海灘養護動力地貌基礎理論與關鍵技術研究述評*

鄭金海 張 弛

海灘養護動力地貌基礎理論與關鍵技術研究述評*

鄭金海1, 3張 弛2, 3

(1. 河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室 江蘇南京 210098; 2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 江蘇南京 210098; 3. 河海大學港口海岸與近海工程學院 江蘇南京 210098)

海灘養護是砂質海岸最重要的自然防護手段之一, 也是我國海岸帶保護修復工程最重要的建設內容之一。圍繞強波浪動力、弱波浪動力、強潮等不同條件下的養護海灘動力適應性與灘肩、沙壩等地貌穩定性及其模擬預測三個主要方面, 總結近年來我國海灘養護基礎理論和關鍵技術研究中的一些新認識和新思考, 并提出亟需深入研究的重點內容。

海灘養護; 動力適應性; 地貌穩定性; 基礎理論; 關鍵技術

砂質海灘(亦稱沙灘)具有重要的防災減災、濱海旅游和生態服務等功能, 是海岸帶高質量發展和沿海人民生活質量提升所依賴的最重要的國土空間資源之一。海灘動力地貌過程復雜活躍、人類活動頻繁、資源保護利用與濱海經濟發展互饋效應明顯, 兼具突出的物理屬性、生態屬性和社會經濟屬性, 因此一直是海岸帶保護修復、防災減災和綜合管理的關注熱點。然而, 海平面上升、風暴作用增強、流域入海泥沙減少、人工采砂和不合理的沿岸工程建設等自然或人為因素正在迅速擠壓海灘的生存空間, 全球范圍內約24%的砂質岸線正在以超過0.5 m/a的速率持續后退(Luijendijk, 2018), 我國也有約49.5%的海灘正在遭受侵蝕(林峰竹等, 2015)。如果不采取合理的應對措施, 海灘侵蝕退化的趨勢在21世紀內將會繼續加劇(Vousdoukas, 2020)。

海灘養護是通過將補給泥沙吹填在海灘上, 達到拓寬干灘或緩解侵蝕的目的, 具有環境親和性強、促進濱海旅游業發展等優點(Dean, 2003)。它是一種基于自然的解決方案, 即發揮自身防災減災能力的同時, 為生態恢復和休閑親水提供載體。海灘養護最早始于美國, 之后被逐漸推廣到歐洲等國家, 目前已成為國際上最受認可和廣泛采用的砂質海岸柔性防護手段, 并開始呈現出設計形式多樣化、目標功能多元化和多學科交叉研究等發展趨勢(Stive, 2013)。近一個世紀(1921～2020)的美國海灘養護工程統計數據表明, 即使到現在, 補沙量仍然呈現指數型增加的趨勢(Elko, 2021)。相比于歐美等發達國家, 我國海灘養護起步較晚但發展非常迅速, 近十年間已實施的海灘養護工程數量、規模、補沙強度和成本投入在不斷增大, 涉及100余項工程、近40個沿海城市、修復岸線總長度約120 km、總填沙量約2.3×107m3(蔡鋒等, 2019; Liu, 2020; 戚洪帥等, 2021)。這些海灘養護工程產生了顯著的綜合效益, 已成為我國海岸帶保護修復工程最重要的建設內容手段之一。國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要要求進一步實施海岸帶生態保護和修復重大工程, 持續加強海灘養護基礎理論研究和創新海灘養護關鍵技術是其中的重要需求。

目前針對海灘養護的研究更多側重在物理過程層面上, 以養護海灘的動力適應性和地貌穩定性等為主要基礎研究對象, 以海灘養護的設計、施工、監測、模擬和評估方法等為主要技術創新支撐, 以優化設計及施工方案、減小侵蝕速率或泥化程度、預測泥沙流失量和使用壽命、提升養護修復效果和管理維護水平等為主要工程應用目標。由于我國海岸具有緯度跨度大、人工化程度不一、自然海灘類型多樣和動力地貌環境多變等特點, 海灘養護往往在高能/低能波浪、強潮/弱潮和砂質/泥質本底等迥異的環境中實施, 所面臨的問題也各不相同。盡管我國海灘養護的研究和實踐已取得了一定的成就, 但是在全球氣候變化、災害風險加劇和砂源緊缺的大背景下, 面向生態文明建設和可持續發展的需求, 海灘養護理論和方法在科學化和精細化等方面仍需要進一步提升。本文圍繞海灘養護的動力適應性、地貌穩定性及其模擬預測三個主要方面, 總結近年來我國海灘養護基礎理論和關鍵技術研究中的一些新認識和新思考。

