童宵嶺, 時(shí)連強(qiáng), 夏小明, 程 林, 姜呈浩

(1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 杭州 310058; 2. 國(guó)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(hù)對(duì)策

童宵嶺1,2, 時(shí)連強(qiáng)2, 夏小明2, 程 林2, 姜呈浩2

(1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 杭州 310058; 2. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

以浙江岬灣砂質(zhì)海岸象山皇城海灘為例, 運(yùn)用拋物線模型, 分析得出皇城海灘的沖淤演化動(dòng)態(tài),并通過(guò)歷史岸線形態(tài)對(duì)比探討皇城海塘對(duì)其的影響, 最終提出防止海岸侵蝕的對(duì)策。研究結(jié)果表明,皇城海灘北部有一定的侵蝕, 其平面形態(tài)還未達(dá)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(guò)于靠海, 致使海灘最重要的泥沙補(bǔ)給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時(shí)大潮水位可直接淹沒(méi)海塘堤腳, 加上海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈, 最終導(dǎo)致堤前灘面的沖刷。基于此,防止海岸侵蝕的最佳對(duì)策是在拆除、重建海灘北部部分海塘后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮B(yǎng)護(hù)。通過(guò)對(duì)皇城海灘的穩(wěn)定性研究, 了解海塘建設(shè)的影響, 可為浙江岬灣海灘資源的合理開發(fā)、海岸防護(hù)工程建設(shè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

象山皇城海灘; 拋物線模型; 沖淤演化; 防護(hù)對(duì)策

砂質(zhì)海岸經(jīng)常被自然岬角所分隔, 并且當(dāng)優(yōu)勢(shì)波以一定角度抵達(dá)岸線, 這些砂質(zhì)海岸在優(yōu)勢(shì)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(jì)40年代開始, 海岸科學(xué)家們?yōu)樘接懞０督ㄖ?duì)海灘的影響引入了經(jīng)驗(yàn)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(dāng)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(yàn)關(guān)系[3-5],它考慮了上游岬角與波浪繞射的影響, 最具工程價(jià)值[6]。在Silvester和Hsu[1]進(jìn)一步論證了拋物線模型的合理性后, 拋物線模型在檢驗(yàn)岬間海灣的穩(wěn)定性上得到了廣泛的應(yīng)用。李志龍、陳子燊、于吉濤[7-8]認(rèn)為拋物線為三種岬灣模型中較為理想的模型, 并運(yùn)用此模型對(duì)華南岬間海灣的穩(wěn)定狀況進(jìn)行了分析,指出其可以預(yù)測(cè)海灘長(zhǎng)期演變。Jackson[9]運(yùn)用拋物線模型分析和預(yù)測(cè)了愛(ài)爾蘭北部的9個(gè)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(zhǎng)度不足 100 km, 僅占全國(guó)砂礫質(zhì)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(lái), 在自然和人為因素的雙重作用下, 海灘侵蝕現(xiàn)象日趨嚴(yán)重, 我國(guó) 70%左右的砂質(zhì)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(chǎng)功能嚴(yán)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(yīng)用, 另外浙江沿岸動(dòng)力條件特殊, 潮汐動(dòng)力較強(qiáng), 并且受長(zhǎng)江來(lái)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(yàn)證拋物線模型在該區(qū)的適用性, 解釋近期海灘的動(dòng)態(tài)演變特征, 為該區(qū)岬灣海灘保護(hù)提供相應(yīng)的理論依據(jù), 而且對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)岬灣海灘的動(dòng)力地貌過(guò)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(yùn)用拋物線模型, 分析海灘的沖淤演化動(dòng)態(tài), 探討皇城海塘的影響, 最終提出海岸防護(hù)的對(duì)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(guó)灣內(nèi)(121°57′26′E, 29°14′50′N), 灘面平緩,沙質(zhì)軟硬適中, 海灘長(zhǎng)1 800 m, 寬300 m, 狀如一彎新月, 其地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 同時(shí)又受海洋性氣候影響。本區(qū)常風(fēng)向[11]為 NNE, 冬季風(fēng)向以 NE為主, 次風(fēng)向?yàn)?NW, 夏季風(fēng)向以偏 S為主, NE次之。本區(qū)的波浪[11]為風(fēng)浪與涌浪的混合型, 出現(xiàn)頻率基本相等, 風(fēng)浪常浪向?yàn)镹E, 涌浪常浪向以E向?yàn)橹? 頻率達(dá)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(dǎo)地位。該區(qū)流速不大, 漲、落潮平均流速一般不超過(guò)0.6 m/s。

2 研究方法

本文擬使用拋物線模型來(lái)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(yàn)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(rèn)定岬間海灣滿足封閉式體系特征, 并以上游岬角為起始點(diǎn)。

拋物線模型(Hsu and Evans[12])公式如下:

