濱海城市人工沙灘選址、規(guī)劃與平面布置探討

徐敏

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

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濱海城市人工沙灘選址、規(guī)劃與平面布置探討

徐敏

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

針對濱海城市人工沙灘的理論及技術的層面展開研究，包括天然砂質岸灘的平衡平面理論、人工沙灘的選址原則，以及規(guī)劃與平面布置設計進行了探討，提出了不同岸線形態(tài)下人工沙灘的布置方法以及平衡形態(tài)驗證方法，為城市環(huán)境景觀規(guī)劃階段進行人工沙灘規(guī)劃、布置設計提供參考。

人工沙灘；選址；規(guī)劃

0 引言

碧海金沙是優(yōu)美的環(huán)境景觀資源，也是相對稀缺、寶貴的自然資源。我國海岸線綿長，擁有幾乎所有類型的海岸，沿海、濱海城市眾多，但由于海岸環(huán)境的條件差異，多數濱海城市缺乏天然的砂質海灘。人工沙灘既是發(fā)展濱海旅游業(yè)的有利途徑，同時也是防止海岸侵蝕、維持海岸動態(tài)平衡、順應海岸自然規(guī)律的有效手段。從國外營造人工沙灘經驗來看，隨著濱海旅游事業(yè)的不斷發(fā)展和我國對海洋資源保護的重視，人工沙灘及沙灘養(yǎng)護將成為海岸工程的重要內容之一。

海灘是海岸帶中的一個重要地貌單元，是近岸波浪活動頻繁的地帶，從動力機制方面來解釋，海灘的侵蝕、堆積有其自然規(guī)律，主要是指海灘在激岸浪作用下灘面物質的搬運、沉積，以及各方向的動態(tài)平衡。人工沙灘的基本原則就是基于選擇、創(chuàng)造一個具有保持近似于動態(tài)平衡的動力環(huán)境；而天然沙灘的修復、養(yǎng)護也是人工沙灘營造技術的范疇。

海岸的天然形態(tài)及類型的形成是和海岸組成物質與海岸動力條件相適應的，簡而言之即是淤泥質海岸、砂質海岸的存在必然有其相適應的物質來源以及沉積動力。在原本無砂質海岸分布的海岸上構建人工沙灘，并使其能在較長的時間內維持平衡，是把長期適應的海岸剖面改造成一個與原有動力不相適應的物質組成的剖面，這是一個相當復雜的問題。

我國目前沿海城市濱海岸線規(guī)劃層面中所謂的人工沙灘往往僅是一個粗略的概念，沒有針對沙灘的選址適應性作出評價，甚至出現(xiàn)在完全不合理的位置設置沙灘的情況[1-9]。

1 天然沙灘平衡平面型態(tài)

人工沙灘的構建首要前提是要在選址和布局上，盡量使所構建的人工沙灘符合砂質岸灘所能存在的天然平衡狀態(tài)。

天然海岸發(fā)育過程中，如果沿岸沒有基巖出露，并且泥沙供給不是很充足，在常年優(yōu)勢浪向的波浪的作用下，形成的一種主要與波浪動力及其一定的沿岸輸沙率相適應的穩(wěn)定的海岸類型。通常岬角后的海岸形成弧形，遠離岬角的下方海岸呈與常行波浪垂直的切線形，即這類海岸在演化過程中，最終在平面上表現(xiàn)出弧形或曲線的形態(tài)。

自20世紀中葉以來，不少國外學者對岬灣弧形海岸進行了研究，該類曲線或弧形的海岸形態(tài)常被冠以成許多不同的名稱，這種有許多名詞，如：ζ形弧線、半心臟形海灣、岬灣海灘、對數螺線形海灘、弧形或鋸齒狀、鉤狀海灘和口袋狀海灘等等。它們都有著共同的特征：通常其弧形有明顯的遮蔽段和切線段，呈不對稱狀態(tài)。灣頂遮蔽段為相對侵蝕岸段，特征是向內凹進，靠近其一側的岬角為上岬角，海灘較寬，坡度較緩，趨于“消散型”海灘性質；偏向下波側方向的切線段為相對堆積岸段，岸線平直且海灘坡度較陡，為趨于“反射型”海灘性質。

