蔡大昕,王小磊
(中交第一航務(wù)工程局第五工程有限公司,秦皇島 066000)
海岸與近海海域水文環(huán)境與泥沙運動特征是海域動力環(huán)境與沉積環(huán)境的重要參數(shù),是一個區(qū)域水動力與泥沙之間相互作用的體現(xiàn),反映了區(qū)域動力、泥沙及地貌三者之間相互反饋的耦合機制,對港口航道、海岸整治與防護工程等方面研究具有重要意義[1-4]。
樂東黎族自治縣是海南省自治縣,位于海南島西南部,海域面積1 726.8 km2,海岸線長84.3 km。龍棲灣位于海南樂東縣西南(圖1),據(jù)國家海洋局發(fā)布的《中國海平面公報》與近一些遙感圖像顯示:龍棲灣岸段海岸侵蝕嚴重,海岸構(gòu)筑物破壞、海灘生態(tài)環(huán)境惡化,岸灘侵蝕后退會對當?shù)孛癖娚拓敭a(chǎn)造成一定損失,同時也導(dǎo)致當?shù)芈糜钨Y源得不到充分開發(fā)。當?shù)刂鞴懿块T擬通過海岸整治與修復(fù)工程改善民生環(huán)境、保護海洋生態(tài)環(huán)境。
建設(shè)海岸整治與修復(fù)工程,首先要了解工程海域的水文環(huán)境與泥沙運動特征,分析海岸侵蝕原因,才能有的放矢科學(xué)地實施工程。有關(guān)龍棲灣海域的水文、泥沙或沉積物等方面的研究,至今不多見,王寶燦等[5]在其論著中對瓊西南包括龍棲灣海域的水動力與地貌特征進行了論述,欒英妮等[6]分析了海南龍棲灣海域波浪特征,采用波浪數(shù)學(xué)模型方法計算該海域的設(shè)計波浪要素。而針對該海域水沙環(huán)境、泥沙運動特征與參數(shù)等方面的研究至今未見相關(guān)文獻報道。本文以海南龍棲灣海域為研究對象,以近期的水文泥沙資料為基礎(chǔ),分析該海域的自然條件、動力泥沙環(huán)境特征,計算泥沙活動性參數(shù),為海岸整治與修復(fù)工程建設(shè)提供依據(jù)與參考。
2016年8月在龍棲灣海域進行了大小潮水文全潮觀測(圖1),觀測內(nèi)容包括:流速、流向和含沙量。潮流數(shù)據(jù)采用聲學(xué)多普勒流速流向儀(ADCP)、含沙量數(shù)據(jù)采用自容式溫鹽深濁度測量儀(COMPACT CTD)測得。測流間隔為0.5 h,每次測流歷時180 s,測流分層淺水區(qū)(水深小于10 m)為0.5 m,深水區(qū)(水深大于10 m)為1.0 m;含沙量測量采用分層測量垂線水體濁度,具體測量時采用深度測量模式,將儀器勻速從水面下放至水底,儀器將自動以0.2 m的采樣間隔獲取垂線分層濁度。測量結(jié)束后以現(xiàn)場采取的水樣和懸沙對所有的CTD進行室內(nèi)率定分析,經(jīng)過率定分析處理建立濁度和含沙量之間的函數(shù)關(guān)系。
圖1 工程項目所在位置Fig. 1 Location of the project
2010年5月和2017年5月在龍棲灣海域進行了2次底質(zhì)取樣。樣品均采用蚌式抓斗采樣器采集,采樣深度為5~10 cm,每次采樣前后均嚴格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[8]的規(guī)定清洗采樣器,以防樣品污染,樣品采集后充分攪拌混合,經(jīng)現(xiàn)場描述后裝袋標識,運回實驗室以備分析。所采樣品經(jīng)由實驗室處理之后,采用英國馬爾文儀器公司的MS-2000型激光粒度分析儀進行粒度分析,然后根據(jù)國家海洋調(diào)查規(guī)范計算出泥沙粒度參數(shù)(中值粒徑D50、分選系數(shù)σ、偏度Sk等),并劃分粒級標準和進行沉積物命名。
