吳 建, 拾 兵

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東 青島, 266100; 2. 海軍92854部隊(duì), 廣東 湛江, 254002)

近岸補(bǔ)沙養(yǎng)護(hù)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(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東 青島, 266100; 2. 海軍92854部隊(duì), 廣東 湛江, 254002)

在海平面上升、風(fēng)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(shè)等人為因素的影響下, 海灘侵蝕的現(xiàn)象越來(lái)越普遍[1-6]。我國(guó)廈門(mén)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(duì)海灘侵蝕問(wèn)題的重視, 學(xué)者和專(zhuān)家提出了各種海灘防護(hù)政策和工程措施并付諸實(shí)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(dá)國(guó)家的海岸防護(hù)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(bǔ)沙(將所有的補(bǔ)給泥沙堆積在平均高潮位以上)、海灘補(bǔ)沙(將泥沙堆積在平均低潮位與沙丘線之間)、近岸補(bǔ)沙(將補(bǔ)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(bǔ)沙能快速拓寬干灘, 在美國(guó)得到廣泛應(yīng)用, 我國(guó)香港、海南、廈門(mén)、青島等地也有工程實(shí)踐, 而水深－8 m以?xún)?nèi)的近岸補(bǔ)沙在歐洲特別是荷蘭已逐漸取代海灘補(bǔ)沙在育灘工程中的主導(dǎo)地位, 發(fā)揮突出的防護(hù)作用。與海灘補(bǔ)沙等人工育灘形式相比近岸補(bǔ)沙有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)： 其一施工作業(yè)中海灘的休閑娛樂(lè)等不會(huì)受到干擾; 其二無(wú)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(fèi)用。荷蘭海岸防護(hù)實(shí)踐表明, 近岸補(bǔ)沙比海灘補(bǔ)沙的效果更為理想, 是一種非常有潛力的海灘防護(hù)方法[14]。

近岸補(bǔ)沙在海灘防護(hù)中的潛在作用有兩方面：“喂養(yǎng)”效應(yīng)和“遮蔽”效應(yīng)。所謂“喂養(yǎng)”效應(yīng)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(duì)海灘的養(yǎng)護(hù); 所謂“遮蔽”效應(yīng), 就是通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(duì)近岸補(bǔ)沙的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分別從工程實(shí)踐、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬角度進(jìn)行了總結(jié), 并展望了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 研究現(xiàn)狀

海灘地貌形態(tài)的變化, 涉及海灘地形動(dòng)力學(xué)、近海地質(zhì)學(xué)、海岸動(dòng)力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、黏性流體力學(xué)等各學(xué)科, 特別是泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性, 使得對(duì)海灘侵蝕及防護(hù)的研究出現(xiàn)困難。在一開(kāi)始的近岸補(bǔ)沙育灘實(shí)踐中, 填沙體基本保持穩(wěn)定, 或沒(méi)有明顯減弱其后方海灘的侵蝕速度, 造成對(duì)其研究的一度停止。NOURTEC(Innovative Nourishment Techniques Evaluation)工程計(jì)劃實(shí)施以來(lái), 研究者從現(xiàn)場(chǎng)后期觀測(cè)、物理模型、數(shù)值模擬及理論分析等方面,加強(qiáng)對(duì)近岸補(bǔ)沙防護(hù)機(jī)理及效果的認(rèn)識(shí), 為海灘填沙防護(hù)實(shí)踐提供了理論指導(dǎo), 減少了工程實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)因素。

