秦皇岛金梦海湾海滩生态修复设计_谢亚琼.pdf

海洋地质前沿 第 卷第期 文章编号： （ ） 秦皇岛金梦海湾海滩生态修复设计 谢亚琼，刘松涛，刘冀闽， 裴丽娜 （ 河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，秦皇岛 ） 摘 要： 金梦海湾位于秦皇岛海港区西浴场， 其海岸侵蚀速率约为 。 生态修复工程利用秦皇岛港防波提并建设生态离岸潜堤， 构建静态平衡岬湾， 工程近岸补 沙方量为 ， 工程后取得了较好的效果。从设计理念、 设计要素和养滩监测 等方面， 对秦皇岛金梦海湾海滩养护工程进行了总结和探讨。 关键词： 海滩侵蚀； 生态修复； 海滩监测； 金梦海滩 中图分类号： 文献标识码： 世纪 年代初， 基于对海岸环境可持续 发展的认识， 欧美海岸工程师的兴趣已经向海滩 养护这一“ 软工程” 手段发展。事实证明， 海滩养 护是为匮乏泥沙的海滩补给泥沙， 使自然界按其 本来的规律发展， 而非抵御自然力量来防止泥沙 流失， 是应对海岸侵蚀最为经济的工程措施。目 前欧 洲 海 滩 养 护 的 年 增 长 总 量 已 经 高 达 ， 同美国陆军工程兵团参与的“ 联邦海滩养 护项目” 所用的沙量相同。我国海滩养护工作开 展较晚， 年来， 台湾、 大连、 厦门、 青岛、 秦皇 岛等地相继开展一些实践活动和相关研究， 至 年底， 我国海岸有近 处养滩工程， 其中秦 皇岛有处。本文从设计理念、 设计要素和养滩 监测等方面， 对 年实施的秦皇岛金梦海湾沙 滩养护工程进行了总结和探讨。 海滩侵蚀现状 金梦海湾位于秦皇岛海港区西浴场， 海岸线 长 。海岸呈 走向， 属于秦皇岛 收稿日期： 基金项目： 国家海洋局海洋公益性行业科研专项（ ） ； 河北省科学技术研究与发展计划（ ） 作者简介： 谢亚琼（ ） ， 女， 高级工程师， 主要从事地质 环境监测方面的研究工作 ： 南山与北戴河鸽子窝岬湾沙质海岸的一部分。根 据对多期航卫片解译， 结合不同年代地形图、 海图 和近 年来的岸滩定位剖面监测资料分析， 海岸 整体上处于侵蚀状态（ 图） 。由于不同岸段的展 布方向、 受海洋动力作用的强度和抗侵蚀能力不 尽相同， 致使不同岸段时空侵淤变化亦不一致， 其 中东段海岸侵蚀速率为 ， 最 大达 。西段海岸侵蚀速率为 ， 此岸段海滩上有 世纪 年代 建设的国防碉堡， 建设时距高潮线 ， 现碉堡 没入海中最大距离 多米（ 图） ， 原岸上建筑外 墙遭受冲蚀现已坍塌， 西段海岸侵蚀陡坎发育， 陡 坎达 高。 图 年海岸变迁图 DOI:10.16028/j.1009-2722.2013.02.011 海洋地质前沿 年月 秦皇岛金梦海湾海滩在 世纪 年代 由于河流输沙减少直接造成了海滩泥沙减少， 间 接造成了海底来沙减少， 因此入海泥沙减少是其 海滩遭受侵蚀的主要原因， 风暴潮等自然因素加 剧了海滩侵蚀的趋势； 世纪 年代至今， 由于 河流输沙减少引起的海滩侵蚀逐渐达到动态平 衡， 不合理的人工构筑物、 人类活动破坏了海滩均 衡态势成为海滩侵蚀的主要原因 。 