黃君寶，倪 博，劉 旭，姚文偉，黃世昌

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省河口海岸重點實驗室，浙江 杭州 310017；3.樂清交通水利投資集團(tuán)有限公司，浙江 樂清 325600）

1 問題的提出

浙江省沿海大多淤泥質(zhì)海岸環(huán)境下都存在岬灣沙灘，具有“灣后青山，灣內(nèi)沙灘，灣外泥灘”的格局。在岬灣受損沙灘進(jìn)行人工修復(fù)，不但有助于海岸灘涂生態(tài)修復(fù)，還能提高防災(zāi)減災(zāi)能力，促進(jìn)當(dāng)?shù)匦蓍e旅游，因此在當(dāng)前的海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)中不斷得到各地政府的重視與探索[1-2]。

國外對人工修復(fù)沙灘已廣泛應(yīng)用，如美國佛羅里達(dá)州南端邁阿密旅游勝地的人工海灘，不但可抗拒中等強度的颶風(fēng)，且極大提高了休閑價值。荷蘭進(jìn)行大量的人工沙灘修復(fù)工程，用于抵御風(fēng)暴潮的襲擊和海平面上升引起的國土面積減少。西班牙采用人工沙灘修復(fù)已成為解決海岸侵蝕的主流方法。國內(nèi)也已有諸多岬灣型人工修復(fù)沙灘的應(yīng)用，如香港的淺水灣人工修復(fù)沙灘、臺灣的安平港海灘、大連的星海灣海灘、海南的小東海灣海灘等[3-4]。

國內(nèi)外人工修復(fù)沙灘絕大多數(shù)位于砂質(zhì)海岸上，其潮間帶和潮下帶大多為沙質(zhì)。而浙江省沿海岬灣沙灘大多處于沙質(zhì)和淤泥共存的狀態(tài)，沙灘緊鄰淤泥，一般存在明顯的泥沙分界帶。沙灘前沿海域中水體懸沙含量較高，且海域無海砂補給，陸域因海堤等建筑物陰隔而來沙極少，極易造成沙灘退化，甚至產(chǎn)生泥化現(xiàn)象[5]。玉環(huán)市鮮疊沙灘屬于浙江省沿海典型的淤泥質(zhì)海岸環(huán)境下的岬灣沙灘，對其進(jìn)行人工沙灘修復(fù)研究具有一定的典型性和示范意義。

2 工程概況

鮮疊沙灘位于浙江省玉環(huán)市南部鮮疊灣岙內(nèi)，西臨樂清灣，東瀕東海，岙口為東北—西南向，口外正對橫址山，往南有大門島和鹿西島隔海相望。鮮疊沙灘現(xiàn)狀地理位置及平面布置見圖1。沙灘沿岸長約480 m，平均低潮位以上灘面寬50~100 m，沙灘面積約36 000 m2。沙灘東北側(cè)為鮮疊大壩，總長為442 m，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤頂高程在6.52~7.09 m（1985國家高程基準(zhǔn)，下同），目前壩體基本完好，但存在沉降、變形、開裂、管涌和滲水等問題。從整體上看，沙灘所處的岙口由西北側(cè)山體和東南側(cè)的岬角卡住，形成典型的岬灣形態(tài)。

圖1 鮮疊沙灘地理位置及平面布置圖

2.1 沙灘地貌

鮮疊沙灘區(qū)域至今未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的活動性斷層，距離各發(fā)震大斷裂均較遠(yuǎn)，區(qū)域條件相對穩(wěn)定。沙灘沉積物呈黃灰色，顆粒較細(xì)，多為泥沙混合體，落潮時會形成細(xì)小的潮溝。灘面整體坡度較緩，在海浪的拍打下形成沙波形態(tài)，見圖2（a）。

鮮疊沙灘舊照見圖2（b）。原有沙灘灘面較寬，干灘部分向陸延伸至民房附近，起到消浪的作用，且沙灘顏色較為黃亮，屬于顆粒較粗的泥沙。目前由于鮮疊大壩的陰隔，沙灘失去了后方泥沙來源，灘面蝕低，海灘巖暴露，且沙灘粒徑變細(xì)，顏色變暗，深水區(qū)域已經(jīng)泥化，底質(zhì)變?yōu)橛倌唷?/p>

