yè)方面發(fā)揮了巨大的作用。

外伶仃島位于廣東省珠海市萬山海洋開發(fā)試驗區(qū)東北部，居香港西南部出?？谥醒耄哂信徃郯牡莫毺貐^(qū)位優(yōu)勢，以南亞熱帶海島風光和伶仃洋人文底蘊為主要特色，是珠江口經(jīng)典的休閑度假旅游島，上島休閑游的人群中不乏港澳游客。但是從外伶仃島乃至整個萬山列島的地理特征和海岸地貌來分析，整體缺乏當今濱海旅游最熱門的休閑活動場所——海灘，偶爾可見的海灘（如小石嘴海灘）也是零星分布，規(guī)模較小，且質(zhì)量等級不高。這就造成了旅游業(yè)發(fā)展和濱海旅游需求與該島現(xiàn)有的海灘旅游資源嚴重匱乏之間的矛盾，為了解決這一問題，受地方政府之托，此次研究首次選取珠江口海島進行海灘養(yǎng)護技術(shù)應用，以改善濱海生態(tài)環(huán)境、提升海岸景觀和濱海旅游區(qū)的等級與品位、拓展旅游場所和賓客親水空間。本研究得到了地方各級政府的積極響應和大力支持，產(chǎn)生了較大的社會和經(jīng)濟效益［1－6］。

1 研究區(qū)環(huán)境概況

1.1 地理位置

外伶仃島位于萬山群島中部東北端，珠江口東側(cè)，島東北距香港南丫島10．9 km、距香港島18．6 km，島長2．9 km，寬1．07～2．03 km，環(huán)島岸線長12．22 km，面積4．312 3 km2。外伶仃島由花崗巖構(gòu)成，地勢東西高，北部和中間稍低，島中央主峰伶仃峰高311．8 m。海島表層主要為褐色黏土，基巖裸露。島岸陡峭，多懸崖峭壁，岸線曲折，共有大小港灣10個，其中以伶仃灣和塔灣為主。本研究區(qū)位于外伶仃島西北部（圖1），岸線長約500 m，東端為碼頭防波堤。

1.2 氣候特征

外伶仃島位于北回歸線以南，屬于南亞熱帶季風氣候型。其主要氣候特征是：日照時間長，光能充足，但早春陰雨寡照；累年平均氣溫高，熱量豐富，冬季伴有低溫冷害；氣溫年較差不大，但在短期內(nèi)氣溫變化速率大；雨水充沛，季節(jié)變化明顯［7－8］。

1.3 水文特征

1.3.1 潮汐特征

本海域潮汐屬不規(guī)則半日混合潮型，在一個月內(nèi)有一半以上的日期1 d有兩次高潮和兩次低潮，且相鄰高潮不等現(xiàn)象較顯著。大潮出現(xiàn)在朔日和望日之后1～2 d；小潮出現(xiàn)于上、下弦之后1～2 d。海域?qū)偃醭眳^(qū)，潮差相對較小［9］。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

本海區(qū)潮流屬不規(guī)則半日潮流，日不等現(xiàn)象較顯著，潮流呈往復流性質(zhì)。據(jù)附近海圖有關(guān)潮流資料，工程海區(qū)漲落潮流流速在0．5 m／s左右，流向近似為EW。

1.3.2 波浪特征

研究區(qū)近岸海域風浪向多為偏東，平均波高為1．4 m，最大波高為4．9 m，東向浪出現(xiàn)頻率為34%。全年風浪以東向為主，10月出現(xiàn)東向浪頻率最高，占60%。風浪平均波高范圍為0．8～1．5 m，最大波高為9．5 m，秋季的風浪較大，平均波高在1．1～1．4 m之間。年平均周期為6．3 s。涌浪一般由外海傳至該區(qū)域，以東南或東南偏東為主。10月各波級出現(xiàn)頻率：0．0～0．4 m占9%；0．5～1．4 m占62%；1．5～2．9 m占25%；3．0～4．9 m占4%［10－12］。

