北戴河浅水湾浴场养滩方案研究

任旭光，刘建涛，刘会欣，李 娜，师沙沙

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066001）

北戴河浅水湾浴场养滩方案研究

任旭光，刘建涛，刘会欣，李 娜，师沙沙

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066001）

基于滩肩补沙、滩肩补沙+离岸潜堤以及配合规划中的莲花岛工程，论证了三种不同的养滩工程方案效果。结果表明：滩肩补沙方案从海滩养护效果以及工程投资角度为最优方案，规划中的莲花岛对工程岸线影响较小，故不需对方案一进行调整。

北戴河；人工养滩；方案设计

随着人类活动的日益加剧，世界上绝大多数的海岸正遭遇着侵蚀与退化，据IPCC（政府间气候变化专门委员会）的统计，全球范围内约有70%的砂质海岸受到侵蚀灾害影响，岸线蚀退速率约为1～1.5 m/a，个别侵蚀严重的海岸蚀退速率可达5.8 m/a[1-4]。随着我国沿海经济的快速发展，国内主岸线锐减明显，砂质海岸从3 653.63 km（1975年）减少到2 864.64 km（2007年），32年间减少了1/5多[5]。为了充分合理利用海滩资源，保护岸线，近自然的人工养滩成为砂质海滩认可的有效修复手段[6-8]。海滩养护工程实践在世界各地纷纷兴起，基于不同的海岸类型和侵蚀状况，通过喂养海滩或再辅以潜堤、丁坝、人工岬角等手段，有针对性地开展海滩养护实践。

1 区域概况

北戴河旅游区坐落于渤海湾北岸中部，位于河北省东北部，距首都北京正东279 km，距秦皇岛西南16 km。境内北部为剥蚀平原，南部为剥蚀残丘，陆域面积70.14 km2。

北戴河的潮汐属正规日潮，潮头差较小，最大2.45 m，平均潮差0.79 m，春季0.65 m，多年平均0.88 m。平均潮位具有冬低夏高的特点，升降变化十分规律。12月潮位最低，7月、8月最高。

北戴河海域海浪主要以风浪为主，涌浪次之，其海浪的形成主要取决于风向。平均浪高0.4～0.6 m，最大浪高3.5 m。波浪周期平均为2.6 s。

表层水温春季9.5～19.5℃，夏季26～27.5℃，秋季12～12.5℃，冬季0.7～-1.3℃。

海水盐度受气候及大陆径流影响，秦皇岛附近一般为33.4，表层平均水盐度28.77～30.73，最高为34.20。

2 工程方案设计

根据北戴河浅水湾岸线特征以及北戴河海滩养护的工程经验，拟采取滩肩补沙的模式来进行人工养滩，滩肩补沙直接扩展海滩宽度，保护后缘沙丘海岸。基于滩肩补沙、滩肩补沙+离岸潜堤以及配合规划中的莲花岛工程，论证了三种不同的养滩工程方案效果。

2.1 方案一

采取单纯养滩的方式，完全以尊重自然的柔性工法，将北戴河浅水湾工程区域沙滩滩肩向海推出，即进行滩肩补沙，形成宽约60 m的沙滩，新填海滩保护后缘沙丘免受海浪侵蚀，并在自然的营力作用下逐渐达到一个新的平衡（见图1）。

图1 方案一平面图

该方案优点是完全采用柔性工法，摈弃破坏景观的硬式工程，形成的沙滩将是亲水、自然的。缺点是在北戴河强浪、常浪条件下，浅水湾沿岸存在自东北向西南的泥沙流，在浅水湾东部没有补给沙源的条件下，浅水湾海滩将会不断地被侵蚀。解决方法是进行再养滩工程，即长期周期性的补沙，这样通过人工的方式补给沙源，形成一种动态平衡，可以维持北戴河浅水湾的沙滩状况。在有充足的沙源且不计投资的前提下，该方案应为首推方案。

2.2 方案二

采用滩肩补沙+离岸潜堤模式，除了滩肩补沙外，在离岸约600 m位置进行离岸潜堤的建设，潜堤的堤顶高程为-1.2 m，潜堤宽度约14 m，潜堤分为三段建设，每段长度约370 m，潜堤间距约350 m，潜堤的总长度为1 110 m。离岸潜堤是不与陆地相连，平行于海岸且独立于海中，突出海底且潜没于水中的人工构造物，其形状（堤顶水深、堤宽、坡度、空隙）使波浪产生碎波、分裂、渗透、反射或折射，以减衰入射波能量或改变其进行方向，抑制堤背后的透过波能，减少海滩侵蚀，间接发挥稳定海滩作用。潜堤虽在消能上的效果不如离岸堤好，但因其阻挡的水流断面积较离岸堤有限，对海水循环影响较小，对生态环境影响较少，加上结构物不露出水面，无损于视觉景观，因此，在日益重视海岸景观与生态环境维护的时代，逐渐被推广采用（图2）。