圖2 鮮疊沙灘圖

2.2 潮汐潮流

鮮疊沙灘附近海域為強潮海域，屬于正規(guī)淺海半日潮。根據(jù)附近坎門站2003年全年潮位資料統(tǒng)計，平均高潮位為2.30 m，平均低潮位為-1.59 m，平均大潮高潮位為3.10 m，平均潮差為3.91 m。漲潮歷時長于落潮歷時，分別為6.32 h和6.12 h。

工程海域布置1條水文垂線進(jìn)行大潮期連續(xù)27 h的流速、流向觀測，鮮疊灣內(nèi)實測最大漲潮流速為0.39 m/s，對應(yīng)流向302°，最大落潮流速為0.58 m/s，對應(yīng)流向80°，均出現(xiàn)在面層。垂線平均最大漲潮流速為0.31 m/s，對應(yīng)流向306°，垂線平均最大落潮流速為0.47 m/s，對應(yīng)流向81°，落潮流大于漲潮流。

2.3 風(fēng) 浪

玉環(huán)海域全年常風(fēng)向為N—ENE向，頻率為50%，全年平均風(fēng)速為3.70 m/s；次常風(fēng)向SE和SW向，SE向頻率為5%，全年平均風(fēng)速為2.40 m/s，SW向頻率為6%，全年平均風(fēng)速為3.00 m/s。強風(fēng)向為ENE向，頻率為7%，最大風(fēng)速為15.00 m/ s。全年中夏季多為SW向大風(fēng)，春秋季節(jié)多為偏S向或偏N向大風(fēng)，以偏N向大風(fēng)為主，冬季盛行N—NE向大風(fēng)。最大風(fēng)速基本在臺風(fēng)期間產(chǎn)生。

整體上看，沙灘附近海域是以涌浪為主的風(fēng)、涌混合浪海區(qū)。外海涌浪方向比較集中，為偏E向，風(fēng)浪的方向主要為偏NNE向；外海的常浪向為偏E向。因此，從沙灘所處位置分析，海浪多為E—S向，應(yīng)是外海波浪傳入發(fā)生折射和當(dāng)?shù)匕l(fā)生的波浪共同組成，為風(fēng)、涌混合浪，以涌浪為主。

2.4 泥 沙

根據(jù)工程海域大潮期連續(xù)27 h的懸沙測量統(tǒng)計，漲潮流平均含沙量在0.249~0.289 kg/m3，落潮流平均含沙量在0.244~0.266 kg/m3，漲潮流大于落潮流。從含沙量的垂向分布看，平均含沙量均表現(xiàn)為從面層隨著水深增加而逐漸增大的趨勢。

鮮疊灣內(nèi)底床泥沙顆粒比一般沙灘細(xì)，中值粒徑0.006 1~0.283 1 mm，屬于淤泥—細(xì)沙。從平面分布來看，泥沙粒徑由深水區(qū)向淺水區(qū)逐漸變粗；從垂向分布來看，深水區(qū)表層泥沙較細(xì)，表層0.5 m以下逐漸變粗，表明淤泥沉積在原有沙灘上面。淺水區(qū)則是表層泥沙較粗，向下逐漸變細(xì)，表明波浪進(jìn)入淺水區(qū)域時，底部泥沙搬運量增大，沙灘物質(zhì)向岸運動并被帶到波浪破碎區(qū)，最后隨上沖水流帶到灘面堆積。

2.5 沙灘成因及岸灘演變分析

鮮疊沙灘所在岙口朝向西南，但鮮疊灣口朝向東南，外海波浪經(jīng)鹿西島傳入到鮮疊灣附近海域，發(fā)生折繞射變形傳入岙內(nèi)?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，波浪接近灘面時發(fā)生破碎，波前峰形成1個小而陡的破碎面，該處水流紊動強烈，極易使細(xì)顆粒泥沙懸浮，這些懸浮的細(xì)顆粒物質(zhì)則被離岸流如底流、裂流、落潮流帶向外海，這是沙灘存在的主要原因。

