河口海岸保灘促淤方式及水沙機理研究綜述

李澤龍，孫林云，唐磊，諸裕良

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

海岸帶作為海洋和陸地的交界地帶，極易受到風浪、潮流、風暴潮等自然動力的影響，是全球生態(tài)環(huán)境的敏感地帶。近幾十年來，由于河流改道、入海泥沙減少、海平面上升以及人類活動的綜合影響，大量的淤積海岸或沖淤平衡海岸轉變?yōu)榍治g特征，且程度日益加劇。據(jù)統(tǒng)計，全球約70%的沙質海岸以及所有開闊水域的淤泥質海岸都處于侵蝕后退狀態(tài)，這一全球性的問題已引起世界各國的關注。

為了保護海岸岸線的穩(wěn)定，維系海岸生態(tài)平衡，人們采取了一系列積極有效的海岸保灘促淤措施，如海堤、丁壩、離岸出水堤等。近30 a來，考慮到海岸帶生態(tài)環(huán)境以及景觀風貌，人們積極開展新型保灘方式的研究與應用，如離岸潛堤、人工養(yǎng)灘、生物促淤和沙灘泄水等。本文將對近70 a來河口海岸保灘促淤方式的發(fā)展概況進行綜述；主要針對沙質海岸和淤泥質海岸，從水沙機理方面闡述幾種保灘方式的研究成果；對離岸潛堤、人工養(yǎng)灘和丁潛壩組合形式的研究重點提出展望。

1 保灘促淤方式綜述

1.1 海堤

海堤又稱為海塘，是一種修建于海洋和陸地交界面上的順岸建筑物。海岸帶動力因素復雜多變，海堤將海洋和陸地隔離開來，使陸地免受風浪、風暴潮等侵襲，阻止岸線蝕退。海堤作為一種最為傳統(tǒng)的保灘形式，在荷蘭、日本以及我國都廣泛采用。近年來，考慮到傳統(tǒng)海堤破壞了海岸原有的動植物群落和自然景觀，中斷了陸海生物廊道和生態(tài)緩沖帶，“生態(tài)海堤”的概念應運而生。其理念為通過在海堤上分層種植濱海植物，形成集海岸防護和生物系統(tǒng)保護于一體的生態(tài)海堤模式。

1.2 丁壩

丁壩是一端與岸相連，另一端向海延伸而垂直于岸線的護岸建筑物。其作用是通過改變近岸動力，起到保灘護岸、挑流促淤的效果。丁壩的促淤效果取決于壩長、壩走向和壩間距。許星煌[1]，喻國華[2]等通過在浙江和江蘇沿海的保灘促淤實踐，指出一般丁壩的影響范圍為1.1～2.6倍壩長，壩間距通常取2倍壩長，丁壩軸線與主波向夾角以100°～110°為宜。近幾十年來，丁壩更多地被用于河道整治工程。在河道整治工程中，丁壩還起到挑流、增加航槽內流速的功能。對于河口海岸保灘工程，其在有大量泥沙來源的河口地區(qū)使用較多，如長江口南支崇明、長興、橫沙三島，杭州灣北岸等；而海岸保灘工程多結合離岸堤，效果更佳。

1.3 離岸堤

離岸堤是平行岸線且離岸一定距離建造的防護建筑物，根據(jù)堤頂出水情況，可分為離岸出水堤和離岸潛堤兩類。

1.3.1 離岸出水堤

離岸出水堤堤頂高程較高，常年露出水面，通過阻攔波浪的近岸傳播，使其發(fā)生繞射，消耗入射波能，促使泥沙在堤后能量較小的波影區(qū)落淤，起到拓寬岸線的作用。離岸出水堤常以堤群形式出現(xiàn)，在日本[3]、地中海沿岸[4]等海岸廣泛應用。其研究內容主要圍繞沙嘴形成的水沙機理過程以及離岸堤幾何參數(shù)與岸灘的響應規(guī)律，取得了豐富的研究成果。

