河口海岸保滩促淤方式及水沙机理研究综述

李泽龙，孙林云，唐磊，诸裕良

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

海岸带作为海洋和陆地的交界地带，极易受到风浪、潮流、风暴潮等自然动力的影响，是全球生态环境的敏感地带。近几十年来，由于河流改道、入海泥沙减少、海平面上升以及人类活动的综合影响，大量的淤积海岸或冲淤平衡海岸转变为侵蚀特征，且程度日益加剧。据统计，全球约70%的沙质海岸以及所有开阔水域的淤泥质海岸都处于侵蚀后退状态，这一全球性的问题已引起世界各国的关注。

为了保护海岸岸线的稳定，维系海岸生态平衡，人们采取了一系列积极有效的海岸保滩促淤措施，如海堤、丁坝、离岸出水堤等。近30 a来，考虑到海岸带生态环境以及景观风貌，人们积极开展新型保滩方式的研究与应用，如离岸潜堤、人工养滩、生物促淤和沙滩泄水等。本文将对近70 a来河口海岸保滩促淤方式的发展概况进行综述；主要针对沙质海岸和淤泥质海岸，从水沙机理方面阐述几种保滩方式的研究成果；对离岸潜堤、人工养滩和丁潜坝组合形式的研究重点提出展望。

1 保滩促淤方式综述

1.1 海堤

海堤又称为海塘，是一种修建于海洋和陆地交界面上的顺岸建筑物。海岸带动力因素复杂多变，海堤将海洋和陆地隔离开来，使陆地免受风浪、风暴潮等侵袭，阻止岸线蚀退。海堤作为一种最为传统的保滩形式，在荷兰、日本以及我国都广泛采用。近年来，考虑到传统海堤破坏了海岸原有的动植物群落和自然景观，中断了陆海生物廊道和生态缓冲带，“生态海堤”的概念应运而生。其理念为通过在海堤上分层种植滨海植物，形成集海岸防护和生物系统保护于一体的生态海堤模式。

1.2 丁坝

丁坝是一端与岸相连，另一端向海延伸而垂直于岸线的护岸建筑物。其作用是通过改变近岸动力，起到保滩护岸、挑流促淤的效果。丁坝的促淤效果取决于坝长、坝走向和坝间距。许星煌[1]，喻国华[2]等通过在浙江和江苏沿海的保滩促淤实践，指出一般丁坝的影响范围为1.1～2.6倍坝长，坝间距通常取2倍坝长，丁坝轴线与主波向夹角以100°～110°为宜。近几十年来，丁坝更多地被用于河道整治工程。在河道整治工程中，丁坝还起到挑流、增加航槽内流速的功能。对于河口海岸保滩工程，其在有大量泥沙来源的河口地区使用较多，如长江口南支崇明、长兴、横沙三岛，杭州湾北岸等；而海岸保滩工程多结合离岸堤，效果更佳。

1.3 离岸堤

离岸堤是平行岸线且离岸一定距离建造的防护建筑物，根据堤顶出水情况，可分为离岸出水堤和离岸潜堤两类。

1.3.1 离岸出水堤

离岸出水堤堤顶高程较高，常年露出水面，通过阻拦波浪的近岸传播，使其发生绕射，消耗入射波能，促使泥沙在堤后能量较小的波影区落淤，起到拓宽岸线的作用。离岸出水堤常以堤群形式出现，在日本[3]、地中海沿岸[4]等海岸广泛应用。其研究内容主要围绕沙嘴形成的水沙机理过程以及离岸堤几何参数与岸滩的响应规律，取得了丰富的研究成果。

1.3.2 离岸潜堤

由于离岸出水堤常年露出水面，对于旅游性质的沙质海岸，影响了海岸自然风光及旅游视觉体验，离岸潜堤作为一种新型的保滩形式应运而生。离岸潜堤堤顶高程相对较低，通常在高潮时完全淹没，在低潮时出露。其主要功能是使外海波浪在堤前破碎，削弱堤后波高和波能，稳定海滩。此外，潜堤还可以作为鱼类产卵栖息地[5]，增加海洋生物多样性，在海洋生态保护上大有裨益。离岸潜堤在美国[6]、日本[7]、意大利[8]、澳大利亚[9]等地都有使用，取得了较好的效果，但也有一些保滩实践表明离岸潜堤的存在对后方岸线形成了冲刷。关于潜堤的保滩水沙机理和规律，还有待进一步研究。

