深圳后海湾淤泥质海岸沙滩修复研究

宣名轩，陈世俊，杨 娟，朱 伟，阙平雯，吴威力

（1.浙江省交通运输科学研究院，浙江 杭州 310023；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

我国海岸线绵长，尤其是沿海经济发达城市，淤泥质岸线占全国岸线的1/3，所以大部分经济发达的沿海城市缺少优质的砂质海滩。然而，沙滩具有重要的防灾减灾、滨海旅游和生态服务功能，是海岸带高质量发展和沿海人民生活质量提升所依赖的最重要的空间资源之一，因此在经济发达的滨海城市开展沙滩修复和淤泥质海岸整治修复是非常有必要的。目前，国内外学者对于沙滩修复和淤泥质海岸整治修复方面的研究较少。辜伟芳等[1]对浙江省淤泥质海岸线特点及整治修复进行探讨，提出潮滩地貌结构完整性塑造、潮滩生态系统构建及海域水环境改善等整治修复方向。对沙滩修复而言，应重点关注2 个问题：其一为预防侵蚀，即沙滩应具有一定的抗侵蚀能力，沿岸输沙及横向输沙不应太强；其二为预防泥化，避免由于动力环境过弱导致沙滩上方黏性细颗粒泥沙沉积[2]。目前解决沙滩泥化，绝大部分采用围堰方式隔绝外来泥沙，构建合适的水动力环境。

本文以深圳后海湾沙滩整治修复为例，探讨在半封闭式海湾、水动力条件较弱的地方进行沙滩修复，采用经验公式和数值模型结合的方法分析预防沙滩侵蚀以及沙滩泥化的效果，为淤泥质海岸进行沙滩修复提供更多的研究参考和依据。

1 工程区域水动力、泥沙特性

1.1 水动力特性

1.1.1 潮 汐

深圳湾位于珠江口东侧，根据珠江口伶仃洋实测资料分析：东部海区为不规则半日混合潮型，具备往复流的特征。海域属弱潮区，潮差较小，平均潮差为0.86～1.69 m。潮差具有自东向西递减，由湾口向湾顶递增的特点。

1.1.2 潮 流

涨落潮流的最大流速出现在中潮位附近，落潮流速一般大于涨潮流速。深圳湾口处涨潮流向338°，最大流速约1.48 m/s；落潮流向148°，最大流速约1.18 m/s。深圳湾涨落潮水动力分布趋势基本类似[3]。

1.1.3 波 浪

深圳湾是半封闭式海湾，湾口较窄，在湾口的西南部与珠江口伶仃洋相连。深圳湾的波浪全年均以风浪为主，外海转来的涌浪很少。涌浪大多出现在台风影响期间，出现较多的波向为S 向和E 向，其次为SSE 向和SSW 向。

1.2 泥沙特性

深圳湾陆域来沙主要来自深圳河、大沙河和新洲河。深圳湾内的河川多为小型河川，陆域来沙较少，深圳湾内的泥沙主要来自于湾外。整体来看，湾内的泥沙含量呈现较均匀的上、下水层特征。垂线分布总体上是底层的含沙量稍高于表面，而小潮表、底层几乎相同。深圳湾内的泥沙来源以珠江上游的输沙和涨落潮流所带来的细颗粒泥沙为主，含沙量为0.04～0.46 kg/m3。

深圳河湾内及邻近海域的河床成分以淤泥和细沙为主，悬移质的最大粒径为0.250 mm，中值粒径为0.009～0.015 mm；深圳河河口段以砂砾为主。深圳河河口至深圳湾外段的含沙量呈递减趋势。

2 修复目标

后海湾淤泥质海岸沙滩修复位置见图1。沙滩修复工程建设的主要目的在于形成休闲海滩，沙滩采用粗、中砂（平均粒径0.300～0.500 mm），砂质标准为：石英＞80.0%，石英＋长石＞96.0%，含泥量＜0.2%，贝壳含量＜1.0%。滩肩顶面高程为3.20 m，滩肩外边界线取2.8 m，允许极端天气下短时间的漫滩。以中间处观海栈桥为界，将沙滩分为南侧沙滩和东侧沙滩，在东侧沙滩最北侧修建1 座60.0 m 长的拦沙堤。内边界滩肩高程取3.20 m，滩肩外缘线高程取2.80 m，并向海按1∶10 的坡度自然放坡至海底。