為了從宏觀上掌握工程海域含沙量分布特征,選取了龍棲灣海域2011年10月21日和2015年9月30日兩期Landsat衛(wèi)星遙感影像資料,利用ENVI軟件,基于實測含沙量資料,建立水體懸浮泥沙濃度與遙感反射率之間的半定量的經(jīng)驗公式,反演含沙量場。
采用國內(nèi)外比較經(jīng)典的經(jīng)驗公式、規(guī)范公式對泥沙在水流、波浪作用下的泥沙起動流速、臨界起動水深、沿岸輸沙和橫向輸沙參數(shù)進行計算,來分析泥沙活動性。
龍棲灣附近海灣潮汐性質(zhì)為不正規(guī)日潮型,平均高潮位1.91 m(國家85基面),平均潮差1.53 m。根據(jù)實測潮流資料分析結(jié)果顯示(圖2)。
2-a 潮流矢量 2-b 余流矢量圖2 各站垂線平均潮流與余流矢量圖Fig.2 Vector diagram of average vertical current and residual current at each station
(1)潮流為不規(guī)則全日混合潮流,呈往復(fù)流,漲潮流向為NNW,落潮流向為SSE,大體上與海岸平行;漲、落潮流速相差不大,大潮期間漲潮平均流速在0.34~0.87 m/s,落潮平均流速在0.28~0.67 m/s;實測最大垂線平均漲潮流速為1.44 m/s,實測最大垂線平均落潮流速為1.13 m/s,在平面流速分布上,位于外側(cè)海域的測站流速大于近岸淺海流速。
(2)海域余流差別較大,外海H9站余流最大,其值介于16.0~17.0 cm/s;其他站位余流流速介于2.8~16.5 cm/s。受地形等因素影響,調(diào)查海域各站位余流較復(fù)雜。大潮期H1站各層余流流向均為西南向;H2站位余流流向為南向;H3、H9余流流向為西北向;H4、H5余流流向為西、西南向; H6余流流向向岸流,為西北、東北向;H7、H8余流流向則為西北、西南向。
龍棲灣海域沒有長期測波站,該海域西側(cè)鶯歌海岬角附近有鶯歌海海洋站,可為龍棲灣工程提供較可靠的風浪基礎(chǔ)資料。根據(jù)鶯歌海海洋站和龍棲灣所在位置(圖1),可以看出兩處海域岸線走向均相似,為NW~SE,影響海域的常浪向和強浪向基本一致,均為偏SW浪。因此,用鶯歌海海洋站測波資料代表龍棲灣的波浪有一定合理性。
根據(jù)鶯歌海海洋站多年波浪資料統(tǒng)計,該海域波浪以風浪為主,風浪常浪向是SE,其頻率為19%,次常浪向是SSE,其頻率是12%;強浪向是SE,最大波高值9.0 m,次強浪向是S和SSW,它們的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大,為1.0 m,NNE和WSW向平均波高值次之,為0.9 m。再結(jié)合工程實際位置和近期岸線情況,判斷SE向浪對龍棲灣影響相對較小,偏SW向浪對工程區(qū)影響較大。
根據(jù)2016年8月含沙量觀測資料:海域平均含沙量介于0.012~0.026 kg/m3;大、小潮平均含沙量差別不大;在垂線分布變化上,平均含沙量總體變化不大,表、中、底含沙量相對均勻。
為了從宏觀上掌握工程海域含沙量分布特征,選取了多個不同時間的Landsat衛(wèi)星遙感影像資料(圖3),利用ENVI軟件,基于實測含沙量資料,建立水體懸浮泥沙濃度與遙感反射率之間的半定量的經(jīng)驗公式,反演含沙量場。經(jīng)含沙量反演分析,該海域表層含沙量低,趨于近岸含沙量稍高的趨勢,含沙量最大值一般都不超過0.03 kg/m3,與實測結(jié)果基本一致。
