荷蘭人工育灘工程Sand Motor的經(jīng)驗(yàn)與啟示

劉大為，王銘晗，宮曉健，胡克

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院 北京 100083；2.中國地質(zhì)圖書館(中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心) 北京 100083)

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荷蘭人工育灘工程Sand Motor的經(jīng)驗(yàn)與啟示

劉大為1，王銘晗2，宮曉健1，胡克1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院 北京 100083；2.中國地質(zhì)圖書館(中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心) 北京 100083)

海岸侵蝕已成為砂質(zhì)海岸重要災(zāi)害之一，世界各國都致力于海灘防護(hù)。荷蘭由于地勢(shì)低洼，在護(hù)灘工程中進(jìn)行大量嘗試，于2011年在代爾夫蘭海岸開展創(chuàng)新性人工育灘工程即Sand Motor，單個(gè)工程補(bǔ)沙總量達(dá)2.15×107m3。持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，工程建成后的沙灘形態(tài)與模擬結(jié)果基本吻合，沙量損失速度低于預(yù)期。階段性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，Sand Motor通過波浪、海流等向海灘緩慢輸沙，穩(wěn)定海岸沙灘和海岸沙丘，具有防護(hù)效果顯著、成本較低、使用壽命長、增加海岸利用等優(yōu)點(diǎn)，值得我國借鑒。

補(bǔ)沙引擎；人工育灘；沙灘養(yǎng)護(hù)；生態(tài)修復(fù)

在海平面上升、風(fēng)暴潮頻率增加等自然因素以及人工挖沙、河流水利和海岸工程建設(shè)等人為因素的共同影響下，海岸侵蝕已成為世界性的災(zāi)害之一，許多海灘和沿岸建筑均遭受嚴(yán)重破壞，沿海地區(qū)大片土地和森林被海水吞噬[1-2]。護(hù)灘工程是抵御海岸侵蝕災(zāi)害的最佳措施[1]，包括丁壩、海堤等抵御侵蝕的“硬工程”和以沙補(bǔ)灘的“軟工程”[3]。近幾十年來，荷蘭和美國逐漸從“硬工程”向人工育灘等“軟工程”轉(zhuǎn)變[4-5]。實(shí)踐證明，人工育灘不僅能擴(kuò)寬和穩(wěn)固海灘，還能在海中形成大片灘地[4]。目前我國已在香港、廈門、青島、天津、秦皇島等地實(shí)施數(shù)十處人工育灘工程，但工程規(guī)模小、使用壽命短、單位成本高[1]。本研究介紹荷蘭創(chuàng)新性人工育灘工程Sand Motor的規(guī)模、模擬和監(jiān)測(cè)以及階段性評(píng)價(jià)，以期促進(jìn)我國人工育灘的理論研究和實(shí)踐。

1 Sand Motor工程

20世紀(jì)90年代，荷蘭環(huán)境公共建設(shè)部每年在海岸帶地區(qū)填沙600萬m3，以增強(qiáng)砂質(zhì)海岸功能，2001年后每年填沙量增加至1 200萬 m3[6]。為在增強(qiáng)海岸防護(hù)功能的前提下盡可能減少填沙量，并延長工程使用壽命和增加休閑娛樂功能，荷蘭學(xué)者通過大膽創(chuàng)新的探索實(shí)驗(yàn)，于2005年首次提出“Sand Motor(或Sand Engine)”的概念[7]，這一項(xiàng)目于2010年獲得荷蘭國家環(huán)境影響評(píng)價(jià)(EIA)許可證[8]。根據(jù)其功能和作用，本研究嘗試將“Sand Motor(或Sand Engine)”譯為“補(bǔ)沙引擎”。

補(bǔ)沙引擎工程位于荷蘭南荷蘭省韋斯特蘭市附近的代爾夫蘭海岸、荷蘭角港和斯赫弗寧根之間、距離海牙市向西方向約11 km處(52°3′6.84″N，4°11′0.96″E)(圖1(a))。工程整體形狀為類似鉤子的半島，一端與海岸相連，走向?yàn)镾W-EN；長約2 km，向海延伸約1 km，面積為128萬m2，總用沙量為2 150萬m3(沙抽取自水深-20 m以外的海域)；共花費(fèi)7 000萬歐元，于2011年7月完成，是世界首個(gè)創(chuàng)新型人工育灘工程(圖1(b))[9-11]。

