黎奕宏，雷 剛，蔡 鋒，戚洪帥，朱 君

(自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

中國海岸帶是世界上發(fā)展最快和最具經(jīng)濟(jì)活力的區(qū)域之一[1].改革開放以來，為滿足大規(guī)模近海資源的開發(fā)利用需求，海岸防護(hù)工程、海港工程、沿海漁業(yè)設(shè)施、圍填海工程、人工島等各類海岸工程如雨后春筍般出現(xiàn).我國自然岸線中砂質(zhì)海岸分布范圍較廣，隨著時間的推移，海岸工程的建設(shè)對砂質(zhì)海岸造成了不同程度的負(fù)面影響.

20世紀(jì)70年代以來，眾多海岸科學(xué)家開始關(guān)注人類活動尤其是海岸工程建設(shè)對砂質(zhì)海岸的影響.海堤和護(hù)岸是最基本的海岸防護(hù)設(shè)施，但在長期使用過程中發(fā)現(xiàn)，護(hù)岸建設(shè)后加劇了海灘的侵蝕和破壞，導(dǎo)致海灘退化[2-4]，特別是對于長期遭受海岸蝕退威脅的岸段來說，這種負(fù)面效應(yīng)更為強烈[5].護(hù)岸雖然在一定時間和空間內(nèi)可以達(dá)到穩(wěn)固岸線的目的，但常常伴隨護(hù)岸附近岸灘的下蝕和蝕退[6]；丁壩、突堤、防波堤等垂直于海岸的工程建筑由于阻擋上游來沙而造成下游岸段海灘發(fā)生侵蝕后退[7]；離岸堤利用壩后波影區(qū)促進(jìn)海灘淤長的同時，波影區(qū)下游岸段也極易發(fā)生嚴(yán)重的侵蝕[8]；離岸建設(shè)人工島是圍填海的重要方式之一[9]，而其建設(shè)會導(dǎo)致岸灘局部沖刷和淤積，改變海岸演變態(tài)勢[10-11].

本研究選取硬式護(hù)岸、漁港工程和人工島等3類典型海岸工程為研究對象，根據(jù)典型工程案例，探討了3類海岸工程對相鄰海灘的影響方式、尺度和原因，歸納總結(jié)并對比分析了不同類型海岸工程對相鄰海灘的負(fù)面影響，可為海岸工程建設(shè)管理和海灘保護(hù)過程中提供參考.

1 我國典型海岸工程概況與案例

1.1 我國典型海岸工程與海灘概況

1.1.1 我國典型海岸工程概況 海岸工程按其與海岸的位置關(guān)系可以分為順岸工程、垂岸工程和離岸工程3種類型.在我國，硬式護(hù)岸、漁港防波堤和人工島作為順岸、垂岸和離岸等3類海岸工程的代表在沿海各省(直轄市、自治區(qū))的分布情況如圖1所示.

圖1 我國沿海各地典型海岸工程建設(shè)情況Fig.1 Situation of typical engineering construction in coastal areas of China

我國沿海已建海堤約1.27×104km，全國2/3左右的岸線被硬式護(hù)岸覆蓋，廣東省海堤建設(shè)長度最長，達(dá)4 032 km[12]；我國沿海分布有58個國家中心漁港，山東、浙江、福建、廣東作為漁業(yè)大省漁港分布相對集中，其中山東省建設(shè)有11個中心漁港[13].我國人工島建設(shè)起步較晚，目前，我國沿海自北向南建設(shè)有約31座不同規(guī)模、不同用途的人工島，海南省人工島數(shù)量最多，且多用于海上旅游娛樂.

1.1.2 我國海灘概況 砂(礫)質(zhì)岸線即海灘是我國自然岸線的重要組成部分，分布在除天津、上海的沿海各省(自治區(qū))，但目前我國砂質(zhì)海岸正遭受海岸侵蝕的嚴(yán)重威脅.從圖2可以看出，1980—2014年我國砂(礫)質(zhì)岸線長度持續(xù)下降，34 a時間內(nèi)砂(礫)質(zhì)岸線長度減少了將近46.5%[14-15].

圖2 各時期我國砂(礫)質(zhì)岸線長度變化Fig.2 Changes of sand/gravel beach coastline length in China in various periods

2000年以來，砂質(zhì)海岸侵蝕速率大多在1～3 m/a之間[16].據(jù)統(tǒng)計，我國砂質(zhì)海岸將近一半處于侵蝕狀態(tài)，海灘破壞和退化嚴(yán)重，其中江蘇省砂質(zhì)海岸全部遭受侵蝕，河北、山東、福建、廣東、廣西5省砂質(zhì)海岸侵蝕比例也均超過50%[17]，我國海灘面臨危機形勢.

