浙江省玉環(huán)市鮮疊沙灘人工修復(fù)研究

黃君寶，倪 博，劉 旭，姚文偉，黃世昌

（1.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 310017；2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3.樂(lè)清交通水利投資集團(tuán)有限公司，浙江 樂(lè)清 325600）

1 問(wèn)題的提出

浙江省沿海大多淤泥質(zhì)海岸環(huán)境下都存在岬灣沙灘，具有“灣后青山，灣內(nèi)沙灘，灣外泥灘”的格局。在岬灣受損沙灘進(jìn)行人工修復(fù)，不但有助于海岸灘涂生態(tài)修復(fù)，還能提高防災(zāi)減災(zāi)能力，促進(jìn)當(dāng)?shù)匦蓍e旅游，因此在當(dāng)前的海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)中不斷得到各地政府的重視與探索[1-2]。

國(guó)外對(duì)人工修復(fù)沙灘已廣泛應(yīng)用，如美國(guó)佛羅里達(dá)州南端邁阿密旅游勝地的人工海灘，不但可抗拒中等強(qiáng)度的颶風(fēng)，且極大提高了休閑價(jià)值。荷蘭進(jìn)行大量的人工沙灘修復(fù)工程，用于抵御風(fēng)暴潮的襲擊和海平面上升引起的國(guó)土面積減少。西班牙采用人工沙灘修復(fù)已成為解決海岸侵蝕的主流方法。國(guó)內(nèi)也已有諸多岬灣型人工修復(fù)沙灘的應(yīng)用，如香港的淺水灣人工修復(fù)沙灘、臺(tái)灣的安平港海灘、大連的星海灣海灘、海南的小東海灣海灘等[3-4]。

國(guó)內(nèi)外人工修復(fù)沙灘絕大多數(shù)位于砂質(zhì)海岸上，其潮間帶和潮下帶大多為沙質(zhì)。而浙江省沿海岬灣沙灘大多處于沙質(zhì)和淤泥共存的狀態(tài)，沙灘緊鄰淤泥，一般存在明顯的泥沙分界帶。沙灘前沿海域中水體懸沙含量較高，且海域無(wú)海砂補(bǔ)給，陸域因海堤等建筑物陰隔而來(lái)沙極少，極易造成沙灘退化，甚至產(chǎn)生泥化現(xiàn)象[5]。玉環(huán)市鮮疊沙灘屬于浙江省沿海典型的淤泥質(zhì)海岸環(huán)境下的岬灣沙灘，對(duì)其進(jìn)行人工沙灘修復(fù)研究具有一定的典型性和示范意義。

2 工程概況

鮮疊沙灘位于浙江省玉環(huán)市南部鮮疊灣岙內(nèi)，西臨樂(lè)清灣，東瀕東海，岙口為東北—西南向，口外正對(duì)橫址山，往南有大門(mén)島和鹿西島隔海相望。鮮疊沙灘現(xiàn)狀地理位置及平面布置見(jiàn)圖1。沙灘沿岸長(zhǎng)約480 m，平均低潮位以上灘面寬50~100 m，沙灘面積約36 000 m2。沙灘東北側(cè)為鮮疊大壩，總長(zhǎng)為442 m，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤頂高程在6.52~7.09 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，下同），目前壩體基本完好，但存在沉降、變形、開(kāi)裂、管涌和滲水等問(wèn)題。從整體上看，沙灘所處的岙口由西北側(cè)山體和東南側(cè)的岬角卡住，形成典型的岬灣形態(tài)。

圖1 鮮疊沙灘地理位置及平面布置圖

2.1 沙灘地貌

鮮疊沙灘區(qū)域至今未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的活動(dòng)性斷層，距離各發(fā)震大斷裂均較遠(yuǎn)，區(qū)域條件相對(duì)穩(wěn)定。沙灘沉積物呈黃灰色，顆粒較細(xì)，多為泥沙混合體，落潮時(shí)會(huì)形成細(xì)小的潮溝。灘面整體坡度較緩，在海浪的拍打下形成沙波形態(tài)，見(jiàn)圖2（a）。

鮮疊沙灘舊照見(jiàn)圖2（b）。原有沙灘灘面較寬，干灘部分向陸延伸至民房附近，起到消浪的作用，且沙灘顏色較為黃亮，屬于顆粒較粗的泥沙。目前由于鮮疊大壩的陰隔，沙灘失去了后方泥沙來(lái)源，灘面蝕低，海灘巖暴露，且沙灘粒徑變細(xì)，顏色變暗，深水區(qū)域已經(jīng)泥化，底質(zhì)變?yōu)橛倌唷?/p>

