淤泥质海床环境下的岬湾海滩补沙试验研究—以象山县下沙海滩为例

姚文伟，黄世昌，刘 旭

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江 杭州 310020）

淤泥质海床环境下的岬湾海滩补沙试验研究—以象山县下沙海滩为例

姚文伟1，2，黄世昌1，2，刘 旭1，2

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋规划设计研究院，浙江 杭州 310020）

下沙海滩位于象山县东海岸，长度约为600 m，宽度约40 m，由于早期挖沙严重，加上滩肩建设海堤减少了来沙条件，造成部分沙滩中潮位以下泥滩裸露明显，海滩宽度缩小明显，海滩外侧距岸线100 m外的海床为淤泥质。采用静态岬湾平衡理论和平衡剖面对人工补沙试验进行了平面和剖面设计；并对补沙后海滩的剖面和平面形态等特征参数的演变进行了分析，评估了补沙后的沙质流失率和滩面泥化程度。结果表明，补沙后沙滩的宽度增加明显，剖面坡度基本维持在1∶13，滩面表层泥化现象较小。

补沙；沙滩设计；沙滩演变；泥化

浙江省位于长江口南侧，由于长江口的巨量泥沙入海，沿海的海床环境主要为淤泥质，仅在基岩岬角拥护的半开敞小海湾内发育了少量的沙质海滩，类型单一，分布集中，主要集中在象山东部和苍南县境内，沙质岸线总长约为25 km，仅占大陆海岸线的1.15%[1]。这些宝贵的沙滩资源是人们进行休闲旅游的重要场所，也是开发海洋旅游经济的重要基础，但是随着全球海平面上升、各种海岸工程的修建和早期人工挖沙等各种因素，原有的沙质海滩正在发生岸线后退、滩面粗化泥化等各类问题。几十年的工程实践表明，以人工补沙的手段进行海滩养护可以迅速增加海滩宽度，改善海滩的侵蚀现状。美国从20世纪20年代就开始对天然海滩进行人工补沙的研究[2]，我国在90年代开始在青岛、北戴河和三亚小东海等地也进行了相关的研究和工程实践[3]，但这些工程所在地的海床环境基本为沙质，在淤泥质海床环境下的研究较少，本研究基于人工补沙试验前后2次大范围的高精度地形测量，分析了象山下沙海滩人工补沙后的海滩平面及剖面形态的演变特征并对补沙效果进行了评估。

1 试验区概况

1.1 地理位置

下沙海滩位于象山半岛东部沿海中部偏北，其东侧海域为大目洋，东向与羊背山岛隔海相望，北有乔木湾岛、青门山岛、马鞍山岛和牛轭礁岛等阻隔，西南有象山本岛屏障，沙滩口门朝向东北，为典型的沙质与淤泥质结合的复式海滩，地理坐标为东经122°55′，北纬29°28.4′（见图1）。

图 1 下沙海滩地理位置示意图

1.2 气候特征

象山县地处浙江省东南沿海，属于亚热带季风区，气候温暖湿润，四季分明，雨量充沛。根据下沙海滩南侧约5 km的大目涂站（121°58′ E， 29°26′ N）1995年的实测资料，试验区常风向为NE和S方向，年内6 — 8月的夏季常风向为南风，其他季节常风向均为东北风，强风向为NNE和SSW，全年平均风速为4.7 m/s，1995年全年的风速风向玫瑰图见图2。

图2 1995年大目涂风速、风向玫瑰图

1.3 水文特征

1.3.1 潮汐特征

本海域为正规半日潮区，潮差相对较大，潮位特性以大目涂潮位站（121°58′ E， 29°26′ N）2009年的潮位资料作统计分析，潮位特征值见表1。

表1 大目涂站2009年潮位特征值表 m

工程所在海域面向东海，附近有羊背山、羊头山、大平岗等大小岛屿，潮汐涨落过程中，由于岛间峡道的存在，潮流复杂多变，但试验区近岸水域潮流总体上呈现往复流运动的特征，根据以往有关测流资料，流向近似为NW ～ SE，全潮平均流速约为0.7 m/s。