1.4 丁坝潜堤组合

单一采用丁坝或离岸堤有时不能达到预期的保滩效果，特别是对于淤泥质海岸，往往采用丁坝组合离岸堤的方式形成“坝田”促淤。一方面离岸堤可以削弱波能，减小坝田内能量紊动，另一方面由于丁坝的阻隔作用，坝区内可形成弱动力环流，使泥沙落淤。我国分布有大量淤泥质海岸，在长江口、钱塘江河口等地取得了丰富的经验。

1.5 人工养滩

人工养滩法是一种与自然较为和谐的“软防护”保滩形式。其可分为沙丘补沙、滩肩补沙、剖面补沙和近岸补沙4种形式[10]。前3种方式是将沙源直接抛填在原滩面，达到补沙喂滩效果；近岸补沙是将沙源平行抛填在离岸一定距离处，以形成人工沙坝，在近岸动力下，人工沙坝作为“营养源”不断向岸线提供沙源“喂养”，拓宽岸线。人工养滩法在荷兰Terschelling[11]、Egmond[12]，澳大利亚Coolangatta海湾[13]，我国北戴河海滩[14]和三亚三美湾[15]整治中取得了较好的效果。

1.6 生物促淤

生物促淤最具代表的为1979年从美国引进的互花米草，其初衷就是用于促淤护滩。当其发育成密集的植物群落后，具有消浪、缓流，拦截泥沙的作用，促进滩面的淤积和增高。从该理念提出开始，相当多的试验和实践证明了互花米草促淤的可行性，如徐万国[15]，傅宗甫[16]，卢声明[17]等。虽然生物促淤在保滩效果上是切实可行的，但在环境效应方面存在利弊两种不同的声音。一种观点认为互花米草不仅起到保滩促淤功能，其还具有改良土壤、绿化海滩、改善海滩生态环境的作用[18]；另一种观点认为互花米草作为外来物种，其大规模入侵将影响浮游生物生存[19]，更有甚者，其可严重破坏近海生物的栖息环境，造成严重的生态灾难[20]。

1.7 沙滩泄水

沙滩泄水保滩是一种十分新颖的保滩新理念，就是利用人工或重力条件下的自然排水来降低沙滩的地下水水位，增大海水在沙层中的渗透量，达到稳定沙滩的目的。1981年至今，丹麦、美国、英国、日本、西班牙等地都安装了沙滩泄水装置，至今已经取得了很多成功经验。例如丹麦Danish Geotechnical Institute（DGI）[21]在南部海滨建立了泄水装置以后，观测到海滩显著外延；Burstow[22]发现Towan Bay前滩普遍拓宽等。我国目前还没有相关应用报道，鉴于沙滩泄水投资小，效益时间长，对生态负面影响小的优点，在我国可尝试试点与应用。

2 保滩促淤水沙机理研究

淤泥质海岸、粉沙质海岸和沙质海岸的海岸性质及泥沙运动特性不同，其保滩促淤的水沙机理和规律也有所不同。沙质海岸的坡度较陡，中值粒径D50一般大于0.1 mm，其泥沙运动在近岸以底沙推移为主，表现为沿岸输沙或横向输沙；淤泥质海岸的坡度较平缓，中值粒径D50一般小于0.03 mm，泥沙极易悬浮而不易沉降，表现为“波浪掀沙，潮流输沙”。泥沙输移方式的不同，决定了传统促淤措施下的泥沙淤积规律也有所不同，见图1～图4[23]。介于两种性质海岸之间的粉沙质海岸，其泥沙易启动易沉降，有些泥沙粒径相对较细，更具有淤泥质海岸的特性，称之为淤泥粉沙质海岸；有些泥沙粒径相对较粗，更具有一些沙质海岸的特性，存在强烈的沿岸输沙，季则舟和孙林云[24]将其界定为细沙粉沙质海岸。针对细沙粉沙质海岸特点，孙林云[25]还提出了复合沿岸输沙理论，丰富了细沙粉沙质海岸的研究。由于沙质海岸和淤泥质海岸的保滩促淤研究实践相对较多，本节主要针对这两类海岸，从水沙机理方面阐述几种保滩方式的研究成果。

图1 沙质海岸丁坝引起的淤积区和冲刷区Fig.1 Sedimentary and erosion areas caused by groyne on sandy coasts

图2 淤泥质海岸丁坝引起的淤积区和冲刷区Fig.2 Sedimentary and erosion areas caused by groyne on silt coasts

图3 沙质海岸离岸堤沙嘴淤积形态Fig.3 Deposition pattern of sandspit caused by offshore breakwater on sandy coasts