圖2 鮮疊沙灘圖

2.2 潮汐潮流

鮮疊沙灘附近海域?yàn)閺?qiáng)潮海域，屬于正規(guī)淺海半日潮。根據(jù)附近坎門(mén)站2003年全年潮位資料統(tǒng)計(jì)，平均高潮位為2.30 m，平均低潮位為-1.59 m，平均大潮高潮位為3.10 m，平均潮差為3.91 m。漲潮歷時(shí)長(zhǎng)于落潮歷時(shí)，分別為6.32 h和6.12 h。

工程海域布置1條水文垂線進(jìn)行大潮期連續(xù)27 h的流速、流向觀測(cè)，鮮疊灣內(nèi)實(shí)測(cè)最大漲潮流速為0.39 m/s，對(duì)應(yīng)流向302°，最大落潮流速為0.58 m/s，對(duì)應(yīng)流向80°，均出現(xiàn)在面層。垂線平均最大漲潮流速為0.31 m/s，對(duì)應(yīng)流向306°，垂線平均最大落潮流速為0.47 m/s，對(duì)應(yīng)流向81°，落潮流大于漲潮流。

2.3 風(fēng) 浪

玉環(huán)海域全年常風(fēng)向?yàn)镹—ENE向，頻率為50%，全年平均風(fēng)速為3.70 m/s；次常風(fēng)向SE和SW向，SE向頻率為5%，全年平均風(fēng)速為2.40 m/s，SW向頻率為6%，全年平均風(fēng)速為3.00 m/s。強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE向，頻率為7%，最大風(fēng)速為15.00 m/ s。全年中夏季多為SW向大風(fēng)，春秋季節(jié)多為偏S向或偏N向大風(fēng)，以偏N向大風(fēng)為主，冬季盛行N—NE向大風(fēng)。最大風(fēng)速基本在臺(tái)風(fēng)期間產(chǎn)生。

整體上看，沙灘附近海域是以涌浪為主的風(fēng)、涌混合浪海區(qū)。外海涌浪方向比較集中，為偏E向，風(fēng)浪的方向主要為偏NNE向；外海的常浪向?yàn)槠獷向。因此，從沙灘所處位置分析，海浪多為E—S向，應(yīng)是外海波浪傳入發(fā)生折射和當(dāng)?shù)匕l(fā)生的波浪共同組成，為風(fēng)、涌混合浪，以涌浪為主。

2.4 泥 沙

根據(jù)工程海域大潮期連續(xù)27 h的懸沙測(cè)量統(tǒng)計(jì)，漲潮流平均含沙量在0.249~0.289 kg/m3，落潮流平均含沙量在0.244~0.266 kg/m3，漲潮流大于落潮流。從含沙量的垂向分布看，平均含沙量均表現(xiàn)為從面層隨著水深增加而逐漸增大的趨勢(shì)。

鮮疊灣內(nèi)底床泥沙顆粒比一般沙灘細(xì)，中值粒徑0.006 1~0.283 1 mm，屬于淤泥—細(xì)沙。從平面分布來(lái)看，泥沙粒徑由深水區(qū)向淺水區(qū)逐漸變粗；從垂向分布來(lái)看，深水區(qū)表層泥沙較細(xì)，表層0.5 m以下逐漸變粗，表明淤泥沉積在原有沙灘上面。淺水區(qū)則是表層泥沙較粗，向下逐漸變細(xì)，表明波浪進(jìn)入淺水區(qū)域時(shí)，底部泥沙搬運(yùn)量增大，沙灘物質(zhì)向岸運(yùn)動(dòng)并被帶到波浪破碎區(qū)，最后隨上沖水流帶到灘面堆積。

2.5 沙灘成因及岸灘演變分析

鮮疊沙灘所在岙口朝向西南，但鮮疊灣口朝向東南，外海波浪經(jīng)鹿西島傳入到鮮疊灣附近海域，發(fā)生折繞射變形傳入岙內(nèi)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，波浪接近灘面時(shí)發(fā)生破碎，波前峰形成1個(gè)小而陡的破碎面，該處水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，極易使細(xì)顆粒泥沙懸浮，這些懸浮的細(xì)顆粒物質(zhì)則被離岸流如底流、裂流、落潮流帶向外海，這是沙灘存在的主要原因。