1.1 工程實(shí)踐

近岸補(bǔ)沙工程實(shí)踐在初期并沒(méi)有取得較理想的防護(hù)效果。20世紀(jì)90年代前各工程的補(bǔ)沙多穩(wěn)定在拋填區(qū)域, 只有少數(shù)采取直接海岸防護(hù)措施且拋填水深較淺時(shí), 沙壩才向岸移動(dòng), 這些成功的育灘實(shí)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(bǔ)沙。1993年5月至1996年12月歐盟對(duì)近岸補(bǔ)沙方法, 展開(kāi)的專(zhuān)題研究NOURTEC(包括1992年對(duì)德國(guó)Norderney 0.26 km2的近岸區(qū)域拋沙約 350 000 m3, 1993年對(duì)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(hù)效果, 推動(dòng)了近岸補(bǔ)沙工程的發(fā)展, 其中荷蘭的育灘實(shí)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(dòng)態(tài)海岸防護(hù)政策, 以該年初的岸線為基準(zhǔn), 通過(guò)人工填沙實(shí)現(xiàn)海岸的動(dòng)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(zhǎng)。 2000年荷蘭對(duì)海岸防護(hù)政策重新評(píng)估, 認(rèn)為近岸補(bǔ)沙比海灘填沙效果較理想且經(jīng)濟(jì)[18], 由此促進(jìn)了荷蘭海岸近岸補(bǔ)沙量于2001年后迅速地增長(zhǎng),據(jù)資料統(tǒng)計(jì)僅 2000～2007年荷蘭近岸填沙量就超過(guò)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(bǔ)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(bǔ)沙對(duì)岸線的影響可以看出, 近岸補(bǔ)沙工程防止了海岸侵蝕后退, 并使岸線向海推進(jìn)。

圖1 近岸補(bǔ)沙對(duì)岸線的影響

1.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究

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

Bougdanou[13]對(duì)南荷蘭省 Ter Heijde, Katwijk,Noordwijk等三處近岸補(bǔ)沙的實(shí)踐從泥沙總體積、斷面、沿岸輸沙、海灘寬度等方面進(jìn)行觀測(cè), 發(fā)現(xiàn)近岸補(bǔ)沙工程促進(jìn)了泥沙的向岸運(yùn)動(dòng), 判定工程成功。Baptist, Grunnet, VanDuin等[17,21-23]總結(jié)了荷蘭海岸近岸補(bǔ)沙的工程實(shí)踐, 發(fā)現(xiàn)近岸補(bǔ)沙對(duì)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(shí)間內(nèi)演變?yōu)楹０渡硥蜗到y(tǒng)的部分, 其對(duì)近岸地形的影響周期在2～8 a, 而在不同的地點(diǎn)表現(xiàn)出不同的形態(tài)動(dòng)力行為, 如 Terchelling的近岸補(bǔ)沙有較強(qiáng)的向岸輸移和岸灘拓寬, 西南海岸的填沙較長(zhǎng)時(shí)間保持在拋填位置, 而在Egmond等處的填沙并沒(méi)有較好地減弱海灘侵蝕強(qiáng)度, 監(jiān)測(cè)還發(fā)現(xiàn)填沙對(duì)海洋生態(tài)的干擾可在短期內(nèi)恢復(fù)。

2002年分別在巴塞羅那Bogatell長(zhǎng)600 m的海灘拋沙70 000 m3與La Barceloneta長(zhǎng)1 100 m的海灘拋沙40 000 m3形成近岸沙壩, 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(lái)越嚴(yán)重, 海灘面積與育灘前相當(dāng)或更少, 認(rèn)為形態(tài)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)水下剖面有較大影響[24]。

1.3 物理模型試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)室研究通常在二維水槽或大型水池中進(jìn)行剖面及區(qū)域性的模擬試驗(yàn)分析, 增進(jìn)了對(duì)近岸補(bǔ)沙作用及效果的認(rèn)識(shí), 對(duì)工程布置有指導(dǎo)作用。

1.3.1 以研究水下沙壩對(duì)波浪折減效果為目的的試驗(yàn)

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

1.3.2 以研究近岸補(bǔ)沙對(duì)泥沙輸移、沙壩遷移、剖面變化情況為目的的試驗(yàn)

