朱 嘉，劉建輝，蔡曉瓊，3

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

珠江口外伶仃島海灘修復(fù)研究*

朱 嘉1，2，3，劉建輝2，蔡曉瓊2，3

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

海灘養(yǎng)護(hù)是當(dāng)前全球廣泛流行的具有生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(dòng)力、近岸地形、海岸動(dòng)力地貌、沉積特征等多方面的研究，最終通過補(bǔ)沙方法修復(fù)了一個(gè)適應(yīng)于該研究區(qū)近岸動(dòng)力條件的人工海灘，不僅極大地增強(qiáng)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(hù)；海岸動(dòng)力地貌；人工海灘

縱觀發(fā)達(dá)國(guó)家的海灘養(yǎng)護(hù)工程，一個(gè)顯著特征是海灘養(yǎng)護(hù)與海洋旅游密切結(jié)合，相互促進(jìn)。大規(guī)模海灘養(yǎng)護(hù)工程不僅有效保護(hù)了海岸免受侵蝕，降低了颶風(fēng)帶來的海岸帶風(fēng)暴潮災(zāi)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(yàn)區(qū)東北部，居香港西南部出?？谥醒?，具有毗鄰港澳的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)，以南亞熱帶海島風(fēng)光和伶仃洋人文底蘊(yùn)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(gè)萬山列島的地理特征和海岸地貌來分析，整體缺乏當(dāng)今濱海旅游最熱門的休閑活動(dòng)場(chǎng)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(jí)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(yán)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(jìn)行海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)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(jí)與品位、拓展旅游場(chǎng)所和賓客親水空間。本研究得到了地方各級(jí)政府的積極響應(yīng)和大力支持，產(chǎn)生了較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)2．9 km，寬1．07～2．03 km，環(huán)島岸線長(zhǎng)12．22 km，面積4．312 3 km2。外伶仃島由花崗巖構(gòu)成，地勢(shì)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(gè)，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(zhǎng)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(fēng)氣候型。其主要?dú)夂蛱卣魇牵喝照諘r(shí)間長(zhǎng)，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(gè)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(duì)較?。?］。

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(fù)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(fēng)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(fēng)浪以東向?yàn)橹鳎?0月出現(xiàn)東向浪頻率最高，占60%。風(fēng)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(fēng)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(jí)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(gè)相對(duì)獨(dú)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(hù)岸，后濱為人工護(hù)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(xì)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(hù)岸前的海灘形成，構(gòu)成了一個(gè)近似“L”型的岬灣海灘形態(tài)；干灘寬度較小，漲潮時(shí)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(fù)雜，對(duì)于海灘地貌形態(tài)有著明顯的影響；后濱為人工護(hù)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(duì)而言比較穩(wěn)定，為了增寬海灘，2010年當(dāng)?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(duì)當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)場(chǎng)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(yùn)到海灘系統(tǒng)之外，大部分沉積物在海灘系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)［13］。

2 海灘養(yǎng)護(hù)方案研究

2.1 海灘平面方案設(shè)計(jì)

在總結(jié)研究區(qū)以上環(huán)境特征的基礎(chǔ)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(shí)西部的人工護(hù)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(hù)海灘穩(wěn)定岸線的設(shè)計(jì)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(yù)測(cè)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(gè)相對(duì)獨(dú)立的小海灘，在進(jìn)行平面形態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，主要的設(shè)計(jì)思路為根據(jù)同樣的近岸動(dòng)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(hù)形態(tài)設(shè)計(jì)如圖2所示，其效果如圖3所示。

圖2 小石嘴東海灘養(yǎng)護(hù)形態(tài)設(shè)計(jì)

圖3 小石嘴東海灘養(yǎng)護(hù)效果

2.2 養(yǎng)護(hù)海灘剖面設(shè)計(jì)

海灘平衡剖面理論的簡(jiǎn)單方法已被應(yīng)用到海灘養(yǎng)護(hù)工程中。海灘養(yǎng)護(hù)工程剖面的坡度通常設(shè)置比平衡剖面更陡，形成一個(gè)凸出，或者平面上的一個(gè)“鼓起”。海灘平衡剖面設(shè)計(jì)有多種方法，外伶仃島海岸潮差小，波浪作用較強(qiáng)，適用于Dean（1977）的海灘平衡剖面模式。這一方法在美國(guó)應(yīng)用十分廣泛，它主要針對(duì)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(shí)際情況，將人工沙灘的上限高程（即灘肩高程）設(shè)置為2．9 m（85國(guó)家高程基準(zhǔn)）。根據(jù)上文的設(shè)計(jì)方法，海灘經(jīng)過天然動(dòng)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(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)思路

