北戴河新区沙坝工程后海滩演变预测

顾杰，王佳元，马悦，匡翠萍，张甲波

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海市水利工程集团有限公司，上海 201612；3.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；4.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066003）

北戴河新区沙坝工程后海滩演变预测

顾杰1，王佳元2，马悦3*，匡翠萍3，张甲波4

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.上海市水利工程集团有限公司，上海 201612；3.同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092；4.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066003）

通过对北戴河新区洋河-葡萄岛岸段剖面监测资料的分析，得到该段海滩沙坝建设前的演变特征。基于水动力和地形资料，采用GENESIS数值模型建立该岸段的岸线演变模型，使用实测的剖面资料进行验证，并预测了沙坝工程建成后3个月、6个月、1 a、5 a和10 a的岸线演变。结果表明：沙坝建设及刚完成期间，海滩迅速增宽，后经季节变化调整，1 a逐渐形成新的动态平衡；长期来看，岸段总体呈现东冲西淤的状态，趋于平直。

人工养滩；人工沙坝；GENESIS模型；岸线演变

0 引言

北戴河新区于2006年12月设立，隶属秦皇岛，位于最具发展潜力的环渤海经济圈中心地带，拥有中国北方最优质的沙滩海水浴场以及中国最美八大海岸之一的黄金海岸，是全国不可多得的“钻石级”开发宝地。然而长期以来由于入海泥沙减少以及不当的人类活动，海滩侵蚀退化问题日益严重[1]，亟需实施修复工程以遏制新区海滩的持续蚀退，改善海滩的亲水性，促进北戴河滨海旅游业的可持续发展。

传统防治海岸侵蚀的方法主要利用“硬性工程”（丁坝、离岸堤和海堤等），通过改变水动力特征，减少泥沙流失，达到防冲促淤的效果[2]。但不合理的工程不仅不能达到养滩的目的，还会造成当地生态系统失衡[3]，在此背景下“软性工程”（海滩养护或人工养滩）应运而生。美国于1922年最早在纽约的科尼岛探索了海滩补沙养护措施[4]，后欧盟国、日本也相继开展海滩养护工程[5-6]。我国起步较晚，始于20世纪90年代香港的补沙工程，随着旅游业的发展，大连、三亚、厦门、北戴河等地也进行相关研究与工程实践[7-8]。目前，人工养滩常用滩肩补沙和近岸沙坝两种形式，其中近岸沙坝一方面发挥潜堤的作用，消减波能，另一方面可作为沙源补充海滩，同时可成为疏浚工程的排沙途径。各国实践表明海滩养护不仅可以用于侵蚀岸段的应急处理，还能对海岸起到长期的保护作用。结合国内外养滩经验，新区政府决定在洋河-葡萄岛岸段进行人工养滩，综合滩肩补沙与水下人工沙坝两种方式，并利用后建成的海滩西侧的葡萄岛和东侧的游艇码头作为防护岬头，形成人工岬湾。

本文采用 GENESIS（Generalized Model for Simulating Shoreline change）软件建立洋河-葡萄岛岸线模型，通过测量资料验证后，预测并分析了养滩工程建设后10 a内的岸线演变，进而评价了改养滩工程的效果。

1 工程概述

北戴河新区洋河-葡萄岛岸段位于新区东北部，洋河口与葡萄岛之间，地理坐标位置为北纬39°45′14″，东经119°22′35″—119°24′14″，属于正规日潮区。北戴河测站多年波浪统计资料表明：该海域波浪总体较小，S向波浪出现频率最高，E向波浪出现频率次之；对平均波高大于2 m的波浪，波向主要集中在NNE—ENE。分析沙坝工程建设当年（即2014年）的波浪资料，结果显示：有效波高小于0.5 m的波浪占93.14%，波高在0.5～ 1.0 m的波浪占6.71%，波高在1.0～1.5 m的波浪占0.15%，未测到大于1.5 m的波浪；SSE向波浪出现的频率最高（约27.49%），SE向次之（约27.14%），E向至SW向之间共占97.89%。

