北戴河西海滩波浪动力与人工养护沙滩侵蚀原位监测研究

冯梅，冀坷帆，白玉川，王刚，张甲波，黄哲

（1.河北省海洋地质资源调查中心，河北省海洋岸线生态修复与智慧海洋工程研究中心，河北 秦皇岛 066000；2.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；3.水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350）

0 引言

随着河流入海沙量的急剧减少和海平面上升，海岸侵蚀的风险逐渐加剧[1]。全球70%的沙质岸线都处于侵蚀状态，自然海滩面积急剧减小，甚至完全消失[2]。因此，人们对沙质海岸开展了保护工程，经过“让海护岸”、硬工程护岸，发展到现阶段普遍采用的软工程护岸，即海滩抛沙或称为养滩工程。目前普遍认为养滩是当前抵御海岸侵蚀，改善海滩使用功能的最佳方式之一[3-4]。

国外开展海滩养护的工作较早，美国最早在东海岸连续进行了154 处的养滩工程，取得了良好的效果[5]。我国的沙质岸线修复治理起步较晚，且由于环境影响和人为原因，养护后的沙质海滩退化依然明显[6]。适合我国的沙质海滩人工养护方法处于逐步探索中，北戴河的“沙丘-滩肩-沙坝-潜堤”近自然岬湾沙质海滩修复模式，通过设置人工岬湾[7]、人工补沙[8]、人工潜堤[9]等工程措施，取得了良好的整治修复效果。近期针对养滩后海滩剖面演变开展了监测分析，并且在分析岸滩侵淤规律的同时[9]，也开始探究波浪场对养护后海滩的作用[10]。

海滩侵淤状态由沙源补给量、岸线地形、动力环境等共同控制[1]。在岸线地形与沙量补给基本不变的前提下，外动力环境将是首要因素，主要包括波浪、海流和潮汐动力[11]。在波浪、潮流及两者的叠加作用对泥沙起动、运移方面已取得了大量的研究成果。研究者多数通过分析可动颗粒的受力平衡条件，得到泥沙起动的临界条件[12-13]。也有学者将河流单向流的泥沙运动理论扩展到近岸双向流动力条件下，并考虑波浪的不规则性[14]，得到了很多半经验半理论公式，用于计算泥沙起动条件和输沙率[15-16]，但是不同计算公式结果偏差较大，对于实际工程的指导意义还有待提高[17]。此外，针对具体的海岸整治工程，学者们开展了数值模拟研究工作，得出了近岸人工养护岸滩的波流耦合作用[18]，以及多工程联合作用下近岸泥沙场和岸滩演变趋势[19]。

目前，对自然环境中的海滩侵蚀已开展了大量的人工修复工作，但对人工养护海滩侵淤与波浪等外动力响应特征还缺少长期、连续、高频次的原位监测数据，基于实测数据分析的人工岸滩的侵淤量与波浪特征的定量关系还不明确。本文通过对人工修复海滩的原位剖面以及波浪条件的长期监测，得到波高对海滩侵淤量的累积曲线。发现了修复海滩侵淤量对波浪波高的响应特征，成果可为养滩后海滩质量监测和未来海滩修复设计提供参考。

1 工程与监测概况

研究区域位于秦皇岛北戴河西海滩东部，利用“沙丘-海滩-沙坝-潜堤”的海滩修复模式，对原来侵蚀殆尽的海滩进行修复治理。在原海岸线基础上，滩肩向海推进50 m，在离岸约200 m 处吹填人工沿岸水下沙坝（如图1 所示）。在西海滩中部，平行于海岸线建立3 座离岸潜堤，西海滩东侧老虎石原栈桥处修建人工潜礁，并保留潮流通道，如图1 所示。养滩客沙以粗中沙为主，颗分数据如图2 所示，平均中值粒径为0.42 mm，分选良好，偏态近对称分布。

图1 工程区域及原位监测剖面示意图Fig.1 Schematic diagram of project area and in-situ monitoring profile