圖1 補(bǔ)沙引擎

根據(jù)研究和模擬，該區(qū)域海域水動(dòng)力條件包括潮汐、波浪和風(fēng)向3個(gè)方面[12]。①海區(qū)位于北海南部，潮汐屬于半日潮，最大潮差1.2 m、最小潮差1.0 m；潮汐非常不對(duì)稱，落潮時(shí)間(8 h 4 min)約是漲潮時(shí)間(4 h 21 min)的2倍，漲潮流(向北)強(qiáng)于落潮流(向南)。②海區(qū)波候主要受來自SW和N-NW方向的波浪控制，北海中N-NW方向的波浪通常為涌浪，而SW方向的波浪為局部風(fēng)成波，因此波浪對(duì)海岸沿岸影響很小。③海區(qū)主要為西南風(fēng)，風(fēng)向幾乎與海岸平行，易形成沿岸流，從而影響海岸附近沙的運(yùn)移；風(fēng)最主要的影響是產(chǎn)生區(qū)域性波浪以及使海平面升高(如風(fēng)暴潮)。

2 補(bǔ)沙引擎的模擬與監(jiān)測(cè)

Lesser等[12]用最先進(jìn)的海岸形態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型——Delf 3D對(duì)補(bǔ)沙引擎建成后20年的時(shí)空演化進(jìn)行模擬(圖2)[9]。工程完成后，用安裝有RTK-GPS和回聲測(cè)深儀的水上摩托進(jìn)行地形和水深監(jiān)測(cè)(精確度為10 cm)，用裝有8個(gè)相機(jī)的40 m高的監(jiān)測(cè)塔臺(tái)每30 min對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行拍照并定期航拍，監(jiān)測(cè)形態(tài)變化。研究者和管理者可通過監(jiān)測(cè)和模擬及時(shí)掌握工程的形態(tài)及其影響范圍的變化，對(duì)工程做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[9]。

圖2 補(bǔ)沙引擎建成后形態(tài)變化模擬結(jié)果

2.1 補(bǔ)沙引擎的模擬

圖2顯示出Delf 3D模型對(duì)補(bǔ)沙引擎建成后3年、5年、10年、15年和20年形態(tài)變化的模擬情況。補(bǔ)沙引擎的寬度將從最初的0.95 km變窄至0.45 km，覆蓋8 km的海岸線，受益的海岸面積約為200萬m2[9]。

補(bǔ)沙引擎工程初始最大寬度為0.95 km，長度為2.4 km(圖2(a))。3年后，長度增加到3.5 km(向南增加0.7 km、向北增加0.4 km)，最大寬度減小到0.8 km；與沿岸平行的沙嘴逐漸向岸彎曲，形成橫向的沙壩；沙壩與海岸之間逐步形成面積為17萬m2的人工潟湖，潟湖通過約50 m寬的水道與北海連通(圖2(b))。3～10年后，波浪和海流將沙逐漸向兩側(cè)搬運(yùn)，最大寬度減少到0.6 km，長度增加到5.2 km(向南增加1.6 km、向北增加1.2 km)，潟湖面積減少到14萬m2(圖2(c)和圖2(d))。15年后，長度增加到8 km(向南增加3 km、向北增加2.6 km)，最大寬度減小到0.45 km，潟湖與北海之間的水道消失(圖2(e))。15～20年后，在補(bǔ)沙引擎北邊形成1個(gè)新的水道(圖2(f))[9]。

2.2 補(bǔ)沙引擎的監(jiān)測(cè)

