海灘修復(fù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢與前景

戚洪帥，劉 根，蔡 鋒，2，朱 君，2，劉建輝，雷 剛，2，何巖雨，鄭吉祥，曹惠美

(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005; 2.福建省海洋生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005;3.自然資源部北部灣濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站，廣西 北海536015)

海灘是由波浪作用塑造的，由未固結(jié)砂、礫質(zhì)沉積物組成的海濱地貌單元[1]。作為一種重要的濱?？臻g資源，海灘廣泛分布于世界各地，不僅為海岸生物提供了棲息地，還為人們提供了休閑娛樂的場所，同時(shí)還是風(fēng)暴浪潮的緩沖地帶，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多方面的綜合價(jià)值。然而，全世界范圍內(nèi)的海岸帶都面臨著侵蝕破壞問題[2-4]，砂質(zhì)海灘的侵蝕尤為嚴(yán)重。根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)約有24%的海灘均存在不同程度的侵蝕[4]。我國海岸侵蝕主要發(fā)生在砂質(zhì)海岸，約有50%的砂質(zhì)海岸受到侵蝕[5]。而且，隨著當(dāng)前氣候變暖引發(fā)的海平面上升、極端事件增強(qiáng)，以及圍填海、濱海采砂、不合理的海岸工程等人類活動(dòng)的影響，海岸侵蝕不斷加劇[6-9]。

長期以來，硬式構(gòu)筑物作為主要防護(hù)方式來抵御海岸侵蝕，比如丁壩、防波堤、海堤等。這些防御性構(gòu)筑物通常可局部保護(hù)海岸，但并不能從根本上解決侵蝕問題，只是將侵蝕轉(zhuǎn)移到了沿岸的其他位置。研究表明，硬式防護(hù)策略在緩解海岸侵蝕中可持續(xù)性差，會(huì)對(duì)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響[10-11]。20世紀(jì)以來，學(xué)者和工程人員發(fā)現(xiàn)海灘拋沙不僅可以持續(xù)性地減緩海灘侵蝕，還能提供濱海娛樂空間和生物棲息地，這種“軟式”策略逐漸成為海灘適應(yīng)性保護(hù)和管理的主要舉措[3，12-13]。這種保護(hù)方式稱之為海灘養(yǎng)護(hù)(Beach Nourishment)，是指由于自然供沙不足或動(dòng)力變化等原因?qū)е潞┌l(fā)生侵蝕，為了保護(hù)海灘，將異地與原海灘砂粒級(jí)相近的砂通過水力或機(jī)械手段搬運(yùn)到原海灘的一定位置，迅速增加平均高潮位以上海灘后濱的寬度，并在必要條件下輔以丁壩或順岸潛堤等海岸工程[14]。

最早有記錄的海灘養(yǎng)護(hù)工程發(fā)生于20世紀(jì)初的美國東海岸，包括1919年的加利福尼亞南部的圣佩德羅[15]和1922年的紐約科尼島[16-17]。最初的海灘養(yǎng)護(hù)源于某些“機(jī)會(huì)”工程，航道疏浚的泥沙在海灘臨時(shí)堆放，發(fā)現(xiàn)可以明顯緩解海灘的侵蝕，隨后逐漸應(yīng)用于應(yīng)對(duì)局部的海灘侵蝕。1956年美國國會(huì)將海灘養(yǎng)護(hù)確認(rèn)為海岸防護(hù)的重要措施，自此成為砂質(zhì)海岸保護(hù)修復(fù)的主流技術(shù)，在歐美得到大量應(yīng)用[18-21]。美國、荷蘭、英國、日本等國家在上世紀(jì)90年代各自制定了海灘養(yǎng)護(hù)相關(guān)的技術(shù)手冊，我國亦在2015年出版了《中國海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)手冊》，標(biāo)志我國海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的成熟。歷經(jīng)50余年的發(fā)展，海灘養(yǎng)護(hù)已經(jīng)形成了較為完善的理論和技術(shù)體系[22]，并在近20年中不斷得以拓展和發(fā)展(圖1)。

圖1 海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展路線Fig. 1 Development route of beach nourishment technology

為了更好地認(rèn)識(shí)海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)，本文在回顧了海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程基礎(chǔ)上，總結(jié)了世界范圍的海灘養(yǎng)護(hù)實(shí)踐，分析各國海灘養(yǎng)護(hù)理念上存在的差異，進(jìn)而對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了綜述分析，并在此基礎(chǔ)上分析了海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢。

1 海灘養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用

自上世紀(jì)50年代，海灘養(yǎng)護(hù)作為公認(rèn)的砂質(zhì)海岸可持續(xù)保護(hù)的最佳手段，在全球得到了廣泛應(yīng)用[19-21，23-29]。全球主要國家海灘養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐總結(jié)見表1。

