滨海城市人工沙滩选址、规划与平面布置探讨

2017-09-15徐敏

城市道桥与防洪 2017年8期

徐敏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

碧海金沙是优美的环境景观资源，也是相对稀缺、宝贵的自然资源。我国海岸线绵长，拥有几乎所有类型的海岸，沿海、滨海城市众多，但由于海岸环境的条件差异，多数滨海城市缺乏天然的砂质海滩。人工沙滩既是发展滨海旅游业的有利途径，同时也是防止海岸侵蚀、维持海岸动态平衡、顺应海岸自然规律的有效手段。从国外营造人工沙滩经验来看，随着滨海旅游事业的不断发展和我国对海洋资源保护的重视，人工沙滩及沙滩养护将成为海岸工程的重要内容之一。

海滩是海岸带中的一个重要地貌单元，是近岸波浪活动频繁的地带，从动力机制方面来解释，海滩的侵蚀、堆积有其自然规律，主要是指海滩在激岸浪作用下滩面物质的搬运、沉积，以及各方向的动态平衡。人工沙滩的基本原则就是基于选择、创造一个具有保持近似于动态平衡的动力环境；而天然沙滩的修复、养护也是人工沙滩营造技术的范畴。

海岸的天然形态及类型的形成是和海岸组成物质与海岸动力条件相适应的，简而言之即是淤泥质海岸、砂质海岸的存在必然有其相适应的物质来源以及沉积动力。在原本无砂质海岸分布的海岸上构建人工沙滩，并使其能在较长的时间内维持平衡，是把长期适应的海岸剖面改造成一个与原有动力不相适应的物质组成的剖面，这是一个相当复杂的问题。

我国目前沿海城市滨海岸线规划层面中所谓的人工沙滩往往仅是一个粗略的概念，没有针对沙滩的选址适应性作出评价，甚至出现在完全不合理的位置设置沙滩的情况[1-9]。

1 天然沙滩平衡平面型态

人工沙滩的构建首要前提是要在选址和布局上，尽量使所构建的人工沙滩符合砂质岸滩所能存在的天然平衡状态。

天然海岸发育过程中，如果沿岸没有基岩出露，并且泥沙供给不是很充足，在常年优势浪向的波浪的作用下，形成的一种主要与波浪动力及其一定的沿岸输沙率相适应的稳定的海岸类型。通常岬角后的海岸形成弧形，远离岬角的下方海岸呈与常行波浪垂直的切线形，即这类海岸在演化过程中，最终在平面上表现出弧形或曲线的形态。

自20世纪中叶以来，不少国外学者对岬湾弧形海岸进行了研究，该类曲线或弧形的海岸形态常被冠以成许多不同的名称，这种有许多名词，如：ζ形弧线、半心脏形海湾、岬湾海滩、对数螺线形海滩、弧形或锯齿状、钩状海滩和口袋状海滩等等。它们都有着共同的特征：通常其弧形有明显的遮蔽段和切线段，呈不对称状态。湾顶遮蔽段为相对侵蚀岸段，特征是向内凹进，靠近其一侧的岬角为上岬角，海滩较宽，坡度较缓，趋于“消散型”海滩性质；偏向下波侧方向的切线段为相对堆积岸段，岸线平直且海滩坡度较陡，为趋于“反射型”海滩性质。

研究者们通过现场数据分析及模型研究的结果等提出“拟合”平衡的弧形海岸岬间岸线的数学方法，其中有三种最主要的模式（方程组），分别是：对数螺线模式(Yasso,1965)，抛物线模式(Hsu and Evans,1989;Silvester and Hsu 1993)，双曲切线模式(Moreno and Kraus,1999)等，此类模型的提出为研究岬间海湾的平面平衡规律提供了一种崭新的思路。其中抛物线海湾形态方程自提出之后，经过十多年的发展，取得了海岸研究及工程学界的认同及采用，并被美国陆军海岸工程研究中心列入《海岸防护手册》，见图1。

