江蘇省啟東沙質(zhì)岸線修復(fù)研究

徐 旦，劉 旭，邵 杰，周華民，應(yīng) 超

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，生態(tài)理念越來(lái)越受到重視，海岸線作為重要的海洋資源，修復(fù)受損的海岸線成為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。海岸線生態(tài)修復(fù)指通過(guò)工程技術(shù)措施干預(yù)，恢復(fù)岸線自然形態(tài)特征和生態(tài)功能、改善海岸景觀、提升海岸防災(zāi)能力等為目的的活動(dòng)[1]。

沙質(zhì)岸線作為海岸線中重要的一類岸線，保持岸灘穩(wěn)定平衡狀態(tài)，保護(hù)海岸免受波浪、潮流的沖蝕顯得尤為重要。因此需根據(jù)海岸動(dòng)力條件，采取沙灘養(yǎng)護(hù)和工程措施，保護(hù)和恢復(fù)砂質(zhì)海岸自然形態(tài)，主要包括人工補(bǔ)沙，提高沙灘品質(zhì)，恢復(fù)沙灘功能；修建突堤、離岸堤、人工岬角等固沙工程，抵御浪流對(duì)沙灘的侵蝕，維護(hù)沙灘的穩(wěn)定性。目前，全國(guó)沿海城市也陸續(xù)開展海岸帶生態(tài)修復(fù)工作。為恢復(fù)岸灘自然形態(tài)，本項(xiàng)目主要通過(guò)沙灘修復(fù)實(shí)現(xiàn)岸灘穩(wěn)定。

2 工程概況[2-3]

本次沙灘修復(fù)工程位于啟東市東部沿海協(xié)興港南側(cè)，項(xiàng)目地理位置見圖1，屬海積、海蝕相海灣流輻射沙洲、近代海積平原地貌。區(qū)域地質(zhì)資料顯示晚第三紀(jì)以來(lái)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以持續(xù)緩慢的沉降為主，場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較好，沒有大的斷裂穿過(guò)，境內(nèi)地震活動(dòng)比較平靜。前第四紀(jì)地層主要發(fā)育有古生界泥盆系及其新的層位。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

本工程設(shè)計(jì)岸段缺乏整體布局，灣內(nèi)水質(zhì)較差，零星分布的垃圾等雜物增加污染，破壞生態(tài)環(huán)境，不具備生態(tài)和景觀功能，與啟東城市岸線環(huán)境不協(xié)調(diào)。修復(fù)前沙質(zhì)岸線見圖2。

圖2 修復(fù)前沙質(zhì)岸線圖

2.1 工程地質(zhì)特征

工程主要地質(zhì)土層為：1 l-A層：砂土夾輕砂壤土（素填土），灰黃、黃灰、灰色，堤身位置表面含碎石等雜物；2 l-B層：輕、中粉質(zhì)壤土（素填土），灰黃、黃灰、灰褐、灰黑色；3 2-1層：輕、重粉質(zhì)砂壤土與粉土，灰黃色，局部為砂壤土；4 2-2層：砂土夾輕砂壤土，灰、黃灰色，夾薄層灰褐色粉質(zhì)壤土，偶夾貝屑；5 2-T層：輕粉質(zhì)壤土，灰褐色，夾粉質(zhì)黏土；6 3層：輕、重粉質(zhì)砂壤土與粉土，灰色，局部為粉質(zhì)壤土，局部夾砂土。

2.2 潮汐潮流特征

工程海域位于輻射沙脊南部、長(zhǎng)江口北側(cè)，受單一的東海前進(jìn)潮波控制，海域潮汐性質(zhì)為正規(guī)半日潮。

工程所在海域平均潮位和高潮位自南向北，呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢(shì)。以最高潮位為例，佘山的最高潮位為2.24 m，啟東的最高潮位升高至2.97 m，再至北端呂四最高潮位達(dá)3.57 m。同樣，平均高潮位和平均潮位亦有此變化特征。其次，低潮位自南向北呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢(shì)。以平均低潮位為例，佘山平均低潮位為-1.00 m，啟東的平均低潮位降低至-1.27 m，至最北端呂四平均低潮位達(dá)最低-1.66 m。

測(cè)區(qū)分層中的最大流速極值，漲潮流為1.46 m/s，對(duì)應(yīng)流向?yàn)?25°；落潮流為1.34 m/s，對(duì)應(yīng)流向?yàn)?24°。

在大潮汛期間測(cè)區(qū)平均漲潮流歷時(shí)6.33 h，平均落潮流歷時(shí)6.12 h，在小潮汛期間測(cè)區(qū)平均漲潮流歷時(shí)6.20 h，平均落潮流歷時(shí)6.53 h。