美國作為海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的開拓者，是海灘養(yǎng)護(hù)工程數(shù)量、規(guī)模和投資最大的國家，累計(jì)修復(fù)工程達(dá)2 054余項(xiàng)。在太平洋沿岸、東海岸、新英格蘭地區(qū)、五大湖沿岸和墨西哥海岸等區(qū)域皆開展了大量的海灘養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用，極大地緩解了海岸侵蝕威脅，成為抵御大西洋颶風(fēng)的有效屏障，為濱海旅游提供了空間資源[38-42]。美國的海灘養(yǎng)護(hù)工程通常是采用鄰近設(shè)置采砂區(qū)(Borrow Zone)，對(duì)受損岸段進(jìn)行多次多點(diǎn)的修復(fù)，逐步緩解侵蝕問題，最終實(shí)現(xiàn)海灘系統(tǒng)的地貌穩(wěn)定[43]。根據(jù)Campbell等(2006)統(tǒng)計(jì)，美國東海岸每處工程岸段平均養(yǎng)灘次數(shù)為3.7次[44]。從資金投入上看，海灘養(yǎng)護(hù)工程資金來源以聯(lián)邦政府為主，占比60%以上[44-45]，地方和私人多方參與，資金投入近年來日趨增加[46]。此外，美國注重海灘養(yǎng)護(hù)工程的規(guī)劃與管理，建立了全國性的海灘養(yǎng)護(hù)工程數(shù)據(jù)庫，記錄了各州所有海灘養(yǎng)護(hù)工程的分布位置及強(qiáng)度。

表1 全球主要國家海灘養(yǎng)護(hù)工程應(yīng)用總覽

歐盟在1996—1999年間實(shí)施了“歐洲海岸海灘系統(tǒng)及養(yǎng)護(hù)措施的效果評(píng)估”計(jì)劃，旨在完善歐洲的海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐。作為該計(jì)劃的一部分，Hanson等(2002)[21]和Hamm等(2003)[20]總結(jié)歸納了歐洲各國的海灘養(yǎng)護(hù)工程概況、實(shí)踐和宗旨，結(jié)果表明在過去的幾十年中，歐洲的海岸防護(hù)措施已逐漸由硬式為主改變?yōu)橐攒浭綖橹?，定期的人工養(yǎng)護(hù)已被作為一種環(huán)境可接受的方法廣泛運(yùn)用于海灘和沙丘保護(hù)與恢復(fù)中。歐洲各國之間在海灘養(yǎng)護(hù)數(shù)量、補(bǔ)砂方量、發(fā)展速度等方面存在較大的差異，西班牙和荷蘭的海灘養(yǎng)護(hù)工程數(shù)量最多。南歐各國應(yīng)加強(qiáng)海灘養(yǎng)護(hù)應(yīng)用，并開展長期的海岸管理和周期性的海岸地形監(jiān)測。Valloni等(2007)[31]、Pinto等(2020)[32]以及Bitan等(2020)[33]分別概述了意大利、葡萄牙和以色列的海灘養(yǎng)護(hù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)?？傊?，海灘養(yǎng)護(hù)是歐洲海岸防護(hù)的主要措施，通過人為干預(yù)下的沉積物再分配實(shí)現(xiàn)海岸泥沙供給平衡是歐洲海灘養(yǎng)護(hù)的主要理念[47]。

澳大利亞的各級(jí)政府都引入了海灘養(yǎng)護(hù)工程，尤其是在阿德萊德[48]、黃金海岸[49-51]、維多利亞的菲利普港灣[52-54]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，澳大利亞在2001—2010年間共有130個(gè)海灘進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)[23]，與歐美國家相比，澳大利亞海灘養(yǎng)護(hù)工程規(guī)模較小，但較為頻繁。

日本初期海灘養(yǎng)護(hù)以提供海岸休閑娛樂空間為目的，最早的東京灣海灘養(yǎng)護(hù)始于20世紀(jì)70年代[55]。長期以來日本海岸防護(hù)以硬式構(gòu)筑為主，2000年將海灘養(yǎng)護(hù)作為海岸保護(hù)的技術(shù)手段列入海岸法規(guī)，和歐美相比，日本養(yǎng)護(hù)工程尺度小、花費(fèi)高且壽命短，一直未成為海岸防護(hù)的主要方法[34]，但隨著海灘修復(fù)效果的提升，海灘養(yǎng)護(hù)也逐漸得到重視[36，56]。

