浙江象山沙塘湾海岸线整治修复数值模拟研究

(宁波海洋研究院，浙江 宁波 315832)

1 研究背景

海岸线具有重要的生态功能和资源价值，是海洋经济发展的“生命线”和“黄金线”[1]，其资源持续和环境健康关系到国民经济的稳步发展，影响着区域主体功能布局和产业功能集聚战略目标的实现。

目前，海岸线存在以下问题：海岸人工化趋势过快，自然岸线保有量已近生态红线；近岸生态系统破坏严重，环境污染问题仍然突出；海岸线利用强度居高不下，节约集约利用水平相对较低；岸线整治和景观建设明显滞后，公众亲海空间不足[2]。针对以上问题，国家海洋局出台了《海岸线保护与利用管理办法》，就海岸线整治修复提出了3个硬性要求[3]:制定整治修复规划，明确整治修复项目实施要求，建立完善整治修复投入机制。开展海岸线整治修复，打造美丽海岸[4]。

海岸线整治修复的目标方向和主要措施，大致可划分为自然化、生态化、景观化和能力提升4种整治修复类型[5]。其中，岸堤加固型能力提升整治修复岸线，是指在防护能力较低、破损严重的人工岸线的原海岸线位置开展海防工程加固提标建设，适当恢复人工岸线的生态功能，增强海岸灾害防御和保障沿岸社会经济发展的能力[6]。鉴于此，浙江省宁波市象山县沙塘湾海岸线以岸堤加固型能力提升为目标，以泥沙冲淤模型为理论，以建设生态护岸为措施开展海岸线整治修复。

2 象山岸滩历史演变

2.1 岸线推移

浙江省宁波市象山东部沿海受几百年来人类活动特别是大规模围涂工程的影响，海岸线向外海不断推进[7]。据历史记载，公元900年唐朝时海岸线尚在丹城-林海一带。18世纪海积平原的高程由-3.1 m淤涨至-2.7 m，平均淤高0.4 m，每年向外淤涨速率为2～3 m。1965～1977年又相继围涂门前涂塘、涂茨湾、昌国湾共计约1 334 hm2，用作盐场。1988～1993年大目涂一期围涂近1 000 hm2，使1956～1993年间岸线外移速率加快至10 m/a。2003～2010年大目涂二期围涂664 hm2，岸线又向外海推移约2.5 km。

2.2 冲淤规律

根据多年海岸带调查的滩面观测，象山东部海湾内的泥沙运移呈一个右旋的环流形，冬、夏季泥沙的来源和运移路线有所不同，主要取决于湾外沿岸流的流动方向。冲淤变化规律为冬淤夏冲，悬沙含量具有明显的区域和时间变化特点，近岸高于远海，底层高于表层，大潮高于小潮，冬季高于夏季[8]。冬季的涨潮悬沙含量略大于落潮，夏季的落潮悬沙含量略高于涨潮，这与潮滩的冬淤夏冲相吻合。

冬季，浙闽沿岸流南下，带来丰富的长江输出物质，被涨潮流携沙带入，且波浪动力作用较强，潮流输沙和波浪掀沙致使水体含沙量高，悬沙由湾外向湾内输沙量大，形成悬沙高浓度期，滩面呈淤涨状态。一般从秋末至来年夏初为淤积期，且每年4月份滩面淤积达到最高，滩面冬季月均淤高可达3～4 cm[9]。

夏季，浙闽沿岸流北上，台湾暖流直逼岸边，它是高温高盐低悬沙水体，湾外悬沙来量极少，滩面上挟沙水流不饱和，是悬沙低浓度期，滩面呈冲刷状态。如遇台风，则冲刷达到高峰，夏季月均冲刷可达6 cm以上。

3 现状条件及工况

3.1 沙塘湾现状

沙塘湾位于浙江沿海中部、象山半岛南端、石浦港湾东侧，地理区位优势突显。其北、西、南三面为陆域环抱，东面受萝卜山、牛栏基岛、铜头岛等岛屿掩护，外海波浪对湾内水域影响较小，仅东南方向开敞宽度较大，与大目洋衔接。

沙塘湾海岸线为人工岸线，灌砌块石结构的直立墙式护岸，墙身高度约3～4 m。护岸前沿为砾石滩，低潮显露高潮淹没，-1 m等深线距岸约25～30 m。现有护岸建设标准较低，尚有缺口存在安全隐患，布局混乱无序且顶面道路狭窄(见图1)，亟需对海岸线开展整治修复，改善海岸带生态功能。

图1 护岸现状

3.2 区域条件

沙塘湾海域潮汐性质属正规半日潮，潮波性质属于驻波，潮流类型属规则半日潮及不规则半日潮流性质，且以不规则半日潮流性质为主，最大流速可达1.0～1.2 m/s。含沙量基本在0.05～0.25 kg/m3之间，悬移质特征粒径D50范围为0.007～0.010 mm，以黏土质粉砂为主。

3.3 工程概况

在沙塘湾现有护岸基础上，通过建设生态护岸而进行海岸线整治修复。生态护岸是一种新型、生态的护岸型式，集防洪、生态、景观和自净功能于一体[10]。不仅注重生态岸线建设要求，而且致力于岸堤加固能力提升，在建设滨海亲水空间和生态空间的同时，也可提高护岸抵御海洋灾害和防灾减灾能力。

工程位于沙塘湾北半区域两岬岛之间的岸段，起于沙塘湾村现有护岸平台，止于北侧突出礁石处。护岸总长约528 m，面积约3 124 m2。护岸墙身采用C25块石混凝土挡墙结构，护岸顶高程视现有高程而沿程变化(取5.1～6.0 m)，护岸顶部宽度为5.4 m[11](见图2)。

