深圳后海灣淤泥質(zhì)海岸沙灘修復(fù)研究

宣名軒，陳世俊，楊 娟，朱 偉，闕平雯，吳威力

（1.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

我國(guó)海岸線綿長(zhǎng)，尤其是沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，淤泥質(zhì)岸線占全國(guó)岸線的1/3，所以大部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海城市缺少優(yōu)質(zhì)的砂質(zhì)海灘。然而，沙灘具有重要的防災(zāi)減災(zāi)、濱海旅游和生態(tài)服務(wù)功能，是海岸帶高質(zhì)量發(fā)展和沿海人民生活質(zhì)量提升所依賴的最重要的空間資源之一，因此在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的濱海城市開展沙灘修復(fù)和淤泥質(zhì)海岸整治修復(fù)是非常有必要的。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于沙灘修復(fù)和淤泥質(zhì)海岸整治修復(fù)方面的研究較少。辜偉芳等[1]對(duì)浙江省淤泥質(zhì)海岸線特點(diǎn)及整治修復(fù)進(jìn)行探討，提出潮灘地貌結(jié)構(gòu)完整性塑造、潮灘生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建及海域水環(huán)境改善等整治修復(fù)方向。對(duì)沙灘修復(fù)而言，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注2 個(gè)問(wèn)題：其一為預(yù)防侵蝕，即沙灘應(yīng)具有一定的抗侵蝕能力，沿岸輸沙及橫向輸沙不應(yīng)太強(qiáng)；其二為預(yù)防泥化，避免由于動(dòng)力環(huán)境過(guò)弱導(dǎo)致沙灘上方黏性細(xì)顆粒泥沙沉積[2]。目前解決沙灘泥化，絕大部分采用圍堰方式隔絕外來(lái)泥沙，構(gòu)建合適的水動(dòng)力環(huán)境。

本文以深圳后海灣沙灘整治修復(fù)為例，探討在半封閉式海灣、水動(dòng)力條件較弱的地方進(jìn)行沙灘修復(fù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模型結(jié)合的方法分析預(yù)防沙灘侵蝕以及沙灘泥化的效果，為淤泥質(zhì)海岸進(jìn)行沙灘修復(fù)提供更多的研究參考和依據(jù)。

1 工程區(qū)域水動(dòng)力、泥沙特性

1.1 水動(dòng)力特性

1.1.1 潮 汐

深圳灣位于珠江口東側(cè)，根據(jù)珠江口伶仃洋實(shí)測(cè)資料分析：東部海區(qū)為不規(guī)則半日混合潮型，具備往復(fù)流的特征。海域?qū)偃醭眳^(qū)，潮差較小，平均潮差為0.86～1.69 m。潮差具有自東向西遞減，由灣口向?yàn)稠斶f增的特點(diǎn)。

1.1.2 潮 流

漲落潮流的最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，落潮流速一般大于漲潮流速。深圳灣口處漲潮流向338°，最大流速約1.48 m/s；落潮流向148°，最大流速約1.18 m/s。深圳灣漲落潮水動(dòng)力分布趨勢(shì)基本類似[3]。

1.1.3 波 浪

深圳灣是半封閉式海灣，灣口較窄，在灣口的西南部與珠江口伶仃洋相連。深圳灣的波浪全年均以風(fēng)浪為主，外海轉(zhuǎn)來(lái)的涌浪很少。涌浪大多出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)影響期間，出現(xiàn)較多的波向?yàn)镾 向和E 向，其次為SSE 向和SSW 向。

1.2 泥沙特性

深圳灣陸域來(lái)沙主要來(lái)自深圳河、大沙河和新洲河。深圳灣內(nèi)的河川多為小型河川，陸域來(lái)沙較少，深圳灣內(nèi)的泥沙主要來(lái)自于灣外。整體來(lái)看，灣內(nèi)的泥沙含量呈現(xiàn)較均勻的上、下水層特征。垂線分布總體上是底層的含沙量稍高于表面，而小潮表、底層幾乎相同。深圳灣內(nèi)的泥沙來(lái)源以珠江上游的輸沙和漲落潮流所帶來(lái)的細(xì)顆粒泥沙為主，含沙量為0.04～0.46 kg/m3。