图 金梦海湾原海滩上的碉堡 海滩生态修复方案设计 总体思路 海滩修复要尽可能考虑原有自然形态与附近 生态系统、 景观、 文化等各种因素， 达到保护、 恢 复、 创造稳定的、 有自恢复力的、 亲水的自然海滩 环境， 使海滩资源可持续利用。设计原则是尊重 自然， 达到人与自然的和谐； 确保生态多样性， 融 合景观环境， 共享自然景观； 创造亲水休闲环境， 促进人与人的和谐 。设计目标是塑造金梦海湾 岬湾式自然沙滩风貌， 充分体现“ 阳光、 沙滩、 休 闲” 的滨海城市景观； 减缓海滩侵蚀灾害， 恢复并 扩展金梦海湾海滩的规模， 提供优质亲水休憩空 间。总体思路是充分利用已有的秦皇岛港防波堤 和建设生态离岸潜堤， 以静态平衡岬湾理论为依 据， 设计人工静态平衡岬湾的平面形态。以海滩 平衡剖面理论为依据， 进行生态修复海滩剖面设 计， 使金梦海湾沙滩达到平衡状态。 海滩形态设计 考虑秦皇岛港防波堤的遮蔽作用和岸线形 态， 金梦海湾初步具备了岬湾海岸的条件。为达 到稳定的具有自恢复力海滩的构建目的， 新的岸 线走向与平面布局应符合静态平衡岬湾岸线的形 态， 岸线形态适应当地的波浪条件， 符合海滩泥沙 的运动规律。根据静态岬湾理论， 静态平衡的海 滩波峰线平行逼近海岸线， 同时破碎， 波能没有沿 岸分量， 沿岸输沙几乎为零。因此， 岬湾的海滩没 有长时期的堆积和侵蚀， 即使遇到风暴而发生暂 时侵蚀， 但风暴过后， 涌浪又会很快把风浪造成的 沿岸沙坝重新推回到海滩而恢复原来的面貌。由 于静态平衡的海滩是最稳定的， 所以其结构可作 为稳定岸线存在的一种形式。利用 可 视化软件 ， 根据岬湾海岸波浪折射规律， 调整最 优岬头位置， 并预测金梦海湾稳定岸线形状（ 图） 。 图 金梦海湾静态平衡海岸线计算图 在体育基地浴场以西， 海底世界至海洋花园 别墅依次布设座离岸堤， 离岸距离 ， 配合秦皇岛港防波堤共同营造出理想的静态 平衡岬湾海岸。根据岬控稳定岸线形状进行人工 养滩， 使之形成稳定的静态平衡岬湾形状。为保 证沿岸景观的完整性， 离岸堤设计为低于水面的 潜堤型式， 潜堤在消能功效上弱于离岸堤， 但因其 阻挡的水流断面积较离岸堤有限， 对海水循环和 生态环境影响较小， 加上结构物不露出水面， 无损 于视觉景观。设计的新岸线平面形态为优美的三 湾弧形海岸， 亲水休憩环境极佳， 养滩效果和海滩 稳定性好， 泥沙流失量最小， 是目前国际养滩工程 推广的设计方案， 成功地应用于北戴河西海滩养 第 卷 第期 谢亚琼， 等： 秦皇岛金梦海湾海滩生态修复设计 滩工程（ 图） 。 图 金梦海湾养滩工程设计 海滩稳定性评价与演变预测 海滩稳定性评价 （ ） 是西班牙国 家通用海岸工程模拟软件， 是用来进行近岸水动 力模拟和海滩恢复工程模拟的可视化软件， 是由西 班牙环境部（ ） 和坎 纳布利亚大学（ ） 联合开发 的 。利用 对设计方案进行模拟， 并调整 岬头位置， 使海滩达到最稳定效果。 在常浪条件下， 波浪从外海向海岸传播， 在潜 堤位置破碎， 并根据波峰方向在岬头附近产生折 射和绕射， 改变波浪方向和大小， 从而改变沿岸流 的方向， 进而影响到沿岸输沙， 营造出良好的岬 湾。