人工島影響下的海灘修復對策研究
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2021-03-02 06:57:42何巖雨戚洪帥趙紹華鄭吉祥
應用海洋學學報 2021年1期 關(guān)鍵詞：模型
何巖雨，朱 君，戚洪帥,4*，劉 根，雷 剛，趙紹華，鄭吉祥
(1.自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門 361005; 2.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100;3.福建省海洋生態(tài)保護與修復重點實驗室，福建 廈門 361005;4.自然資源部北部灣濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)野外科學觀測研究站，廣西 北海536015)
我國有近50%人口居住于面積僅占國土13%的海岸帶地區(qū)[1]，濱海地區(qū)人地矛盾突出。為緩解濱海土地危機，自建國以來，我國經(jīng)歷了四次圍填海高潮，最新一輪填海高潮始于21世紀初，持續(xù)近十年[2-3]。據(jù)海域使用管理公報顯示，自2002年海域法實施至2014年底，我國累計確權(quán)圍填海面積達15.68萬hm2，年均確權(quán)面積1.21萬hm2[4]。為響應“國際旅游島”重大戰(zhàn)略，推動全島旅游經(jīng)濟發(fā)展，海南省圍填海進程尤為突出，2000—2018年間共批準建設人工島12處，填海面積共計1 894.86 hm2[5]。
人工島建設在緩解濱海土地資源緊張的同時也帶來新的環(huán)境問題，其不僅顯著改變區(qū)域海洋動力[6-7]、水沙環(huán)境[8-9]，而且對近岸尤其鄰近海灘的地貌分布格局產(chǎn)生較大影響[10-14]。人工島對岸灘的影響，實質(zhì)上類似于離岸堤作用，堤后波影區(qū)由于動力減弱造成泥沙淤積，堤兩側(cè)由于動力較強造成岸灘侵蝕[15]。截止目前，大部分研究集中于堤(島)后方的泥沙淤積規(guī)模，判斷其是否形成沙嘴或連島沙壩[16-18]。事實上，人工島對鄰近岸灘最大的威脅在于造成兩側(cè)岸段的持續(xù)侵蝕[19]，必須采取相應的工程措施加以控制或修復。
傳統(tǒng)的海岸侵蝕防護多采用攔沙堤、防波堤等“硬式工程”，雖能直接起到防沖促淤、保護海岸的作用，但若用到人工島導致的海岸侵蝕災害防護上，則可能會對原本受傷的海岸動力環(huán)境造成“二次傷害”。近年來，海岸防護理念逐漸由“硬式”向“軟式”轉(zhuǎn)變，海灘養(yǎng)護與修復技術(shù)逐漸在國內(nèi)應用與推廣[20]。但單純的海灘修復措施無法恢復被人工島破壞的動力環(huán)境，從而無法改變?nèi)斯u兩側(cè)持續(xù)的侵蝕趨勢。
本研究以?？谖骱０稙槔\用GENESIS岸線演變模型，針對人工島建設引起的岸灘侵蝕與泥沙分配失衡等問題，探討單一人工補沙條件下的岸線演化趨勢，并在此基礎(chǔ)上提出“循環(huán)養(yǎng)護”的海灘修復對策。
1 研究區(qū)概況與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
南海明珠人工島位于?？谑泻？跒澄骱０逗Ｓ騕圖1(a)]，與新國賓館直線距離約1.90 km，填海造地面積約2.50 km2。人工島分兩期建成，一期呈“海馬”狀，面積約0.34 km2，于2010—2012年建成；二期呈圓形輪廓，直徑長約2.38 km，填海造地面積約2.16 km2，于2014—2016年建成。本研究海灘岸段西起五源河口、東至印象海南劇場，全長約3.80 km。研究區(qū)近岸海域水深大部分小于5 m，坡度平緩，灣內(nèi)發(fā)育淺灘地貌。在人工島建設前，海灘平均寬度40～50 m，沉積物中值粒徑0.13～0.48 mm，以細砂、中砂為主[21]。在人工島建設后，五源河口附近岸段[岸段Ⅰ，圖1(b)]的沙灘已侵蝕殆盡，岸線持續(xù)蝕退，危及后方居民生命財產(chǎn)和公共設施安全；新國賓館至貴族游艇會岸段[岸段Ⅱ，圖1(c)]的沙灘持續(xù)向海淤進，形成顯著的淤積沙嘴；貴族游艇會至印象海南劇場岸段[岸段Ⅲ，圖1(d)]海灘退化，灘面蝕低，前濱海灘巖裸露，極大影響假日海灘的濱海旅游休閑質(zhì)量。由2011—2019年實測岸線變化可見(圖2)，受南海明珠人工島影響，岸段Ⅰ平均侵蝕速率約3.9 m/a，最大侵蝕速率5.3 m/a；岸段Ⅱ平均淤積速率約4.7 m/a，最大淤積速率6.9 m/a；岸段Ⅲ平均侵蝕速率約2.5 m/a，最大侵蝕速率3.7 m/a。