1.3.2 波浪特征

试验区的波浪为风浪和涌浪的混合型，出现频率基本相等，风浪常浪向为NE；涌浪则以E向为主，出现频率达70%以上。强浪向为E和ESE，大浪集中在秋季的台风和冬季的寒潮期间。风浪向具有明显的季节变化，冬半年常浪向以北向浪为主、次浪向为东北东，夏半年常浪向以偏南向浪为主，各月平均1/10波高0.20 ～ 0.50 m。

图3 1995年大目涂站风浪方向玫瑰图

1.4 海滩地貌特征

下沙海滩开口朝向NE，平面上呈NW ～ SE向的弧形，沙滩长约600.0 m，西北起始段紧邻山脚公路及住宅小区并筑有堤防，东南侧为磨石礁。沙滩滩面和泥面存在明显的分界线，泥滩坚硬，粗沙含量高，向外海，泥面变软，呈流塑性，表面为约0.50 m厚的新淤泥，其下泥质坚硬。海滩干滩宽度约为20.0 ～ 30.0 m，滩面大部分区域坡度为1∶15，东南段稍缓。滩面表层沉积物的中值粒径为0.2 mm左右，属细沙，分选较好。

2 补沙试验方案

2.1 补沙方式及补沙粒径

按填补泥沙在海岸剖面不同的抛填位置，人工补沙方式可分为：沙丘补沙(堆积在平均高潮位以上)、海滩补沙 (堆积在平均低潮位与沙丘线之间)、近岸补沙(抛填在平均低潮位以下形成人工沙坝)等形式[4]。下沙海滩近岸海床为淤泥质不适合近岸补沙的形式；同时其沙丘位置较短，施工不便也不适宜进行沙丘补沙；因此，本次补沙试验采用海滩补沙的形式，其施工难度中等而且能够迅速增加干滩宽度，效果显著。

海滩养护中进行人工补沙，补沙粒径应大于原海滩的沉积物粒径，这样可以避免填补的泥沙被海水起悬带出海滩，从而使补沙后的海滩更稳定[5]。同时，补沙粒径的确定还需考虑人体的舒适度及景观效果，同时，参照象山县周边海滩潮间带的沙体粒径，确定补沙的中值粒径为0.5 mm左右。

2.2 平面布置

海滩的稳定形态可用静态平衡和动态平衡来描述，考虑到北侧堤防和南侧磨石礁的拦沙和遮蔽作用，下沙海滩的沿岸输沙占比很小，可用静态平衡的岬湾沙质海岸稳定平面形态作为补沙平面设计的依据。下沙海滩由于早期的大量挖沙外运，加上海堤建设减少了来沙条件造成干滩缩小、中潮位以下泥滩裸露明显等问题，但整个海滩沙质部分的平面形态基本维持稳定，为尽量减小波浪条件下沙滩的泥沙损失，人工补沙的平面布置形态应尽可能地接近天然沙滩形态。因此，本次补沙试验的平面布置也遵循这一原则，在原有沙滩的基础上，基于已有的岸线形态，合理增加干滩宽度。

2.3 剖面设计

我国采用人工补沙方式进行海滩养护修复的工程中较为成功的几个案例如：北戴河西海滩、厦门香山至长尾礁沙滩、珠江口外伶仃岛海滩的补沙剖面设计均采用了平衡剖面的模式[6-8]。本次铺沙试验的剖面设计同样采用该方法，平衡剖面设计可以采用Bruun - Dean的模式[9]，Bruun和Dean指出波控近岸平衡剖面可表达为：

式中：y为离岸线的距离（m）；h为距离海岸线y处的水深（m）；A，m 为经验拟合常数；其中A = 0.067ω0.4，ω = 14D1.1；ω为沙粒沉降速度（cm/s）；D 为沙粒的平均直径（mm）。Dean对美国东海岸和墨西哥湾504条近岸剖面做最佳拟合，确定以m = 2/3 作为平衡剖面的指数常值。