本次工作分别对本区域工程前后的沿岸流场 进行了模拟， 结果如图， 其中左图为工程前的沿 岸流场， 右图为实施三潜堤工程后的沿岸流场， 图 中横轴、 纵轴单位均为 。在常浪向条件下， 实 施工程之前沿岸流以 的强势向西运行， 从而导致沿岸净输沙方向向西（ 图 ） ； 实施海滩 生态修复工程之后波生沿岸流强度减弱， 且在工 程海域产生回旋， 不会形成较大的沿岸输沙， 在整 个区域看来， 沿岸净输沙率几乎为零（ 图 ） ， 从 而达到稳定海滩的目的。 图 工程前后沿岸流场模拟对比 海洋地质前沿 年月 海滩演变预测 采用 系统对金梦海湾海岸线演变 进行模拟， 模拟区域东起汤河口西至海洋花园别 墅。本段海岸线初始位置取自 年航片，轴 长度 ， 根据实际情况部分岸段做护岸处 理， 岬角遮蔽的海岸线复杂区域做概化处理。将 设计方案和补沙方案输入到模型之中， 对新的人 工岸线进行模拟， 结果会形成个良好湾岸， 如图 。模型参数设置： 局部模型坐标系统方位角： ； 有效粒径： ； 平均滩肩高程： ； 时间步长：； 边界条件： 固定边界。 注： 红色为初始海岸线， 蓝色为工程后稳定岸线 图 工程方案效果模拟 在自然应力长期作用下， 沙滩最终会在离岸 潜堤后形成个沙嘴， 如图的形状， 而如果直接 补沙至平衡岸线的形状， 新的岸线在波浪潮流共 同作用之下， 在很短的时间之内即可达到平衡状 态， 形成静态平衡人工岬湾。数值模拟结果显示， 潜堤方案营造人工岬湾方案可行、 效果理想， 可 以达到形成静态平衡岬湾海岸的目的。 养滩参数设计 养滩区域 基于平衡岬湾理论和数学模型对方案进行论 证， 设计养滩补沙岸段海岸线长 ， 总面积 约 ， 总补砂方量为 ， 其 中养滩后形成的新岸线以上区域， 即增加沙滩面 积约 ， 滩肩向陆一侧填至护岸或建筑 物边缘。 养滩剖面设计 滩肩高程和宽度 滩肩高程原则上以平均潮位年 次再现几 率有效波所产生的爬高决定， 一般可取设计高水位 以上 倍常浪波高。结合历史监测数据的原有 滩肩高程， 确定其滩肩顶高程在 （ 国家高 程基准） ， 滩肩由陆向海为 的缓坡形式。 金梦海湾沙滩兼顾旅游及海岸柔性防护作 用， 仅考虑海岸侵蚀的防治， 滩肩宽可由年或 年一遇风暴潮可能侵蚀损失量再加保护后滩 最小要求宽估计， 滩肩宽度约为 ； 同时 作为浴场沙滩， 滩肩宽度决定了沙滩的游客承载 力， 即由人均海滩使用面积推算海滩需求面积， 进 而确定沙滩承载力。参照美国 人、 日本 人的标准等， 确定滩肩宽度为 。 海滩坡度 不同的沙滩剖面类型可以通过泥沙、 坡度和 波要素关系描述公式表达为 ： （） （） （ ） 式中：、 、为深水有效波高、 波长、 周期； 为海滩坡度； 为泥沙颗粒沉降速度； 值是无因次判数， 时为侵蚀型剖 面， 时为淤涨型剖面， 时为 动态平衡剖面。设计滩面平均坡度 ， 根据波 浪资料推算有效波波浪要素， 以 填沙粒 径作为参数， 算得 ， 理论值显示设计剖 面为动态平衡剖面。初期前滩坡度可假定平行当 地或对应的天然海滩低潮位以上坡度计算， 沙滩 初期滩面坡度较陡， 通过自然调整形成平衡剖面。 