福建崇武半月湾渔港防波堤建成后下游海滩地形变化及养护对策研究

刘建辉，蔡 锋，，郑吉祥，戚洪帅，雷 刚

(1.国家海洋局海岛研究中心，福建平潭 350400;2.国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门 361005)

我国渔业发展迅速，渔港数量增长较快，仅福建省1998年以来就建设了234个大型渔港［1］，同时配套修建了防波堤和护岸等硬式海岸工程。硬式工程对减轻海岸带风暴潮灾害等有明显作用，但过去人们对其造成的海岸地貌变化影响不甚重视。随着人们环境意识的日益增强，硬式工程引起的海岸环境负面效应备受关注，逐渐成为海岸带研究学者关注的焦点。

渔港防波堤建设引起沉积物沿岸搬运系统失衡往往产生岸滩地貌剧烈变化［2-3］。Komar认为，许多严重的海岸侵蚀都是由于丁坝、防波堤和其他海岸工程直接引起的［4］;Moutzouris明确指出渔港工程的建设直接导致了一些区域的海岸侵蚀(或淤积)［5］，日本在20世纪60年代因渔业发展而大量修建渔港造成全国范围内的海岸侵蚀后果［6-7］就是最典型的案例。针对这一问题，许多学者提出了各自的解决方案，有从技术角度出发［8-9］，也有管理政策法规方面的建议［5］，针对具体工程的实际解决方案相对较少，我国在这方面的工作也存在较大不足。有鉴于此，通过对福建泉州崇武渔港码头修建后半月湾海滩的地貌变化分析，说明防波堤对邻近海滩的影响，并提出海滩养护对策，希冀能为我国沿海地区该类海岸侵蚀的防护和管理提供一定参考。

1 研究区概况

半月湾位于福建中部沿海崇武半岛南岸，湾口朝南，濒临泉州湾外海域(见图1)。湾内岸线大体呈东西向延伸的月牙形，早期原有海滩长约2.5 km，干滩宽度20～100 m不等［10］。崇武半月湾海岸组成为物质系燕山期花岗岩基岩风化壳及其残-坡积层以及风成沙地，海岸组成物质结构相对松散，强度较低。海湾东侧于2003年修建了一级渔港和防波堤工程，湾之东南面近岸海区原本有5个岛礁断续呈弧形分布，但目前的防波堤将各个岛礁连接在一起(见图1)。

图1 福建崇武半月湾海岸形态Fig.1 Configuration of Banyue Bay in Chongwu，Fujian

研究区沿海的潮汐类型为正规半日潮，平均潮差为4.27 m。其潮流性质属半日潮流型，潮流大多为往复流，涨潮自E向W，落潮相反;局部地区受地形影响，流态较为复杂。强风向为 N及 NE，最大风速32.6 m/s;常见风向为NNE，频率为28%;夏季风向主要为SSW，其他季度以NE或NNE向为主，大频率达45%。根据2010年10月～2011年09月实际观测资料(图2)［11］，研究区海域主要波型是混合浪。观测期间全年的波向主要集中在ENE～SW向，E为常浪向，所占频率为27.05%;春季和冬季常浪向为E向，夏季常浪向为SSE向，秋季常浪向为ESE向，全年强浪向出现在S向。

2 资料与分析方法

图2 崇武近岸全年(2010.09～2011.10)波浪分向分级图Fig.2 Wave rose of Chongwu nearshore from Sep.2010 to Oct.2011

在半月湾海滩选择有代表性剖面和合适观测点，埋设固定桩，DGPS定位，垂直海岸布设剖面CW-1和CW-2(位置见图1)。利用全站仪进行海滩剖面形态周期性测量，从2007年8月11日至2011年11月21日共同开展了8次海滩剖面测量，测量时间选择为当日低潮。通过叠加不同期次的剖面形态进行统计分析，研究其变化特征。

对比最新实测岸线与提取的历史海图岸线，分析岸线演变特征。将不同年份(2003年和2006年)比例尺为1∶2 000的海图基准面统一换算至理论深度基准面，使数据资料具有可比性，应用MapInfo软件进行数字化处理，提取出不同年份的岸线位置，叠加DGPS RTK现场岸线观测数据，分析不同时期岸线变化。

