象山皇城海滩稳定性分析与防护对策

童宵岭, 时连强, 夏小明, 程 林, 姜呈浩

(1. 浙江大学 海洋学院, 浙江 杭州 310058; 2. 国家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

象山皇城海滩稳定性分析与防护对策

童宵岭1,2, 时连强2, 夏小明2, 程 林2, 姜呈浩2

(1. 浙江大学 海洋学院, 浙江 杭州 310058; 2. 国家海洋局第二海洋研究所, 浙江 杭州 310012)

以浙江岬湾砂质海岸象山皇城海滩为例, 运用抛物线模型, 分析得出皇城海滩的冲淤演化动态,并通过历史岸线形态对比探讨皇城海塘对其的影响, 最终提出防止海岸侵蚀的对策。研究结果表明,皇城海滩北部有一定的侵蚀, 其平面形态还未达到静态平衡, 处于不稳定状态; 皇城海滩北段海塘修建得过于靠海, 致使海滩最重要的泥沙补给源——后滨沙丘被阻断, 甚至消失, 同时大潮水位可直接淹没海塘堤脚, 加上海塘前为近破波, 滩面水流和泥沙运动剧烈, 最终导致堤前滩面的冲刷。基于此,防止海岸侵蚀的最佳对策是在拆除、重建海滩北部部分海塘后再进行适当的海滩养护。通过对皇城海滩的稳定性研究, 了解海塘建设的影响, 可为浙江岬湾海滩资源的合理开发、海岸防护工程建设提供一定的科学依据。

象山皇城海滩; 抛物线模型; 冲淤演化; 防护对策

砂质海岸经常被自然岬角所分隔, 并且当优势波以一定角度抵达岸线, 这些砂质海岸在优势波方向作用下将形成一种特殊形态——岬间海湾[1]。它是全球岬角沉积海岸的一种重要地形, 约占全球岸线的50%[2]。

从20世纪40年代开始, 海岸科学家们为探讨海岸建筑对海滩的影响引入了经验函数去拟合现有的海滩, 以便分析其稳定性。抛物线模型是当前确定岬间海湾静态平面平衡形态使用最广泛的经验关系[3-5],它考虑了上游岬角与波浪绕射的影响, 最具工程价值[6]。在Silvester和Hsu[1]进一步论证了抛物线模型的合理性后, 抛物线模型在检验岬间海湾的稳定性上得到了广泛的应用。李志龙、陈子燊、于吉涛[7-8]认为抛物线为三种岬湾模型中较为理想的模型, 并运用此模型对华南岬间海湾的稳定状况进行了分析,指出其可以预测海滩长期演变。Jackson[9]运用抛物线模型分析和预测了爱尔兰北部的9个岬湾海滩。

浙江大陆沿岸海滩主要为岬湾海滩, 其分布较少, 岸线长度不足 100 km, 仅占全国砂砾质海岸的2.1%, 这些海滩是浙江省大力发展滨海旅游业的重要组成部分。但是, 近年来, 在自然和人为因素的双重作用下, 海滩侵蚀现象日趋严重, 我国 70%左右的砂质海岸遭受侵蚀[10], 部分海滩坡度变陡, 沙粒粗化, 基岩出露, 海滨浴场功能严重退化。抛物线模型尚未在浙江岬湾海滩的研究中得到广泛应用, 另外浙江沿岸动力条件特殊, 潮汐动力较强, 并且受长江来沙影响较大, 在此条件下开展浙江岬湾海滩的稳定性研究, 不仅可以验证抛物线模型在该区的适用性, 解释近期海滩的动态演变特征, 为该区岬湾海滩保护提供相应的理论依据, 而且对进一步认识岬湾海滩的动力地貌过程及其控制因素, 有着重要的理论意义。鉴于此, 本文拟以象山皇城海滩为例,运用抛物线模型, 分析海滩的冲淤演化动态, 探讨皇城海塘的影响, 最终提出海岸防护的对策。

