北戴河淺水灣浴場(chǎng)養(yǎng)灘方案研究

任旭光，劉建濤，劉會(huì)欣，李 娜，師沙沙

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島066001）

北戴河淺水灣浴場(chǎng)養(yǎng)灘方案研究

任旭光，劉建濤，劉會(huì)欣，李 娜，師沙沙

（河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島066001）

基于灘肩補(bǔ)沙、灘肩補(bǔ)沙+離岸潛堤以及配合規(guī)劃中的蓮花島工程，論證了三種不同的養(yǎng)灘工程方案效果。結(jié)果表明：灘肩補(bǔ)沙方案從海灘養(yǎng)護(hù)效果以及工程投資角度為最優(yōu)方案，規(guī)劃中的蓮花島對(duì)工程岸線影響較小，故不需對(duì)方案一進(jìn)行調(diào)整。

北戴河；人工養(yǎng)灘；方案設(shè)計(jì)

隨著人類活動(dòng)的日益加劇，世界上絕大多數(shù)的海岸正遭遇著侵蝕與退化，據(jù)IPCC（政府間氣候變化專門委員會(huì)）的統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)約有70%的砂質(zhì)海岸受到侵蝕災(zāi)害影響，岸線蝕退速率約為1～1.5 m/a，個(gè)別侵蝕嚴(yán)重的海岸蝕退速率可達(dá)5.8 m/a[1-4]。隨著我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)主岸線銳減明顯，砂質(zhì)海岸從3 653.63 km（1975年）減少到2 864.64 km（2007年），32年間減少了1/5多[5]。為了充分合理利用海灘資源，保護(hù)岸線，近自然的人工養(yǎng)灘成為砂質(zhì)海灘認(rèn)可的有效修復(fù)手段[6-8]。海灘養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐在世界各地紛紛興起，基于不同的海岸類型和侵蝕狀況，通過喂養(yǎng)海灘或再輔以潛堤、丁壩、人工岬角等手段，有針對(duì)性地開展海灘養(yǎng)護(hù)實(shí)踐。

1 區(qū)域概況

北戴河旅游區(qū)坐落于渤海灣北岸中部，位于河北省東北部，距首都北京正東279 km，距秦皇島西南16 km。境內(nèi)北部為剝蝕平原，南部為剝蝕殘丘，陸域面積70.14 km2。

北戴河的潮汐屬正規(guī)日潮，潮頭差較小，最大2.45 m，平均潮差0.79 m，春季0.65 m，多年平均0.88 m。平均潮位具有冬低夏高的特點(diǎn)，升降變化十分規(guī)律。12月潮位最低，7月、8月最高。

北戴河海域海浪主要以風(fēng)浪為主，涌浪次之，其海浪的形成主要取決于風(fēng)向。平均浪高0.4～0.6 m，最大浪高3.5 m。波浪周期平均為2.6 s。

表層水溫春季9.5～19.5℃，夏季26～27.5℃，秋季12～12.5℃，冬季0.7～-1.3℃。

海水鹽度受氣候及大陸徑流影響，秦皇島附近一般為33.4，表層平均水鹽度28.77～30.73，最高為34.20。

2 工程方案設(shè)計(jì)

根據(jù)北戴河淺水灣岸線特征以及北戴河海灘養(yǎng)護(hù)的工程經(jīng)驗(yàn)，擬采取灘肩補(bǔ)沙的模式來進(jìn)行人工養(yǎng)灘，灘肩補(bǔ)沙直接擴(kuò)展海灘寬度，保護(hù)后緣沙丘海岸?；跒┘缪a(bǔ)沙、灘肩補(bǔ)沙+離岸潛堤以及配合規(guī)劃中的蓮花島工程，論證了三種不同的養(yǎng)灘工程方案效果。

2.1 方案一

采取單純養(yǎng)灘的方式，完全以尊重自然的柔性工法，將北戴河淺水灣工程區(qū)域沙灘灘肩向海推出，即進(jìn)行灘肩補(bǔ)沙，形成寬約60 m的沙灘，新填海灘保護(hù)后緣沙丘免受海浪侵蝕，并在自然的營(yíng)力作用下逐漸達(dá)到一個(gè)新的平衡（見圖1）。