我國最早的海灘養(yǎng)護(hù)始于1992年香港南岸的淺水灣[57]，之后有過一些不成規(guī)模的浴場補(bǔ)砂工程。2007年，廈門觀音山人工沙灘成為內(nèi)地第一個(gè)具有規(guī)模的海灘養(yǎng)護(hù)工程[58]。此后，隨著我國濱海旅游業(yè)的不斷發(fā)展，許多海濱城市相繼實(shí)施了海灘養(yǎng)護(hù)工程，如大連、秦皇島、青島、平潭、泉州、廈門、珠海、北海、欽州、?？诘萚26，29，59-62]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年7月，我國已完成或正在進(jìn)行的海灘養(yǎng)護(hù)工程共有100余項(xiàng)，分布于全國35個(gè)城市，海灘養(yǎng)護(hù)岸線總長度約為120 km，總填砂量約為2.3×104m3，總投資約為23億元[29]。其中，秦皇島、廈門、珠海等城市的海灘養(yǎng)護(hù)工程實(shí)踐較多。與其他國家相比，我國的海灘養(yǎng)護(hù)呈現(xiàn)出不同的特征，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①我國的海灘養(yǎng)護(hù)起步較晚，但發(fā)展迅速，尤其是近10年來。②我國海灘養(yǎng)護(hù)物料多以異地砂為主，養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)更傾向于一次性塑造穩(wěn)定海灘，少有再養(yǎng)護(hù)工程實(shí)施。③海灘養(yǎng)護(hù)多以休閑空間為主，兼顧海灘的防護(hù)和生態(tài)功能提升[29]，目前主要為城市周邊海灘。

2 海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)技術(shù)發(fā)展

2.1 海灘養(yǎng)護(hù)補(bǔ)砂方式

海灘養(yǎng)護(hù)修復(fù)實(shí)質(zhì)上是泥沙在動(dòng)力作用下的合理再分配，是補(bǔ)砂沉積物與動(dòng)力環(huán)境相互適應(yīng)的結(jié)果，而養(yǎng)護(hù)補(bǔ)砂布設(shè)方式是海灘養(yǎng)護(hù)工程成功與否的關(guān)鍵所在。海灘補(bǔ)砂布設(shè)方式包括平面布設(shè)和剖面布設(shè)兩個(gè)方面。

2.1.1 平面補(bǔ)砂方式 依據(jù)海灘形態(tài)及其背景輸沙條件，海灘養(yǎng)護(hù)平面補(bǔ)砂方式通常有岬灣海灘、平直海灘和人工砂源海灘養(yǎng)護(hù)3種。

① 岬灣海灘養(yǎng)護(hù)。岬灣海灘是海灘的一種常見形式，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的沉積單元，受岬角遮蔽的影響，海灘通常處于穩(wěn)定狀態(tài)[圖2(a)][63]。此類海灘通常發(fā)育于構(gòu)造控制的主動(dòng)大陸邊緣的海岸，是我國最為常見的海灘類型。對(duì)于受損的岬灣海灘可采用構(gòu)筑物構(gòu)建靜態(tài)平衡岬灣進(jìn)行補(bǔ)砂修復(fù)，岸線形態(tài)布設(shè)通常采用Hsu等(1989)給出的拋物線模式[64]。平衡岬灣海灘養(yǎng)護(hù)具有海灘平面形態(tài)調(diào)整較小、海灘相對(duì)比較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，一旦穩(wěn)定狀態(tài)形成，很少需要進(jìn)行再養(yǎng)護(hù)。但該方法的利用受限于海灘發(fā)育的自然條件，通常適用于岬角破壞、海灘失穩(wěn)、人為損毀的岬灣海岸，不適合在平直海岸局部地塑造岬灣海灘。

②平直海灘養(yǎng)護(hù)。對(duì)于有明顯上下游輸沙鏈的平直海灘，在泥沙供給不足、不合理的局部構(gòu)筑物修建和采砂等情況下，沿岸輸沙會(huì)導(dǎo)致沉積物凈流失，海岸產(chǎn)生持續(xù)性海岸侵蝕[圖2(b)]。針對(duì)這種類型的海灘，最常用的養(yǎng)護(hù)方式就是在侵蝕位置進(jìn)行直接補(bǔ)砂，這也是全球應(yīng)用最廣泛的方式，美國大多數(shù)海灘養(yǎng)護(hù)采用此養(yǎng)灘方法[65-66，27]。該方法養(yǎng)灘通常結(jié)合采砂區(qū)設(shè)置進(jìn)行多次再養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期一般為5～7 a。