图1 沙滩位置图

3 数学模型

年际冲淤演变结合冲淤演变模型水动力模块输出的水动力场，通过半经验半理论行为公式进行计算；极端天气下采用冲淤演变数学模型进行计算。

3.1 冲淤演变数学模型

模型北侧边界至大虎山上游，南侧至珠江口外海南海水域，沙滩修复区域附近网格进行局部加密。大范围岸线及地形资料采用珠江口海图数据，工程场区采用1∶15 000 的CAD 测图。平面坐标系统一为2000 国家大地坐标系（中央经线为114E）。风场数据采用CFSv2 再分析混合风场。高程系统统一为平均海平面。外海潮位开边界采用中国海潮位预测软件计算结果。采用2016 年9 月16 日10:00—9 月17 日10:00 大潮潮型，1#～6#测站的垂向平均流速、流向资料及赤湾观测站的潮位资料、实测含沙量以及台风“妮妲”登录前、后2 d 实测波高、波向对模型进行率定和验证，验证站点见图2。最终糙率取值：

图2 模型验证站点图

式（1）中：h为地面正常高，m；ζ为大地水准面差距，m。

潮位、流速、波高验证（以赤湾站为例）见图3，含沙量验证（大潮）见表1，符合JTS/T 231—2—2010《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[4]中的规定和要求。

表1 大潮含沙量验证表 单位：kg/m3

3.2 半经验半理论行为公式

借鉴罗肇森[5]对河口航道开挖后的回淤计算推导，进行平常天气下沙滩修复后岸滩及海床冲淤研究。根据窦国仁悬沙输沙方程：

式（2）中：H为水深，m；S为含沙量，kg/m3；q为单宽流量，m2/s；α为泥沙沉降机率；ω为悬沙沉降速度，m/s；S*为挟沙力含沙量，kg/m3；t为计算时间，s；x为计算断面间距，m。

对式（2）在1 个潮周期T内积分并经差分变换后，可得到1 个潮周期T内的海床冲淤强度ΔZ：

式（3）中：S1、S2分别为沙滩修复前、后的含沙量，kg/m3；γ0=1 750d500.183为泥沙干容重，kg/m3；d50为中值粒径，mm；S1*、S2*分别为沙滩修复前、后的挟沙力含沙量，kg/m3；q1、q2分别为沙滩修复前、后的单宽流量，m2/s。

如果沙滩修复前、后来沙量不发生变化，即S2=S1，则有：

1 a 中冲淤强度p为：

式（4）～（5）中：T为潮周期，s；n为1 a中的潮周期数。

式（6）中：H1，H2分别为沙滩修复前、后的水深，m；v1、v2分别为沙滩修复前、后的流速，通过潮流数值模型在考虑波浪场的情况下输出，m/s。

3.3 模型参数选取

3.3.1 悬沙沉降速度

沉降问题采用JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[6]的推荐方案进行概化处理。即对于粒径小于0.030 mm 的细颗粒泥沙，相应絮凝沉速应介于0.1～0.6 mm/s，这里取该区间的几何中间值0.3 mm/s；悬沙以絮凝沉降为主，絮凝沉降速度可取0.3 mm/s。

3.3.2 挟沙力含沙量

式（2）中的S*代表潮流作用下的水体挟沙能力，可取夏季大、中、小潮全潮平均含沙量，计算时含沙量可取均值0.080 kg/m3。

3.3.3 其 他

一般大潮期间流速较大，含沙量也相应较大，沙滩修复前、后流速取大潮平均流速；泥沙沉降机率根据周围海域相关经验参数取0.6；泥沙干容重根据罗肇森公式计算取811.45 kg/m3。

