海滩养护理论与试验研究进展

董丽红，梁书秀，孙昭晨

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 大连 116024）

海滩养护理论与试验研究进展

董丽红，梁书秀，孙昭晨

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 大连 116024）

海滩养护是近年来国内外备受推崇的海岸防护措施。我国“十二五”规划中对于海岸防护及岸线恢复工作更加重视，加强海滩养护相关理论和技术问题的总结和评估是进一步做好此项工作的关键。文章回顾了海滩养护法在国内外的开展情况及有关海滩养护剖面设计的理论、物理和数值试验研究进展，分析了目前在海滩养护剖面研究及设计中存在的问题并指出：目前我国海滩剖面演变研究主要应用地质、地形学分析方法，应强调从水动力学角度研究泥沙与岸滩冲淤变化过程的关系；海滩养护设计中简单应用Dean的平衡剖面模式对补滩剖面进行设计存在很大不足，应从实际海滩剖面地形结构、滩面泥沙组成与输移和波浪运动特征等方面寻求改进与提高。

海滩养护；岸滩演变模拟；平衡剖面；剖面设计

近年来，我国主海岸线总长度逐年缩短，砂砾质海岸从1975年的3 653.63 km减少到2007年的2 815.64 km，32年减少了22.3%。滨海沙滩遭受侵蚀严重，海滩滩面变窄、变陡、海滩沙粗化问题严重，海岸线遭受侵蚀而逐渐后退［1］。海滩养护（beach nourishment）或称海滩喂养、人造沙滩将泥沙补给于被侵蚀海岸段，除了有效缓解侵蚀状况外，由于本身的可侵蚀性使其可以维持当地和附近海岸的输沙平衡，而且因为没有长久性建筑物的存在，使其对生态环境的影响降至最低。实践经验表明，海滩养护是应对海岸侵蚀最为经济的工程措施。不仅可以用于侵蚀岸段的应急处理，而且能长效地防治海岸侵蚀。目前，海滩养护作为海滩的软性防护方法逐渐被国内外海岸工程学家用于海岸防护和海滩保护［2］。笔者首先对海滩养护这一海岸防护方法在我国及欧美国家的开展情况做了简要回顾，总结了养护剖面设计的理论、物理及数值试验研究，指出了存在的问题，以期为此领域研究者提供参考。

1 海滩养护

1.1 海滩养护定义

海滩养护是指当海滩自然供沙相对不足时，对海滩进行人工补沙，即将一定颗粒级配的砂石通过水力或机械搬运的方法放置到某些遭受侵蚀的海滩的一定部位，迅速增加海岸在平均高潮位以上的海滩后滨宽度，同时视海岸环境的特点辅以导堤促淤或外防波堤（或潜堤）掩护，以达到旅游沙滩或抵御风暴潮的目的。补滩后，每隔3～5年对补沙的海滩进行定期监测，及时补入所缺的沙，以保证人工海滩不受侵蚀。其工程理念是对缺乏泥沙的海岸营造一种补沙的环境，而不是抵御自然力量来防止泥沙流失，该法不仅可以用于侵蚀岸段的应急处理，而且可以长效地防治海岸侵蚀。

海滩养护通常包括调查、重建和修补3个阶段［3］，工程规模可自几千立方米至几百万立方米。根据泥沙堆积在海岸剖面上位置的不同，一般可分为以下4种形式。

（1）沙丘补沙，将所有补给泥沙堆积在平均高潮位以上，不直接增加干滩宽度，能够阻挡风暴浪期间的泥沙越顶迁移，流失小、抛沙技术低。

（2）滩肩补沙（干滩补沙），将补给泥沙主要堆积在平均潮位以上，增加干滩宽度，效果显著，抛沙技术中等，流失量较大，为目前使用较为频繁的抛沙方案。

（3）剖面补沙，将补给泥沙吹填在整个海滩剖面上，施工时直接按照剖面的平衡形态抛沙，短期效果显著，抛沙技术较高且易遭受风暴潮的破坏。

（4）近岸补沙（水下沙坝补沙），将补给泥沙抛置在近岸平均低潮位以下，形成平行于海岸的若干条水下人工沙坝，依靠自然波浪的作用将泥沙向岸滩输移。

较大规模的海滩补沙通常是从水上进行填筑的，最经济的方法是用绞吸式挖泥船进行水力吹填。一般要求海底取沙坑的距离不超过10 km，海滩补沙若能与海港的港池、航道开挖相结合，则更为经济合理。

