基于海岸带脆弱性方法的沙质海岸防护工程设计应用

2022-01-24郭天润

中国港湾建设 2021年12期

郭天润

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

沿海地区的建筑及基础设施易受到气候变化引起的沿海灾害的影响。相比其他类型海岸，沙质海岸的侵蚀问题尤为突出，近年来，受全球变暖等气候变化影响，沙质海岸的年平均侵蚀速率达1~3 m，对沿海地区居民的生活构成重大威胁。因此，沙质海岸防护工程是保障海岸带系统安全和经济、社会发展的重要课题，也是国际前沿科学问题。利用科学、系统的方法进行沙质海岸带脆弱性分析，并基于此提出合理的防护策略和工程措施，是沙质海岸防护工程中的一种较为有效的研究手段。

1 国内外相关研究及PSR模型简述

海岸带脆弱性的评估方法繁多[1-2]，最常见的综合评估方法主要有3种，即IPCC通用方法、PSR模型评估和CVI脆弱性指数[3]。其中，PSR（Pressure—State—Response Framework）模型是指“压力-状态-响应”模型，最初是由加拿大统计学家RAPPORT D J和FRIEND A M（1979）提出[4]，后由经济合作和开发组织（OECD）与联合国环境规划署（UNEP）共同提出了针对环境指标的PSR概念模型，近年来被应用于各相关领域[5-7]。

使用PSR模型进行海岸带脆弱性分析时，首先需要针对项目的实际情况，确定指标体系。主要考虑：1）压力表征指标，如海平面上升、气温升高、极端天气状况和人类的围垦活动等；2）状态表征指标，如海岸带物理、生态特征变化和灾害的发生频率及社会经济人口特征及经济损失等；3）响应表征指标，如系统的物理形态及生态响应和人类社会对系统变化所作出的一系列适应性调整措施等。然后，利用层次分析法给每个指标赋予一定权重，再进行数据标准化处理，最后利用系数评分法进行打分。该模型评估法考虑的因素众多，指标选取较为全面，可操作性好，对于解决沿海城市和居民密集区域的脆弱性响应有较好的适用性。

2 工程案例所在海岸情况

案例选自于笔者在荷兰某国际咨询公司工作期间参与的项目，由联合国开发计划署（UNDP）和环境保护署（EPA）共同发起，是较为典型的海岸防护类工程项目。项目位于利比里亚首都蒙罗维亚，该海岸西邻大西洋，是细砂、中砂类沙质海岸。波浪以南向浪为主，洪季平均波高约1.75 m，平均波周期约12 s。该地区常年受海洋灾害的威胁，在过去10 a里海岸线后退较为严重，据统计，共有670户居民因海岸侵蚀的影响而搬迁。按所在地段和受影响程度不同，自北向南可分为5个区段（图1）。

图1 工程所在海岸受影响程度分区段示意图Fig.1 Schematic diagram of affected sections of project location coast

通过卫星航拍对比图可清晰观测到海岸线后退的情况，如图2和图3所示，图中虚线和实线分别为2008年和2018年海岸线。以区段2和区段3为例，2008—2018年，海岸侵蚀严重，海岸线后退最大达150 m，甚至连河口沙洲和拦门沙形态都发生了重大变化。这种变化不仅威胁和损害了沿岸居民的生命财产安全，同时也给上游河段和整个红树林流域带来不确定的影响。

图2 区段2海岸线变化卫星图对比（虚线2008年；实线2018年）Fig.2 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 2

图3 区段3海岸线变化卫星图对比（虚线2008年；实线2018年）Fig.3 Satellite comparison of coastline changes in 2008(dotted line)and 2018(solid line)at coastal sections 3

历年卫星图对比和相关调研结果表明，近10 a来，该海岸未有较大规模的人类活动，人类活动对该区域海岸的直接影响较小。海岸线后退主要是由自然过程造成的，而这种自然过程由于气候变化将继续扩大，海岸线后退以及随之带来的破坏预计将在未来几十年继续恶化。