圖2 2011—2019年海口西海岸實測岸線變化速率Fig. 2 Change rate of measured shoreline on the west coast of Haikou in 2011-2019數(shù)據(jù)來源：自然資源部第三海洋研究所。
?？跒橙暌燥L浪為主，風浪占77%～86%，涌浪占14%～23%。風浪以冬季出現(xiàn)最多，其他季節(jié)略少。采用驗證可靠的區(qū)域波浪數(shù)學模型[22]，輸出外海約20 m等深線處(20°05′19.5″ N，110°14′42.3″ E; 圖1)連續(xù)1 a逐時的波要素，繪制玫瑰圖(圖3)分析區(qū)域波浪特征。由圖可見，研究區(qū)海域浪向集中于ENE—NNE之間 (約占38%)，常浪向和強浪向均為NE向，這是影響本研究區(qū)海灘泥沙運移與岸線演變趨勢的主要動力因素。
圖3 ?？谖骱０逗Ｓ虿ɡ嗣倒鍒DFig. 3 Wave rose of the west coast of Haikou
1.2 模型建立與驗證
1.2.1 模型介紹 GENESIS模型是基于一線模型開發(fā)的岸線變化程序，在國際上已廣泛應用于預測岸線的長期演化及岸線對海灘養(yǎng)護工程、海岸構(gòu)筑物(丁壩、防波堤等)等軟、硬工程的響應。
GENESIS模型的控制方程為[23]：
(1)
式(1)中：x為沿岸線方向；y為垂直岸線方向；DB為海水所能到達的最大高程(灘肩高程,m)；DC為存在沿岸輸沙的最大深度(閉合水深,m)；q=qs+qo為橫向輸沙率[離岸輸砂+向岸輸砂, m3/(m·s)]；Q為沿岸輸沙率[m3/(m·s)]，由下式計算。
(2)
式(2)中：H為有效波高(m)；Cg為波群速度(m/s)；下標b表示波浪破碎時的參數(shù)；θbs為破波角；無量綱參數(shù)a1和a2定義如下。
(3)
(4)
式(3)、(4)中：ρ為海水密度 (kg/m3)；ρs為砂的密度 (kg/m3)；p為砂的孔隙率；tanβ為海灘平均坡度；1.416為有效波高向均方根波高的轉(zhuǎn)化系數(shù)；K1、K2為可調(diào)節(jié)的兩個經(jīng)驗參數(shù)，K1取值越大，岸線演變在向岸-離岸方向幅度增大，取值介于0.1～1.0之間；K2對沿岸輸沙影響較小，但對構(gòu)筑物附近的輸沙率影響較大，一般取0.5～1.0倍的K1值。
1.2.2 模型設置 GENESIS模型計算前需使用STWAVE計算波浪的近岸傳播[24]，STWAVE模型總計有350×600個網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為20 m[圖4(a)]；GENESIS模型網(wǎng)格與STWAVE網(wǎng)格相匹配，網(wǎng)格數(shù)為325，網(wǎng)格間距為20 m[圖4(b)]。采用WISPH3將區(qū)域波浪大模型[22]輸出的20 m等深線處1 a的波浪時間序列(圖3)轉(zhuǎn)換到STWAVE模型開邊界上，并綜合考慮波浪對岸線的有效作用程度與模型計算效率，通過WSAV將開邊界波浪資料劃分為255個波譜事件，驅(qū)動STWAVE波浪場和GENESIS岸線演變計算。
圖4 海口西海岸模型網(wǎng)格Fig. 4 Model grid of the west coast of Haikou(a)為STWAVE波浪模型網(wǎng)格；(b)為GENESIS岸線模型網(wǎng)格(圖中綠線代表岸線，黑線代表GENESIS網(wǎng)格基線)。
GENESIS模擬的時間步長為1 h；鑒于研究區(qū)海灘砂中值粒徑介于0.13～0.48 mm之間，考慮后續(xù)養(yǎng)護設計，本研究粒徑取粗值(0.40 mm)；由于研究區(qū)海域極端高水位為2.43 m (+MSL)[22], 考慮一定的波浪爬高，本研究DB取2.5 m；閉合水深DC采用目前國際上應用較為廣泛的Birkemeier公式[25]計算。
(5)
式(5)中：He為每年僅超過12 h或只占總時間0.14%的近岸有效波高，對應本研究取值為3.1 m；Te為與He相應的波周期，對應本研究取值為9.06 s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。計算得DC為4.73 m，取4.5 m。