塑造鮮疊沙灘的因素主要包括海平面、波浪和潮流，就工程時限而言，海平面的變化可不考慮。外海潮汐主要為西北—東南向的往復(fù)流，沙灘所處灣內(nèi)潮流速很小，對沙灘塑造作用也有限。因此，波浪的強度及出現(xiàn)的頻率是維持沙灘的主要因素。

根據(jù)鮮疊附近海域1995年（鮮疊大壩修建前）、2009年海圖和2015年實測岸線，描繪出鮮疊沙灘附近海域20年來岸線變化情況（見圖3）。鮮疊灣附近海域多為基巖岸線，開發(fā)活動少，多年來岸線變化較小，變化趨勢主要是鮮疊沙灘的岸側(cè)區(qū)域整體向海推進(jìn)：1995年海圖岸線顯示鮮疊大壩修建前岙內(nèi)存在面積較大的沙灘；到2009年鮮疊碼頭建成，岙內(nèi)在鮮疊大壩后方的沙灘已經(jīng)消失；2015年岸線與2009年相比變化不大。

圖3 鮮疊沙灘早期岸線變化圖

3 沙灘修復(fù)研究

3.1 波浪數(shù)值計算

設(shè)計人工沙灘的形態(tài)、分析沙灘岸線的穩(wěn)定以及預(yù)測沙灘修復(fù)后的岸線變化情況都有必要進(jìn)行波浪數(shù)值模擬計算，了解沙灘及附近海域的波浪分布狀況。波浪數(shù)值模擬采用SWAN模型，以大陳站和南麂波浪站的波浪條件為邊界條件，并采用玉環(huán)氣象站的實測風(fēng)速資料。模型網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，E—SE向波浪入射網(wǎng)格見圖4（a），S向波浪入射網(wǎng)格見圖4（b）。

圖4 波浪模型計算范圍及嵌套布置圖

各計算工況下（以平均大潮高潮位時為例）鮮疊沙灘附近海域有效波高（H13%）及波向分布見圖5。由圖5可見，E向和SE向的外海波浪傳入到鮮疊近海后，受地形影響發(fā)生折射，波向大致相同，鮮疊灣外波浪有效波高H13%為0.4~0.5 m，傳播到近岸后波高減小，沙灘附近有效波高H13%在0.2 m以下。S向外海波浪入射到鮮疊近海后，波浪基本保持原波向向灣內(nèi)傳播，并在沙灘附近發(fā)生折射，鮮疊灣外波浪有效波高H13%約為0.5 m，傳播到近岸后波高減小，沙灘附近有效波高H13%在0.4 m以下。綜上可知，各方向波浪傳播到鮮疊灣海域時有效波高H13%均在0.5 m左右，但E向和SE向外海波浪傳播到鮮疊沙灘時由于折射角度較大，波高已經(jīng)較小，而S向外海波浪基本屬于直接入射，傳播到鮮疊沙灘時基本還能保持波高大小。

圖5 不同方向波浪入射時工程區(qū)波浪場分布圖（平均大潮高潮位） 單位：m

3.2 潮流數(shù)學(xué)模型計算

潮流是泥沙運動的載體，根據(jù)鮮疊沙灘附近海域的具體情況和所要解決的問題，建立包括鮮疊灣在內(nèi)的平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型?？紤]到工程海區(qū)具有島嶼眾多、地形復(fù)雜的特點，數(shù)學(xué)模型擬采用無結(jié)構(gòu)計算網(wǎng)格的有限元方法，以準(zhǔn)確模擬復(fù)雜多變的岸邊界（見圖6）。工程區(qū)域局部加密，網(wǎng)格尺度10~1 500 m。整個計算域布設(shè)節(jié)點數(shù)為28 404個，單元數(shù)為54 437個，流場計算時間步長為0.5 s。

圖6 潮流模型計算范圍圖

選取2015年11月27—28日 實測 潮 位 和 潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗證，驗證結(jié)果見圖7~8。由圖7~8可見，無論是潮位過程還是高、低潮位值，計算與實測均符合良好，計算流速過程與實測流速基本接近，流向的模擬值與實測值亦較為一致。

