童宵嶺, 時連強, 夏小明, 程 林, 姜呈浩

(1. 浙江大學 海洋學院, 浙江 杭州 310058; 2. 國家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

象山皇城海灘穩(wěn)定性分析與防護對策

童宵嶺1,2, 時連強2, 夏小明2, 程 林2, 姜呈浩2

(1. 浙江大學 海洋學院, 浙江 杭州 310058; 2. 國家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

以浙江岬灣砂質海岸象山皇城海灘為例, 運用拋物線模型, 分析得出皇城海灘的沖淤演化動態(tài),并通過歷史岸線形態(tài)對比探討皇城海塘對其的影響, 最終提出防止海岸侵蝕的對策。研究結果表明,皇城海灘北部有一定的侵蝕, 其平面形態(tài)還未達到靜態(tài)平衡, 處于不穩(wěn)定狀態(tài); 皇城海灘北段海塘修建得過于靠海, 致使海灘最重要的泥沙補給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時大潮水位可直接淹沒海塘堤腳, 加上海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運動劇烈, 最終導致堤前灘面的沖刷?；诖?防止海岸侵蝕的最佳對策是在拆除、重建海灘北部部分海塘后再進行適當?shù)暮B(yǎng)護。通過對皇城海灘的穩(wěn)定性研究, 了解海塘建設的影響, 可為浙江岬灣海灘資源的合理開發(fā)、海岸防護工程建設提供一定的科學依據(jù)。

象山皇城海灘; 拋物線模型; 沖淤演化; 防護對策

砂質海岸經(jīng)常被自然岬角所分隔, 并且當優(yōu)勢波以一定角度抵達岸線, 這些砂質海岸在優(yōu)勢波方向作用下將形成一種特殊形態(tài)——岬間海灣[1]。它是全球岬角沉積海岸的一種重要地形, 約占全球岸線的50%[2]。

從20世紀40年代開始, 海岸科學家們?yōu)樘接懞０督ㄖ┑挠绊懸肓私?jīng)驗函數(shù)去擬合現(xiàn)有的海灘, 以便分析其穩(wěn)定性。拋物線模型是當前確定岬間海灣靜態(tài)平面平衡形態(tài)使用最廣泛的經(jīng)驗關系[3-5],它考慮了上游岬角與波浪繞射的影響, 最具工程價值[6]。在Silvester和Hsu[1]進一步論證了拋物線模型的合理性后, 拋物線模型在檢驗岬間海灣的穩(wěn)定性上得到了廣泛的應用。李志龍、陳子燊、于吉濤[7-8]認為拋物線為三種岬灣模型中較為理想的模型, 并運用此模型對華南岬間海灣的穩(wěn)定狀況進行了分析,指出其可以預測海灘長期演變。Jackson[9]運用拋物線模型分析和預測了愛爾蘭北部的9個岬灣海灘。

浙江大陸沿岸海灘主要為岬灣海灘, 其分布較少, 岸線長度不足 100 km, 僅占全國砂礫質海岸的2.1%, 這些海灘是浙江省大力發(fā)展濱海旅游業(yè)的重要組成部分。但是, 近年來, 在自然和人為因素的雙重作用下, 海灘侵蝕現(xiàn)象日趨嚴重, 我國 70%左右的砂質海岸遭受侵蝕[10], 部分海灘坡度變陡, 沙粒粗化, 基巖出露, 海濱浴場功能嚴重退化。拋物線模型尚未在浙江岬灣海灘的研究中得到廣泛應用, 另外浙江沿岸動力條件特殊, 潮汐動力較強, 并且受長江來沙影響較大, 在此條件下開展浙江岬灣海灘的穩(wěn)定性研究, 不僅可以驗證拋物線模型在該區(qū)的適用性, 解釋近期海灘的動態(tài)演變特征, 為該區(qū)岬灣海灘保護提供相應的理論依據(jù), 而且對進一步認識岬灣海灘的動力地貌過程及其控制因素, 有著重要的理論意義。鑒于此, 本文擬以象山皇城海灘為例,運用拋物線模型, 分析海灘的沖淤演化動態(tài), 探討皇城海塘的影響, 最終提出海岸防護的對策。

