基于海岸帶脆弱性方法的沙質(zhì)海岸防護工程設計應用

郭天潤

（中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

沿海地區(qū)的建筑及基礎設施易受到氣候變化引起的沿海災害的影響。相比其他類型海岸，沙質(zhì)海岸的侵蝕問題尤為突出，近年來，受全球變暖等氣候變化影響，沙質(zhì)海岸的年平均侵蝕速率達1~3 m，對沿海地區(qū)居民的生活構成重大威脅。因此，沙質(zhì)海岸防護工程是保障海岸帶系統(tǒng)安全和經(jīng)濟、社會發(fā)展的重要課題，也是國際前沿科學問題。利用科學、系統(tǒng)的方法進行沙質(zhì)海岸帶脆弱性分析，并基于此提出合理的防護策略和工程措施，是沙質(zhì)海岸防護工程中的一種較為有效的研究手段。

1 國內(nèi)外相關研究及PSR模型簡述

海岸帶脆弱性的評估方法繁多[1-2]，最常見的綜合評估方法主要有3種，即IPCC通用方法、PSR模型評估和CVI脆弱性指數(shù)[3]。其中，PSR（Pressure—State—Response Framework）模型是指“壓力-狀態(tài)-響應”模型，最初是由加拿大統(tǒng)計學家RAPPORT D J和FRIEND A M（1979）提出[4]，后由經(jīng)濟合作和開發(fā)組織（OECD）與聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出了針對環(huán)境指標的PSR概念模型，近年來被應用于各相關領域[5-7]。

使用PSR模型進行海岸帶脆弱性分析時，首先需要針對項目的實際情況，確定指標體系。主要考慮：1）壓力表征指標，如海平面上升、氣溫升高、極端天氣狀況和人類的圍墾活動等；2）狀態(tài)表征指標，如海岸帶物理、生態(tài)特征變化和災害的發(fā)生頻率及社會經(jīng)濟人口特征及經(jīng)濟損失等；3）響應表征指標，如系統(tǒng)的物理形態(tài)及生態(tài)響應和人類社會對系統(tǒng)變化所作出的一系列適應性調(diào)整措施等。然后，利用層次分析法給每個指標賦予一定權重，再進行數(shù)據(jù)標準化處理，最后利用系數(shù)評分法進行打分。該模型評估法考慮的因素眾多，指標選取較為全面，可操作性好，對于解決沿海城市和居民密集區(qū)域的脆弱性響應有較好的適用性。

2 工程案例所在海岸情況

案例選自于筆者在荷蘭某國際咨詢公司工作期間參與的項目，由聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）和環(huán)境保護署（EPA）共同發(fā)起，是較為典型的海岸防護類工程項目。項目位于利比里亞首都蒙羅維亞，該海岸西鄰大西洋，是細砂、中砂類沙質(zhì)海岸。波浪以南向浪為主，洪季平均波高約1.75 m，平均波周期約12 s。該地區(qū)常年受海洋災害的威脅，在過去10 a里海岸線后退較為嚴重，據(jù)統(tǒng)計，共有670戶居民因海岸侵蝕的影響而搬遷。按所在地段和受影響程度不同，自北向南可分為5個區(qū)段（圖1）。

圖1 工程所在海岸受影響程度分區(qū)段示意圖Fig.1 Schematic diagram of affected sections of project location coast

通過衛(wèi)星航拍對比圖可清晰觀測到海岸線后退的情況，如圖2和圖3所示，圖中虛線和實線分別為2008年和2018年海岸線。以區(qū)段2和區(qū)段3為例，2008—2018年，海岸侵蝕嚴重，海岸線后退最大達150 m，甚至連河口沙洲和攔門沙形態(tài)都發(fā)生了重大變化。這種變化不僅威脅和損害了沿岸居民的生命財產(chǎn)安全，同時也給上游河段和整個紅樹林流域帶來不確定的影響。

圖2 區(qū)段2海岸線變化衛(wèi)星圖對比（虛線2008年；實線2018年）Fig.2 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 2

圖3 區(qū)段3海岸線變化衛(wèi)星圖對比（虛線2008年；實線2018年）Fig.3 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 3

歷年衛(wèi)星圖對比和相關調(diào)研結果表明，近10 a來，該海岸未有較大規(guī)模的人類活動，人類活動對該區(qū)域海岸的直接影響較小。海岸線后退主要是由自然過程造成的，而這種自然過程由于氣候變化將繼續(xù)擴大，海岸線后退以及隨之帶來的破壞預計將在未來幾十年繼續(xù)惡化。

3 海岸帶脆弱性綜合評估方法的應用

該區(qū)域海岸線后退主要包括3個影響過程，即海平面上升帶來平衡斷面的變化（Bruun效應）[8-9]，沿岸輸沙和河口泥沙交換引起泥沙缺少，從而形成緩慢的岸灘侵蝕和風暴潮的侵蝕。雖然上述3個影響過程是獨立的，但影響它們的因子都較為類似，且都易受到氣候變化的影響。海岸線后退現(xiàn)狀及2050年數(shù)模預測結果見表1。

表1 海岸線后退現(xiàn)狀及2050年預測評估表Table 1 Status of coastline retreat and forecast evaluationtable for 2050

