淤泥質(zhì)海床環(huán)境下的岬灣海灘補沙試驗研究—以象山縣下沙海灘為例

姚文偉，黃世昌，劉 旭

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310020）

淤泥質(zhì)海床環(huán)境下的岬灣海灘補沙試驗研究—以象山縣下沙海灘為例

姚文偉1，2，黃世昌1，2，劉 旭1，2

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310020）

下沙海灘位于象山縣東海岸，長度約為600 m，寬度約40 m，由于早期挖沙嚴(yán)重，加上灘肩建設(shè)海堤減少了來沙條件，造成部分沙灘中潮位以下泥灘裸露明顯，海灘寬度縮小明顯，海灘外側(cè)距岸線100 m外的海床為淤泥質(zhì)。采用靜態(tài)岬灣平衡理論和平衡剖面對人工補沙試驗進行了平面和剖面設(shè)計；并對補沙后海灘的剖面和平面形態(tài)等特征參數(shù)的演變進行了分析，評估了補沙后的沙質(zhì)流失率和灘面泥化程度。結(jié)果表明，補沙后沙灘的寬度增加明顯，剖面坡度基本維持在1∶13，灘面表層泥化現(xiàn)象較小。

補沙；沙灘設(shè)計；沙灘演變；泥化

浙江省位于長江口南側(cè)，由于長江口的巨量泥沙入海，沿海的海床環(huán)境主要為淤泥質(zhì)，僅在基巖岬角擁護的半開敞小海灣內(nèi)發(fā)育了少量的沙質(zhì)海灘，類型單一，分布集中，主要集中在象山東部和蒼南縣境內(nèi)，沙質(zhì)岸線總長約為25 km，僅占大陸海岸線的1.15%[1]。這些寶貴的沙灘資源是人們進行休閑旅游的重要場所，也是開發(fā)海洋旅游經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，但是隨著全球海平面上升、各種海岸工程的修建和早期人工挖沙等各種因素，原有的沙質(zhì)海灘正在發(fā)生岸線后退、灘面粗化泥化等各類問題。幾十年的工程實踐表明，以人工補沙的手段進行海灘養(yǎng)護可以迅速增加海灘寬度，改善海灘的侵蝕現(xiàn)狀。美國從20世紀(jì)20年代就開始對天然海灘進行人工補沙的研究[2]，我國在90年代開始在青島、北戴河和三亞小東海等地也進行了相關(guān)的研究和工程實踐[3]，但這些工程所在地的海床環(huán)境基本為沙質(zhì)，在淤泥質(zhì)海床環(huán)境下的研究較少，本研究基于人工補沙試驗前后2次大范圍的高精度地形測量，分析了象山下沙海灘人工補沙后的海灘平面及剖面形態(tài)的演變特征并對補沙效果進行了評估。

1 試驗區(qū)概況

1.1 地理位置

下沙海灘位于象山半島東部沿海中部偏北，其東側(cè)海域為大目洋，東向與羊背山島隔海相望，北有喬木灣島、青門山島、馬鞍山島和牛軛礁島等阻隔，西南有象山本島屏障，沙灘口門朝向東北，為典型的沙質(zhì)與淤泥質(zhì)結(jié)合的復(fù)式海灘，地理坐標(biāo)為東經(jīng)122°55′，北緯29°28.4′（見圖1）。

圖 1 下沙海灘地理位置示意圖

1.2 氣候特征

象山縣地處浙江省東南沿海，屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛。根據(jù)下沙海灘南側(cè)約5 km的大目涂站（121°58′ E， 29°26′ N）1995年的實測資料，試驗區(qū)常風(fēng)向為NE和S方向，年內(nèi)6 — 8月的夏季常風(fēng)向為南風(fēng)，其他季節(jié)常風(fēng)向均為東北風(fēng)，強風(fēng)向為NNE和SSW，全年平均風(fēng)速為4.7 m/s，1995年全年的風(fēng)速風(fēng)向玫瑰圖見圖2。

圖2 1995年大目涂風(fēng)速、風(fēng)向玫瑰圖

1.3 水文特征

1.3.1 潮汐特征

本海域為正規(guī)半日潮區(qū)，潮差相對較大，潮位特性以大目涂潮位站（121°58′ E， 29°26′ N）2009年的潮位資料作統(tǒng)計分析，潮位特征值見表1。