研究者們通過現(xiàn)場數據分析及模型研究的結果等提出“擬合”平衡的弧形海岸岬間岸線的數學方法，其中有三種最主要的模式（方程組），分別是：對數螺線模式(Yasso,1965)，拋物線模式(Hsu and Evans,1989;Silvester and Hsu 1993)，雙曲切線模式(Moreno and Kraus,1999)等，此類模型的提出為研究岬間海灣的平面平衡規(guī)律提供了一種嶄新的思路。其中拋物線海灣形態(tài)方程自提出之后，經過十多年的發(fā)展，取得了海岸研究及工程學界的認同及采用，并被美國陸軍海岸工程研究中心列入《海岸防護手冊》，見圖1。

圖1 岬灣弧形海岸示意圖

砂質弧形海岸形態(tài)通常是一個遠離岬角的距離衰減函數，是波能、海灘泥沙粒徑、海灘坡度及其泥沙供給等諸多因素共同作用。砂質弧形海岸及其海灘面通過對入射波浪以及其攜帶的泥沙進行自動調整，最終使得斜向入射的主浪向與破波波峰線成一定的夾角，且波能流所造成的沿岸輸沙量與岬灣上游來的來沙量一致，構成一種動態(tài)平衡。

2 人工沙灘的選址原則

本文所指“人工沙灘”，不包括全封閉式的內沙灘。

在海岸上規(guī)劃建設人工沙灘，必須首先了解工程岸灘附近的地理環(huán)境、潮流特征、風況、波浪特征、地質及泥沙（沉積物）條件和天然岸灘沖淤變化。

在砂質海岸、或原本沒有沙灘分布的基巖質海岸、離岸人工島等水深較大的海岸類型，建設人工沙灘通常需要掌握的問題是大風浪氣象條件下沙灘的侵蝕和養(yǎng)護問題。

而在淤泥質海岸，更需關注考慮的是人工沙灘的“泥化”問題，或“沙泥分界線”位于什么高程問題。首先要了解淤泥質海岸能夠存在沙灘的條件，以此做為人工沙灘選址的前提原則：

（1）當地存在有一定強度且波向又相對比較集中的波浪條件；

（2）當地存在凹形小海灣，灣口法向與強波浪比較一致；

（3）凹形海灣灣口外有足夠大的水深，使沙灘外海域挾沙力較低，并減少沙灘上細顆粒泥沙來源；

（4）凹形海灣灣口外有足夠大的水深，使沙灘區(qū)波浪較強，水體中細顆粒泥沙不易沉積，避免發(fā)生“泥化”現(xiàn)象。

其中（1）要求自然滿足；（2）可通過適當的海岸工程（丁壩或類似的岬角工程）得到滿足；（3）、（4）則需通過必要的清淤工程得到滿足。

3 人工沙灘的平面規(guī)劃、設計

3.1 前期近岸動力分析

天然沙灘在波浪作用下，近岸區(qū)泥沙運動主要形式為破波區(qū)內的沿岸輸沙（縱向輸沙）和近岸區(qū)的向-離岸輸沙（橫向輸沙）。平面形態(tài)與沿岸輸沙關系更密切，一般情況下，人工沙灘以及控制建筑物平面布置方案主要取決于當地控制性主波向以及波浪作用引起的碎波區(qū)沿岸輸沙運動。

（1）控制性合成波向角

為了減少沙灘沿岸輸沙造成的損失，根據弧形砂質海岸平衡平面形態(tài)理論，在規(guī)劃設計人工沙灘岸線平面時，應盡量使岸線走向與控制性波向相垂直，為此需要通過實測波浪資料推算作用于擬建人工沙灘岸灘的控制性合成波向角。