1.3.2 離岸潛堤

由于離岸出水堤常年露出水面，對于旅游性質的沙質海岸，影響了海岸自然風光及旅游視覺體驗，離岸潛堤作為一種新型的保灘形式應運而生。離岸潛堤堤頂高程相對較低，通常在高潮時完全淹沒，在低潮時出露。其主要功能是使外海波浪在堤前破碎，削弱堤后波高和波能，穩(wěn)定海灘。此外，潛堤還可以作為魚類產(chǎn)卵棲息地[5]，增加海洋生物多樣性，在海洋生態(tài)保護上大有裨益。離岸潛堤在美國[6]、日本[7]、意大利[8]、澳大利亞[9]等地都有使用，取得了較好的效果，但也有一些保灘實踐表明離岸潛堤的存在對后方岸線形成了沖刷。關于潛堤的保灘水沙機理和規(guī)律，還有待進一步研究。

1.4 丁壩潛堤組合

單一采用丁壩或離岸堤有時不能達到預期的保灘效果，特別是對于淤泥質海岸，往往采用丁壩組合離岸堤的方式形成“壩田”促淤。一方面離岸堤可以削弱波能，減小壩田內能量紊動，另一方面由于丁壩的阻隔作用，壩區(qū)內可形成弱動力環(huán)流，使泥沙落淤。我國分布有大量淤泥質海岸，在長江口、錢塘江河口等地取得了豐富的經(jīng)驗。

1.5 人工養(yǎng)灘

人工養(yǎng)灘法是一種與自然較為和諧的“軟防護”保灘形式。其可分為沙丘補沙、灘肩補沙、剖面補沙和近岸補沙4種形式[10]。前3種方式是將沙源直接拋填在原灘面，達到補沙喂灘效果；近岸補沙是將沙源平行拋填在離岸一定距離處，以形成人工沙壩，在近岸動力下，人工沙壩作為“營養(yǎng)源”不斷向岸線提供沙源“喂養(yǎng)”，拓寬岸線。人工養(yǎng)灘法在荷蘭Terschelling[11]、Egmond[12]，澳大利亞Coolangatta海灣[13]，我國北戴河海灘[14]和三亞三美灣[15]整治中取得了較好的效果。

1.6 生物促淤

生物促淤最具代表的為1979年從美國引進的互花米草，其初衷就是用于促淤護灘。當其發(fā)育成密集的植物群落后，具有消浪、緩流，攔截泥沙的作用，促進灘面的淤積和增高。從該理念提出開始，相當多的試驗和實踐證明了互花米草促淤的可行性，如徐萬國[15]，傅宗甫[16]，盧聲明[17]等。雖然生物促淤在保灘效果上是切實可行的，但在環(huán)境效應方面存在利弊兩種不同的聲音。一種觀點認為互花米草不僅起到保灘促淤功能，其還具有改良土壤、綠化海灘、改善海灘生態(tài)環(huán)境的作用[18]；另一種觀點認為互花米草作為外來物種，其大規(guī)模入侵將影響浮游生物生存[19]，更有甚者，其可嚴重破壞近海生物的棲息環(huán)境，造成嚴重的生態(tài)災難[20]。

1.7 沙灘泄水

沙灘泄水保灘是一種十分新穎的保灘新理念，就是利用人工或重力條件下的自然排水來降低沙灘的地下水水位，增大海水在沙層中的滲透量，達到穩(wěn)定沙灘的目的。1981年至今，丹麥、美國、英國、日本、西班牙等地都安裝了沙灘泄水裝置，至今已經(jīng)取得了很多成功經(jīng)驗。例如丹麥Danish Geotechnical Institute（DGI）[21]在南部海濱建立了泄水裝置以后，觀測到海灘顯著外延；Burstow[22]發(fā)現(xiàn)Towan Bay前灘普遍拓寬等。我國目前還沒有相關應用報道，鑒于沙灘泄水投資小，效益時間長，對生態(tài)負面影響小的優(yōu)點，在我國可嘗試試點與應用。