1.2.3 模型驗證 南海明珠人工島(外側(cè)圍堰)2015年已基本成形，對區(qū)域水動力及后方岸灘構(gòu)成較大影響。自然資源部第三海洋研究所于2015年和2019年分別進行了兩次岸線測量?，F(xiàn)以2015年岸線為基準，設置不同的K1、K2參數(shù)組合，分別模擬4 a(至2019年)，并將模擬結(jié)果與實際的岸線演變情況對比。
參數(shù)率定結(jié)果顯示(圖5)，K1取值越大，岸線的侵蝕、淤積幅度增大。當K1取1.0、K2取0.5(0.5K1)時，模擬的岸線變化幅度與實測值最為符合，侵蝕熱點和淤積區(qū)的位置與實測結(jié)果一致。在岸段Ⅱ，實測岸線變化存在“雙峰”形態(tài)，這是由于南海明珠臨時施工通道(透水構(gòu)筑物)對岸灘造成的影響[圖1(c)]。綜上可見，本研究建立的?？谖骱０栋毒€演化模型的模擬結(jié)果與實測結(jié)果符合較好，能客觀反映人工島影響下的岸灘沖淤演變過程。
圖5 驗證工況岸線變化情況Fig. 5 Shoreline changes under verification condition(a)為研究區(qū)遙感底圖,(b)為模擬與實測岸線變化對比; “+”表示淤積，“-”表示侵蝕；不同顏色實線表示K1、K2不同參數(shù)組合對應的岸線變化模擬結(jié)果。
2 結(jié)果與討論
2.1 海灘養(yǎng)護后岸線演化數(shù)值模擬結(jié)果
由上述實測岸線變化與模型驗證結(jié)果可知，受南海明珠人工島影響，五源河口至印象劇場岸段存在兩個明顯的侵蝕熱點(岸段Ⅰ和岸段Ⅲ)。初步修復思路為，在侵蝕熱點處進行人工補沙，擴大灘肩寬度與干灘面積，通過營造沙灘起到消波阻浪的生態(tài)防護功能，并提升濱海旅游休閑空間。岸段Ⅰ和岸段Ⅲ的灘肩補沙寬度均為60 m。采用上述驗證有效的岸線演變模型，模擬該方案下的近岸動力環(huán)境和10 a后的岸線演變情況。
STWAVE波浪場模擬結(jié)果(圖6)顯示，在NE主波向波浪入射條件下[圖6(a)]，近岸有效波高沿主波向與南海明珠人工島中心的連線對稱分布，島后方波高顯著衰減，島兩側(cè)波高相對較大，形成兩側(cè)往中間的波能衰減梯度。其余方向波浪入射條件下[圖6(b)至(d)]，島后方波影區(qū)位置略有偏移，但一年中的作用時間有限(非主浪向)，同時部分浪向的作用效果存在一定程度的相互抵消(如NW向和E向)?？傮w而言，人工島“兩側(cè)大、中間小”的波能分布格局沒有改變。
GENESIS岸線演變模擬結(jié)果(圖7)顯示，10 a間兩處補沙岸段干灘將持續(xù)萎縮，但岸段Ⅰ與岸段Ⅲ侵蝕情況卻有較大差別，前者10 a最大蝕退超過60 m，后者10 a最大蝕退約20 m；岸段Ⅱ持續(xù)淤積，淤積沙體逐年擴大，10 a最大淤進約50 m。需要注意的是，盡管單一的補沙養(yǎng)護措施無法改變?nèi)斯u后方岸灘兩側(cè)侵蝕、中間淤積的泥沙運移與地貌演變趨勢，但是在養(yǎng)護壽命年限內(nèi)仍然可以起到顯著的生態(tài)護岸和附加旅游增值效果。此外，岸段Ⅰ與岸段Ⅲ侵蝕的沙物質(zhì)并未流失，而是區(qū)域海灘系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的重新分配過程，超過養(yǎng)護壽命年限可以通過人為干預進行再分配。
圖6 STWAVE波浪場模擬結(jié)果Fig. 6 Simulated wave field by STWAVE model篇幅有限，僅列出(a)NE(主浪向)、(b)N(次浪向)、(c)NW、(d)E四個方向波浪場。
2.2 討論
2.2.1 海灘修復后的岸灘演化機制 由上述模擬結(jié)果可見，人工島對修復海灘的影響以“島后方淤積、兩側(cè)侵蝕”為顯著特征，且兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)的響應幅度存在明顯差異(五源河口至新國賓館岸段的侵蝕幅度顯著大于假日海灘岸段)。從動力角度上看，五源河口侵蝕區(qū)的波能甚至小于假日海灘侵蝕區(qū)[圖8(a)]，表明動力非兩個岸段侵蝕幅度差異的主導因素。從物源角度上看，由于五源河口對岸灘的阻隔，五源河口西側(cè)的灘砂無法補給東側(cè)的侵蝕熱點區(qū)，導致該岸段的年凈輸沙量與輸沙梯度較大[圖8(b)、(c)]；而假日海灘岸段東側(cè)仍為沙灘，充足的物源補給使得該岸段的輸沙量與輸沙梯度較小[圖8(b)、(c)]。從岸線及近岸地形上看，五源河口至新國賓館侵蝕熱點區(qū)的岸線及近岸等深線稍向海突出[圖1(a)、圖4(a)]，這是該岸段侵蝕量較大的另一個原因。