③人工砂源海灘養(yǎng)護(hù)。對(duì)于有明顯輸沙背景的海岸，需持續(xù)的物源供給以維持其海岸平衡?？梢酝ㄟ^提供人工砂源的方式在上游進(jìn)行補(bǔ)砂，使其在沿岸流的作用下向下游運(yùn)移，利用自然過程緩解下游海岸侵蝕[圖2(c)]。該方法已被成功應(yīng)用于荷蘭海岸，2011年在北海海岸填造的2 100萬m3人工砂源可在20 a內(nèi)為下游10 km的海岸提供足夠的沉積物，達(dá)到促進(jìn)沙丘和海灘的發(fā)育、增加海岸的防護(hù)能力、創(chuàng)造生境、提高娛樂發(fā)展?jié)摿Φ哪康腫67-68]，該設(shè)計(jì)方法又被稱為“泥沙引擎”(Sand Engine)[27]。

2.1.2 剖面補(bǔ)砂方式 平衡剖面的塑造和維持是海灘養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵所在，其剖面設(shè)計(jì)和填砂方式直接決定海灘養(yǎng)護(hù)的成效，Dean (2002)詳細(xì)論述了不同填砂粒徑對(duì)海灘剖面塑造的影響[22]。常見的海灘養(yǎng)護(hù)剖面補(bǔ)砂方式有沙丘補(bǔ)砂、灘肩補(bǔ)砂、剖面補(bǔ)砂和水下沙壩補(bǔ)砂4種(圖3)[69]。

①沙丘補(bǔ)砂。將泥沙堆積于海灘后濱，提升后濱沙丘的高度和寬度，增加海灘應(yīng)對(duì)極端動(dòng)力事件的防護(hù)水平和緩沖能力，配合后濱沙生植被修復(fù)可以提升海岸風(fēng)沙防護(hù)能力[70]。該補(bǔ)砂方式為防御性修復(fù)，不增加干灘寬度作為休閑空間，一般在地勢較低的海岸薄弱區(qū)域[71]以及海岸風(fēng)沙活動(dòng)劇烈的區(qū)域[72]采用該方法。

②灘肩補(bǔ)砂。將泥沙直接堆積于灘肩前緣，快速增加海灘空間的一種補(bǔ)砂方式。可以直接拓展干灘寬度，修復(fù)后海灘會(huì)在動(dòng)力作用下進(jìn)行自然調(diào)整，干灘寬度會(huì)逐漸變小而穩(wěn)定[73]。該補(bǔ)砂方法施工簡單，修復(fù)初期灘面變化快速，需要較長的時(shí)間才能形成平衡剖面，風(fēng)暴浪是其演化的主要?jiǎng)恿σ蛩豙74]。灘肩補(bǔ)砂是我國最常見的補(bǔ)砂方法，尤其是需要快速增加休閑空間的修復(fù)工程。

③剖面補(bǔ)砂。在整個(gè)剖面上進(jìn)行補(bǔ)砂，人工塑造近平衡剖面形態(tài)。該方法需要精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)填砂粒徑、填砂剖面和超填率[75]，修復(fù)后海灘經(jīng)較短的時(shí)間即可達(dá)到平衡狀態(tài)，岸線變化小，干灘基本穩(wěn)定。但剖面補(bǔ)砂施工技術(shù)要求高，施工期風(fēng)暴作用對(duì)其影響較大。

④水下補(bǔ)砂。在近岸水下區(qū)域進(jìn)行泥沙拋填，形成平行于海岸的水下人工沙壩，這可以作為軟性潛堤起到消浪護(hù)灘的屏障作用，同時(shí)可以依靠波浪的作用持續(xù)對(duì)海灘進(jìn)行補(bǔ)給，使得海灘灘面逐漸增加。該補(bǔ)砂方法可以有效增強(qiáng)海灘的防護(hù)能力，但不會(huì)直接增加海灘干灘寬度，不適用于以增加休閑空間為目的的海灘養(yǎng)護(hù)工程，通常和其他補(bǔ)砂方式組合使用[76]。

圖2 海灘養(yǎng)護(hù)平面補(bǔ)砂方式Fig. 2 Plane arrangement for beach nourishment圖中t1、t2、t3表示海灘演化的時(shí)間先后順序。

圖3 海灘養(yǎng)護(hù)剖面填砂方式Fig. 3 Profile arrangement for beach nourishment該圖修改自文獻(xiàn)[69]；圖中t0、t1、t2表示海灘演化的時(shí)間先后順序。

2.2 海灘養(yǎng)護(hù)輔助工程技術(shù)

補(bǔ)砂是海灘養(yǎng)護(hù)的主體工程，但在海灘養(yǎng)護(hù)中亦需要使用輔助工程技術(shù)以實(shí)現(xiàn)修復(fù)目標(biāo)，提升海灘養(yǎng)護(hù)效果，減少工程投入和后期管理成本。當(dāng)前海灘養(yǎng)護(hù)的輔助工程技術(shù)可以歸納為如下幾類：