圖7 潮位驗證曲線圖（大潮）

圖8 流速、流向驗證曲線圖（大潮）

工程附近海域的漲、落急流場圖見圖9。漲潮時潮流自東南洞頭洋而來，分為2支：一支流經(jīng)鹿西島與大門島之間的水道，進(jìn)入樂清灣；另一支與自坎門東北方向而來的潮流匯合，從鮮疊灣與橫址山之間的水道經(jīng)過，流入樂清灣。落潮流基本與漲潮流方向相反。鮮疊灣與橫址山之間的水道流速較大，漲潮時最大流速超過1.0 m/s。鮮疊灣內(nèi)流速基本在0.8 m/s以下，沙灘附近漲、落潮最大流速在0.5 m/s以內(nèi)。工程海域為非正規(guī)半日淺海潮流，漲、落潮歷時差在0.5 h以內(nèi)，在沙灘前沿水域的漲、落潮流向基本相反，流速較?。?.2 m/s以內(nèi)），對灣內(nèi)砂質(zhì)的縱向輸移（即泥沙的沿岸運動）起不到主要作用。

圖9 工程附近海域流場圖

3.3 鮮疊沙灘修復(fù)方案

基于對鮮疊灣海岸地形地貌的認(rèn)識和潮流、波浪模型模擬的結(jié)果，并結(jié)合岬灣的靜態(tài)平衡理論，對鮮疊沙灘修復(fù)工程設(shè)計布局進(jìn)行分析研究（見圖10）。

沙灘修復(fù)平面布置見圖10（a），主要包括干灘和灘面2個區(qū)域（水下淺灘合并到灘面部分），其中干灘（潮上帶）是游人漫步場所，灘面（潮間帶）隨漲落潮淹沒和露出，供游人踏浪以及作為水體景觀。鮮疊大壩至-3.00 m高程之間距離只有約160 m，沙灘寬度較小，設(shè)計較窄的干灘和水下淺灘，其中干灘寬度為2~10 m，為保證一定的坡度，灘面設(shè)計寬度約120 m。鋪沙時首先對現(xiàn)有灘面進(jìn)行碎石和淤泥清理并進(jìn)行區(qū)域整平，然后鋪設(shè)土工布及碎石墊層，最后鋪沙并壓實平整。修復(fù)后總共形成沙灘面積5.7萬m2，其中干灘面積0.4萬m2，灘面面積5.3萬m2。

圖10 鮮疊沙灘修復(fù)方案布置圖

典型斷面見圖10（b），干灘（潮上帶）的高程設(shè)置在4.17 m，寬度約10 m，坡度1∶50，填沙厚度取2 m。由于沙灘起填高程高于現(xiàn)有地形高程，因此需要將原海床適當(dāng)填充墊層至所需的鋪沙高程，墊層主要采用土工布、石料等。

灘面坡度設(shè)計為1∶18，寬度120 m，坡頂高程4.17 m，坡底高程-2.90 m，鋪沙厚度為1~2 m，坡頂至坡底之間鋪沙厚度線性過渡，沙灘外緣與原有海床自然銜接，平均低潮位時會露灘。沙灘修復(fù)主要采用海上吹填的方式補沙。

由于鮮疊大壩目前存在滲水、沉降等問題，采用直接鋪沙方案首先需對大壩進(jìn)行防滲和加固處理，當(dāng)前大壩壩體上存在的滲水管道也需要重新布置，不能直排到沙灘上。

3.4 沙灘修復(fù)后預(yù)測

大潮高潮位時，堤腳處的高程在水面1.0 m以上，常規(guī)海況條件下基本不會發(fā)生波浪反射，但在極端海況條件下，大浪有可能沖至堤腳處并反射，形成堤前沖刷坑，從而加劇橫向輸沙。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和波浪模型計算結(jié)果，區(qū)域內(nèi)波浪強度分布不均，沙灘西部波能較強，東部較弱，沙灘修復(fù)以后可能會發(fā)生泥沙由西向東的縱向輸移，應(yīng)注意監(jiān)測。