图2 海岸线整治修复工程范围

4 泥沙冲淤数模计算

由于近岸海域潮流运动的水平尺度远大于垂直尺度，二维模型能很好地模拟出潮流和泥沙输运情况，且较三维模型而言，二维模型计算时间较短，相关模型参数的设置较为简单。因此，二维模型在近岸海域仍应用广泛[12]。

4.1 数模建立

4.1.1 模型控制方程

采用丹麦水力学研究所研制的平面二维非恒定流数学模型MIKE21FM(2008年)来研究潮流场运动。该模型采用非结构三角网格剖分计算域，三角网格能较好地拟合陆边界，网格设计灵活且可随意控制网格疏密[13]。

(1)质量守恒方程

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(2)定解条件

初始条件：

(4)

4.1.2 计算域网格

采用非结构三角形网格剖分计算域，共生成网格38 591个，通过网格生成模块，控制网格疏密及尺度。在工程附近海域进行网格加密，网格尺度最小为5 m左右(见图3)，能够较好刻画工程前沿水下地形及岸线，保证足够的计算精度。在远离工程海域，网格相对稀疏，网格距1 000 m，不同尺度网格之间通过设置实现平滑过渡。

图3 工程区网格

4.1.3 计算参数

(1)开边界。采用水位控制，即用潮位预报的方法得到开边界条件。由控制点潮位通过预报得到：

](5)

式中，A0为平均海面；Fi,(v0+u)i为天文要素；σi为角频率；Hi,gi为某分潮的调和常数，即振幅与迟角。采用11个分潮进行逐时潮位预报，并经适当调整后用于模型。

(2)计算时间步长。模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，平均时间步长 0.5 s，最短时间步长为 0.001 s。

(3)床面糙率系数。根据实测水文资料对模型进行多次率定，曼宁系数取 0.017。

(4)水平涡动粘滞系数。采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky(1963年) 公式计算水平涡粘系数，公式如下：

(6)

(5)科氏力。工程海域所在平均纬度，φ=29°。

4.2 模型验证

采用2017年8月28日～9月12日工程海域附近1个临时潮位站的实测逐时潮位过程和工程海域附近4个临时测流点2017年8月28～29日(小潮)、2017年9月5～6日(大潮)的实测逐刻流速、流向过程对已建立的模型进行验证，确保所建立的平面二维水动力模型合理可靠。

流速流向验证计算结果表明，验证计算所得潮位、流速、流向分布情况与实测成果较吻合。说明采用的数学模型及计算方法正确，模型中相关参数的取值合理，可以用于计算、分析工程前后的潮流场、水动力和泥沙冲淤变化。

4.3 潮流场模拟

潮流明显受地形和岸线制约，涨潮流呈顺时针旋转流形态，落潮流旋转流不明显，潮流表现为涨潮强、落潮弱。工程区主要为高滩，就潮流动力而言，涨潮动力较强，落潮动力较弱；在不同潮型中，大潮作用较强，中潮作用次之，小潮作用相对较弱。因此，工程对水动力和冲淤的影响主要表现在涨潮时段。结合数学模型计算结果，分别给出了海域涨急、落急等瞬时流态图(见图4)。

图4 大潮涨急、落急流场

4.4 水动力变化预测

从整体流速变化情况来看(见图5)，工程区护岸附近流速有所减小，总体流速也以减弱为主，工程区北侧流速略有增大。涨潮流速减小约 0.05～0.2 m/s，落潮流速减小约 0.05～0.6 m/s，工程区涨潮期的流速变化没有落潮期明显，变化趋势均以减弱为主，但影响范围仅限于护岸外侧50 m范围内，对航道等其他区域影响可以忽略。

图5 涨、落潮流速变化

4.5 泥沙冲淤影响分析

工程实施后会产生局部泥沙冲淤的变化，利用所建数学模型预测其变化。水流挟带泥沙输移引起床面冲淤变化，是一个复杂的物理过程，鉴于泥沙输移的复杂性，研究床面冲淤计算方法具有多样性，这里采用床面冲淤计算模型。

工程实施后首年冲淤变化区域主要集中在护岸外侧50 m范围内，冲淤影响范围较小。靠近堤脚处以淤积为主，淤积速度为0.05～0.3 m/a不等，未见明显冲刷区域。

参考浙江沿海的涉海工程情况，一般工程实施3～5 a后基本达到冲淤平衡的状态。鉴于该工程规模较小且处于近岸海域，工程实施3 a后可达冲淤平衡(见图6)，泥沙冲淤变化区域主要集中在护岸外侧200 m范围内，冲淤影响范围较小。靠近堤脚处以淤积为主，淤积0.05～0.6 m，在沙塘湾北侧突角外侧将形成冲刷区域，冲刷约0.05 m，冲刷影响基本可以忽略。

图6 泥沙冲淤变化(单位:m)

由此可见，沙塘湾海岸线整治修复对海洋环境影响范围及程度可控，对200 m以外海域的水动力和泥沙冲淤基本不造成影响[14]。

5 结 论

沙塘湾通过采取生态护岸的海岸线整治修复措施，切实提高了抵御海洋灾害和防灾减灾能力，保障了沿海居民的生命财产安全，并改善了岸线景观和拓展亲海空间。基于二维数学模型计算水动力变化与泥沙冲淤影响，预判海岸线整治修复对海洋环境影响范围及程度可控。研究结果可为海岸线整治修复管理提供一定科学依据，具有一定的借鉴和指导意义。