(寧波海洋研究院，浙江 寧波 315832)

1 研究背景

海岸線(xiàn)具有重要的生態(tài)功能和資源價(jià)值，是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“生命線(xiàn)”和“黃金線(xiàn)”[1]，其資源持續(xù)和環(huán)境健康關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，影響著區(qū)域主體功能布局和產(chǎn)業(yè)功能集聚戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

目前，海岸線(xiàn)存在以下問(wèn)題：海岸人工化趨勢(shì)過(guò)快，自然岸線(xiàn)保有量已近生態(tài)紅線(xiàn)；近岸生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，環(huán)境污染問(wèn)題仍然突出；海岸線(xiàn)利用強(qiáng)度居高不下，節(jié)約集約利用水平相對(duì)較低；岸線(xiàn)整治和景觀建設(shè)明顯滯后，公眾親海空間不足[2]。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)家海洋局出臺(tái)了《海岸線(xiàn)保護(hù)與利用管理辦法》，就海岸線(xiàn)整治修復(fù)提出了3個(gè)硬性要求[3]:制定整治修復(fù)規(guī)劃，明確整治修復(fù)項(xiàng)目實(shí)施要求，建立完善整治修復(fù)投入機(jī)制。開(kāi)展海岸線(xiàn)整治修復(fù)，打造美麗海岸[4]。

海岸線(xiàn)整治修復(fù)的目標(biāo)方向和主要措施，大致可劃分為自然化、生態(tài)化、景觀化和能力提升4種整治修復(fù)類(lèi)型[5]。其中，岸堤加固型能力提升整治修復(fù)岸線(xiàn)，是指在防護(hù)能力較低、破損嚴(yán)重的人工岸線(xiàn)的原海岸線(xiàn)位置開(kāi)展海防工程加固提標(biāo)建設(shè)，適當(dāng)恢復(fù)人工岸線(xiàn)的生態(tài)功能，增強(qiáng)海岸災(zāi)害防御和保障沿岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力[6]。鑒于此，浙江省寧波市象山縣沙塘灣海岸線(xiàn)以岸堤加固型能力提升為目標(biāo)，以泥沙沖淤模型為理論，以建設(shè)生態(tài)護(hù)岸為措施開(kāi)展海岸線(xiàn)整治修復(fù)。

2 象山岸灘歷史演變

2.1 岸線(xiàn)推移

浙江省寧波市象山東部沿海受幾百年來(lái)人類(lèi)活動(dòng)特別是大規(guī)模圍涂工程的影響，海岸線(xiàn)向外海不斷推進(jìn)[7]。據(jù)歷史記載，公元900年唐朝時(shí)海岸線(xiàn)尚在丹城-林海一帶。18世紀(jì)海積平原的高程由-3.1 m淤漲至-2.7 m，平均淤高0.4 m，每年向外淤漲速率為2～3 m。1965～1977年又相繼圍涂門(mén)前涂塘、涂茨灣、昌國(guó)灣共計(jì)約1 334 hm2，用作鹽場(chǎng)。1988～1993年大目涂一期圍涂近1 000 hm2，使1956～1993年間岸線(xiàn)外移速率加快至10 m/a。2003～2010年大目涂二期圍涂664 hm2，岸線(xiàn)又向外海推移約2.5 km。

2.2 沖淤規(guī)律

根據(jù)多年海岸帶調(diào)查的灘面觀測(cè)，象山東部海灣內(nèi)的泥沙運(yùn)移呈一個(gè)右旋的環(huán)流形，冬、夏季泥沙的來(lái)源和運(yùn)移路線(xiàn)有所不同，主要取決于灣外沿岸流的流動(dòng)方向。沖淤變化規(guī)律為冬淤夏沖，懸沙含量具有明顯的區(qū)域和時(shí)間變化特點(diǎn)，近岸高于遠(yuǎn)海，底層高于表層，大潮高于小潮，冬季高于夏季[8]。冬季的漲潮懸沙含量略大于落潮，夏季的落潮懸沙含量略高于漲潮，這與潮灘的冬淤夏沖相吻合。

冬季，浙閩沿岸流南下，帶來(lái)豐富的長(zhǎng)江輸出物質(zhì)，被漲潮流攜沙帶入，且波浪動(dòng)力作用較強(qiáng)，潮流輸沙和波浪掀沙致使水體含沙量高，懸沙由灣外向?yàn)硟?nèi)輸沙量大，形成懸沙高濃度期，灘面呈淤漲狀態(tài)。一般從秋末至來(lái)年夏初為淤積期，且每年4月份灘面淤積達(dá)到最高，灘面冬季月均淤高可達(dá)3～4 cm[9]。

夏季，浙閩沿岸流北上，臺(tái)灣暖流直逼岸邊，它是高溫高鹽低懸沙水體，灣外懸沙來(lái)量極少，灘面上挾沙水流不飽和，是懸沙低濃度期，灘面呈沖刷狀態(tài)。如遇臺(tái)風(fēng)，則沖刷達(dá)到高峰，夏季月均沖刷可達(dá)6 cm以上。