图4 淤泥质海岸离岸堤沙嘴淤积形态Fig.4 Deposition pattern of sandspit caused by offshore breakwater on silt coasts

2.1 沙质海岸

2.1.1 离岸出水堤

在离岸出水堤防护下，由于沿岸输沙受到干扰，其掩护区将形成沙嘴、连岛坝或者连岛沙洲。关于沙嘴的形成机制，John.R.C.Hus[26]和Gourlay[27]认为由于离岸堤对波浪的折射和绕射效应，堤后产生了非均匀波浪场的辐射应力梯度，从而形成了两股对称沿岸流。随后该对称沿岸流相遇形成一对环流，导致泥沙沉积；Sauvage de St Marc[28]通过试验也得出了相同的结论。此外，众多研究表明沙嘴的发展经历由双峰到单峰的过程。Shinahara K[29]在试验中发现，沙嘴在试验开始3 h内呈双峰状态发展，随着泥沙的继续淤积，4 h后沙头开始外突出继而形成单峰形态；Suh K[30]通过小尺度的物理模型试验，也证明了沙嘴的形成经过了双峰到单峰的过渡；黎维祥[31]等分析表明形成双峰沙嘴的条件为yB/yBr＜1（yB为堤离岸距离，yBr为破波带宽度），当比值大于1时转变为单峰沙嘴。

单峰进一步发展，即可形成连岛坝或连岛沙洲，这取决于离岸堤的几何参数，一些学者总结得到了相关经验公式。以离岸堤到岸线距离S和离岸堤长度B的比值S/B为基础，陈子霞[32]认为当S/B=3～7时，形成沙嘴，当S/B=1～3时，将形成连岛沙坝；Dally W R[33]则得到当S/B=1.5～2时，形成沙嘴，而S/B=0.5～1.5时形成连岛沙坝；黎维祥[31]加入了深水波周期T0和波高H0作为判别，认为当0.42（H0/（ωT0））0.0918≤S/B＜6时（ω为泥沙沉速），将形成沙嘴，而S/B≤0.42（H0/（ωT0））0.0918可为连岛沙坝。在应用实践中，通常采用分段式离岸堤的方式进行保滩，因此离岸堤的口门大小G也是促淤效果的重要因素。Dally W R[33]认为形成连岛坝的条件是S/B＜1.5，并且口门宽度G＜B；此外，Pope J[34]通过原型数据分析得出分段式离岸堤后的岸滩响应为B/G和S/（hB）的函数（h为离岸堤位置处的水深）；Suh K[30]则共同考虑了G/S和B/S对岸线的综合影响，认为当（G/S）/（B/S）2=0.5时，沙头离岸距离最大。由于离岸出水堤应用实践历史较长，人们对于其保滩促淤的水沙机理和规律认识较为深刻，已经能够较好地服务于海岸岸滩保护。

2.1.2 离岸潜堤

从目前的应用现状来看，离岸潜堤在保滩研究上已取得了很大成功，但在实际工程应用中，也出现了一些潜堤防护造成岸线冲刷的例子，如Ranasinghe[35]曾统计了10个离岸潜堤工程，其中仅3个获得成功。为了充分把握离岸潜堤的防护特点，认识其冲淤机理至关重要。对于潜堤引起冲刷的原因，Nobuoka[36]和Browder[37]认为跨越潜堤的波浪破碎后可引起强烈的向岸流，这股向岸流在岸边向两侧偏离后携带泥沙折回，形成了一个淘沙环流；Ranasinghe[38]也在其研究中证明了这一理论，并认为若形成由岸向堤的环流时，则表现为一个淤积环流。Sanchez-Arcilla[39]也对这两种环流的形成做了解释，认为形成淘沙环流是因为堤顶破碎沿岸流作用大于堤后绕射波浪作用，造成岸线冲刷；而当绕射波浪作用大于堤顶沿岸流时，形成淤积环流，造成岸线淤积。

