荷兰人工育滩工程Sand Motor的经验与启示

刘大为，王铭晗，宫晓健，胡克

(1.中国地质大学(北京)海洋学院 北京 100083；2.中国地质图书馆(中国地质调查局地学文献中心) 北京 100083)



荷兰人工育滩工程Sand Motor的经验与启示

刘大为1，王铭晗2，宫晓健1，胡克1

(1.中国地质大学(北京)海洋学院 北京 100083；2.中国地质图书馆(中国地质调查局地学文献中心) 北京 100083)

海岸侵蚀已成为砂质海岸重要灾害之一，世界各国都致力于海滩防护。荷兰由于地势低洼，在护滩工程中进行大量尝试，于2011年在代尔夫兰海岸开展创新性人工育滩工程即Sand Motor，单个工程补沙总量达2.15×107m3。持续监测结果显示，工程建成后的沙滩形态与模拟结果基本吻合，沙量损失速度低于预期。阶段性评价结果表明，Sand Motor通过波浪、海流等向海滩缓慢输沙，稳定海岸沙滩和海岸沙丘，具有防护效果显著、成本较低、使用寿命长、增加海岸利用等优点，值得我国借鉴。

补沙引擎；人工育滩；沙滩养护；生态修复

在海平面上升、风暴潮频率增加等自然因素以及人工挖沙、河流水利和海岸工程建设等人为因素的共同影响下，海岸侵蚀已成为世界性的灾害之一，许多海滩和沿岸建筑均遭受严重破坏，沿海地区大片土地和森林被海水吞噬[1-2]。护滩工程是抵御海岸侵蚀灾害的最佳措施[1]，包括丁坝、海堤等抵御侵蚀的“硬工程”和以沙补滩的“软工程”[3]。近几十年来，荷兰和美国逐渐从“硬工程”向人工育滩等“软工程”转变[4-5]。实践证明，人工育滩不仅能扩宽和稳固海滩，还能在海中形成大片滩地[4]。目前我国已在香港、厦门、青岛、天津、秦皇岛等地实施数十处人工育滩工程，但工程规模小、使用寿命短、单位成本高[1]。本研究介绍荷兰创新性人工育滩工程Sand Motor的规模、模拟和监测以及阶段性评价，以期促进我国人工育滩的理论研究和实践。

1 Sand Motor工程

20世纪90年代，荷兰环境公共建设部每年在海岸带地区填沙600万m3，以增强砂质海岸功能，2001年后每年填沙量增加至1 200万 m3[6]。为在增强海岸防护功能的前提下尽可能减少填沙量，并延长工程使用寿命和增加休闲娱乐功能，荷兰学者通过大胆创新的探索实验，于2005年首次提出“Sand Motor(或Sand Engine)”的概念[7]，这一项目于2010年获得荷兰国家环境影响评价(EIA)许可证[8]。根据其功能和作用，本研究尝试将“Sand Motor(或Sand Engine)”译为“补沙引擎”。

补沙引擎工程位于荷兰南荷兰省韦斯特兰市附近的代尔夫兰海岸、荷兰角港和斯赫弗宁根之间、距离海牙市向西方向约11 km处(52°3′6.84″N，4°11′0.96″E)(图1(a))。工程整体形状为类似钩子的半岛，一端与海岸相连，走向为SW-EN；长约2 km，向海延伸约1 km，面积为128万m2，总用沙量为2 150万m3(沙抽取自水深-20 m以外的海域)；共花费7 000万欧元，于2011年7月完成，是世界首个创新型人工育滩工程(图1(b))[9-11]。

图1 补沙引擎

根据研究和模拟，该区域海域水动力条件包括潮汐、波浪和风向3个方面[12]。①海区位于北海南部，潮汐属于半日潮，最大潮差1.2 m、最小潮差1.0 m；潮汐非常不对称，落潮时间(8 h 4 min)约是涨潮时间(4 h 21 min)的2倍，涨潮流(向北)强于落潮流(向南)。②海区波候主要受来自SW和N-NW方向的波浪控制，北海中N-NW方向的波浪通常为涌浪，而SW方向的波浪为局部风成波，因此波浪对海岸沿岸影响很小。③海区主要为西南风，风向几乎与海岸平行，易形成沿岸流，从而影响海岸附近沙的运移；风最主要的影响是产生区域性波浪以及使海平面升高(如风暴潮)。