圖1 方案一平面圖

該方案優(yōu)點(diǎn)是完全采用柔性工法，擯棄破壞景觀的硬式工程，形成的沙灘將是親水、自然的。缺點(diǎn)是在北戴河強(qiáng)浪、常浪條件下，淺水灣沿岸存在自東北向西南的泥沙流，在淺水灣東部沒有補(bǔ)給沙源的條件下，淺水灣海灘將會(huì)不斷地被侵蝕。解決方法是進(jìn)行再養(yǎng)灘工程，即長(zhǎng)期周期性的補(bǔ)沙，這樣通過人工的方式補(bǔ)給沙源，形成一種動(dòng)態(tài)平衡，可以維持北戴河淺水灣的沙灘狀況。在有充足的沙源且不計(jì)投資的前提下，該方案應(yīng)為首推方案。

2.2 方案二

采用灘肩補(bǔ)沙+離岸潛堤模式，除了灘肩補(bǔ)沙外，在離岸約600 m位置進(jìn)行離岸潛堤的建設(shè)，潛堤的堤頂高程為-1.2 m，潛堤寬度約14 m，潛堤分為三段建設(shè)，每段長(zhǎng)度約370 m，潛堤間距約350 m，潛堤的總長(zhǎng)度為1 110 m。離岸潛堤是不與陸地相連，平行于海岸且獨(dú)立于海中，突出海底且潛沒于水中的人工構(gòu)造物，其形狀（堤頂水深、堤寬、坡度、空隙）使波浪產(chǎn)生碎波、分裂、滲透、反射或折射，以減衰入射波能量或改變其進(jìn)行方向，抑制堤背后的透過波能，減少海灘侵蝕，間接發(fā)揮穩(wěn)定海灘作用。潛堤雖在消能上的效果不如離岸堤好，但因其阻擋的水流斷面積較離岸堤有限，對(duì)海水循環(huán)影響較小，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較少，加上結(jié)構(gòu)物不露出水面，無損于視覺景觀，因此，在日益重視海岸景觀與生態(tài)環(huán)境維護(hù)的時(shí)代，逐漸被推廣采用（圖2）。

圖2 方案二平面圖

2.3 方案三

方案三由方案一衍伸而來，由于淺水灣浴場(chǎng)東北側(cè)規(guī)劃建設(shè)人工島——蓮花島，方案比選論證過程中增加蓮花島工程建設(shè)后對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)區(qū)域的影響分析。

3 方案比選及推薦方案

通過數(shù)值模擬的方法比較了幾種方案的優(yōu)劣，從養(yǎng)灘效果與資金投入對(duì)比方面給出了工程方案選擇上的建議。以目前在國(guó)際最流行的GENESIS系統(tǒng)模擬長(zhǎng)期海岸線的變遷[9-10]。

3.1 理論基礎(chǔ)

（1）控制方程：

DB表示海水所能到達(dá)的最大高程，DC表示存在沿岸輸沙的最大深度，q=qs+q0表示橫向輸沙率（離岸輸沙+向岸輸沙）。

（2）沿岸輸沙率公式：

式中，H表示有效波高，Cg表示波群速度，下標(biāo)b表示波浪破碎時(shí)的參數(shù)，θbs表示破波角，無量綱參數(shù)a1和a2定義如下：

式中，ρs表示砂的密度，ρ表示海水的密度，p表示砂的孔隙率，tanβ表示海灘平均坡度，1.416為有效波高向均方根波高的轉(zhuǎn)化系數(shù)，K1、K2為可調(diào)節(jié)的兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

3.2 資料來源

波浪資料來自實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)以及國(guó)家海洋局秦皇島海洋監(jiān)測(cè)站提供的波浪數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)臺(tái)站坐標(biāo)N 39°55.0＇E，119°37.0＇。地形數(shù)據(jù)利用2012年實(shí)測(cè)1∶1 000地形資料。

3.3 方案比選

3.3.1 方案一模擬

3.3.1.1 模型參數(shù)設(shè)置

局部模型坐標(biāo)系統(tǒng)方位角：283.0°；有效粒徑：0.3 mm；平均灘肩高程：0.5 m；閉合水深：DC=7 m；時(shí)間步長(zhǎng)：3 hr；邊界條件：固定邊界；經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K1=0.4，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K2=0.6（根據(jù)北戴河的數(shù)模經(jīng)驗(yàn)值）。