Gunyakti[29]進(jìn)行了不同粒徑下近岸沙壩泥沙輸移的模型試驗(yàn), 結(jié)果顯示在同樣的波浪條件下, 粒徑較細(xì)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(guān)系, 當(dāng)和時(shí), 會(huì)有75%的填沙向岸輸移。Sawaragi等[26]進(jìn)行動(dòng)床試驗(yàn), 以摩阻流速和泥沙沉速比(u*/ω)作為育灘泥沙運(yùn)動(dòng)的判別因子, 其值在0.5～0.6時(shí)會(huì)造成沙壩侵蝕,與以 Shields參數(shù)判別的結(jié)果一致。對(duì) Perdido Key的近岸補(bǔ)沙, 進(jìn)行水平比尺為1： 100, 垂向比尺1： 16,時(shí)間比尺1： 25的物理模型試驗(yàn), 通過(guò)各波況下沙壩質(zhì)心位置的變化, 判別沙壩的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì), 結(jié)果表明小波高、長(zhǎng)周期的波浪促使沙壩向岸運(yùn)動(dòng), 大波高、短周期的波浪造成沙壩離岸運(yùn)動(dòng)。SUPERTANK (The SUPERTANK data collection project)的水槽試驗(yàn)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(yàn)測(cè)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(jié)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(yùn)動(dòng)[30]。黃志誠(chéng)、張慶民[31-32]分別對(duì)水平底床和斜坡上水下沙壩的演變情況進(jìn)行了研究。Hoyng[33]對(duì)高位、低位兩種近岸補(bǔ)沙方案進(jìn)行了常浪及風(fēng)暴浪下的試驗(yàn), 結(jié)果表明近岸補(bǔ)沙在各工況下都降低了離岸輸沙率, 增強(qiáng)向岸輸沙, 拋沙體的高度對(duì)養(yǎng)護(hù)效果起到極其重要的影響。

圖2 近岸補(bǔ)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(duì)近岸補(bǔ)沙育灘的理論研究和數(shù)值模擬還不夠完善。Hallermeier[34]認(rèn)為沙壩位置會(huì)影響泥沙輸移速率, 利用波浪和底床的參數(shù)計(jì)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(dòng)區(qū), 外部極限水深(hout)之外為穩(wěn)定區(qū), 兩者之間為緩動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)做了有效區(qū)分。Larsen and Kraus[36]利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料, 回歸得到沙壩向、離岸輸移的臨界條件。Duin[23]、Koster等[37]對(duì)近岸補(bǔ)沙養(yǎng)護(hù)海灘的作用機(jī)理進(jìn)行分析, 如圖 2,近岸補(bǔ)沙后, 波浪在離岸較遠(yuǎn)處破碎, 消減了波能,使掩護(hù)區(qū)域沿岸流挾沙能力下降, 促使挾沙落淤,發(fā)揮掩護(hù)作用, 破波增水形成的水平環(huán)流, 增強(qiáng)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(fù)雜的相互作用, 特別是泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,近岸補(bǔ)沙養(yǎng)護(hù)海灘的模擬還存在著較多的不精確處,各模型只對(duì)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(yù)測(cè)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(duì)水下沙壩進(jìn)行數(shù)值研究, 在泥沙遷移的方向和尺度上計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較符, 對(duì)泥沙初始運(yùn)動(dòng)的忽略使泥沙遷移速率出現(xiàn)偏差。Van Duin等[23]利用基于過(guò)程的剖面模型 UNIBEST-TC和海岸區(qū)域模型DELFT3D-MOR對(duì)荷蘭 Egmond海岸近岸補(bǔ)沙進(jìn)行模擬, 模型在沙壩移動(dòng)、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(duì)稱(chēng)引起的橫向輸沙, 預(yù)測(cè)剖面和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量剖面不吻合。Grunnet等[39]通過(guò)Delft 3D對(duì)Terschelling區(qū)域的填沙進(jìn)行三維流動(dòng)和泥沙輸移的模擬, 計(jì)算與NOURTEC的觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì), 有效反應(yīng)了沙壩的遮護(hù)效應(yīng)和喂給效應(yīng), 但對(duì)底床與運(yùn)動(dòng)泥沙交換的忽略, 使模型對(duì)近岸沙壩的遷移和發(fā)展預(yù)測(cè)能力不足。

