北海某碼頭海岸侵蝕機(jī)理及防護(hù)方法分析

陳勝前 王家全 江日光 史思佳

摘要：海岸侵蝕作為一種全球性的海岸地質(zhì)災(zāi)害，長(zhǎng)期以來(lái)備受全世界沿海國(guó)家和地區(qū)的持續(xù)關(guān)注，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)海岸侵蝕災(zāi)害的發(fā)展和變化進(jìn)行研究，并致力于提出相關(guān)的防治對(duì)策以減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。根據(jù)北海市海岸帶地區(qū)有關(guān)地質(zhì)資料及海洋水文資料，采用實(shí)地調(diào)查、剖面監(jiān)測(cè)、海圖及地形圖對(duì)比、取樣分析等技術(shù)手段，研究北海市圍填海區(qū)某碼頭海岸侵蝕淤積特征及機(jī)理。同時(shí)從圍填方式、物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成、水動(dòng)力改變情況等3個(gè)侵蝕影響因素的角度對(duì)侵蝕機(jī)理進(jìn)行初步分析。研究結(jié)果表明：該碼頭岸段出現(xiàn)不同程度的侵蝕破壞，具體侵蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為海灘顆粒粗化、灘面下蝕、岸線后退，并伴有明顯陡坎發(fā)育;最后提出圍填海海堤相關(guān)防護(hù)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：海岸侵蝕;圍填海;影響因素;海堤;防護(hù)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU457;P737.1DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.009

O 引言

由于海岸侵蝕對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，會(huì)降低海岸的防護(hù)能力，且給海洋生態(tài)帶來(lái)的破壞大多具有不可逆性，長(zhǎng)期以來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注和研究。國(guó)外對(duì)海岸侵蝕研究起步較早，我國(guó)直到上世紀(jì)80年代后期，相關(guān)科學(xué)研究才逐漸展開(kāi)。李文善等根據(jù)海洋站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)調(diào)查，分析了遼東灣沿岸海岸侵蝕情況，并預(yù)測(cè)該地區(qū)在將來(lái)海平面上升時(shí)的海岸侵蝕影響。田會(huì)波等根據(jù)詳細(xì)的海岸監(jiān)測(cè)資料和實(shí)地調(diào)查，分析了海岸侵蝕的現(xiàn)狀及原因并對(duì)其侵蝕演變規(guī)律進(jìn)行研究。石?，摰韧ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)資料和實(shí)地調(diào)查，選取典型侵蝕岸段進(jìn)行侵蝕特性分析，得出海南島不同岸段侵蝕的影響因素不同。陳章楷研究了不同沙灘和波浪條件下海岸防護(hù)措施的相關(guān)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了具體T程措施中的設(shè)計(jì)參數(shù)。劉勇等基于GPS、GIs及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查等多元數(shù)據(jù)對(duì)山東島海岸侵蝕淤積演變特性進(jìn)行研究。于德海等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，對(duì)遼東半島海岸侵蝕淤積情況及發(fā)育特性進(jìn)行了研究，并對(duì)侵蝕等級(jí)進(jìn)行了劃分?；蒽o等基于海洋營(yíng)養(yǎng)物對(duì)海洋系統(tǒng)的影響研究，分析系統(tǒng)平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)行為，得出營(yíng)養(yǎng)物的輸入對(duì)海洋生態(tài)影響巨大。Karamarathna等采用數(shù)學(xué)模型方法分析預(yù)測(cè)海岸侵蝕狀況，Cozannet等指出通過(guò)科學(xué)合理地評(píng)估海平面上升狀況下海岸侵蝕發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)海岸帶綜合治理具有重大促進(jìn)作用。

目前，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者對(duì)廣西沿海地區(qū)進(jìn)行了海岸侵蝕的相關(guān)研究。姚子恒基于岸線剖面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及遙感影響等多元資料對(duì)潿洲島海岸侵蝕進(jìn)行相關(guān)研究，分析了侵蝕的主要影響因素并提出有針對(duì)性的防護(hù)建議。黃鵲等基于歷史圖件對(duì)比方法和Bruun法則對(duì)廣西北海銀灘岸線的侵蝕進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。李明杰等基于歷史資料結(jié)合數(shù)值模擬分析了風(fēng)暴潮和大潮對(duì)潿洲島西南部沙灘侵蝕的影響。張曉浩等基于高精度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析研究，得出潿洲島南部海岸出現(xiàn)大部分形變，其中砂質(zhì)海岸形變程度最為嚴(yán)罩。

