北戴河西海灘波浪動力與人工養護沙灘侵蝕原位監測研究

馮梅，冀坷帆，白玉川，王剛，張甲波，黃哲

（1.河北省海洋地質資源調查中心，河北省海洋岸線生態修復與智慧海洋工程研究中心，河北 秦皇島 066000；2.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；3.水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350）

0 引言

隨著河流入海沙量的急劇減少和海平面上升，海岸侵蝕的風險逐漸加劇[1]。全球70%的沙質岸線都處于侵蝕狀態，自然海灘面積急劇減小，甚至完全消失[2]。因此，人們對沙質海岸開展了保護工程，經過“讓海護岸”、硬工程護岸，發展到現階段普遍采用的軟工程護岸，即海灘拋沙或稱為養灘工程。目前普遍認為養灘是當前抵御海岸侵蝕，改善海灘使用功能的最佳方式之一[3-4]。

國外開展海灘養護的工作較早，美國最早在東海岸連續進行了154 處的養灘工程，取得了良好的效果[5]。我國的沙質岸線修復治理起步較晚，且由于環境影響和人為原因，養護后的沙質海灘退化依然明顯[6]。適合我國的沙質海灘人工養護方法處于逐步探索中，北戴河的“沙丘-灘肩-沙壩-潛堤”近自然岬灣沙質海灘修復模式，通過設置人工岬灣[7]、人工補沙[8]、人工潛堤[9]等工程措施，取得了良好的整治修復效果。近期針對養灘后海灘剖面演變開展了監測分析，并且在分析岸灘侵淤規律的同時[9]，也開始探究波浪場對養護后海灘的作用[10]。

海灘侵淤狀態由沙源補給量、岸線地形、動力環境等共同控制[1]。在岸線地形與沙量補給基本不變的前提下，外動力環境將是首要因素，主要包括波浪、海流和潮汐動力[11]。在波浪、潮流及兩者的疊加作用對泥沙起動、運移方面已取得了大量的研究成果。研究者多數通過分析可動顆粒的受力平衡條件，得到泥沙起動的臨界條件[12-13]。也有學者將河流單向流的泥沙運動理論擴展到近岸雙向流動力條件下，并考慮波浪的不規則性[14]，得到了很多半經驗半理論公式，用于計算泥沙起動條件和輸沙率[15-16]，但是不同計算公式結果偏差較大，對于實際工程的指導意義還有待提高[17]。此外，針對具體的海岸整治工程，學者們開展了數值模擬研究工作，得出了近岸人工養護岸灘的波流耦合作用[18]，以及多工程聯合作用下近岸泥沙場和岸灘演變趨勢[19]。

目前，對自然環境中的海灘侵蝕已開展了大量的人工修復工作，但對人工養護海灘侵淤與波浪等外動力響應特征還缺少長期、連續、高頻次的原位監測數據，基于實測數據分析的人工岸灘的侵淤量與波浪特征的定量關系還不明確。本文通過對人工修復海灘的原位剖面以及波浪條件的長期監測，得到波高對海灘侵淤量的累積曲線。發現了修復海灘侵淤量對波浪波高的響應特征，成果可為養灘后海灘質量監測和未來海灘修復設計提供參考。

1 工程與監測概況

研究區域位于秦皇島北戴河西海灘東部，利用“沙丘-海灘-沙壩-潛堤”的海灘修復模式，對原來侵蝕殆盡的海灘進行修復治理。在原海岸線基礎上，灘肩向海推進50 m，在離岸約200 m 處吹填人工沿岸水下沙壩（如圖1 所示）。在西海灘中部，平行于海岸線建立3 座離岸潛堤，西海灘東側老虎石原棧橋處修建人工潛礁，并保留潮流通道，如圖1 所示。養灘客沙以粗中沙為主，顆分數據如圖2 所示，平均中值粒徑為0.42 mm，分選良好，偏態近對稱分布。

圖1 工程區域及原位監測剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of project area and in-situ monitoring profile