圖3 工程區(qū)海域不同時期表層含沙量分布Fig.3 Surface sediment concentration distribution in the project sea area in different periods
龍棲灣是開敞的海灣,潮汐潮流水動力較弱,而波浪條件較強,為強波能海區(qū)。強浪條件下,在沉積環(huán)境上,沉積物類型往往表現(xiàn)為呈帶狀分布。根據(jù)2010年5月、2017年5月底質(zhì)取樣結(jié)果,龍棲灣海域表層沉積物中值粒徑范圍在0.044 2~0.742 3 mm,平均中值粒徑為0.384 mm,底質(zhì)類型主要有:砂、粉砂質(zhì)砂、粘土質(zhì)砂等三類,以中砂為主;泥沙粒徑從岸向海逐漸變細。
由于表層沉積物在橫向分布上具有明顯的分帶現(xiàn)象,顯示泥沙運動以橫向分選作用為主,同時泥沙的運動形式也有一定差異。在前海濱的海灘上,泥沙受激岸浪作用,其運動為推移形式;波浪破碎帶泥沙的搬運以跳躍為主;在深水區(qū)隨著泥沙粒徑的變細,泥沙運動以懸移形式運動的泥沙含量逐漸增多。
起動流速是一個描述泥沙運動的重要參數(shù),利用在國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的竇國仁公式[7]和張瑞瑾公式[8]分別對本工程海域起動流速進行了計算。
竇國仁公式[7]
(1)
式中:εk=2.56 cm3/s2,δ=0.213×10-4cm,ks為糙率;D<0.5 mm時,取ks=0.5 mm,D>0.5 mm時,取ks=D。
張瑞瑾公式[8]
(2)
式中:h為水深,D為泥沙粒徑,γs為沙粒比重,水體比重取為γ=1。式中h與D均用m。
表1 水流作用下底沙起動流速計算結(jié)果Tab.1 Starting velocity of bottom sand under the action of current
由以上計算結(jié)果,龍棲灣海域在水流作用下的泥沙起動流速在0.45 m/s左右。再結(jié)合實測上述潮流特征,在大潮流速較大時期(最大流速在0.6~0.8 m/s),流速即可使當?shù)氐哪嗌称饎?,從而對岸灘的沖淤作用起到一定影響作用。在實際情況下,再加上波浪作用,泥沙則更加容易起動,對岸灘的沖刷侵蝕或堆積產(chǎn)生更大影響。
但是一般情況下實測點水深都相對較大,沒有近岸的點,根據(jù)工程區(qū)附近海南三亞海域流速空間分布特征[2],近岸流速比遠岸流速小,因此流速對泥沙起動有一定作用,但是作用非常有限,而波浪是關(guān)鍵性作用因素。
波浪是沙質(zhì)海岸岸灘泥沙運動的主要動力因素。在波浪作用下,泥沙產(chǎn)生不同程度的運動,可將泥沙起動的臨界水深分為表層移動水深和完全移動水深。波浪作用下的泥沙活動的臨界水深反映在波浪作用下泥沙顆粒臨界活動水深的大小,其水深愈淺,表明泥沙活動愈劇烈[2-3,11]。
在此采用佐藤昭二等[9]的公式計算泥沙的表層活動和顯著活動的臨界水深,如下
式中:H0、L0分別為深水波高和波長;H、L分別為計算處的波高和波長;D50為泥沙中值粒徑;hc為臨界作用水深;α為系數(shù),泥沙表層動為1.35,泥沙全面動為2.40。根據(jù)工程附近海域底質(zhì)沉積物分布情況,計算了該海域各級波浪情況下產(chǎn)生表面和全面推移臨界水深,列于表2,其結(jié)果顯示:0.9 m波高可以使水深1.5 m以淺水域海床泥沙完全起動,可以使水深3 m以淺水域海床泥沙表層起動;3 m左右波高的波浪,可以使水深6 m以淺水域海床泥沙完全起動,可以使水深10 m以淺水域海床泥沙表層起動;5 m以上臺風浪的泥沙完全起動水深可達到12 m。由此不難看出,大浪對海域泥沙運動的強烈作用。