在研究区海湾外开阔水域进行一周年的波浪原型观测，波浪观测采用“浪龙”声学多普勒波浪海流剖面仪，观测点经纬度坐标为24°50.560'N，118°52.472'E，测波点位置海图水深约10 m。观测时间从2010年9月15日开始至2011年10月11日结束。根据实测水文资料结合海岸地形资料来模拟计算海滩养护工程演变通过SWAN模型计算得到半月湾整体波浪场分布，半月湾整体波浪场网格空间步长取100 m，近岸工程区波浪场网格步长取10 m，岸线变形模型网格空间步长取10 m，剖面变化模型网格空间步长取0.1 m。采用缓坡方程模型REF/DIF计算得到近岸波浪场，为岸滩泥沙输运模型提供波浪参数，进而计算岸线形变和泥沙剖面变形。

3 海岸变化特征

近几年半月湾海岸持续后退，逐渐危及到半月湾海滨公路和后方别墅区。2009年6月23日受台风“莲花”影响，崇武半月湾沿岸公路坍塌，为了保护陆上财产，当地政府于2010年6月沿岸修建了硬式护岸。下文将针对护岸修建前后的海滩变化做分类阐述。

3.1 海岸形态变化

3.1.1 护岸修建前

借助遥感图像对比(图3(a)、(b))可以清楚地发现半月湾海岸西部岸段发生了侵蚀，且表现形式多样:植被破坏，海岸线后退，形成侵蚀陡崖，岸滩下蚀等。2004年10月(渔港防波堤修建1年后)半月湾西侧海岸仍有木麻黄防护林分布，干滩宽度近百米;至2008年8月，海岸植被均已侵蚀殆尽，并形成海岸侵蚀陡崖，下伏老红砂层出露，干滩宽度剧减30余m，岸线后退，直逼临岸建筑。为了抵御侵蚀，西侧岬角附近堆砌了抛石护岸。通过对半月湾海滩西侧2003年12月、2009年6月所拍摄的海岸形态对比(图4(a)、(b))也可以看出，在2010年护岸修建前，滩面变化表现为束窄变陡退，原来近百米宽海滩几乎侵蚀殆尽，滩面岩石裸露，西部岸段侵蚀尤其显著。

图3 不同时期半月湾西部卫片对比Fig.3 Comparison of aerial pictures of the west Banyue Bay in different periods

3.1.2 护岸修建后

2010年半月湾护岸修建后固化了海岸，将海滩岸线从内凹的岬湾形态改变为近乎平直的形态，岸滩演变形式也发生了改变。人工固化岸线形态的变化导致海滩护岸修建后海滩最西端逐渐趋于稳定并略有淤涨，反之，中部岸段侵蚀最为严重，主要表现为下蚀、滩面沉积物消失、下伏老地层出露等现象(图4(c))。

3.2 岸滩剖面变化

3.2.1 护岸修建前

半月湾海滩护岸修建前进行为期一周年的剖面变化观测，观测时间为2007年8月到2008年8月，海滩剖面变化对比结果见图5。CW-1剖面位于半月湾西部，由于海岸不断迅速后退，在监测期间已经侵蚀到固定监测点，为保证监测剖面的可比性，2008年5月在向陆侧后移一段距离重新设定固定监测点。CW-1剖面在2007年8月至2008年8月之间岸线蚀退约5 m，滩面下蚀严重，下伏老红砂出露。CW-2剖面处于半月湾中部，靠近渔港防波堤。海滩后滨为风成沙地，滩肩宽度保持在40 m左右，剖面的变化主要表现在滩肩的蚀退和海滩坡折带的下蚀。

图4 不同时期半月湾中西部海岸形态对比Fig.4 Pictures showing the view of beach in different periods of the west Banyue Bay

图5 半月湾海滩不同剖面变化对比Fig.5 Comparison of beach profiles in different periods

3.2.2 护岸修建后

2010年6月到2011年12月期间，CW-1海滩剖面变化趋势表现为下蚀过程，期间发生动态的蚀淤变化。海堤根部的地形变化最为剧烈，下蚀深度达到92 cm，单宽侵蚀量31.52 m3，平均下蚀量为40 cm。2010年6月到2011年7月的年周期变化来看，距离堤根部28 m处发生淤积，平均淤涨高度为21 cm;距离测量原点28～68 m的部分发生下蚀，平均下蚀量为12 cm;总体而言表现相对稳定，形态变化较小。2010年11月到2011年12月的年周期变化来看，以海滩剖面侵蚀为主，单宽侵蚀量为23.5 m3，最大下蚀量发生在堤根处，达104 cm。从CW-2剖面的变化来看，海滩滩肩在2010年9月～2011年12月之间后退了9 m，但是干滩高度不断增加，潮间带坡折面也表现为侵蚀后退，低潮带以淤积为主。从不同阶段对比来分析，该剖面季节性变化明显，表现为夏季淤积和冬季侵蚀，总体表现为缓慢淤积(图6)。