1 研究區(qū)概況

皇城海灘位于浙江省象山縣石浦鎮(zhèn)城區(qū)東北部沿岸昌國灣內(nèi)(121°57′26′E, 29°14′50′N), 灘面平緩,沙質軟硬適中, 海灘長1 800 m, 寬300 m, 狀如一彎新月, 其地處亞熱帶季風氣候區(qū), 同時又受海洋性氣候影響。本區(qū)常風向[11]為 NNE, 冬季風向以 NE為主, 次風向為 NW, 夏季風向以偏 S為主, NE次之。本區(qū)的波浪[11]為風浪與涌浪的混合型, 出現(xiàn)頻率基本相等, 風浪常浪向為NE, 涌浪常浪向以E向為主, 頻率達70%以上。各月平均波高為0.3～0.5 m, 年平均波高為 0.4 m。因南北部岬角及附近海島遮蔽的影響,皇城海灘形態(tài)主要受偏東向浪控制。海區(qū)潮汐[11]屬正規(guī)半日潮, 漲潮平均潮差與落潮一樣, 均為3.05 m左右。海區(qū)潮流[11]屬半日潮流, M2分潮占主導地位。該區(qū)流速不大, 漲、落潮平均流速一般不超過0.6 m/s。

2 研究方法

本文擬使用拋物線模型來確定皇城海灘的平面平衡形態(tài), 拋物線模型以靜態(tài)平衡岬灣理論為前提,引入經(jīng)驗函數(shù)去擬合現(xiàn)有的海灘, 以分析其穩(wěn)定性。它忽略了上游漂沙與灣內(nèi)河流輸沙, 認定岬間海灣滿足封閉式體系特征, 并以上游岬角為起始點。

拋物線模型(Hsu and Evans[12])公式如下:

圖1 平衡砂質海岸模型要素Fig.1 Factors of equilibrium beach model

若一弧形海岸己知其β和R0, 根據(jù)不同的θ值可計算出相對應的Rn值, 將其逐一在圖上繪出便可得到該海岸的理論靜態(tài)平衡形態(tài)曲線。對比實際海灘濱線, 若預測曲線相對實際濱線向岸一側凹進,則可認為該海岸處于不平衡狀態(tài)。

3 結果與討論

3.1 拋物線模型在皇城海灘的應用

首先, 以皇城海灘北部岬角為上岬角; 然后, 借助2003年SPOT5衛(wèi)星圖像(圖2), 使用ARCGIS獲取皇城海灘平面形態(tài)參數(shù), 其中控制線長度R0為1.728 km, 優(yōu)勢波浪入射方向角β為47.09°。將β值代入公式(2)～(4), 計算得到C1＝–0.05610,C2＝1.50850、C3＝–0.45566; 最后, 利用公式(1)確定不同的極角θ(n)下Rn與R0的比值, 為精確模擬濱線, 本文設步長為1°,θ角從θ0＝47.72°到110.72°, 由此可得出若干組(Rn,θ(n)), 將其繪在圖上并連接成線。最后, 得到皇城海灘的靜態(tài)平衡濱線, 如圖3所示。

圖2 皇城海灘各形態(tài)參數(shù)Fig.2 Morphological parameters of Huangcheng beach

由圖3可知: 靜態(tài)平衡濱線的南部與實際海灘濱線基本相符, 但是其北部與實際濱線相比明顯不符,表明2003年皇城海灘尚未達到靜態(tài)平衡狀態(tài), 海灘北部處于侵蝕之中。皇城海灘沿岸輸沙主要受長江來沙的影響, 而海灘北部受上岬角的遮蔽作用, 沿岸輸沙難以到達, 且多為細顆粒沉積物, 加之海灘沒有河流切穿入海, 海灘沉積物補給主要依靠后濱沙丘供砂, 然而皇城海塘北段過于靠海, 大潮水位即可淹沒壩底, 致使海灘北部高潮帶及后濱沙丘完全消失, 切斷了泥沙補給, 故皇城海灘北部有一定的侵蝕, 這與現(xiàn)場實際觀測到的侵蝕狀況是一致的(圖4、圖5)。

圖3 拋物線模型模擬結果(藍色)與2003年衛(wèi)星影像實際濱線(綠色)比較Fig.3 Comparison of the result of parabolic shoreline shape (blue) with real shoreline (green, satellite image of 2003)

