基于海岸帶脆弱性方法的沙質(zhì)海岸防護(hù)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭天潤(rùn)

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

沿海地區(qū)的建筑及基礎(chǔ)設(shè)施易受到氣候變化引起的沿海災(zāi)害的影響。相比其他類型海岸，沙質(zhì)海岸的侵蝕問題尤為突出，近年來，受全球變暖等氣候變化影響，沙質(zhì)海岸的年平均侵蝕速率達(dá)1~3 m，對(duì)沿海地區(qū)居民的生活構(gòu)成重大威脅。因此，沙質(zhì)海岸防護(hù)工程是保障海岸帶系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的重要課題，也是國(guó)際前沿科學(xué)問題。利用科學(xué)、系統(tǒng)的方法進(jìn)行沙質(zhì)海岸帶脆弱性分析，并基于此提出合理的防護(hù)策略和工程措施，是沙質(zhì)海岸防護(hù)工程中的一種較為有效的研究手段。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及PSR模型簡(jiǎn)述

海岸帶脆弱性的評(píng)估方法繁多[1-2]，最常見的綜合評(píng)估方法主要有3種，即IPCC通用方法、PSR模型評(píng)估和CVI脆弱性指數(shù)[3]。其中，PSR（Pressure—State—Response Framework）模型是指“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型，最初是由加拿大統(tǒng)計(jì)學(xué)家RAPPORT D J和FRIEND A M（1979）提出[4]，后由經(jīng)濟(jì)合作和開發(fā)組織（OECD）與聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）共同提出了針對(duì)環(huán)境指標(biāo)的PSR概念模型，近年來被應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域[5-7]。

使用PSR模型進(jìn)行海岸帶脆弱性分析時(shí)，首先需要針對(duì)項(xiàng)目的實(shí)際情況，確定指標(biāo)體系。主要考慮：1）壓力表征指標(biāo)，如海平面上升、氣溫升高、極端天氣狀況和人類的圍墾活動(dòng)等；2）狀態(tài)表征指標(biāo)，如海岸帶物理、生態(tài)特征變化和災(zāi)害的發(fā)生頻率及社會(huì)經(jīng)濟(jì)人口特征及經(jīng)濟(jì)損失等；3）響應(yīng)表征指標(biāo)，如系統(tǒng)的物理形態(tài)及生態(tài)響應(yīng)和人類社會(huì)對(duì)系統(tǒng)變化所作出的一系列適應(yīng)性調(diào)整措施等。然后，利用層次分析法給每個(gè)指標(biāo)賦予一定權(quán)重，再進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最后利用系數(shù)評(píng)分法進(jìn)行打分。該模型評(píng)估法考慮的因素眾多，指標(biāo)選取較為全面，可操作性好，對(duì)于解決沿海城市和居民密集區(qū)域的脆弱性響應(yīng)有較好的適用性。

2 工程案例所在海岸情況

案例選自于筆者在荷蘭某國(guó)際咨詢公司工作期間參與的項(xiàng)目，由聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）和環(huán)境保護(hù)署（EPA）共同發(fā)起，是較為典型的海岸防護(hù)類工程項(xiàng)目。項(xiàng)目位于利比里亞首都蒙羅維亞，該海岸西鄰大西洋，是細(xì)砂、中砂類沙質(zhì)海岸。波浪以南向浪為主，洪季平均波高約1.75 m，平均波周期約12 s。該地區(qū)常年受海洋災(zāi)害的威脅，在過去10 a里海岸線后退較為嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有670戶居民因海岸侵蝕的影響而搬遷。按所在地段和受影響程度不同，自北向南可分為5個(gè)區(qū)段（圖1）。

圖1 工程所在海岸受影響程度分區(qū)段示意圖Fig.1 Schematic diagram of affected sections of project location coast

通過衛(wèi)星航拍對(duì)比圖可清晰觀測(cè)到海岸線后退的情況，如圖2和圖3所示，圖中虛線和實(shí)線分別為2008年和2018年海岸線。以區(qū)段2和區(qū)段3為例，2008—2018年，海岸侵蝕嚴(yán)重，海岸線后退最大達(dá)150 m，甚至連河口沙洲和攔門沙形態(tài)都發(fā)生了重大變化。這種變化不僅威脅和損害了沿岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)也給上游河段和整個(gè)紅樹林流域帶來不確定的影響。