图6 护岸修建后的半月湾海滩剖面变化Fig.6 Comparison of beach profiles in different periods after seawall construction

3.3 海岸线变化

2003年、2006年和2009年三个时期的岸线位置对比说明半月湾海滩处于持续蚀退状态(见图7)。从2003年到2006年的岸线变化可以看出:海滩西端岸线后退最快，最大后退速率为15.2 m/a，最大后退量为45.7 m，向东蚀退强度逐渐减小，在拦沙堤西侧230 m处发生蚀淤变化形式的转变，该处往东开始发生淤涨，越靠近拦沙堤淤涨量越大。相对而言，从2006年到2009年间，半月湾海滩岸线整体变化程度较前一阶段有所减小，但仍然保持“西强东弱”的侵蚀变化特征，与上文中两个剖面的变化对比结果相一致。总体而言，2003年至2009年期间半月湾西部海岸线处于后退状态，蚀退速度呈减小趋势;湾内拦沙堤附近海滩表现为淤涨，最大淤涨发生在拦沙堤处，岸线向海推进了15 m。

图7 半月湾海岸线变化过程Fig.7 Beach shoreline position in different years in Banyue Bay

4 分析与讨论

2003年以来半月湾海滩发生显著变化，其变化过程可分为两个阶段:第一阶段为2003年防波堤修建后至2010年6月海滩护岸修建之前，这一阶段海滩处于迅速后退期，其变化特征表现为西侧岸滩快速蚀退，西端年均蚀退率达6.2 m/a，滩面沉积物亏损严重，基底风化壳出露，向东侧岸线蚀退率逐渐变小，及至在拦沙堤西侧230 m处保持蚀淤动态稳定，继续向东则以淤涨为主，淤涨最大部分发生在拦沙堤处;第二阶段为2010年6月海滩护岸修建之后，从不同海滩剖面的变化判断，西部岸滩主要的侵蚀形式表现为海滩滩面下蚀，东部靠近拦沙堤仍表现为淤涨。

海岸地貌变化是对沉积物和近岸动力改变的响应，在渔港附近修建防波堤，不可避免的对原来水动力环境和沉积物搬运态势造成影响，甚至破坏原岬角间形成的(动态)平衡状态。2003之前，半月湾海岸在东西岬角和众多礁屿之间形成了动态平衡海滩，湾东侧2003年建成了渔港工程(包括突堤、避风港、渔业码头和长达539 m的南防波堤，见图1)对动力环境和输沙变化都造成了巨大变化。防波堤的建设造成两个方面的主要变化:一是改变动力环境，从E向到S向的主要入射波浪受到防波堤的阻挡作用，在堤头发生绕射，绕射波波峰线向港内展开，波能扩散，波高不断减小［12-13］，造成港内波影区动力减弱;二是改变沿岸输沙，在沿岸输沙作用下，沉积物在防波堤阻碍作用下在上游处发生堆积，不可避免的造成下游沉积物补给的减少，下游侧发生侵蚀［5，14］。简单而言，防波堤的修建阻挡了偏SE方向的波浪入射、阻断了从E向W方向的海岸输沙，这破坏了原来的沿岸平衡输沙态势，但是SW方向的波浪入射仍然存在，使得原来半月湾内西部岸段的泥沙不断向东部搬运，因为无向西的沿岸输沙补给，就造成西部泥沙亏损引起侵蚀，同时泥沙向东部运移产生淤积。

为了分析防波堤修建对近岸波浪场的变化，采用SWAN和REF/DIF两种波浪数学模型，利用2010年9月1日至2011年10月崇武海洋站实测波浪同步资料和海岸地形数据对近岸S～NNW方向平均波浪要素风浪场进行模拟［15］，模拟结果(如图8)说明:1)越靠近岸波能越弱，尤其在防波堤北侧遮蔽区内波高更小，浪向复杂波场混乱，同时半月湾西部的波能高于湾东部防波堤遮蔽区域;2)S向浪～W向浪产生的沿岸波浪主要表现为明显的由西向东趋势，WNW向～NNW向波浪作用下的近岸波浪场相对混乱。波浪场模拟也说明在波能西高东低的近岸环境下，波能流作用将造成向东的输沙，引起西侧沉积物不断向东部运移，产生西部的侵蚀和东部的淤涨。

图8 研究区近岸W～ESE方向平均波浪要素分布Fig.8 Distribution of wave parameters in direction of W to ESE