深圳河灣內(nèi)及鄰近海域的河床成分以淤泥和細(xì)沙為主，懸移質(zhì)的最大粒徑為0.250 mm，中值粒徑為0.009～0.015 mm；深圳河河口段以砂礫為主。深圳河河口至深圳灣外段的含沙量呈遞減趨勢(shì)。

2 修復(fù)目標(biāo)

后海灣淤泥質(zhì)海岸沙灘修復(fù)位置見圖1。沙灘修復(fù)工程建設(shè)的主要目的在于形成休閑海灘，沙灘采用粗、中砂（平均粒徑0.300～0.500 mm），砂質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為：石英＞80.0%，石英＋長(zhǎng)石＞96.0%，含泥量＜0.2%，貝殼含量＜1.0%。灘肩頂面高程為3.20 m，灘肩外邊界線取2.8 m，允許極端天氣下短時(shí)間的漫灘。以中間處觀海棧橋?yàn)榻?，將沙灘分為南?cè)沙灘和東側(cè)沙灘，在東側(cè)沙灘最北側(cè)修建1 座60.0 m 長(zhǎng)的攔沙堤。內(nèi)邊界灘肩高程取3.20 m，灘肩外緣線高程取2.80 m，并向海按1∶10 的坡度自然放坡至海底。

圖1 沙灘位置圖

3 數(shù)學(xué)模型

年際沖淤演變結(jié)合沖淤演變模型水動(dòng)力模塊輸出的水動(dòng)力場(chǎng)，通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)半理論行為公式進(jìn)行計(jì)算；極端天氣下采用沖淤演變數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1 沖淤演變數(shù)學(xué)模型

模型北側(cè)邊界至大虎山上游，南側(cè)至珠江口外海南海水域，沙灘修復(fù)區(qū)域附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。大范圍岸線及地形資料采用珠江口海圖數(shù)據(jù)，工程場(chǎng)區(qū)采用1∶15 000 的CAD 測(cè)圖。平面坐標(biāo)系統(tǒng)一為2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系（中央經(jīng)線為114E）。風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用CFSv2 再分析混合風(fēng)場(chǎng)。高程系統(tǒng)統(tǒng)一為平均海平面。外海潮位開邊界采用中國(guó)海潮位預(yù)測(cè)軟件計(jì)算結(jié)果。采用2016 年9 月16 日10:00—9 月17 日10:00 大潮潮型，1#～6#測(cè)站的垂向平均流速、流向資料及赤灣觀測(cè)站的潮位資料、實(shí)測(cè)含沙量以及臺(tái)風(fēng)“妮妲”登錄前、后2 d 實(shí)測(cè)波高、波向?qū)δＰ瓦M(jìn)行率定和驗(yàn)證，驗(yàn)證站點(diǎn)見圖2。最終糙率取值：

圖2 模型驗(yàn)證站點(diǎn)圖

式（1）中：h為地面正常高，m；ζ為大地水準(zhǔn)面差距，m。

潮位、流速、波高驗(yàn)證（以赤灣站為例）見圖3，含沙量驗(yàn)證（大潮）見表1，符合JTS/T 231—2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[4]中的規(guī)定和要求。

表1 大潮含沙量驗(yàn)證表 單位：kg/m3

3.2 半經(jīng)驗(yàn)半理論行為公式

借鑒羅肇森[5]對(duì)河口航道開挖后的回淤計(jì)算推導(dǎo)，進(jìn)行平常天氣下沙灘修復(fù)后岸灘及海床沖淤研究。根據(jù)竇國(guó)仁懸沙輸沙方程：

式（2）中：H為水深，m；S為含沙量，kg/m3；q為單寬流量，m2/s；α為泥沙沉降機(jī)率；ω為懸沙沉降速度，m/s；S*為挾沙力含沙量，kg/m3；t為計(jì)算時(shí)間，s；x為計(jì)算斷面間距，m。

對(duì)式（2）在1 個(gè)潮周期T內(nèi)積分并經(jīng)差分變換后，可得到1 個(gè)潮周期T內(nèi)的海床沖淤?gòu)?qiáng)度ΔZ：