岸線演變是動力、物源供給、岸線地形共同作用的結(jié)果。當主波向垂直于人工島順岸長軸[圖6(a)]入射時，人工島兩側(cè)岸灘波能分布均衡，侵蝕程度取決于物源供給與岸線形態(tài)。當鄰近岸段物源供給不足、岸線形態(tài)外凸時岸線會有較大的侵蝕幅度。當主波向線與人工島順岸長軸斜交時，人工島兩側(cè)岸灘波能分布不一致，侵蝕程度為三者共同作用的結(jié)果[15]。
2.2.2 人工島影響下的海灘修復策略 在人工島形成的“兩側(cè)往中間”的泥沙運移大背景下，單純通過海灘養(yǎng)護的“軟”措施無法從根本上解決人工島引起的岸灘侵蝕問題，島兩側(cè)填補的泥沙將持續(xù)向島后方輸運。當前公眾接納度較高的一種修復對策為：在海灘養(yǎng)護基礎(chǔ)上修建潛堤、防波堤等硬式構(gòu)筑物，降低養(yǎng)護海灘的凈輸沙率與侵蝕幅度。但這種“軟硬結(jié)合”的防治措施由于硬式工程的介入，不可避免地會對原本受傷的海岸動力環(huán)境造成“二次傷害”。一種新型的修復對策為循環(huán)養(yǎng)護，即海灘修復一定年限后，通過人為干預將島后方淤積的泥沙往兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)輸運，形成新的動態(tài)平衡。國外的養(yǎng)護經(jīng)驗認為，養(yǎng)護海灘的使用壽命(養(yǎng)護后補沙方量流失一半所用的時間)一般為5～7 a[26]，超過壽命期限則需要再養(yǎng)護。本研究海灘養(yǎng)護5 a后岸段Ⅰ的最大蝕退量超過40 m(圖7)，剩余干灘寬度不足20 m，可考慮每5 a進行一次循環(huán)養(yǎng)護。循環(huán)養(yǎng)護的取沙口位于人工島后方的舌狀淤積區(qū)(岸段Ⅱ)，沿岸分為兩支分別注入兩個侵蝕熱點區(qū)(圖9)。結(jié)合年凈輸沙量[圖8(b)]可大致估算循環(huán)養(yǎng)護的取、輸沙方量：岸段Ⅰ的年凈輸沙量約1.50萬m3，5 a流失方量約7.50萬m3(需補沙方量)；岸段Ⅲ的年凈輸沙量約0.24萬m3，5 a流失方量約1.20萬m3(需補沙方量)；岸段Ⅱ舌狀淤積區(qū)的取沙方量為二者之和，約8.70萬m3。
圖7 海口西海岸海灘養(yǎng)護后岸線演變情況Fig. 7 Shoreline changes after beach nourishment on the west coast of Haikou(a)為研究區(qū)遙感底圖,(b)為模擬岸線變化情況; “+”表示淤積，“-”表示侵蝕。
圖8 ?？谖骱０督秳恿?、輸沙分布情況Fig. 8 Distribution of nearshore dynamics and sand transport on the west coast of Haikou(a)為近岸有效波高分布，輸出波要素位置見圖6(a)黑色實線；(b)為海灘養(yǎng)護后第5年的年凈輸沙量，“+”表示自西向東輸沙，“-”表示自東向西輸沙；(c)為海灘養(yǎng)護后第5年的年凈輸沙梯度，“+”表示侵蝕，“-”表示淤積。
圖9 ?？谖骱０堆h(huán)養(yǎng)護示意圖Fig. 9 Sketch map of sand recycling on the west coast of Haikou循環(huán)養(yǎng)護周期為5 a；圖中箭頭表示循環(huán)養(yǎng)護的取、輸沙方向，岸段Ⅱ取沙方量約8.70萬m3，向岸段Ⅰ輸沙方量約7.50萬m3，向岸段Ⅲ輸沙方量約1.20萬m3。
人工補沙與循環(huán)養(yǎng)護相結(jié)合的生態(tài)化治理方式正逐漸被公眾接受[27]。國外海灘循環(huán)養(yǎng)護實踐開展較多，常見于突堤、碼頭等硬式構(gòu)筑物的修建阻斷沿岸輸沙造成區(qū)域泥沙分配失衡與岸灘侵蝕，通過人為修建輸沙管道或卡車周轉(zhuǎn)將淤積區(qū)(上游)泥沙輸送至侵蝕區(qū)(下游)[28-31]。國內(nèi)海灘養(yǎng)護起步較晚，循環(huán)養(yǎng)護尚處于理念階段，尤其通過修建固定管道輸沙的養(yǎng)護實踐未見相關(guān)報道。?？谖骱０度斯u影響下的岸灘綜合治理與循環(huán)養(yǎng)護實踐將為國內(nèi)相似類型海岸的岸灘修復提供重要的參考與借鑒意義。