图1 岬湾弧形海岸示意图

砂质弧形海岸形态通常是一个远离岬角的距离衰减函数，是波能、海滩泥沙粒径、海滩坡度及其泥沙供给等诸多因素共同作用。砂质弧形海岸及其海滩面通过对入射波浪以及其携带的泥沙进行自动调整，最终使得斜向入射的主浪向与破波波峰线成一定的夹角，且波能流所造成的沿岸输沙量与岬湾上游来的来沙量一致，构成一种动态平衡。

2 人工沙滩的选址原则

本文所指“人工沙滩”，不包括全封闭式的内沙滩。

在海岸上规划建设人工沙滩，必须首先了解工程岸滩附近的地理环境、潮流特征、风况、波浪特征、地质及泥沙（沉积物）条件和天然岸滩冲淤变化。

在砂质海岸、或原本没有沙滩分布的基岩质海岸、离岸人工岛等水深较大的海岸类型，建设人工沙滩通常需要掌握的问题是大风浪气象条件下沙滩的侵蚀和养护问题。

而在淤泥质海岸，更需关注考虑的是人工沙滩的“泥化”问题，或“沙泥分界线”位于什么高程问题。首先要了解淤泥质海岸能够存在沙滩的条件，以此做为人工沙滩选址的前提原则：

（1）当地存在有一定强度且波向又相对比较集中的波浪条件；

（2）当地存在凹形小海湾，湾口法向与强波浪比较一致；

（3）凹形海湾湾口外有足够大的水深，使沙滩外海域挟沙力较低，并减少沙滩上细颗粒泥沙来源；

（4）凹形海湾湾口外有足够大的水深，使沙滩区波浪较强，水体中细颗粒泥沙不易沉积，避免发生“泥化”现象。

其中（1）要求自然满足；（2）可通过适当的海岸工程（丁坝或类似的岬角工程）得到满足；（3）、（4）则需通过必要的清淤工程得到满足。

3 人工沙滩的平面规划、设计

3.1 前期近岸动力分析

天然沙滩在波浪作用下，近岸区泥沙运动主要形式为破波区内的沿岸输沙（纵向输沙）和近岸区的向-离岸输沙（横向输沙）。平面形态与沿岸输沙关系更密切，一般情况下，人工沙滩以及控制建筑物平面布置方案主要取决于当地控制性主波向以及波浪作用引起的碎波区沿岸输沙运动。

（1）控制性合成波向角

为了减少沙滩沿岸输沙造成的损失，根据弧形砂质海岸平衡平面形态理论，在规划设计人工沙滩岸线平面时，应尽量使岸线走向与控制性波向相垂直，为此需要通过实测波浪资料推算作用于拟建人工沙滩岸滩的控制性合成波向角。

控制性合成波向角可运用《海港水文规范》规定公式进行计算，公式如下：

式中：Hi为各级波浪平均波高；Pi为各级波浪出现频率；αi为各级波浪波向线与岸线夹角。

（2）沿岸输沙计算

目前估算沙质海岸沿岸输沙率，主要采用波能流法或沿岸流法。由于波能流法（CERC）形式简单，物理图像清晰，且具有一定的实验室和现场资料验证，应用较为广泛。

式（2）为用波能流法计算沿岸输沙率的典型公式。

（3）确定岸线走向

进行人工沙滩布置时，应根据尽量所计算的控制性合成波向，使岸线走向与其相垂直，这是首要必须满足的条件，否则必然会导致人工沙滩建设或补沙工程实施后，出现不平衡的泥沙沿岸单向净输移或冲淤不平衡情况，见图2。

