珠江口外伶仃岛海滩修复研究*

朱 嘉，刘建辉，蔡晓琼，3

（1．南京大学 南京 210008；2．国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005；3．国家海岛规划与保护研究中心 厦门 361005）

珠江口外伶仃岛海滩修复研究*

朱 嘉1，2，3，刘建辉2，蔡晓琼2，3

（1．南京大学 南京 210008；2．国家海洋局第三海洋研究所 厦门 361005；3．国家海岛规划与保护研究中心 厦门 361005）

海滩养护是当前全球广泛流行的具有生态环境保护意义的软式海岸工程手段。文章以广东珠海外伶仃岛小石嘴沙滩为例，首次选取珠江口海岛沙滩，开展近岸动力、近岸地形、海岸动力地貌、沉积特征等多方面的研究，最终通过补沙方法修复了一个适应于该研究区近岸动力条件的人工海滩，不仅极大地增强了海滩抗蚀能力，而且较好地改良了海岸景观。

海岛；海滩养护；海岸动力地貌；人工海滩

纵观发达国家的海滩养护工程，一个显著特征是海滩养护与海洋旅游密切结合，相互促进。大规模海滩养护工程不仅有效保护了海岸免受侵蚀，降低了飓风带来的海岸带风暴潮灾害，而且在改善海岸环境、发展旅游业方面发挥了巨大的作用。

外伶仃岛位于广东省珠海市万山海洋开发试验区东北部，居香港西南部出海口中央，具有毗邻港澳的独特区位优势，以南亚热带海岛风光和伶仃洋人文底蕴为主要特色，是珠江口经典的休闲度假旅游岛，上岛休闲游的人群中不乏港澳游客。但是从外伶仃岛乃至整个万山列岛的地理特征和海岸地貌来分析，整体缺乏当今滨海旅游最热门的休闲活动场所——海滩，偶尔可见的海滩（如小石嘴海滩）也是零星分布，规模较小，且质量等级不高。这就造成了旅游业发展和滨海旅游需求与该岛现有的海滩旅游资源严重匮乏之间的矛盾，为了解决这一问题，受地方政府之托，此次研究首次选取珠江口海岛进行海滩养护技术应用，以改善滨海生态环境、提升海岸景观和滨海旅游区的等级与品位、拓展旅游场所和宾客亲水空间。本研究得到了地方各级政府的积极响应和大力支持，产生了较大的社会和经济效益［1－6］。

1 研究区环境概况

1.1 地理位置

外伶仃岛位于万山群岛中部东北端，珠江口东侧，岛东北距香港南丫岛10．9 km、距香港岛18．6 km，岛长2．9 km，宽1．07～2．03 km，环岛岸线长12．22 km，面积4．312 3 km2。外伶仃岛由花岗岩构成，地势东西高，北部和中间稍低，岛中央主峰伶仃峰高311．8 m。海岛表层主要为褐色黏土，基岩裸露。岛岸陡峭，多悬崖峭壁，岸线曲折，共有大小港湾10个，其中以伶仃湾和塔湾为主。本研究区位于外伶仃岛西北部（图1），岸线长约500 m，东端为码头防波堤。

1.2 气候特征

外伶仃岛位于北回归线以南，属于南亚热带季风气候型。其主要气候特征是：日照时间长，光能充足，但早春阴雨寡照；累年平均气温高，热量丰富，冬季伴有低温冷害；气温年较差不大，但在短期内气温变化速率大；雨水充沛，季节变化明显［7－8］。

1.3 水文特征

1.3.1 潮汐特征

本海域潮汐属不规则半日混合潮型，在一个月内有一半以上的日期1 d有两次高潮和两次低潮，且相邻高潮不等现象较显著。大潮出现在朔日和望日之后1～2 d；小潮出现于上、下弦之后1～2 d。海域属弱潮区，潮差相对较小［9］。

图1 研究区位置示意图

本海区潮流属不规则半日潮流，日不等现象较显著，潮流呈往复流性质。据附近海图有关潮流资料，工程海区涨落潮流流速在0．5 m／s左右，流向近似为EW。

1.3.2 波浪特征

研究区近岸海域风浪向多为偏东，平均波高为1．4 m，最大波高为4．9 m，东向浪出现频率为34%。全年风浪以东向为主，10月出现东向浪频率最高，占60%。风浪平均波高范围为0．8～1．5 m，最大波高为9．5 m，秋季的风浪较大，平均波高在1．1～1．4 m之间。年平均周期为6．3 s。涌浪一般由外海传至该区域，以东南或东南偏东为主。10月各波级出现频率：0．0～0．4 m占9%；0．5～1．4 m占62%；1．5～2．9 m占25%；3．0～4．9 m占4%［10－12］。