2 补沙引擎的模拟与监测

Lesser等[12]用最先进的海岸形态动力学数值模型——Delf 3D对补沙引擎建成后20年的时空演化进行模拟(图2)[9]。工程完成后，用安装有RTK-GPS和回声测深仪的水上摩托进行地形和水深监测(精确度为10 cm)，用装有8个相机的40 m高的监测塔台每30 min对监测区域进行拍照并定期航拍，监测形态变化。研究者和管理者可通过监测和模拟及时掌握工程的形态及其影响范围的变化，对工程做出准确评价[9]。

图2 补沙引擎建成后形态变化模拟结果

2.1 补沙引擎的模拟

图2显示出Delf 3D模型对补沙引擎建成后3年、5年、10年、15年和20年形态变化的模拟情况。补沙引擎的宽度将从最初的0.95 km变窄至0.45 km，覆盖8 km的海岸线，受益的海岸面积约为200万m2[9]。

补沙引擎工程初始最大宽度为0.95 km，长度为2.4 km(图2(a))。3年后，长度增加到3.5 km(向南增加0.7 km、向北增加0.4 km)，最大宽度减小到0.8 km；与沿岸平行的沙嘴逐渐向岸弯曲，形成横向的沙坝；沙坝与海岸之间逐步形成面积为17万m2的人工潟湖，潟湖通过约50 m宽的水道与北海连通(图2(b))。3～10年后，波浪和海流将沙逐渐向两侧搬运，最大宽度减少到0.6 km，长度增加到5.2 km(向南增加1.6 km、向北增加1.2 km)，潟湖面积减少到14万m2(图2(c)和图2(d))。15年后，长度增加到8 km(向南增加3 km、向北增加2.6 km)，最大宽度减小到0.45 km，潟湖与北海之间的水道消失(图2(e))。15～20年后，在补沙引擎北边形成1个新的水道(图2(f))[9]。

2.2 补沙引擎的监测

补沙引擎完工后，研究者和管理者对工程进行持续的水深和地形监测。

2012年8月，补沙引擎最大宽度从0.95 km减少到0.84 km，长度从2.4 km增加到3.6 km(向南、向北均增加0.6 km)，总沙量减少约140万m3，附近海滩沙量增加90万m3，工程养护效果显著。补沙引擎北部变化较大，最初与海岸平行的沙嘴尖部向岸弯曲，形成横向沙坝；沙坝与海岸之间逐步形成20万m2的人工潟湖，潟湖通过约100 m宽的水道与北海连通。第1年的监测结果基本与模拟结果相吻合，总沙量损失为50万m3，比预计每年损失值100万m3少了50%[9]。

2015年12月，补沙引擎最大宽度从2012年的0.84 km减少到0.7 km，长度从2012年的3.6 km增加到4.6 km。补沙引擎北部的沙嘴长约2.5 km、宽约350 m，由于沙嘴的延伸，水道长度增加到2.7 km[11]。

将补沙引擎沙丘底部和水深-10 m之间分为3个部分(半岛、北部海滩和南部海滩)，分别统计沙量(图3)。2011年8月到2015年8月，监测区域内总沙量减少约100万m3。其中，半岛沙量减少约350万m3，而北部和南部海岸沙量持续增加，分别为165万m3和85万m3。这是由于波浪和海流将半岛的沙不断向北部海滩和南部海滩搬运再沉积。2011—2015年监测区域内总沙量损失只占初始总沙量的5%，剩余95%的沙仍发挥着育滩的功能[11]。

①总体；②南部海滩；③北部海滩；④半岛。图3 补沙引擎各组成部分沙体积的变化(2011年8月至2015年8月)

3 补沙引擎阶段性评价

2016年9月，来自世界各国的350余位专家在荷兰召开补沙引擎研讨会，发布补沙引擎的阶段性评价报告。监测结果表明，补沙引擎超额完成设计时制定的3个目标，即增强海岸防护、增加国土空间和推动海岸管理[13]。