2.3 波 浪

由于受陸岸及外圍眾多沙洲的掩護(hù)，呂四海域波浪總體比較小，無(wú)浪天占全年的43%左右。

常浪向?yàn)镹，頻率為6%；次常浪向?yàn)镹E，頻率為6%。強(qiáng)浪向?yàn)镹E，實(shí)測(cè)最大波高為3.80 m；次強(qiáng)浪向?yàn)镹NW，實(shí)測(cè)最大波高為3.50 m。

2.4 泥 沙

底質(zhì)特征：測(cè)區(qū)海底表層沉積物主要類型為砂質(zhì)，砂含量30.1%~99.9%；其次為粉砂類型，黏土含量0.1%~57.2 %。1#斷面和2#斷面底質(zhì)類型均為砂質(zhì)，砂含量介于99.2%~99.9%；3#斷面中DM3-1測(cè)站底質(zhì)類型為砂質(zhì)，砂含量為97.1%；DM3-2和DM3-3測(cè)站底質(zhì)類型為粉砂質(zhì)砂，砂含量介于50.1%~72.8%，粉砂含量介于22.9%~43.4%；DM3-4和DM3-5測(cè)站底質(zhì)類型為砂質(zhì)粉砂，砂含量介于30.1%~32.2%，粉砂含量介于56.7%~57.2%。測(cè)區(qū)底質(zhì)粒徑為0.029 5~0.173 0 mm，介于細(xì)砂—粗粉砂范疇。

含沙量及懸沙特征：大潮期間各站的懸沙平均中值粒徑均在0.01 mm以上，小潮期間均不大于0.01 mm。大潮期間各垂線懸沙中值粒徑均表現(xiàn)為自表層向底層逐漸變粗的特點(diǎn)，而小潮期間僅V6#測(cè)點(diǎn)存在一定差異，其余各測(cè)點(diǎn)自表層至底層懸沙粒徑均非常接近。懸沙粒徑垂向分布在大、小潮期間的差異與實(shí)測(cè)大、小潮期間的流速、含沙量及其垂向分布的差異相對(duì)應(yīng)。

2.5 沙灘成因分析

本次鋪沙區(qū)域在2005年前基本位于平均潮位以下，附近主要為輻射沙洲南緣水下淺灘帶。協(xié)興新閘以西的近岸區(qū)域原為高灘，由于黃海灘涂海堤和堤外淺壩的人類活動(dòng)影響，灘涂加速淤漲，砂和粉砂共同發(fā)生沉積，同時(shí)在波浪的淘刷作用下，細(xì)顆粒泥沙懸浮，并被離岸流如底流、裂流、落潮流帶向外海，沉積下來(lái)的顆粒較粗的砂質(zhì)則形成沙灘。因此，啟東沿岸的沙壩是沙灘海砂的主要來(lái)源，沿岸的潮流和波浪是維持沙灘的主要?jiǎng)恿Α?/p>

3 沙灘設(shè)計(jì)與研究[1]

3.1 設(shè)計(jì)原則

沙灘岸線修復(fù)設(shè)計(jì)需綜合考慮修復(fù)區(qū)的岸線現(xiàn)狀與水動(dòng)力條件，特別是在常態(tài)和極端海況下沙灘的穩(wěn)定性，并盡量利用現(xiàn)有的地形條件，使修復(fù)后的岸灘適應(yīng)當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件，避免修復(fù)工程完成后沙體流失與泥化，本次設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）沙灘的平面形態(tài)應(yīng)按照現(xiàn)有岸線形態(tài)，結(jié)合海洋水動(dòng)力條件，布置適合現(xiàn)狀高程及潮汐條件的沙灘形態(tài)；

（2）本工程區(qū)由于風(fēng)浪較大，為減少修復(fù)后沙灘的沿岸輸移，便于沙灘維護(hù)和穩(wěn)定，應(yīng)充分分析潮流變化，設(shè)置一定的攔沙結(jié)構(gòu)，保證沙灘免于大量流失；

（3）沙灘斷面應(yīng)與近岸波浪強(qiáng)度、近岸泥沙落淤特性相互適應(yīng)，避免未來(lái)沙灘表面出現(xiàn)泥化；

（4）岸線修復(fù)應(yīng)符合生態(tài)理念，結(jié)合現(xiàn)狀的動(dòng)植物群落分布，最大限度地還原當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)格局；

（5）充分考慮沙灘流失、泥化、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中損失量，便于及時(shí)補(bǔ)充沙料，保證沙灘運(yùn)行管理效率。

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，沙灘修復(fù)區(qū)整治寬度40 m，灘肩底部高程2.80 m，干灘坡度1:20。底部采用細(xì)沙鋪設(shè)，表面采用面沙，面沙厚度1.00 m，中值粒徑0.30~0.50 mm。沙灘修復(fù)區(qū)斷面見圖3。

圖3 沙灘修復(fù)區(qū)斷面圖 單位：cm

3.3 沙質(zhì)岸灘分析研究[2]

3.3.1 潮流模型

本次數(shù)學(xué)模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)計(jì)算網(wǎng)格的有限元方法，以準(zhǔn)確模擬復(fù)雜多變的岸邊界，并為沙灘演變模型提供邊界水位條件。