3 結(jié)論
本研究以?？谖骱０稙槔?，針對人工島建設引起的岸灘侵蝕與泥沙分配失衡問題，建立GENESIS岸線演變模型，探討人工島影響下的海灘地貌演化機制，并在此基礎(chǔ)上提出了“循環(huán)養(yǎng)護”的海灘修復對策。主要結(jié)論為：
(1)人工島對鄰近海灘的影響以“島后方淤積、兩側(cè)侵蝕”為顯著特征，但?？谖骱０赌虾Ｃ髦槿斯u兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)的響應幅度存在明顯差異。五源河口至新國賓館岸段(岸段Ⅰ)侵蝕更為強烈的主導因素為物源匱乏與岸線形態(tài)外凸。
(2)單純通過人工補沙的“軟”措施無法從根本上解決人工島引起的兩側(cè)岸灘侵蝕問題。宜采用“人工補沙”與“循環(huán)養(yǎng)護”相結(jié)合的系統(tǒng)養(yǎng)護方案，養(yǎng)護后期定期將人工島波影區(qū)淤積的泥沙往兩側(cè)侵蝕熱點輸運，通過人為干預實現(xiàn)岸灘泥沙的合理分配與地貌的動態(tài)平衡。
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傳統(tǒng)的海岸侵蝕防護多采用攔沙堤、防波堤等“硬式工程”，雖能直接起到防沖促淤、保護海岸的作用，但若用到人工島導致的海岸侵蝕災害防護上，則可能會對原本受傷的海岸動力環(huán)境造成“二次傷害”。近年來，海岸防護理念逐漸由“硬式”向“軟式”轉(zhuǎn)變，海灘養(yǎng)護與修復技術(shù)逐漸在國內(nèi)應用與推廣[20]。但單純的海灘修復措施無法恢復被人工島破壞的動力環(huán)境，從而無法改變?nèi)斯u兩側(cè)持續(xù)的侵蝕趨勢。
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1 研究區(qū)概況與研究方法
1.1 研究區(qū)概況
南海明珠人工島位于?？谑泻？跒澄骱０逗Ｓ騕圖1(a)]，與新國賓館直線距離約1.90 km，填海造地面積約2.50 km2。人工島分兩期建成，一期呈“海馬”狀，面積約0.34 km2，于2010—2012年建成；二期呈圓形輪廓，直徑長約2.38 km，填海造地面積約2.16 km2，于2014—2016年建成。本研究海灘岸段西起五源河口、東至印象海南劇場，全長約3.80 km。研究區(qū)近岸海域水深大部分小于5 m，坡度平緩，灣內(nèi)發(fā)育淺灘地貌。在人工島建設前，海灘平均寬度40～50 m，沉積物中值粒徑0.13～0.48 mm，以細砂、中砂為主[21]。在人工島建設后，五源河口附近岸段[岸段Ⅰ，圖1(b)]的沙灘已侵蝕殆盡，岸線持續(xù)蝕退，危及后方居民生命財產(chǎn)和公共設施安全；新國賓館至貴族游艇會岸段[岸段Ⅱ，圖1(c)]的沙灘持續(xù)向海淤進，形成顯著的淤積沙嘴；貴族游艇會至印象海南劇場岸段[岸段Ⅲ，圖1(d)]海灘退化，灘面蝕低，前濱海灘巖裸露，極大影響假日海灘的濱海旅游休閑質(zhì)量。由2011—2019年實測岸線變化可見(圖2)，受南海明珠人工島影響，岸段Ⅰ平均侵蝕速率約3.9 m/a，最大侵蝕速率5.3 m/a；岸段Ⅱ平均淤積速率約4.7 m/a，最大淤積速率6.9 m/a；岸段Ⅲ平均侵蝕速率約2.5 m/a，最大侵蝕速率3.7 m/a。
圖2 2011—2019年海口西海岸實測岸線變化速率Fig. 2 Change rate of measured shoreline on the west coast of Haikou in 2011-2019數(shù)據(jù)來源：自然資源部第三海洋研究所。
?？跒橙暌燥L浪為主，風浪占77%～86%，涌浪占14%～23%。風浪以冬季出現(xiàn)最多，其他季節(jié)略少。采用驗證可靠的區(qū)域波浪數(shù)學模型[22]，輸出外海約20 m等深線處(20°05′19.5″ N，110°14′42.3″ E; 圖1)連續(xù)1 a逐時的波要素，繪制玫瑰圖(圖3)分析區(qū)域波浪特征。由圖可見，研究區(qū)海域浪向集中于ENE—NNE之間 (約占38%)，常浪向和強浪向均為NE向，這是影響本研究區(qū)海灘泥沙運移與岸線演變趨勢的主要動力因素。