補(bǔ)沙引擎完工后，研究者和管理者對(duì)工程進(jìn)行持續(xù)的水深和地形監(jiān)測(cè)。

2012年8月，補(bǔ)沙引擎最大寬度從0.95 km減少到0.84 km，長度從2.4 km增加到3.6 km(向南、向北均增加0.6 km)，總沙量減少約140萬m3，附近海灘沙量增加90萬m3，工程養(yǎng)護(hù)效果顯著。補(bǔ)沙引擎北部變化較大，最初與海岸平行的沙嘴尖部向岸彎曲，形成橫向沙壩；沙壩與海岸之間逐步形成20萬m2的人工潟湖，潟湖通過約100 m寬的水道與北海連通。第1年的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本與模擬結(jié)果相吻合，總沙量損失為50萬m3，比預(yù)計(jì)每年損失值100萬m3少了50%[9]。

2015年12月，補(bǔ)沙引擎最大寬度從2012年的0.84 km減少到0.7 km，長度從2012年的3.6 km增加到4.6 km。補(bǔ)沙引擎北部的沙嘴長約2.5 km、寬約350 m，由于沙嘴的延伸，水道長度增加到2.7 km[11]。

將補(bǔ)沙引擎沙丘底部和水深-10 m之間分為3個(gè)部分(半島、北部海灘和南部海灘)，分別統(tǒng)計(jì)沙量(圖3)。2011年8月到2015年8月，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)總沙量減少約100萬m3。其中，半島沙量減少約350萬m3，而北部和南部海岸沙量持續(xù)增加，分別為165萬m3和85萬m3。這是由于波浪和海流將半島的沙不斷向北部海灘和南部海灘搬運(yùn)再沉積。2011—2015年監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)總沙量損失只占初始總沙量的5%，剩余95%的沙仍發(fā)揮著育灘的功能[11]。

①總體；②南部海灘；③北部海灘；④半島。圖3 補(bǔ)沙引擎各組成部分沙體積的變化(2011年8月至2015年8月)

3 補(bǔ)沙引擎階段性評(píng)價(jià)

2016年9月，來自世界各國的350余位專家在荷蘭召開補(bǔ)沙引擎研討會(huì)，發(fā)布補(bǔ)沙引擎的階段性評(píng)價(jià)報(bào)告。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，補(bǔ)沙引擎超額完成設(shè)計(jì)時(shí)制定的3個(gè)目標(biāo)，即增強(qiáng)海岸防護(hù)、增加國土空間和推動(dòng)海岸管理[13]。

3.1 海岸防護(hù)作用

近5年的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，海流將補(bǔ)沙引擎區(qū)域內(nèi)的沙平行于海岸搬運(yùn)，并在北部海灘和南部海灘沉積下來，工程及周邊區(qū)域(4.6 km)海岸線逐步向海推進(jìn)，海岸防護(hù)水平明顯提高[11]。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)只有5%的沙被海浪侵蝕帶走，遠(yuǎn)低于預(yù)計(jì)值(預(yù)計(jì)4年有20%)，因此補(bǔ)沙引擎的使用壽命可能會(huì)超過20年[11]。

補(bǔ)沙引擎還可以間接進(jìn)行沙丘補(bǔ)沙。西南風(fēng)將補(bǔ)沙引擎的沙向陸搬運(yùn)，一部分沉積在潟湖和沙丘湖中，另一部分形成海岸風(fēng)成沙丘。新形成的沙丘面積約為1萬m2、高度約為2 m，原有沙丘帶高度增加2～3 m、寬度增加20～40 m。雖然潟湖和沙丘湖的存在增加風(fēng)搬運(yùn)沙的距離和難度，使得沙丘發(fā)育較預(yù)期緩慢，但在補(bǔ)沙引擎工程前已有沙丘補(bǔ)沙工程，因此沙丘的緩慢發(fā)育不會(huì)影響總體海岸防護(hù)效果[11]。