①動(dòng)力類輔助工程技術(shù)。通過構(gòu)筑物、清淤等改變局部水動(dòng)力環(huán)境，塑造適于海灘發(fā)育的動(dòng)力條件。人工岬頭通過改變波浪繞射點(diǎn)來改變海岸入射波浪，配合補(bǔ)砂可塑造穩(wěn)定的岬灣海灘[63]。人工岬頭形式各異，為了提升岬角內(nèi)部海水交換能力，可采用透水岬頭的形式[圖4(a)]。離岸堤可以降低后方(波影區(qū))的波能，使沉積物向防波堤的后方運(yùn)移并堆積下來，改變局部沉積物的運(yùn)移模式，形成穩(wěn)定的沙岬韻律海岸[77]。離岸堤可以分為出水堤[圖4(b)]和潛堤[圖4(c)]兩種類型，后者可以采用人工魚礁等生態(tài)方式建設(shè)[76]?！搬到蔷勰堋奔夹g(shù)通過沙灘修復(fù)區(qū)域布置向海開放性岬頭、重構(gòu)水下輻聚地形并輔以近岸底床清淤等綜合方法，局部提升波浪能量，實(shí)現(xiàn)了低能海岸進(jìn)行海灘養(yǎng)護(hù)。

②泥沙類輔助工程技術(shù)。利用構(gòu)筑物或特殊沉積物直接改變泥沙運(yùn)移路徑和方式，配合海灘補(bǔ)砂局部改變海灘形態(tài)。最為常見的是丁壩，垂直于岸線布設(shè)一定長度的硬式堤壩阻止泥沙向下游運(yùn)移，通常多個(gè)丁壩組合使用來控制海岸形態(tài)[78]，配合海灘養(yǎng)護(hù)構(gòu)建穩(wěn)定海岸[圖4(d)]。攔沙堤是我國常見的一種輔助工程技術(shù)，其作用機(jī)制類似于單個(gè)丁壩，通常位于海灘養(yǎng)護(hù)區(qū)的末端，通過攔沙實(shí)現(xiàn)海灘的局部調(diào)整，提升修復(fù)岸段的海灘穩(wěn)定性，攔沙堤應(yīng)保證泥沙向下游交換的自然暢通，達(dá)到“聚沙而不斷沙”的調(diào)控效果[圖4(e)][79]。與之相反，當(dāng)突堤、潮汐通道、港口碼頭阻斷輸沙鏈時(shí)，可以利用旁通輸沙技術(shù)(Sand Bypassing)連接上下游海岸，實(shí)現(xiàn)輸沙鏈暢通，維持下游海灘平衡穩(wěn)定[圖4(f)][80-81]。另外，利用礫石和卵石作為海灘養(yǎng)護(hù)材料也是常見的工程技術(shù)手段[圖4(g)][82-83]，該技術(shù)可以極大地降低海灘輸沙率[84]，提升海灘穩(wěn)定性，有效抵御了風(fēng)暴潮等極端災(zāi)害[85]，適用于強(qiáng)動(dòng)力強(qiáng)侵蝕岸段的海灘修復(fù)。

③生態(tài)環(huán)境類輔助工程技術(shù)。為改善海岸生態(tài)環(huán)境，緩解泥化、侵蝕熱點(diǎn)等所采取的工程技術(shù)。海灘后濱的植被修復(fù)是提升海灘生態(tài)環(huán)境的常見方法，在灘肩、沙丘和后方沙地區(qū)域，利用“喬木-灌木-藤本-草本”的耐鹽堿沙生植被組合構(gòu)建后濱生態(tài)防護(hù)帶[圖4(h)]，可以在改善海灘生態(tài)環(huán)境的同時(shí)起到防風(fēng)固沙、抵御風(fēng)暴潮等防護(hù)作用[86]。通過合理設(shè)計(jì)分批填砂的方式進(jìn)行海灘修復(fù)可以緩解海灘養(yǎng)護(hù)對(duì)底棲生物的影響[87-88]。另外，為提升海灘質(zhì)量研發(fā)了多種技術(shù)，如通過海灘城市排水管涵端頭固定方法減少侵蝕熱點(diǎn)的產(chǎn)生[圖4(i)][73]，利用抽泥管廊系統(tǒng)緩解沙灘泥化[29]等。

圖4 海灘輔助工程技術(shù)Fig. 4 Auxiliary engineering technology for beach nourishment (a)人工岬頭，高雄西子灣; (b)離岸堤，山東招遠(yuǎn)海岸; (c)潛堤，益田海岸; (d)丁壩群，紐約洛克威海灘; (e)攔沙堤，福建惠安青山灣; (f)旁通輸沙，新南威爾士特威德河口; (g)礫石養(yǎng)灘，福建廈門天泉灣; (h)后濱植被修復(fù)，廣東珠海香爐灣; (i)管涵端頭，福建廈門會(huì)展岸段。