1.2 海岸工程對相鄰海灘影響的典型案例

1.2.1 泉州青山灣護(hù)岸對相鄰海灘的影響 青山灣位于福建省泉州市崇武半島南岸，地理坐標(biāo)為24°51′～24°54′N，118°49′～118°54′E.青山灣形態(tài)大致為WE向延伸的岬灣，灣口朝SSE向，岸線長約10 km，青山灣向岸入射波主要為SE—SSE向和S—SSW向，表現(xiàn)為自東向西的沿岸輸沙[18].青山灣海灘上游護(hù)岸修建前海灘灘肩寬度近120 m，人工護(hù)岸的修建對青山灣海灘整體產(chǎn)生了一系列影響.

在海岸形態(tài)變化方面，2008年泉州沿海大通道占用青山灣東側(cè)部分海域，海灘東側(cè)有蝕退跡象，為防護(hù)路基并防止海灘進(jìn)一步侵蝕，海岸東側(cè)修建了人工護(hù)岸，至2011年，護(hù)岸建設(shè)范圍達(dá)到1 200 m.從圖3a可以看出，2008年3月海灘形態(tài)仍然較為勻稱，海灘西側(cè)岸段由于上游泥沙供給尚為充足，該岸段處于淤積階段，沙嘴依然發(fā)育；但從2011年衛(wèi)星影像圖(圖3b)中可以看出海灘中部岸段發(fā)生明顯侵蝕后退，海灘被侵蝕剩余不足20 m，西側(cè)沙嘴逐漸消失.這是由于上游護(hù)岸的修建阻止海岸進(jìn)一步侵蝕后退，對下游岸段而言，上游侵蝕來沙減少，得不到足夠物源補給，在沿岸流作用下發(fā)生侵蝕后退.護(hù)岸附近岸段最先受到沙源匱乏影響，表現(xiàn)為明顯蝕退，隨著繼續(xù)向西輸沙，沙嘴附近由于得不到充足的物源供給，由淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g，加之非法采砂等其他因素的影響，沙嘴岸段侵蝕表現(xiàn)更為明顯.

為探討岸灘剖面變化情況，在青山灣海灘選取QSW-1和QSW-2兩個剖面進(jìn)行研究，剖面位置如圖3b所示.剖面QSW-1位于青山灣中部，從2016年7月和2017年3月兩次觀測結(jié)果(圖3c)對比可以看出，該剖面高潮帶相對穩(wěn)定，自距離測量原點39 m處開始發(fā)生下蝕，最大下蝕深度為0.7 m.QSW-2剖面大致位于護(hù)岸與下游海灘交界處，從圖3d可以看出，該剖面整體下蝕，平均下蝕0.6 m，最大下蝕量發(fā)生在距離測量原點43 m處，最大下蝕量為0.9 m.

圖3 不同時期青山灣海灘岸線和剖面變化對比Fig.3 Comparison of beach coastline and profile changes in Qingshan Bay in various periods a、b為青山灣不同時期衛(wèi)星影像圖，c、d為青山灣兩剖面不同時期形態(tài)變化對比

1.2.2 崇武中心漁港對相鄰海灘的影響 崇武中心漁港建于泉州市崇武半島南岸半月灣，上文所述青山灣東側(cè)，灣口朝南，岸線大致呈WE向延伸，半月灣原有海灘長約2.5 km，寬約50～100 m[19].2003年在海灣的東側(cè)修建了一級漁港和南防波堤(圖4a)，2009年防波堤工程擴(kuò)建，在原有基礎(chǔ)上修建了西防波堤(圖4b).研究區(qū)內(nèi)全年波向主要集中在ENE—SW向，春、冬季常浪向為E向，夏季常浪向為SSE向，秋季常浪向為ESE向.漁港工程的建設(shè)同樣對海灘岸線和剖面產(chǎn)生了不同程度的影響.