圖2 區(qū)段2海岸線變化衛(wèi)星圖對(duì)比（虛線2008年；實(shí)線2018年）Fig.2 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 2

圖3 區(qū)段3海岸線變化衛(wèi)星圖對(duì)比（虛線2008年；實(shí)線2018年）Fig.3 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 3

歷年衛(wèi)星圖對(duì)比和相關(guān)調(diào)研結(jié)果表明，近10 a來，該海岸未有較大規(guī)模的人類活動(dòng)，人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域海岸的直接影響較小。海岸線后退主要是由自然過程造成的，而這種自然過程由于氣候變化將繼續(xù)擴(kuò)大，海岸線后退以及隨之帶來的破壞預(yù)計(jì)將在未來幾十年繼續(xù)惡化。

3 海岸帶脆弱性綜合評(píng)估方法的應(yīng)用

該區(qū)域海岸線后退主要包括3個(gè)影響過程，即海平面上升帶來平衡斷面的變化（Bruun效應(yīng)）[8-9]，沿岸輸沙和河口泥沙交換引起泥沙缺少，從而形成緩慢的岸灘侵蝕和風(fēng)暴潮的侵蝕。雖然上述3個(gè)影響過程是獨(dú)立的，但影響它們的因子都較為類似，且都易受到氣候變化的影響。海岸線后退現(xiàn)狀及2050年數(shù)模預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 海岸線后退現(xiàn)狀及2050年預(yù)測(cè)評(píng)估表Table 1 Status of coastline retreat and forecast evaluationtable for 2050

考慮利用PSR模型對(duì)工程的5個(gè)區(qū)段進(jìn)行海岸脆弱性綜合評(píng)估。其中壓力指標(biāo)是指給海岸帶來影響的因素，本工程中主要考慮海平面上升、波浪和凈輸沙量的變化情況。狀態(tài)指標(biāo)主要考慮由Bruun效應(yīng)、慢性侵蝕和風(fēng)暴引起的沖刷導(dǎo)致的海岸線后退，及其帶來的各種直接和間接損失、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響等。響應(yīng)指標(biāo)主要是人類已有的干預(yù)活動(dòng)及政府和相關(guān)團(tuán)體對(duì)防護(hù)措施的態(tài)度。

在PSR模型中各指標(biāo)權(quán)重的確定存在較大的主觀性，需要長(zhǎng)年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，而工程區(qū)屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū)，缺乏必要的基礎(chǔ)資料，對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理較為困難。因此簡(jiǎn)化PSR模型，即采用定性和定量相結(jié)合的方式對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，見表2。結(jié)果表明，區(qū)段2和區(qū)段3受到海岸脆弱性和危害強(qiáng)度最大，應(yīng)投入主要的資源，采用合適的工程措施進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。

表2 脆弱性分析評(píng)估表（簡(jiǎn)化PSR模型，至2050年）Table 2 Vulnerability analysis assessment form(Simplified PSR model,to 2050)

4 防護(hù)策略和工程措施分析比選

基于海岸脆弱性分析和危害強(qiáng)度的評(píng)估結(jié)果，選取合適的防護(hù)策略，以降低危害強(qiáng)度。在考慮工程對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響情況下，因地制宜，找到最容易實(shí)施且經(jīng)濟(jì)性可行的解決方案[10-12]。近年來，海岸防護(hù)策略趨于多樣化，但總體上可分為5大類，從“軟性防護(hù)”過渡到“硬性防護(hù)”依次為補(bǔ)沙、擋沙、破波消能（基于生態(tài)）、破波消能、固定海岸線[13]。各防護(hù)策略均對(duì)應(yīng)一些可用的工程措施，結(jié)合本工程實(shí)際水動(dòng)力條件和地形特點(diǎn)，部分工程措施沒有實(shí)施可行性，見表3。

表3 海岸工程防護(hù)策略實(shí)施條件與可行性分析表Table 3 Implementation conditions and feasibility analysis of coastal engineering protection strategy

