海灘養(yǎng)護(hù)理論與試驗(yàn)研究進(jìn)展

董麗紅，梁書(shū)秀，孫昭晨

（大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024）

海灘養(yǎng)護(hù)理論與試驗(yàn)研究進(jìn)展

董麗紅，梁書(shū)秀，孫昭晨

（大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 大連 116024）

海灘養(yǎng)護(hù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外備受推崇的海岸防護(hù)措施。我國(guó)“十二五”規(guī)劃中對(duì)于海岸防護(hù)及岸線(xiàn)恢復(fù)工作更加重視，加強(qiáng)海灘養(yǎng)護(hù)相關(guān)理論和技術(shù)問(wèn)題的總結(jié)和評(píng)估是進(jìn)一步做好此項(xiàng)工作的關(guān)鍵。文章回顧了海灘養(yǎng)護(hù)法在國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展情況及有關(guān)海灘養(yǎng)護(hù)剖面設(shè)計(jì)的理論、物理和數(shù)值試驗(yàn)研究進(jìn)展，分析了目前在海灘養(yǎng)護(hù)剖面研究及設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題并指出：目前我國(guó)海灘剖面演變研究主要應(yīng)用地質(zhì)、地形學(xué)分析方法，應(yīng)強(qiáng)調(diào)從水動(dòng)力學(xué)角度研究泥沙與岸灘沖淤變化過(guò)程的關(guān)系；海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單應(yīng)用Dean的平衡剖面模式對(duì)補(bǔ)灘剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)存在很大不足，應(yīng)從實(shí)際海灘剖面地形結(jié)構(gòu)、灘面泥沙組成與輸移和波浪運(yùn)動(dòng)特征等方面尋求改進(jìn)與提高。

海灘養(yǎng)護(hù)；岸灘演變模擬；平衡剖面；剖面設(shè)計(jì)

近年來(lái)，我國(guó)主海岸線(xiàn)總長(zhǎng)度逐年縮短，砂礫質(zhì)海岸從1975年的3 653.63 km減少到2007年的2 815.64 km，32年減少了22.3%。濱海沙灘遭受侵蝕嚴(yán)重，海灘灘面變窄、變陡、海灘沙粗化問(wèn)題嚴(yán)重，海岸線(xiàn)遭受侵蝕而逐漸后退［1］。海灘養(yǎng)護(hù)（beach nourishment）或稱(chēng)海灘喂養(yǎng)、人造沙灘將泥沙補(bǔ)給于被侵蝕海岸段，除了有效緩解侵蝕狀況外，由于本身的可侵蝕性使其可以維持當(dāng)?shù)睾透浇０兜妮斏称胶猓乙驗(yàn)闆](méi)有長(zhǎng)久性建筑物的存在，使其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響降至最低。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，海灘養(yǎng)護(hù)是應(yīng)對(duì)海岸侵蝕最為經(jīng)濟(jì)的工程措施。不僅可以用于侵蝕岸段的應(yīng)急處理，而且能長(zhǎng)效地防治海岸侵蝕。目前，海灘養(yǎng)護(hù)作為海灘的軟性防護(hù)方法逐漸被國(guó)內(nèi)外海岸工程學(xué)家用于海岸防護(hù)和海灘保護(hù)［2］。筆者首先對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)這一海岸防護(hù)方法在我國(guó)及歐美國(guó)家的開(kāi)展情況做了簡(jiǎn)要回顧，總結(jié)了養(yǎng)護(hù)剖面設(shè)計(jì)的理論、物理及數(shù)值試驗(yàn)研究，指出了存在的問(wèn)題，以期為此領(lǐng)域研究者提供參考。

1 海灘養(yǎng)護(hù)