第 卷 第期 谢亚琼， 等： 秦皇岛金梦海湾海滩生态修复设计 外滩坡度则依当地或邻近海岸低潮位下至移动水 深间的平均坡度计算， 约以 坡度自低潮位 斜线延伸至与原海床相交处。 养滩平衡剖面设计 养滩后的平衡剖面可由 或 的指 数函数式表达 ： （ ） 式中： 为当地水深； 为离岸线距离； 、为 经 验 拟 合 常 数， ， ； 为沙粒沉降速度， ； ， ； 为沙粒的平均直径， 通常以作为平衡 剖面的指数常值。依密歇根湖及佛州资料， 粒径 ， 。参照北 戴河西海滩计算， 本次设计采用 。 但是需要注意的是平衡剖面理论是理想状态 下的平滑曲线， 未考虑潮汐以及近岸沙坝的影响， 并不能完全依赖该公式确定补沙的位置或预测剖 面的稳定性。实际设计过程中应根据区域平面形 态综合考虑设计适宜的剖面型式。 客沙粒径选择 客沙粒径的确定是养滩成败的决定性因素。 强浪的海滩坡度陡， 以粗沙砾石为主； 弱浪的海滩 坡度缓， 以中、 细沙为主。 的海滩养护试验 结果， 补沙粗于原海滩的海岸侵蚀后退较小， 补沙 细于原海滩的海岸岸线侵蚀后退较大， 他认为若 干细粒被波浪悬浮而带到岸外。经验认为人工补 沙的砂料中值粒径 约可取原来海滩上的 的 倍 。金梦海湾海滩沙中值粒径 介于 之间， 客沙中值粒径 在 左右。 补沙方式 人工养滩的补沙方式通常有种：沙丘补 沙， 将所有的补给泥沙堆积在平均高潮位以上； 滩肩补沙， 将补给泥沙堆积在平均潮位以上形成 宽而高的滩肩；剖面补沙， 将补给泥沙吹填在整 个海滩剖面上；近岸补沙， 将补给泥沙抛填在平 均低潮位以下形成人工沙坝， 然后依靠自然波浪 的作用将泥沙向岸滩输移 。相对而言， 滩肩补 沙是比较常见的类型， 其技术难度中等， 且能够迅 速增加滩肩宽度， 投资效果显著等优点， 但后期海 滩地形调整较大。近岸补沙则是较具潜力的发展 方向。考虑此工程任务紧迫， 采用滩肩补沙与近 岸补沙相结合。 潜堤工程布置 离岸潜堤的功效与堤坝位置参数包括坝址水 深、 离岸距离和潜堤结构参数（ 高度、 宽度、 长度） 等设计参数密切相关。潜堤的水深和距离决定着 潜堤的养滩效果， 潜堤顶的相对水深决定着波浪 的透身系数， 影响着潜堤的消能功效， 沙坝的宽度 和长度也影响着波能的衰减和分布。根据岬湾平 衡经 验 公 式 演 算， 潜 堤 设 置 在 水 深 之间， 距岸 ， 方向平行于海岸线， 约 为 ， 中段自然向海凸出。堤长及间隔由绕射 效果决定， 设计堤长分别为 ， 潜堤间距 ， 符合日本丰岛修博士的经验值， 可达到稳定海 滩的目的。 潜堤采用人工鱼礁型式， 设计基本参数： 离岸 潜堤堤长 ， 堤宽 ， 堤顶高程 ， 堤底高程 左右， 空方量约为 。 拟使用一层人工鱼礁， 单体鱼礁规格： 长 、 宽 、 高 ； 立柱 、 圆孔直径 ； 顶面为圆孔透空结构。 修复后沙滩的演变 为掌握沙滩在养护过程中和养护后的演化规 律， 为反馈式设计提供依据， 对工程区进行了遥 感、 海滩剖面和生态监测， 本文依据布设的 条 岸滩监测剖面（ 图） ， 从剖面和平面上对养滩区 域形态变化进行分析。