綜上所述，關(guān)于圍填海T程建成后對(duì)海岸的侵蝕影響研究較少，對(duì)圍填海形成的人工海岸侵蝕機(jī)理及主要影響因素還有待進(jìn)一步深入研究。在已有監(jiān)測(cè)資料基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)地調(diào)查和取樣分析等技術(shù)手段，對(duì)北海地區(qū)某碼頭附近海岸侵蝕機(jī)理進(jìn)行研究，從不同角度探討海岸侵蝕影響因素，并提出相關(guān)防護(hù)方法。

1 北海某圍填海碼頭地質(zhì)環(huán)境條件概況

1.1自然地況

該碼頭位于北海市，如圖1所示，碼頭平面輪廓近似為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)約350～450m，寬約200～250m，采取部分圍海造地方式修建而成，并采取傳統(tǒng)硬性防護(hù)措施，整體工程于2012年竣工，該碼頭東面、北面為砌石壩護(hù)防，其中圖2為碼頭某岸段防護(hù)結(jié)構(gòu)，西面為不圍護(hù)的自然岸段，南面為志留系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖基巖海岸，地形坡度5°～20°。

1.2該地區(qū)海洋水文特性簡(jiǎn)況

該海區(qū)的潮汐類(lèi)型為不正規(guī)的全日潮海區(qū)，根據(jù)北海站1996—2015年驗(yàn)潮資料統(tǒng)計(jì)，該海區(qū)平均海平面0.35m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），最高高潮位為3.36m，最低低潮位為-2.15m，平均高潮位為1.65m，平均低潮位為-0.85m。多年平均潮差為2.46m，最大潮差為5.36m。該海區(qū)具有潮差大、各季節(jié)潮差夏季大春季小的特點(diǎn)。

根據(jù)調(diào)查資料顯示，漲潮時(shí)，潮水往東北方向流至冠頭嶺附近海域時(shí)分成北、東向兩支流分別向廉州灣和鐵山港灣方向流去;落潮時(shí)，從廉州灣和鐵山港灣方向分別往南和西方向流動(dòng)的兩支流流至冠頭嶺附近時(shí)匯聚后繼續(xù)朝西南方向流入。平均流速一般在20～50cm/s，落潮流速大于漲潮流速，其差值可達(dá)10cm/s以上。最大落潮流速超過(guò)100cm/s，最大漲潮流速不到91cm/s。

由北海地角測(cè)波站資料統(tǒng)計(jì)可知，北海市北部沿岸海域其常浪向NNE方向，頻率18.9%;次浪向WSW方向，頻率11.9%;強(qiáng)浪向N及偏N方向，實(shí)測(cè)最大波高H₁分別為2.0m（N）、1.5m（NNW）、1.4m（NNE）;次強(qiáng)浪向SW方向?yàn)?.3m。

2 沙灘侵蝕演變及破壞機(jī)理分析

2.1沙灘侵蝕演變

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)勘查對(duì)比分析，如圖3和圖4所示，原始海岸的沙灘僅6年全部消失，吹填后不經(jīng)過(guò)防護(hù)，海岸侵蝕作用逐步增強(qiáng)，直到坡角4°～8°后達(dá)到基本穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)，選取其中3段實(shí)測(cè)沙灘剖面進(jìn)行沙灘剖面演變的分析研究。其中靠近碼頭A剖面侵蝕作用明顯，形成1.3m陡坎;B剖面侵蝕作用相對(duì)減弱，形成0.5m陡坎;距碼頭較遠(yuǎn)處C剖面侵蝕作用較弱，無(wú)明顯陡坎發(fā)育，岸段基本處于相對(duì)平衡狀態(tài)。原始剖面在早期的侵蝕作用下，海岸達(dá)到暫時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，并發(fā)育陡坎。隨著外部條件的改變，新的海洋動(dòng)力對(duì)由早期侵蝕作用形成的陡坎沖擊作用增加，對(duì)陡坎底部進(jìn)行沖擊搬運(yùn)作用，從而導(dǎo)致沉積物坍塌，海岸線后退坡度4°～8°后才基本達(dá)到新的海岸動(dòng)態(tài)平衡。

2.2圍填海沙灘侵蝕機(jī)理分析

2.2.1圍填方式

該碼頭是由吹砂填海的方式所形成，吹填方式為先圍后填（東面、北面砌石壩圍護(hù)），西面為不圍護(hù)，天然吹填，南面為海岸帶。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，砌石圍護(hù)穩(wěn)定性較好，沒(méi)有發(fā)生崩塌、滑坡及侵蝕作用;不圍護(hù)地段，坡肩崩塌較嚴(yán)重，中、下岸段侵蝕比較嚴(yán)重。