表1 大目涂站2009年潮位特征值表 m

工程所在海域面向東海，附近有羊背山、羊頭山、大平崗等大小島嶼，潮汐漲落過程中，由于島間峽道的存在，潮流復(fù)雜多變，但試驗區(qū)近岸水域潮流總體上呈現(xiàn)往復(fù)流運動的特征，根據(jù)以往有關(guān)測流資料，流向近似為NW ～ SE，全潮平均流速約為0.7 m/s。

1.3.2 波浪特征

試驗區(qū)的波浪為風(fēng)浪和涌浪的混合型，出現(xiàn)頻率基本相等，風(fēng)浪常浪向為NE；涌浪則以E向為主，出現(xiàn)頻率達70%以上。強浪向為E和ESE，大浪集中在秋季的臺風(fēng)和冬季的寒潮期間。風(fēng)浪向具有明顯的季節(jié)變化，冬半年常浪向以北向浪為主、次浪向為東北東，夏半年常浪向以偏南向浪為主，各月平均1/10波高0.20 ～ 0.50 m。

圖3 1995年大目涂站風(fēng)浪方向玫瑰圖

1.4 海灘地貌特征

下沙海灘開口朝向NE，平面上呈NW ～ SE向的弧形，沙灘長約600.0 m，西北起始段緊鄰山腳公路及住宅小區(qū)并筑有堤防，東南側(cè)為磨石礁。沙灘灘面和泥面存在明顯的分界線，泥灘堅硬，粗沙含量高，向外海，泥面變軟，呈流塑性，表面為約0.50 m厚的新淤泥，其下泥質(zhì)堅硬。海灘干灘寬度約為20.0 ～ 30.0 m，灘面大部分區(qū)域坡度為1∶15，東南段稍緩。灘面表層沉積物的中值粒徑為0.2 mm左右，屬細(xì)沙，分選較好。

2 補沙試驗方案

2.1 補沙方式及補沙粒徑

按填補泥沙在海岸剖面不同的拋填位置，人工補沙方式可分為：沙丘補沙(堆積在平均高潮位以上)、海灘補沙 (堆積在平均低潮位與沙丘線之間)、近岸補沙(拋填在平均低潮位以下形成人工沙壩)等形式[4]。下沙海灘近岸海床為淤泥質(zhì)不適合近岸補沙的形式；同時其沙丘位置較短，施工不便也不適宜進行沙丘補沙；因此，本次補沙試驗采用海灘補沙的形式，其施工難度中等而且能夠迅速增加干灘寬度，效果顯著。

海灘養(yǎng)護中進行人工補沙，補沙粒徑應(yīng)大于原海灘的沉積物粒徑，這樣可以避免填補的泥沙被海水起懸?guī)С龊瑥亩寡a沙后的海灘更穩(wěn)定[5]。同時，補沙粒徑的確定還需考慮人體的舒適度及景觀效果，同時，參照象山縣周邊海灘潮間帶的沙體粒徑，確定補沙的中值粒徑為0.5 mm左右。

2.2 平面布置

海灘的穩(wěn)定形態(tài)可用靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡來描述，考慮到北側(cè)堤防和南側(cè)磨石礁的攔沙和遮蔽作用，下沙海灘的沿岸輸沙占比很小，可用靜態(tài)平衡的岬灣沙質(zhì)海岸穩(wěn)定平面形態(tài)作為補沙平面設(shè)計的依據(jù)。下沙海灘由于早期的大量挖沙外運，加上海堤建設(shè)減少了來沙條件造成干灘縮小、中潮位以下泥灘裸露明顯等問題，但整個海灘沙質(zhì)部分的平面形態(tài)基本維持穩(wěn)定，為盡量減小波浪條件下沙灘的泥沙損失，人工補沙的平面布置形態(tài)應(yīng)盡可能地接近天然沙灘形態(tài)。因此，本次補沙試驗的平面布置也遵循這一原則，在原有沙灘的基礎(chǔ)上，基于已有的岸線形態(tài)，合理增加干灘寬度。

2.3 剖面設(shè)計

我國采用人工補沙方式進行海灘養(yǎng)護修復(fù)的工程中較為成功的幾個案例如：北戴河西海灘、廈門香山至長尾礁沙灘、珠江口外伶仃島海灘的補沙剖面設(shè)計均采用了平衡剖面的模式[6-8]。本次鋪沙試驗的剖面設(shè)計同樣采用該方法，平衡剖面設(shè)計可以采用Bruun - Dean的模式[9]，Bruun和Dean指出波控近岸平衡剖面可表達為：