由于各种原因工程施工未 能按 设 计 执 行， 、 断 面 间 的 岸段没有补沙， 对工程区整体沙滩形态 演化造成了较大的影响。 平面形态演化 对比图中 年月补沙竣工、 年 月补沙月后和 年 月补沙月后海岸线 变化可知， 补沙岸线滩肩以后退为主， 最大后退 ， 未 补 沙 岸 线 滩 肩 以 淤 积 为 主， 最 大 淤 积 ； 工程竣工个月的侵蚀和淤积强度均大 海洋地质前沿 年月 于个月后的侵蚀淤积强度（ 表） 。侵蚀岸段的 侵蚀强度与人工岬头和离岸潜堤的波影区相关， 波影区范围内的岸线侵蚀强度低， 如 剖面； 波影区外的岸线侵蚀强度高， 形成了侵蚀热点， 如 、 剖面。本工程补沙岸段侵蚀强度大的直 接原因是工程有 岸段为按设计补沙。 养滩结束的一段时间内， 在波与流共同作用下， 海 滩在横向泥沙运动和纵向运动作用下逐渐调整， 达到静态岬湾平衡海岸。在沿岸方向方面， 个 月内补沙形成 岸段、 岸段和 岸段 个凸出的滩肩迅速向两侧扩 散， 滩肩蚀退速率大， 、 未补 沙岸段形成的凹岸均明显淤长， 直至达到平衡状 态。这种现象被称为“ 后养滩期” 的侧向扩散效 应 。 在垂岸方向方面， 抛沙的凸出岸段在养滩 工程竣工后个月内， 因发育海滩平衡剖面而表 现为滩肩迅速蚀退， 海滩坡度变缓， 在波浪和潮汐 共同作用下， 泥沙分选变好。 图 工程后海滩平面演化图 表 金梦海湾沙滩侵淤情况统计表 监测剖面 监测时间 （ 工程后） 沙滩侵淤距离 滩肩线坡角线低潮线 单宽侵蚀量 （） 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 个月 注： “” 为淤积， “” 为侵蚀 剖面形态演化 养滩竣工后， 在剖面上处于海滩平衡剖面的 调整期， 补沙方式为滩肩补沙， 平衡剖面的形成期 长且剖面变化剧烈。补沙海滩剖面演化总体趋势 是一致的， 表现为滩肩迅速蚀退、 坡脚以侵蚀为 第 卷 第期 谢亚琼， 等： 秦皇岛金梦海湾海滩生态修复设计 主、 低潮线附近以淤积为主， 个月内坡脚线最大 侵蚀量为 ， 低潮线最大淤积量为 ， 滩面平均下蚀 ， 最大单宽侵蚀量 ；个月后坡脚线最大侵蚀量为 ， 低潮线最大淤积量为 ， 滩面平均下蚀 ， 最大单宽侵蚀量 。未补沙海滩剖 面整体上以淤积为主， 补沙个月后， 滩肩最大淤 积 ， 坡脚线最大淤积 ， 低潮线最 大淤积 ， 滩面平均淤积 ， 最大单 宽淤积量 。经过个月的海滩剖面 平衡过程， 补沙和未补沙海滩剖面均达到了动态 平衡， 达到了设计剖面形态（ 图） 。 图 工程后海滩剖面演化 养滩环境效应分析 养滩的直接环境效应是海滩宽度特别是滩肩 宽度得以增加， 改善了金梦海湾侵蚀性海滩的亲 水性， 原有海滩杂乱的礁石被掩盖， 对海滩景观有 明显美化作用， 形成优质的旅游海滩； 同时增强了 海滩对波能的渗透、 吸收能力， 渗透消能有利于降 低波浪爬高， 减轻海岸侵蚀， 起到软性护岸作用 （ 图 ） 。 金梦海湾潮间带的原底质多为中细沙， 海滩养 护没有改变底质物质组成。养滩工程仅在施工期 对底栖生物在内的原始生境形