為研究海岸形態(tài)變化，借助衛(wèi)星影像圖進(jìn)行對比(圖4a、b)可以清楚看出半月灣海灘西部岸段發(fā)生侵蝕，海岸線后退嚴(yán)重，2004年即漁港防波堤建成1 a后，半月灣西側(cè)干灘寬度尚有近百米，至2017年該部分海灘幾乎侵蝕殆盡，這是由于漁港防波堤阻擋了SE向的波浪，而SW向波浪依然存在，作用于海岸形成自西向東的沿岸輸沙，長期單向輸沙致使上游缺少泥沙補給而發(fā)生侵蝕后退；中部岸段因受攔沙堤阻擋開始便呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，但隨著時間推移，淤積程度愈加明顯，至2017年泥沙逐漸淤積形成弧形干灘.

為了解岸灘剖面變化，選取剖面BYW-1和BYW-2(圖4b)進(jìn)行對比研究，剖面BYW-1位于半月灣西部侵蝕岸段，BYW-2剖面位于中部淤積岸段，將兩個典型剖面2015年7月和2017年7月的觀測結(jié)果(圖4c、d)進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，BYW-1剖面兩年間的變化趨勢表現(xiàn)為下蝕，該剖面無灘肩發(fā)育，自距離測量原點8～78 m部分均發(fā)生下蝕，最大下蝕量發(fā)生在距離測量原點19 m處，達(dá)0.5 m.BYW-2剖面靠近攔沙堤，泥沙在此處淤積，形成較大面積干灘，平均干灘寬度約為100 m.在距離測量原點50～100 m處發(fā)育一突起沙丘，2015年7月至2017年7月沙丘向海淤漲，低潮帶變化不大，以淤積為主.

1.2.3 南海明珠人工島對相鄰海灘的影響 ?？谀虾Ｃ髦槿斯u位于?？跒澄骱０?工程所在海域全年以風(fēng)浪為主；潮流為往復(fù)流形式，方向基本上呈W—E向；常浪向為NNE向，次常浪向為NE向.根據(jù)波浪場和岸灘演變數(shù)值模擬分析[20]，人工島建成后預(yù)測岸線如圖5所示.

從數(shù)值模擬結(jié)果來看，人工島建設(shè)前，海岸基本處于平衡狀態(tài).人工島建設(shè)對海灘西段和中段有較大影響，對東段影響較小.由于人工島離岸較遠(yuǎn)，最終不會形成連島沙壩.人工島一、二期建設(shè)后，其后方形成了明顯的淤積區(qū)，3 a最大向海淤進(jìn)約10 m，淤積區(qū)兩側(cè)均發(fā)生局部沖刷，西側(cè)岸段3 a最大侵蝕量約為17 m[21].

圖4 不同時期半月灣海灘岸線和剖面變化對比Fig.4 Comparison of beach coastline and profile changes in Banyue Bay in various periods a、b為半月灣不同時期衛(wèi)星影像圖，c、d為半月灣兩剖面不同時期形態(tài)變化對比

圖5 南海明珠人工島建設(shè)后預(yù)測岸線示意Fig.5 Prediction of coastline change after the construction of Nanhaimingzhu artificial island

2 討論

2.1 硬式護(hù)岸對相鄰海灘的影響

海堤和護(hù)岸通過將海洋動力與陸地隔離開的方式使岸線不再后退[22]，不可避免地改變了原有海灘的形狀和位置、波浪和潮汐能量、物質(zhì)補充的數(shù)量和質(zhì)量以及海平面的位置[23]，影響海灘動力和沉積物平衡.Dean(1987)總結(jié)了9種護(hù)岸對附近岸灘作用的基本類型，將不同條件下灘面對護(hù)岸的響應(yīng)進(jìn)行了說明[24].本研究根據(jù)前文案例將硬式護(hù)岸對相鄰海灘的影響歸納為護(hù)岸對堤前海灘的影響和其對下游海灘的影響.

