湛江金沙灣人工岬灣海岸沙灘穩(wěn)定性研究

楊婷 沈迪

摘 要：文章以湛江金沙灣人工沙灘為研究對(duì)象，通過MEP-Bay軟件驗(yàn)證靜態(tài)平衡岬灣海岸的拋物線型理論在該區(qū)域海岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面的有效性。在此基礎(chǔ)上，通過地形數(shù)據(jù)等探討已有碼頭對(duì)該人工沙灘沖淤的影響，提出固沙養(yǎng)灘的方案。結(jié)果顯示，通過適當(dāng)?shù)娜斯?gòu)筑物，配合合理的人工養(yǎng)灘，可以創(chuàng)造靜態(tài)平衡的人工岬灣海灘，對(duì)海岸帶的開發(fā)和保護(hù)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：人工岬灣海岸;靜態(tài)平衡;拋物線模型;平衡剖面

世界上近80%的海岸線是巖基海岸，包括岬角，沿海山脈，懸崖等[1]。受涌浪的長(zhǎng)期作用，毗鄰該海岸的沙質(zhì)沙灘往往形成弧形海岸，這類沙灘統(tǒng)稱為岬灣海岸。這類海岸在我國(guó)華南沿海一帶分布廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)占華南岸線總長(zhǎng)度的1/3以上[2]。盡管國(guó)內(nèi)擁有大量的岬灣海岸，但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)人工岬灣沙灘的靜態(tài)平衡研究還相對(duì)較少。因此，探討人工岬灣海岸沙灘的靜態(tài)平衡狀態(tài)，不但可以為人工沙灘的規(guī)劃設(shè)計(jì)、海岸防護(hù)及科學(xué)管理提供一定的理論依據(jù)，在海洋經(jīng)濟(jì)獲得迅猛發(fā)展的時(shí)期，加強(qiáng)對(duì)人工沙灘平衡穩(wěn)定的研究具有非常迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 岬灣海灘的平面形態(tài)設(shè)計(jì)

1.1? 人工岬灣原理-拋物線模型

目前，國(guó)外學(xué)者基于不同坐標(biāo)系和方法研究下，已有不少經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯酷禐澈０?。KRUMBEIN[3]，YASSO[4]的對(duì)數(shù)螺旋方程，MORENO[5]的雙曲正切模型，HSU和EVANS[6]，SILVSTER和HSU[7] [8]的拋物線型海灣方程。其中，拋物線模型因考慮了上游岬頭和波浪繞射的影響，是擬合弧形海岸靜態(tài)平衡狀態(tài)最被廣泛采用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ摴揭?7個(gè)實(shí)驗(yàn)室模型及現(xiàn)場(chǎng)灣岸作為原型，適用于上游沒有漂沙進(jìn)入與灣內(nèi)沒有河流輸沙的條件：

其中：Rn為控制點(diǎn)至岸上任一點(diǎn)的距離;R0為上下游控制點(diǎn)間的距離;C1，C2，C3為與β相關(guān)的常數(shù);θn為入射波波峰線與Rn之間的夾角;β為入射波波峰線與R0之間的夾角;該公式中，最主要的影響因子是β。

利用該經(jīng)驗(yàn)公式，可繪制預(yù)測(cè)的靜態(tài)平衡岸線，當(dāng)現(xiàn)有岸線與該預(yù)測(cè)岸線一致時(shí)，則沙灘為靜態(tài)平衡狀態(tài)，無需沿岸輸沙或人工填沙，岸線即可保持長(zhǎng)期穩(wěn)定[7]。為了便于工程應(yīng)用，Klein[9]等以拋物線模型為原型，開發(fā)出MEP-Bay軟件（Model for Equilibrium Plan form of Bay Beaches），該軟件可以更加直觀地驗(yàn)證岬灣海灘的穩(wěn)定性，更適用于實(shí)際工程應(yīng)用。

1.2? 資料和方法

金沙灣人工沙灘位于廣東省湛江市赤坎區(qū)湛江港海域內(nèi)，瀕臨美麗的金沙灣觀海長(zhǎng)廊，北側(cè)為風(fēng)車廣場(chǎng)、西側(cè)為勞麗詩廣場(chǎng)，南側(cè)為正在施工的紅嘴鷗碼頭，屬大型的免費(fèi)海濱浴場(chǎng)。人工沙灘長(zhǎng)約800m，最寬的區(qū)域約120m，總面積約8.22萬m2。