1.1 海灘養(yǎng)護(hù)定義

海灘養(yǎng)護(hù)是指當(dāng)海灘自然供沙相對(duì)不足時(shí)，對(duì)海灘進(jìn)行人工補(bǔ)沙，即將一定顆粒級(jí)配的砂石通過(guò)水力或機(jī)械搬運(yùn)的方法放置到某些遭受侵蝕的海灘的一定部位，迅速增加海岸在平均高潮位以上的海灘后濱寬度，同時(shí)視海岸環(huán)境的特點(diǎn)輔以導(dǎo)堤促淤或外防波堤（或潛堤）掩護(hù)，以達(dá)到旅游沙灘或抵御風(fēng)暴潮的目的。補(bǔ)灘后，每隔3～5年對(duì)補(bǔ)沙的海灘進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)補(bǔ)入所缺的沙，以保證人工海灘不受侵蝕。其工程理念是對(duì)缺乏泥沙的海岸營(yíng)造一種補(bǔ)沙的環(huán)境，而不是抵御自然力量來(lái)防止泥沙流失，該法不僅可以用于侵蝕岸段的應(yīng)急處理，而且可以長(zhǎng)效地防治海岸侵蝕。

海灘養(yǎng)護(hù)通常包括調(diào)查、重建和修補(bǔ)3個(gè)階段［3］，工程規(guī)模可自幾千立方米至幾百萬(wàn)立方米。根據(jù)泥沙堆積在海岸剖面上位置的不同，一般可分為以下4種形式。

（1）沙丘補(bǔ)沙，將所有補(bǔ)給泥沙堆積在平均高潮位以上，不直接增加干灘寬度，能夠阻擋風(fēng)暴浪期間的泥沙越頂遷移，流失小、拋沙技術(shù)低。

（2）灘肩補(bǔ)沙（干灘補(bǔ)沙），將補(bǔ)給泥沙主要堆積在平均潮位以上，增加干灘寬度，效果顯著，拋沙技術(shù)中等，流失量較大，為目前使用較為頻繁的拋沙方案。

（3）剖面補(bǔ)沙，將補(bǔ)給泥沙吹填在整個(gè)海灘剖面上，施工時(shí)直接按照剖面的平衡形態(tài)拋沙，短期效果顯著，拋沙技術(shù)較高且易遭受風(fēng)暴潮的破壞。

（4）近岸補(bǔ)沙（水下沙壩補(bǔ)沙），將補(bǔ)給泥沙拋置在近岸平均低潮位以下，形成平行于海岸的若干條水下人工沙壩，依靠自然波浪的作用將泥沙向岸灘輸移。

較大規(guī)模的海灘補(bǔ)沙通常是從水上進(jìn)行填筑的，最經(jīng)濟(jì)的方法是用絞吸式挖泥船進(jìn)行水力吹填。一般要求海底取沙坑的距離不超過(guò)10 km，海灘補(bǔ)沙若能與海港的港池、航道開(kāi)挖相結(jié)合，則更為經(jīng)濟(jì)合理。

由于對(duì)海灘進(jìn)行人工補(bǔ)沙是一種經(jīng)濟(jì)而有效的方案，且對(duì)相鄰海岸地區(qū)的影響又較小，因此日益普遍地被各國(guó)所采用。1985年第26屆國(guó)際航運(yùn)會(huì)議有一個(gè)議題組專(zhuān)門(mén)討論沙質(zhì)海岸有關(guān)人工海灘補(bǔ)沙技術(shù)和設(shè)備的最新發(fā)展［4］，1991年國(guó)際海岸工程學(xué)報(bào)出了一期“人工海灘補(bǔ)沙”專(zhuān)集［5］，由此可見(jiàn)，國(guó)際上對(duì)這種海岸保護(hù)方法的重視。幾十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，此法已成為當(dāng)前防護(hù)海灘侵蝕最有效的措施，已為歐美國(guó)家廣泛應(yīng)用。