1 研究区概况

皇城海滩位于浙江省象山县石浦镇城区东北部沿岸昌国湾内(121°57′26′E, 29°14′50′N), 滩面平缓,沙质软硬适中, 海滩长1 800 m, 宽300 m, 状如一弯新月, 其地处亚热带季风气候区, 同时又受海洋性气候影响。本区常风向[11]为 NNE, 冬季风向以 NE为主, 次风向为 NW, 夏季风向以偏 S为主, NE次之。本区的波浪[11]为风浪与涌浪的混合型, 出现频率基本相等, 风浪常浪向为NE, 涌浪常浪向以E向为主, 频率达70%以上。各月平均波高为0.3～0.5 m, 年平均波高为 0.4 m。因南北部岬角及附近海岛遮蔽的影响,皇城海滩形态主要受偏东向浪控制。海区潮汐[11]属正规半日潮, 涨潮平均潮差与落潮一样, 均为3.05 m左右。海区潮流[11]属半日潮流, M2分潮占主导地位。该区流速不大, 涨、落潮平均流速一般不超过0.6 m/s。

2 研究方法

本文拟使用抛物线模型来确定皇城海滩的平面平衡形态, 抛物线模型以静态平衡岬湾理论为前提,引入经验函数去拟合现有的海滩, 以分析其稳定性。它忽略了上游漂沙与湾内河流输沙, 认定岬间海湾满足封闭式体系特征, 并以上游岬角为起始点。

抛物线模型(Hsu and Evans[12])公式如下:

图1 平衡砂质海岸模型要素Fig.1 Factors of equilibrium beach model

若一弧形海岸己知其β和R0, 根据不同的θ值可计算出相对应的Rn值, 将其逐一在图上绘出便可得到该海岸的理论静态平衡形态曲线。对比实际海滩滨线, 若预测曲线相对实际滨线向岸一侧凹进,则可认为该海岸处于不平衡状态。

3 结果与讨论

3.1 抛物线模型在皇城海滩的应用

首先, 以皇城海滩北部岬角为上岬角; 然后, 借助2003年SPOT5卫星图像(图2), 使用ARCGIS获取皇城海滩平面形态参数, 其中控制线长度R0为1.728 km, 优势波浪入射方向角β为47.09°。将β值代入公式(2)～(4), 计算得到C1＝–0.05610,C2＝1.50850、C3＝–0.45566; 最后, 利用公式(1)确定不同的极角θ(n)下Rn与R0的比值, 为精确模拟滨线, 本文设步长为1°,θ角从θ0＝47.72°到110.72°, 由此可得出若干组(Rn,θ(n)), 将其绘在图上并连接成线。最后, 得到皇城海滩的静态平衡滨线, 如图3所示。

图2 皇城海滩各形态参数Fig.2 Morphological parameters of Huangcheng beach

由图3可知: 静态平衡滨线的南部与实际海滩滨线基本相符, 但是其北部与实际滨线相比明显不符,表明2003年皇城海滩尚未达到静态平衡状态, 海滩北部处于侵蚀之中。皇城海滩沿岸输沙主要受长江来沙的影响, 而海滩北部受上岬角的遮蔽作用, 沿岸输沙难以到达, 且多为细颗粒沉积物, 加之海滩没有河流切穿入海, 海滩沉积物补给主要依靠后滨沙丘供砂, 然而皇城海塘北段过于靠海, 大潮水位即可淹没坝底, 致使海滩北部高潮带及后滨沙丘完全消失, 切断了泥沙补给, 故皇城海滩北部有一定的侵蚀, 这与现场实际观测到的侵蚀状况是一致的(图4、图5)。

图3 抛物线模型模拟结果(蓝色)与2003年卫星影像实际滨线(绿色)比较Fig.3 Comparison of the result of parabolic shoreline shape (blue) with real shoreline (green, satellite image of 2003)

图4 皇城海滩中部后滨沙丘Fig.4 Middle part of Huangcheng beach

图5 皇城海滩北部侵蚀状况Fig.5 Erosion in the north part of Huangcheng beach

3.2 皇城护岸海塘对海滩平面形态演变的影响

为了印证前述分析的正确性, 拟对建塘前后海滩实际滨线与推算的平衡平面形态进行比较。鉴于皇城海滩沿岸石质护岸海塘修建于2000年, 因此本文分别选用1962～1964年所测海图数据与2003年和2009年的遥感图像数据为对比。

图6 海塘修建前岸线形态与平衡形态对比Fig.6 Comparison of coast shape before seawall was built with equilibrium shape