通過(guò)數(shù)值模型研究填沙的影響因素以指導(dǎo)工程實(shí)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(chǔ)建立模型, 有效預(yù)測(cè)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(lài)關(guān)系。Larson[41]利用均方根波高為等效波高進(jìn)行海灘剖面在隨機(jī)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(duì)填沙的影響。Kriau?iūniene 等[42]利用 MIKE21 軟件, 對(duì)風(fēng)暴條件下泥沙輸移、底床演變和動(dòng)態(tài)平衡剖面等方面進(jìn)行模擬, 確定了立陶宛某近岸補(bǔ)沙工程的最佳拋填位置。Koster[37]利用DELFT3D軟件對(duì)不同動(dòng)力條件和不同特征下的駝峰式補(bǔ)沙(humplike nourishing)和沙壩補(bǔ)沙(bar nourishing)的模擬表明駝峰式補(bǔ)沙能使單位尺度的填沙更多向岸輸移, 而在風(fēng)暴條件下駝峰式補(bǔ)沙的防護(hù)效果隨著波向角的增大愈加明顯, 且保持相當(dāng)?shù)南虬遁斏澈徒镀拭?駝峰式補(bǔ)沙所需填沙量比沙壩補(bǔ)沙要少, 同時(shí)給出填沙體長(zhǎng)200 m, 間隔300～500 m時(shí), 對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)效果較好。

Leeuwen等[43]避開(kāi)數(shù)值模擬的條件限制, 利用線性穩(wěn)定性分析的方法, 對(duì)長(zhǎng)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(jìn)行研究, 表明長(zhǎng)尺度的沙壩消散較慢, 且有向岸泥沙輸移。

2 發(fā)展趨勢(shì)

在美國(guó), 人工育灘與護(hù)岸建筑在海岸侵蝕防護(hù)中運(yùn)用的比例達(dá)到4∶1以上, 在歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家人工育灘的實(shí)踐也在迅速增加。近岸補(bǔ)沙在海灘侵蝕防治上與海灘補(bǔ)沙、沙丘補(bǔ)沙等方法相比更具有主動(dòng)性。從圖3[19]荷蘭人工育灘填沙趨勢(shì)可以看出, 近岸補(bǔ)沙的補(bǔ)沙量和占人工育灘工程的比例都在增長(zhǎng)。在“硬性”結(jié)構(gòu)防護(hù)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(qiáng)度加大, 其脆弱性日益凸顯, 加大“軟性”防護(hù)工程措施實(shí)現(xiàn)海灘動(dòng)態(tài)防護(hù)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家海岸防護(hù)的主導(dǎo)思想, 近岸補(bǔ)沙防護(hù)海灘的應(yīng)用, 使海灘防護(hù)位置從灘面走向近岸, 深化了“保堤必須保灘”的海岸防護(hù)理念。

圖3 荷蘭人工填沙趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外近岸補(bǔ)沙工程實(shí)踐及研究成果表明, 近岸補(bǔ)沙作為更主動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡, 亦適用于海濱浴場(chǎng)的整治, 促進(jìn)濱海旅游業(yè)的發(fā)展。在我國(guó)青島匯泉灣等地的旅游海灘, 來(lái)沙量縮減, 沿岸泥沙輸移明顯, 合理使用近岸補(bǔ)沙, 不僅可以削減波浪及沿岸流的輸沙強(qiáng)度, 而且作為海上儲(chǔ)沙庫(kù), 海洋動(dòng)力通過(guò)搬運(yùn)填沙形成對(duì)岸灘的喂養(yǎng), 促使海灘動(dòng)態(tài)穩(wěn)定, 可見(jiàn)近岸補(bǔ)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(duì)初始地形的影響及自身響應(yīng), 沙壩尺度及布置對(duì)防護(hù)效果的影響等問(wèn)題還沒(méi)有得到充分認(rèn)識(shí)。國(guó)內(nèi)對(duì)近岸補(bǔ)沙的設(shè)計(jì)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(yīng)。可見(jiàn), 對(duì)這種自然化的海灘侵蝕防治方法及其防護(hù)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(hù)工程的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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1000-3096(2011)08-0108-05

2009-12-17;

2011-05-23

國(guó)家 863計(jì)劃項(xiàng)目(2008AA09Z309); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(hù), E-mail： woo-jian@163.com;拾兵(1961-), 男, 通信作者, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事河流、河口與海岸動(dòng)力學(xué)研究, E-mail： sediment@ouc.edu.cn

劉珊珊)