塑造鮮疊沙灘的因素主要包括海平面、波浪和潮流，就工程時(shí)限而言，海平面的變化可不考慮。外海潮汐主要為西北—東南向的往復(fù)流，沙灘所處灣內(nèi)潮流速很小，對(duì)沙灘塑造作用也有限。因此，波浪的強(qiáng)度及出現(xiàn)的頻率是維持沙灘的主要因素。

根據(jù)鮮疊附近海域1995年（鮮疊大壩修建前）、2009年海圖和2015年實(shí)測(cè)岸線，描繪出鮮疊沙灘附近海域20年來(lái)岸線變化情況（見(jiàn)圖3）。鮮疊灣附近海域多為基巖岸線，開(kāi)發(fā)活動(dòng)少，多年來(lái)岸線變化較小，變化趨勢(shì)主要是鮮疊沙灘的岸側(cè)區(qū)域整體向海推進(jìn)：1995年海圖岸線顯示鮮疊大壩修建前岙內(nèi)存在面積較大的沙灘；到2009年鮮疊碼頭建成，岙內(nèi)在鮮疊大壩后方的沙灘已經(jīng)消失；2015年岸線與2009年相比變化不大。

圖3 鮮疊沙灘早期岸線變化圖

3 沙灘修復(fù)研究

3.1 波浪數(shù)值計(jì)算

設(shè)計(jì)人工沙灘的形態(tài)、分析沙灘岸線的穩(wěn)定以及預(yù)測(cè)沙灘修復(fù)后的岸線變化情況都有必要進(jìn)行波浪數(shù)值模擬計(jì)算，了解沙灘及附近海域的波浪分布狀況。波浪數(shù)值模擬采用SWAN模型，以大陳站和南麂波浪站的波浪條件為邊界條件，并采用玉環(huán)氣象站的實(shí)測(cè)風(fēng)速資料。模型網(wǎng)格采用正交曲線網(wǎng)格，E—SE向波浪入射網(wǎng)格見(jiàn)圖4（a），S向波浪入射網(wǎng)格見(jiàn)圖4（b）。

圖4 波浪模型計(jì)算范圍及嵌套布置圖

各計(jì)算工況下（以平均大潮高潮位時(shí)為例）鮮疊沙灘附近海域有效波高（H13%）及波向分布見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，E向和SE向的外海波浪傳入到鮮疊近海后，受地形影響發(fā)生折射，波向大致相同，鮮疊灣外波浪有效波高H13%為0.4~0.5 m，傳播到近岸后波高減小，沙灘附近有效波高H13%在0.2 m以下。S向外海波浪入射到鮮疊近海后，波浪基本保持原波向向?yàn)硟?nèi)傳播，并在沙灘附近發(fā)生折射，鮮疊灣外波浪有效波高H13%約為0.5 m，傳播到近岸后波高減小，沙灘附近有效波高H13%在0.4 m以下。綜上可知，各方向波浪傳播到鮮疊灣海域時(shí)有效波高H13%均在0.5 m左右，但E向和SE向外海波浪傳播到鮮疊沙灘時(shí)由于折射角度較大，波高已經(jīng)較小，而S向外海波浪基本屬于直接入射，傳播到鮮疊沙灘時(shí)基本還能保持波高大小。

圖5 不同方向波浪入射時(shí)工程區(qū)波浪場(chǎng)分布圖（平均大潮高潮位） 單位：m

3.2 潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算

潮流是泥沙運(yùn)動(dòng)的載體，根據(jù)鮮疊沙灘附近海域的具體情況和所要解決的問(wèn)題，建立包括鮮疊灣在內(nèi)的平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型?？紤]到工程海區(qū)具有島嶼眾多、地形復(fù)雜的特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型擬采用無(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（見(jiàn)圖6）。工程區(qū)域局部加密，網(wǎng)格尺度10~1 500 m。整個(gè)計(jì)算域布設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為28 404個(gè)，單元數(shù)為54 437個(gè)，流場(chǎng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 s。

圖6 潮流模型計(jì)算范圍圖

選取2015年11月27—28日 實(shí)測(cè) 潮 位 和 潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖7~8。由圖7~8可見(jiàn)，無(wú)論是潮位過(guò)程還是高、低潮位值，計(jì)算與實(shí)測(cè)均符合良好，計(jì)算流速過(guò)程與實(shí)測(cè)流速基本接近，流向的模擬值與實(shí)測(cè)值亦較為一致。