表2 不同波況作用下不同粒徑泥沙的臨界起動水深Tab.2 Critical starting depth of sediment with different particle sizes under different wave conditions m
根據(jù)野外現(xiàn)場調(diào)查、海圖資料和遙感衛(wèi)片所顯示(圖4),工程區(qū)所在岸段存在雙向沿岸輸沙,根據(jù)整個海灣形態(tài)認為該海灣目前處在侵蝕型動態(tài)平衡狀態(tài),灣頂凹入度小,但由于海向泥沙供沙不足,順向沙嘴發(fā)育不典型(圖5)。現(xiàn)階段凈輸沙方向為自灣頂向切線段輸沙,即主要輸沙方向為西北向。特別是康樂度假莊園工程建設(shè)以后,這種輸沙趨勢越加明顯,亦使得岸線侵蝕明顯。
圖4 海圖上所顯示的工程區(qū)附近沿岸沙嘴情況 圖5 華南弧形海岸三種平衡狀態(tài)與輸沙形式[10]Fig.4 Coastal spits near the engineering area Fig.5 Three equilibrium states and sediment transport forms of curved coast in south China
根據(jù)我國《港口與航道水文規(guī)范》公式[11],依據(jù)工程區(qū)附近的波浪資料,對工程區(qū)沿岸輸沙進行了計算,結(jié)果顯示:SW~SE向各波浪共同作用下,該海岸岸灘凈的輸沙方向為西北向,凈輸沙能力為1.3萬m3。
垂直海岸方向的泥沙橫向輸運也是沙質(zhì)海岸泥沙運動的重要方面。就工程區(qū)海岸而言,其常浪向多與海岸方向垂直,沿岸輸沙量相對較小,橫向輸沙也應(yīng)是海岸泥沙運移的重要形式之一。根據(jù)岸灘剖面的橫向輸沙特征判式[5]對目前岸灘的侵蝕和堆積程度進行分析,如下
式中:θ為岸灘坡度;H0、L0、T分別為波高、波長和周期,ω為泥沙顆粒沉降速度;g為重力加速度。其中泥沙沉速采用沙玉清沉速公式[8]計算。
當K等于0.5時為中性的平衡剖面,當K大于0.5時為離岸輸沙的侵蝕型剖面,當K小于0.5時為向岸輸沙堆積型剖面。依據(jù)上式和龍棲灣岸段的岸灘坡度、泥沙粒徑、代表波要素等條件,計算了龍棲灣典型斷面橫向輸沙特征的K值(表3),結(jié)果顯示:在代表波浪條件下,工程所在區(qū)域的K值為0.14(小于0.5),即具有向岸輸沙的特征;2 a一遇大浪作用下K值為0.72(大于0.5),即具有離岸輸沙的特征;50 a一遇大浪作用時,K值為0.92(大于0.5),即具有離岸輸沙的特征。因此,在2 a一遇和50 a一遇大浪作用時,普遍具有自岸向海的離岸輸沙特征。
表3 龍棲灣典型岸段的橫向輸沙判數(shù)(K值)Tab.3 Judgment number of lateral sediment transport
可見,在正常天氣條件下平均代表波浪作用下,工程岸段的泥沙基本不具有離岸流失的條件;大浪作用是泥沙離岸流失的主要因素,也是海灘沖刷的主要動力原因。符合沙質(zhì)岸灘剖面“小浪恢復(fù)、大浪淘刷”的特征。
海岸或沙灘侵蝕的原因,一般可分為自然因素和人為因素。
在自然因素中又可分為短期因素、中期因素和長期因素,短期因素一般指風暴潮(較短時間內(nèi)對海岸產(chǎn)生較大影響);中期因素一般指季節(jié)變化,主要反映在不同季節(jié)沙灘剖面形態(tài)的變化;長期因素是指海平面上升、地質(zhì)構(gòu)造下沉、氣候變化等因素。