2 保灘促淤水沙機理研究

淤泥質海岸、粉沙質海岸和沙質海岸的海岸性質及泥沙運動特性不同，其保灘促淤的水沙機理和規(guī)律也有所不同。沙質海岸的坡度較陡，中值粒徑D50一般大于0.1 mm，其泥沙運動在近岸以底沙推移為主，表現(xiàn)為沿岸輸沙或橫向輸沙；淤泥質海岸的坡度較平緩，中值粒徑D50一般小于0.03 mm，泥沙極易懸浮而不易沉降，表現(xiàn)為“波浪掀沙，潮流輸沙”。泥沙輸移方式的不同，決定了傳統(tǒng)促淤措施下的泥沙淤積規(guī)律也有所不同，見圖1～圖4[23]。介于兩種性質海岸之間的粉沙質海岸，其泥沙易啟動易沉降，有些泥沙粒徑相對較細，更具有淤泥質海岸的特性，稱之為淤泥粉沙質海岸；有些泥沙粒徑相對較粗，更具有一些沙質海岸的特性，存在強烈的沿岸輸沙，季則舟和孫林云[24]將其界定為細沙粉沙質海岸。針對細沙粉沙質海岸特點，孫林云[25]還提出了復合沿岸輸沙理論，豐富了細沙粉沙質海岸的研究。由于沙質海岸和淤泥質海岸的保灘促淤研究實踐相對較多，本節(jié)主要針對這兩類海岸，從水沙機理方面闡述幾種保灘方式的研究成果。

圖1 沙質海岸丁壩引起的淤積區(qū)和沖刷區(qū)Fig.1 Sedimentary and erosion areas caused by groyne on sandy coasts

圖2 淤泥質海岸丁壩引起的淤積區(qū)和沖刷區(qū)Fig.2 Sedimentary and erosion areas caused by groyne on silt coasts

圖3 沙質海岸離岸堤沙嘴淤積形態(tài)Fig.3 Deposition pattern of sandspit caused by offshore breakwater on sandy coasts

圖4 淤泥質海岸離岸堤沙嘴淤積形態(tài)Fig.4 Deposition pattern of sandspit caused by offshore breakwater on silt coasts

2.1 沙質海岸

2.1.1 離岸出水堤

在離岸出水堤防護下，由于沿岸輸沙受到干擾，其掩護區(qū)將形成沙嘴、連島壩或者連島沙洲。關于沙嘴的形成機制，John.R.C.Hus[26]和Gourlay[27]認為由于離岸堤對波浪的折射和繞射效應，堤后產(chǎn)生了非均勻波浪場的輻射應力梯度，從而形成了兩股對稱沿岸流。隨后該對稱沿岸流相遇形成一對環(huán)流，導致泥沙沉積；Sauvage de St Marc[28]通過試驗也得出了相同的結論。此外，眾多研究表明沙嘴的發(fā)展經(jīng)歷由雙峰到單峰的過程。Shinahara K[29]在試驗中發(fā)現(xiàn)，沙嘴在試驗開始3 h內呈雙峰狀態(tài)發(fā)展，隨著泥沙的繼續(xù)淤積，4 h后沙頭開始外突出繼而形成單峰形態(tài)；Suh K[30]通過小尺度的物理模型試驗，也證明了沙嘴的形成經(jīng)過了雙峰到單峰的過渡；黎維祥[31]等分析表明形成雙峰沙嘴的條件為yB/yBr＜1（yB為堤離岸距離，yBr為破波帶寬度），當比值大于1時轉變?yōu)閱畏迳匙臁?/p>

單峰進一步發(fā)展，即可形成連島壩或連島沙洲，這取決于離岸堤的幾何參數(shù)，一些學者總結得到了相關經(jīng)驗公式。以離岸堤到岸線距離S和離岸堤長度B的比值S/B為基礎，陳子霞[32]認為當S/B=3～7時，形成沙嘴，當S/B=1～3時，將形成連島沙壩；Dally W R[33]則得到當S/B=1.5～2時，形成沙嘴，而S/B=0.5～1.5時形成連島沙壩；黎維祥[31]加入了深水波周期T0和波高H0作為判別，認為當0.42（H0/（ωT0））0.0918≤S/B＜6時（ω為泥沙沉速），將形成沙嘴，而S/B≤0.42（H0/（ωT0））0.0918可為連島沙壩。在應用實踐中，通常采用分段式離岸堤的方式進行保灘，因此離岸堤的口門大小G也是促淤效果的重要因素。Dally W R[33]認為形成連島壩的條件是S/B＜1.5，并且口門寬度G＜B；此外，Pope J[34]通過原型數(shù)據(jù)分析得出分段式離岸堤后的岸灘響應為B/G和S/（hB）的函數(shù)（h為離岸堤位置處的水深）；Suh K[30]則共同考慮了G/S和B/S對岸線的綜合影響，認為當（G/S）/（B/S）2=0.5時，沙頭離岸距離最大。由于離岸出水堤應用實踐歷史較長，人們對于其保灘促淤的水沙機理和規(guī)律認識較為深刻，已經(jīng)能夠較好地服務于海岸岸灘保護。