1.4 海岸特征

本研究區(qū)主要由連島沙壩形成，海岸發(fā)育呈現(xiàn)“W”型的東西海灘，開口均朝向NNE，后濱均為人工海岸，中部基巖和人工通道將其分割為東西兩個相對獨立的海灘，在正常氣候條件下，海灘沉積物交換較少，難以發(fā)生沿岸輸沙。

岬角西側(cè)海灘發(fā)育較好，海灘為NE走向，開口朝向SW；東側(cè)為基巖岬角，西側(cè)為人工護岸，后濱為人工護岸；海灘干灘寬度20～30 m，干灘坡度約為1∶20，潮間帶顯著變陡，坡度為1∶8～1∶10；灘面西南部存在數(shù)塊幾米高的巨石，影響了海灘視野與景觀；灘面沉積物為中沙－細沙，分選較好。

岬角東側(cè)海灘與西側(cè)海灘差異顯著，其沙灘整體由近NS向連接基巖岬角的岸段和近WE向護岸前的海灘形成，構(gòu)成了一個近似“L”型的岬灣海灘形態(tài)；干灘寬度較小，漲潮時僅出露數(shù)米，潮間帶坡度較陡，約為1∶6～1∶10；灘面沉積物為粗沙和礫石，由于礁石出露，水下地形十分復雜，對于海灘地貌形態(tài)有著明顯的影響；后濱為人工護岸，影響了自然海灘的發(fā)育和發(fā)展，破壞了海灘體系的完整性，產(chǎn)生了目前海灘灘面束窄的現(xiàn)狀。

1.5 岸灘演變歷史

小石嘴天然海灘岸線相對而言比較穩(wěn)定，為了增寬海灘，2010年當?shù)卣ㄟ^人工填沙方式，使得東側(cè)海灘有一定程度的淤漲。根據(jù)對當?shù)氐默F(xiàn)場調(diào)訪，小石嘴西側(cè)海灘整體形態(tài)向西側(cè)遷移，使得連島壩東部發(fā)生少量淤漲。工程區(qū)水深較大，海灘沉積物很少被搬運到海灘系統(tǒng)之外，大部分沉積物在海灘系統(tǒng)內(nèi)部運動［13］。

2 海灘養(yǎng)護方案研究

2.1 海灘平面方案設計

在總結(jié)研究區(qū)以上環(huán)境特征的基礎上，考慮到小石嘴海灘中部有一突出的基巖岬角，在很大程度上影響了波浪作用，同時西部的人工護岸和東部的碼頭防波堤控制了該海灘的形態(tài)格局。因此，養(yǎng)護海灘穩(wěn)定岸線的設計要充分考慮和利用目前已經(jīng)存在的天然岬角和人工構(gòu)筑物，利用Mepbay軟件預測沙灘的穩(wěn)定海岸形態(tài)［14］。

由于中部基巖岬角的存在，將小石嘴海灘分割成兩個相對獨立的小海灘，在進行平面形態(tài)設計時，主要的設計思路為根據(jù)同樣的近岸動力條件，采用類比方法，利用現(xiàn)有的控制岬角，構(gòu)建東海灘穩(wěn)定形態(tài)［15］。小石嘴東海灘養(yǎng)護形態(tài)設計如圖2所示，其效果如圖3所示。

圖2 小石嘴東海灘養(yǎng)護形態(tài)設計

圖3 小石嘴東海灘養(yǎng)護效果

2.2 養(yǎng)護海灘剖面設計

海灘平衡剖面理論的簡單方法已被應用到海灘養(yǎng)護工程中。海灘養(yǎng)護工程剖面的坡度通常設置比平衡剖面更陡，形成一個凸出，或者平面上的一個“鼓起”。海灘平衡剖面設計有多種方法，外伶仃島海岸潮差小，波浪作用較強，適用于Dean（1977）的海灘平衡剖面模式。這一方法在美國應用十分廣泛，它主要針對于某種特定的填沙粒徑，通過拋沙于海灘上來增加干灘寬度。