1.4 海岸特征

本研究区主要由连岛沙坝形成，海岸发育呈现“W”型的东西海滩，开口均朝向NNE，后滨均为人工海岸，中部基岩和人工通道将其分割为东西两个相对独立的海滩，在正常气候条件下，海滩沉积物交换较少，难以发生沿岸输沙。

岬角西侧海滩发育较好，海滩为NE走向，开口朝向SW；东侧为基岩岬角，西侧为人工护岸，后滨为人工护岸；海滩干滩宽度20～30 m，干滩坡度约为1∶20，潮间带显著变陡，坡度为1∶8～1∶10；滩面西南部存在数块几米高的巨石，影响了海滩视野与景观；滩面沉积物为中沙－细沙，分选较好。

岬角东侧海滩与西侧海滩差异显著，其沙滩整体由近NS向连接基岩岬角的岸段和近WE向护岸前的海滩形成，构成了一个近似“L”型的岬湾海滩形态；干滩宽度较小，涨潮时仅出露数米，潮间带坡度较陡，约为1∶6～1∶10；滩面沉积物为粗沙和砾石，由于礁石出露，水下地形十分复杂，对于海滩地貌形态有着明显的影响；后滨为人工护岸，影响了自然海滩的发育和发展，破坏了海滩体系的完整性，产生了目前海滩滩面束窄的现状。

1.5 岸滩演变历史

小石嘴天然海滩岸线相对而言比较稳定，为了增宽海滩，2010年当地政府通过人工填沙方式，使得东侧海滩有一定程度的淤涨。根据对当地的现场调访，小石嘴西侧海滩整体形态向西侧迁移，使得连岛坝东部发生少量淤涨。工程区水深较大，海滩沉积物很少被搬运到海滩系统之外，大部分沉积物在海滩系统内部运动［13］。

2 海滩养护方案研究

2.1 海滩平面方案设计

在总结研究区以上环境特征的基础上，考虑到小石嘴海滩中部有一突出的基岩岬角，在很大程度上影响了波浪作用，同时西部的人工护岸和东部的码头防波堤控制了该海滩的形态格局。因此，养护海滩稳定岸线的设计要充分考虑和利用目前已经存在的天然岬角和人工构筑物，利用Mepbay软件预测沙滩的稳定海岸形态［14］。

由于中部基岩岬角的存在，将小石嘴海滩分割成两个相对独立的小海滩，在进行平面形态设计时，主要的设计思路为根据同样的近岸动力条件，采用类比方法，利用现有的控制岬角，构建东海滩稳定形态［15］。小石嘴东海滩养护形态设计如图2所示，其效果如图3所示。

图2 小石嘴东海滩养护形态设计

图3 小石嘴东海滩养护效果

2.2 养护海滩剖面设计

海滩平衡剖面理论的简单方法已被应用到海滩养护工程中。海滩养护工程剖面的坡度通常设置比平衡剖面更陡，形成一个凸出，或者平面上的一个“鼓起”。海滩平衡剖面设计有多种方法，外伶仃岛海岸潮差小，波浪作用较强，适用于Dean（1977）的海滩平衡剖面模式。这一方法在美国应用十分广泛，它主要针对于某种特定的填沙粒径，通过抛沙于海滩上来增加干滩宽度。

本次工程根据小石嘴海岸的实际情况，将人工沙滩的上限高程（即滩肩高程）设置为2．9 m（85国家高程基准）。根据上文的设计方法，海滩经过天然动力调整逐渐趋于稳定，稳定干滩宽度在数年内保持在30～40 m之间，岬角两侧较宽，中部略窄。

2.3 养滩填沙设计

2.3.1 设计思路

养滩沙沉积物粒径的选择是海滩养护设计最重要的环节之一，海滩沉积物粒级对海滩稳定性具有重要影响，在设计海滩养护工程的填沙粒径时，要考虑其在海岸防护和休闲旅游方面的4个主要表现：海滩稳定性、沉积物动力学、持久性和海滩休闲需要。

一般而言，某种粒级沉积物组成的海滩在强波浪动力条件下会形成一个较缓的坡度，而动力较弱情况下则形成较陡的坡度（表1）。

表1 不同沉积物粒径在不同波浪条件下的海滩剖面坡度对应关系

养护海滩剖面必须与养滩沉积物的粒级特征相适应，否则会引起向自然平衡剖面状态的迅速调整，如果设计剖面过陡则会引起上部海滩的迅速侵蚀。经过一段时间的波浪作用，海滩沉积物粒级也会向着更典型的自然海滩演变。

2.3.2 设计方法

由于养护研究区现场水文观测资料和沉积资料较少，采用天然沉积物类比的方法进行养护海滩沉积物设计。为了掌握海滩沉积物基本特征，在小石嘴东西两个海滩的横向剖面上都进行了采样并作粒度分析。