1 海灘養護的動力適應性

天然沙灘在波浪等動力作用下, 已逐漸演變形成適應于當地海岸動力環境的形態。一般認為, 適合具有一定體量的沙灘存在的海岸, 近岸波浪既不能太強也不能太弱。前者容易引起沙灘侵蝕, 后者則容易產生沙灘泥化。由于養護后的沙灘形態、泥沙粒徑和沉積物組成往往有別于天然狀態, 加之一些輔助工程建筑物的影響, 沙灘與動力環境之間的天然平衡關系被打破, 需要經歷一段時間的重新調整適應。這個適應過程可能會伴隨著填補泥沙的流失、沙灘泥化或粗化等現象, 影響海灘養護工程的成敗和使用效果。

在強波浪動力侵蝕岸段, 泥沙流失快, 養護海灘穩定性較差。為了解決這個問題, 工程中較多采用攔沙堤、潛堤等各類輔助建筑物來減弱波浪作用, 降低輸沙強度和維持沙灘形態。這些輔助建筑物需要結合當地波浪的傳播變形特性來科學設計, 盡可能維持養護區水沙運動的自然暢通, 在消浪固沙的前提下又不會過分削弱泥沙活動性或引起新的侵蝕熱點。波浪作用下的床面剪切力是衡量泥沙活動性和預測岸灘侵蝕的重要物理量, 而在現場尺度的大浪條件下, 較強的波致雷諾應力會壓制波浪邊界層發育使其發生“薄化”現象(Xie, 2021), 產生的床面剪切力比傳統理論和方法的預測結果更大, 底部邊界層中的高濃度懸沙層化引起的紊動抑制和沉降阻礙效應也會顯著影響泥沙凈輸移方向(Zhang, 2014)。一些研究嘗試不借助輔助建筑物的手段, 而是通過優化養護海灘的沉積物組成來達到抑制泥沙輸運強度的目的。例如廈門天泉灣的海灘養護工程提出了“天然卵石(灘面耗能層)+級配碎石(強滲透墊層)+二片石(基礎持力層)”的卵石分層海灘養護技術, 利用卵石灘面高消能和強滲透的特點, 有效降低了沿岸輸沙量和岸線蝕退速率, 起到了較好的穩定效果(Shu, 2019)。

在弱波浪動力海岸, 泥沙活動性差, 養護海灘易發生泥化。特別是在泥質海岸塑造人工沙灘, 屬于異質養護, 由于先天波浪動力不足和海水中的細顆粒懸沙沉降附著, 沙灘泥化往往是面臨的最關鍵問題。國內開展過的此類工程(例如天津東疆人工沙灘工程等)大多利用建設圍堤、近岸清淤、沙灘底泥吸收等措施來隔離高含沙量海水、增強灘前波高和降低泥化高程等(解鳴曉等, 2017)。沙灘泥化與波浪條件、底質環境和外源輸入泥沙特性等因素密切相關, 其中波高大小和泥化高程之間存在較強的負相關關系(Zhao, 2020; Guo, 2021)。準確預測泥化高程的時空變化需要對弱動力條件下不同組分的泥沙起動和懸浮有深入的認識, 最新研究修正了傳統無黏性泥沙上揚通量計算公式在低流速環境中(泥沙起動閾值附近)的不足(Chen, 2022), 并提出了考慮含泥量及干容重的非單調影響的沙泥混合物臨界沖刷切應力計算新公式(Chen, 2021)。一些研究通過布置向海開放性岬頭、重構水下輻聚地形并輔以近岸底床清淤, 提出了“岬角聚能”波能調控技術, 借助波浪輻聚效應增強局部波浪強度和重構沙灘發育的自然動力環境, 在廣西茅尾海等海灘養護工程中得到成功應用(溫昌麒等, 2021)。