一部分硬式護(hù)岸修建于海灘后濱，正常潮汐條件下護(hù)岸與波浪相互作用很少，這類護(hù)岸對海灘幾乎沒有影響，這里需要討論的是臨海建設(shè)的硬式護(hù)岸(圖6c).護(hù)岸對堤前海灘產(chǎn)生的影響：漲潮過程中，波浪逐漸逼近堤岸，垂直護(hù)岸方向上的波浪經(jīng)護(hù)岸的反射顯著增強，增強后的波浪掏蝕堤腳，沖刷堤前灘面，并攜帶灘面沉積物持續(xù)向海搬運，由于護(hù)岸的修筑阻斷了后方泥沙供給，垂直于海岸方向上的泥沙供給平衡被打破，造成護(hù)岸前灘面下蝕，沉積物堆積于向海區(qū)域.護(hù)岸對下游相鄰海灘產(chǎn)生的影響：對沿岸輸沙的下游岸段來說，上游侵蝕泥沙是下游岸段維持平衡穩(wěn)定的物源，隨著上游護(hù)岸的修建，上游侵蝕來沙逐漸減少，下游岸段得不到充足補給，收支失衡，岸線侵蝕后退.斜向入射波浪在硬式護(hù)岸上發(fā)生反射，反射波浪在護(hù)岸下游相鄰海岸前與入射波浪疊加對下游岸段產(chǎn)生強烈沖刷，因此在下游海灘與護(hù)岸交界處發(fā)育一個侵蝕熱點；下游岸段遠(yuǎn)離護(hù)岸方向受沿岸輸沙補給影響越來越小，從而受護(hù)岸影響逐漸減弱.從剖面變化來看，護(hù)岸前海灘剖面表現(xiàn)為明顯下蝕，靠近護(hù)岸區(qū)域下蝕最為嚴(yán)重；護(hù)岸下游海灘剖面中潮帶附近坡度變陡，出現(xiàn)明顯破折，整體表現(xiàn)為下蝕.

2.2 漁港工程對相鄰海灘的影響

對于漁港工程對相鄰海灘的影響，Moutzouris(1990)早已明確指出，漁港工程建設(shè)會直接導(dǎo)致部分地區(qū)海灘的侵蝕或淤積[25]； Uda等(2005、2007)經(jīng)過大量調(diào)查研究后認(rèn)為漁港防波堤建設(shè)阻擋沿岸輸沙以及其形成的波浪遮蔽區(qū)內(nèi)動力條件改變是造成海灘形態(tài)變化的主要原因[26-27].

我國漁港建設(shè)普遍利用天然岬角、島嶼形成的灣澳[28]，并在原有基礎(chǔ)上延伸建設(shè)不同角度、不同規(guī)模的防波堤阻擋風(fēng)浪，以滿足更高的漁港防護(hù)要求.我國典型漁港防波堤建設(shè)對岸線變化的影響及典型剖面變化響應(yīng)如圖6d、b所示.

漁港防波堤對海灘形態(tài)的影響主要表現(xiàn)在：引起動力環(huán)境改變.防波堤阻擋主入射波，波能在堤頭發(fā)生繞射，逐漸向波影區(qū)耗散，波影區(qū)內(nèi)動力條件減弱，泥沙逐漸淤積，引起沿岸輸沙的改變.雖然主防波堤阻擋了SE向主入射波，但SW向入射波浪依然存在，沿岸輸沙方向變?yōu)樽晕飨驏|，沉積物自西向東搬運過程中缺少W向補給，岸線侵蝕后退，直至形成新的岬灣形態(tài)，且該岸段發(fā)育形成侵蝕熱點；當(dāng)岸線與入射波峰線近似平行時，岸線不發(fā)生后退，下游由于受到防波堤的阻擋，沉積物堆積于此.從剖面形態(tài)變化來看，侵蝕岸段出現(xiàn)明顯破折，剖面總體下蝕；淤積岸段灘肩淤漲，中潮帶坡度變緩.

圖6 3類海岸工程建設(shè)前后岸線及部分剖面變化示意Fig.6 Sketch map of coastline and partial section changes before and after 3 types of coastal engineering construction a、b為剖面形態(tài)變化，c為硬式護(hù)岸,d為漁港工程,e、f為人工島

2.3 人工島對相鄰海灘的影響

人工島建設(shè)前期，人們往往最關(guān)注人工島建成后與海岸之間是否形成沙岬或連島沙壩[29-30]，但人工島對海灘的最大威脅在于造成局部侵蝕，破壞原有海岸形態(tài).人工島的大小、離岸距離和相對位置不同，人工島后方的波浪傳播、波生流、泥沙供給條件、沖淤變化隨之產(chǎn)生差異[31-32]，這直接關(guān)系人工島建設(shè)對海灘的影響尺度.以離岸堤作為參考，Dally等(1986)提出，是否形成沙岬或連島沙壩與離岸堤長度B與其離岸距離X之比B/X有關(guān)，對于單個離岸堤，當(dāng)0.67≤B/X<1.5時，易發(fā)育沙岬；當(dāng)1.5≤B/X<2.0時，易形成連島壩[33].