1.2 海灘養(yǎng)護(hù)開(kāi)展情況

1922年，美國(guó)最早在紐約實(shí)施了柯尼島公共岸灘計(jì)劃［6］。1956年國(guó)會(huì)逐步將人造海灘及養(yǎng)灘工程作為美國(guó)防止海岸侵蝕的主要手段。至1980年美國(guó)大陸海岸已有155處采用了人造海灘。佛羅里達(dá)州南部的邁阿密養(yǎng)灘開(kāi)展規(guī)模最大，也最為有名，養(yǎng)灘岸線(xiàn)總長(zhǎng)17 km，鋪沙量1 000萬(wàn)m3。即使是中等強(qiáng)度的颶風(fēng)亦未對(duì)此海灘造成顯著侵蝕，再次證明了海灘喂養(yǎng)的效果［7］。大規(guī)模的海灘喂養(yǎng)與人工沙灘工程不僅有效保護(hù)海岸免遭侵蝕，降低了颶風(fēng)帶來(lái)的海岸帶風(fēng)暴潮災(zāi)害，而且在改善海岸環(huán)境與發(fā)展旅游業(yè)方面作出了重大貢獻(xiàn)［8］。

目前歐洲每年的補(bǔ)沙量達(dá)2 800萬(wàn)m3，與美國(guó)聯(lián)邦政府項(xiàng)目的總量相當(dāng)。歐洲的人造沙灘始于1950年的荷蘭，主要目的是為防止沙灘消失，保護(hù)旅游資源。荷蘭在海灘養(yǎng)護(hù)方面發(fā)展迅速，從1952—1989年完成了50個(gè)工程，并于1987年定制《人工海灘養(yǎng)灘手冊(cè)》，是繼美國(guó)1984年《海濱防護(hù)手冊(cè)》后該領(lǐng)域研究的新進(jìn)展。

歐洲其他國(guó)家，如德國(guó)、法國(guó)、西班牙和愛(ài)爾蘭也有大規(guī)模的養(yǎng)灘工程。目前，德國(guó)、荷蘭和丹麥已將人工養(yǎng)灘作為長(zhǎng)期策略來(lái)防治海岸侵蝕，后兩國(guó)更是將其納入了法律體系，對(duì)岸線(xiàn)的長(zhǎng)期變化進(jìn)行系統(tǒng)的定期監(jiān)測(cè)。

日本作為島國(guó)也逐漸以養(yǎng)灘作為海岸防護(hù)的主要措施，年平均海灘喂養(yǎng)工程數(shù)約5個(gè)。東京灣東岸大多數(shù)造陸工程是在1966年后完成的，其中北部規(guī)劃為人工海灘和海濱公園。最早的是1975年開(kāi)始的Inage濱海公園，擁有長(zhǎng)1 200 m，寬200 m的海灘。養(yǎng)灘用沙全部來(lái)自3 km近海，厚度達(dá)30 cm以防止岸灘侵蝕。Makuhari海灘應(yīng)用水力輸沙方法實(shí)施喂養(yǎng)，并輔以潛堤工程，每年為維護(hù)沙灘喂養(yǎng)沙量為15 000 m3，并于1979年出版了《人工海灘手冊(cè)》。

我國(guó)的海灘養(yǎng)護(hù)實(shí)踐以香港淺水灣為最早。1990年香港對(duì)香港島南岸的淺水灣海灘實(shí)施填沙護(hù)灘工程，以期增加海灘的寬度來(lái)滿(mǎn)足旅游業(yè)發(fā)展的需要。其工程不僅美化了城市環(huán)境，也為旅游業(yè)的發(fā)展提供了必要條件。20世紀(jì)70年代，我國(guó)大陸海岸的青島、茂名一帶開(kāi)展了小規(guī)模的養(yǎng)灘工程，連年補(bǔ)沙但連年被侵蝕掉。正規(guī)的養(yǎng)灘工程始于1994年大連市星海灣海灘整治工程［9］，利用丁壩和灣口潛堤抵浪，拋沙31.5萬(wàn)m3，試圖將原礫石質(zhì)海灘改造成砂質(zhì)。2001年，秦皇島市北戴河?xùn)|海灘用丁壩護(hù)沙，拋沙4 000 m3，營(yíng)造了人造海灘，每年再補(bǔ)沙400 m3，效果較好［10］。2007年5—9月的廈門(mén)五通—香山一期養(yǎng)灘工程是大規(guī)模的養(yǎng)灘工程。在1.5 km的海灘上拋沙74萬(wàn)m3，干灘增寬100 m，1年后蝕退狀況不明顯［11］。2007年，海南三亞白排人工海灘總長(zhǎng)度400 m，寬度40～50 m，總填沙量48 000 m3［12］。2008年5—6月，北戴河西海灘六、九浴場(chǎng)對(duì)0.7 km嚴(yán)重侵蝕的海灘實(shí)施養(yǎng)護(hù)，以岸外沙袋潛壩拒浪，向?yàn)┘鐠伾?1萬(wàn)m3，建成寬闊海灘，1年后效果很好［13］。此外，山東招遠(yuǎn)、北戴河中海灘以及天津港東疆港區(qū)人工沙灘等也相繼完工。