金沙灣人工沙灘所在區(qū)域?qū)儆诓徽?guī)半日潮，潮差較大，大潮平均潮差為3.1m，小潮平均潮差為2m。波浪以風(fēng)浪為主，年出現(xiàn)頻率約為80%;常浪向?yàn)镋NE，次常浪向?yàn)镾E向，頻率分別為23.49%、17.11%;強(qiáng)浪向?yàn)镋SE向。河海大學(xué)于2014年7月13日-7月14日對(duì)該區(qū)域海流（流速、流向、水深、懸浮物SS等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本區(qū)域海流流向?yàn)槲鞅?東南向，流速約為0.25m/s，水體泥沙以0.063-0.004mm的粉砂（90%）為主，含少量0.004-0.001mm的粘土（10%），海底沉積物以粉砂為主，含少量砂、粘土。

沙灘上游主要為遂溪河，解放后由于各種小型水利工程的興建及植樹造林，現(xiàn)有流域來沙已大有減少。金沙灣灣頂圍海造田，官渡堵海，莫村河口筑閘，調(diào)順島筑堤堵海，使陸域來沙對(duì)本沙灘的影響也較小。上游流域沿岸輸沙受金沙灣上下游岬角（見圖2）阻斷，灣內(nèi)缺乏砂源補(bǔ)充，從而可以在波浪作用下形成靜態(tài)平衡的拋物線岸線，因此采用岬灣海灣理論（MEP-Bay軟件）對(duì)金沙灣人工沙灘的平衡線性進(jìn)行預(yù)測(cè)是合理的。

1.3? 資料來源

本文主要利用MEP-Bay軟件對(duì)谷歌地球提供的最新湛江金沙灣人工沙灘的衛(wèi)星圖片（2017年10月）進(jìn)行處理，以驗(yàn)證該人工沙灘岸線整治的合理性?？紤]到本區(qū)域存在2個(gè)岬角，會(huì)形成不同的繞射波向，因此分別對(duì)兩個(gè)岬角進(jìn)行分析。

金沙灣人工沙灘東側(cè)海域波浪主波向?yàn)镋NE向，由于金沙灣人工沙灘存在兩個(gè)岬角，因此，圖中分別取A和B作為上游控制點(diǎn)，C為下游控制點(diǎn)：其中A點(diǎn)位于沙灘東北部風(fēng)車廣場(chǎng)突出處，B點(diǎn)位于沙灘東南側(cè)紅嘴鷗碼頭折角處。人工沙灘布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)盡量所計(jì)算的控制性合成波向，使岸線走向與其相垂直，這是人工沙灘平面布置的首要條件[10]。從圖中可以看出，金沙灣人工沙灘的海岸線基本與波向相垂直。從圖中可以看出，波峰線幾乎平行于岸線，波浪垂直沖刷沙灘，說明作為人工沙灘平面布置，金沙灣的規(guī)劃是合理的。對(duì)于控制點(diǎn)A處，模擬出的平衡岸線下半段CE與實(shí)際岸線較為吻合，擬合的平衡岸線上半段CF在現(xiàn)有海岸線的向陸側(cè)，且偏移度較大，說明該岬角A對(duì)該段沙灘的遮蔽效果較差。當(dāng)波浪在岬角A處發(fā)生繞射后，增強(qiáng)了波浪對(duì)岸灘的作用，將導(dǎo)致泥沙在該段沖刷，該段沙灘將處于淤積狀態(tài)。對(duì)于控制點(diǎn)B，擬合的平衡岸線CD與實(shí)際岸線近乎吻合，DE段處于小范圍沖刷狀態(tài)。該處主要受排水口水流沖刷的影響，形成輕微的沖刷狀態(tài)。預(yù)測(cè)，受紅嘴鷗碼頭遮蔽的CE段岸線已趨于穩(wěn)定，而GF段岸線將處于侵蝕狀態(tài)。