除了波浪, 潮汐和風也是影響沙灘演變的動力因素。在強潮海岸, 潮汐水位變化對沙灘演變具有不可忽視的調制效應, 引起波浪破碎帶移動、沙灘沖淤范圍增大、灘面平均侵蝕強度降低和岸灘坡度變緩, 這個效應可用一個綜合考慮潮汐、波浪和沙灘形態的浪潮作用指數來描述(Qi, 2010)。更大的水沙運動空間和復雜的潮間帶地貌形態意味著在強潮海岸進行海灘養護, 可能需要更多的補沙量和更長更高的輔助建筑物來維持沙灘形態, 在預測泥沙流失量時也需考慮時變潮汐水位的影響。在風力較強的海岸, 風沙輸運可成為養護海灘泥沙流失和后方陸域或沙丘泥沙堆積的重要來源(Hoonhout, 2017)。與此同時, 海灘養護使灘面形態和寬度、風區長度、泥沙粒徑、植被覆蓋、潮汐淹沒及灘面濕度等發生變化, 也會顯著影響風沙輸運強度(張弛等, 2022; He, 2022)。

雖然我國學術界和工程界針對不同動力環境下的海灘養護已開展了許多研究, 但目前仍然缺乏一個簡便實用的指標來評估海灘養護的適宜性。對于某一個具體工程實施而言, 這個不足給海灘養護工程的可行性論證帶來不確定性。對于更大層面上的管理工作而言, 這個不足使得地域性或全國性的海灘養護適宜性分區或空間規劃十分困難。其中的主要原因,一方面來自于多尺度海岸水沙運動過程本身的高度復雜性; 另一方面是因為大范圍長時間的海岸動力環境、沉積物特性、歷史演變規律、受損機制和養護效果分析等方面仍十分缺乏系統的基礎數據支撐。近年來的一些研究建立了近40年的中國近海波浪數據庫CWAVE (Shi, 2019; 徐佳麗等, 2019)和岸線數據庫CLINE (李方明, 2021), 并初步分析了大陸沿海尺度上的不同重現期波浪參數、波能分布和岸線形態的時空變化規律, 可為進一步分析和量化不同區域的海灘養護適宜性提供數據基礎。

2 海灘養護的地貌穩定性

養護海灘的地貌演變過程通常由較長時間尺度的岸線變化和較短時間尺度的剖面變化所組成, 導致最終形成的地貌形態與剛建成時存在一定差異。由于這個過程中的岸灘侵蝕量、泥沙流失率、岸線進退速率和侵蝕熱點與海灘養護工程的實施效果、使用體驗、再補沙周期和后期維護密切相關, 準確認識地貌穩定性并在此基礎上優化設計方案是海灘養護工程的關鍵環節。過高估計養護海灘穩定性可能會導致沙灘不能滿足使用要求和增加維護成本, 過低估計養護海灘穩定性可能會使設計方案偏保守和帶來不必要的成本投入。

風暴作用下的沙灘地貌穩定性是海灘養護工程最關心的問題之一。傳統的理論觀點認為, 風暴期間的大浪和高水位會引起離岸輸沙、灘肩侵蝕和泥沙流失, 而海平面上升將不可避免導致沙灘滅亡。然而在實際中并非完全是這個情況, 且在風暴作用期間的沙灘動力地貌過程的現場觀測也非常少。Cao等(2020)和Chi等(2021)研發了海岸帶岸基數字影像監測系統COSVIMS, 可實現全天候實時連續監測, 并已成功應用于日照海龍灣退港還海人工沙灘修復工程, 為工程前的海堤風暴越浪、施工中的動態岸線變化和工程后的沙灘地形演變監測分析提供了新方法。現場觀測結果(Cao, 2020)發現, 2019年“利奇馬”臺風過境期間, 日照人工沙灘的泥沙不僅沒有向海輸運和流失, 反而是向岸輸送并堆積形成更高的灘肩, 總體泥沙流失量很少。這一現象和傳統認識是不相符合的,說明實際中的養護海灘可能比想象中具有更強的“韌性”或地貌自適應能力。COSVIMS系統在“利奇馬”臺風過境期間采集到的影像數據證實了波浪沖越輸沙是其中的主導物理機制, 波浪沖越的發生及其地貌效應與破波帶類型、泥沙粒徑、前灘坡度、灘肩高程和后灘形態等密切相關。因此, 深入研究海灘養護影響下的沖流帶水沙運動機理, 對于進一步優化海灘養護設計以更充分發揮潛在的地貌自適應能力具有重要意義。