西侧的葡萄岛和东侧的洋河口游艇码头可作为人工岬头，与海滩构成一种静态平衡岬湾形式，利于创造相对稳定的海岸（图1）。总建设内容包括滩肩补沙、人工沙坝、人工沙丘以及滨海景观廊道4个部分，其中人工养滩部分为前两者的结合。滩肩补沙的整治岸线长约4 km，修复后滩肩高程达到2 m以上，沙滩宽度在原有基础上平均增加30 m，滩肩均为小于1∶100的缓坡形式；客砂的中值粒径介于0.19～0.41 mm，养滩剖面为交会型剖面（图2）。在离岸400 m处吹填人工沙坝，沙坝总长约3.5 km，宽约50 m，坝顶高程为-0.9 m。滩肩补沙工程进行较早，于2011年年底完成，沙坝工程于2014年10—11月进行，如图1自西向东沙坝长度依次为404 m、440 m、510 m、590 m，间距依次为330 m、360 m、350 m。

图1 北戴河新区洋河-葡萄岛岸段养滩工程Fig.1 Beach nou rishment project at Yang River-Putao Island coast in New District,Beidaihe

图2 养滩工程剖面图Fig.2 Profile of the beach nourishm ent project

2 海滩特征

自2013年8月—2015年9月，共进行了6次海滩剖面的监测，10个监测剖面分别位于整治岸线的两端，沙坝后和沙坝之间（见图1所示）。测量的典型剖面形态如图3所示，并计算出高程-0.8 m以上滩肩滩面区域的月平均单宽侵淤量如表1所示。

图3 监测剖面变化Fig.3 Evolutions of the observed profiles

表1 监测剖面不同时期月平均单宽侵淤率Table 1 Profile erosion/deposition rate per w idth per month during different periods m3（/m·月）

沙坝修建前，P10剖面淤积最快，月平均单宽淤积率为1.89 m3/（m·月），P6剖面侵蚀最快，月平均单宽侵蚀率为1.33 m3/（m·月）；整个海滩的月平均单宽淤积率仅为0.11 m3/（m·月），泥沙运动主要为纵向的沿岸输移。沙坝修建期间，在离岸处出现新沙源，引起新的泥沙横向运动，除P4、P5剖面略有侵蚀外，短期内各剖面均呈淤积状态，整个海滩的淤积率为2.22 m3/（m·月）。沙坝修建后的前3个月内（2015年1—3月），处于冬季风浪较大时期，各剖面侵淤变化剧烈，滩肩和滩面侵蚀，侵蚀率达1.16 m3/（m·月），P8剖面淤积率达3.47 m3/（m·月），而P10剖面的侵蚀率达5.95 m3/（m·月）。建成后的3～6个月（2015年4—6月），在春夏季涌浪作用下，各剖面呈现不同程度的淤积。沙坝建后6～9个月（2015年7—9月）内，冲淤剖面数量相当；9月6日出现了一次较大的风暴潮，使海滩总体上呈小幅度侵蚀。

取平均水位0线作为岸线进行平面分析（如图4，纵坐标为正表示侵蚀，为负表示淤积），发现岸线的侵淤变化与剖面的侵淤变化并不完全一致，即剖面上的部分侵淤发生在滩肩或平均海平面以下，而岸线的变化却并未反映出这部分侵淤（参考图3（d））。沙坝建设前自然状态下岸线侵淤速率大多<1 m/月。沙坝建设期间除个别岸段岸线略有侵退外，岸线整体朝海推进，平均淤积速率为0.81 m/月。沙坝建设后3个月，滩肩滩面被冬季大浪冲刷，岸线大幅后退，岸线平均侵蚀速度达2.16 m/月；建成后的3～6个月岸线继续向陆后退，平均速率为0.70 m/月，而在该时段剖面整体呈现淤积状态，说明淤积并非位于平均海平面附近位置。建成后6～9个月，属风暴潮、大浪多发期，岸线和剖面均发生侵蚀，岸线侵蚀速率为0.47 m/月。随着时间推移，岸线侵淤速率逐渐减小。