圖4 皇城海灘中部后濱沙丘Fig.4 Middle part of Huangcheng beach

圖5 皇城海灘北部侵蝕狀況Fig.5 Erosion in the north part of Huangcheng beach

3.2 皇城護岸海塘對海灘平面形態(tài)演變的影響

為了印證前述分析的正確性, 擬對建塘前后海灘實際濱線與推算的平衡平面形態(tài)進行比較。鑒于皇城海灘沿岸石質護岸海塘修建于2000年, 因此本文分別選用1962～1964年所測海圖數(shù)據(jù)與2003年和2009年的遙感圖像數(shù)據(jù)為對比。

圖6 海塘修建前岸線形態(tài)與平衡形態(tài)對比Fig.6 Comparison of coast shape before seawall was built with equilibrium shape

如圖6所示, 將1962～1964年所測海圖的皇城海灘后緣高程線沿海灘開口方向外平移, 可見1964年皇城海灘岸線形態(tài)與拋物線平衡形態(tài)擬合很好, 這表明1964年皇城海灘在自然動力長期作用下, 已處于自然平衡狀態(tài)。如圖7所示, 將2003年和2009年遙感數(shù)據(jù)提取的皇城海灘濱線與拋物線平衡形態(tài)進行比較, 結果表明: 2003年皇城海灘北部發(fā)生沖刷侵蝕, 濱線后退; 2009年皇城海灘北部仍然在侵蝕, 濱線繼續(xù)后退。從以上結果對比可知, 皇城海塘的修建與海灘平衡狀態(tài)的改變存在著內(nèi)在的聯(lián)系, 并且在海塘修建多年后, 皇城海灘尚未達到平衡狀態(tài)。這與皇城海灘來沙條件的改變有關, 因岬角的遮蔽作用, 海灘缺少沿岸輸沙, 以橫向輸沙為主, 在這種情況下, 北段海塘修建得過于靠海, 致使海灘失去了最重要的補給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時大潮水位可直接淹沒堤腳, 加之海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運動劇烈, 最終導致堤前灘面的沖刷。在泥沙無法得到有效補給的情況下, 皇城海灘將會繼續(xù)侵蝕。

3.3 海岸侵蝕防護對策

針對皇城海灘北部的侵蝕問題, 建議采取以下措施。

圖7 對比海塘修建后濱線形態(tài)與平衡形態(tài)Fig.7 Comparison of coast shapes after seawall was built with equilibrium shape

1) 若保留現(xiàn)有海塘, 最佳防護對策是進行海灘養(yǎng)護。海灘養(yǎng)護在歐美發(fā)達國家中已經(jīng)得到了廣泛的應用, 是海灘護岸的大勢所趨?；食呛獒禐澈? 灣內(nèi)波浪動力較弱, 自然狀況下沉積物流失緩慢, 且不易流出灣外, 非常適合海灘養(yǎng)護, 而且其后期維護成本也比較低。通過在皇城海灘蝕退的地方持續(xù)拋填大量優(yōu)質沙, 使海灘濱線向海推進直至達到平衡形態(tài)。海灘養(yǎng)護可以極大的緩解侵蝕狀況, 維持當?shù)氐妮斏称胶?。通過適當增加海灘寬度, 也能較大地降低海浪能量, 減小風暴潮對海岸及海岸建筑物的破壞, 提升海灘的整體景觀效應。寬闊的海灘還能吸引大量的游客, 增加旅游收入, 海灘后方的建筑和娛樂設施也將極大的升值。

2) 皇城海塘的修建擾亂了原有的海灘沉積物輸運平衡, 為此建議拆除、重建北部部分海塘, 并以便海灘重新獲得橫向泥沙補給。它的好處是可以使海灘輸沙恢復至自然平衡狀態(tài), 而且技術要求低, 可操作性強, 但是拆除、重建工程需要一定的人力和財力, 成本較高, 而且易造成海灘污染和破壞。

3) 理論上增加控制線的長度R0可以達到靜態(tài)平衡濱線向陸偏移的目的, 例如在上岬角修建突堤,它的好處是可操作性強, 成本較低, 但是靜態(tài)平衡濱線向陸偏移會使現(xiàn)有海灘中部、南部出現(xiàn)侵蝕后退, 海灘寬度的減小將極大地降低海灘的緩沖作用,使海洋動力作用增強, 并且會影響其觀賞旅游價值。