干滩设计高程应大于或等于大潮高潮位与波浪爬高之和，参考大目涂大潮平均高潮位为2.19 m，年均H1/10波高为0.50 m，确定干滩设计高程为3.00 m；考虑到铺沙量，滩肩宽度取30.00 m。剖面坡度通过计算约为1∶12.5，考虑到波浪对剖面的塑造及分选作用，建议剖面坡度按1∶12.0，推荐的补沙剖面见图4。

图4 补沙试验剖面设计图

3 铺沙试验后沙滩演变过程

3.1 剖面的侵淤变化

补沙试验的实施时间为2011年11月，用沙总量约7万m3。试验区域2010年4月和2015年11月的进行了2次大比尺的水下地形测图，可以分别代表补沙试验前后的地形变化，补沙区域及剖面位置见图5和图6。

图5 补沙区域及剖面位置图

图6 试验前后剖面图

补沙试验实施后，沙滩整体往外海方向推进，平均高潮位以上的干滩宽度增加了20.0 ～ 30.0 m；经过4 a的水动力作用，沙滩的剖面坡度基本和试验前保持一致，维持在1∶13.0左右；离岸100多米外的泥面高程基本没有变化。下沙2个代表断面的截面积均有所增加，且增加幅度较为一致，均在78 ～ 100 m2，表明补沙试验后下沙沙滩的沙滩宽度有明显的增加。

表2 各个剖面的截面积变化表

3.2 沙滩平面形态变化

补沙试验实施后沙滩的平面形态也发生了相应的变化，总体表现为等高线的外推，铺沙试验补沙范围集中在0.00 m等高线以上，补沙前后沙滩外侧泥涂的高程基本维持在- 2.00 m高程不变，图7给出了下沙和大岙沙滩试验前后0.00 ～ 2.00 m等高线的变化。铺沙试验后沙滩等高线总体外推，各个特征剖面处的等高线外推距离见表3。

图7 等高线变化示意图

表3 各剖面的等高线外推距离表 m

表4 补沙试验前后沙滩表层沉积物粒径级配表

4 铺沙试验评估

4.1 沙质流失率

根据铺沙试验段剖面和平面形态的变化可以估算试验段沙体的增加量。下沙沙滩0.00，1.00，2.00 m等高线明显外推的长度分别为635.0，633.0，608.0 m，三者差距不大，可取平均值625.0 m作为下沙沙滩试验段的长度。下沙沙滩2个典型剖面的截面积增加量分别为98.2，78.3 m2，取其平均值88.3 m2，由此可知下沙沙滩的沙体增加量为88.3 m2× 625.0 m = 55 188 m3。补沙试验总用沙量为约7万m3，由此可以推断补沙试验4 a沙质的流失率大约为21%。

下沙海滩两侧分别有堤防和叽头的拦沙和遮蔽，其沿岸输沙导致的沙量损失量必定很小，其主要沙质流失应该为横向输沙，通过计算结果可以发现补沙试验完成后，由于外围有岛屿的遮蔽，影响试验区的几次主要台风：“1211”（海葵）“1416”（凤凰）和“1509”（灿鸿）对补沙区并未造成大的侵蚀，补沙试验基本达到了预期的效果。

4.2 泥质化现象

刘家驹[10]将粒径小于30 um的泥沙成为淤泥质泥沙。通过对工程前后滩面泥沙进行颗分，分析其小于30 um的含量变化来判断滩面是否泥化。补沙试验前后取点位置见图8，所有取样点均位于潮间带，沉积物的粒径级配见表4。补沙试验前5个点位的样本均无小于32 um的淤泥质含量；补沙后15 - 1#和15 - 3#两点也没有小于32 um的泥质颗粒含量，15 - 2#点则有14.9%的泥质含量，该点取样的高程约为- 0.5 m，较其它各点低。总体来说，补沙试验后滩面外推且滩面表层泥化现象不明显。