利用谷歌地球提供的多年衛(wèi)星圖像，對(duì)金沙灣人工沙灘岸灘平衡進(jìn)行分析。圖片記錄了金沙灣人工沙灘從2003年-2017年的形成過程。金沙灘人工沙灘通過整治由2003年的天然形成的窄小且沙質(zhì)差的沙灘整治成弧形人工沙灘，自2011年初步整治完成并開始免費(fèi)開放。金沙灣人工沙灘歷經(jīng)2013年4月，2015年1月及2018年12月共計(jì)3次整治。2012年整治回填石英沙總數(shù)約8萬m3，2015年整治回填砂量約為3萬m3，2018年12月整治回填量約為1萬m3（其中，沙灘坡度均按照1：30）。說明沙灘按照該弧形，利用靜態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)進(jìn)行沙灘整治是基本有效的，人工補(bǔ)砂的數(shù)量在逐漸減少。從上圖中看出，2013年4月完成整治后，2013年12月的沙灘已經(jīng)保持較好地穩(wěn)定狀態(tài);從2015年04（第2次整治后）至2017年10月（第三次整治前）的谷歌衛(wèi)星圖片看出，上半段岸線處于少量沖刷現(xiàn)象，與MEP-Bay的預(yù)測(cè)基本一致，但GF段的沖刷量較軟件預(yù)測(cè)小。這是由于MEP-Bay軟件下游控制點(diǎn)的選擇存在一定的主觀性，因此結(jié)果可能存在一定誤差。總體而言，該人工沙灘泥沙沖刷有限，基本能保證沙灘平衡。

2 岬灣沙灘的坡面設(shè)計(jì)

2.1 沙灘平衡剖面理論

Dean[11]曾研究了美國(guó)502個(gè)沙灘的剖面，范圍從佛羅里達(dá)半島附近的長(zhǎng)島東段一直延伸到墨西哥邊境的德克薩斯州，研究過程中，Dean對(duì)每個(gè)剖面進(jìn)行了最小二乘法擬合，從而推演獲得海灘平衡剖面計(jì)算公式：

其中：h為深度（m），y為離岸距離（m），A為剖面系數(shù)，D為采用沙粒的中值粒徑。

2.2 岬灣沙灘的剖面設(shè)計(jì)

剖面高程設(shè)置根據(jù)湛江港驗(yàn)潮站多年驗(yàn)潮資料進(jìn)行標(biāo)識(shí)，平均大潮高潮位為3.7m左右（從湛江港理論最低潮面起算）。因此灘肩高程取4m。灘肩寬度根據(jù)實(shí)際地形取20-50m左右。

根據(jù)河海大學(xué)（金沙灣海濱浴場(chǎng)海床維護(hù)工程方案研究，河海大學(xué)，2014年8月）2014年監(jiān)測(cè)的水體泥沙顆粒級(jí)配分析顯示，本區(qū)域沉積物主要以0.1mm以下的粉砂為主，說明0.1mm以下的粉砂容易被潮流攜帶沉積到海底。同時(shí)考慮人體舒適度，金沙灣人工沙灘的粒徑選擇以中值粒徑為0.65mm的砂為主，從而減小被潮流攜帶走的可能性。潮間帶區(qū)域（30-80m）按填沙補(bǔ)砂中值粒徑為（0.65mm）的平衡剖面作為沙灘的灘面形態(tài)，利用Dean的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得剖面，采用1：30的沙灘坡度。

根據(jù)2015年（第二次整治前）至2018年（第三次整治前）的剖面圖顯示，選用上述計(jì)算的結(jié)果回填的砂石中間段基本處于沖淤平衡狀態(tài)。整體結(jié)果與MEP-Bay軟件計(jì)算結(jié)果基本吻合。通過以上分析，金沙灣人工沙灘整治是成功的，沙灘基本處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。

3? 結(jié)語

利用岬灣海灘平衡形態(tài)模型（MEP-Bay）對(duì)湛江金沙灣人工沙灘穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，提出平面形態(tài)布置方案，并結(jié)合海灘平衡剖面公式進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)沙灘剖面，研究得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）MEP-Bay軟件模擬得出了金沙灣人工沙灘的穩(wěn)定灣岸曲線，結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相吻合;但是由于該軟件下游控制點(diǎn)的選擇存在一定的主觀性，因此結(jié)果可能存在一定誤差。軟件擬合結(jié)果可以作為沙灘整治規(guī)劃的參考，但不能作為其唯一標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過一定的人工設(shè)施，配合合理的人工養(yǎng)灘，可以創(chuàng)造出靜態(tài)平衡的人工岬灣海灘。

（3）人工沙灘的整治是一個(gè)復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過程，需要后期多年監(jiān)測(cè)并隨時(shí)調(diào)整整治方案，從而達(dá)到真正整治的目的。

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