图2 人工沙滩岸线走向应与控制性合成波向垂直

3.2 岸线平面形态设计

天然沙滩平面上基本均呈内凹形态，因此人工沙滩平面布置首先为拟建沙滩创造这一符合自然规律的“基本条件”。最优情况是选择波能条件合适的天然内凹形态岸线。

3.2.1 具备天然内凹形态岸线

如规划布置的人工沙滩岸线具备天然内凹形态，则直接可通过平衡岸线模式判定岸线是否处于平衡状态，或判定实施人工沙滩后的岸线是否符合平衡状态。

一般而言，需建造人工沙滩或需要进行补沙的天然沙滩大多不满足平衡平面岸线形态，此时可通过人工岬角的改造，或建造防波堤等措施，改变现状的波浪入射条件，为建造后的人工沙滩提供一个合适的动力环境，以维持沙滩动态平衡。

岬角通常以突堤（较短）或防波堤（较长）的形式出现，其轴线通常布置与主波向相垂直，实际上人工布置岬角是一种介于丁坝与离岸堤之间的一种布置形式。人工岬角布置的目的，是为在两岬角（下岬角可为垂直段岸线）之间，形成与当地波浪条件下沿岸输沙量相适应的、具有一定平面曲线形状的人工岬湾。由于人工岬角的位置大多位于原来天然岬角位置，其建造后不会拦截上游来沙，因此通常不会加剧下游岸滩的侵蚀。一般岬角之间的距离，可稍大于丁坝群的间距，如一些实际工程中采用的岬角间距约为其长度的4倍。

人工岬角措施用于海岸防护是一种较新的措施，它的实践经验远比丁坝和离岸堤要少，因此可通过天然砂质弧形岸线的平衡平面理论来进行分析判定，以确定人工岬角的建造位置以及长度。巴西Porto Beach为海岸防护而修建的岬角防波堤见图3。

图3 修建防波堤后的前静态平衡海湾形态（Porto Beach）

3.2.2 不具备天然内凹形态岸线

出于其它的原因，往往在规划建设人工沙滩的场址中，存在岸线均规划成外凸形态，或接近直线形态。此种岸线形态对人工沙滩的平面布置并不理想，难以保证全段岸线与控制性合成波角相垂直，容易导致沙滩泥沙的流失。

为了解决这一问题，有两种途径可以考虑：

（1）岸线变迁

通过清淤等措施，让各沙滩单元中间部分岸线适当后退；或通过填海造地措施，使岸线整体外移，通过人工岬角形成弧形段。

a.岸线后退方案

岸线后退方案使用于潮流、波浪动力较弱，近岸分布平缓宽阔泥滩的海岸，结合清淤工程可达到改善人工沙滩动力环境的作用，但需要对现状岸线进行大规模的改造，甚至会失去大面积的已有土地，从实际价值上的补偿时，因此仅作为方案探讨，不具备实际意义，见图4。

图4 岸线后退方案

b.岸线外推方案

岸线外推方案同样可以增大沙滩海域波浪强度，也可用于潮流、波浪动力较弱的海岸。但需要对现状岸线进行大规模的改造，但往往难以实施，如有填海规划则是一种可结合其深入研究的思路，见图5。

图5 岸线外推方案

（2）工程措施

在岸线变迁存在较大难度时，采用布置沿岸丁坝或通过离岸堤划分沙滩单元，各沙滩单元两端丁坝及其端部均外移至适当位置。

a.沿岸丁坝（或拦沙堤）方案

沿岸丁坝方案是较为常用的海岸防护工程措施，其经验理论也可用于人工沙滩建造。沿岸丁坝的主要作用是：划分沙滩单元，形成局部岬角，使各单元沙滩的弧形内凹尺度缩小；拦截沿岸输沙，将泥沙运动局限在单元以内，见图6。

图6 沿岸丁坝方案

b.离岸岛堤方案

对于非往外突出，而是较为平直的岸线，设置沿岸丁坝会基本完全隔绝各沙滩单元之间的泥沙交换，而且过于生硬突兀，景观效果不甚理想。为了既能控制沙滩单元的动态平衡状态，又保持各单元砂体之间的季节性交换，营造更接近天然的景观效果，可采用离岸岛链的方式，见图7。