2.1.2 離岸潛堤

從目前的應用現(xiàn)狀來看，離岸潛堤在保灘研究上已取得了很大成功，但在實際工程應用中，也出現(xiàn)了一些潛堤防護造成岸線沖刷的例子，如Ranasinghe[35]曾統(tǒng)計了10個離岸潛堤工程，其中僅3個獲得成功。為了充分把握離岸潛堤的防護特點，認識其沖淤機理至關重要。對于潛堤引起沖刷的原因，Nobuoka[36]和Browder[37]認為跨越潛堤的波浪破碎后可引起強烈的向岸流，這股向岸流在岸邊向兩側偏離后攜帶泥沙折回，形成了一個淘沙環(huán)流；Ranasinghe[38]也在其研究中證明了這一理論，并認為若形成由岸向堤的環(huán)流時，則表現(xiàn)為一個淤積環(huán)流。Sanchez-Arcilla[39]也對這兩種環(huán)流的形成做了解釋，認為形成淘沙環(huán)流是因為堤頂破碎沿岸流作用大于堤后繞射波浪作用，造成岸線沖刷；而當繞射波浪作用大于堤頂沿岸流時，形成淤積環(huán)流，造成岸線淤積。

可見，就目前的研究成果來看，在微觀機制上潛堤的防護效果很大程度受堤頂向岸流和繞射波浪場所控制，在宏觀上則表現(xiàn)為離岸潛堤幾何參數(shù)的影響。Ranasinghe[38]通過數(shù)學模型研究遠近兩種潛堤下的岸線響應，表現(xiàn)為離岸較遠的潛堤后岸灘淤積，離岸較近的潛堤后岸灘沖刷，并分別觀察到了上述兩種不同的環(huán)流模式；Dean[6]在其報告中指出，堤頂向岸流的大小與離岸距離成反比；此外，Sanchez-Arcilla[39]認為離岸距離S大于破波帶位置Sb時，泥沙在掩護區(qū)淤積，而S小于Sb時，泥沙向外海流失。除了離岸距離，離岸潛堤堤頂高程是一個重要參數(shù)。Nobuoka[36]通過改變可旋轉葉片的角度，調整潛堤頂高，其物理模型和數(shù)學模擬均表明隨著頂高的減小，岸灘由淤積逐漸轉變?yōu)闆_刷；Loveless[40]，Wamsley[41]，張甲波[42]等也都證明了這一規(guī)律特征。雖然以上學者都通過改變潛堤離岸距離或堤頂高程得出了單一因素影響下的保灘規(guī)律，但一些實際應用[35]表明，離岸潛堤后的岸灘響應是一個多因素共同作用影響的結果。潛堤的保灘規(guī)律還受離岸潛堤頂寬、長度、破波帶位置等綜合影響，這些影響因素之間可能存在某種臨界關系式，以表征沖刷與淤積的臨界判別。為此，尚需系統(tǒng)研究潛堤離岸距離、堤頂高程、堤頂寬度、堤長和破波線位置等因素與岸灘沖淤響應的關系，分析和總結離岸潛堤造成岸灘沖刷和淤積的臨界關系式。

2.1.3 人工養(yǎng)灘

不同于以上傳統(tǒng)保灘理念，人工養(yǎng)灘法作為一種較為新穎的“軟”防護工程，在機理上有所差異。人工養(yǎng)灘的4種基本形式中，近岸補沙是一種最有優(yōu)勢且最具潛力的保灘形式，其保灘機理可概括為“喂養(yǎng)”和“遮蔽”。所謂“喂養(yǎng)”，是指沙壩作為營養(yǎng)源，在近岸水動力作用下，不斷向岸補給泥沙；所謂“遮蔽”，是指沙壩發(fā)揮潛堤的作用，減小了掩護區(qū)波浪水流擾動，形成弱能量條件，有利于補給沙的落淤[12]。Grunnet[43]認為近岸沙壩和近岸之間能形成一種動態(tài)反饋機制，稱之為“營養(yǎng)擾動”（Nourishment perturbation），在向岸循環(huán)流和沿岸流的綜合作用下，泥沙是呈周期性補給的。