考慮利用PSR模型對工程的5個區(qū)段進行海岸脆弱性綜合評估。其中壓力指標是指給海岸帶來影響的因素，本工程中主要考慮海平面上升、波浪和凈輸沙量的變化情況。狀態(tài)指標主要考慮由Bruun效應、慢性侵蝕和風暴引起的沖刷導致的海岸線后退，及其帶來的各種直接和間接損失、社會和經(jīng)濟影響等。響應指標主要是人類已有的干預活動及政府和相關團體對防護措施的態(tài)度。

在PSR模型中各指標權重的確定存在較大的主觀性，需要長年的基礎數(shù)據(jù)支撐，而工程區(qū)屬于欠發(fā)達地區(qū)，缺乏必要的基礎資料，對各指標權重進行數(shù)據(jù)標準化處理較為困難。因此簡化PSR模型，即采用定性和定量相結合的方式對各評價指標進行評估，見表2。結果表明，區(qū)段2和區(qū)段3受到海岸脆弱性和危害強度最大，應投入主要的資源，采用合適的工程措施進行重點防護。

表2 脆弱性分析評估表（簡化PSR模型，至2050年）Table 2 Vulnerability analysis assessment form(Simplified PSR model,to 2050)

4 防護策略和工程措施分析比選

基于海岸脆弱性分析和危害強度的評估結果，選取合適的防護策略，以降低危害強度。在考慮工程對社會和環(huán)境的影響情況下，因地制宜，找到最容易實施且經(jīng)濟性可行的解決方案[10-12]。近年來，海岸防護策略趨于多樣化，但總體上可分為5大類，從“軟性防護”過渡到“硬性防護”依次為補沙、擋沙、破波消能（基于生態(tài)）、破波消能、固定海岸線[13]。各防護策略均對應一些可用的工程措施，結合本工程實際水動力條件和地形特點，部分工程措施沒有實施可行性，見表3。

表3 海岸工程防護策略實施條件與可行性分析表Table 3 Implementation conditions and feasibility analysis of coastal engineering protection strategy

工程區(qū)屬于侵蝕性較強的海域，純沙灘養(yǎng)護的費用極高，需配合其他工程措施實施。針對本工程實際情況，篩選出本工程技術可行的工程措施，并對各措施進行優(yōu)劣勢對比分析，見表4。

表4 本項目防護策略與工程措施分析表Table 4 Analysis table of protection strategies and measures of the project

分析結果表明，較柔性的防護策略造價較高，在該海岸適用性不強，而造價低廉的斜坡式護岸優(yōu)勢明顯，能較好地適應當?shù)氐姆雷o需求和經(jīng)濟性要求。因此，各區(qū)段海岸防護擬采用斜坡式塊石護岸工程措施。

5 工程布置方案

根據(jù)前述研究結論，區(qū)段2和區(qū)段3的具體工程布置方案如下。

區(qū)段2的后方為人口密集區(qū)域，海岸侵蝕方向主要是向海側輸沙，部分向西北方向沿岸輸沙。由于目前政府正在修建簡易護岸，擬對在建的簡易護岸進行一定改造升級，如堤頂加高和采用較大石料等，沙灘后方布置綠色長廊，滿足景觀要求，提升沿海居民的居住體驗。在區(qū)段2中部位置布設一處丁壩與沙灘養(yǎng)護結合的靠船點，滿足小型漁船?？亢捅茱L需求。為減少靠船點處泥沙流失，丁壩設置為L形，L形丁壩開口向東南方向（來沙方向），見圖4。

圖4 區(qū)段2推薦工程方案Fig.4 Proposed solution of section 2

區(qū)段3也是該地區(qū)人口最密集的海岸之一，海岸北端有西點軍校。該區(qū)域總體處在海洋和Mesurado盆地之間的動態(tài)沙洲上，海拔較低。海岸侵蝕方向主要是向海側輸沙，盆地內(nèi)的“沙饑餓”現(xiàn)象導致部分向西北方向沿岸輸沙，加劇了該區(qū)域的海岸侵蝕現(xiàn)象。擬采用與區(qū)段2類似的工程方案，即配備綠色長廊的塊石護岸，中段位置設置L形丁壩的漁船登船點，L形丁壩開口方向西南（見圖5）。其中，護岸要延伸至Mesurado盆地入口處的海岸線，以確保覆蓋海岸侵蝕區(qū)段的全部范圍。

圖5 區(qū)段3推薦工程方案Fig.5 Proposed solution of section 3

6 結語

1）PSR模型是一種海岸脆弱性綜合評估方法，其考慮因素和指標選取較為全面，具有可操作性好、系統(tǒng)性強等特點，可較好地適用于沿海城市和居民密集區(qū)域的社會經(jīng)濟脆弱性響應。同時，該方法受制于數(shù)據(jù)且主觀性較強，對于缺乏長年基礎資料地區(qū)，采用定性和定量相結合的評估方式能達到較好的效果。

2）在選取海岸防護策略中，需“因地制宜”，針對不同工程的實際情況，特別是結合水沙和地形特點，考慮公共安全、公眾需求及當?shù)厣鐣?jīng)濟條件等，選取經(jīng)濟、合理、可行的工程方案。

3）在整體沖刷的沙質(zhì)海岸，海岸防護工程通常不能徹底改變其侵蝕地貌的形態(tài)，其防護策略宜以硬性措施為主，即固定海岸線以減緩沖刷程度，并適當兼顧其他需求。