從國(guó)內(nèi)外海灘治理的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，人工海灘是防止岸線(xiàn)侵蝕、維持海岸動(dòng)態(tài)輸沙平衡的有效措施。隨著我國(guó)對(duì)海岸生態(tài)資源的重視以及濱海旅游業(yè)的不斷發(fā)展，海灘養(yǎng)護(hù)將越來(lái)越受到重視，成為今后海岸防護(hù)的重要工程措施。這也要求有關(guān)養(yǎng)灘的理論和技術(shù)問(wèn)題得到進(jìn)一步的總結(jié)和評(píng)估。

1.3 海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)

海灘養(yǎng)護(hù)的設(shè)計(jì)包括平面設(shè)計(jì)和橫斷面設(shè)計(jì)。在平面布置上，常輔以導(dǎo)堤促淤或外防波堤（或潛堤），視海岸具體環(huán)境特點(diǎn)而定。岸線(xiàn)布設(shè)越接近自然穩(wěn)定形態(tài)，拋沙后沙灘的過(guò)渡期越短。應(yīng)用較多的是借助人工突堤或離岸堤與沙岸構(gòu)成一種靜態(tài)平衡岬灣的布置，即借助人工岬角創(chuàng)造穩(wěn)定海岸形態(tài)。橫斷面設(shè)計(jì)是進(jìn)行補(bǔ)灘施工和計(jì)算拋沙量的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系著養(yǎng)灘工程建成后，新養(yǎng)護(hù)沙灘與當(dāng)?shù)厮沫h(huán)境的適應(yīng)能力以及工程是否能夠滿(mǎn)足規(guī)劃時(shí)的使用要求。中剖面有海灘的原始剖面，設(shè)計(jì)剖面和施工模板。原始剖面指前剖面形態(tài)，通常需要水下地形勘探測(cè)量得出；設(shè)計(jì)剖面是指根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件和原沙、補(bǔ)沙粒徑等因素，結(jié)合一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（如，Dean平衡剖面模式）所確定的海灘穩(wěn)定時(shí)的平衡剖面，是優(yōu)良海灘最終達(dá)到的剖面形態(tài)；施工模板是指在進(jìn)行工程施工時(shí)，所依據(jù)的補(bǔ)灘施工文件，是工程開(kāi)展的依據(jù)性文件，包括灘肩高程和寬度以及一個(gè)或多個(gè)向海底坡的設(shè)計(jì)［14］。圖1顯示了某處養(yǎng)灘工程中各剖面形態(tài)分布。海灘養(yǎng)護(hù)橫斷面設(shè)計(jì)方法主要有超沙法和平衡剖面法。

圖1 海灘養(yǎng)護(hù)中各剖面示意圖［15］

1.3.1 超沙設(shè)計(jì)法

早期的工程中，通過(guò)確定一個(gè)超填沙系數(shù)RA（overfill factor）來(lái)反映在不同填沙粒徑下，給定海灘需超填的沙量。他們假定填沙在當(dāng)?shù)睾０秳?dòng)力過(guò)程作用下，會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)自然的分選過(guò)程，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，將逐步達(dá)到與當(dāng)?shù)睾０董h(huán)境相適應(yīng)的平衡岸灘剖面。James［16］將該理論發(fā)展成為兩個(gè)系數(shù)的確定：超填沙系數(shù)RA，重復(fù)填沙系數(shù)RJ（renourishment factor）。超沙設(shè)計(jì)法并不關(guān)心具體的填沙位置和設(shè)計(jì)橫斷面形狀，多見(jiàn)于荷蘭等歐洲早期工程中。目前的研究及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐表明，僅僅依據(jù)基于填沙粒徑的兩個(gè)參數(shù)RA和RJ來(lái)估計(jì)養(yǎng)護(hù)效果并不是很科學(xué)［17］。現(xiàn)行的指導(dǎo)性文件更推薦基于平衡剖面概念的設(shè)計(jì)方法。