近岸人工沙壩是一種重要的海灘養護手段, 它具有成本低、施工效率高、環境影響小和長效養灘等特點, 是逐漸興起和極具發展潛力的養灘方式, 在我國北戴河海灘養護等工程中也開始得到應用(楊燕雄等, 2014)。一般認為, 人工沙壩的養灘功能主要體現在風暴期間的遮蔽效應和常浪期間的喂養效應, 最終的養灘效果很大程度上取決于這兩大效應的發揮。最近的一系列物模試驗研究(Li, 2021a, 2022)發現, 不同于風暴條件下海灘剖面離岸輸沙的傳統認識, 一定形態的人工沙壩在大浪作用下可引起局部向岸輸沙和向岸沙壩遷移, 從而改變海灘整體沖淤狀態和岸灘響應規律。同時, 人工沙壩會使得灘肩風暴響應存在時間上的滯后性, 即人工沙壩的遮蔽效應在沙壩形態演變過程中具有動態性, 據此提出了考慮人工沙壩形態參數的破波相似系數, 建立了人工沙壩與灘肩之間的地貌形態耦合關系式。研究發現常浪條件下的人工沙壩呈現“增長型”和“衰減型”兩種喂養模式, 底部離岸流增強人工沙壩向岸側的總輸沙率變化梯度, 是控制人工沙壩喂養模式的重要機制(李元, 2021)。上述研究證明, 合理設計和建造人工沙壩等新的地貌單元, 可以促進風暴來臨時海灘剖面上的泥沙維存及加強風暴后的岸灘自然恢復, 為進一步增強養護海灘韌性提供了新思路。

灘肩陡坎是指示沙灘穩定性的一種重要地貌特征。灘肩陡坎不僅經常被用來反映岸灘侵蝕趨勢, 也會對沙灘使用體驗和游客安全造成不利影響(陸旭等, 2021)。灘肩陡坎的形成和分布, 取決于岸灘總水位和灘面高程的相互關系(Van Bemmelen, 2020)。但是, 灘肩陡坎并不一定只在侵蝕性海岸才會出現。由于海灘養護改變了沙灘的天然形態, 過高的補沙灘肩高程容易引起高潮位附近的灘肩陡坎。這種現象在荷蘭Sand Engine、日照海龍灣和珠海美麗灣等海灘養護工程實施后都出現過, 并呈現出不同的陡坎形成—發展—穩定—消亡規律(Van Bemmelen, 2020; Liu, 2021)。事實上, 海灘養護后形成的灘肩陡坎不僅與波浪上沖回落沖刷泥沙有關, 也可能與沉積物特性和地下水過程有關, 因此在補沙剖面設計和砂源適宜性分析時也應關注補沙對灘肩陡坎等局部地貌的影響。

3 養護海灘演變的模擬預測

預測養護海灘動力地貌演變過程的最常用的手段之一就是數學模型, 這也是幾乎所有海灘養護工程設計階段需要開展的一項工作。海灘動力地貌演變的數值模擬通常需要同時模擬波浪傳播變形、波生流運動、泥沙起動與輸運、地形演變等復雜過程。針對實際工程的具體需求, 結合所研究的物理過程的時空尺度, 數學模型的選擇、建立或改進應最大程度上兼顧模型的科學性和實用性。例如, 非常精細地計算流體力學模型(Jacobsen, 2014)被應用于模擬實驗室尺度的短期地形演變, 物理過程相對較為完整的XBeach模型(Roelvink, 2009)常被應用于模擬某一個風暴事件作用下的沙灘侵蝕, 而一些降復雜度的簡化模型常被應用于模擬幾年至幾十年尺度上氣候變化影響下的岸線演變(Vitousek, 2017)。Zheng等(2014)建立了波浪和波生流共同作用下的海灘剖面演變數學模型CROSPE, 考慮了波浪和底部離岸流的互制輸沙機制, 先后提出了波浪破碎新指標(Zhang, 2021a)、波峰面坡度新公式(Zhang, 2017)和波浪反射的高效模擬方法(Zhang, 2021b),可較好模擬風暴和常浪條件下的沙壩雙向遷移和岸灘侵蝕與恢復, 并成功應用于不同補沙粒徑和設計形式的海灘養護方案優化、平衡剖面預測和穩定性分析等(陳雅莉, 2015; Li, 2021a, 2021b)。