綜上所述, 皇城海灘防護的最佳對策應是在拆除海灘北部部分海塘后, 新建海塘適當向陸后退,使整個海塘接近海灘平衡形態(tài), 再進行適當?shù)暮B(yǎng)護, 補充之前流失的泥沙, 這樣可以保證海灘處于動態(tài)平衡之中。

4 結論

1) 應用拋物線模型模擬了皇城海灘的靜態(tài)平衡形態(tài), 根據(jù)其平衡形態(tài)對海灘進行了沖淤演化分析,判定皇城海灘北部正在遭受侵蝕, 其平面形態(tài)還沒有達到靜態(tài)平衡, 處于不穩(wěn)定狀態(tài), 這與現(xiàn)場實際觀測到的侵蝕狀況是一致的。

2) 皇城海塘北段過于靠海的設計是導致皇城海灘北部侵蝕的重要原因。北段海塘修建得過于靠海,致使海灘失去了最重要的補給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時大潮水位可直接淹沒堤腳, 加之海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運動劇烈, 最終導致堤前灘面的沖刷。

3) 海塘修建前, 皇城海灘已處于自然平衡狀態(tài);海塘修建后, 皇城海灘的平衡狀態(tài)發(fā)生改變, 至今尚未達到平衡狀態(tài)。在泥沙無法得到有效補給的情況下, 皇城海灘將會繼續(xù)侵蝕。

4) 防止海岸侵蝕的對策有海灘養(yǎng)護、拆除海塘、修建突堤等, 其中最佳的對策應是在拆除海灘北部部分海塘后, 新建海塘適當后退使整個海塘接近海灘平衡形態(tài), 再進行適當?shù)暮B(yǎng)護, 補充之前流失的泥沙, 這樣可以保證海灘處于動態(tài)平衡之中。

[1] Silvester R, Hsu J R C.Coastal Stabilization: Innovative Concepts[M].Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1993, 578.

[2] Short A D, Masselink G.Embayed and Structurally Controlled Beaches[M].New York: Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics, 1999: 230-249.

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[12] Hsu J R C, Evans C.Parabolic bay shapes and applications[J].Proc Instn Civil Engrs, 1989, 87: 557-570.

(本文編輯: 劉珊珊)

Stability analysis and protection methods for the Huangcheng Beach in Xiangshan County

TONG Xiao-ling1,2, SHI Lian-qiang2, XIA Xiao-ming2, CHENG Lin2, JIANG Cheng-hao2
(1. Ocean College, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. The Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration , Hangzhou 310012, China)

Sep., 7, 2013

the Huangcheng Beach in Xiangshan County; parabolic model; revolution development; protection measures

In this paper, a parabolic model was used to study the stability of the Huangcheng Beach, and the impact of the seawall on the beach was analyzed, and the protection methods were figured out. The results show that erosion was found in the north part of the Huangcheng Beach, and the planform of the Huangcheng Beach hasn′t reached the static equilibrium. The northern seawall was too close to the seaward, so that the backshore dunes formed. The most important sources of supply for the beach, were isolated and disappeared completely. Furthermore, the interaction of spring tide drowning the bottom of the seawall and the breaking waves in the front of seawall made water flow of beach face and sediment movement intensively. Therefore, the scour in the front of seawall happened. Finally, the best countermeasure to prevent the erosion of beach was to use the appropriate beach nourishment after removing and rebuilding the northern part of seawall. Through the study on the stability of the Huangcheng Beach, the impact of seawall on the beach can be well understood. This can provide some scientific basis for the rational development of Zhejiang headland bay beach resources, and construction of coastal protection engineering.

P737.1

A

1000-3096(2015)09-0057-05

10.11759/hykx20130907002

2013-09-07;

2013-11-20

國家自然科學基金項目(40806038); 海洋公益性行業(yè)科研專項(200905008, 201005010); 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務

費專項資金資助項目(JG1205, JT1303)

童宵嶺(1987-), 男, 浙江杭州人, 博士研究生, 主要從事河口海岸學研究, 電話: 0571-81963329, E-mail: inter0571@126.com;時連強, 通信作者, 男, 山東青州人, 副研究員, 主要從事河口海岸動力沉積與地貌及環(huán)境磁學研究, E-mail: slqgj@163.com