1.3.2 平衡剖面設(shè)計(jì)法

養(yǎng)灘工程主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：橫斷面設(shè)計(jì)和欲達(dá)到設(shè)計(jì)剖面所需補(bǔ)沙量。典型養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)方案包括不同寬度灘肩和沙丘高程的組合；灘肩寬度和高程，沙丘高程、頂寬和邊坡的確定；灘肩下平衡剖面形狀設(shè)計(jì)。

灘肩高程通常與自然海灘灘肩頂高程一致。自然灘肩高程由現(xiàn)存和歷史條件的施工地海灘剖面調(diào)查確定。通常低能波浪作用下，夏季末海灘灘肩完全成長(zhǎng)良好，可以作為確定海灘設(shè)計(jì)灘肩高程參考。

目前比較成熟的實(shí)用方法是利用BMAP（beach morphology analysis package）軟件［18］進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定最優(yōu)灘肩高度。灘肩寬度與工程目的有關(guān)，通常受工程經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境問(wèn)題等影響。如果是抵御風(fēng)暴潮為目的的海灘，通常要經(jīng)過(guò)減少風(fēng)暴潮損失最優(yōu)化分析的過(guò)程來(lái)確定；SBEACH［19］軟件可以用來(lái)計(jì)算不同寬度灘肩的海灘在風(fēng)暴潮作用下剖面的響應(yīng)，在設(shè)計(jì)中提供輔助作用。對(duì)于以旅游開(kāi)發(fā)為目的的海灘，灘肩部分設(shè)計(jì)除滿(mǎn)足旅游沙灘寬度標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)滿(mǎn)足灘肩高程大于或等于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)波浪最大爬高與大潮高潮。沙丘的設(shè)計(jì)高程由經(jīng)濟(jì)優(yōu)化確定，頂寬和邊坡由施工限制和泥沙特性等共同決定。平衡剖面形狀可依據(jù)平衡剖面模式（如，Bruun－Dean）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 海灘養(yǎng)護(hù)的相關(guān)物理和數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究

2.1 物理模型實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在海灘演變尤其是剖面演變方面展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)研究很多。鑒于實(shí)驗(yàn)室小型設(shè)備在實(shí)際海灘剖面變化試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)資料，受尺度限制；對(duì)于海灘剖面變化的有效實(shí)測(cè)資料不易獲得，所以大型波浪水槽提供近乎原型試驗(yàn)環(huán)境，解決了小尺度波浪水槽實(shí)驗(yàn)的不足。