3 現(xiàn)狀條件及工況

3.1 沙塘灣現(xiàn)狀

沙塘灣位于浙江沿海中部、象山半島南端、石浦港灣東側(cè)，地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)突顯。其北、西、南三面為陸域環(huán)抱，東面受蘿卜山、牛欄基島、銅頭島等島嶼掩護(hù)，外海波浪對(duì)灣內(nèi)水域影響較小，僅東南方向開(kāi)敞寬度較大，與大目洋銜接。

沙塘灣海岸線(xiàn)為人工岸線(xiàn)，灌砌塊石結(jié)構(gòu)的直立墻式護(hù)岸，墻身高度約3～4 m。護(hù)岸前沿為礫石灘，低潮顯露高潮淹沒(méi)，-1 m等深線(xiàn)距岸約25～30 m?，F(xiàn)有護(hù)岸建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，尚有缺口存在安全隱患，布局混亂無(wú)序且頂面道路狹窄(見(jiàn)圖1)，亟需對(duì)海岸線(xiàn)開(kāi)展整治修復(fù)，改善海岸帶生態(tài)功能。

圖1 護(hù)岸現(xiàn)狀

3.2 區(qū)域條件

沙塘灣海域潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，潮波性質(zhì)屬于駐波，潮流類(lèi)型屬規(guī)則半日潮及不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，且以不規(guī)則半日潮流性質(zhì)為主，最大流速可達(dá)1.0～1.2 m/s。含沙量基本在0.05～0.25 kg/m3之間，懸移質(zhì)特征粒徑D50范圍為0.007～0.010 mm，以黏土質(zhì)粉砂為主。

3.3 工程概況

在沙塘灣現(xiàn)有護(hù)岸基礎(chǔ)上，通過(guò)建設(shè)生態(tài)護(hù)岸而進(jìn)行海岸線(xiàn)整治修復(fù)。生態(tài)護(hù)岸是一種新型、生態(tài)的護(hù)岸型式，集防洪、生態(tài)、景觀和自?xún)艄δ苡谝惑w[10]。不僅注重生態(tài)岸線(xiàn)建設(shè)要求，而且致力于岸堤加固能力提升，在建設(shè)濱海親水空間和生態(tài)空間的同時(shí)，也可提高護(hù)岸抵御海洋災(zāi)害和防災(zāi)減災(zāi)能力。

工程位于沙塘灣北半?yún)^(qū)域兩岬島之間的岸段，起于沙塘灣村現(xiàn)有護(hù)岸平臺(tái)，止于北側(cè)突出礁石處。護(hù)岸總長(zhǎng)約528 m，面積約3 124 m2。護(hù)岸墻身采用C25塊石混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，護(hù)岸頂高程視現(xiàn)有高程而沿程變化(取5.1～6.0 m)，護(hù)岸頂部寬度為5.4 m[11](見(jiàn)圖2)。

圖2 海岸線(xiàn)整治修復(fù)工程范圍

4 泥沙沖淤數(shù)模計(jì)算

由于近岸海域潮流運(yùn)動(dòng)的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，二維模型能很好地模擬出潮流和泥沙輸運(yùn)情況，且較三維模型而言，二維模型計(jì)算時(shí)間較短，相關(guān)模型參數(shù)的設(shè)置較為簡(jiǎn)單。因此，二維模型在近岸海域仍應(yīng)用廣泛[12]。

4.1 數(shù)模建立

4.1.1 模型控制方程

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型MIKE21FM(2008年)來(lái)研究潮流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。該模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域，三角網(wǎng)格能較好地?cái)M合陸邊界，網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密[13]。

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(2)定解條件

初始條件：

(4)

4.1.2 計(jì)算域網(wǎng)格

采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，共生成網(wǎng)格38 591個(gè)，通過(guò)網(wǎng)格生成模塊，控制網(wǎng)格疏密及尺度。在工程附近海域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺度最小為5 m左右(見(jiàn)圖3)，能夠較好刻畫(huà)工程前沿水下地形及岸線(xiàn)，保證足夠的計(jì)算精度。在遠(yuǎn)離工程海域，網(wǎng)格相對(duì)稀疏，網(wǎng)格距1 000 m，不同尺度網(wǎng)格之間通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

圖3 工程區(qū)網(wǎng)格

4.1.3 計(jì)算參數(shù)

(1)開(kāi)邊界。采用水位控制，即用潮位預(yù)報(bào)的方法得到開(kāi)邊界條件。由控制點(diǎn)潮位通過(guò)預(yù)報(bào)得到：

](5)

式中，A0為平均海面；Fi,(v0+u)i為天文要素；σi為角頻率；Hi,gi為某分潮的調(diào)和常數(shù)，即振幅與遲角。采用11個(gè)分潮進(jìn)行逐時(shí)潮位預(yù)報(bào)，并經(jīng)適當(dāng)調(diào)整后用于模型。

(2)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，平均時(shí)間步長(zhǎng) 0.5 s，最短時(shí)間步長(zhǎng)為 0.001 s。