式（3）中：S1、S2分別為沙灘修復(fù)前、后的含沙量，kg/m3；γ0=1 750d500.183為泥沙干容重，kg/m3；d50為中值粒徑，mm；S1*、S2*分別為沙灘修復(fù)前、后的挾沙力含沙量，kg/m3；q1、q2分別為沙灘修復(fù)前、后的單寬流量，m2/s。

如果沙灘修復(fù)前、后來(lái)沙量不發(fā)生變化，即S2=S1，則有：

1 a 中沖淤?gòu)?qiáng)度p為：

式（4）～（5）中：T為潮周期，s；n為1 a中的潮周期數(shù)。

式（6）中：H1，H2分別為沙灘修復(fù)前、后的水深，m；v1、v2分別為沙灘修復(fù)前、后的流速，通過(guò)潮流數(shù)值模型在考慮波浪場(chǎng)的情況下輸出，m/s。

3.3 模型參數(shù)選取

3.3.1 懸沙沉降速度

沉降問(wèn)題采用JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[6]的推薦方案進(jìn)行概化處理。即對(duì)于粒徑小于0.030 mm 的細(xì)顆粒泥沙，相應(yīng)絮凝沉速應(yīng)介于0.1～0.6 mm/s，這里取該區(qū)間的幾何中間值0.3 mm/s；懸沙以絮凝沉降為主，絮凝沉降速度可取0.3 mm/s。

3.3.2 挾沙力含沙量

式（2）中的S*代表潮流作用下的水體挾沙能力，可取夏季大、中、小潮全潮平均含沙量，計(jì)算時(shí)含沙量可取均值0.080 kg/m3。

3.3.3 其 他

一般大潮期間流速較大，含沙量也相應(yīng)較大，沙灘修復(fù)前、后流速取大潮平均流速；泥沙沉降機(jī)率根據(jù)周圍海域相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取0.6；泥沙干容重根據(jù)羅肇森公式計(jì)算取811.45 kg/m3。

4 岸灘沖淤數(shù)值模擬

4.1 平常天氣條件

平常天氣條件下，人工沙灘建成后年際沖淤演變見圖4。沙灘修復(fù)后，研究區(qū)域整體的沖淤?gòu)?qiáng)度在-0.140～0.120 m/a。受潮流場(chǎng)變化影響，在兩側(cè)人工沙灘坡腳處存在一定的流速減小區(qū)域，導(dǎo)致沙灘坡腳周圍的淤積強(qiáng)度普遍在0.040 m/a 以上，淤積強(qiáng)度超過(guò)0.100 m/a 的范圍主要集中在攔沙堤外側(cè)水動(dòng)力條件極弱的地方。兩側(cè)沙灘坡腳外側(cè)20～30 m范圍內(nèi)的淤積強(qiáng)度普遍在0.008～0.040 m/a。由于攔沙堤縮窄了過(guò)水?dāng)嗝?，兩?cè)沙灘交界處形成類似岬角的平面形態(tài)，導(dǎo)致沙灘交界處兩側(cè)流速增大，引起一定程度的灘面沖刷，沖刷區(qū)域與水流方向垂直，交界處沖刷強(qiáng)度為0.100 m/a。

圖4 人工沙灘建成后年沖淤?gòu)?qiáng)度分布圖

4.2 極端天氣條件

選取對(duì)深圳灣影響最大的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴——2016 年夏季臺(tái)風(fēng)“妮妲”作為極端天氣的代表情況進(jìn)行計(jì)算分析，估算得到沙灘修復(fù)后極端天氣條件下人工沙灘岸灘及附近海床沖淤?gòu)?qiáng)度（見圖5）。由于灣口岬角處對(duì)東側(cè)沙灘的掩護(hù)作用，東側(cè)沙灘幾乎不存在岸灘侵蝕，南側(cè)沙灘岸灘侵蝕較輕，灘肩處不存在漫灘現(xiàn)象；附近海床沖淤程度也較輕，僅在兩側(cè)沙灘交界處類似于岬角的位置，侵蝕強(qiáng)度大于0.040 m。同時(shí)在臺(tái)風(fēng)浪的作用下，懸沙在人工沙灘西南側(cè)掩護(hù)較好的區(qū)域進(jìn)行落淤。