2.3 海灘養(yǎng)護(hù)模型預(yù)測技術(shù)

岸灘演化是一個(gè)復(fù)雜的過程[89]，影響海灘演化的動(dòng)力因素包括潮汐、潮流、波浪、風(fēng)、徑流，此外海灘演化還和近岸地形、岸線走向、泥沙特性等多種因素有關(guān)[90]。如何利用數(shù)值模型準(zhǔn)確預(yù)測養(yǎng)護(hù)海灘的演化是海灘修復(fù)的關(guān)鍵所在，也是海岸工程界的研究熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)算力和模型技術(shù)的提升，越來越多大尺度、高精度模型被應(yīng)用于海灘養(yǎng)護(hù)工程的設(shè)計(jì)[91，47]。

平面形態(tài)模型通常以長時(shí)間尺度的趨勢性模擬為主，最初是通過參數(shù)化解析海灘平面形態(tài)演化結(jié)果。基于Hsu等(1989)提出的拋物線模式的MEPBAY模型[64]，可以模擬預(yù)測靜態(tài)岬灣海灘的平衡模式[92]，該模型在岬灣海灘養(yǎng)護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。Pelnard-Considère (P-C)方法[93]作為一種分析模型，可定性分析工程長度、波高和輸沙率等設(shè)計(jì)變量之間的相互關(guān)系，得到的結(jié)果較為可靠[94]。

當(dāng)前岸灘演化數(shù)值模型以一線模型為主，這類模型在靈活性和可靠度方面具有優(yōu)勢，允許在設(shè)計(jì)中引入構(gòu)筑物或潮道、旁通輸沙等海岸特征地貌。美國陸軍工程兵團(tuán)已經(jīng)將GENESIS模型發(fā)展到可以應(yīng)用于海灘養(yǎng)護(hù)的各種設(shè)計(jì)情形[95-96]，另外還有ONELINE[97]、UNIBEST-TC[98]等多個(gè)一線模型，被廣泛用來模擬岸線的中長期演化。但該類模型基于平衡剖面的物質(zhì)守恒假設(shè)，甚少考慮橫向分帶，無法模擬預(yù)測岸線的橫向剖面變化，不能用于水下補(bǔ)砂、人工砂源等補(bǔ)砂方式的海灘演化分析。

為解決海灘橫向剖面演化的數(shù)值模擬需求，一些一維剖面模型如EDUNE[99]、SBEACH[100]、CROSS[101]、CHSORE[102]應(yīng)運(yùn)而生，這些模型被廣泛用來模擬風(fēng)暴期間的海灘剖面演化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些二維和三維模型將波浪、水流、泥沙結(jié)合起來模擬岸灘的底床變化，如XBEACH[103]、Delft3D[104]、FVCOM[105]。這些模型一般通過基于淺水方程的水流模型與相位平均的波浪模型耦合計(jì)算，耦合計(jì)算效率較高。Luijendijk (2017、2019)利用Delft3D模型對(duì)荷蘭泥沙引擎補(bǔ)砂工程進(jìn)行了模擬預(yù)測，與實(shí)測結(jié)果具有良好的一致性(圖5)[47，106]。

圖5 2011年8月至2012年8月Delft3D模型泥沙引擎補(bǔ)砂工程的模擬結(jié)果[47]Fig. 5 Simulations of sand engine nourishment with Delft3D model (2011.08-2012.08)(a)為底床變化觀測結(jié)果，(b)為底床變化模擬結(jié)果；圖例和圖(b)中數(shù)值為底床高程變化量，“+”表示淤積，“-”表示侵蝕。

為了實(shí)現(xiàn)波浪傳播變形以及岸灘波浪爬高過程等波周期內(nèi)的海灘水動(dòng)力過程的精確刻畫，基于Boussinesq方程的潮汐-波浪-泥沙耦合數(shù)值模型逐漸興起，典型代表如FUNWAVE[107]，這類模型因具備同時(shí)模擬短波、次重力波和潮波等多尺度動(dòng)力過程作用的能力，為海灘剖面地貌演化和小尺度構(gòu)筑物影響精細(xì)模擬提供了可能。海灘演化數(shù)值模擬經(jīng)歷近30年的快速發(fā)展，已經(jīng)成為海灘養(yǎng)護(hù)的重要支撐技術(shù)，但未來仍有巨大發(fā)展空間。模型驗(yàn)證測試仍然是海灘演化模型的重要工作，需要結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步校正和改進(jìn)模型[106]。另一方面，數(shù)學(xué)模型仍存在時(shí)間和空間尺度耦合方面的巨大挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步參數(shù)化動(dòng)力地貌過程[108]，尤其是長時(shí)間尺度(50～100 a)的模擬中如何考慮海平面上升的影響[91]。海灘演化的多過程耦合也是未來模型發(fā)展的一個(gè)重要方面，如風(fēng)沙過程[109]、礫石運(yùn)動(dòng)[110]、地下水[111]和后濱植被[112]等。