2.2.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成

海岸的自身性質(zhì)是海岸侵蝕發(fā)生的基礎(chǔ)條件，其中物質(zhì)組成與侵蝕發(fā)生密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)海灘現(xiàn)場(chǎng)剖面測(cè)量，選取某岸段不同位置靠海處和靠岸處砂樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，獲得沙灘砂樣相關(guān)參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)分析，如表1所示，發(fā)現(xiàn)砂樣總體特征為中粗砂居多，含部分細(xì)砂，白色及灰黑色，貝殼碎屑含量較多。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該碼頭區(qū)域橫向從岸到海，砂樣粒徑范圍總體上表現(xiàn)出由粗到細(xì)的趨勢(shì)，也出現(xiàn)部分細(xì)粗交替變化，如圖5所示：縱向剖面底部出現(xiàn)粗細(xì)交替變化，中部含大量貝殼碎屑。海岸顆粒物的結(jié)構(gòu)組成與潮汐作用密切相關(guān)，漲潮時(shí)，水平方向通過(guò)潮流作用將海岸大量細(xì)砂攜帶至海水中，垂直方向上通過(guò)潮汐作用對(duì)砂質(zhì)剖面進(jìn)行不斷的沖刷，掏蝕;落潮時(shí)，水平和垂直方向大量細(xì)砂被帶人海中，進(jìn)而導(dǎo)致海岸砂樣顆粒粗化并伴有侵蝕陡坎發(fā)育。從物質(zhì)組成上來(lái)看，該碼頭砂質(zhì)海岸松軟，抗沖擊能力較弱，在波浪荷載及海水侵蝕作用雙重影響下，極其容易出現(xiàn)海岸侵蝕特征，產(chǎn)生明顯的侵蝕陡坎，海灘砂粒粗化。

2.2.3水動(dòng)力環(huán)境變化

該碼頭采取圍填海方式建成，占據(jù)海灘原有灘面，自然岸線縮短，人工岸線增長(zhǎng)，對(duì)海灘結(jié)構(gòu)造成破壞。水動(dòng)力環(huán)境的改變對(duì)海岸侵蝕淤積情況影響較大，新岸線的形成改變了附近海域的岸形和水深，將對(duì)附近局部海域的水動(dòng)力條件產(chǎn)生一定影響。相關(guān)人工海岸的破壞機(jī)理研究中，石?，摰韧ㄟ^(guò)遙感技術(shù)及岸線監(jiān)測(cè)資料對(duì)比，研究海南島沿岸建設(shè)人工島某岸段兩個(gè)填海項(xiàng)目對(duì)附近岸段侵蝕淤積影響，結(jié)果表明：人工島建成后水動(dòng)力發(fā)生改變，導(dǎo)致附近岸段侵蝕作用明顯加強(qiáng)。林雪萍運(yùn)用MIKE 21數(shù)值模擬海南島某地人工島形成前后附近砂質(zhì)海岸水動(dòng)力改變情況及沖淤情況，結(jié)果表明：人工島形成后海灘動(dòng)態(tài)平衡因波浪荷載等變化而受到影響，岸邊沙灘沖淤情況發(fā)生明顯變化。由此可見(jiàn)，水動(dòng)力環(huán)境的變化，對(duì)人工海岸的穩(wěn)定影響非常大。

通過(guò)對(duì)北海某碼頭建成前后岸線對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)圍填海碼頭對(duì)原始海岸線造成了不同程度的影響。原始海岸線平直，水動(dòng)力作用較弱，該岸段處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。圍填碼頭建成幾年后，水動(dòng)力情況發(fā)生明顯改變，碼頭附近岸線產(chǎn)生明顯變化。漲潮時(shí)潮水往東北方向流至冠頭嶺附近海域時(shí)分成北、東向兩支流分別向廉州灣和鐵山港灣方向流去。碼頭建成后阻斷了潮流的原有流動(dòng)路徑，導(dǎo)致碼頭西面附近區(qū)域波浪沖刷作用顯著增強(qiáng)，從而海水?dāng)y帶砂土顆粒的作用增強(qiáng)，海岸大量細(xì)粒砂土被沖刷帶走，出現(xiàn)明顯的顆粒粗化現(xiàn)象，剖面侵蝕陡坎底部掏蝕作用增強(qiáng)，直接加快了碼頭西面附近海岸侵蝕作用。原有海岸侵蝕淤積情況發(fā)生明顯改變，原始海岸以淤積為主變成侵蝕為主，人工海岸侵蝕淤積逐步達(dá)到相對(duì)平衡。此外，該碼頭附近海岸成為人們較好的旅游休閑場(chǎng)所，也會(huì)導(dǎo)致沙灘原有平衡系統(tǒng)破壞，破壞沙灘原有泥沙供應(yīng)，導(dǎo)致部分沙灘面臨消亡的威脅。

