岸線侵蝕修復實驗研究

王曉暉

（廣州柳臨工程技術咨詢有限公司,廣東 廣州 510000）

近年來,全球氣候變化和人類活動的持續影響導致了河岸線侵蝕問題日益嚴重。河岸線侵蝕不僅對周邊生態環境造成威脅,還對人類居住區、基礎設施和經濟發展產生重大影響[1]。本文以山西臨水為例,開展岸線侵蝕修復實驗研究,通過多角度、綜合性地探索,尋找適用于該地區的可行性修復措施。研究將綜合考慮自然因素、人為活動以及河岸地貌特征等方面的影響,結合最新的科學技術手段,探討河岸線侵蝕的形成機制,并尋求具有可持續性的修復方案。利用高分辨率遙感影像和衛星數據,結合GIS 空間分析工具,實現對山西臨水海岸線變化的精準監測和空間分布分析。

1 岸線侵蝕修復的整體設計

1.1 臨水岸線防護現狀研究

臨水縣是中國古代行政區劃名,現更名為山西臨縣。山西臨縣地處臨縣河中游山西西部。臨縣與陜西佳縣、吳堡縣隔臨縣河相望,東部靠近呂梁山,西北與興縣相鄰,南部與離石縣、柳林縣接壤[2]。臨縣位于晉西邊緣,屬黃土丘陵溝壑區,是呂梁山地向臨縣河峽谷的延續,其地處臨縣河中游山西西部,與陜西佳縣、吳堡縣隔臨縣河相望,東部靠近呂梁山,西北與興縣相鄰,南部與離石縣、柳林縣接壤。臨縣經歷了多次地殼運動和地層變化,地勢由東北向西南傾斜,形成了丘陵起伏的地貌。根據地貌形態的不同,可分為東北部土石山區,中部大面積黃土丘陵溝壑區,西部臨縣河沿岸丘陵基巖裸露區,以及湫水河兩岸的山間河谷區。全縣海拔變化相對較大,最高點位于東北部城莊鎮柏榆廟山,海拔1924 m；最低點在西南部磧口鎮臨縣河灘頭,海拔657 m,相對高差為1267 m（見圖1）。

圖1 山西臨縣岸線圖

岸線剖面高程數據采集是通過結合GPS 測量和手持高程儀進行的,首先,在岸線上選擇一系列控制點,這些點用于作為高程測量的基準。這些控制點可以使用GPS 測量得到其經緯度和大致高程信息[3]。使用GPS 設備在每個控制點處進行高程測量。記錄GPS 測量儀所顯示的高程數值,并同時記錄經緯度信息。在每個控制點的附近,使用手持高程儀進行更細致地高程測量。手持高程儀是便攜式測量儀器,通常用于小范圍地形高程數據采集。在測量時,可以選擇一些較密集的測量點,沿岸線采集高程數據[4]。將GPS 測量得到的經緯度和高程信息與手持高程儀測量得到的高程數據整合在一起。可以使用GIS 軟件或其他數據處理工具,將采集到的數據進行匹配和整理。利用數據分析法,確定每個測量點之間的水平距離,具體如式（1）所示：

式中：（x,y）和（x0,y0）分別為任意水平測量點、高程點的水平位置。

通過長時間的數據采集,可以測定河灘高程在不同時期的變化,預測河灘的發展趨勢,可以通過計算剖面的清淤量來衡量坡面在各個季節的變化,公式如式（2）所示：

式（2）中,在灘肩前緣選擇一個標志點,作為測量的基準點。在該點處測量前剖面高程ya和測量后剖面高程yb, x1、x2分別為計算起點的和終點的水平距離。

1.2 臨水岸線防護侵蝕修復研究

首先,需要對臨縣河岸線進行剖面形態分析,通過比較不同時間點的剖面變化,了解侵蝕趨勢、侵蝕時間節點以及空間分布情況。這將為修復工作提供基本的依據和方向。對臨縣河岸線的侵蝕原因進行深入研究是非常重要的。需要考慮波浪作用、水流動力學、季節性因素以及人為活動對侵蝕的影響。這將幫助確定主要原因,針對性地制定修復策略。在進行岸線防護工程時,需要進行合理護岸設計。護岸的形狀、坡度、長度以及材料的選擇都應該考慮當地的地質和水流條件,以確保護岸工程能夠有效抵御波浪和水流的沖擊,減緩侵蝕速度[5]。除了人工修復,還可以考慮利用自然修復機制,如植被恢復和沉積過程,來促進河灘的恢復。同時,要重視生態保護,保護當地的植被和生態系統,增強河灘的抵抗能力。工程的成功還需要得到當地居民的支持和參與。因此,需要進行社會宣傳和教育,增強居民的環保意識,鼓勵他們積極參與岸線防護侵蝕修復工作。完成修復工作后,還需要建立持續地監測和評估體系,密切關注岸線的變化情況,及時調整和改進防護措施,以確保修復效果的持久性和可持續性。