3.3.1.2 岸線變遷模擬結(jié)果

GENESIS系統(tǒng)利用STwave系統(tǒng)處理的波浪數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，模擬起始時(shí)間為2012年1月1日，結(jié)束時(shí)間為2022年1月1日，圖3為模擬結(jié)束時(shí)的界面，圖中上部分為海洋，下部分為陸地，箭頭所示方向?yàn)楸?，初始海岸線用單線表示，海洋與陸地的交界線為模擬結(jié)束時(shí)的海岸線位置。

圖3 岸線變遷模擬結(jié)果

圖4為方案一情況下十年的模擬過程前后的海岸線位置對(duì)比圖，分析可見淺水灣浴場(chǎng)存在一定的侵淤趨勢(shì)，10年的模擬過程結(jié)束后，侵蝕量最大處可達(dá)4 m左右，侵蝕岸段的長(zhǎng)度可達(dá)2 000 m以上?？傮w來看，在方案一條件下，由于只進(jìn)行了灘肩補(bǔ)沙，近岸的水動(dòng)力條件并未發(fā)生明顯的變化，岸線的侵淤變化程度與工程前相比變化不大，侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)段在淺水灣浴場(chǎng)的東側(cè)以及中部，淤積最多的是淺水灣浴場(chǎng)的西部區(qū)域。

圖4 模擬前后岸線位置對(duì)比

3.3.1.3 工程前后沿岸輸沙率的變化

工作海區(qū)附近的入海河流有湯河和新河，為主要來沙河流。根據(jù)2006年實(shí)測(cè)波浪資料，采用美國(guó)海岸工程手冊(cè)公式（CERC），模擬本海區(qū)沿岸輸沙率結(jié)果如圖5（正值為面向海向右輸沙，反之為向左輸沙）。

由圖5可見，工程前后本岸段凈輸沙方向均為自東北向西南方向輸沙。這是由于沿岸輸沙能力主要取決于沿岸流的方向，而方案一條件下，近岸的水動(dòng)力場(chǎng)并未發(fā)生變化，故工程前后沿岸輸沙能力及大小亦不會(huì)明顯改變。

3.3.2 方案二模擬效果

以相同的參數(shù)對(duì)增加三座潛堤后的方案進(jìn)行了模擬，結(jié)果如下：

圖6、圖7分別為工程前后，10年的模擬過程結(jié)束后的海岸線變遷位置對(duì)比，圖8為10年后的岸線侵淤變化量對(duì)比。分析可見10年的模擬過程結(jié)束后，工程前與工程后的最大侵淤變化量差值在2 m左右，方案二條件下，離岸潛堤的修建在一定程度上促進(jìn)了潛堤掩蔽區(qū)域岸線的淤積，但同時(shí)也造成了掩蔽區(qū)之外區(qū)域的侵蝕量增加。

圖5 工程前后沿岸輸沙率對(duì)比圖

圖6 模擬前后岸線位置對(duì)比圖（工程前）

總體來看，在方案二條件下，由于進(jìn)行了離岸潛堤的修建，近岸水動(dòng)力條件相比工程前有所變化，但由于淺水灣近岸淺灘的存在使得近岸的水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，故離岸潛堤的養(yǎng)灘促淤的作用并不明顯。

工作海區(qū)附近的入海河流有湯河和新河，為主要來沙河流。由圖9可見，工程前后本岸段凈輸沙方向均為自東北向西南方向輸沙，區(qū)別是工程后沿岸輸沙的強(qiáng)度有所降低，這主要是由于離岸潛堤的修建對(duì)于沿岸流的影響造成的。

圖7 模擬前后岸線位置對(duì)比圖（工程后）

圖8 工程前后岸線侵淤變化值對(duì)比曲線

圖9 工程前后沿岸輸沙率對(duì)比

3.3.3 方案三模擬效果

根據(jù)方案一、方案二模擬效果分析，由于淺水灣近岸海域存在較為寬闊的淺灘，波浪到達(dá)岸灘前提前破碎，離岸潛堤的消浪效果并不明顯，因此，選擇方案一為工程方案。對(duì)方案一增加規(guī)劃建設(shè)中的蓮花島，進(jìn)一步論述海灘養(yǎng)護(hù)后岸灘的變化趨勢(shì)。