根据海滩表层沉积物的采样分析，发现海滩沉积物较粗，干滩沉积物平均粒径为0．7 mm，向海沉积物粒径变粗，中潮带为粗沙平均粒径为1 mm，潮下带沉积物粒径更粗达3～4 mm。据了解，2010年小石嘴海滩曾经进行过小范围的人工补沙，补沙沙源主要从南侧小渔港内所淤积的碎石子疏浚而来，补沙方量较小，但是补沙沉积物粒径较大。

2.3.3 养滩沉积物的确定

根据对当前研究区海滩的沉积分析和养护研究，小石嘴海滩养护将采用上下两层不同的填沙来保证海滩稳定性和表层海滩的舒适性，其补沙示意如图4。垫层沙和表层沙的要求如下所述。

图4 小石嘴海滩养护剖面双层铺沙示意图

（1）垫层沙要求为砾沙，沙质标准为石英＋长石大于92%，粒径大体在1．2～1．5 mm的范围，含泥量小于2%，且沉积物颗粒中粒径小于1 mm的组分含量必须小于10%；

（2）表层沙（即铺填于滩面最顶层约厚0．5 m的沙）要求为中粗沙，沙质标准为石英大于80%，石英＋长石大于96%，填沙粒径最大抽样平均值不大于1 mm，最小抽样平均值不小于0．8 mm，含泥量小于0．2%，贝壳含量小于1%。

3 讨论

3.1 海滩改造对沙滩的影响

人工养滩目的是治理海滩，海滩沙回填直接导致海滩剖面外推，海滩宽度特别是滩肩宽度将增加；养滩沙选择品质良好的中粗沙，客沙粒径略大于沙滩原沙粒径，养滩工程完成后，将形成优质的旅游海滩。

3.2 海滩改造对海岸的影响

海滩补沙后海滩宽度和沙层厚度将增加，增强了海滩对波能的渗透和吸收能力，同时渗透消能有利于降低波浪爬高，所以海滩沙增加可以减轻海岸侵蚀，起到软性护岸作用。

3.3 海滩改造对原有生态系统的影响

潮下带和低潮带的原底质多为中细沙，海滩回填不会改变底质物质组成，对包括底栖生物在内的原始生态环境将会形成短期的影响，需经过一段时间的恢复。

3.4 景观影响

海滩回填扩大了海滩宽度，改善了海滨浴场的亲水性，掩盖了杂乱的礁石等，保证了其浴场功能，对海滩景观有明显美化作用。

3.5 对改造岸段滨岸区的影响

实施海滩养护施工过程中悬沙量增加，沿岸输沙量增大，对西侧滨岸区段沙滩的作用也是良性的，从而减轻海岸侵蚀灾害的影响。宏观看来，本次实施的养滩工程所在的海岸属于基岩—沙滩组合型的岬湾海岸，通过人工养滩，沙滩的恢复治理工程可以营造平衡稳定的岬湾，不会对滨岸区造成影响。

4 总结

目前外伶仃岛海滩修复研究的一期工程已完成，根据上述研究成果和方法原理进行施工，在原有部分天然滨海沙滩的基础上，加大了滩肩宽度，延展了沙滩岸线长度，并在后期监测中保持了较高的稳定性。在总结经验的基础上，我们提出了后续研究和二期工程中应注意的问题。

根据相关同类工程施工经验，小石嘴沙滩修复工程实施过程中，沙源质量问题事关工程成败。对比可知，岬角西侧海滩沉积物相对较细，而东滩海滩目前沉积物较粗，为了确保养滩稳定性和再养护周期更长，必须要求沙源质量达到设计标准。建议业主安排专人负责联系、落实工程用沙的沙源，并跟踪监督，保证入场工程用沙的质量。

相对而言，小石嘴海滩养护工程较小，长度仅240 m，根据前人的研究成果，越小的海滩稳定性越差，为了提高海滩的稳定性，必须保证在施工过程中，海滩水下前缘岸坡的养护沉积物粒径要大于1．4 mm。

对于本工程而言，其地理形态直面较开阔的大洋，每年受到风暴潮袭击和影响的次数较多，这对于海滩稳定性面临较大的考验，可能在高强度水动力作用下发生明显变化。但是在高能水动力作用期间发生迁移的沉积物一般不会被搬运至海滩系统之外，可以在常规水动力作用下逐渐恢复。

海滩养护并非一劳永逸的一次性工程，由于海岸系统的复杂性和自然作用因素的多样性，在一定的周期内需要进行再养护。根据国内外的养护实践经验，一般海滩养护工程寿命在5～7年。

建议在研究区附近建立一个长期水文综合观测站，以测量近岸水动力条件，以便为人工海滩演变研究以及未来的其他海岸工程提供必要的基础数据支持。

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海洋公益性行业科研专项经费项目（200905004）；国家海洋局海岛司2013专项任务资助项目．