圖7 潮位驗(yàn)證曲線圖（大潮）

圖8 流速、流向驗(yàn)證曲線圖（大潮）

工程附近海域的漲、落急流場(chǎng)圖見(jiàn)圖9。漲潮時(shí)潮流自東南洞頭洋而來(lái)，分為2支：一支流經(jīng)鹿西島與大門(mén)島之間的水道，進(jìn)入樂(lè)清灣；另一支與自坎門(mén)東北方向而來(lái)的潮流匯合，從鮮疊灣與橫址山之間的水道經(jīng)過(guò)，流入樂(lè)清灣。落潮流基本與漲潮流方向相反。鮮疊灣與橫址山之間的水道流速較大，漲潮時(shí)最大流速超過(guò)1.0 m/s。鮮疊灣內(nèi)流速基本在0.8 m/s以下，沙灘附近漲、落潮最大流速在0.5 m/s以?xún)?nèi)。工程海域?yàn)榉钦?guī)半日淺海潮流，漲、落潮歷時(shí)差在0.5 h以?xún)?nèi)，在沙灘前沿水域的漲、落潮流向基本相反，流速較?。?.2 m/s以?xún)?nèi)），對(duì)灣內(nèi)砂質(zhì)的縱向輸移（即泥沙的沿岸運(yùn)動(dòng)）起不到主要作用。

圖9 工程附近海域流場(chǎng)圖

3.3 鮮疊沙灘修復(fù)方案

基于對(duì)鮮疊灣海岸地形地貌的認(rèn)識(shí)和潮流、波浪模型模擬的結(jié)果，并結(jié)合岬灣的靜態(tài)平衡理論，對(duì)鮮疊沙灘修復(fù)工程設(shè)計(jì)布局進(jìn)行分析研究（見(jiàn)圖10）。

沙灘修復(fù)平面布置見(jiàn)圖10（a），主要包括干灘和灘面2個(gè)區(qū)域（水下淺灘合并到灘面部分），其中干灘（潮上帶）是游人漫步場(chǎng)所，灘面（潮間帶）隨漲落潮淹沒(méi)和露出，供游人踏浪以及作為水體景觀。鮮疊大壩至-3.00 m高程之間距離只有約160 m，沙灘寬度較小，設(shè)計(jì)較窄的干灘和水下淺灘，其中干灘寬度為2~10 m，為保證一定的坡度，灘面設(shè)計(jì)寬度約120 m。鋪沙時(shí)首先對(duì)現(xiàn)有灘面進(jìn)行碎石和淤泥清理并進(jìn)行區(qū)域整平，然后鋪設(shè)土工布及碎石墊層，最后鋪沙并壓實(shí)平整。修復(fù)后總共形成沙灘面積5.7萬(wàn)m2，其中干灘面積0.4萬(wàn)m2，灘面面積5.3萬(wàn)m2。

圖10 鮮疊沙灘修復(fù)方案布置圖

典型斷面見(jiàn)圖10（b），干灘（潮上帶）的高程設(shè)置在4.17 m，寬度約10 m，坡度1∶50，填沙厚度取2 m。由于沙灘起填高程高于現(xiàn)有地形高程，因此需要將原海床適當(dāng)填充墊層至所需的鋪沙高程，墊層主要采用土工布、石料等。

灘面坡度設(shè)計(jì)為1∶18，寬度120 m，坡頂高程4.17 m，坡底高程-2.90 m，鋪沙厚度為1~2 m，坡頂至坡底之間鋪沙厚度線性過(guò)渡，沙灘外緣與原有海床自然銜接，平均低潮位時(shí)會(huì)露灘。沙灘修復(fù)主要采用海上吹填的方式補(bǔ)沙。

由于鮮疊大壩目前存在滲水、沉降等問(wèn)題，采用直接鋪沙方案首先需對(duì)大壩進(jìn)行防滲和加固處理，當(dāng)前大壩壩體上存在的滲水管道也需要重新布置，不能直排到沙灘上。

3.4 沙灘修復(fù)后預(yù)測(cè)

大潮高潮位時(shí)，堤腳處的高程在水面1.0 m以上，常規(guī)海況條件下基本不會(huì)發(fā)生波浪反射，但在極端海況條件下，大浪有可能沖至堤腳處并反射，形成堤前沖刷坑，從而加劇橫向輸沙。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和波浪模型計(jì)算結(jié)果，區(qū)域內(nèi)波浪強(qiáng)度分布不均，沙灘西部波能較強(qiáng)，東部較弱，沙灘修復(fù)以后可能會(huì)發(fā)生泥沙由西向東的縱向輸移，應(yīng)注意監(jiān)測(cè)。