控制性合成波向角可運用《海港水文規(guī)范》規(guī)定公式進行計算，公式如下：

式中：Hi為各級波浪平均波高；Pi為各級波浪出現(xiàn)頻率；αi為各級波浪波向線與岸線夾角。

（2）沿岸輸沙計算

目前估算沙質海岸沿岸輸沙率，主要采用波能流法或沿岸流法。由于波能流法（CERC）形式簡單，物理圖像清晰，且具有一定的實驗室和現(xiàn)場資料驗證，應用較為廣泛。

式（2）為用波能流法計算沿岸輸沙率的典型公式。

（3）確定岸線走向

進行人工沙灘布置時，應根據盡量所計算的控制性合成波向，使岸線走向與其相垂直，這是首要必須滿足的條件，否則必然會導致人工沙灘建設或補沙工程實施后，出現(xiàn)不平衡的泥沙沿岸單向凈輸移或沖淤不平衡情況，見圖2。

圖2 人工沙灘岸線走向應與控制性合成波向垂直

3.2 岸線平面形態(tài)設計

天然沙灘平面上基本均呈內凹形態(tài)，因此人工沙灘平面布置首先為擬建沙灘創(chuàng)造這一符合自然規(guī)律的“基本條件”。最優(yōu)情況是選擇波能條件合適的天然內凹形態(tài)岸線。

3.2.1 具備天然內凹形態(tài)岸線

如規(guī)劃布置的人工沙灘岸線具備天然內凹形態(tài)，則直接可通過平衡岸線模式判定岸線是否處于平衡狀態(tài)，或判定實施人工沙灘后的岸線是否符合平衡狀態(tài)。

一般而言，需建造人工沙灘或需要進行補沙的天然沙灘大多不滿足平衡平面岸線形態(tài)，此時可通過人工岬角的改造，或建造防波堤等措施，改變現(xiàn)狀的波浪入射條件，為建造后的人工沙灘提供一個合適的動力環(huán)境，以維持沙灘動態(tài)平衡。

岬角通常以突堤（較短）或防波堤（較長）的形式出現(xiàn)，其軸線通常布置與主波向相垂直，實際上人工布置岬角是一種介于丁壩與離岸堤之間的一種布置形式。人工岬角布置的目的，是為在兩岬角（下岬角可為垂直段岸線）之間，形成與當地波浪條件下沿岸輸沙量相適應的、具有一定平面曲線形狀的人工岬灣。由于人工岬角的位置大多位于原來天然岬角位置，其建造后不會攔截上游來沙，因此通常不會加劇下游岸灘的侵蝕。一般岬角之間的距離，可稍大于丁壩群的間距，如一些實際工程中采用的岬角間距約為其長度的4倍。

人工岬角措施用于海岸防護是一種較新的措施，它的實踐經驗遠比丁壩和離岸堤要少，因此可通過天然砂質弧形岸線的平衡平面理論來進行分析判定，以確定人工岬角的建造位置以及長度。巴西Porto Beach為海岸防護而修建的岬角防波堤見圖3。

圖3 修建防波堤后的前靜態(tài)平衡海灣形態(tài)（Porto Beach）

3.2.2 不具備天然內凹形態(tài)岸線

出于其它的原因，往往在規(guī)劃建設人工沙灘的場址中，存在岸線均規(guī)劃成外凸形態(tài)，或接近直線形態(tài)。此種岸線形態(tài)對人工沙灘的平面布置并不理想，難以保證全段岸線與控制性合成波角相垂直，容易導致沙灘泥沙的流失。

為了解決這一問題，有兩種途徑可以考慮：

（1）岸線變遷

通過清淤等措施，讓各沙灘單元中間部分岸線適當后退；或通過填海造地措施，使岸線整體外移，通過人工岬角形成弧形段。

a.岸線后退方案

岸線后退方案使用于潮流、波浪動力較弱，近岸分布平緩寬闊泥灘的海岸，結合清淤工程可達到改善人工沙灘動力環(huán)境的作用，但需要對現(xiàn)狀岸線進行大規(guī)模的改造，甚至會失去大面積的已有土地，從實際價值上的補償時，因此僅作為方案探討，不具備實際意義，見圖4。