3.1 海岸防护作用

近5年的监测发现，海流将补沙引擎区域内的沙平行于海岸搬运，并在北部海滩和南部海滩沉积下来，工程及周边区域(4.6 km)海岸线逐步向海推进，海岸防护水平明显提高[11]。监测区域内只有5%的沙被海浪侵蚀带走，远低于预计值(预计4年有20%)，因此补沙引擎的使用寿命可能会超过20年[11]。

补沙引擎还可以间接进行沙丘补沙。西南风将补沙引擎的沙向陆搬运，一部分沉积在潟湖和沙丘湖中，另一部分形成海岸风成沙丘。新形成的沙丘面积约为1万m2、高度约为2 m，原有沙丘带高度增加2～3 m、宽度增加20～40 m。虽然潟湖和沙丘湖的存在增加风搬运沙的距离和难度，使得沙丘发育较预期缓慢，但在补沙引擎工程前已有沙丘补沙工程，因此沙丘的缓慢发育不会影响总体海岸防护效果[11]。

3.2 其他作用

补沙引擎增加了代尔夫兰海岸面积，使得该区域有较高的生态价值和休闲娱乐价值。①从生态角度看，补沙引擎增加工程区域内的环境多样性和潜在生态价值。补沙引擎形成的海岸-潟湖-沙丘湖的海岸地貌组合为底栖动物、鸟类和鱼类提供新的栖息地，已观察到40种鸟类和海豹等海洋哺乳动物在此活动[11]。②补沙引擎工程形成露出水面的海滩面积为128万m2，海滩和潟湖为人们提供休闲娱乐空间，吸引大量游客，主要活动为海边游玩、散步和冲浪等[11]。

3.3 补沙引擎的科学问题

补沙引擎作为创新性的人工育滩工程，提出一些新的跨学科研究课题，其中重点研究主题包括海岸地貌发育和动力机制、破浪带形态学、风沙搬运速率和海岸沙丘形成过程、人工干预下的浅海区和破浪带生态学以及大型人工育滩工程的环境影响评价等。因此，补沙引擎对人工育滩理论研究及海岸管理发展有重大推动作用[11]。

4 结论

补沙引擎是人工育滩的创新工程，将补给泥沙抛填在平均低潮位以下和沙丘线之间，形成人工沙坝和海滩，依靠波浪作用将泥沙向岸滩输移，实现一次补沙、长期受益。5年的实践和实时监测证明，补沙引擎育滩效果明显，多年平均用沙量较少，并且有助于海岸沙丘发育，增加生物栖息地和娱乐休闲空间。根据5年阶段性评估报告，补沙引擎使用寿命超出预期，可达20年以上。与传统人工育滩工程相比，补沙引擎具有海岸防护效果显著、成本较低、使用寿命长、增加海岸利用功能等优点，可为我国人工育滩工程所借鉴。

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Experience and Enlightenment of Sand Motor,an Innovative Beach Nourishment in Netherlands

LIU Dawei1，WANG Minghan2，GONG Xiaojian1，HU Ke1

(1.School of Marine Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.National Geological Library of China (Geosciences Documentation Center，CGS)，Beijing 100083，China)

Coastal erosion has become one of the most important disasters on sandy coast in the world.Many countries are committed to beach protection,and Netherlands has made a lot of attempts due to its low-lying.In 2011,an innovative beach nourishment,Sand Motor,was implemented with 21.5 Mm3sands in Delfland coast,Netherlands.Monitoring morphology results of August 2015 showed that monitoring results were coincided with model results,and the rate of sand losing in monitoring area was less than expected.In periodical evaluation report of 2016,it was confirmed that wave and current transport sands from Sand Motor to nearby beaches to stabilize the coast,increase space for leisure and nature and improve coastal management.Compared to regular nourishment,Sand Motor has the advantages of significant protection effect,cost-effective,long life span and increase coastal area.It is valuable for China to learn from Sand Motor.

Sand Motor，Beach Nourishment，Beach maintenance，Ecological rehabilitation

2016-12-25；

2017-05-19

中国地质调查局国家海洋地质专项子项目“世界海洋地质调查情报分析与研究”(GZH201500211).

刘大为，博士研究生，研究方向为海岸带地质环境，电子信箱：ldw861111@163.com

王铭晗，研究实习员，硕士，研究方向为地学情报分析，电子信箱：wangminghan0314@163.com

P75

A

1005-9857(2017)06-0061-05