5 养护对策

修建渔港防波堤造成的海滩侵蚀现象在我国较为普遍，为了改变因防波堤构筑物造成的侵蚀现象，需要从加强海岸带管理和工程措施两个方面来开展工作。近年来海洋环境意识日益增强，对过去流行的硬式结构保护措施应用越发谨慎，生态软式海岸防护的需求越来越高。海滩养护因其在修复侵蚀受损海滩、改善海岸环境、提高滨海旅游收益等方面的优点成为当前许多地区海滩防护的首选。

崇武半月湾海滩原是知名滨海旅游区，目前尚存留一定量的天然沙滩。为了保护海滩，进一步提高其旅游价值，在防护过程中需要考虑与环境和谐的生态措施，减少硬式工程对景观的影响和海岸负面作用。通过海滩养护来实现改善海滩现状、抵御海岸侵蚀的目的。研究区潮差大，又处于著名滨海沙滩景区，硬式海岸构筑物如潜堤、丁坝等对景观负面影响巨大，因此采用直接补沙的方式恢复半月湾沙滩，对海岸生态环境改造影响较小，沙滩本身作为有效的缓冲区来实现对海岸侵蚀的防护。其基本防护思想是在半月湾海岸、崇武古城岬角与崇武中心渔港西侧突堤之间进行填沙修复并塑造沙滩，形成长约1.6 km，滩肩宽度30～180 m不等的人工沙滩(见图9(a));通过对半月湾邻近其他天然海滩的沉积物和海滩形态的对比分析，结合工程区的动力条件，为了提高养护海滩稳定性，设计养滩沉积物中值粒径为1 mm;养护海滩的干滩高程比目前海岸线位置高1 m;根据以往在其他地区的海滩养护施工经验，潮间带施工滩面以1∶10放坡［16］。

根据上文提出的半月湾海滩养护方案，应用Genesis岸线变化数值模型，采用2010年9月至2011年10月崇武海洋站实测波浪数据资料，在假定当地波浪稳定不变的情况下，模拟计算2011年4月1日至2017年4月1日半月湾人工沙滩演变情况［15］。输沙数模研究结果(图9(b))表明，施工后的养护海滩沉积物会逐年由西向东搬运，年平均净输沙量约3万m3，工程竣工后5～6年内，西端海滩基本被侵蚀搬运至东部。为了塑造良好的滨海旅游海滩，需要进行周期性再养护补沙。半月湾海滩养护后的沉积物迁移主要发生在在海滩系统内部，西部沉积物亏损、东部沉积物富集，鉴于沙滩系统内部沉积物总量保持一定的平衡，可以采取“抽东沙补西沙”的内部循环养护方式来实现沉积物的人工再分配。即在人工沙滩工程完工后，每5年为一个周期，从沙滩东侧淤积区抽取水下沉积物输送到西端，按照原养护海滩的设计模式实现西端海滩的再养护，预计再养护补沙量约为20万m3。海滩系统内部沉积物循环养护方式既可节省再养护经费又减少对海滩环境的破坏影响，有利于海滩管理与维护。

图9 崇武半月湾海滩养护方案设计及海滩演变预测Fig.9 Beach nourishment design plan and shoreline evolution simulation of Banyue Bay

6 结语

渔港防波堤建设不可避免地改变了近岸动力环境和沉积物的搬运态势，往往引起临近岸滩的地貌剧烈变化。通过对崇武半月湾海岸变化研究表明，上游渔港防波堤修建后海湾西侧处于主波向下游的海滩侵蚀强度最高，中部侵蚀强度逐渐减弱，东部防波堤遮蔽区内则发生堆积。主要原因在于伸出海岸的防波堤阻挡了东-南向主入射波，使得沿岸输沙方向改变为由西向东，西部沉积物向东搬运，补给不足，产生西蚀东淤现象。针对这种类型的海岸侵蚀变化，提出在侵蚀区开展人工海滩养护工程的方式进行侵蚀防护，根据沉积物的输移规律和海滩系统内部沉积特征，建议以周期性(5年)抽取港池遮蔽区内淤积沉积物再喂养侵蚀区的方式，来完成循环养护，以期减少维护费用和对海岸环境影响。希冀对其他相似类型的侵蚀海滩保护和管理具有一定的参考价值。

致谢:国家海洋局第三海洋研究所廖康明、曾志、陈智杰、何佳、郑斌鑫、束芳芳等人参加了水文动力观测和波浪分析，蔚广鑫、刘根、于帆等参加了野外地貌测量，在此致以衷心感谢。

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