圖3 ?？谖骱０逗Ｓ虿ɡ嗣倒鍒DFig. 3 Wave rose of the west coast of Haikou
1.2 模型建立與驗證
1.2.1 模型介紹 GENESIS模型是基于一線模型開發(fā)的岸線變化程序，在國際上已廣泛應用于預測岸線的長期演化及岸線對海灘養(yǎng)護工程、海岸構(gòu)筑物(丁壩、防波堤等)等軟、硬工程的響應。
GENESIS模型的控制方程為[23]：
(1)
式(1)中：x為沿岸線方向；y為垂直岸線方向；DB為海水所能到達的最大高程(灘肩高程,m)；DC為存在沿岸輸沙的最大深度(閉合水深,m)；q=qs+qo為橫向輸沙率[離岸輸砂+向岸輸砂, m3/(m·s)]；Q為沿岸輸沙率[m3/(m·s)]，由下式計算。
(2)
式(2)中：H為有效波高(m)；Cg為波群速度(m/s)；下標b表示波浪破碎時的參數(shù)；θbs為破波角；無量綱參數(shù)a1和a2定義如下。
(3)
(4)
式(3)、(4)中：ρ為海水密度 (kg/m3)；ρs為砂的密度 (kg/m3)；p為砂的孔隙率；tanβ為海灘平均坡度；1.416為有效波高向均方根波高的轉(zhuǎn)化系數(shù)；K1、K2為可調(diào)節(jié)的兩個經(jīng)驗參數(shù)，K1取值越大，岸線演變在向岸-離岸方向幅度增大，取值介于0.1～1.0之間；K2對沿岸輸沙影響較小，但對構(gòu)筑物附近的輸沙率影響較大，一般取0.5～1.0倍的K1值。
1.2.2 模型設置 GENESIS模型計算前需使用STWAVE計算波浪的近岸傳播[24]，STWAVE模型總計有350×600個網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為20 m[圖4(a)]；GENESIS模型網(wǎng)格與STWAVE網(wǎng)格相匹配，網(wǎng)格數(shù)為325，網(wǎng)格間距為20 m[圖4(b)]。采用WISPH3將區(qū)域波浪大模型[22]輸出的20 m等深線處1 a的波浪時間序列(圖3)轉(zhuǎn)換到STWAVE模型開邊界上，并綜合考慮波浪對岸線的有效作用程度與模型計算效率，通過WSAV將開邊界波浪資料劃分為255個波譜事件，驅(qū)動STWAVE波浪場和GENESIS岸線演變計算。
圖4 海口西海岸模型網(wǎng)格Fig. 4 Model grid of the west coast of Haikou(a)為STWAVE波浪模型網(wǎng)格；(b)為GENESIS岸線模型網(wǎng)格(圖中綠線代表岸線，黑線代表GENESIS網(wǎng)格基線)。
GENESIS模擬的時間步長為1 h；鑒于研究區(qū)海灘砂中值粒徑介于0.13～0.48 mm之間，考慮后續(xù)養(yǎng)護設計，本研究粒徑取粗值(0.40 mm)；由于研究區(qū)海域極端高水位為2.43 m (+MSL)[22], 考慮一定的波浪爬高，本研究DB取2.5 m；閉合水深DC采用目前國際上應用較為廣泛的Birkemeier公式[25]計算。
(5)
式(5)中：He為每年僅超過12 h或只占總時間0.14%的近岸有效波高，對應本研究取值為3.1 m；Te為與He相應的波周期，對應本研究取值為9.06 s；g為重力加速度，取9.81 m/s2。計算得DC為4.73 m，取4.5 m。
1.2.3 模型驗證 南海明珠人工島(外側(cè)圍堰)2015年已基本成形，對區(qū)域水動力及后方岸灘構(gòu)成較大影響。自然資源部第三海洋研究所于2015年和2019年分別進行了兩次岸線測量?，F(xiàn)以2015年岸線為基準，設置不同的K1、K2參數(shù)組合，分別模擬4 a(至2019年)，并將模擬結(jié)果與實際的岸線演變情況對比。
參數(shù)率定結(jié)果顯示(圖5)，K1取值越大，岸線的侵蝕、淤積幅度增大。當K1取1.0、K2取0.5(0.5K1)時，模擬的岸線變化幅度與實測值最為符合，侵蝕熱點和淤積區(qū)的位置與實測結(jié)果一致。在岸段Ⅱ，實測岸線變化存在“雙峰”形態(tài)，這是由于南海明珠臨時施工通道(透水構(gòu)筑物)對岸灘造成的影響[圖1(c)]。綜上可見，本研究建立的?？谖骱０栋毒€演化模型的模擬結(jié)果與實測結(jié)果符合較好，能客觀反映人工島影響下的岸灘沖淤演變過程。
圖5 驗證工況岸線變化情況Fig. 5 Shoreline changes under verification condition(a)為研究區(qū)遙感底圖,(b)為模擬與實測岸線變化對比; “+”表示淤積，“-”表示侵蝕；不同顏色實線表示K1、K2不同參數(shù)組合對應的岸線變化模擬結(jié)果。