3 海灘養(yǎng)護(hù)的未來發(fā)展趨勢

海灘是寶貴的空間資源，國內(nèi)外對(duì)海灘的需求日益增長。隨著國際上基于自然過程的海岸保護(hù)理念和我國生態(tài)文明思想的推進(jìn)，海灘養(yǎng)護(hù)作為砂質(zhì)海岸的一種可持續(xù)性修復(fù)技術(shù)必將被廣泛應(yīng)用，更多樣化的技術(shù)方法和更先進(jìn)的修復(fù)理念亦會(huì)不斷發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)瓶頸和需求，下文對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

3.1 海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)應(yīng)用擴(kuò)展

從全球海灘養(yǎng)護(hù)實(shí)踐來看，大多數(shù)工程是對(duì)侵蝕受損砂質(zhì)岸段進(jìn)行修復(fù)，工程區(qū)通常具備發(fā)育海灘的動(dòng)力環(huán)境。我國海灘養(yǎng)護(hù)工程更為多樣化，包括砂質(zhì)同相養(yǎng)灘、巖灘養(yǎng)灘、泥灘養(yǎng)灘和生物碎屑海岸養(yǎng)灘等類型[24]，但針對(duì)復(fù)雜海岸的海灘養(yǎng)護(hù)仍需進(jìn)一步拓展。比如，針對(duì)動(dòng)力環(huán)境不適宜的海岸，利用卵石養(yǎng)灘技術(shù)實(shí)施強(qiáng)侵蝕岸段的海灘修復(fù)，提升海岸防護(hù)能力; 利用局部動(dòng)力增強(qiáng)、去泥化等技術(shù)在弱動(dòng)力海岸實(shí)施海灘養(yǎng)護(hù)，增加濱海休閑空間[29]。未來，進(jìn)一步將海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)作為海岸帶保護(hù)修復(fù)技術(shù)的重要支撐，優(yōu)化圍填海和海堤工程，在合適的堤前區(qū)域構(gòu)筑海灘，提升海岸防護(hù)能力，抵御風(fēng)暴潮等極端動(dòng)力事件。

3.2 基于沉積物管理的海灘養(yǎng)護(hù)

區(qū)域沉積物管理是從系統(tǒng)的角度管理區(qū)域沉積物，統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)與沉積物相關(guān)的海岸工程項(xiàng)目，拓展到自然沉積單元的大區(qū)域來解決海岸帶的問題。通過建立沉積單元之間和單元內(nèi)部的沉積物流動(dòng)性，分析系統(tǒng)內(nèi)外沉積物收支，建立沉積物管理的綜合框架，已被廣泛用于海岸科學(xué)、工程和管理[113-116]。該概念最早由Inman等(1960)[117]、Bowen等(1966)[118]在研究美國海岸時(shí)提出，后被Komar (1976)[119]推廣到海灘管理中。Cooper等(2006)[120]以及Nicholls等(2013)[121]通過對(duì)海岸沉積單元的分析，鞏固了英國的海岸管理，最終形成了英國岸線管理規(guī)劃的框架。Eliot等(2011)[122]和Stul等(2012、2015)[123-124]完成了西澳大利亞海岸分區(qū)和沉積物單元?jiǎng)澐?，為海洋和海岸?guī)劃提供了不同的物理框架。海灘養(yǎng)護(hù)是海岸帶沉積物的人為再分配，應(yīng)將其納入到海岸帶沉積物管理的范疇。將修復(fù)考量從受損岸段拓展到整個(gè)沉積單元系統(tǒng)，從區(qū)域沉積物運(yùn)移和收支角度分析海灘養(yǎng)護(hù)沉積物的再分配過程，及其產(chǎn)生的整體修復(fù)效益。基于沉積物管理的海灘養(yǎng)護(hù)是砂質(zhì)海岸系統(tǒng)修復(fù)的實(shí)現(xiàn)途徑，可從根本上解決海岸受損問題，降低可能導(dǎo)致的負(fù)面影響。