图2 方案二平面图

2.3 方案三

方案三由方案一衍伸而来，由于浅水湾浴场东北侧规划建设人工岛——莲花岛，方案比选论证过程中增加莲花岛工程建设后对海滩养护区域的影响分析。

3 方案比选及推荐方案

通过数值模拟的方法比较了几种方案的优劣，从养滩效果与资金投入对比方面给出了工程方案选择上的建议。以目前在国际最流行的GENESIS系统模拟长期海岸线的变迁[9-10]。

3.1 理论基础

（1）控制方程：

DB表示海水所能到达的最大高程，DC表示存在沿岸输沙的最大深度，q=qs+q0表示横向输沙率（离岸输沙+向岸输沙）。

（2）沿岸输沙率公式：

式中，H表示有效波高，Cg表示波群速度，下标b表示波浪破碎时的参数，θbs表示破波角，无量纲参数a1和a2定义如下：

式中，ρs表示砂的密度，ρ表示海水的密度，p表示砂的孔隙率，tanβ表示海滩平均坡度，1.416为有效波高向均方根波高的转化系数，K1、K2为可调节的两个经验参数，可根据模拟结果进行调整。

3.2 资料来源

波浪资料来自实测波浪数据以及国家海洋局秦皇岛海洋监测站提供的波浪数据，监测台站坐标N 39°55.0＇E，119°37.0＇。地形数据利用2012年实测1∶1 000地形资料。

3.3 方案比选

3.3.1 方案一模拟

3.3.1.1 模型参数设置

局部模型坐标系统方位角：283.0°；有效粒径：0.3 mm；平均滩肩高程：0.5 m；闭合水深：DC=7 m；时间步长：3 hr；边界条件：固定边界；经验参数K1=0.4，经验参数K2=0.6（根据北戴河的数模经验值）。

3.3.1.2 岸线变迁模拟结果

GENESIS系统利用STwave系统处理的波浪数据及地形数据进行模拟，模拟起始时间为2012年1月1日，结束时间为2022年1月1日，图3为模拟结束时的界面，图中上部分为海洋，下部分为陆地，箭头所示方向为北，初始海岸线用单线表示，海洋与陆地的交界线为模拟结束时的海岸线位置。

图3 岸线变迁模拟结果

图4为方案一情况下十年的模拟过程前后的海岸线位置对比图，分析可见浅水湾浴场存在一定的侵淤趋势，10年的模拟过程结束后，侵蚀量最大处可达4 m左右，侵蚀岸段的长度可达2 000 m以上。总体来看，在方案一条件下，由于只进行了滩肩补沙，近岸的水动力条件并未发生明显的变化，岸线的侵淤变化程度与工程前相比变化不大，侵蚀较严重的区段在浅水湾浴场的东侧以及中部，淤积最多的是浅水湾浴场的西部区域。

图4 模拟前后岸线位置对比

3.3.1.3 工程前后沿岸输沙率的变化

工作海区附近的入海河流有汤河和新河，为主要来沙河流。根据2006年实测波浪资料，采用美国海岸工程手册公式（CERC），模拟本海区沿岸输沙率结果如图5（正值为面向海向右输沙，反之为向左输沙）。

由图5可见，工程前后本岸段净输沙方向均为自东北向西南方向输沙。这是由于沿岸输沙能力主要取决于沿岸流的方向，而方案一条件下，近岸的水动力场并未发生变化，故工程前后沿岸输沙能力及大小亦不会明显改变。

3.3.2 方案二模拟效果

以相同的参数对增加三座潜堤后的方案进行了模拟，结果如下：

图6、图7分别为工程前后，10年的模拟过程结束后的海岸线变迁位置对比，图8为10年后的岸线侵淤变化量对比。分析可见10年的模拟过程结束后，工程前与工程后的最大侵淤变化量差值在2 m左右，方案二条件下，离岸潜堤的修建在一定程度上促进了潜堤掩蔽区域岸线的淤积，但同时也造成了掩蔽区之外区域的侵蚀量增加。

图5 工程前后沿岸输沙率对比图

图6 模拟前后岸线位置对比图（工程前）

总体来看，在方案二条件下，由于进行了离岸潜堤的修建，近岸水动力条件相比工程前有所变化，但由于浅水湾近岸浅滩的存在使得近岸的水动力条件相对较弱，故离岸潜堤的养滩促淤的作用并不明显。

工作海区附近的入海河流有汤河和新河，为主要来沙河流。由图9可见，工程前后本岸段净输沙方向均为自东北向西南方向输沙，区别是工程后沿岸输沙的强度有所降低，这主要是由于离岸潜堤的修建对于沿岸流的影响造成的。