图4 岸线不同时期侵淤速率Fig.4 Shoreline erosion/deposition rate in different periods

3 GENESIS岸线模型

GENESIS是基于一线理论所开发的模拟海岸长期变化的模型[9]，在大量工程应用中逐步完善成熟，近年来广泛应用于模拟岸线的长期演变，预测岸线对海岸建筑物和人工养滩的响应等[10-11]。

GENESIS系统的控制方程即一线模型的控制方程：

式中：x为沿岸线方向；y为垂直岸线方向；DB为海水所能到达的最大高程；DC为存在沿岸输沙的最大深度；q=qs+q0为横向输沙率（离岸输沙+向岸输沙）；Q为沿岸输沙率，计算公式如下：

式中：H表示波高；Cg表示波群速度；下标b表示波浪破碎时的参数；θbs表示破波角；a1和a2为2个无量纲参数。

式中：ρs为沙密度；ρ为海水密度；p为沙孔隙率；tanβ为海滩平均坡度；1.416为有效波高向均方根波高的转化系数；K1、K2为可调节的2个经验参数，可根据模拟结果进行调整。

4 模型建立与验证

4.1 模型建立与参数选取

基于GENESIS模型建立岸线演变模型，模拟区域地形数据由实测资料所得。本次养滩工程涉及的海滩及周围的人工岬湾海岸地形条件较为复杂，为了恰当还原实际条件，本次建模对模拟区域及其周围的海岸进行了细致的概化：图1中洋河口游艇码头概化为突堤，葡萄岛连接岸滩的栈道概化为突堤。使用Mapinfo取出图中所有突堤的位置坐标，然后将相应的概化后的构筑物加入到岸线演变模型中。

本次数值模拟采用的波浪资料为北戴河测站2013年9—12月以及2014年3—11月的实测波浪资料。经反复率定和调整，最终选取经验参数，K1=0.8，K2=0.4，闭合水深DC=7 m，滩肩高度DB=2 m，平均粒径D50=0.3 mm。

4.2 模型验证

岸线演变模型采用2013年8月—2014年9月10个剖面的实测数据进行验证。图5为模拟结果与实测数据的对比，模拟岸线侵淤变化趋势与实际状况基本一致，呈现出工程区岸线东冲西淤的特点。

图5 工程实施前岸线演变模型验证Fig.5 Verification and sim ulated shoreline evdution before the im plementation of engineering

5 养滩工程效果预测

使用验证的GENESIS模型对养滩工程后10 a内的岸线演变进行模拟。以2014年12月滩肩补沙和人工沙坝均完成后的岸线作为初始岸线；依据潜堤的计算公式估算和岸线测量数据对模型反复率定，将4个沙坝概化为透射系数为0.83的离岸堤；其余参数与率定后的模型一致。图6为养滩工程实施后3个月、6个月、1 a、5 a和10 a的岸线模拟结果，虚线为初始岸线，离岸1 300 m处为4个沙坝。

图6 养滩工程实施后10 a内岸线演变模拟结果Fig.6 Prediction on shoreline evolution w ithin 10 a after beach nourishment project

3个月后，西侧3 000～4 000 m岸段和东侧400 m内岸段出现少量淤积；由于养滩的侧向扩散效应会导致凸岸蚀退，其上下游的相对凹岸淤积，直至平衡[12]，岸线800 m和2 800 m处属于相对凸岸且位于两沙坝之间，侵蚀严重，分别蚀退13 m和18 m；其余岸段无明显侵淤变化。在3个月至1 a内，200 m和800 m处分别有明显的淤积和侵蚀现象，3 000～4 000 m之间的岸线略有淤积，平均淤进6 m。养滩工程10 a后，岸线最东段在游艇码头的保护下发生持续淤积；但500～ 4 000 m处岸段（实际测量岸段）总体仍呈现东冲西淤的规律，3 000～4 000 m处岸线大幅向海推进，葡萄岛处岸线淤进最大，可达120 m；可以认为是500～3 000 m岸段受侵蚀，泥沙沿岸向西输运所致，其中800 m和2 800 m处仍是侵蚀最严重的区域，其余岸段普遍侵蚀15 m。