導堤是用于引導河流流向或控制河流水位的工程結構。導堤侵蝕指的是導堤表面和下部的侵蝕現象。導堤侵蝕可能由于水流的沖擊和波浪作用導致,如果不加以修復和維護,可能會影響導堤的功能和穩定性。護岸是指用于防止河岸侵蝕或河岸線侵蝕的工程結構。護岸侵蝕指的是護岸表面和下部的侵蝕現象。水流、波浪、水位變化以及人為因素等都可能導致護岸表面的材料被沖刷和侵蝕,如果護岸侵蝕嚴重,可能會導致河岸或河岸線的退縮和穩定性問題。防波堤是用于防止海浪和波浪對河岸線的侵蝕和沖擊的工程結構。防波堤侵蝕是指防波堤表面和下部的侵蝕現象。海浪和波浪的沖擊可能導致防波堤表面的石塊或混凝土材料被沖刷,影響防波堤的穩定性。河岸侵蝕是指河流岸線受到水流沖刷或波浪沖擊而發生的侵蝕現象。河岸侵蝕可能由于水流動力學、波浪作用、人類活動等因素引起,可能導致河岸崩塌、土地流失和生態環境改變。

2 實驗及結果分析

研究分析剖面形態變化,可以深入研究侵蝕原因,分析剖面形態變化可以確定河灘的侵蝕趨勢,即河灘是在逐漸消失、持續穩定還是有一定程度的沉積。通過對不同時間點的剖面形態變化進行比較,可以確定侵蝕發生的時間節點。

根據圖2 的剖面形態變化,可以觀察到河灘的侵蝕和沉積過程,特別是在2021 年7 月和2022 年6 月侵蝕量最大的時期。主要原因是波浪對河灘的作用,尤其是SW 向的波浪幾乎垂直于岸線,直接作用于河灘。在夏秋季節,侵蝕量更大,可能與季節性波浪強度相關。夏季和秋季通常是風力較強、波浪較大的時期,尤其是在山西部分地區,這種季節性波浪強度增加可能導致河灘侵蝕量更大,因為波浪的沖擊和侵蝕能力增強。不合理的拋石護岸加速了岸前沙灘的下蝕速度。河灘的侵蝕程度還受到河灘本身的抵抗能力影響。岸前河灘的抵抗能力取決于其土壤結構、巖性特征、植被覆蓋等因素。在夏秋季節波浪強度較大時,河灘的抵抗能力可能較弱,導致侵蝕加劇。

圖2 臨縣河灘剖面圖

護岸的設計和施工可能需要進一步考慮岸線穩定性,以減輕侵蝕影響。拋石護岸是一種常見的防護措施,旨在減輕波浪沖擊和侵蝕。然而,如果拋石護岸的設計和施工不合理,可能會對岸前沙灘產生負面影響。比如,拋石護岸的形狀和坡度可能不符合河流流動的要求,導致水流受到阻礙,進而影響了沙灘的沉積和穩定性。同時,拋石護岸的位置和長度也需要謹慎考慮,否則可能會導致局部水流的聚集,造成局部侵蝕和沙灘的下蝕。針對目前可能存在的不合理護岸造成的侵蝕問題,需要考慮適當的修復措施。修復措施可能包括調整護岸的形狀和坡度,重新布置護岸的位置,或者采取其他更合適的防護手段。修復措施應該基于綜合研究結果,考慮河流特性、岸線穩定性和環境保護等因素,以確保修復效果的可持續性。

侵蝕對當地人的生活環境造成了不可挽回的損失,沿岸地區通常是人們生活和居住的重要區域,河灘侵蝕可能導致房屋、道路、橋梁等基礎設施受損,甚至倒塌。臨近河灘的居民可能面臨房屋被沖毀的風險,導致居住環境的不穩定和安全隱患。河灘侵蝕可能導致植被喪失,河灘生態環境遭到破壞。這不僅對當地生態系統造成影響,還可能導致野生動植物的生存受到威脅,影響生態平衡。在2023 年3 月的觀測中,部分河灘被碎石覆蓋,碎石覆蓋可能會改變河灘的表面形態和地貌特征,對河灘的土壤結構和植被生長產生影響。這可能進一步影響河灘的穩定性和抵抗能力。其次,碎石覆蓋可能導致水流動力學特性的改變,進而影響河灘的侵蝕和沉積過程。

3 結論

通過對臨水岸線整體情況進行考察,提出計算剖面的方法,再對臨水岸線防護進行研究,研究的實驗研究結果顯示,山西臨縣河流岸前河灘存在明顯的侵蝕現象,主要原因是波浪作用,尤其是SW 向的波浪幾乎垂直于岸線,直接作用于河灘。夏秋季節的侵蝕量大于春冬季節,并且不合理的拋石護岸加速了岸前沙灘的下蝕速度。這些侵蝕現象對當地居民的生活環境和農田造成了不可挽回的損失。因此,在進行岸線侵蝕修復時,需要綜合考慮波浪作用、護岸設計和施工、河灘植被恢復等因素,以合理安排修復計劃,并在之后防患于未然,保護當地的生態環境和社會經濟的可持續發展。未來還需要考慮其他潛在的影響因素,以全面評估不同方案的優劣。