式中：y為離岸線的距離（m）；h為距離海岸線y處的水深（m）；A，m 為經(jīng)驗擬合常數(shù)；其中A = 0.067ω0.4，ω = 14D1.1；ω為沙粒沉降速度（cm/s）；D 為沙粒的平均直徑（mm）。Dean對美國東海岸和墨西哥灣504條近岸剖面做最佳擬合，確定以m = 2/3 作為平衡剖面的指數(shù)常值。

干灘設(shè)計高程應(yīng)大于或等于大潮高潮位與波浪爬高之和，參考大目涂大潮平均高潮位為2.19 m，年均H1/10波高為0.50 m，確定干灘設(shè)計高程為3.00 m；考慮到鋪沙量，灘肩寬度取30.00 m。剖面坡度通過計算約為1∶12.5，考慮到波浪對剖面的塑造及分選作用，建議剖面坡度按1∶12.0，推薦的補沙剖面見圖4。

圖4 補沙試驗剖面設(shè)計圖

3 鋪沙試驗后沙灘演變過程

3.1 剖面的侵淤變化

補沙試驗的實施時間為2011年11月，用沙總量約7萬m3。試驗區(qū)域2010年4月和2015年11月的進行了2次大比尺的水下地形測圖，可以分別代表補沙試驗前后的地形變化，補沙區(qū)域及剖面位置見圖5和圖6。

圖5 補沙區(qū)域及剖面位置圖

圖6 試驗前后剖面圖

補沙試驗實施后，沙灘整體往外海方向推進，平均高潮位以上的干灘寬度增加了20.0 ～ 30.0 m；經(jīng)過4 a的水動力作用，沙灘的剖面坡度基本和試驗前保持一致，維持在1∶13.0左右；離岸100多米外的泥面高程基本沒有變化。下沙2個代表斷面的截面積均有所增加，且增加幅度較為一致，均在78 ～ 100 m2，表明補沙試驗后下沙沙灘的沙灘寬度有明顯的增加。

表2 各個剖面的截面積變化表

3.2 沙灘平面形態(tài)變化

補沙試驗實施后沙灘的平面形態(tài)也發(fā)生了相應(yīng)的變化，總體表現(xiàn)為等高線的外推，鋪沙試驗補沙范圍集中在0.00 m等高線以上，補沙前后沙灘外側(cè)泥涂的高程基本維持在- 2.00 m高程不變，圖7給出了下沙和大岙沙灘試驗前后0.00 ～ 2.00 m等高線的變化。鋪沙試驗后沙灘等高線總體外推，各個特征剖面處的等高線外推距離見表3。

圖7 等高線變化示意圖

表3 各剖面的等高線外推距離表 m

表4 補沙試驗前后沙灘表層沉積物粒徑級配表

4 鋪沙試驗評估

4.1 沙質(zhì)流失率

根據(jù)鋪沙試驗段剖面和平面形態(tài)的變化可以估算試驗段沙體的增加量。下沙沙灘0.00，1.00，2.00 m等高線明顯外推的長度分別為635.0，633.0，608.0 m，三者差距不大，可取平均值625.0 m作為下沙沙灘試驗段的長度。下沙沙灘2個典型剖面的截面積增加量分別為98.2，78.3 m2，取其平均值88.3 m2，由此可知下沙沙灘的沙體增加量為88.3 m2× 625.0 m = 55 188 m3。補沙試驗總用沙量為約7萬m3，由此可以推斷補沙試驗4 a沙質(zhì)的流失率大約為21%。

下沙海灘兩側(cè)分別有堤防和嘰頭的攔沙和遮蔽，其沿岸輸沙導(dǎo)致的沙量損失量必定很小，其主要沙質(zhì)流失應(yīng)該為橫向輸沙，通過計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)補沙試驗完成后，由于外圍有島嶼的遮蔽，影響試驗區(qū)的幾次主要臺風(fēng)：“1211”（?？?416”（鳳凰）和“1509”（燦鴻）對補沙區(qū)并未造成大的侵蝕，補沙試驗基本達到了預(yù)期的效果。

4.2 泥質(zhì)化現(xiàn)象

劉家駒[10]將粒徑小于30 um的泥沙成為淤泥質(zhì)泥沙。通過對工程前后灘面泥沙進行顆分，分析其小于30 um的含量變化來判斷灘面是否泥化。補沙試驗前后取點位置見圖8，所有取樣點均位于潮間帶，沉積物的粒徑級配見表4。補沙試驗前5個點位的樣本均無小于32 um的淤泥質(zhì)含量；補沙后15 - 1#和15 - 3#兩點也沒有小于32 um的泥質(zhì)顆粒含量，15 - 2#點則有14.9%的泥質(zhì)含量，該點取樣的高程約為- 0.5 m，較其它各點低?？傮w來說，補沙試驗后灘面外推且灘面表層泥化現(xiàn)象不明顯。