岸线侵淤速度在沙坝建成后的前半年最大，随着新的动态平衡出现逐渐变小（500～3 000 m岸段的侵蚀速率在测量的5个阶段分别为-0.55 m/月、-0.54 m/月、-0.36 m/月、-0.20 m/月、-0.13 m/月），总体演变趋向于平直。在原有近岸建筑物（人工岬头）的基础上，通过人工沙坝的作用，使500～3 000 m侵蚀岸段的岸线在10 a后平均后退23 m，小于滩肩补沙增加的平均宽度30 m，说明整体的养滩工程有一定的效果。此外，800 m和2 800 m处侵蚀较严重，建议在养滩工程服役后期进行适当的补沙。

6 结语

本文首先通过分析洋河-葡萄岛岸段详细的剖面测量资料，得到剖面和岸线演变特征，然后依据水动力和地形测量资料，利用GENESIS软件建立工程区海域岸线演变模型，模型验证后模拟了沙坝建成后海滩3个月、6个月、1 a、5 a和10 a的岸线演变。

结合实测资料和预测结果，反映出洋河-葡萄岛岸段在自然和工程状态下的演变规律。沙坝建设前即葡萄岛和游艇码头以及滩肩补沙完成的情况下，海滩剖面月平均单宽侵淤率和岸线侵淤变化均较小，泥沙运动主要为纵向的沿岸输移。沙坝建设及刚完成期间，由于大量松散沙的补充，在较弱的水动力条件下，海滩迅速增宽，表现为-0.8 m以上剖面和岸线均呈淤积状态。沙坝建成后9个月内，海滩剖面季节变化显著，但剖面和岸线的侵淤率逐渐变小，1 a后将逐渐形成新的动态平衡。模型预测岸线演变表明，实际测量岸段总体呈现东冲西淤的状态，岸线侵淤速度在沙坝建成后的半年最大，然后逐渐变小，总体岸线演变有向着平直岸线发展的趋势。

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Prediction on shoreline evolution after bar nourishment project at New District,Beidaihe

GU Jie1，WANG Jia-yuan2，MA Yue3*，KUANG Cui-ping3,ZHANG Jia-bo4
（1.College ofMarine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai201306,China;2.Shanghai Hydraulic Engineering Group Co.,Ltd.,Shanghai201612,China；3.Departmentof Hydraulic Engineering,College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China;4.Qinhuangdao MineralResource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau,Qinhuangdao,Hebei066003,China）

Based on the analysis of profile measurements at Yang River-Putao Island coast at New District,Beidaihe,we obtained the natural evolution characteristics before the bar nourishment.A shoreline evolution model is established for the beach using GENESIS according to the observations of hydrodynamic and topography and verified against the shoreline data. Predictions on the shorelines after the bar nourishmentare conducted by the model in terms of3 months,6 months,1 a,5 a and 10 a.Conclusions can be gained that the beach quickly increased in width during the construction period and after the bar nourishment then adjusted to the seasonal variations of hydrodynamic,and finally reached to a new equilibrium state in 1 a.In general,the shoreline appears as erosion in eastpartand deposition in westpartand tends to straightness.

beach nourishment；bar nourishment；GENESIS；shoreline evolution

U652.4；U714.7

A

2095-7874（2016）11-0005-06

10.7640/zggw js201611002

2016-05-31

2016-08-18

中央分成海域使用金项目（QHY-12）

顾杰（1961— ），男，江苏兴化人，教授，博士，主要研究方向为海洋动力与环境。

*通讯作者：马悦，E-mail：mayue_mavis@tongji.edu.cn