图7 离岸岛堤方案

如新加坡的圣陶沙岛人工沙滩就是一个国际成功案例，见图8。

图8 新加坡圣陶沙岛

3.3 经验平衡模型验证

前节介绍了天然砂质弧形岸线的平衡平面理论，实则上丁坝、离岸堤也是起到岬角的作用，并且人为控制沙滩的尺度，以适应现状的波浪条件，丁坝、离岸堤控制下的沙滩平面型态也可以通过弧形岸线的平衡平面模式来验证。由于抛物线模型的广泛推广及其良好的预报效果，因此可应用抛物线模型来进行人工沙滩的平面布置合理性。

应用抛物线平面平衡模型，以及抛物线模型电脑应用软件“Mepbay”，可用于拟合天然沙滩或拟建的人工沙滩平衡平面形态，通过输入控制线（上、下岬角）以及优势入射波与控制线岬角，绘制静态平衡曲线，可较为便捷的判断天然沙滩或人工沙滩的平面布置合理性。

图9 修建人工岬角后平衡形态以及工程前后对比

由于现状道路、堤岸已经占用了原有沙滩后滨范围，因此无法通过沙滩单元中间部分岸线适当后退的方式恢复沙滩，只能通过控制点外移动的方式。

该海滩在1998年在海湾上岬角处进行人工岬角改造，并通过重新营建人工沙滩。通过MepBay软件拟合人工岬角改造的平衡岸线，可以发现进行人工岬角改造平衡岸线将往外推移，说明人工沙滩建造后，天然海岸动力条件能在一定的时期内维持沙滩的长久，为人工沙滩的设计提供了技术依据。

事实证明，人工岬角改造工程是成功的，沙滩得到了较佳的恢复效果，这也是人工沙滩（补沙）的成功案例（见图9右）。

4 结论

本文主要针对人工沙滩的选址、规划与平面布置设计方法、设计流程展开探讨。旨在为城市环境景观规划阶段进行人工沙滩规划、布置设计提供基本思路和基本模式。

事实上，人工沙滩构建是一个十分复杂的过程，本文受篇幅所限，仅提出选址与平面相关的内容，人工沙滩剖面设计、坡度与填沙粒径、泥化问题等也值得相关人员进一步的熟悉和学习探讨。

[1]戴志军,李春初.华南弧形海岸动力地貌过程[M].上海:华东师范大学出版社,2008.

[2]Silvester,R.,Tsuchiya,Y.,Shibano,T.Zeta bays,pocket beaches and headland control[A].In:Proc.17th International Conference on Coastal Engineering[C].1980,1306-1319.

[3]Silvester,R.Stabilization of sedimentary coastlines[J].Nature,1960(188): 467-469.

[4]Yasso,W.E.Plan geometry of headland-bay beaches[J].Journal of Geology,1965(73):702-714.

[5]Silvester,R.,Ho,S.K.Use of crenulate shape bays to stabilizecoasts.In:Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering[J].American Society of Civil Engineers,New York,1972(2):1394-1406.

[6]Short,A.D.Sediment characteristics of the New South Wales coast and implications for beach type and stratigraphy[A].Proceedings of 14th International Sedimentological Congress,Recife,Brazil[C]. 1994.

[7]Antonio Henrique Da Fontoura Klein.MorphodynamicsofHeadland -Bay Beaches:Examples from the coast of Santa Catarina State[Z]. Brazil,2004.

[8]严恺,梁其荀.海洋工程[M].北京:海洋出版社,2002.

[9]薛鸿超,顾家龙,任汝述.海岸动力学[M].北京:人民交通出版社,198 0.

TU984.183

1009-7716（2017）08-0295-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.093

2017-06-01

徐敏（1988-），男，安徽芜湖人，工程师，从事水利及水运工程设计工作。