鮮疊沙灘平均大潮高潮位下附近海域有效波高（H13%）在0.4 m左右，換算成H4%約為0.5 m，其近岸具有形成沙泥混合型岸灘特征的動力環(huán)境，現(xiàn)存的鮮疊沙灘也佐證了該觀點?，F(xiàn)場調(diào)查資料表明，即使當(dāng)?shù)夭ɡ溯^強的開敞海域，近岸岸灘呈典型的沙質(zhì)岸灘特征，但在離岸一定距離的深水區(qū)往往也會是細(xì)顆粒泥沙，特別是在淤泥質(zhì)海岸帶，深水區(qū)床面肯定是細(xì)泥。而在一些波能水平較低、灘坡平緩的典型泥質(zhì)岸灘的高潮位區(qū)域也往往存在局部窄長的沙灘帶，即使在典型的淤泥質(zhì)海岸帶，也經(jīng)?？梢杂^察到這種地貌特征?？梢哉f，岸灘存在一個“沙泥分界點”或“沙泥分界線”，并與當(dāng)?shù)亟恫ǜ邨l件密切相關(guān)。

根據(jù)徐嘯[1]等人的研究，一般淤泥質(zhì)海岸岸灘淤泥天然容重多為1.40 g/cm3左右，此時床面泥沙臨界揚動波浪摩陰流速為1.62 cm/s。當(dāng)近岸波高為0.3 m時，對應(yīng)淤泥揚動水深為1.6 m左右；近岸波高為0.5 m時，淤泥揚動水深3.0 m左右；近岸波高為0.8 m時，淤泥揚動水深5.0 m左右?？梢姡谝欢ǖ牟ɡ藯l件下，深水區(qū)易形成淤泥床面，淺水區(qū)淤泥較難沉積，并且波浪越強，淤泥的揚動水深越大。

根據(jù)鮮疊沙灘波浪計算結(jié)果，平均大潮高潮位下近岸波高在0.5 m左右，其淤泥揚動水深為3.0 m；因此，可以認(rèn)為沙灘修復(fù)以后平均潮位以上的灘面基本不會發(fā)生泥化現(xiàn)象，而平均潮位以下的灘面會有一定的泥化發(fā)生。

另外，根據(jù)國內(nèi)外沙灘修復(fù)經(jīng)驗，鋪沙后沙灘平面和剖面在波浪作用下趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，但也會發(fā)生泥沙流失的風(fēng)險；因此需定期對沙灘進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)泥沙損失量過大的情況需要進(jìn)行適量補沙，在工程概預(yù)算時需預(yù)留沙灘后期維護(hù)費用。

4 結(jié) 語

鮮疊沙灘分布在海灣灣頂，兩側(cè)為基巖岬角，山體臨水段均受海浪侵蝕，沙灘的物質(zhì)來源是海灣兩側(cè)及陸上基巖的風(fēng)化侵蝕物質(zhì)。沙灘附近海域岸線多為基巖岸線，開發(fā)活動少，多年來岸線變化較小，沙灘面積較前減小。

建立了覆蓋研究區(qū)域的波浪模型和平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型，經(jīng)數(shù)模計算和分析研究，提出不考慮大壩遷址重建情況下的沙灘修復(fù)方案，修復(fù)后的沙灘主要包括干灘和灘面兩部分。干灘寬度2~10 m，坡度1∶50；灘面寬度約120 m，坡度1∶18。

泥沙橫向輸移（即泥沙的向岸—離岸運動）計算結(jié)果顯示，鋪沙后的沙質(zhì)剖面在當(dāng)前波浪條件下基本處于動態(tài)平衡狀態(tài)，可以判定在常規(guī)海況情況下基本不發(fā)生離岸橫向輸移，但可能會發(fā)生泥沙由西向東的縱向輸移（即泥沙的沿岸運動）。因此，沙灘修復(fù)工程完成后應(yīng)注意定期監(jiān)測，必要時可在沙灘西部區(qū)域進(jìn)行補沙，同時，沙灘修復(fù)以后平均潮位以上的灘面基本不會發(fā)生泥化現(xiàn)象，而平均潮位以下的灘面會有一定的泥化風(fēng)險。