圖2 拋填沙顆分數據圖Fig.2 Particle size gradation of sand for nourishment

原位監測剖面位于西海灘東部，垂直于海岸線，剖面自西向東分別為M1、M2 和M3 剖面（圖1），工程修復后的初始剖面見圖3，修復后灘肩后緣初始高程約為2.5 m，前緣初始高程約為2.0 m，灘肩坡度約為1∶100～1∶200，灘面坡度約為1∶10。原位剖面監測采用RTK 測量，監測頻率約為5 d。波浪數據由SBP3-1 型波浪浮漂遙測系統自動收集，浮漂位于M2 剖面正前方，人工沙壩外側，距離岸線約1 km，水深5.5 m[20]。波浪原始數據為每日8 個時刻的有效波高、最大波高和1/10大波波高。為了保證波高數據與剖面觀測的頻率相一致，同時考慮較大波高對岸灘侵淤的影響更為顯著，因此將5 d 內統計所得的各特征波高最大值作為影響該時段內沙灘侵淤量的主要因素。

圖3 原位監測初始剖面圖Fig.3 Initial profile for in-situ monitoring

2 周邊海域水文特征

秦皇島海域主要波浪類型為風浪以及風浪為主的混合浪，約占全年總次數的75%，而涌浪以及涌浪為主的混合浪約占22%。該區常浪向為S向，強浪向為SE 向，長期累積出現率最高的波浪波高為0～0.5 m，出現頻率為62.31%，極個別2 m以上的波高波浪主要波向在ENE 至WSW 向范圍之內。區域最大潮差均介于1.4～1.5 m，屬弱潮海岸，大潮、中潮期間明顯表現為一漲一落的日潮特征，小潮時半日潮特征明顯增強[20]。海區整體流速較小，且大、中、小潮差異不明顯，落潮平均流速略大于漲潮。漲潮平均流速介于0.13～0.3 m/s，漲潮最大流速介于0.2～0.5 m/s，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s。流速在垂線分布上變化不大，呈表層流速比底部稍大的變化特征。根據實測資料分析，該海域余流流速很小，平均值約為0.003 7 m/s。基于水文特征的分析，秦皇島海域潮流動力低，現場觀測結果顯示近岸海域的流速基本在0.2 m/s以下，相關的數值模擬結果顯示在岬角保護的近岸海域，潮流流速基本都在0.1 m/s 以下。而本工程拋填沙中值粒徑在0.42 mm 左右，泥沙起動流速在0.2 m/s 以上，因此潮流作用對拋填沙運移影響微小，海灘泥沙起動與運移受波浪動力及波浪產生的近岸流影響更為顯著。

3 監測成果分析

3.1 波高頻率分布和灘面侵蝕過程

研究區域內最大有效波高頻率分布見圖4。

圖4 有效波高頻率曲線圖Fig.4 Frequency curve of significant wave height

由圖4 可知，波高分布有大小波峰現象，主要分布在0.3～0.6 m，約占總有效波數的85.7%，大于0.6 m 的有效波高個數約占12.5%，0.2 m 以下的有效波高在本次統計中未出現，以0.6 m 為界，兩部分比例約為7∶1。在研究時段內，每隔2～3 個月選取其中7 期來分析灘面形態的變化（如圖5 所示）。從圖5 可以看出，所有監測斷面均出現了不同程度的侵蝕，表現為海灘高程的下降和灘面的后退。最大侵蝕高度均能到達1 m 以上，或接近1 m。其中，M3 斷面的海灘蝕退最為明顯，最大侵蝕高度達到了1.7 m 左右，灘面后退距離能達30 m 左右，這與M3 斷面的泥沙較細有關。