在人為因素中也可分為短期因素和中期因素,短期因素一般指前濱采砂、海岸天然屏障破壞,中期因素一般指河流入海泥沙量減少、海岸工程影響等因素。
對于以上不同方面的分析可以看出,長期因素可以說是普遍因素,是一個長期的影響。對龍棲灣沙灘侵蝕原因的考慮應(yīng)主要從短期和中期因素上分析。
(1)龍棲灣為向西南敞開的海灣,常年受東南向、南向以及西南向浪的作用,其中東南向浪和南向浪為常浪向,使龍棲灣海岸常年受偏南(SE、S和SW)向浪的作用而侵蝕后退。
(2)該海域流速相對較大,在實測最大流速時,根據(jù)對本地泥沙起動特征分析,在近岸水流作用下對泥沙有一定的起動作用。在實際情況下,再加上波浪作用,泥沙則更加容易起動,形成沖刷侵蝕或堆積。但是近岸流速比遠岸流速小,因此流速對泥沙起動有一定作用,但是作用非常有限,而波浪是沙灘侵蝕的關(guān)鍵性作用因素。
(3)龍棲灣海岸以橫向輸沙為主,根據(jù)經(jīng)驗判別公式計算在2 a一遇和50 a一遇大浪作用時,普遍具有自岸向海的離岸輸沙特征,即大浪作用是泥沙離岸流失的主要因素,也是海灘沖刷的主要動力原因。
而且該海域?qū)儆诤D夏喜亢S蚺_風多發(fā)區(qū),每年的9月份和10月份是全年海平面最高的時段,而這段時間內(nèi)正值海南臺風頻發(fā)的季節(jié),如果高海平面和臺風暴潮以及天文大潮相迭加,則會引起更劇烈的侵蝕。
(4)近些年來,惡劣天氣越加頻繁,其中2013年影響海南的臺風異常偏多,為歷史罕見。年內(nèi)影響海南(指進入東經(jīng)114°以西、北緯15°以北)的熱帶氣旋達12個,其中以2013年海燕臺風影響最大。
(1)據(jù)調(diào)查,龍棲灣海域目前沒有發(fā)現(xiàn)有前濱采砂等現(xiàn)象,因此人為影響的短期因素并不存在。
(2)工程附近海域有抱套河注入,但抱套河流量極小,來沙量極小,口門具季節(jié)性淤積的特征,即不存在入海泥沙量減少的問題。
(3)除了上述因素外,其中一個最重要的因素就是人為工程導(dǎo)致的海岸動力的變化。由近些年來岸線變化分析可以看出,該區(qū)域?qū)嵤┝溯^大“突堤式”填海工程——康樂度假莊園工程, 2010年以來,本岸段出現(xiàn)的侵蝕狀態(tài),2012年與2016年對比,康樂度假莊園的下游岸段(北側(cè))發(fā)生了侵蝕,侵蝕幅度約30 m。其主要原因是康樂度假莊園建設(shè)后,人為構(gòu)造海岸岬角,在新岬角控制下,按弧形海岸發(fā)育模式進行演變。即康樂度假莊園的建設(shè)阻礙了東面的來沙,使得本岸段來沙減少,在波浪和潮流的作用下發(fā)生侵蝕。
綜上所述,龍棲灣沙灘侵蝕主要原因是康樂度假莊園工程人為構(gòu)造海岸岬角,在新岬角控制下,康樂度假莊園的建設(shè)阻礙了東面的來沙,使得本岸段來沙減少,在自然波浪、潮流以及風暴潮的作用下,發(fā)生侵蝕。
(1)制定綜合管理措施。
加強對濱海沙灘資源的管理是現(xiàn)實的必然需求。地方政府協(xié)調(diào)各部門,建立聯(lián)動機制,制定相應(yīng)法規(guī),明確權(quán)責,建立有效的沙灘管理與開發(fā)體制??茖W(xué)地使用和開發(fā)沙灘旅游資源。建立必要的補償機制,緩和人類活動和沙灘環(huán)境之間的矛盾。
(2)加強濱海沙灘侵蝕及其影響研究工作。
沙灘保護基礎(chǔ)理論的研究,是沙灘保護技術(shù)發(fā)展的根基,內(nèi)容包括濱海沙灘侵蝕特征、過程和機理,濱海沙灘岸灘演化評價和預(yù)測,侵蝕災(zāi)害發(fā)生的風險、強度和影響的預(yù)報和評估,沙灘資源的評價,沙灘資源綜合管理的理論和方法等內(nèi)容。通過前期的調(diào)查工作對龍棲灣沙灘侵蝕特征、過程和侵蝕原因進行了研究,但是其侵蝕機制研究尚需深化,有助于建立有效的防范策略和為科學(xué)保護方案提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。