若人工島與岸線之間只發(fā)育形成沙岬，如圖6e所示，入射波浪傳向海岸時，經(jīng)人工島繞射，在人工島后波浪波高減小，波能擴(kuò)散，人工島對其后方海岸有波浪掩護(hù)作用，形成波影區(qū).上游沿岸輸沙在人工島后波浪掩護(hù)區(qū)內(nèi)逐漸向海沉積，形成沙岬，而波浪掩護(hù)區(qū)以外的下游岸段由于泥沙來源受到阻隔，該岸段在破波和沿岸流作用下侵蝕后退，此岸段形成一個侵蝕熱點；對于上游岸段來說，由于單向輸沙，泥沙補給能力有限，也會對該岸段造成一定程度的侵蝕，在該處同樣會發(fā)育一個侵蝕熱點.

當(dāng)受人工島大小、離岸距離等因素影響，人工島與岸線之間形成連島沙壩時，如圖6f所示，海灘的響應(yīng)機制也發(fā)生改變.人工島與岸線之間形成的連島沙壩相當(dāng)于垂向海岸工程，完全阻斷了沿岸輸沙，下游岸段將發(fā)生大范圍侵蝕后退，形成較大的侵蝕熱點.

2.4 對比3類海岸工程對相鄰海灘的影響

對3類海岸工程對相鄰海灘影響方式、原因進(jìn)行討論，對比分析結(jié)果如表1所示.

表1 3類海岸工程對相鄰海灘影響Tab.1 Effects of 3 types of coastal engineering structures on the adjacent beaches

3 結(jié)論

(1)硬式護(hù)岸主要對相鄰海灘產(chǎn)生兩類影響.一類是臨海護(hù)岸對直接接觸的海灘產(chǎn)生影響，護(hù)岸阻擋垂直于海岸方向上的陸源補給，泥沙不斷向海運移，使護(hù)岸前海灘整體下蝕，堤腳處掏蝕最為嚴(yán)重；另一類護(hù)岸的修建阻礙下游岸段泥沙補給，下游岸段沿岸輸沙收支失衡，岸線侵蝕后退，下游岸段與上游護(hù)岸交界處受到反射波浪和沿岸流的疊加作用往往發(fā)育形成侵蝕熱點.在護(hù)岸對相鄰海灘的影響過程中，護(hù)岸修建直接阻隔了物源補給，破壞輸沙平衡是造成護(hù)岸周圍海灘侵蝕后退的主要原因.

(2)漁港防波堤工程對相鄰海灘產(chǎn)生兩方面影響.一是防波堤與岸線之間形成波影區(qū)，波能在波影區(qū)內(nèi)耗散，致使該范圍內(nèi)動力條件減弱，泥沙逐漸淤積；二是漁港防波堤的建設(shè)往往阻擋單一方向入射波浪，破壞輸沙平衡，使原本處于輸沙平衡狀態(tài)的海灘沿單一方向輸沙，下游岸段由于缺少泥沙補給岸線侵蝕后退，而上游岸段由于漁港其他構(gòu)筑物的阻擋發(fā)生淤積，海灘形態(tài)發(fā)生改變.漁港防波堤的建設(shè)直接阻擋了該方向波浪傳播，影響了水動力條件，從而間接導(dǎo)致沿岸輸沙平衡被破壞，引起海灘的侵蝕和淤積，此過程中水動力條件改變是造成海岸侵蝕的最根本原因.

(3)人工島由于島體大小、離岸距離及相對位置的不同，相鄰海灘主要形成沙岬和連島沙壩兩種形式的突出體.若波影區(qū)范圍內(nèi)形成沙岬，下游來沙受到一定阻隔，因泥沙供給不充足而侵蝕后退，且下游岸段容易形成侵蝕熱點，上游岸段若持續(xù)單向輸沙且沒有足夠的沙源補給，岸線同樣侵蝕后退形成侵蝕熱點；若波影區(qū)內(nèi)淤積形成連島沙壩，連島沙壩將完全阻斷下游泥沙補給來源岸輸沙，下游岸段將發(fā)生大范圍侵蝕后退，形成較大的侵蝕熱點.

(4)臨海護(hù)岸由于破壞縱向輸沙平衡、改變水動力環(huán)境，引起灘面持續(xù)下蝕.護(hù)岸的修建還可能破壞沿岸輸沙平衡，造成沿岸輸沙下游岸線階段性侵蝕后退.漁港工程和人工島的修建往往均會改變原有水動力條件，造成泥沙運移失衡，導(dǎo)致岸線再平衡，最終岸線發(fā)生較明顯變化.