本次工程根據(jù)小石嘴海岸的實際情況，將人工沙灘的上限高程（即灘肩高程）設置為2．9 m（85國家高程基準）。根據(jù)上文的設計方法，海灘經(jīng)過天然動力調(diào)整逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定干灘寬度在數(shù)年內(nèi)保持在30～40 m之間，岬角兩側(cè)較寬，中部略窄。

2.3 養(yǎng)灘填沙設計

2.3.1 設計思路

養(yǎng)灘沙沉積物粒徑的選擇是海灘養(yǎng)護設計最重要的環(huán)節(jié)之一，海灘沉積物粒級對海灘穩(wěn)定性具有重要影響，在設計海灘養(yǎng)護工程的填沙粒徑時，要考慮其在海岸防護和休閑旅游方面的4個主要表現(xiàn)：海灘穩(wěn)定性、沉積物動力學、持久性和海灘休閑需要。

一般而言，某種粒級沉積物組成的海灘在強波浪動力條件下會形成一個較緩的坡度，而動力較弱情況下則形成較陡的坡度（表1）。

表1 不同沉積物粒徑在不同波浪條件下的海灘剖面坡度對應關(guān)系

養(yǎng)護海灘剖面必須與養(yǎng)灘沉積物的粒級特征相適應，否則會引起向自然平衡剖面狀態(tài)的迅速調(diào)整，如果設計剖面過陡則會引起上部海灘的迅速侵蝕。經(jīng)過一段時間的波浪作用，海灘沉積物粒級也會向著更典型的自然海灘演變。

2.3.2 設計方法

由于養(yǎng)護研究區(qū)現(xiàn)場水文觀測資料和沉積資料較少，采用天然沉積物類比的方法進行養(yǎng)護海灘沉積物設計。為了掌握海灘沉積物基本特征，在小石嘴東西兩個海灘的橫向剖面上都進行了采樣并作粒度分析。

根據(jù)海灘表層沉積物的采樣分析，發(fā)現(xiàn)海灘沉積物較粗，干灘沉積物平均粒徑為0．7 mm，向海沉積物粒徑變粗，中潮帶為粗沙平均粒徑為1 mm，潮下帶沉積物粒徑更粗達3～4 mm。據(jù)了解，2010年小石嘴海灘曾經(jīng)進行過小范圍的人工補沙，補沙沙源主要從南側(cè)小漁港內(nèi)所淤積的碎石子疏浚而來，補沙方量較小，但是補沙沉積物粒徑較大。

2.3.3 養(yǎng)灘沉積物的確定

根據(jù)對當前研究區(qū)海灘的沉積分析和養(yǎng)護研究，小石嘴海灘養(yǎng)護將采用上下兩層不同的填沙來保證海灘穩(wěn)定性和表層海灘的舒適性，其補沙示意如圖4。墊層沙和表層沙的要求如下所述。

圖4 小石嘴海灘養(yǎng)護剖面雙層鋪沙示意圖

（1）墊層沙要求為礫沙，沙質(zhì)標準為石英＋長石大于92%，粒徑大體在1．2～1．5 mm的范圍，含泥量小于2%，且沉積物顆粒中粒徑小于1 mm的組分含量必須小于10%；

（2）表層沙（即鋪填于灘面最頂層約厚0．5 m的沙）要求為中粗沙，沙質(zhì)標準為石英大于80%，石英＋長石大于96%，填沙粒徑最大抽樣平均值不大于1 mm，最小抽樣平均值不小于0．8 mm，含泥量小于0．2%，貝殼含量小于1%。

3 討論

3.1 海灘改造對沙灘的影響

人工養(yǎng)灘目的是治理海灘，海灘沙回填直接導致海灘剖面外推，海灘寬度特別是灘肩寬度將增加；養(yǎng)灘沙選擇品質(zhì)良好的中粗沙，客沙粒徑略大于沙灘原沙粒徑，養(yǎng)灘工程完成后，將形成優(yōu)質(zhì)的旅游海灘。