由于对海滩进行人工补沙是一种经济而有效的方案，且对相邻海岸地区的影响又较小，因此日益普遍地被各国所采用。1985年第26届国际航运会议有一个议题组专门讨论沙质海岸有关人工海滩补沙技术和设备的最新发展［4］，1991年国际海岸工程学报出了一期“人工海滩补沙”专集［5］，由此可见，国际上对这种海岸保护方法的重视。几十年的实践经验表明，此法已成为当前防护海滩侵蚀最有效的措施，已为欧美国家广泛应用。

1.2 海滩养护开展情况

1922年，美国最早在纽约实施了柯尼岛公共岸滩计划［6］。1956年国会逐步将人造海滩及养滩工程作为美国防止海岸侵蚀的主要手段。至1980年美国大陆海岸已有155处采用了人造海滩。佛罗里达州南部的迈阿密养滩开展规模最大，也最为有名，养滩岸线总长17 km，铺沙量1 000万m3。即使是中等强度的飓风亦未对此海滩造成显著侵蚀，再次证明了海滩喂养的效果［7］。大规模的海滩喂养与人工沙滩工程不仅有效保护海岸免遭侵蚀，降低了飓风带来的海岸带风暴潮灾害，而且在改善海岸环境与发展旅游业方面作出了重大贡献［8］。

目前欧洲每年的补沙量达2 800万m3，与美国联邦政府项目的总量相当。欧洲的人造沙滩始于1950年的荷兰，主要目的是为防止沙滩消失，保护旅游资源。荷兰在海滩养护方面发展迅速，从1952—1989年完成了50个工程，并于1987年定制《人工海滩养滩手册》，是继美国1984年《海滨防护手册》后该领域研究的新进展。

欧洲其他国家，如德国、法国、西班牙和爱尔兰也有大规模的养滩工程。目前，德国、荷兰和丹麦已将人工养滩作为长期策略来防治海岸侵蚀，后两国更是将其纳入了法律体系，对岸线的长期变化进行系统的定期监测。

日本作为岛国也逐渐以养滩作为海岸防护的主要措施，年平均海滩喂养工程数约5个。东京湾东岸大多数造陆工程是在1966年后完成的，其中北部规划为人工海滩和海滨公园。最早的是1975年开始的Inage滨海公园，拥有长1 200 m，宽200 m的海滩。养滩用沙全部来自3 km近海，厚度达30 cm以防止岸滩侵蚀。Makuhari海滩应用水力输沙方法实施喂养，并辅以潜堤工程，每年为维护沙滩喂养沙量为15 000 m3，并于1979年出版了《人工海滩手册》。

我国的海滩养护实践以香港浅水湾为最早。1990年香港对香港岛南岸的浅水湾海滩实施填沙护滩工程，以期增加海滩的宽度来满足旅游业发展的需要。其工程不仅美化了城市环境，也为旅游业的发展提供了必要条件。20世纪70年代，我国大陆海岸的青岛、茂名一带开展了小规模的养滩工程，连年补沙但连年被侵蚀掉。正规的养滩工程始于1994年大连市星海湾海滩整治工程［9］，利用丁坝和湾口潜堤抵浪，抛沙31.5万m3，试图将原砾石质海滩改造成砂质。2001年，秦皇岛市北戴河东海滩用丁坝护沙，抛沙4 000 m3，营造了人造海滩，每年再补沙400 m3，效果较好［10］。2007年5—9月的厦门五通—香山一期养滩工程是大规模的养滩工程。在1.5 km的海滩上抛沙74万m3，干滩增宽100 m，1年后蚀退状况不明显［11］。2007年，海南三亚白排人工海滩总长度400 m，宽度40～50 m，总填沙量48 000 m3［12］。2008年5—6月，北戴河西海滩六、九浴场对0.7 km严重侵蚀的海滩实施养护，以岸外沙袋潜坝拒浪，向滩肩抛沙11万m3，建成宽阔海滩，1年后效果很好［13］。此外，山东招远、北戴河中海滩以及天津港东疆港区人工沙滩等也相继完工。

从国内外海滩治理的经验来看，人工海滩是防止岸线侵蚀、维持海岸动态输沙平衡的有效措施。随着我国对海岸生态资源的重视以及滨海旅游业的不断发展，海滩养护将越来越受到重视，成为今后海岸防护的重要工程措施。这也要求有关养滩的理论和技术问题得到进一步的总结和评估。