3.2 其他作用

補(bǔ)沙引擎增加了代爾夫蘭海岸面積，使得該區(qū)域有較高的生態(tài)價(jià)值和休閑娛樂價(jià)值。①從生態(tài)角度看，補(bǔ)沙引擎增加工程區(qū)域內(nèi)的環(huán)境多樣性和潛在生態(tài)價(jià)值。補(bǔ)沙引擎形成的海岸-潟湖-沙丘湖的海岸地貌組合為底棲動(dòng)物、鳥類和魚類提供新的棲息地，已觀察到40種鳥類和海豹等海洋哺乳動(dòng)物在此活動(dòng)[11]。②補(bǔ)沙引擎工程形成露出水面的海灘面積為128萬m2，海灘和潟湖為人們提供休閑娛樂空間，吸引大量游客，主要活動(dòng)為海邊游玩、散步和沖浪等[11]。

3.3 補(bǔ)沙引擎的科學(xué)問題

補(bǔ)沙引擎作為創(chuàng)新性的人工育灘工程，提出一些新的跨學(xué)科研究課題，其中重點(diǎn)研究主題包括海岸地貌發(fā)育和動(dòng)力機(jī)制、破浪帶形態(tài)學(xué)、風(fēng)沙搬運(yùn)速率和海岸沙丘形成過程、人工干預(yù)下的淺海區(qū)和破浪帶生態(tài)學(xué)以及大型人工育灘工程的環(huán)境影響評(píng)價(jià)等。因此，補(bǔ)沙引擎對(duì)人工育灘理論研究及海岸管理發(fā)展有重大推動(dòng)作用[11]。

4 結(jié)論

補(bǔ)沙引擎是人工育灘的創(chuàng)新工程，將補(bǔ)給泥沙拋填在平均低潮位以下和沙丘線之間，形成人工沙壩和海灘，依靠波浪作用將泥沙向岸灘輸移，實(shí)現(xiàn)一次補(bǔ)沙、長期受益。5年的實(shí)踐和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)證明，補(bǔ)沙引擎育灘效果明顯，多年平均用沙量較少，并且有助于海岸沙丘發(fā)育，增加生物棲息地和娛樂休閑空間。根據(jù)5年階段性評(píng)估報(bào)告，補(bǔ)沙引擎使用壽命超出預(yù)期，可達(dá)20年以上。與傳統(tǒng)人工育灘工程相比，補(bǔ)沙引擎具有海岸防護(hù)效果顯著、成本較低、使用壽命長、增加海岸利用功能等優(yōu)點(diǎn)，可為我國人工育灘工程所借鑒。

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Experience and Enlightenment of Sand Motor,an Innovative Beach Nourishment in Netherlands

LIU Dawei1，WANG Minghan2，GONG Xiaojian1，HU Ke1

(1.School of Marine Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.National Geological Library of China (Geosciences Documentation Center，CGS)，Beijing 100083，China)

Coastal erosion has become one of the most important disasters on sandy coast in the world.Many countries are committed to beach protection,and Netherlands has made a lot of attempts due to its low-lying.In 2011,an innovative beach nourishment,Sand Motor,was implemented with 21.5 Mm3sands in Delfland coast,Netherlands.Monitoring morphology results of August 2015 showed that monitoring results were coincided with model results,and the rate of sand losing in monitoring area was less than expected.In periodical evaluation report of 2016,it was confirmed that wave and current transport sands from Sand Motor to nearby beaches to stabilize the coast,increase space for leisure and nature and improve coastal management.Compared to regular nourishment,Sand Motor has the advantages of significant protection effect,cost-effective,long life span and increase coastal area.It is valuable for China to learn from Sand Motor.

Sand Motor，Beach Nourishment，Beach maintenance，Ecological rehabilitation

2016-12-25；

2017-05-19

中國地質(zhì)調(diào)查局國家海洋地質(zhì)專項(xiàng)子項(xiàng)目“世界海洋地質(zhì)調(diào)查情報(bào)分析與研究”(GZH201500211).

劉大為，博士研究生，研究方向?yàn)楹０稁У刭|(zhì)環(huán)境，電子信箱：ldw861111@163.com

王銘晗，研究實(shí)習(xí)員，碩士，研究方向?yàn)榈貙W(xué)情報(bào)分析，電子信箱：wangminghan0314@163.com

P75

A

1005-9857(2017)06-0061-05