圖5 臺(tái)風(fēng)浪過(guò)后工程區(qū)沖淤?gòu)?qiáng)度分布圖

4.3 剖面沖淤變化分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明沙灘修復(fù)對(duì)岸灘及近岸海域沖淤的影響，模型在南側(cè)、東側(cè)沙灘和兩側(cè)沙灘交界處，設(shè)置長(zhǎng)300 m 的5 個(gè)剖面（見圖6），進(jìn)一步分析兩側(cè)沙灘以及沙灘交界處剖面沖淤變化情況。5 處剖面年際沖淤變化情況和極端天氣下的沖淤變化情況見圖7。

圖6 人工沙灘剖面設(shè)置圖

圖7 剖面沖淤變化圖

由于是半封閉式海灣，正常天氣情況下涌浪的影響可忽略不計(jì)，大風(fēng)浪占全年的1/3 左右，波浪對(duì)沙灘沖淤的影響較弱，主要年際沖淤變化以潮流輸沙為主。沙灘修復(fù)后，流速減小的地方發(fā)生淤積，流速增加的地方發(fā)生沖刷。泥沙沖淤的影響范圍與潮流場(chǎng)的變化范圍一致。極端天氣情況下受風(fēng)浪影響，在波浪掀沙的作用下，主波向波浪強(qiáng)度強(qiáng)的地方?jīng)_刷，在掩護(hù)區(qū)即波浪強(qiáng)度較弱的地方落淤。剖面A 位于東部沙灘邊界，受攔沙堤的阻水作用，沿岸流輸沙在流速較小的地方落淤，沙灘低潮帶年際淤積達(dá)0.020 m/a，而臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)由于風(fēng)浪主波向偏南側(cè)，剖面A 受風(fēng)浪影響較小，幾乎不存在侵蝕。剖面C 位于兩側(cè)沙灘交界處，形成類似岬角的平面形態(tài)，平均流速較大，沙灘的中低潮帶年際沖刷強(qiáng)度達(dá)0.080 m/a。臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，主波向幾乎垂直于剖面C 處，剖面C 受風(fēng)浪影響侵蝕程度最大，沖刷強(qiáng)度達(dá)0.025 m。剖面E 整體上輸沙來(lái)沙平衡，沙灘年際淤積幾乎為0 m/a，極端天氣下受向南側(cè)風(fēng)浪的影響，沙灘侵蝕程度較大，沖刷強(qiáng)度達(dá)0.015 m。整體上，修復(fù)后的沙灘及附近海床將產(chǎn)生一定的沖淤變化，但沖淤?gòu)?qiáng)度及范圍較小，對(duì)周圍海域流場(chǎng)、懸沙等影響也相應(yīng)較小。

5 泥化情況分析

5.1 沙泥分界線高程與波高關(guān)系研究

徐嘯[7]等學(xué)者對(duì)廈門灣岸灘的沙泥分界線進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合當(dāng)?shù)啬昶骄行Рǜ?，得出廈門灣的沙泥分界線高程和當(dāng)?shù)啬昶骄行Рǜ叱守?fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。后海灣和廈門灣同屬海灣，原有岸灘存在明顯的沙泥分界線且基本保持穩(wěn)定，沙泥分界線高度和離岸距離的變化有限，沙泥分界線的波動(dòng)較小[8]。本文將部分具有明顯沙泥分界點(diǎn)的觀測(cè)斷面高程與當(dāng)?shù)亟叮昶骄行В┎ǜ哌M(jìn)行分析，相關(guān)關(guān)系及擬合曲線見圖8。由圖8 可以看出，當(dāng)近岸波高較小時(shí)，沙泥分界線位置較高；同時(shí)與徐嘯的研究結(jié)果對(duì)比可知，近岸波高較小時(shí)對(duì)沙泥分界線高程的影響較小，整體相關(guān)趨勢(shì)與徐嘯在廈門灣沙泥分界線研究中得出的結(jié)論相符。

圖8 沙泥分界點(diǎn)高程與近岸波高關(guān)系圖

5.2 泥化預(yù)測(cè)