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)從1955年起就針對(duì)不同波浪和水位條件下水下剖面和沙丘的發(fā)展變形、泥沙的運(yùn)移開(kāi)展了試驗(yàn)研究。研究在不同的波浪條件與水位的組合下海灘的剖面形態(tài)、坡度及其穩(wěn)定性之間的關(guān)系，以評(píng)估在不同岸灘坡度下灘肩補(bǔ)沙設(shè)計(jì)指標(biāo)，以及在不同波浪條件下灘肩補(bǔ)沙的響應(yīng)。1956—1957年，大型波浪水槽（large wave tank，簡(jiǎn)稱(chēng)LWT）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于美國(guó)工程師兵團(tuán)（CERC），后來(lái)日本中央電力工業(yè)中心（CRIEPI）和德國(guó)Hanove大學(xué)（UH）也相繼進(jìn)行了試驗(yàn)，其成果已由Kajima等［20］、Kraus等［21］、Larson等［19］及Dette等［22］整理發(fā)表。這些試驗(yàn)系統(tǒng)地測(cè)試了剖面變化與理想化的廣域入射波高及波長(zhǎng)、水位、海灘初始坡度及粒徑大小等之間的關(guān)系。Dette等［23］總結(jié)了大型波浪水槽海灘剖面實(shí)驗(yàn)在中的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)也開(kāi)展了不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究，馮衛(wèi)兵、李冰［24－25］、楊燕雄和鄒志利等［26］均各自獨(dú)立開(kāi)展了二維沙質(zhì)海灘形態(tài)試驗(yàn)研究，通過(guò)系列試驗(yàn)分析對(duì)于不同泥沙粒徑、不同重現(xiàn)期波浪及來(lái)波方向影響下人工沙灘平衡剖面的形態(tài)特征。這些實(shí)驗(yàn)都是在分析海灘演變規(guī)律、優(yōu)化人工海灘設(shè)計(jì)方面的有益嘗試。但總體上看，我國(guó)在海灘養(yǎng)護(hù)方面進(jìn)行的系統(tǒng)性、有針對(duì)性的研究還比較少，應(yīng)提倡合理開(kāi)展養(yǎng)灘工程的科學(xué)實(shí)驗(yàn)精神，從物理及數(shù)值試驗(yàn)兩方面入手，加強(qiáng)對(duì)于養(yǎng)灘工程預(yù)測(cè)能力，提高工程的科學(xué)性和可靠性。

2.2 數(shù)值模擬研究進(jìn)展

國(guó)外該方面的研究較多，Swart［27］將計(jì)算橫向輸沙率的概化方法加以完善，建立了一個(gè)模型，該模型將海灘剖面分為3個(gè)水平層，對(duì)無(wú)沙壩海灘能給出良好的結(jié)果。Swain等［28］對(duì)這個(gè)模型加以改進(jìn)，使之能適用于有潮汐水位變化的情況。Dally等［29］提出一個(gè)將水體分成兩層的模型，可以模擬海灘沖淤變化及沙壩形成，但輸沙計(jì)算時(shí)并沒(méi)有考慮推移質(zhì)且剖面經(jīng)長(zhǎng)時(shí)段模擬不能達(dá)到平衡。基于Bagnold［30］的輸沙概念，Bailard［31］假定瞬時(shí)輸沙率正比于床面區(qū)域單位水體的能量耗散率，得到了計(jì)算時(shí)均沿岸和橫向輸沙率公式。Stive［32］應(yīng)用并改進(jìn)了Bailard輸沙模型，得到了UNIBEST－TC模型。

此外，Nairn［33］也從計(jì)算推移質(zhì)邊界層速度及懸移質(zhì)的上層速度算法上發(fā)展了Bailard模型。Kriebel等［34］假定海灘剖面總是朝著B(niǎo)ruun等平衡剖面方向發(fā)展，得到了與能量耗散率有關(guān)輸沙模型。Delft Hydraulics［35］提出了有、無(wú)護(hù)面層情況下橫向輸沙公式。DHI［36］開(kāi)發(fā)了基于內(nèi)波周期的懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙模型，可以考慮護(hù)面、泥沙喂養(yǎng)條件下剖面的演變，但波高沿?cái)嗝娴姆植际墙?jīng)驗(yàn)性計(jì)算法。Larson等［37］建立了求解養(yǎng)護(hù)海灘在風(fēng)暴作用下的數(shù)學(xué)模型得到了風(fēng)暴作用下養(yǎng)護(hù)海灘演變的定性和定量特征。Marie－Helene基于時(shí)間和深度平均的二維N－S方程，開(kāi)發(fā)了波流作用下準(zhǔn)三維岸灘演變模型［38］。Srinivas等［39］基于物理原理提出了一個(gè)相對(duì)完整的剖面輸沙模型。Rakha［40］建立了內(nèi)部波浪（intra－wave）泥沙輸運(yùn)模型，通過(guò)求解泥沙守恒方程來(lái)預(yù)測(cè)岸灘剖面的變化。Larson等［41］基于Madsen的推移質(zhì)輸沙模型開(kāi)發(fā)了沖流帶內(nèi)剖面演變模型，但是與破碎帶模型的耦合結(jié)果還有待提高，Meule［42］基于Martinez和Harbaugh的SEDSIM模型開(kāi)發(fā)了用于模擬風(fēng)暴潮的泥沙水動(dòng)力模型。Yin Lu Young［43］建立了沙質(zhì)岸灘上孤立波破碎模型。