圖5 灘面侵蝕過程Fig.5 Process of beach face erosion or deposition

3.2 有效波高與灘面侵淤量的關系

利用RMAP 剖面處理軟件計算出對應的海灘單寬侵淤量。一般認為較大波高對岸灘侵淤的作用更強，因此首先統計了最大波高和1/10 大波波高與月際侵淤量的統計關系（如圖6 所示）。圖中將研究時段內相同波高引起的侵淤量進行了合并，作為該波高作用下引起的岸灘總侵淤量。圖中可以看出，最大波高和1/10 大波波高越大，引起的岸灘侵蝕愈明顯，但是通過回歸分析發現較大波高與侵淤量的相關性不強。另外，統計了有效波高與海灘侵淤的關系。為了避免某一波高作用下引起岸灘侵淤的隨機性，將波高值在某一范圍內進行統計，并將該范圍內的波高對應的侵淤量進行求和，可得各波高范圍作用下海灘的總單寬侵淤量（如圖7 所示）。圖中數據表明中小波高（0.3～0.6 m）對于3 個岸灘剖面的侵蝕貢獻都較為顯著。結合圖4 中的波高出現頻率可知，雖然該波高動力強度不大，但是出現頻率較高，依然能對岸灘侵蝕產生顯著影響。同時圖中可知，在較大波高（＞1.5 m）條件下，也能產生較大的岸灘侵蝕量（M1 剖面岸灘侵蝕數據缺失）。雖然大波高出現頻率很低，但是其引起的岸灘侵蝕也不可忽視。

圖6 最大波高和1/10 大波波高與海灘月際單寬侵淤量的統計關系Fig.6 Statistical relationship between the maximum wave height,top 10%wave height and the inter-monthly single width erosion or deposition of the beach

圖7 有效波高與海灘單寬侵淤量的統計關系Fig.7 Statistical relationship between the significant wave height and the single width erosion or deposition of the beach

分別將原位監測剖面M1、M2 和M3 的單寬侵蝕量數據依波高從大到小的順序進行累加，得到大于該波高的侵蝕量對總侵蝕量貢獻度的比例圖（見圖8）。圖中3 個剖面的波高與侵蝕量的累積變化曲線基本呈指數分布。該曲線可分為2 段，對于M1 剖面，大于0.6 m 波高的累積侵蝕量貢獻度基本穩定，約占全部侵蝕量的35%，0.3～0.6 m的波高對侵蝕量的貢獻度可達65%左右。對于M2剖面，0.3～0.6 m 的波高范圍內，累積侵蝕量曲線比M1 剖面坡度陡，導致該范圍內波高對侵蝕量的貢獻度達到了80%。M3 剖面曲線表明0.6 m 以下的波高對總侵蝕量的貢獻在60%左右。

圖8 波浪侵蝕量累積貢獻度Fig.8 Cumulative contribution of wave erosion

綜上所述，3 條監測剖面的波高與累積海灘侵蝕量曲線基本都呈指數衰減分布規律。以0.6 m波高為界，大于該波高的波浪對總侵蝕量的貢獻度約為25%，波高介于0.3～0.6 m 之間的波浪對總侵蝕量的貢獻度達到75%左右?？紤]到兩區段有效波高頻數之比約為1∶7。從長期海灘侵蝕量分析，單個大波浪對海灘的侵蝕量大于中小波浪。但因為波高頻數的限制，大波浪對人工養護海灘總侵蝕量的貢獻較低，人工養護海灘的總侵蝕量由大量較小波高的波浪引起。

4 結語

本文通過對養護海灘的波浪及灘面侵蝕量的長期原位觀測，統計分析了不同波浪波高對海灘侵蝕量影響，可為養護海灘的質量維護、設計與監測提供一定參考。研究得到以下結論：

1）北戴河西海灘在養護后出現了比較明顯的蝕退，最大侵蝕高度可達1.7 m，灘面后退距離可達30 m，侵蝕量與養護拋沙的級配有密切關系。

2）單個的較大波高導致的海灘侵蝕量更大，但是中小波高出現頻率更大，在岸灘侵蝕中起到更大作用。波高對海灘侵蝕量影響的累積曲線呈指數分布，以波高0.6 m 為界，較小與較大的波浪對海灘總侵蝕量貢獻度之比約為3∶1，表明大量較小波高的波浪對海灘侵蝕起到主要作用。

3）長期的原位觀測手段是研究海灘侵淤過程、海灘養護效果后評價的有效手段。海灘養護設計除要特別關注大波浪的沖刷影響，還需特別注意出現頻率較高的中小波浪的作用，需通過優化海灘剖面、平面形態，設置海岸防護工程，降低水流強度，來減小中小波浪對海灘侵蝕的累積影響。