1.3 海滩养护设计

海滩养护的设计包括平面设计和横断面设计。在平面布置上，常辅以导堤促淤或外防波堤（或潜堤），视海岸具体环境特点而定。岸线布设越接近自然稳定形态，抛沙后沙滩的过渡期越短。应用较多的是借助人工突堤或离岸堤与沙岸构成一种静态平衡岬湾的布置，即借助人工岬角创造稳定海岸形态。横断面设计是进行补滩施工和计算抛沙量的关键，设计的合理与否直接关系着养滩工程建成后，新养护沙滩与当地水文环境的适应能力以及工程是否能够满足规划时的使用要求。中剖面有海滩的原始剖面，设计剖面和施工模板。原始剖面指前剖面形态，通常需要水下地形勘探测量得出；设计剖面是指根据当地的水动力条件和原沙、补沙粒径等因素，结合一定的设计准则（如，Dean平衡剖面模式）所确定的海滩稳定时的平衡剖面，是优良海滩最终达到的剖面形态；施工模板是指在进行工程施工时，所依据的补滩施工文件，是工程开展的依据性文件，包括滩肩高程和宽度以及一个或多个向海底坡的设计［14］。图1显示了某处养滩工程中各剖面形态分布。海滩养护横断面设计方法主要有超沙法和平衡剖面法。

图1 海滩养护中各剖面示意图［15］

1.3.1 超沙设计法

早期的工程中，通过确定一个超填沙系数RA（overfill factor）来反映在不同填沙粒径下，给定海滩需超填的沙量。他们假定填沙在当地海岸动力过程作用下，会经过一个自然的分选过程，在足够长的时间后，将逐步达到与当地海岸环境相适应的平衡岸滩剖面。James［16］将该理论发展成为两个系数的确定：超填沙系数RA，重复填沙系数RJ（renourishment factor）。超沙设计法并不关心具体的填沙位置和设计横断面形状，多见于荷兰等欧洲早期工程中。目前的研究及相关工程经验实践表明，仅仅依据基于填沙粒径的两个参数RA和RJ来估计养护效果并不是很科学［17］。现行的指导性文件更推荐基于平衡剖面概念的设计方法。

1.3.2 平衡剖面设计法

养滩工程主要设计参数包括：横断面设计和欲达到设计剖面所需补沙量。典型养护设计方案包括不同宽度滩肩和沙丘高程的组合；滩肩宽度和高程，沙丘高程、顶宽和边坡的确定；滩肩下平衡剖面形状设计。

滩肩高程通常与自然海滩滩肩顶高程一致。自然滩肩高程由现存和历史条件的施工地海滩剖面调查确定。通常低能波浪作用下，夏季末海滩滩肩完全成长良好，可以作为确定海滩设计滩肩高程参考。

目前比较成熟的实用方法是利用BMAP（beach morphology analysis package）软件［18］进行数据分析，确定最优滩肩高度。滩肩宽度与工程目的有关，通常受工程经济因素、环境问题等影响。如果是抵御风暴潮为目的的海滩，通常要经过减少风暴潮损失最优化分析的过程来确定；SBEACH［19］软件可以用来计算不同宽度滩肩的海滩在风暴潮作用下剖面的响应，在设计中提供辅助作用。对于以旅游开发为目的的海滩，滩肩部分设计除满足旅游沙滩宽度标准外，还应满足滩肩高程大于或等于设计重现期内波浪最大爬高与大潮高潮。沙丘的设计高程由经济优化确定，顶宽和边坡由施工限制和泥沙特性等共同决定。平衡剖面形状可依据平衡剖面模式（如，Bruun－Dean）进行设计。

2 海滩养护的相关物理和数值实验研究

2.1 物理模型实验研究进展

国外研究机构在海滩演变尤其是剖面演变方面展开的实验研究很多。鉴于实验室小型设备在实际海滩剖面变化试验所得到的数据资料，受尺度限制；对于海滩剖面变化的有效实测资料不易获得，所以大型波浪水槽提供近乎原型试验环境，解决了小尺度波浪水槽实验的不足。