如图6所示, 将1962～1964年所测海图的皇城海滩后缘高程线沿海滩开口方向外平移, 可见1964年皇城海滩岸线形态与抛物线平衡形态拟合很好, 这表明1964年皇城海滩在自然动力长期作用下, 已处于自然平衡状态。如图7所示, 将2003年和2009年遥感数据提取的皇城海滩滨线与抛物线平衡形态进行比较, 结果表明: 2003年皇城海滩北部发生冲刷侵蚀, 滨线后退; 2009年皇城海滩北部仍然在侵蚀, 滨线继续后退。从以上结果对比可知, 皇城海塘的修建与海滩平衡状态的改变存在着内在的联系, 并且在海塘修建多年后, 皇城海滩尚未达到平衡状态。这与皇城海滩来沙条件的改变有关, 因岬角的遮蔽作用, 海滩缺少沿岸输沙, 以横向输沙为主, 在这种情况下, 北段海塘修建得过于靠海, 致使海滩失去了最重要的补给源——后滨沙丘被阻断, 甚至消失, 同时大潮水位可直接淹没堤脚, 加之海塘前为近破波, 滩面水流和泥沙运动剧烈, 最终导致堤前滩面的冲刷。在泥沙无法得到有效补给的情况下, 皇城海滩将会继续侵蚀。

3.3 海岸侵蚀防护对策

针对皇城海滩北部的侵蚀问题, 建议采取以下措施。

图7 对比海塘修建后滨线形态与平衡形态Fig.7 Comparison of coast shapes after seawall was built with equilibrium shape

1) 若保留现有海塘, 最佳防护对策是进行海滩养护。海滩养护在欧美发达国家中已经得到了广泛的应用, 是海滩护岸的大势所趋。皇城海滩为岬湾海滩, 湾内波浪动力较弱, 自然状况下沉积物流失缓慢, 且不易流出湾外, 非常适合海滩养护, 而且其后期维护成本也比较低。通过在皇城海滩蚀退的地方持续抛填大量优质沙, 使海滩滨线向海推进直至达到平衡形态。海滩养护可以极大的缓解侵蚀状况, 维持当地的输沙平衡。通过适当增加海滩宽度, 也能较大地降低海浪能量, 减小风暴潮对海岸及海岸建筑物的破坏, 提升海滩的整体景观效应。宽阔的海滩还能吸引大量的游客, 增加旅游收入, 海滩后方的建筑和娱乐设施也将极大的升值。

2) 皇城海塘的修建扰乱了原有的海滩沉积物输运平衡, 为此建议拆除、重建北部部分海塘, 并以便海滩重新获得横向泥沙补给。它的好处是可以使海滩输沙恢复至自然平衡状态, 而且技术要求低, 可操作性强, 但是拆除、重建工程需要一定的人力和财力, 成本较高, 而且易造成海滩污染和破坏。

3) 理论上增加控制线的长度R0可以达到静态平衡滨线向陆偏移的目的, 例如在上岬角修建突堤,它的好处是可操作性强, 成本较低, 但是静态平衡滨线向陆偏移会使现有海滩中部、南部出现侵蚀后退, 海滩宽度的减小将极大地降低海滩的缓冲作用,使海洋动力作用增强, 并且会影响其观赏旅游价值。

综上所述, 皇城海滩防护的最佳对策应是在拆除海滩北部部分海塘后, 新建海塘适当向陆后退,使整个海塘接近海滩平衡形态, 再进行适当的海滩养护, 补充之前流失的泥沙, 这样可以保证海滩处于动态平衡之中。

4 结论

1) 应用抛物线模型模拟了皇城海滩的静态平衡形态, 根据其平衡形态对海滩进行了冲淤演化分析,判定皇城海滩北部正在遭受侵蚀, 其平面形态还没有达到静态平衡, 处于不稳定状态, 这与现场实际观测到的侵蚀状况是一致的。

2) 皇城海塘北段过于靠海的设计是导致皇城海滩北部侵蚀的重要原因。北段海塘修建得过于靠海,致使海滩失去了最重要的补给源——后滨沙丘被阻断, 甚至消失, 同时大潮水位可直接淹没堤脚, 加之海塘前为近破波, 滩面水流和泥沙运动剧烈, 最终导致堤前滩面的冲刷。

3) 海塘修建前, 皇城海滩已处于自然平衡状态;海塘修建后, 皇城海滩的平衡状态发生改变, 至今尚未达到平衡状态。在泥沙无法得到有效补给的情况下, 皇城海滩将会继续侵蚀。

4) 防止海岸侵蚀的对策有海滩养护、拆除海塘、修建突堤等, 其中最佳的对策应是在拆除海滩北部部分海塘后, 新建海塘适当后退使整个海塘接近海滩平衡形态, 再进行适当的海滩养护, 补充之前流失的泥沙, 这样可以保证海滩处于动态平衡之中。

[1] Silvester R, Hsu J R C.Coastal Stabilization: Innovative Concepts[M].Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1993, 578.