图2 抛填沙颗分数据图Fig.2 Particle size gradation of sand for nourishment

原位监测剖面位于西海滩东部，垂直于海岸线，剖面自西向东分别为M1、M2 和M3 剖面（图1），工程修复后的初始剖面见图3，修复后滩肩后缘初始高程约为2.5 m，前缘初始高程约为2.0 m，滩肩坡度约为1∶100～1∶200，滩面坡度约为1∶10。原位剖面监测采用RTK 测量，监测频率约为5 d。波浪数据由SBP3-1 型波浪浮漂遥测系统自动收集，浮漂位于M2 剖面正前方，人工沙坝外侧，距离岸线约1 km，水深5.5 m[20]。波浪原始数据为每日8 个时刻的有效波高、最大波高和1/10大波波高。为了保证波高数据与剖面观测的频率相一致，同时考虑较大波高对岸滩侵淤的影响更为显著，因此将5 d 内统计所得的各特征波高最大值作为影响该时段内沙滩侵淤量的主要因素。

图3 原位监测初始剖面图Fig.3 Initial profile for in-situ monitoring

2 周边海域水文特征

秦皇岛海域主要波浪类型为风浪以及风浪为主的混合浪，约占全年总次数的75%，而涌浪以及涌浪为主的混合浪约占22%。该区常浪向为S向，强浪向为SE 向，长期累积出现率最高的波浪波高为0～0.5 m，出现频率为62.31%，极个别2 m以上的波高波浪主要波向在ENE 至WSW 向范围之内。区域最大潮差均介于1.4～1.5 m，属弱潮海岸，大潮、中潮期间明显表现为一涨一落的日潮特征，小潮时半日潮特征明显增强[20]。海区整体流速较小，且大、中、小潮差异不明显，落潮平均流速略大于涨潮。涨潮平均流速介于0.13～0.3 m/s，涨潮最大流速介于0.2～0.5 m/s，落潮平均流速介于0.14～0.32 m/s，落潮最大流速介于0.21～0.55 m/s。流速在垂线分布上变化不大，呈表层流速比底部稍大的变化特征。根据实测资料分析，该海域余流流速很小，平均值约为0.003 7 m/s。基于水文特征的分析，秦皇岛海域潮流动力低，现场观测结果显示近岸海域的流速基本在0.2 m/s以下，相关的数值模拟结果显示在岬角保护的近岸海域，潮流流速基本都在0.1 m/s 以下。而本工程抛填沙中值粒径在0.42 mm 左右，泥沙起动流速在0.2 m/s 以上，因此潮流作用对抛填沙运移影响微小，海滩泥沙起动与运移受波浪动力及波浪产生的近岸流影响更为显著。

3 监测成果分析

3.1 波高频率分布和滩面侵蚀过程

研究区域内最大有效波高频率分布见图4。

图4 有效波高频率曲线图Fig.4 Frequency curve of significant wave height

由图4 可知，波高分布有大小波峰现象，主要分布在0.3～0.6 m，约占总有效波数的85.7%，大于0.6 m 的有效波高个数约占12.5%，0.2 m 以下的有效波高在本次统计中未出现，以0.6 m 为界，两部分比例约为7∶1。在研究时段内，每隔2～3 个月选取其中7 期来分析滩面形态的变化（如图5 所示）。从图5 可以看出，所有监测断面均出现了不同程度的侵蚀，表现为海滩高程的下降和滩面的后退。最大侵蚀高度均能到达1 m 以上，或接近1 m。其中，M3 断面的海滩蚀退最为明显，最大侵蚀高度达到了1.7 m 左右，滩面后退距离能达30 m 左右，这与M3 断面的泥沙较细有关。