3.3 從地貌系統(tǒng)到生態(tài)系統(tǒng)的考慮

海灘既是一個(gè)地貌系統(tǒng)，也是一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，是海洋生物重要的棲息地、產(chǎn)卵場和覓食地。海灘生物通常適應(yīng)于海灘的高能環(huán)境[125]，但難以抵抗海灘養(yǎng)護(hù)帶來的快速棲息環(huán)境變化[126]。海灘養(yǎng)護(hù)對(duì)海灘生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，包括直接掩埋底棲生物、施工期高濁度對(duì)生物的損傷和沉積物組分改變對(duì)底棲動(dòng)物的影響等[127-131]。但實(shí)踐證明這些負(fù)面影響通常是暫時(shí)性的，且可以通過改善施工方式來減小對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境的影響[88]。長期來看，海灘養(yǎng)護(hù)對(duì)環(huán)境和生物具有較大的益處，可以為多種物種提供棲息地，形成具有良好生物多樣性的海灘生態(tài)系統(tǒng)[15，19，23，25，27，132-133]。從整體看來，當(dāng)前海灘養(yǎng)護(hù)工程項(xiàng)目以海灘地貌系統(tǒng)穩(wěn)定性為主，生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)不足，從地貌系統(tǒng)到生態(tài)系統(tǒng)全面考慮的海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)是未來發(fā)展的趨勢。主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：其一是加強(qiáng)海灘養(yǎng)護(hù)生態(tài)系統(tǒng)影響評(píng)估，建立涵蓋地貌和生態(tài)的海灘修復(fù)評(píng)價(jià)方法; 其二是基于生態(tài)系統(tǒng)考慮優(yōu)化海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，包括沉積物設(shè)計(jì)、修復(fù)時(shí)間選取、修復(fù)單元布設(shè)和施工間隔等方面[88]; 其三是將前濱地貌修復(fù)和后濱植被修復(fù)相結(jié)合，構(gòu)建完善的后濱植被群落，為鳥類等物種提供棲息地。

3.4 全球砂源赤字條件下的海灘保護(hù)和修復(fù)

由于基礎(chǔ)建設(shè)、圍填海和海灘養(yǎng)護(hù)等工程的大量需求，全球砂資源快速減少，即將進(jìn)入砂赤字的時(shí)代[134]。同時(shí)，全球海平面上升給海灘養(yǎng)護(hù)帶來更大挑戰(zhàn)，隨之而來的是海灘養(yǎng)護(hù)成本將急劇增加[135]，近年來，隨著我國海域采砂的控制，海灘養(yǎng)護(hù)成本增加了近5倍。因此，如何應(yīng)對(duì)砂資源短缺是未來海灘資源保護(hù)和修復(fù)的核心問題，為此提出海灘修復(fù)的幾點(diǎn)建議：一是充分評(píng)估海灘養(yǎng)護(hù)工程的必要性和充分性，對(duì)于一般性海岸可以通過設(shè)置蝕退線管控，通過自然蝕退達(dá)到海岸平衡。二是進(jìn)一步加強(qiáng)海灘系統(tǒng)沉積物管控，嚴(yán)格禁止人工采砂，減少沉積單元內(nèi)的沉積物虧損。三是海灘養(yǎng)護(hù)節(jié)約用砂，在適宜的區(qū)域可以采用人工砂替代天然砂。四是對(duì)具備構(gòu)建靜態(tài)岬灣條件的海岸，盡可能構(gòu)建平衡岸線; 對(duì)存在明顯輸沙的海岸，可采用循環(huán)養(yǎng)護(hù)的方法進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)。

4 應(yīng)用展望

海灘養(yǎng)護(hù)經(jīng)過近百年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)成為砂質(zhì)海岸防護(hù)的主要技術(shù)，在世界范圍內(nèi)仍是海岸防護(hù)的最佳選擇。隨著地貌系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合的海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，“自然工法”(Engineering with Nature)[136]、“活力海岸”(Living Shorelines)[137]等基于自然的海岸保護(hù)手段和理念日趨加強(qiáng)。不斷提升的海灘養(yǎng)護(hù)作為砂質(zhì)海岸修復(fù)的主要技術(shù)，必將得到更為廣闊的應(yīng)用。

對(duì)于我國來說，海灘養(yǎng)護(hù)起步晚、發(fā)展快、海灘養(yǎng)護(hù)類型多樣?；谖覈某毕ɡ硕嘧?、岸線曲折、人工海岸占比高的復(fù)雜海岸環(huán)境，國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)攻關(guān)，形成了一套適合我國的理論技術(shù)體系[1，14，25]。近年來，在生態(tài)文明建設(shè)要求下，我國實(shí)施了“藍(lán)色海灣”“海岸帶保護(hù)修復(fù)工程”等多項(xiàng)海岸帶修復(fù)重點(diǎn)項(xiàng)目，先后完成海灘養(yǎng)護(hù)工程百余項(xiàng)，提升了海岸防護(hù)能力，拓展了海岸空間。海灘養(yǎng)護(hù)已成為我國海岸帶自然資源管理和生態(tài)修復(fù)的核心技術(shù)，必將在生態(tài)文明建設(shè)中迎來更為蓬勃的發(fā)展。