(3)床面糙率系數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料對(duì)模型進(jìn)行多次率定，曼寧系數(shù)取 0.017。

(4)水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)。采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky(1963年) 公式計(jì)算水平渦粘系數(shù)，公式如下：

(6)

(5)科氏力。工程海域所在平均緯度，φ=29°。

4.2 模型驗(yàn)證

采用2017年8月28日～9月12日工程海域附近1個(gè)臨時(shí)潮位站的實(shí)測(cè)逐時(shí)潮位過(guò)程和工程海域附近4個(gè)臨時(shí)測(cè)流點(diǎn)2017年8月28～29日(小潮)、2017年9月5～6日(大潮)的實(shí)測(cè)逐刻流速、流向過(guò)程對(duì)已建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證，確保所建立的平面二維水動(dòng)力模型合理可靠。

流速流向驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明，驗(yàn)證計(jì)算所得潮位、流速、流向分布情況與實(shí)測(cè)成果較吻合。說(shuō)明采用的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法正確，模型中相關(guān)參數(shù)的取值合理，可以用于計(jì)算、分析工程前后的潮流場(chǎng)、水動(dòng)力和泥沙沖淤變化。

4.3 潮流場(chǎng)模擬

潮流明顯受地形和岸線(xiàn)制約，漲潮流呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流形態(tài)，落潮流旋轉(zhuǎn)流不明顯，潮流表現(xiàn)為漲潮強(qiáng)、落潮弱。工程區(qū)主要為高灘，就潮流動(dòng)力而言，漲潮動(dòng)力較強(qiáng)，落潮動(dòng)力較弱；在不同潮型中，大潮作用較強(qiáng)，中潮作用次之，小潮作用相對(duì)較弱。因此，工程對(duì)水動(dòng)力和沖淤的影響主要表現(xiàn)在漲潮時(shí)段。結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，分別給出了海域漲急、落急等瞬時(shí)流態(tài)圖(見(jiàn)圖4)。

圖4 大潮漲急、落急流場(chǎng)

4.4 水動(dòng)力變化預(yù)測(cè)

從整體流速變化情況來(lái)看(見(jiàn)圖5)，工程區(qū)護(hù)岸附近流速有所減小，總體流速也以減弱為主，工程區(qū)北側(cè)流速略有增大。漲潮流速減小約 0.05～0.2 m/s，落潮流速減小約 0.05～0.6 m/s，工程區(qū)漲潮期的流速變化沒(méi)有落潮期明顯，變化趨勢(shì)均以減弱為主，但影響范圍僅限于護(hù)岸外側(cè)50 m范圍內(nèi)，對(duì)航道等其他區(qū)域影響可以忽略。

圖5 漲、落潮流速變化

4.5 泥沙沖淤影響分析

工程實(shí)施后會(huì)產(chǎn)生局部泥沙沖淤的變化，利用所建數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其變化。水流挾帶泥沙輸移引起床面沖淤變化，是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，鑒于泥沙輸移的復(fù)雜性，研究床面沖淤計(jì)算方法具有多樣性，這里采用床面沖淤計(jì)算模型。

工程實(shí)施后首年沖淤變化區(qū)域主要集中在護(hù)岸外側(cè)50 m范圍內(nèi)，沖淤影響范圍較小?？拷棠_處以淤積為主，淤積速度為0.05～0.3 m/a不等，未見(jiàn)明顯沖刷區(qū)域。

參考浙江沿海的涉海工程情況，一般工程實(shí)施3～5 a后基本達(dá)到?jīng)_淤平衡的狀態(tài)。鑒于該工程規(guī)模較小且處于近岸海域，工程實(shí)施3 a后可達(dá)沖淤平衡(見(jiàn)圖6)，泥沙沖淤變化區(qū)域主要集中在護(hù)岸外側(cè)200 m范圍內(nèi)，沖淤影響范圍較小?？拷棠_處以淤積為主，淤積0.05～0.6 m，在沙塘灣北側(cè)突角外側(cè)將形成沖刷區(qū)域，沖刷約0.05 m，沖刷影響基本可以忽略。

圖6 泥沙沖淤變化(單位:m)

由此可見(jiàn)，沙塘灣海岸線(xiàn)整治修復(fù)對(duì)海洋環(huán)境影響范圍及程度可控，對(duì)200 m以外海域的水動(dòng)力和泥沙沖淤基本不造成影響[14]。

5 結(jié) 論

沙塘灣通過(guò)采取生態(tài)護(hù)岸的海岸線(xiàn)整治修復(fù)措施，切實(shí)提高了抵御海洋災(zāi)害和防災(zāi)減災(zāi)能力，保障了沿海居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，并改善了岸線(xiàn)景觀和拓展親海空間。基于二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算水動(dòng)力變化與泥沙沖淤影響，預(yù)判海岸線(xiàn)整治修復(fù)對(duì)海洋環(huán)境影響范圍及程度可控。研究結(jié)果可為海岸線(xiàn)整治修復(fù)管理提供一定科學(xué)依據(jù)，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。