图7 模拟前后岸线位置对比图（工程后）

图8 工程前后岸线侵淤变化值对比曲线

图9 工程前后沿岸输沙率对比

3.3.3 方案三模拟效果

根据方案一、方案二模拟效果分析，由于浅水湾近岸海域存在较为宽阔的浅滩，波浪到达岸滩前提前破碎，离岸潜堤的消浪效果并不明显，因此，选择方案一为工程方案。对方案一增加规划建设中的莲花岛，进一步论述海滩养护后岸滩的变化趋势。

图10、图11分别为莲花岛修建前后，10年的模拟过程结束后的海岸线变迁位置对比图，图12为莲花岛修建前后，10年后的岸线侵淤变化量对比图。由图12分析可见莲花岛修建前后，10年后工程区域岸线侵淤变化值很小，说明莲花岛的修建对于浅水湾工程区域的影响并不大，莲花岛的修建主要影响了浅水湾北部区域岸线的侵淤趋势。

图10 模拟前后岸线位置对比（修建前）

图11 模拟前后岸线位置对比（修建后）

图12 莲花岛修建前后岸线侵淤变化对比

图13 莲花岛修建前后沿岸输沙率对比

由图13可见，莲花岛修建前后浅水湾工程区域岸段净输沙方向和大小均为发生较明显的变化，而莲花岛的修建对于浅水湾北部区域的沿岸输沙率有较为明显的影响。

3.3.4 推荐方案

根据方案一、方案二的模拟结果分析，离岸潜堤由于浅水湾浅滩的存在消浪效果不明显，从节约工程投资角度分析选择方案一。根据方案三的模拟结果分析，规划中的莲花岛建成后，影响范围为浅水湾北部，对工程岸线影响甚微，故不需要对方案一进行硬工程防护。综合以上两点，本次工程推荐方案一，采用滩肩补沙的方式。

4 结语

运用GENESIS系统，对滩肩补沙、滩肩补沙+离岸潜堤以及配合规划中的莲花岛三种不同的养滩工程方案效果进行了论证，其结果为：方案一（滩肩补沙）从海滩养护效果以及工程投资角度为最优方案，规划中的莲花岛对工程岸线影响较小，故不需对方案一进行调整。

沙滩人工养护为综合性防护工程，工程后的水动力变化相对复杂，GENESIS系统对工程后的岸线演变趋势能够较好的预测，但面对复杂的天气以及水动力条件，预测结果的准确性还需要通过工程的后期实际监测进行验证。

[1]胡广元，庄振业，高伟.欧洲各国海滩养护概观和启示[J].海洋地质动态，2009，24（12）：29-33.

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[4]陈吉余，夏东兴，虞志英，等.中国海岸侵蚀概要[M].北京：海洋出版社，2010：1-405.

[5]董丽红，梁书秀，孙昭晨.海滩养护理论与试验研究进展[J].海洋开发与管理，2012，29（5）：44-51.

[6]杨燕雄，张甲波，刘松涛.秦皇岛海滩养护工程的实践与方法探讨[J].海洋地质前沿，2014，30（3）：1-15.

[7]邱若峰，庄振业，赵友鹏，等.海滩养护的功效和寿命——以北戴河海滩养护工程为例[J].海洋地质前沿，2014，30（3）：26-33.

[8]张甲波，杜立新.人工养滩工程的综合防护原则及设计方法[J].海洋地质前沿，2013，29（2）：10-16.

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[10]朱磊，刘会欣，刘修锦.基于GENESIS计算丁坝对石河南岛岸线演变的影响[J].中国环境管理干部学院学报，2017，27（1）：36-40，90.

（编辑：周利海）

A Study on Beach Nourishment Design in Shallow Bay Baths,Beidaihe

Ren Xuguang,Liu Jiantao,Liu Huixin,Li Na,Shi Shasha
（Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066001,China）

On the basis of the beach berm nourishment,the beach berm nourishment+offshore breakwater and the Lotus island project in the planning,three different schemes for the beach nourishment project were discussed.The beach berm nourishment scheme was the best one from the beach nourishment effect and the project investment perspective,and the lotus island in the planning had little influence on the shoreline,so it was not necessary to adjust the plan one.

Beidaihe,nourishment,project design

P748

A

1008-813X（2017）03-0017-05

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.03.05

2017-04-01

河北省国土资源厅项目《北戴河浅水湾海岸整治工程勘查与方案设计》（2012995570）；河北省国土资源厅项目《秦皇岛海滩整治修复工程监测与后评估》（2014993344）

任旭光（1981-），男，山东平度人，毕业于武汉地质大学水文地质专业，助理工程师，主要从事海洋地质调查方面的研究工作。