图8 沙滩表层取样位置示意图

4 结 语

本文给出水库供水预警含义、预警指标及预警线表现形式，提出了基于典型入库径流的分级分期预警指标阈值确定方法。以湖漫水库长系列入库径流量、损失水量、用水量等相关参数为基础，开展水库供水预警应用研究，划定了湖漫水库梅汛期、台汛期、平水期等3个时期的橙色预警线和红色预警线，提出预警响应的启动条件，对湖漫水库应对可能发生的持续干旱，确保供水区平稳有序度过不同程度的干旱期具有十分重要的意义。本次研究主要划定了分级分期水库供水预警线，对于水库启动预警采取限制供水措施后限供比例需进一步深入研究。另外，采用水文方法开展干旱预警研究相对较少，本文仅以区域内主要供水区的主要水库水源为例，以水库蓄水量为预警指标开展了供水预警研究，但当采用水文方法开展区域干旱预警时需考虑更多水源预警，健全干旱预警的水文指标，这也是采用水文方法开展干旱预警的主要研究方向。

[1] American Meteorological Society．Meteorological drought policy statement[J]．Bulletin of American Meteorological Society，1997(78)：847 - 849．

[2] 刘宁.中国干旱预警水文方法探析[J].水科学进展，2014，25(3)：444 - 450.

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[4] 方红远，甘升伟，花金祥.干旱期水库供水风险分析的多目标规划方法[J].水力发电学报，2006，26(2)：14 - 18.

[5] 曹升乐，郭晓娜，于翠松，等.水库供水过程预警方法研究.中国农村水利水电[J].中国农村水利水电，2013(9)：56 - 59.

[6] 山东省水利厅.关于实行重点工程可供水量预警管理的通知[EB/OL].山东水利网，http∶//www.sdwr.gov.cn/tszyc/,2011.

[7] 沈雪娇.东江流域旱限水位（流量）确定方法的讨论[J].广东水利水电，2012(9)：41 - 42.

[8] 刘和平，杨旭，王曙光，等.辽宁省水库旱警水位确定方法研究[J].中国防汛抗旱，2015，25(8)：72 - 75.

[9] 宋树东，朱文才.水库旱限水位分期确定的研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014，37(3)：160 - 163.

[10] 郭旭宁，胡铁松，曾祥，等.基于二维调度图的双库联合供水调度规则研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2011，39(10)：121 - 1 24 .

（责任编辑 郎忘忧）

Research on Sand Nourishment in Cape Bay Beach Based on Muddy Seabed: A Case Study on Xiasha Beach of Xiangshan County

YAO Wen - wei1，2，HUANG Shi - chang1，2，LIU Xu1，2
(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，Zhejiang，China；2. Zhejiang Institute of Marine Planning and Design，Hangzhou 310020，Zhejiang，China)

Xiasha beach is located in the east coast of Xiangshan County，600m in length and 40m in width approximately. Due to the severe dredging in early time and the seawall which was built on the beach berm reduced the sediment transporting conditions，part of the beach whose elevation below the middle tidal level exposed obviously, and the width of the beach was also signi fi cantly reduced，the seabed 100m off the shoreline was muddy. The Cape Bay static equilibrium theory and balanced pro fi le theory were used in the fl at and pro fi le design of the experiment of beach nourishment；evolution of beach pro fi le and characteristic parameters of plane pattern were studied to assess the sand erosion rate and beach surface mudding degree after the experiment. The results showed that after sand nourishment，the increase of the width of the beach was obvious，the slope of the pro fi le was maintained at 1:13，and the degree of muddy phenomenon of the beach surface was small.

beach nourishment；beach design；beach evolution；muddy

TV149

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0073 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.023

2016-05-20

浙江省科技计划项目(2015F50011)。

姚文伟(1983 - )，男，工程师，硕士，主要从事河口海岸工程研究。E - mail：yaoww@zjwater.gov.cn