(3)科學(xué)合理地建設(shè)海岸防護工程論證。
沙灘防護既要達到防止岸線后退的目的,又要滿足其保沙促淤的需求,就需要科學(xué)合理的建設(shè)海岸防護工程。常見的沙灘海岸防護工程有海堤、丁壩、離岸堤、離岸潛堤等。
不同性質(zhì)的沙灘,其工程適宜程度也不同。丁壩群工程適宜于建造在以沿岸輸沙為主,且輸沙主導(dǎo)方向明顯的情況,對以橫向泥沙運動為主的海岸防護基本無效。離岸堤主要使用于橫向泥沙運動為主的海岸,對于攔截沿岸輸沙也是有效;離岸堤能夠消耗波能,且不阻斷泥沙的輸運,可在堤后波影區(qū)淤積泥沙,起到保護海岸的同時不影響沙灘的自然景觀的作用。
從龍棲灣沙灘的泥沙輸沙特征而言,主要是由于波浪動力變化導(dǎo)致的橫向輸沙問題的改變。由此,在無法改變目前周圍工程現(xiàn)狀情況下,實施離岸堤工程、減小沙灘區(qū)的波浪動力條件應(yīng)該是較為合適和科學(xué)的,該工作需要進一步深入研究。
(4)開展沙灘養(yǎng)護與修復(fù)工程。
由于人為導(dǎo)致的動力變化和人為工程影響以及強烈風暴潮導(dǎo)致的沙灘侵蝕,在后期很難恢復(fù)原貌。人工修復(fù)與補沙是最為成熟和有效的恢復(fù)濱海沙灘原始地貌的措施,經(jīng)過人工拋沙補充沙灘原本不足的沙量,有效地增加了干灘寬度,在加上科學(xué)有效的防護工程,從而防止海岸侵蝕和塑造良好的旅游環(huán)境。修復(fù)內(nèi)容包括恢復(fù)沙灘剖面形態(tài)、沙丘及沙灘后部的鹽沼濕地及其植被等。人工養(yǎng)灘在美國、澳大利亞、日本等地早已得到廣泛應(yīng)用,近些年來在我國秦皇島、廈門、北海、威海等地開始普遍采用的人工拋沙和防護工程相互結(jié)合的養(yǎng)灘方案,取得了顯著的成效。龍棲灣沙灘修復(fù)與養(yǎng)護可參考國內(nèi)或國際案例采取相應(yīng)的措施。
采用實測資料對龍棲灣水文泥沙環(huán)境與泥沙運動特征進行了分析,并利用經(jīng)驗公式計算了泥沙起動流速、臨界起動水深、沿岸輸沙和橫向輸沙等參數(shù)。研究結(jié)果表明:
(1)潮汐性質(zhì)為不規(guī)則全日潮,多年平均潮差為1.53 m;潮流性質(zhì)為不規(guī)則全日混合潮,主要呈往復(fù)流運動,2016年8月實測大潮平均流速為0.28~0.89 m/s,漲落潮流速相差不大;波浪主要為風浪,影響工程區(qū)域的波浪以偏SW浪為主。
(2)海域平均含沙量在0.03 kg/m3以下;表層沉積物中值粒徑在0.044 2~0.742 3 mm,平均中值粒徑為0.384 0 mm,沉積物類型屬中砂范疇。
(3)水流作用下的泥沙起動流速在0.45 m/s左右,一般天氣下泥沙完全起動水深在1.5m以淺,表層泥沙起動水深在3 m以淺。該工程區(qū)所在岸段存在雙向沿岸輸沙,其凈輸沙方向為西北向,凈輸沙能力為1.3萬m3。不同風浪條件,橫沙輸沙特征略有差別,在一般天氣下,主要以向岸堆積;大浪作用時淘刷,泥沙離岸流失。
(4)龍棲灣沙灘侵蝕除了受到自然因素影響外,康樂度假莊園工程人為構(gòu)造的新的海岸岬角,改變了岸線性質(zhì),在新岬角控制下,康樂度假莊園的建設(shè)阻礙了東面的來沙,使得本岸段來沙減少,在自然波浪、潮流以及風暴潮的作用下,發(fā)生侵蝕。