補沙粒徑、沙壩離岸距離和沙壩的幾何尺寸是影響?zhàn)B灘效果的幾大關鍵因素。對于補沙粒徑，Kana[44]和Castelle[13]認為采用略粗于原海灘的粗沙，有利于改善岸灘剖面的穩(wěn)定性，延長使用壽命；楊燕雄[14]等則定量給出了人工補沙的中值粒徑D50約可取原岸灘D50的1.0～1.5倍；Eitner[45]通過采集德國Norderney島附近養(yǎng)護岸灘的表層沉積物，分析得到在自然營力作用下，新岸灘沉積物整體粗化，細沙逐漸被侵蝕，證明了上述粗沙補灘的觀點。人工沙壩的離岸位置對于消浪和養(yǎng)灘效果影響很大。莊振業(yè)[46]和拾兵[47]指出，當沙壩離岸較遠時，其消浪作用更佳，但導致泥沙輸運動力過弱，養(yǎng)灘效果不理想，且沙壩易受波浪破壞，影響?zhàn)B灘壽命；當沙壩離岸較近時，沙壩破波產(chǎn)生的壩頂能量又容易使岸灘產(chǎn)生侵蝕。此外，沙壩幾何參數(shù)對近岸補沙效率的影響也十分重要。Kraus[48]和Smith[49]整理了在SUPERTANK大型水槽進行的試驗，對比了寬窄兩種水下沙壩在相同的波浪作用下泥沙輸移，結果表明窄沙壩泥沙更容易向岸轉移，而寬沙壩泥沙離岸輸運；吳建[50]對比了10 m，25 m，50 m，100 m 4種寬度沙壩的養(yǎng)灘效果，結果表明100 m寬效果最佳，10 m和25 m次之，50 m最差。其主要原因是寬沙壩在更具遮蔽效應的同時，卻損害了其喂養(yǎng)動力。可見，如何找到一個最佳壩寬，使其在有效消浪的同時不侵害其喂養(yǎng)效率，是一個值得研究的課題。除此之外，人工沙壩的高度也是養(yǎng)灘效果的一大因素。高沙壩具有較好的遮蔽效應，但損害了其喂養(yǎng)動力條件，低沙壩則可能使岸灘形成沖刷。Honyng[51]曾通過常浪和風暴潮作用下，對比了高低兩種近岸補沙方案，認為拋沙體的高度對于養(yǎng)護效果起到關鍵影響。但對于這一因素的研究還較少。由上可見，如何選取合適的沙壩尺寸以及離岸距離，使其“喂養(yǎng)”與“遮蔽”效應達到一個最好的契合點，提高養(yǎng)灘效果和使用壽命，是一個值得研究的課題。

2.2 淤泥質海岸

淤泥質海岸泥沙顆粒相對較細，其泥沙運動同時受波浪和潮流的影響，表現(xiàn)為“波浪掀沙，潮流輸沙”。在生產(chǎn)實踐中，一般聯(lián)合多條丁壩和離岸潛堤，形成壩田促淤。從波浪動力角度出發(fā)，離岸潛堤可以削弱入射波能，使壩田區(qū)形成弱能量環(huán)境，利于泥沙落淤。從水流流態(tài)角度考慮，眾多學者認為促淤區(qū)的環(huán)流機制是泥沙穩(wěn)定落淤的重要內因。白玉川[52]總結得到，在漲急和落急時刻，形成環(huán)流的主要動力是水流剪切力，在落憩和漲憩時刻，其主要動力是水流剪切力和反向水位梯度力，低流速、相對封閉的環(huán)流區(qū)有效地阻止了主流的切入沖刷，從而增加了泥沙在回流區(qū)的落淤幾率；王順中[53]結合了促淤區(qū)分倉，認為在海水漲急期間將形成一個從口門至圍堤中部范圍的回流區(qū)，隨著分倉數(shù)的增加，回流強度和淤積效果相應增加。綜上，細顆粒泥沙海岸的保灘促淤機理可以總結為波浪動力和水流流態(tài)兩點：1）利用離岸潛堤的掩護，降低波浪擾動；2）結合丁壩和離岸堤以利形成環(huán)流機制。有關細顆粒泥沙海岸的促淤問題，國外較少有具體的報道和專著，我國雖然對淤泥質海岸的促淤實踐和研究較多，但更多地將關注點放在壩田布置形式對促淤效果的影響上。