可见，就目前的研究成果来看，在微观机制上潜堤的防护效果很大程度受堤顶向岸流和绕射波浪场所控制，在宏观上则表现为离岸潜堤几何参数的影响。Ranasinghe[38]通过数学模型研究远近两种潜堤下的岸线响应，表现为离岸较远的潜堤后岸滩淤积，离岸较近的潜堤后岸滩冲刷，并分别观察到了上述两种不同的环流模式；Dean[6]在其报告中指出，堤顶向岸流的大小与离岸距离成反比；此外，Sanchez-Arcilla[39]认为离岸距离S大于破波带位置Sb时，泥沙在掩护区淤积，而S小于Sb时，泥沙向外海流失。除了离岸距离，离岸潜堤堤顶高程是一个重要参数。Nobuoka[36]通过改变可旋转叶片的角度，调整潜堤顶高，其物理模型和数学模拟均表明随着顶高的减小，岸滩由淤积逐渐转变为冲刷；Loveless[40]，Wamsley[41]，张甲波[42]等也都证明了这一规律特征。虽然以上学者都通过改变潜堤离岸距离或堤顶高程得出了单一因素影响下的保滩规律，但一些实际应用[35]表明，离岸潜堤后的岸滩响应是一个多因素共同作用影响的结果。潜堤的保滩规律还受离岸潜堤顶宽、长度、破波带位置等综合影响，这些影响因素之间可能存在某种临界关系式，以表征冲刷与淤积的临界判别。为此，尚需系统研究潜堤离岸距离、堤顶高程、堤顶宽度、堤长和破波线位置等因素与岸滩冲淤响应的关系，分析和总结离岸潜堤造成岸滩冲刷和淤积的临界关系式。

2.1.3 人工养滩

不同于以上传统保滩理念，人工养滩法作为一种较为新颖的“软”防护工程，在机理上有所差异。人工养滩的4种基本形式中，近岸补沙是一种最有优势且最具潜力的保滩形式，其保滩机理可概括为“喂养”和“遮蔽”。所谓“喂养”，是指沙坝作为营养源，在近岸水动力作用下，不断向岸补给泥沙；所谓“遮蔽”，是指沙坝发挥潜堤的作用，减小了掩护区波浪水流扰动，形成弱能量条件，有利于补给沙的落淤[12]。Grunnet[43]认为近岸沙坝和近岸之间能形成一种动态反馈机制，称之为“营养扰动”（Nourishment perturbation），在向岸循环流和沿岸流的综合作用下，泥沙是呈周期性补给的。

补沙粒径、沙坝离岸距离和沙坝的几何尺寸是影响养滩效果的几大关键因素。对于补沙粒径，Kana[44]和Castelle[13]认为采用略粗于原海滩的粗沙，有利于改善岸滩剖面的稳定性，延长使用寿命；杨燕雄[14]等则定量给出了人工补沙的中值粒径D50约可取原岸滩D50的1.0～1.5倍；Eitner[45]通过采集德国Norderney岛附近养护岸滩的表层沉积物，分析得到在自然营力作用下，新岸滩沉积物整体粗化，细沙逐渐被侵蚀，证明了上述粗沙补滩的观点。人工沙坝的离岸位置对于消浪和养滩效果影响很大。庄振业[46]和拾兵[47]指出，当沙坝离岸较远时，其消浪作用更佳，但导致泥沙输运动力过弱，养滩效果不理想，且沙坝易受波浪破坏，影响养滩寿命；当沙坝离岸较近时，沙坝破波产生的坝顶能量又容易使岸滩产生侵蚀。此外，沙坝几何参数对近岸补沙效率的影响也十分重要。Kraus[48]和Smith[49]整理了在SUPERTANK大型水槽进行的试验，对比了宽窄两种水下沙坝在相同的波浪作用下泥沙输移，结果表明窄沙坝泥沙更容易向岸转移，而宽沙坝泥沙离岸输运；吴建[50]对比了10 m，25 m，50 m，100 m 4种宽度沙坝的养滩效果，结果表明100 m宽效果最佳，10 m和25 m次之，50 m最差。其主要原因是宽沙坝在更具遮蔽效应的同时，却损害了其喂养动力。可见，如何找到一个最佳坝宽，使其在有效消浪的同时不侵害其喂养效率，是一个值得研究的课题。除此之外，人工沙坝的高度也是养滩效果的一大因素。高沙坝具有较好的遮蔽效应，但损害了其喂养动力条件，低沙坝则可能使岸滩形成冲刷。Honyng[51]曾通过常浪和风暴潮作用下，对比了高低两种近岸补沙方案，认为抛沙体的高度对于养护效果起到关键影响。但对于这一因素的研究还较少。由上可见，如何选取合适的沙坝尺寸以及离岸距离，使其“喂养”与“遮蔽”效应达到一个最好的契合点，提高养滩效果和使用寿命，是一个值得研究的课题。