3 海岸带脆弱性综合评估方法的应用

该区域海岸线后退主要包括3个影响过程，即海平面上升带来平衡断面的变化（Bruun效应）[8-9]，沿岸输沙和河口泥沙交换引起泥沙缺少，从而形成缓慢的岸滩侵蚀和风暴潮的侵蚀。虽然上述3个影响过程是独立的，但影响它们的因子都较为类似，且都易受到气候变化的影响。海岸线后退现状及2050年数模预测结果见表1。

表1 海岸线后退现状及2050年预测评估表Table 1 Status of coastline retreat and forecast evaluationtable for 2050

考虑利用PSR模型对工程的5个区段进行海岸脆弱性综合评估。其中压力指标是指给海岸带来影响的因素，本工程中主要考虑海平面上升、波浪和净输沙量的变化情况。状态指标主要考虑由Bruun效应、慢性侵蚀和风暴引起的冲刷导致的海岸线后退，及其带来的各种直接和间接损失、社会和经济影响等。响应指标主要是人类已有的干预活动及政府和相关团体对防护措施的态度。

在PSR模型中各指标权重的确定存在较大的主观性，需要长年的基础数据支撑，而工程区属于欠发达地区，缺乏必要的基础资料，对各指标权重进行数据标准化处理较为困难。因此简化PSR模型，即采用定性和定量相结合的方式对各评价指标进行评估，见表2。结果表明，区段2和区段3受到海岸脆弱性和危害强度最大，应投入主要的资源，采用合适的工程措施进行重点防护。

表2 脆弱性分析评估表（简化PSR模型，至2050年）Table 2 Vulnerability analysis assessment form(Simplified PSR model,to 2050)

4 防护策略和工程措施分析比选

基于海岸脆弱性分析和危害强度的评估结果，选取合适的防护策略，以降低危害强度。在考虑工程对社会和环境的影响情况下，因地制宜，找到最容易实施且经济性可行的解决方案[10-12]。近年来，海岸防护策略趋于多样化，但总体上可分为5大类，从“软性防护”过渡到“硬性防护”依次为补沙、挡沙、破波消能（基于生态）、破波消能、固定海岸线[13]。各防护策略均对应一些可用的工程措施，结合本工程实际水动力条件和地形特点，部分工程措施没有实施可行性，见表3。

表3 海岸工程防护策略实施条件与可行性分析表Table 3 Implementation conditions and feasibility analysis of coastal engineering protection strategy

工程区属于侵蚀性较强的海域，纯沙滩养护的费用极高，需配合其他工程措施实施。针对本工程实际情况，筛选出本工程技术可行的工程措施，并对各措施进行优劣势对比分析，见表4。

表4 本项目防护策略与工程措施分析表Table 4 Analysis table of protection strategies and measures of the project

分析结果表明，较柔性的防护策略造价较高，在该海岸适用性不强，而造价低廉的斜坡式护岸优势明显，能较好地适应当地的防护需求和经济性要求。因此，各区段海岸防护拟采用斜坡式块石护岸工程措施。

5 工程布置方案

根据前述研究结论，区段2和区段3的具体工程布置方案如下。

区段2的后方为人口密集区域，海岸侵蚀方向主要是向海侧输沙，部分向西北方向沿岸输沙。由于目前政府正在修建简易护岸，拟对在建的简易护岸进行一定改造升级，如堤顶加高和采用较大石料等，沙滩后方布置绿色长廊，满足景观要求，提升沿海居民的居住体验。在区段2中部位置布设一处丁坝与沙滩养护结合的靠船点，满足小型渔船停靠和避风需求。为减少靠船点处泥沙流失，丁坝设置为L形，L形丁坝开口向东南方向（来沙方向），见图4。

图4 区段2推荐工程方案Fig.4 Proposed solution of section 2

区段3也是该地区人口最密集的海岸之一，海岸北端有西点军校。该区域总体处在海洋和Mesurado盆地之间的动态沙洲上，海拔较低。海岸侵蚀方向主要是向海侧输沙，盆地内的“沙饥饿”现象导致部分向西北方向沿岸输沙，加剧了该区域的海岸侵蚀现象。拟采用与区段2类似的工程方案，即配备绿色长廊的块石护岸，中段位置设置L形丁坝的渔船登船点，L形丁坝开口方向西南（见图5）。其中，护岸要延伸至Mesurado盆地入口处的海岸线，以确保覆盖海岸侵蚀区段的全部范围。