潛堤堤頂高程、分倉形式和納潮口規(guī)模與促淤效果的影響關系最為密切。許星煌[1]和喻國華[2]在浙江和江蘇沿海的保灘促淤實踐中指出潛堤的高程取潮位歷時累計頻率曲線5.7%潮位或平均高潮位時，淤積效果最好；惲長興[54]由杭州灣北岸促淤工程實例，認為堤頂高程應與金山咀多年平均高潮位相當；廖紹華[55]通過對飛雁灘的現(xiàn)場觀測，當潛堤高度取平均高潮位時，堤后淤積厚度最大；蒲高軍[56]和黃哲浩[57]由整體物理模型試驗，李孟國[58]和高志偉[59]根據(jù)數(shù)學模型，也都得到了一致的結論。可見，離岸潛堤一般采用平均高潮位高度可獲得最佳促淤效果。除了潛堤堤頂高程，分倉形式也是影響促淤效果的一大關鍵因素，王順中[53]利用整體物理模型研究了單倉式、雙倉式和三倉式3種形式對壩區(qū)促淤效果的影響，證明三倉式能夠充分利用環(huán)流機制，最有利于泥沙淤積。崔冬[60]和李杰[61]根據(jù)數(shù)學模型并結合環(huán)流機制，也取得了相同的結論。另外，高志偉[59]提出在外海離岸潛堤處增設納潮口，可以保證泥沙在壩田內的有效落淤，并指出納潮口的大小是影響促淤效果的重要因素；李孟國[58]在數(shù)學模型中對比了3種不同大小納潮口（1 km、1.5 km、2 km）的促淤效果。筆者認為，納潮口大小對于環(huán)流形成的影響不可忽略，可采用口門大小G占丁壩間距B的比值G/B以研究納潮口規(guī)模對促淤效果的影響。

3 結論與展望

近70 a來，人們在河口海岸保灘促淤的機理研究與實際應用上已取得了很大的成就。隨著生態(tài)環(huán)境理念的逐步加深，傳統(tǒng)保灘促淤方式開始向離岸潛堤，人工養(yǎng)灘，生物促淤等新型模式轉變。此外，國外結合離岸潛堤和人工養(yǎng)灘，提出了“棲息海灘”理念，對于缺乏來沙的強侵蝕性海灘，取得了較好的保灘效果，我國在三亞三美灣、桂林洋海灘都有采用。對于這些新型保灘促淤理念，我們對其水沙機理和保灘規(guī)律有了一定的認識，但未來仍需對一些方面進一步展開研究：

1）系統(tǒng)研究潛堤離岸距離、堤頂高程、堤頂寬度、堤長和破波線位置等因素與岸灘沖淤響應的關系，分析和總結離岸潛堤造成岸灘沖刷和淤積的臨界關系式。

2）全面地研究人工沙壩尺寸（沙壩高度、沙壩寬度）以及離岸距離對養(yǎng)灘效果的影響，尋找使其“喂養(yǎng)”與“遮蔽”效應達到最優(yōu)的契合點，提高養(yǎng)灘效果和使用壽命。

3）在丁壩、離岸潛堤組合促淤方式下，對潛堤頂高和分倉形式有了一定認識，但納潮口規(guī)模對促淤效果的影響不可忽略。可采用口門大小G占丁壩間距B的比值G/B以研究納潮口規(guī)模對促淤效果的影響。

4）“棲息海灘”聯(lián)合了人工養(yǎng)灘和潛堤防護的優(yōu)勢，可快速補沙且減緩泥沙流失。加強“棲息海灘”的研究與應用，對我國景觀旅游海岸的保護具有相當重要的意義。