圖8 沙灘表層取樣位置示意圖

4 結(jié) 語

本文給出水庫供水預(yù)警含義、預(yù)警指標(biāo)及預(yù)警線表現(xiàn)形式，提出了基于典型入庫徑流的分級分期預(yù)警指標(biāo)閾值確定方法。以湖漫水庫長系列入庫徑流量、損失水量、用水量等相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，開展水庫供水預(yù)警應(yīng)用研究，劃定了湖漫水庫梅汛期、臺汛期、平水期等3個時期的橙色預(yù)警線和紅色預(yù)警線，提出預(yù)警響應(yīng)的啟動條件，對湖漫水庫應(yīng)對可能發(fā)生的持續(xù)干旱，確保供水區(qū)平穩(wěn)有序度過不同程度的干旱期具有十分重要的意義。本次研究主要劃定了分級分期水庫供水預(yù)警線，對于水庫啟動預(yù)警采取限制供水措施后限供比例需進一步深入研究。另外，采用水文方法開展干旱預(yù)警研究相對較少，本文僅以區(qū)域內(nèi)主要供水區(qū)的主要水庫水源為例，以水庫蓄水量為預(yù)警指標(biāo)開展了供水預(yù)警研究，但當(dāng)采用水文方法開展區(qū)域干旱預(yù)警時需考慮更多水源預(yù)警，健全干旱預(yù)警的水文指標(biāo)，這也是采用水文方法開展干旱預(yù)警的主要研究方向。

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[2] 劉寧.中國干旱預(yù)警水文方法探析[J].水科學(xué)進展，2014，25(3)：444 - 450.

[3] 陶濤，劉遂慶.供水水庫優(yōu)化模擬風(fēng)險調(diào)度模式的研究[J].水利水電技術(shù)，2005，36(11)：8 - 10.

[4] 方紅遠，甘升偉，花金祥.干旱期水庫供水風(fēng)險分析的多目標(biāo)規(guī)劃方法[J].水力發(fā)電學(xué)報，2006，26(2)：14 - 18.

[5] 曹升樂，郭曉娜，于翠松，等.水庫供水過程預(yù)警方法研究.中國農(nóng)村水利水電[J].中國農(nóng)村水利水電，2013(9)：56 - 59.

[6] 山東省水利廳.關(guān)于實行重點工程可供水量預(yù)警管理的通知[EB/OL].山東水利網(wǎng)，http∶//www.sdwr.gov.cn/tszyc/,2011.

[7] 沈雪嬌.東江流域旱限水位（流量）確定方法的討論[J].廣東水利水電，2012(9)：41 - 42.

[8] 劉和平，楊旭，王曙光，等.遼寧省水庫旱警水位確定方法研究[J].中國防汛抗旱，2015，25(8)：72 - 75.

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[10] 郭旭寧，胡鐵松，曾祥，等.基于二維調(diào)度圖的雙庫聯(lián)合供水調(diào)度規(guī)則研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，39(10)：121 - 1 24 .

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

Research on Sand Nourishment in Cape Bay Beach Based on Muddy Seabed: A Case Study on Xiasha Beach of Xiangshan County

YAO Wen - wei1，2，HUANG Shi - chang1，2，LIU Xu1，2
(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2. Zhejiang Institute of Marine Planning and Design，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

Xiasha beach is located in the east coast of Xiangshan County，600m in length and 40m in width approximately. Due to the severe dredging in early time and the seawall which was built on the beach berm reduced the sediment transporting conditions，part of the beach whose elevation below the middle tidal level exposed obviously, and the width of the beach was also signi fi cantly reduced，the seabed 100m off the shoreline was muddy. The Cape Bay static equilibrium theory and balanced pro fi le theory were used in the fl at and pro fi le design of the experiment of beach nourishment；evolution of beach pro fi le and characteristic parameters of plane pattern were studied to assess the sand erosion rate and beach surface mudding degree after the experiment. The results showed that after sand nourishment，the increase of the width of the beach was obvious，the slope of the pro fi le was maintained at 1:13，and the degree of muddy phenomenon of the beach surface was small.

beach nourishment；beach design；beach evolution；muddy

TV149

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0073 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.023

2016-05-20

浙江省科技計劃項目(2015F50011)。

姚文偉(1983 - )，男，工程師，碩士，主要從事河口海岸工程研究。E - mail：yaoww@zjwater.gov.cn