我國(guó)海灘剖面研究，主要采用定性分析或統(tǒng)計(jì)方法［44－46］，而在地形和水動(dòng)力之間耦合機(jī)制方面的數(shù)值研究相對(duì)較少。沈劍平、李國(guó)謙［47－48］分別建立的沙質(zhì)海灘剖面演變的數(shù)學(xué)模型，為我國(guó)學(xué)者在此領(lǐng)域的有益嘗試。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)的岸灘剖面演變模型很多，Seymour、Broker、Schoonees和Van Rijn［49－52］等分別從輸沙率計(jì)算方法、邊界條件和計(jì)算結(jié)果的可靠性等方面對(duì)這些模型做了分類(lèi)比較和評(píng)價(jià)，指出了各個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，為模型實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。LITCROSS、Larson和Kraus模型在海灘養(yǎng)護(hù)中均得到了實(shí)際應(yīng)用，用于海灘養(yǎng)護(hù)的方案設(shè)計(jì)和評(píng)估。

2.3 海灘平衡剖面模式研究進(jìn)展

海灘養(yǎng)護(hù)的剖面設(shè)計(jì)主要依據(jù)平衡剖面的概念。因此，如何合理確定給定水動(dòng)力和泥沙條件下的穩(wěn)定岸灘形態(tài)是至關(guān)重要的。早期針對(duì)平衡剖面的實(shí)驗(yàn)研究證明［53－55］，在較陡前灘的海灘上呈現(xiàn)上凹形，沿離岸方向坡度逐漸變緩。Bruun［56］提出了能量法則，將這種試驗(yàn)和理論上的上凹性聯(lián)系起來(lái)，并將水深看做離岸距離的函數(shù)。Dean［57］在理論上證明了Bruun的能量法則，并假定平衡剖面直接與單位水體的穩(wěn)定能量耗散率有關(guān)，得出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)——形狀參數(shù)A來(lái)表達(dá)兩者聯(lián)系，提出用y＝Axm描述平衡剖面形態(tài)。Moore［58］定義了形狀參數(shù)A與泥沙中值粒徑的關(guān)系。

另外，Vellinga［59］用近岸帶封閉輸沙平衡的概念描述平衡剖面。考慮前灘的線(xiàn)性陡坡段Dean的平衡剖面模式經(jīng)發(fā)展，成為Dean－Moore－Wiege模式［60－62］。Wang［63］提出的三段海灘剖面形態(tài)模式，Dean［64］提出的多段海灘剖面模式。Bodge和Komar提出了冪指數(shù)形式［65－66］，并指出Dean的平衡剖面缺陷在于在前灘（x＝0）處坡面出現(xiàn)無(wú)窮大情況。Lee［67］基于為微幅波理論，以顯式形式給出了聯(lián)系波周期（波長(zhǎng)）的平衡剖面的幾何形狀。Lee討論了Dean剖面模式指出Dean的理論中把質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與能耗聯(lián)系起來(lái)不科學(xué)，因?yàn)槟芰渴菢?biāo)量而非矢量。印萍等［68］通過(guò)日照海灘實(shí)測(cè)資料與Dean模式對(duì)比分析也發(fā)現(xiàn)，將海灘剖面在水深3.5m處分成兩段分別進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，與Dean模式符合良好，而3.5m水深正好是中粗砂與沙質(zhì)粉砂的分界水深。Bernabeu［69］的剖面模式將潮位影響考慮進(jìn)去，對(duì)于受潮汐影響較大的海灘更具指導(dǎo)意義。