2 結(jié)果與討論
2.1 海灘養(yǎng)護后岸線演化數(shù)值模擬結(jié)果
由上述實測岸線變化與模型驗證結(jié)果可知，受南海明珠人工島影響，五源河口至印象劇場岸段存在兩個明顯的侵蝕熱點(岸段Ⅰ和岸段Ⅲ)。初步修復思路為，在侵蝕熱點處進行人工補沙，擴大灘肩寬度與干灘面積，通過營造沙灘起到消波阻浪的生態(tài)防護功能，并提升濱海旅游休閑空間。岸段Ⅰ和岸段Ⅲ的灘肩補沙寬度均為60 m。采用上述驗證有效的岸線演變模型，模擬該方案下的近岸動力環(huán)境和10 a后的岸線演變情況。
STWAVE波浪場模擬結(jié)果(圖6)顯示，在NE主波向波浪入射條件下[圖6(a)]，近岸有效波高沿主波向與南海明珠人工島中心的連線對稱分布，島后方波高顯著衰減，島兩側(cè)波高相對較大，形成兩側(cè)往中間的波能衰減梯度。其余方向波浪入射條件下[圖6(b)至(d)]，島后方波影區(qū)位置略有偏移，但一年中的作用時間有限(非主浪向)，同時部分浪向的作用效果存在一定程度的相互抵消(如NW向和E向)?？傮w而言，人工島“兩側(cè)大、中間小”的波能分布格局沒有改變。
GENESIS岸線演變模擬結(jié)果(圖7)顯示，10 a間兩處補沙岸段干灘將持續(xù)萎縮，但岸段Ⅰ與岸段Ⅲ侵蝕情況卻有較大差別，前者10 a最大蝕退超過60 m，后者10 a最大蝕退約20 m；岸段Ⅱ持續(xù)淤積，淤積沙體逐年擴大，10 a最大淤進約50 m。需要注意的是，盡管單一的補沙養(yǎng)護措施無法改變?nèi)斯u后方岸灘兩側(cè)侵蝕、中間淤積的泥沙運移與地貌演變趨勢，但是在養(yǎng)護壽命年限內(nèi)仍然可以起到顯著的生態(tài)護岸和附加旅游增值效果。此外，岸段Ⅰ與岸段Ⅲ侵蝕的沙物質(zhì)并未流失，而是區(qū)域海灘系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的重新分配過程，超過養(yǎng)護壽命年限可以通過人為干預進行再分配。
圖6 STWAVE波浪場模擬結(jié)果Fig. 6 Simulated wave field by STWAVE model篇幅有限，僅列出(a)NE(主浪向)、(b)N(次浪向)、(c)NW、(d)E四個方向波浪場。
2.2 討論
2.2.1 海灘修復后的岸灘演化機制 由上述模擬結(jié)果可見，人工島對修復海灘的影響以“島后方淤積、兩側(cè)侵蝕”為顯著特征，且兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)的響應幅度存在明顯差異(五源河口至新國賓館岸段的侵蝕幅度顯著大于假日海灘岸段)。從動力角度上看，五源河口侵蝕區(qū)的波能甚至小于假日海灘侵蝕區(qū)[圖8(a)]，表明動力非兩個岸段侵蝕幅度差異的主導因素。從物源角度上看，由于五源河口對岸灘的阻隔，五源河口西側(cè)的灘砂無法補給東側(cè)的侵蝕熱點區(qū)，導致該岸段的年凈輸沙量與輸沙梯度較大[圖8(b)、(c)]；而假日海灘岸段東側(cè)仍為沙灘，充足的物源補給使得該岸段的輸沙量與輸沙梯度較小[圖8(b)、(c)]。從岸線及近岸地形上看，五源河口至新國賓館侵蝕熱點區(qū)的岸線及近岸等深線稍向海突出[圖1(a)、圖4(a)]，這是該岸段侵蝕量較大的另一個原因。
岸線演變是動力、物源供給、岸線地形共同作用的結(jié)果。當主波向垂直于人工島順岸長軸[圖6(a)]入射時，人工島兩側(cè)岸灘波能分布均衡，侵蝕程度取決于物源供給與岸線形態(tài)。當鄰近岸段物源供給不足、岸線形態(tài)外凸時岸線會有較大的侵蝕幅度。當主波向線與人工島順岸長軸斜交時，人工島兩側(cè)岸灘波能分布不一致，侵蝕程度為三者共同作用的結(jié)果[15]。