圖1 平衡砂質(zhì)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(jì)算出相對(duì)應(yīng)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(duì)比實(shí)際海灘濱線, 若預(yù)測(cè)曲線相對(duì)實(shí)際濱線向岸一側(cè)凹進(jìn),則可認(rèn)為該海岸處于不平衡狀態(tài)。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋物線模型在皇城海灘的應(yīng)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(zhǎng)度R0為1.728 km, 優(yōu)勢(shì)波浪入射方向角β為47.09°。將β值代入公式(2)～(4), 計(jì)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(shè)步長(zhǎng)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(shí)際海灘濱線基本相符, 但是其北部與實(shí)際濱線相比明顯不符,表明2003年皇城海灘尚未達(dá)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(zhǎng)江來(lái)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(dá), 且多為細(xì)顆粒沉積物, 加之海灘沒(méi)有河流切穿入海, 海灘沉積物補(bǔ)給主要依靠后濱沙丘供砂, 然而皇城海塘北段過(guò)于靠海, 大潮水位即可淹沒(méi)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(bǔ)給, 故皇城海灘北部有一定的侵蝕, 這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)到的侵蝕狀況是一致的(圖4、圖5)。

圖3 拋物線模型模擬結(jié)果(藍(lán)色)與2003年衛(wèi)星影像實(shí)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(hù)岸海塘對(duì)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(duì)建塘前后海灘實(shí)際濱線與推算的平衡平面形態(tài)進(jìn)行比較。鑒于皇城海灘沿岸石質(zhì)護(hù)岸海塘修建于2000年, 因此本文分別選用1962～1964年所測(cè)海圖數(shù)據(jù)與2003年和2009年的遙感圖像數(shù)據(jù)為對(duì)比。

圖6 海塘修建前岸線形態(tài)與平衡形態(tài)對(duì)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(cè)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(dòng)力長(zhǎng)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(jìn)行比較, 結(jié)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(jié)果對(duì)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(dá)到平衡狀態(tài)。這與皇城海灘來(lái)沙條件的改變有關(guān), 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(guò)于靠海, 致使海灘失去了最重要的補(bǔ)給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時(shí)大潮水位可直接淹沒(méi)堤腳, 加之海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈, 最終導(dǎo)致堤前灘面的沖刷。在泥沙無(wú)法得到有效補(bǔ)給的情況下, 皇城海灘將會(huì)繼續(xù)侵蝕。

3.3 海岸侵蝕防護(hù)對(duì)策

針對(duì)皇城海灘北部的侵蝕問(wèn)題, 建議采取以下措施。

圖7 對(duì)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(hù)對(duì)策是進(jìn)行海灘養(yǎng)護(hù)。海灘養(yǎng)護(hù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用, 是海灘護(hù)岸的大勢(shì)所趨。皇城海灘為岬灣海灘, 灣內(nèi)波浪動(dòng)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(hù), 而且其后期維護(hù)成本也比較低。通過(guò)在皇城海灘蝕退的地方持續(xù)拋填大量?jī)?yōu)質(zhì)沙, 使海灘濱線向海推進(jìn)直至達(dá)到平衡形態(tài)。海灘養(yǎng)護(hù)可以極大的緩解侵蝕狀況, 維持當(dāng)?shù)氐妮斏称胶?。通過(guò)適當(dāng)增加海灘寬度, 也能較大地降低海浪能量, 減小風(fēng)暴潮對(duì)海岸及海岸建筑物的破壞, 提升海灘的整體景觀效應(yīng)。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(lè)設(shè)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(yùn)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(bǔ)給。它的好處是可以使海灘輸沙恢復(fù)至自然平衡狀態(tài), 而且技術(shù)要求低, 可操作性強(qiáng), 但是拆除、重建工程需要一定的人力和財(cái)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(zhǎng)度R0可以達(dá)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(qiáng), 成本較低, 但是靜態(tài)平衡濱線向陸偏移會(huì)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(dòng)力作用增強(qiáng), 并且會(huì)影響其觀賞旅游價(jià)值。

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

4 結(jié)論

1) 應(yīng)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(duì)海灘進(jìn)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(méi)有達(dá)到靜態(tài)平衡, 處于不穩(wěn)定狀態(tài), 這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)到的侵蝕狀況是一致的。

2) 皇城海塘北段過(guò)于靠海的設(shè)計(jì)是導(dǎo)致皇城海灘北部侵蝕的重要原因。北段海塘修建得過(guò)于靠海,致使海灘失去了最重要的補(bǔ)給源——后濱沙丘被阻斷, 甚至消失, 同時(shí)大潮水位可直接淹沒(méi)堤腳, 加之海塘前為近破波, 灘面水流和泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈, 最終導(dǎo)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(dá)到平衡狀態(tài)。在泥沙無(wú)法得到有效補(bǔ)給的情況下, 皇城海灘將會(huì)繼續(xù)侵蝕。

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

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(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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40806038); 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200905008, 201005010); 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)

費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)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(xué)研究, 電話: 0571-81963329, E-mail: inter0571@126.com;時(shí)連強(qiáng), 通信作者, 男, 山東青州人, 副研究員, 主要從事河口海岸動(dòng)力沉積與地貌及環(huán)境磁學(xué)研究, E-mail: slqgj@163.com