3.2 海灘改造對海岸的影響

海灘補沙后海灘寬度和沙層厚度將增加，增強了海灘對波能的滲透和吸收能力，同時滲透消能有利于降低波浪爬高，所以海灘沙增加可以減輕海岸侵蝕，起到軟性護岸作用。

3.3 海灘改造對原有生態(tài)系統(tǒng)的影響

潮下帶和低潮帶的原底質(zhì)多為中細沙，海灘回填不會改變底質(zhì)物質(zhì)組成，對包括底棲生物在內(nèi)的原始生態(tài)環(huán)境將會形成短期的影響，需經(jīng)過一段時間的恢復。

3.4 景觀影響

海灘回填擴大了海灘寬度，改善了海濱浴場的親水性，掩蓋了雜亂的礁石等，保證了其浴場功能，對海灘景觀有明顯美化作用。

3.5 對改造岸段濱岸區(qū)的影響

實施海灘養(yǎng)護施工過程中懸沙量增加，沿岸輸沙量增大，對西側(cè)濱岸區(qū)段沙灘的作用也是良性的，從而減輕海岸侵蝕災害的影響。宏觀看來，本次實施的養(yǎng)灘工程所在的海岸屬于基巖—沙灘組合型的岬灣海岸，通過人工養(yǎng)灘，沙灘的恢復治理工程可以營造平衡穩(wěn)定的岬灣，不會對濱岸區(qū)造成影響。

4 總結(jié)

目前外伶仃島海灘修復研究的一期工程已完成，根據(jù)上述研究成果和方法原理進行施工，在原有部分天然濱海沙灘的基礎上，加大了灘肩寬度，延展了沙灘岸線長度，并在后期監(jiān)測中保持了較高的穩(wěn)定性。在總結(jié)經(jīng)驗的基礎上，我們提出了后續(xù)研究和二期工程中應注意的問題。

根據(jù)相關(guān)同類工程施工經(jīng)驗，小石嘴沙灘修復工程實施過程中，沙源質(zhì)量問題事關(guān)工程成敗。對比可知，岬角西側(cè)海灘沉積物相對較細，而東灘海灘目前沉積物較粗，為了確保養(yǎng)灘穩(wěn)定性和再養(yǎng)護周期更長，必須要求沙源質(zhì)量達到設計標準。建議業(yè)主安排專人負責聯(lián)系、落實工程用沙的沙源，并跟蹤監(jiān)督，保證入場工程用沙的質(zhì)量。

相對而言，小石嘴海灘養(yǎng)護工程較小，長度僅240 m，根據(jù)前人的研究成果，越小的海灘穩(wěn)定性越差，為了提高海灘的穩(wěn)定性，必須保證在施工過程中，海灘水下前緣岸坡的養(yǎng)護沉積物粒徑要大于1．4 mm。

對于本工程而言，其地理形態(tài)直面較開闊的大洋，每年受到風暴潮襲擊和影響的次數(shù)較多，這對于海灘穩(wěn)定性面臨較大的考驗，可能在高強度水動力作用下發(fā)生明顯變化。但是在高能水動力作用期間發(fā)生遷移的沉積物一般不會被搬運至海灘系統(tǒng)之外，可以在常規(guī)水動力作用下逐漸恢復。

海灘養(yǎng)護并非一勞永逸的一次性工程，由于海岸系統(tǒng)的復雜性和自然作用因素的多樣性，在一定的周期內(nèi)需要進行再養(yǎng)護。根據(jù)國內(nèi)外的養(yǎng)護實踐經(jīng)驗，一般海灘養(yǎng)護工程壽命在5～7年。

建議在研究區(qū)附近建立一個長期水文綜合觀測站，以測量近岸水動力條件，以便為人工海灘演變研究以及未來的其他海岸工程提供必要的基礎數(shù)據(jù)支持。

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海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（200905004）；國家海洋局海島司2013專項任務資助項目．