2.2.2 人工島影響下的海灘修復策略 在人工島形成的“兩側(cè)往中間”的泥沙運移大背景下，單純通過海灘養(yǎng)護的“軟”措施無法從根本上解決人工島引起的岸灘侵蝕問題，島兩側(cè)填補的泥沙將持續(xù)向島后方輸運。當前公眾接納度較高的一種修復對策為：在海灘養(yǎng)護基礎(chǔ)上修建潛堤、防波堤等硬式構(gòu)筑物，降低養(yǎng)護海灘的凈輸沙率與侵蝕幅度。但這種“軟硬結(jié)合”的防治措施由于硬式工程的介入，不可避免地會對原本受傷的海岸動力環(huán)境造成“二次傷害”。一種新型的修復對策為循環(huán)養(yǎng)護，即海灘修復一定年限后，通過人為干預將島后方淤積的泥沙往兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)輸運，形成新的動態(tài)平衡。國外的養(yǎng)護經(jīng)驗認為，養(yǎng)護海灘的使用壽命(養(yǎng)護后補沙方量流失一半所用的時間)一般為5～7 a[26]，超過壽命期限則需要再養(yǎng)護。本研究海灘養(yǎng)護5 a后岸段Ⅰ的最大蝕退量超過40 m(圖7)，剩余干灘寬度不足20 m，可考慮每5 a進行一次循環(huán)養(yǎng)護。循環(huán)養(yǎng)護的取沙口位于人工島后方的舌狀淤積區(qū)(岸段Ⅱ)，沿岸分為兩支分別注入兩個侵蝕熱點區(qū)(圖9)。結(jié)合年凈輸沙量[圖8(b)]可大致估算循環(huán)養(yǎng)護的取、輸沙方量：岸段Ⅰ的年凈輸沙量約1.50萬m3，5 a流失方量約7.50萬m3(需補沙方量)；岸段Ⅲ的年凈輸沙量約0.24萬m3，5 a流失方量約1.20萬m3(需補沙方量)；岸段Ⅱ舌狀淤積區(qū)的取沙方量為二者之和，約8.70萬m3。
圖7 海口西海岸海灘養(yǎng)護后岸線演變情況Fig. 7 Shoreline changes after beach nourishment on the west coast of Haikou(a)為研究區(qū)遙感底圖,(b)為模擬岸線變化情況; “+”表示淤積，“-”表示侵蝕。
圖8 ?？谖骱０督秳恿?、輸沙分布情況Fig. 8 Distribution of nearshore dynamics and sand transport on the west coast of Haikou(a)為近岸有效波高分布，輸出波要素位置見圖6(a)黑色實線；(b)為海灘養(yǎng)護后第5年的年凈輸沙量，“+”表示自西向東輸沙，“-”表示自東向西輸沙；(c)為海灘養(yǎng)護后第5年的年凈輸沙梯度，“+”表示侵蝕，“-”表示淤積。
圖9 ?？谖骱０堆h(huán)養(yǎng)護示意圖Fig. 9 Sketch map of sand recycling on the west coast of Haikou循環(huán)養(yǎng)護周期為5 a；圖中箭頭表示循環(huán)養(yǎng)護的取、輸沙方向，岸段Ⅱ取沙方量約8.70萬m3，向岸段Ⅰ輸沙方量約7.50萬m3，向岸段Ⅲ輸沙方量約1.20萬m3。
人工補沙與循環(huán)養(yǎng)護相結(jié)合的生態(tài)化治理方式正逐漸被公眾接受[27]。國外海灘循環(huán)養(yǎng)護實踐開展較多，常見于突堤、碼頭等硬式構(gòu)筑物的修建阻斷沿岸輸沙造成區(qū)域泥沙分配失衡與岸灘侵蝕，通過人為修建輸沙管道或卡車周轉(zhuǎn)將淤積區(qū)(上游)泥沙輸送至侵蝕區(qū)(下游)[28-31]。國內(nèi)海灘養(yǎng)護起步較晚，循環(huán)養(yǎng)護尚處于理念階段，尤其通過修建固定管道輸沙的養(yǎng)護實踐未見相關(guān)報道。?？谖骱０度斯u影響下的岸灘綜合治理與循環(huán)養(yǎng)護實踐將為國內(nèi)相似類型海岸的岸灘修復提供重要的參考與借鑒意義。
3 結(jié)論
本研究以?？谖骱０稙槔?，針對人工島建設引起的岸灘侵蝕與泥沙分配失衡問題，建立GENESIS岸線演變模型，探討人工島影響下的海灘地貌演化機制，并在此基礎(chǔ)上提出了“循環(huán)養(yǎng)護”的海灘修復對策。主要結(jié)論為：
(1)人工島對鄰近海灘的影響以“島后方淤積、兩側(cè)侵蝕”為顯著特征，但?？谖骱０赌虾Ｃ髦槿斯u兩側(cè)侵蝕熱點區(qū)的響應幅度存在明顯差異。五源河口至新國賓館岸段(岸段Ⅰ)侵蝕更為強烈的主導因素為物源匱乏與岸線形態(tài)外凸。
(2)單純通過人工補沙的“軟”措施無法從根本上解決人工島引起的兩側(cè)岸灘侵蝕問題。宜采用“人工補沙”與“循環(huán)養(yǎng)護”相結(jié)合的系統(tǒng)養(yǎng)護方案，養(yǎng)護后期定期將人工島波影區(qū)淤積的泥沙往兩側(cè)侵蝕熱點輸運，通過人為干預實現(xiàn)岸灘泥沙的合理分配與地貌的動態(tài)平衡。
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