国外研究机构从1955年起就针对不同波浪和水位条件下水下剖面和沙丘的发展变形、泥沙的运移开展了试验研究。研究在不同的波浪条件与水位的组合下海滩的剖面形态、坡度及其稳定性之间的关系，以评估在不同岸滩坡度下滩肩补沙设计指标，以及在不同波浪条件下滩肩补沙的响应。1956—1957年，大型波浪水槽（large wave tank，简称LWT）实验开始于美国工程师兵团（CERC），后来日本中央电力工业中心（CRIEPI）和德国Hanove大学（UH）也相继进行了试验，其成果已由Kajima等［20］、Kraus等［21］、Larson等［19］及Dette等［22］整理发表。这些试验系统地测试了剖面变化与理想化的广域入射波高及波长、水位、海滩初始坡度及粒径大小等之间的关系。Dette等［23］总结了大型波浪水槽海滩剖面实验在中的应用。

国内学者近年来也开展了不同规模的实验研究，冯卫兵、李冰［24－25］、杨燕雄和邹志利等［26］均各自独立开展了二维沙质海滩形态试验研究，通过系列试验分析对于不同泥沙粒径、不同重现期波浪及来波方向影响下人工沙滩平衡剖面的形态特征。这些实验都是在分析海滩演变规律、优化人工海滩设计方面的有益尝试。但总体上看，我国在海滩养护方面进行的系统性、有针对性的研究还比较少，应提倡合理开展养滩工程的科学实验精神，从物理及数值试验两方面入手，加强对于养滩工程预测能力，提高工程的科学性和可靠性。

2.2 数值模拟研究进展

国外该方面的研究较多，Swart［27］将计算横向输沙率的概化方法加以完善，建立了一个模型，该模型将海滩剖面分为3个水平层，对无沙坝海滩能给出良好的结果。Swain等［28］对这个模型加以改进，使之能适用于有潮汐水位变化的情况。Dally等［29］提出一个将水体分成两层的模型，可以模拟海滩冲淤变化及沙坝形成，但输沙计算时并没有考虑推移质且剖面经长时段模拟不能达到平衡。基于Bagnold［30］的输沙概念，Bailard［31］假定瞬时输沙率正比于床面区域单位水体的能量耗散率，得到了计算时均沿岸和横向输沙率公式。Stive［32］应用并改进了Bailard输沙模型，得到了UNIBEST－TC模型。

此外，Nairn［33］也从计算推移质边界层速度及悬移质的上层速度算法上发展了Bailard模型。Kriebel等［34］假定海滩剖面总是朝着Bruun等平衡剖面方向发展，得到了与能量耗散率有关输沙模型。Delft Hydraulics［35］提出了有、无护面层情况下横向输沙公式。DHI［36］开发了基于内波周期的悬移质和推移质输沙模型，可以考虑护面、泥沙喂养条件下剖面的演变，但波高沿断面的分布是经验性计算法。Larson等［37］建立了求解养护海滩在风暴作用下的数学模型得到了风暴作用下养护海滩演变的定性和定量特征。Marie－Helene基于时间和深度平均的二维N－S方程，开发了波流作用下准三维岸滩演变模型［38］。Srinivas等［39］基于物理原理提出了一个相对完整的剖面输沙模型。Rakha［40］建立了内部波浪（intra－wave）泥沙输运模型，通过求解泥沙守恒方程来预测岸滩剖面的变化。Larson等［41］基于Madsen的推移质输沙模型开发了冲流带内剖面演变模型，但是与破碎带模型的耦合结果还有待提高，Meule［42］基于Martinez和Harbaugh的SEDSIM模型开发了用于模拟风暴潮的泥沙水动力模型。Yin Lu Young［43］建立了沙质岸滩上孤立波破碎模型。

我国海滩剖面研究，主要采用定性分析或统计方法［44－46］，而在地形和水动力之间耦合机制方面的数值研究相对较少。沈剑平、李国谦［47－48］分别建立的沙质海滩剖面演变的数学模型，为我国学者在此领域的有益尝试。

由此可见，国内外学者开发的岸滩剖面演变模型很多，Seymour、Broker、Schoonees和Van Rijn［49－52］等分别从输沙率计算方法、边界条件和计算结果的可靠性等方面对这些模型做了分类比较和评价，指出了各个模型的优缺点及适用范围，为模型实际应用提供指导。LITCROSS、Larson和Kraus模型在海滩养护中均得到了实际应用，用于海滩养护的方案设计和评估。