根據(jù)潮流模型計(jì)算分析，漲潮時(shí)，來(lái)自東海的潮流漫過(guò)潛壩進(jìn)入工程海域；落潮時(shí)，水流快速回落，與南北側(cè)水流匯合流向外海，工程海域前沿局部出現(xiàn)露灘。工程區(qū)前沿潮位最高為2.10~2.20 m，流速最大可達(dá)0.20 m/s。由于該區(qū)域地形較高，露灘時(shí)間多，1 d中露灘時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12~14 h。并且東北側(cè)因地形較其他區(qū)域高，露灘時(shí)間更長(zhǎng)。

3.3.2 波浪模型

波浪數(shù)值模擬采用TU Delft大學(xué)于2000年10月推出的第三代淺水波浪成長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型（SWAN模型）。

常態(tài)海況下，工程區(qū)外海域各向風(fēng)影響下的有效波高為0.40~0.50 m，傳播到沙灘前沿后降低到0.40 m以下；各向平均波周期基本無(wú)變化；NE向浪影響下波浪由工程區(qū)外海域傳播到沙灘前沿的過(guò)程中波向變化為15°~20°，E向和SE向浪影響下波向變化較小，基本在5°以內(nèi)。在極端海況下，NE向風(fēng)影響下，工程區(qū)外海域有效波高在3.80 m以上，傳播到沙灘前沿后降低到1.60 m以下，波浪折射過(guò)程中波向變化約10°。對(duì)于常態(tài)海況來(lái)說(shuō)，外海風(fēng)向?qū)ι碁┣把夭ɡ说挠绊懼饕w現(xiàn)在波向不同；對(duì)于極端海況而言，外海風(fēng)向?qū)ι碁┣把夭ɡ说挠绊戵w現(xiàn)在波高和波向的不同，其中較不利波向?yàn)镋與SE向，NE向受西側(cè)圍區(qū)阻擋，波高相對(duì)較小。

3.3.3 沙灘演變預(yù)測(cè)模型

本次沙灘演變預(yù)測(cè)采用由TU Delft大學(xué)和Delft三角洲研究中心聯(lián)合開發(fā)的海岸動(dòng)力模型（XBeach模型）。

常態(tài)海況下，各向浪影響下的沙灘形態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，沖淤幅度基本相當(dāng)，高程在2.00~3.00 m（即平均高潮位與平均大潮高潮位）灘面的海沙被波浪搬運(yùn)到灘面坡腳及以外的海域。灘面沖刷厚度基本在0.40 m以內(nèi)，且西側(cè)略低于東側(cè)。本次取最不利的情況，預(yù)測(cè)沙灘從鋪沙到動(dòng)態(tài)平衡后的侵蝕量為5 700 m3，侵蝕11.8%。

極端海況下，灘肩以上的海沙被波浪淘刷懸浮，各組工況沙灘形態(tài)變化趨勢(shì)基本一致，沙灘東西兩側(cè)侵蝕幅度較大[4]，東側(cè)最大沖刷深度在0.80 m左右，西側(cè)最大沖刷深度在0.40 m左右；中部侵蝕程度較小，在0.20 m左右。E向波浪影響下的沙灘侵蝕量為8 800 m3[5]，占總鋪沙量的18.1%。SE向波浪影響下的沙灘侵蝕量為6 600 m3，占總鋪沙量的13.6%。

3.3.4 工程驗(yàn)證

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際實(shí)施情況，經(jīng)歷了7、8月份臺(tái)風(fēng)期風(fēng)浪影響，北側(cè)靠近外海區(qū)域存在一定的沙量流失，流失量主要內(nèi)移至南側(cè)。岸線修復(fù)區(qū)沙灘形態(tài)基本與設(shè)計(jì)形態(tài)相吻合，設(shè)計(jì)沙量37 564 m3，經(jīng)穩(wěn)定后測(cè)量換算，總體損失量約4 500 m3，現(xiàn)狀沙灘流失為12.0%左右，與模型模擬基本一致。采用本工程模型進(jìn)行沙灘形態(tài)設(shè)計(jì)取得較為理想的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）極端海況造成沙灘沖淤變化后，尋常的波浪和潮流難以再將灘面淤積的海沙推回灘肩以上，甚至還會(huì)在后續(xù)的漲落潮過(guò)程中將沙質(zhì)帶向外部海域，因此維護(hù)過(guò)程中需要采用人工維護(hù)的方法將海沙推回到干灘，重塑沙灘形態(tài)。

（2）工程區(qū)域東部拋石隔堤高程為2.60 m，在高潮位時(shí)不能形成有效防護(hù)，因此沙灘東部在極端海況尤其是外海E向大浪影響下可能會(huì)有較大程度的沖刷，需要在后續(xù)維護(hù)過(guò)程中特別注意，可以考慮種植濱海植物，作為消浪屏障。