图5 滩面侵蚀过程Fig.5 Process of beach face erosion or deposition

3.2 有效波高与滩面侵淤量的关系

利用RMAP 剖面处理软件计算出对应的海滩单宽侵淤量。一般认为较大波高对岸滩侵淤的作用更强，因此首先统计了最大波高和1/10 大波波高与月际侵淤量的统计关系（如图6 所示）。图中将研究时段内相同波高引起的侵淤量进行了合并，作为该波高作用下引起的岸滩总侵淤量。图中可以看出，最大波高和1/10 大波波高越大，引起的岸滩侵蚀愈明显，但是通过回归分析发现较大波高与侵淤量的相关性不强。另外，统计了有效波高与海滩侵淤的关系。为了避免某一波高作用下引起岸滩侵淤的随机性，将波高值在某一范围内进行统计，并将该范围内的波高对应的侵淤量进行求和，可得各波高范围作用下海滩的总单宽侵淤量（如图7 所示）。图中数据表明中小波高（0.3～0.6 m）对于3 个岸滩剖面的侵蚀贡献都较为显著。结合图4 中的波高出现频率可知，虽然该波高动力强度不大，但是出现频率较高，依然能对岸滩侵蚀产生显著影响。同时图中可知，在较大波高（＞1.5 m）条件下，也能产生较大的岸滩侵蚀量（M1 剖面岸滩侵蚀数据缺失）。虽然大波高出现频率很低，但是其引起的岸滩侵蚀也不可忽视。

图6 最大波高和1/10 大波波高与海滩月际单宽侵淤量的统计关系Fig.6 Statistical relationship between the maximum wave height,top 10%wave height and the inter-monthly single width erosion or deposition of the beach

图7 有效波高与海滩单宽侵淤量的统计关系Fig.7 Statistical relationship between the significant wave height and the single width erosion or deposition of the beach

分别将原位监测剖面M1、M2 和M3 的单宽侵蚀量数据依波高从大到小的顺序进行累加，得到大于该波高的侵蚀量对总侵蚀量贡献度的比例图（见图8）。图中3 个剖面的波高与侵蚀量的累积变化曲线基本呈指数分布。该曲线可分为2 段，对于M1 剖面，大于0.6 m 波高的累积侵蚀量贡献度基本稳定，约占全部侵蚀量的35%，0.3～0.6 m的波高对侵蚀量的贡献度可达65%左右。对于M2剖面，0.3～0.6 m 的波高范围内，累积侵蚀量曲线比M1 剖面坡度陡，导致该范围内波高对侵蚀量的贡献度达到了80%。M3 剖面曲线表明0.6 m 以下的波高对总侵蚀量的贡献在60%左右。

图8 波浪侵蚀量累积贡献度Fig.8 Cumulative contribution of wave erosion

综上所述，3 条监测剖面的波高与累积海滩侵蚀量曲线基本都呈指数衰减分布规律。以0.6 m波高为界，大于该波高的波浪对总侵蚀量的贡献度约为25%，波高介于0.3～0.6 m 之间的波浪对总侵蚀量的贡献度达到75%左右。考虑到两区段有效波高频数之比约为1∶7。从长期海滩侵蚀量分析，单个大波浪对海滩的侵蚀量大于中小波浪。但因为波高频数的限制，大波浪对人工养护海滩总侵蚀量的贡献较低，人工养护海滩的总侵蚀量由大量较小波高的波浪引起。

4 结语

本文通过对养护海滩的波浪及滩面侵蚀量的长期原位观测，统计分析了不同波浪波高对海滩侵蚀量影响，可为养护海滩的质量维护、设计与监测提供一定参考。研究得到以下结论：

1）北戴河西海滩在养护后出现了比较明显的蚀退，最大侵蚀高度可达1.7 m，滩面后退距离可达30 m，侵蚀量与养护抛沙的级配有密切关系。

2）单个的较大波高导致的海滩侵蚀量更大，但是中小波高出现频率更大，在岸滩侵蚀中起到更大作用。波高对海滩侵蚀量影响的累积曲线呈指数分布，以波高0.6 m 为界，较小与较大的波浪对海滩总侵蚀量贡献度之比约为3∶1，表明大量较小波高的波浪对海滩侵蚀起到主要作用。

3）长期的原位观测手段是研究海滩侵淤过程、海滩养护效果后评价的有效手段。海滩养护设计除要特别关注大波浪的冲刷影响，还需特别注意出现频率较高的中小波浪的作用，需通过优化海滩剖面、平面形态，设置海岸防护工程，降低水流强度，来减小中小波浪对海滩侵蚀的累积影响。