圖10、圖11分別為蓮花島修建前后，10年的模擬過程結(jié)束后的海岸線變遷位置對(duì)比圖，圖12為蓮花島修建前后，10年后的岸線侵淤變化量對(duì)比圖。由圖12分析可見蓮花島修建前后，10年后工程區(qū)域岸線侵淤變化值很小，說明蓮花島的修建對(duì)于淺水灣工程區(qū)域的影響并不大，蓮花島的修建主要影響了淺水灣北部區(qū)域岸線的侵淤趨勢(shì)。

圖10 模擬前后岸線位置對(duì)比（修建前）

圖11 模擬前后岸線位置對(duì)比（修建后）

圖12 蓮花島修建前后岸線侵淤變化對(duì)比

圖13 蓮花島修建前后沿岸輸沙率對(duì)比

由圖13可見，蓮花島修建前后淺水灣工程區(qū)域岸段凈輸沙方向和大小均為發(fā)生較明顯的變化，而蓮花島的修建對(duì)于淺水灣北部區(qū)域的沿岸輸沙率有較為明顯的影響。

3.3.4 推薦方案

根據(jù)方案一、方案二的模擬結(jié)果分析，離岸潛堤由于淺水灣淺灘的存在消浪效果不明顯，從節(jié)約工程投資角度分析選擇方案一。根據(jù)方案三的模擬結(jié)果分析，規(guī)劃中的蓮花島建成后，影響范圍為淺水灣北部，對(duì)工程岸線影響甚微，故不需要對(duì)方案一進(jìn)行硬工程防護(hù)。綜合以上兩點(diǎn)，本次工程推薦方案一，采用灘肩補(bǔ)沙的方式。

4 結(jié)語

運(yùn)用GENESIS系統(tǒng)，對(duì)灘肩補(bǔ)沙、灘肩補(bǔ)沙+離岸潛堤以及配合規(guī)劃中的蓮花島三種不同的養(yǎng)灘工程方案效果進(jìn)行了論證，其結(jié)果為：方案一（灘肩補(bǔ)沙）從海灘養(yǎng)護(hù)效果以及工程投資角度為最優(yōu)方案，規(guī)劃中的蓮花島對(duì)工程岸線影響較小，故不需對(duì)方案一進(jìn)行調(diào)整。

沙灘人工養(yǎng)護(hù)為綜合性防護(hù)工程，工程后的水動(dòng)力變化相對(duì)復(fù)雜，GENESIS系統(tǒng)對(duì)工程后的岸線演變趨勢(shì)能夠較好的預(yù)測(cè)，但面對(duì)復(fù)雜的天氣以及水動(dòng)力條件，預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要通過工程的后期實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

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（編輯：周利海）

A Study on Beach Nourishment Design in Shallow Bay Baths,Beidaihe

Ren Xuguang,Liu Jiantao,Liu Huixin,Li Na,Shi Shasha
（Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066001,China）

On the basis of the beach berm nourishment,the beach berm nourishment+offshore breakwater and the Lotus island project in the planning,three different schemes for the beach nourishment project were discussed.The beach berm nourishment scheme was the best one from the beach nourishment effect and the project investment perspective,and the lotus island in the planning had little influence on the shoreline,so it was not necessary to adjust the plan one.

Beidaihe,nourishment,project design

P748

A

1008-813X（2017）03-0017-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.05

2017-04-01

河北省國(guó)土資源廳項(xiàng)目《北戴河淺水灣海岸整治工程勘查與方案設(shè)計(jì)》（2012995570）；河北省國(guó)土資源廳項(xiàng)目《秦皇島海灘整治修復(fù)工程監(jiān)測(cè)與后評(píng)估》（2014993344）

任旭光（1981-），男，山東平度人，畢業(yè)于武漢地質(zhì)大學(xué)水文地質(zhì)專業(yè)，助理工程師，主要從事海洋地質(zhì)調(diào)查方面的研究工作。