現有的面向工程應用的數學模型仍存在一些不足。例如, 此類模型無法精細描述波浪破碎紊動傳遞效率與破波類型的關系, 這決定了近底泥沙懸揚與波浪相位的耦合關系, 會影響一個波周期內凈輸沙率方向與量值的準確模擬。此外, 海灘沖流帶受到紊動水體的往復沖刷, 處于周期性的淹沒與暴露過程之中, 現有模型仍難以準確描述沖流帶內劇烈的泥沙運動與地形演變。雖然許多模型已能較好地模擬和預測風暴作用下的短時間尺度岸灘侵蝕和沙壩遷移過程, 但對于大尺度長時間的岸灘恢復過程的模擬, 目前仍然是一個很大的挑戰。最后, 探索海灘水沙運動過程與海灘生態過程的相互作用和耦合模擬, 以及與大數據、人工智能和遙感技術的交叉融合, 也是今后的重要發展方向。總的來講, 海灘演變數學模型需要在過程精細化和模擬高效化的平衡上取得進一步的突破創新, 以適應于海灘養護及管理維護中不斷增長的數字化、智能化和業務化需求。

4 結語

隨著我國海岸帶保護修復工程的持續推進, 海灘養護的工程數量越來越多, 實踐經驗越來越豐富, 積累的數據資料也越來越多, 有更多的機會結合工程實踐來探索和應用一些新興技術并開展基礎研究, 在強動力、弱動力、強潮等不同條件下的動力適應性及灘肩、沙壩等地貌穩定性等方面取得了一些新的認識, 發展了適應動力地貌環境的海灘養護設計、數字影像監測和數值模擬預測等關鍵技術, 促進了本領域的科技進步和國際顯示度, 為我國海灘養護工程建設、評估、管理及維護等提供了支撐。面向全球氣候變化、砂源緊缺和海岸生態保護修復評估體系多元化等新形勢, 今后的研究重點包括以下幾個方面: (1) 深入研究破波帶和沖流帶水沙運動機制, 加強養護海灘的韌性評估及其優化設計; (2) 開展海灘養護適宜性分區評價及補沙超填精準控制方法等方面的研究, 以實現更可持續的海灘養護; (3) 加強不同海灘養護工程措施及階段對生態環境和生物多樣性的影響研究, 更好地促進防災減災與生態恢復協同增效; (4) 拓展海灘質量評價與管理、海濱浴場游客安全防護及科學普及等方面的研究, 探索構建數字孿生海岸, 服務海灘智慧管理。

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FUNDAMENTAL THEORY AND KEY TECHNIQUES OF BEACH NOURISHMENT MORPHODYNAMICS: AN OVERVIEW OF RECENT RESEARCH ADVANCES

ZHENG Jin-Hai1, 3, ZHANG Chi2, 3

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Coastal Disaster and Protection, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Beach nourishment is one of the most important nature-based solutions for sandy coastal resilience, and one of the most important contents of China’s coastal protection and restoration projects. Recent research advances on fundamental theory and key techniques of beach nourishment in China are reviewed, including the dynamic adaptability of beach nourishment under high-energy, low-energy and macro-tidal environments, the morphological stability of beach nourishment with respect to beach berm and sand bar, and the numerical modelling of nourished beach evolution. Further research prospects are also suggested.

beach nourishment; dynamic adaptability; morphological stability; fundamental theory; key techniques

* 國家自然科學基金重點項目, 41930538號; 國家自然科學基金面上項目, 51879096號。鄭金海, 教授, 博士生導師, E-mail: jhzheng@hhu.edu.cn

2022-01-10,

2022-03-14

TV148; P753

10.11693/hyhz20220100006