[2] Short A D, Masselink G.Embayed and Structurally Controlled Beaches[M].New York: Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics, 1999: 230-249.

[3] Moreno L J, Kraus N C.Equilibrium shape of headland-bay beaches for engineering design[C]// American Society of Civil Engineers.Proceedings of Coastal Sediments＇99.New York: American Society of Civil Engineers, 1999: 860-875.

[4] Gonzalez M, Medina R.On the application of static equilibrium bay formations to natural and mall-made beaches[J]. Coastal Engineering, 2001, 43(3/4): 209-225.

[5] Klein A H F, Vargas A, Raabe A L A, et a1.Visual assessment of bayed beach stability with computer software[J].Computers＆Geosciences, 2003, 29: 1249-1257.

[6] 杨燕雄, 张甲波.静态平衡岬湾海岸理论及其在黄、渤海海岸的应用[J].海岸工程, 2007, 26(2): 38-46.

[7] 李志龙, 陈子燊.岬间砂质海岸平衡形态模型及其在华南海岸的应用[J].台湾海峡, 2006, 25(1): 123-124.

[8] 于吉涛, 陈子燊.华南岬间砂质海岸稳定性研究[J].海洋工程, 2010, 28(2): 111-112.

[9] Jackson D W T, Cooper J A G.Application of the equilibrium planform concept to natural beaches in Northern Ireland[J].Coastal Engineering, 2010 , 57: 112-123.

[10] 于吉涛, 陈子燊.砂质海岸侵蚀研究进展[J].热带地理, 2009, 29(2): 112-118.

[11] 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志第五分册[M].北京: 海洋出版社, 1992: 309-335.

[12] Hsu J R C, Evans C.Parabolic bay shapes and applications[J].Proc Instn Civil Engrs, 1989, 87: 557-570.

(本文编辑: 刘珊珊)

Stability analysis and protection methods for the Huangcheng Beach in Xiangshan County

TONG Xiao-ling1,2, SHI Lian-qiang2, XIA Xiao-ming2, CHENG Lin2, JIANG Cheng-hao2
(1. Ocean College, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. The Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration , Hangzhou 310012, China)

Sep., 7, 2013

the Huangcheng Beach in Xiangshan County; parabolic model; revolution development; protection measures

In this paper, a parabolic model was used to study the stability of the Huangcheng Beach, and the impact of the seawall on the beach was analyzed, and the protection methods were figured out. The results show that erosion was found in the north part of the Huangcheng Beach, and the planform of the Huangcheng Beach hasn′t reached the static equilibrium. The northern seawall was too close to the seaward, so that the backshore dunes formed. The most important sources of supply for the beach, were isolated and disappeared completely. Furthermore, the interaction of spring tide drowning the bottom of the seawall and the breaking waves in the front of seawall made water flow of beach face and sediment movement intensively. Therefore, the scour in the front of seawall happened. Finally, the best countermeasure to prevent the erosion of beach was to use the appropriate beach nourishment after removing and rebuilding the northern part of seawall. Through the study on the stability of the Huangcheng Beach, the impact of seawall on the beach can be well understood. This can provide some scientific basis for the rational development of Zhejiang headland bay beach resources, and construction of coastal protection engineering.

P737.1

A

1000-3096(2015)09-0057-05

10.11759/hykx20130907002

2013-09-07;

2013-11-20

国家自然科学基金项目(40806038); 海洋公益性行业科研专项(200905008, 201005010); 中央级公益性科研院所基本科研业务

费专项资金资助项目(JG1205, JT1303)

童宵岭(1987-), 男, 浙江杭州人, 博士研究生, 主要从事河口海岸学研究, 电话: 0571-81963329, E-mail: inter0571@126.com;时连强, 通信作者, 男, 山东青州人, 副研究员, 主要从事河口海岸动力沉积与地貌及环境磁学研究, E-mail: slqgj@163.com