3防護(hù)方法分析

3.1開(kāi)展沙灘養(yǎng)護(hù)與恢復(fù)工作

由于海灘侵蝕作用的加劇，導(dǎo)致原有海灘原始面貌發(fā)生改變，海灘砂粒出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，從而影響海灘旅游價(jià)值，因此需要開(kāi)展沙灘養(yǎng)護(hù)相關(guān)工作。常見(jiàn)沙灘養(yǎng)護(hù)與防護(hù)工程組合形式見(jiàn)表2.該碼頭海灘旅游價(jià)值相對(duì)不高，采用人工養(yǎng)灘等措施花費(fèi)較高，綜合考慮下，建議生活及旅游設(shè)施應(yīng)盡量遠(yuǎn)離沙灘建設(shè)，避免在沙灘灘面、灘肩等位置建設(shè)生產(chǎn)、生活設(shè)施。

3.2科學(xué)合理地建設(shè)海岸防護(hù)工程

目前海岸主要防護(hù)措施分為硬質(zhì)防護(hù)和軟質(zhì)防護(hù)兩大類(lèi)，如表3所示。應(yīng)根據(jù)不同類(lèi)型海岸侵蝕狀況的不同，選取不同的防護(hù)方式;由于不同海岸發(fā)展需求不同，也可選擇硬防護(hù)和軟防護(hù)相結(jié)合的組合防護(hù)措施。該碼頭海灘主要侵蝕區(qū)為碼頭西面附近區(qū)域，碼頭東面及北面因采取相應(yīng)防護(hù)措施，漲潮時(shí)潮流主要由西南往東北方向流去，如圖3所示。硬防護(hù)措施方面，建議在該碼頭剖面B與剖面C岸段之間修建1～2條丁壩，用以抵擋和減弱附近海域海洋動(dòng)力，起到減小侵蝕作用的目的;也可以在侵蝕作用明顯岸段，即剖面A與剖面B間修建潛堤或離岸堤，這樣既能有效消耗減小波浪作用產(chǎn)生的波能，減弱對(duì)海岸的沖刷作用，同時(shí)也能促進(jìn)堤后波影區(qū)泥沙的淤積，從而促進(jìn)海岸侵蝕淤積動(dòng)態(tài)平衡。軟防護(hù)措施方面，建議采取修建防護(hù)林方式，可在海岸沿線種植堿茅等耐鹽堿植物，起到加固沿岸砂土的作用，同時(shí)優(yōu)化生態(tài)環(huán)境。綜合所述，可采用海堤與修建防護(hù)林，丁壩與修建防護(hù)林相結(jié)合的防護(hù)措施來(lái)進(jìn)行海岸防護(hù)，這樣既實(shí)現(xiàn)了海岸的防護(hù)，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益良好且利于生態(tài)保護(hù)。

3.3加強(qiáng)濱海沙灘侵蝕及其影響評(píng)估工作

在已有研究資料基礎(chǔ)上加強(qiáng)海岸帶監(jiān)測(cè)，通過(guò)有針對(duì)性的海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查，及時(shí)有效地掌握侵蝕實(shí)時(shí)狀況。查明海岸帶環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題發(fā)育規(guī)律及變化趨勢(shì)，為類(lèi)似海岸帶環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)性發(fā)展提供有力支撐。

4結(jié)論

1）該碼頭不同岸段發(fā)生不同程度侵蝕破壞，海灘顆粒出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，沙灘平面侵蝕主要表現(xiàn)為灘面下蝕和岸線后退，剖面上陡坎發(fā)育。

2）侵蝕作用由自然因素和人類(lèi)活動(dòng)共同影響，從圍填方式、沙灘物質(zhì)組成、水動(dòng)力改變等多個(gè)影響因素的角度分析海岸侵蝕原因，人類(lèi)活動(dòng)起主要作用，自然因素緩慢但持續(xù)地影響著海岸生態(tài)環(huán)境。其中水動(dòng)力環(huán)境改變對(duì)附近砂質(zhì)海岸侵蝕影響作用較為顯著，使得附近砂質(zhì)海岸侵蝕作用加劇，原始海岸以淤積為主變成侵蝕為主。

3）針對(duì)該碼頭附近海岸侵蝕現(xiàn)狀，提出進(jìn)行硬防護(hù)措施以減弱附近海域水動(dòng)力，采用軟防護(hù)措施起到加固沿岸砂土作用，并采取軟硬結(jié)合防護(hù)措施進(jìn)行綜合治理從而減弱海岸侵蝕的影響。