工程區(qū)屬于侵蝕性較強(qiáng)的海域，純沙灘養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用極高，需配合其他工程措施實(shí)施。針對(duì)本工程實(shí)際情況，篩選出本工程技術(shù)可行的工程措施，并對(duì)各措施進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比分析，見表4。

表4 本項(xiàng)目防護(hù)策略與工程措施分析表Table 4 Analysis table of protection strategies and measures of the project

分析結(jié)果表明，較柔性的防護(hù)策略造價(jià)較高，在該海岸適用性不強(qiáng)，而造價(jià)低廉的斜坡式護(hù)岸優(yōu)勢(shì)明顯，能較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐姆雷o(hù)需求和經(jīng)濟(jì)性要求。因此，各區(qū)段海岸防護(hù)擬采用斜坡式塊石護(hù)岸工程措施。

5 工程布置方案

根據(jù)前述研究結(jié)論，區(qū)段2和區(qū)段3的具體工程布置方案如下。

區(qū)段2的后方為人口密集區(qū)域，海岸侵蝕方向主要是向海側(cè)輸沙，部分向西北方向沿岸輸沙。由于目前政府正在修建簡(jiǎn)易護(hù)岸，擬對(duì)在建的簡(jiǎn)易護(hù)岸進(jìn)行一定改造升級(jí)，如堤頂加高和采用較大石料等，沙灘后方布置綠色長(zhǎng)廊，滿足景觀要求，提升沿海居民的居住體驗(yàn)。在區(qū)段2中部位置布設(shè)一處丁壩與沙灘養(yǎng)護(hù)結(jié)合的靠船點(diǎn)，滿足小型漁船停靠和避風(fēng)需求。為減少靠船點(diǎn)處泥沙流失，丁壩設(shè)置為L(zhǎng)形，L形丁壩開口向東南方向（來沙方向），見圖4。

圖4 區(qū)段2推薦工程方案Fig.4 Proposed solution of section 2

區(qū)段3也是該地區(qū)人口最密集的海岸之一，海岸北端有西點(diǎn)軍校。該區(qū)域總體處在海洋和Mesurado盆地之間的動(dòng)態(tài)沙洲上，海拔較低。海岸侵蝕方向主要是向海側(cè)輸沙，盆地內(nèi)的“沙饑餓”現(xiàn)象導(dǎo)致部分向西北方向沿岸輸沙，加劇了該區(qū)域的海岸侵蝕現(xiàn)象。擬采用與區(qū)段2類似的工程方案，即配備綠色長(zhǎng)廊的塊石護(hù)岸，中段位置設(shè)置L形丁壩的漁船登船點(diǎn)，L形丁壩開口方向西南（見圖5）。其中，護(hù)岸要延伸至Mesurado盆地入口處的海岸線，以確保覆蓋海岸侵蝕區(qū)段的全部范圍。

圖5 區(qū)段3推薦工程方案Fig.5 Proposed solution of section 3

6 結(jié)語

1）PSR模型是一種海岸脆弱性綜合評(píng)估方法，其考慮因素和指標(biāo)選取較為全面，具有可操作性好、系統(tǒng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可較好地適用于沿海城市和居民密集區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性響應(yīng)。同時(shí)，該方法受制于數(shù)據(jù)且主觀性較強(qiáng)，對(duì)于缺乏長(zhǎng)年基礎(chǔ)資料地區(qū)，采用定性和定量相結(jié)合的評(píng)估方式能達(dá)到較好的效果。

2）在選取海岸防護(hù)策略中，需“因地制宜”，針對(duì)不同工程的實(shí)際情況，特別是結(jié)合水沙和地形特點(diǎn)，考慮公共安全、公眾需求及當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件等，選取經(jīng)濟(jì)、合理、可行的工程方案。

3）在整體沖刷的沙質(zhì)海岸，海岸防護(hù)工程通常不能徹底改變其侵蝕地貌的形態(tài)，其防護(hù)策略宜以硬性措施為主，即固定海岸線以減緩沖刷程度，并適當(dāng)兼顧其他需求。