2.2 淤泥质海岸

淤泥质海岸泥沙颗粒相对较细，其泥沙运动同时受波浪和潮流的影响，表现为“波浪掀沙，潮流输沙”。在生产实践中，一般联合多条丁坝和离岸潜堤，形成坝田促淤。从波浪动力角度出发，离岸潜堤可以削弱入射波能，使坝田区形成弱能量环境，利于泥沙落淤。从水流流态角度考虑，众多学者认为促淤区的环流机制是泥沙稳定落淤的重要内因。白玉川[52]总结得到，在涨急和落急时刻，形成环流的主要动力是水流剪切力，在落憩和涨憩时刻，其主要动力是水流剪切力和反向水位梯度力，低流速、相对封闭的环流区有效地阻止了主流的切入冲刷，从而增加了泥沙在回流区的落淤几率；王顺中[53]结合了促淤区分仓，认为在海水涨急期间将形成一个从口门至围堤中部范围的回流区，随着分仓数的增加，回流强度和淤积效果相应增加。综上，细颗粒泥沙海岸的保滩促淤机理可以总结为波浪动力和水流流态两点：1）利用离岸潜堤的掩护，降低波浪扰动；2）结合丁坝和离岸堤以利形成环流机制。有关细颗粒泥沙海岸的促淤问题，国外较少有具体的报道和专著，我国虽然对淤泥质海岸的促淤实践和研究较多，但更多地将关注点放在坝田布置形式对促淤效果的影响上。

潜堤堤顶高程、分仓形式和纳潮口规模与促淤效果的影响关系最为密切。许星煌[1]和喻国华[2]在浙江和江苏沿海的保滩促淤实践中指出潜堤的高程取潮位历时累计频率曲线5.7%潮位或平均高潮位时，淤积效果最好；恽长兴[54]由杭州湾北岸促淤工程实例，认为堤顶高程应与金山咀多年平均高潮位相当；廖绍华[55]通过对飞雁滩的现场观测，当潜堤高度取平均高潮位时，堤后淤积厚度最大；蒲高军[56]和黄哲浩[57]由整体物理模型试验，李孟国[58]和高志伟[59]根据数学模型，也都得到了一致的结论。可见，离岸潜堤一般采用平均高潮位高度可获得最佳促淤效果。除了潜堤堤顶高程，分仓形式也是影响促淤效果的一大关键因素，王顺中[53]利用整体物理模型研究了单仓式、双仓式和三仓式3种形式对坝区促淤效果的影响，证明三仓式能够充分利用环流机制，最有利于泥沙淤积。崔冬[60]和李杰[61]根据数学模型并结合环流机制，也取得了相同的结论。另外，高志伟[59]提出在外海离岸潜堤处增设纳潮口，可以保证泥沙在坝田内的有效落淤，并指出纳潮口的大小是影响促淤效果的重要因素；李孟国[58]在数学模型中对比了3种不同大小纳潮口（1 km、1.5 km、2 km）的促淤效果。笔者认为，纳潮口大小对于环流形成的影响不可忽略，可采用口门大小G占丁坝间距B的比值G/B以研究纳潮口规模对促淤效果的影响。

3 结论与展望

近70 a来，人们在河口海岸保滩促淤的机理研究与实际应用上已取得了很大的成就。随着生态环境理念的逐步加深，传统保滩促淤方式开始向离岸潜堤，人工养滩，生物促淤等新型模式转变。此外，国外结合离岸潜堤和人工养滩，提出了“栖息海滩”理念，对于缺乏来沙的强侵蚀性海滩，取得了较好的保滩效果，我国在三亚三美湾、桂林洋海滩都有采用。对于这些新型保滩促淤理念，我们对其水沙机理和保滩规律有了一定的认识，但未来仍需对一些方面进一步展开研究：

1）系统研究潜堤离岸距离、堤顶高程、堤顶宽度、堤长和破波线位置等因素与岸滩冲淤响应的关系，分析和总结离岸潜堤造成岸滩冲刷和淤积的临界关系式。

2）全面地研究人工沙坝尺寸（沙坝高度、沙坝宽度）以及离岸距离对养滩效果的影响，寻找使其“喂养”与“遮蔽”效应达到最优的契合点，提高养滩效果和使用寿命。

3）在丁坝、离岸潜堤组合促淤方式下，对潜堤顶高和分仓形式有了一定认识，但纳潮口规模对促淤效果的影响不可忽略。可采用口门大小G占丁坝间距B的比值G/B以研究纳潮口规模对促淤效果的影响。

4）“栖息海滩”联合了人工养滩和潜堤防护的优势，可快速补沙且减缓泥沙流失。加强“栖息海滩”的研究与应用，对我国景观旅游海岸的保护具有相当重要的意义。