4 岸滩冲淤数值模拟

4.1 平常天气条件

平常天气条件下，人工沙滩建成后年际冲淤演变见图4。沙滩修复后，研究区域整体的冲淤强度在-0.140～0.120 m/a。受潮流场变化影响，在两侧人工沙滩坡脚处存在一定的流速减小区域，导致沙滩坡脚周围的淤积强度普遍在0.040 m/a 以上，淤积强度超过0.100 m/a 的范围主要集中在拦沙堤外侧水动力条件极弱的地方。两侧沙滩坡脚外侧20～30 m范围内的淤积强度普遍在0.008～0.040 m/a。由于拦沙堤缩窄了过水断面，两侧沙滩交界处形成类似岬角的平面形态，导致沙滩交界处两侧流速增大，引起一定程度的滩面冲刷，冲刷区域与水流方向垂直，交界处冲刷强度为0.100 m/a。

图4 人工沙滩建成后年冲淤强度分布图

4.2 极端天气条件

选取对深圳湾影响最大的强热带风暴——2016 年夏季台风“妮妲”作为极端天气的代表情况进行计算分析，估算得到沙滩修复后极端天气条件下人工沙滩岸滩及附近海床冲淤强度（见图5）。由于湾口岬角处对东侧沙滩的掩护作用，东侧沙滩几乎不存在岸滩侵蚀，南侧沙滩岸滩侵蚀较轻，滩肩处不存在漫滩现象；附近海床冲淤程度也较轻，仅在两侧沙滩交界处类似于岬角的位置，侵蚀强度大于0.040 m。同时在台风浪的作用下，悬沙在人工沙滩西南侧掩护较好的区域进行落淤。

图5 台风浪过后工程区冲淤强度分布图

4.3 剖面冲淤变化分析

为了进一步说明沙滩修复对岸滩及近岸海域冲淤的影响，模型在南侧、东侧沙滩和两侧沙滩交界处，设置长300 m 的5 个剖面（见图6），进一步分析两侧沙滩以及沙滩交界处剖面冲淤变化情况。5 处剖面年际冲淤变化情况和极端天气下的冲淤变化情况见图7。

图6 人工沙滩剖面设置图

图7 剖面冲淤变化图

由于是半封闭式海湾，正常天气情况下涌浪的影响可忽略不计，大风浪占全年的1/3 左右，波浪对沙滩冲淤的影响较弱，主要年际冲淤变化以潮流输沙为主。沙滩修复后，流速减小的地方发生淤积，流速增加的地方发生冲刷。泥沙冲淤的影响范围与潮流场的变化范围一致。极端天气情况下受风浪影响，在波浪掀沙的作用下，主波向波浪强度强的地方冲刷，在掩护区即波浪强度较弱的地方落淤。剖面A 位于东部沙滩边界，受拦沙堤的阻水作用，沿岸流输沙在流速较小的地方落淤，沙滩低潮带年际淤积达0.020 m/a，而台风过境时由于风浪主波向偏南侧，剖面A 受风浪影响较小，几乎不存在侵蚀。剖面C 位于两侧沙滩交界处，形成类似岬角的平面形态，平均流速较大，沙滩的中低潮带年际冲刷强度达0.080 m/a。台风过境时，主波向几乎垂直于剖面C 处，剖面C 受风浪影响侵蚀程度最大，冲刷强度达0.025 m。剖面E 整体上输沙来沙平衡，沙滩年际淤积几乎为0 m/a，极端天气下受向南侧风浪的影响，沙滩侵蚀程度较大，冲刷强度达0.015 m。整体上，修复后的沙滩及附近海床将产生一定的冲淤变化，但冲淤强度及范围较小，对周围海域流场、悬沙等影响也相应较小。