圖4 岸線后退方案

b.岸線外推方案

岸線外推方案同樣可以增大沙灘海域波浪強度，也可用于潮流、波浪動力較弱的海岸。但需要對現(xiàn)狀岸線進行大規(guī)模的改造，但往往難以實施，如有填海規(guī)劃則是一種可結合其深入研究的思路，見圖5。

圖5 岸線外推方案

（2）工程措施

在岸線變遷存在較大難度時，采用布置沿岸丁壩或通過離岸堤劃分沙灘單元，各沙灘單元兩端丁壩及其端部均外移至適當位置。

a.沿岸丁壩（或攔沙堤）方案

沿岸丁壩方案是較為常用的海岸防護工程措施，其經驗理論也可用于人工沙灘建造。沿岸丁壩的主要作用是：劃分沙灘單元，形成局部岬角，使各單元沙灘的弧形內凹尺度縮小；攔截沿岸輸沙，將泥沙運動局限在單元以內，見圖6。

圖6 沿岸丁壩方案

b.離岸島堤方案

對于非往外突出，而是較為平直的岸線，設置沿岸丁壩會基本完全隔絕各沙灘單元之間的泥沙交換，而且過于生硬突兀，景觀效果不甚理想。為了既能控制沙灘單元的動態(tài)平衡狀態(tài)，又保持各單元砂體之間的季節(jié)性交換，營造更接近天然的景觀效果，可采用離岸島鏈的方式，見圖7。

圖7 離岸島堤方案

如新加坡的圣陶沙島人工沙灘就是一個國際成功案例，見圖8。

圖8 新加坡圣陶沙島

3.3 經驗平衡模型驗證

前節(jié)介紹了天然砂質弧形岸線的平衡平面理論，實則上丁壩、離岸堤也是起到岬角的作用，并且人為控制沙灘的尺度，以適應現(xiàn)狀的波浪條件，丁壩、離岸堤控制下的沙灘平面型態(tài)也可以通過弧形岸線的平衡平面模式來驗證。由于拋物線模型的廣泛推廣及其良好的預報效果，因此可應用拋物線模型來進行人工沙灘的平面布置合理性。

應用拋物線平面平衡模型，以及拋物線模型電腦應用軟件“Mepbay”，可用于擬合天然沙灘或擬建的人工沙灘平衡平面形態(tài)，通過輸入控制線（上、下岬角）以及優(yōu)勢入射波與控制線岬角，繪制靜態(tài)平衡曲線，可較為便捷的判斷天然沙灘或人工沙灘的平面布置合理性。

圖9 修建人工岬角后平衡形態(tài)以及工程前后對比

由于現(xiàn)狀道路、堤岸已經占用了原有沙灘后濱范圍，因此無法通過沙灘單元中間部分岸線適當后退的方式恢復沙灘，只能通過控制點外移動的方式。

該海灘在1998年在海灣上岬角處進行人工岬角改造，并通過重新營建人工沙灘。通過MepBay軟件擬合人工岬角改造的平衡岸線，可以發(fā)現(xiàn)進行人工岬角改造平衡岸線將往外推移，說明人工沙灘建造后，天然海岸動力條件能在一定的時期內維持沙灘的長久，為人工沙灘的設計提供了技術依據。

事實證明，人工岬角改造工程是成功的，沙灘得到了較佳的恢復效果，這也是人工沙灘（補沙）的成功案例（見圖9右）。

4 結論

本文主要針對人工沙灘的選址、規(guī)劃與平面布置設計方法、設計流程展開探討。旨在為城市環(huán)境景觀規(guī)劃階段進行人工沙灘規(guī)劃、布置設計提供基本思路和基本模式。

事實上，人工沙灘構建是一個十分復雜的過程，本文受篇幅所限，僅提出選址與平面相關的內容，人工沙灘剖面設計、坡度與填沙粒徑、泥化問題等也值得相關人員進一步的熟悉和學習探討。

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TU984.183

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1009-7716（2017）08-0295-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.093

2017-06-01

徐敏（1988-），男，安徽蕪湖人，工程師，從事水利及水運工程設計工作。