鮮疊沙灘平均大潮高潮位下附近海域有效波高（H13%）在0.4 m左右，換算成H4%約為0.5 m，其近岸具有形成沙泥混合型岸灘特征的動(dòng)力環(huán)境，現(xiàn)存的鮮疊沙灘也佐證了該觀點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料表明，即使當(dāng)?shù)夭ɡ溯^強(qiáng)的開(kāi)敞海域，近岸岸灘呈典型的沙質(zhì)岸灘特征，但在離岸一定距離的深水區(qū)往往也會(huì)是細(xì)顆粒泥沙，特別是在淤泥質(zhì)海岸帶，深水區(qū)床面肯定是細(xì)泥。而在一些波能水平較低、灘坡平緩的典型泥質(zhì)岸灘的高潮位區(qū)域也往往存在局部窄長(zhǎng)的沙灘帶，即使在典型的淤泥質(zhì)海岸帶，也經(jīng)?？梢杂^察到這種地貌特征?？梢哉f(shuō)，岸灘存在一個(gè)“沙泥分界點(diǎn)”或“沙泥分界線”，并與當(dāng)?shù)亟恫ǜ邨l件密切相關(guān)。

根據(jù)徐嘯[1]等人的研究，一般淤泥質(zhì)海岸岸灘淤泥天然容重多為1.40 g/cm3左右，此時(shí)床面泥沙臨界揚(yáng)動(dòng)波浪摩陰流速為1.62 cm/s。當(dāng)近岸波高為0.3 m時(shí)，對(duì)應(yīng)淤泥揚(yáng)動(dòng)水深為1.6 m左右；近岸波高為0.5 m時(shí)，淤泥揚(yáng)動(dòng)水深3.0 m左右；近岸波高為0.8 m時(shí)，淤泥揚(yáng)動(dòng)水深5.0 m左右?？梢?jiàn)，在一定的波浪條件下，深水區(qū)易形成淤泥床面，淺水區(qū)淤泥較難沉積，并且波浪越強(qiáng)，淤泥的揚(yáng)動(dòng)水深越大。

根據(jù)鮮疊沙灘波浪計(jì)算結(jié)果，平均大潮高潮位下近岸波高在0.5 m左右，其淤泥揚(yáng)動(dòng)水深為3.0 m；因此，可以認(rèn)為沙灘修復(fù)以后平均潮位以上的灘面基本不會(huì)發(fā)生泥化現(xiàn)象，而平均潮位以下的灘面會(huì)有一定的泥化發(fā)生。

另外，根據(jù)國(guó)內(nèi)外沙灘修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，鋪沙后沙灘平面和剖面在波浪作用下趨于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但也會(huì)發(fā)生泥沙流失的風(fēng)險(xiǎn)；因此需定期對(duì)沙灘進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)泥沙損失量過(guò)大的情況需要進(jìn)行適量補(bǔ)沙，在工程概預(yù)算時(shí)需預(yù)留沙灘后期維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

鮮疊沙灘分布在海灣灣頂，兩側(cè)為基巖岬角，山體臨水段均受海浪侵蝕，沙灘的物質(zhì)來(lái)源是海灣兩側(cè)及陸上基巖的風(fēng)化侵蝕物質(zhì)。沙灘附近海域岸線多為基巖岸線，開(kāi)發(fā)活動(dòng)少，多年來(lái)岸線變化較小，沙灘面積較前減小。

建立了覆蓋研究區(qū)域的波浪模型和平面二維非恒定潮流數(shù)學(xué)模型，經(jīng)數(shù)模計(jì)算和分析研究，提出不考慮大壩遷址重建情況下的沙灘修復(fù)方案，修復(fù)后的沙灘主要包括干灘和灘面兩部分。干灘寬度2~10 m，坡度1∶50；灘面寬度約120 m，坡度1∶18。

泥沙橫向輸移（即泥沙的向岸—離岸運(yùn)動(dòng)）計(jì)算結(jié)果顯示，鋪沙后的沙質(zhì)剖面在當(dāng)前波浪條件下基本處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，可以判定在常規(guī)海況情況下基本不發(fā)生離岸橫向輸移，但可能會(huì)發(fā)生泥沙由西向東的縱向輸移（即泥沙的沿岸運(yùn)動(dòng)）。因此，沙灘修復(fù)工程完成后應(yīng)注意定期監(jiān)測(cè)，必要時(shí)可在沙灘西部區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)沙，同時(shí)，沙灘修復(fù)以后平均潮位以上的灘面基本不會(huì)發(fā)生泥化現(xiàn)象，而平均潮位以下的灘面會(huì)有一定的泥化風(fēng)險(xiǎn)。