5 泥化情况分析

5.1 沙泥分界线高程与波高关系研究

徐啸[7]等学者对厦门湾岸滩的沙泥分界线进行调查，并结合当地年平均有效波高，得出厦门湾的沙泥分界线高程和当地年平均有效波高呈负相关关系的结论。后海湾和厦门湾同属海湾，原有岸滩存在明显的沙泥分界线且基本保持稳定，沙泥分界线高度和离岸距离的变化有限，沙泥分界线的波动较小[8]。本文将部分具有明显沙泥分界点的观测断面高程与当地近岸（年平均有效）波高进行分析，相关关系及拟合曲线见图8。由图8 可以看出，当近岸波高较小时，沙泥分界线位置较高；同时与徐啸的研究结果对比可知，近岸波高较小时对沙泥分界线高程的影响较小，整体相关趋势与徐啸在厦门湾沙泥分界线研究中得出的结论相符。

图8 沙泥分界点高程与近岸波高关系图

5.2 泥化预测

在淤积质海岸上进行沙滩修复，由于水动力条件相对较弱，沙滩缺乏波浪淘洗作用，水体中的悬沙大量沉积于沙滩上时，人工沙滩可能会发生泥化现象[9]。由于工程本身是对存在一定泥化现象的沙滩进行修复，故前文计算了工程海域的悬沙落淤强度。以年均动力代表条件计算得南侧沙滩和东侧沙滩滩面上的悬沙落淤强度为0.100 m/a，落淤强度较小，但波浪条件有限，悬沙仅可被涨落潮流带走，破波水流存在可能性较低。结合珠江口海域含沙量、现场踏勘以及数值模拟分析，综合判断修复后的沙滩存在一定泥化风险，仅可作为观赏性沙滩，亲水性较差。

两侧沙滩波浪条件存在一定差异，其中东侧沙滩近岸处的年平均有效波高集中在0.04 m 左右，泥化风险较大。根据前文的沙泥分界线高程与近岸波高关系的研究结论，东侧沙滩沙泥分界线高程可估算为0.49 m，处于低潮带附近。南侧沙滩近岸处年平均有效波高相对于东侧沙滩较高，集中在0.10 m 左右，南侧沙滩沙泥分界线高程可估算为0.30 m，处于低潮带附近。沙滩典型剖面沙泥分界点高程见图9。

图9 沙滩典型剖面沙泥分界点高程示意图

综上，人工沙滩建设对工程区域波浪条件的影响微乎其微，泥化的风险主要还是由于本身后海湾区域动力条件较弱，潮间带以潮滩为主，除极端动力条件外，砂质沉积物难以搬运分选，且由于动力较弱，悬沙在沙滩的中低潮带附近沉积、泥化。

6 结 论

本文以深圳后海湾沙滩整治修复为例，探讨在半封闭式海湾、水动力条件较弱的地方进行沙滩修复、预防沙滩侵蚀以及沙滩泥化的效果，主要结论如下：

1）通过半理论半经验公式，结合潮流数值模型，推算平常天气下的沙滩修复前、后岸滩及海床的冲淤变化。沙滩修复后，流速减小的地方发生淤积，流速增加的地方发生冲刷。泥沙冲淤的影响范围与潮流场的变化范围一致。泥沙冲淤的强度和影响范围会随着垂直岸线方向逐渐减弱。平常天气条件下岸滩和海床的整体冲淤变化较小。

2）通过建立水动力-泥沙耦合模型的方法，推算极端天气下的沙滩修复前、后岸滩及海床的冲淤变化。沙滩修复后，在主波向即波浪强度强的地方冲刷，在掩护区即波浪强度较弱的地方落淤，东侧沙滩几乎不存在岸滩侵蚀，南侧沙滩岸滩侵蚀较轻。极端天气条件下岸滩和海床的整体冲淤变化较小。

3）重点以波浪条件的变化研究区域的泥化情况，结论表明：研究区域年有效平均波高在0.10～0.12 m，泥化线高程和年平均有效波高呈负相关线性关系；结合后海湾泥化分布相关经验关系式，估算出沙滩修复方案后两侧沙滩的泥化线高程，东侧沙滩约为0.49 m，南侧沙滩约为0.30 m；在中低潮带存在泥化情况，泥化主要受水动力条件控制，存在泥化风险，沙滩修复后仅可作为观赏性沙滩。