2.3 海滩平衡剖面模式研究进展

海滩养护的剖面设计主要依据平衡剖面的概念。因此，如何合理确定给定水动力和泥沙条件下的稳定岸滩形态是至关重要的。早期针对平衡剖面的实验研究证明［53－55］，在较陡前滩的海滩上呈现上凹形，沿离岸方向坡度逐渐变缓。Bruun［56］提出了能量法则，将这种试验和理论上的上凹性联系起来，并将水深看做离岸距离的函数。Dean［57］在理论上证明了Bruun的能量法则，并假定平衡剖面直接与单位水体的稳定能量耗散率有关，得出了一个经验数——形状参数A来表达两者联系，提出用y＝Axm描述平衡剖面形态。Moore［58］定义了形状参数A与泥沙中值粒径的关系。

另外，Vellinga［59］用近岸带封闭输沙平衡的概念描述平衡剖面。考虑前滩的线性陡坡段Dean的平衡剖面模式经发展，成为Dean－Moore－Wiege模式［60－62］。Wang［63］提出的三段海滩剖面形态模式，Dean［64］提出的多段海滩剖面模式。Bodge和Komar提出了幂指数形式［65－66］，并指出Dean的平衡剖面缺陷在于在前滩（x＝0）处坡面出现无穷大情况。Lee［67］基于为微幅波理论，以显式形式给出了联系波周期（波长）的平衡剖面的几何形状。Lee讨论了Dean剖面模式指出Dean的理论中把质点运动与能耗联系起来不科学，因为能量是标量而非矢量。印萍等［68］通过日照海滩实测资料与Dean模式对比分析也发现，将海滩剖面在水深3.5m处分成两段分别进行线性回归分析，与Dean模式符合良好，而3.5m水深正好是中粗砂与沙质粉砂的分界水深。Bernabeu［69］的剖面模式将潮位影响考虑进去，对于受潮汐影响较大的海滩更具指导意义。

从上述平衡剖面的发展可知，目前仍然没有详尽的方法来描述具体海岸环境因素对给定原始岸滩的作用。Bruun和Dean对海滩平衡剖面做了开创性研究，尤其Dean从能量平衡角度阐述了该模式的理论基础，成为后人提出的其他平衡剖面模式的依据。目前，该模式已被广泛应用到在海滩养护剖面的设计和相关理论研究中。

Dean平衡剖面模式形式简洁、应用方便，但其中参数物理意义不明确，由于实际海滩动力环境差别较大，因而此模式在全世界不同的海岸动力环境下难以普遍适用。

3 海滩养护研究中存在问题

（1）总体上看，我国海岸演变的研究侧重于运用地质、地形学方法分析海底剖面的变化情况，此方法严重依赖于长期的海底地形实测资料，以及数据采集点和典型海底剖面的选取，给实际操作带来诸多不便；在海滩剖面研究中，很少从水动力学方面去研究泥沙与岸滩冲淤变化过程的关系，主要是因为泥沙横向输运计算涉及因素很多，如，离岸沙坝、过度冲刷过程、海墙、海滩喂养及泥沙粒径变化等的合理考虑都是模型需要解决的问题。因此，加强泥沙动力学研究是问题的关键所在。随着海岸工程应用需要及相关理论和技术的发展，针对岸滩演变的水动力模型研究将是一种趋势。

（2）在海滩养护设计中，简单应用Dean的平衡剖面模式对补滩剖面进行设计存在很大不足：在水深为0处，前滩坡度出现无穷大的情形，且由其回归结果显示等号左右长度因次并不一致；不能描述平衡海滩剖面上可能出现的滩肩和沙坝；形状参数A仅考虑了泥沙参数的作用，并没有考虑波高、波向、波周期和粒径在滩面的分布、潮位变动等影响。由于实际海滩动力环境差别较大，因此该模式在全世界不同的海滩环境下难以普遍适用。应鼓励从实际海滩剖面地形结构、滩面泥沙组成与输移、波浪运动特征等方面寻求改进。

4 结束语

海滩资源合理的利用及保护已经成为世界范围内的一项重要工程技术内容。我国的“十二五”发展规划更是把岸线恢复及岸滩保护作为今后发展的重要任务。国外针对海滩在波浪、风暴潮作用下的试验研究很多，许多宝贵经验值得借鉴。国内对于养滩试验开展较少且多是针对具体工程进行的设计方案适宜性和耐久性研究，对于海滩养护的一般规律性研究很少，还没有得出适用于我国特定岸滩环境的指导性方法与规则。因此，学习和借鉴国外实例调查及实验室原型试验研究的方法和养滩工程实施经验，针对我国海滩泥沙及水动力环境特点开展基础性研究工作，分析不同岸滩类型的切实可行的造滩、养滩方案，是实现沿海自然资源的可持续利用和滨海旅游业的发展的一条必经之路。

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