從上述平衡剖面的發(fā)展可知，目前仍然沒(méi)有詳盡的方法來(lái)描述具體海岸環(huán)境因素對(duì)給定原始岸灘的作用。Bruun和Dean對(duì)海灘平衡剖面做了開(kāi)創(chuàng)性研究，尤其Dean從能量平衡角度闡述了該模式的理論基礎(chǔ)，成為后人提出的其他平衡剖面模式的依據(jù)。目前，該模式已被廣泛應(yīng)用到在海灘養(yǎng)護(hù)剖面的設(shè)計(jì)和相關(guān)理論研究中。

Dean平衡剖面模式形式簡(jiǎn)潔、應(yīng)用方便，但其中參數(shù)物理意義不明確，由于實(shí)際海灘動(dòng)力環(huán)境差別較大，因而此模式在全世界不同的海岸動(dòng)力環(huán)境下難以普遍適用。

3 海灘養(yǎng)護(hù)研究中存在問(wèn)題

（1）總體上看，我國(guó)海岸演變的研究側(cè)重于運(yùn)用地質(zhì)、地形學(xué)方法分析海底剖面的變化情況，此方法嚴(yán)重依賴(lài)于長(zhǎng)期的海底地形實(shí)測(cè)資料，以及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和典型海底剖面的選取，給實(shí)際操作帶來(lái)諸多不便；在海灘剖面研究中，很少?gòu)乃畡?dòng)力學(xué)方面去研究泥沙與岸灘沖淤變化過(guò)程的關(guān)系，主要是因?yàn)槟嗌硻M向輸運(yùn)計(jì)算涉及因素很多，如，離岸沙壩、過(guò)度沖刷過(guò)程、海墻、海灘喂養(yǎng)及泥沙粒徑變化等的合理考慮都是模型需要解決的問(wèn)題。因此，加強(qiáng)泥沙動(dòng)力學(xué)研究是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。隨著海岸工程應(yīng)用需要及相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)岸灘演變的水動(dòng)力模型研究將是一種趨勢(shì)。

（2）在海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)單應(yīng)用Dean的平衡剖面模式對(duì)補(bǔ)灘剖面進(jìn)行設(shè)計(jì)存在很大不足：在水深為0處，前灘坡度出現(xiàn)無(wú)窮大的情形，且由其回歸結(jié)果顯示等號(hào)左右長(zhǎng)度因次并不一致；不能描述平衡海灘剖面上可能出現(xiàn)的灘肩和沙壩；形狀參數(shù)A僅考慮了泥沙參數(shù)的作用，并沒(méi)有考慮波高、波向、波周期和粒徑在灘面的分布、潮位變動(dòng)等影響。由于實(shí)際海灘動(dòng)力環(huán)境差別較大，因此該模式在全世界不同的海灘環(huán)境下難以普遍適用。應(yīng)鼓勵(lì)從實(shí)際海灘剖面地形結(jié)構(gòu)、灘面泥沙組成與輸移、波浪運(yùn)動(dòng)特征等方面尋求改進(jìn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

海灘資源合理的利用及保護(hù)已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的一項(xiàng)重要工程技術(shù)內(nèi)容。我國(guó)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃更是把岸線(xiàn)恢復(fù)及岸灘保護(hù)作為今后發(fā)展的重要任務(wù)。國(guó)外針對(duì)海灘在波浪、風(fēng)暴潮作用下的試驗(yàn)研究很多，許多寶貴經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。國(guó)內(nèi)對(duì)于養(yǎng)灘試驗(yàn)開(kāi)展較少且多是針對(duì)具體工程進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案適宜性和耐久性研究，對(duì)于海灘養(yǎng)護(hù)的一般規(guī)律性研究很少，還沒(méi)有得出適用于我國(guó)特定岸灘環(huán)境的指導(dǎo)性方法與規(guī)則。因此，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外實(shí)例調(diào)查及實(shí)驗(yàn)室原型試驗(yàn)研究的方法和養(yǎng)灘工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)我國(guó)海灘泥沙及水動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn)開(kāi)展基礎(chǔ)性研究工作，分析不同岸灘類(lèi)型的切實(shí)可行的造灘、養(yǎng)灘方案，是實(shí)現(xiàn)沿海自然資源的可持續(xù)利用和濱海旅游業(yè)的發(fā)展的一條必經(jīng)之路。

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