養(yǎng)灘沙沉積物粒徑的選擇是海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一，海灘沉積物粒級(jí)對(duì)海灘穩(wěn)定性具有重要影響，在設(shè)計(jì)海灘養(yǎng)護(hù)工程的填沙粒徑時(shí)，要考慮其在海岸防護(hù)和休閑旅游方面的4個(gè)主要表現(xiàn)：海灘穩(wěn)定性、沉積物動(dòng)力學(xué)、持久性和海灘休閑需要。

一般而言，某種粒級(jí)沉積物組成的海灘在強(qiáng)波浪動(dòng)力條件下會(huì)形成一個(gè)較緩的坡度，而動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系

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

2.3.2 設(shè)計(jì)方法

由于養(yǎng)護(hù)研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)資料和沉積資料較少，采用天然沉積物類比的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)海灘沉積物設(shè)計(jì)。為了掌握海灘沉積物基本特征，在小石嘴東西兩個(gè)海灘的橫向剖面上都進(jìn)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(dá)3～4 mm。據(jù)了解，2010年小石嘴海灘曾經(jīng)進(jìn)行過小范圍的人工補(bǔ)沙，補(bǔ)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(bǔ)沙方量較小，但是補(bǔ)沙沉積物粒徑較大。

2.3.3 養(yǎng)灘沉積物的確定

根據(jù)對(duì)當(dāng)前研究區(qū)海灘的沉積分析和養(yǎng)護(hù)研究，小石嘴海灘養(yǎng)護(hù)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(bǔ)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(hù)剖面雙層鋪沙示意圖

（1）墊層沙要求為礫沙，沙質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為石英＋長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)為石英大于80%，石英＋長(zhǎng)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(duì)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(dǎo)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(duì)海岸的影響

海灘補(bǔ)沙后海灘寬度和沙層厚度將增加，增強(qiáng)了海灘對(duì)波能的滲透和吸收能力，同時(shí)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(hù)岸作用。

3.3 海灘改造對(duì)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(xì)沙，海灘回填不會(huì)改變底質(zhì)物質(zhì)組成，對(duì)包括底棲生物在內(nèi)的原始生態(tài)環(huán)境將會(huì)形成短期的影響，需經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù)。

3.4 景觀影響

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

3.5 對(duì)改造岸段濱岸區(qū)的影響

實(shí)施海灘養(yǎng)護(hù)施工過程中懸沙量增加，沿岸輸沙量增大，對(duì)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(zāi)害的影響。宏觀看來，本次實(shí)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(fù)治理工程可以營(yíng)造平衡穩(wěn)定的岬灣，不會(huì)對(duì)濱岸區(qū)造成影響。

4 總結(jié)

目前外伶仃島海灘修復(fù)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(jìn)行施工，在原有部分天然濱海沙灘的基礎(chǔ)上，加大了灘肩寬度，延展了沙灘岸線長(zhǎng)度，并在后期監(jiān)測(cè)中保持了較高的穩(wěn)定性。在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們提出了后續(xù)研究和二期工程中應(yīng)注意的問題。

根據(jù)相關(guān)同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，小石嘴沙灘修復(fù)工程實(shí)施過程中，沙源質(zhì)量問題事關(guān)工程成敗。對(duì)比可知，岬角西側(cè)海灘沉積物相對(duì)較細(xì)，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(hù)周期更長(zhǎng)，必須要求沙源質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。建議業(yè)主安排專人負(fù)責(zé)聯(lián)系、落實(shí)工程用沙的沙源，并跟蹤監(jiān)督，保證入場(chǎng)工程用沙的質(zhì)量。

相對(duì)而言，小石嘴海灘養(yǎng)護(hù)工程較小，長(zhǎng)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(hù)沉積物粒徑要大于1．4 mm。

對(duì)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(fēng)暴潮襲擊和影響的次數(shù)較多，這對(duì)于海灘穩(wěn)定性面臨較大的考驗(yàn)，可能在高強(qiáng)度水動(dòng)力作用下發(fā)生明顯變化。但是在高能水動(dòng)力作用期間發(fā)生遷移的沉積物一般不會(huì)被搬運(yùn)至海灘系統(tǒng)之外，可以在常規(guī)水動(dòng)力作用下逐漸恢復(fù)。

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

建議在研究區(qū)附近建立一個(gè)長(zhǎng)期水文綜合觀測(cè)站，以測(cè)量近岸水動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

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