在淤積質(zhì)海岸上進(jìn)行沙灘修復(fù)，由于水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，沙灘缺乏波浪淘洗作用，水體中的懸沙大量沉積于沙灘上時(shí)，人工沙灘可能會(huì)發(fā)生泥化現(xiàn)象[9]。由于工程本身是對(duì)存在一定泥化現(xiàn)象的沙灘進(jìn)行修復(fù)，故前文計(jì)算了工程海域的懸沙落淤?gòu)?qiáng)度。以年均動(dòng)力代表?xiàng)l件計(jì)算得南側(cè)沙灘和東側(cè)沙灘灘面上的懸沙落淤?gòu)?qiáng)度為0.100 m/a，落淤?gòu)?qiáng)度較小，但波浪條件有限，懸沙僅可被漲落潮流帶走，破波水流存在可能性較低。結(jié)合珠江口海域含沙量、現(xiàn)場(chǎng)踏勘以及數(shù)值模擬分析，綜合判斷修復(fù)后的沙灘存在一定泥化風(fēng)險(xiǎn)，僅可作為觀賞性沙灘，親水性較差。

兩側(cè)沙灘波浪條件存在一定差異，其中東側(cè)沙灘近岸處的年平均有效波高集中在0.04 m 左右，泥化風(fēng)險(xiǎn)較大。根據(jù)前文的沙泥分界線高程與近岸波高關(guān)系的研究結(jié)論，東側(cè)沙灘沙泥分界線高程可估算為0.49 m，處于低潮帶附近。南側(cè)沙灘近岸處年平均有效波高相對(duì)于東側(cè)沙灘較高，集中在0.10 m 左右，南側(cè)沙灘沙泥分界線高程可估算為0.30 m，處于低潮帶附近。沙灘典型剖面沙泥分界點(diǎn)高程見圖9。

圖9 沙灘典型剖面沙泥分界點(diǎn)高程示意圖

綜上，人工沙灘建設(shè)對(duì)工程區(qū)域波浪條件的影響微乎其微，泥化的風(fēng)險(xiǎn)主要還是由于本身后海灣區(qū)域動(dòng)力條件較弱，潮間帶以潮灘為主，除極端動(dòng)力條件外，砂質(zhì)沉積物難以搬運(yùn)分選，且由于動(dòng)力較弱，懸沙在沙灘的中低潮帶附近沉積、泥化。

6 結(jié) 論

本文以深圳后海灣沙灘整治修復(fù)為例，探討在半封閉式海灣、水動(dòng)力條件較弱的地方進(jìn)行沙灘修復(fù)、預(yù)防沙灘侵蝕以及沙灘泥化的效果，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合潮流數(shù)值模型，推算平常天氣下的沙灘修復(fù)前、后岸灘及海床的沖淤變化。沙灘修復(fù)后，流速減小的地方發(fā)生淤積，流速增加的地方發(fā)生沖刷。泥沙沖淤的影響范圍與潮流場(chǎng)的變化范圍一致。泥沙沖淤的強(qiáng)度和影響范圍會(huì)隨著垂直岸線方向逐漸減弱。平常天氣條件下岸灘和海床的整體沖淤變化較小。

2）通過(guò)建立水動(dòng)力-泥沙耦合模型的方法，推算極端天氣下的沙灘修復(fù)前、后岸灘及海床的沖淤變化。沙灘修復(fù)后，在主波向即波浪強(qiáng)度強(qiáng)的地方?jīng)_刷，在掩護(hù)區(qū)即波浪強(qiáng)度較弱的地方落淤，東側(cè)沙灘幾乎不存在岸灘侵蝕，南側(cè)沙灘岸灘侵蝕較輕。極端天氣條件下岸灘和海床的整體沖淤變化較小。

3）重點(diǎn)以波浪條件的變化研究區(qū)域的泥化情況，結(jié)論表明：研究區(qū)域年有效平均波高在0.10～0.12 m，泥化線高程和年平均有效波高呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系；結(jié)合后海灣泥化分布相關(guān)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，估算出沙灘修復(fù)方案后兩側(cè)沙灘的泥化線高程，東側(cè)沙灘約為0.49 m，南側(cè)沙灘約為0.30 m；在中低潮帶存在泥化情況，泥化主要受水動(dòng)力條件控制，存在泥化風(fēng)險(xiǎn)，沙灘修復(fù)后僅可作為觀賞性沙灘。