我国硬式护岸、渔港工程和人工岛等3类典型海岸工程对相邻海滩的影响研究

黎奕宏，雷 刚，蔡 锋，戚洪帅，朱 君

(自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

中国海岸带是世界上发展最快和最具经济活力的区域之一[1].改革开放以来，为满足大规模近海资源的开发利用需求，海岸防护工程、海港工程、沿海渔业设施、围填海工程、人工岛等各类海岸工程如雨后春笋般出现.我国自然岸线中砂质海岸分布范围较广，随着时间的推移，海岸工程的建设对砂质海岸造成了不同程度的负面影响.

20世纪70年代以来，众多海岸科学家开始关注人类活动尤其是海岸工程建设对砂质海岸的影响.海堤和护岸是最基本的海岸防护设施，但在长期使用过程中发现，护岸建设后加剧了海滩的侵蚀和破坏，导致海滩退化[2-4]，特别是对于长期遭受海岸蚀退威胁的岸段来说，这种负面效应更为强烈[5].护岸虽然在一定时间和空间内可以达到稳固岸线的目的，但常常伴随护岸附近岸滩的下蚀和蚀退[6]；丁坝、突堤、防波堤等垂直于海岸的工程建筑由于阻挡上游来沙而造成下游岸段海滩发生侵蚀后退[7]；离岸堤利用坝后波影区促进海滩淤长的同时，波影区下游岸段也极易发生严重的侵蚀[8]；离岸建设人工岛是围填海的重要方式之一[9]，而其建设会导致岸滩局部冲刷和淤积，改变海岸演变态势[10-11].

本研究选取硬式护岸、渔港工程和人工岛等3类典型海岸工程为研究对象，根据典型工程案例，探讨了3类海岸工程对相邻海滩的影响方式、尺度和原因，归纳总结并对比分析了不同类型海岸工程对相邻海滩的负面影响，可为海岸工程建设管理和海滩保护过程中提供参考.

1 我国典型海岸工程概况与案例

1.1 我国典型海岸工程与海滩概况

1.1.1 我国典型海岸工程概况 海岸工程按其与海岸的位置关系可以分为顺岸工程、垂岸工程和离岸工程3种类型.在我国，硬式护岸、渔港防波堤和人工岛作为顺岸、垂岸和离岸等3类海岸工程的代表在沿海各省(直辖市、自治区)的分布情况如图1所示.

图1 我国沿海各地典型海岸工程建设情况Fig.1 Situation of typical engineering construction in coastal areas of China

我国沿海已建海堤约1.27×104km，全国2/3左右的岸线被硬式护岸覆盖，广东省海堤建设长度最长，达4 032 km[12]；我国沿海分布有58个国家中心渔港，山东、浙江、福建、广东作为渔业大省渔港分布相对集中，其中山东省建设有11个中心渔港[13].我国人工岛建设起步较晚，目前，我国沿海自北向南建设有约31座不同规模、不同用途的人工岛，海南省人工岛数量最多，且多用于海上旅游娱乐.

1.1.2 我国海滩概况 砂(砾)质岸线即海滩是我国自然岸线的重要组成部分，分布在除天津、上海的沿海各省(自治区)，但目前我国砂质海岸正遭受海岸侵蚀的严重威胁.从图2可以看出，1980—2014年我国砂(砾)质岸线长度持续下降，34 a时间内砂(砾)质岸线长度减少了将近46.5%[14-15].

图2 各时期我国砂(砾)质岸线长度变化Fig.2 Changes of sand/gravel beach coastline length in China in various periods

2000年以来，砂质海岸侵蚀速率大多在1～3 m/a之间[16].据统计，我国砂质海岸将近一半处于侵蚀状态，海滩破坏和退化严重，其中江苏省砂质海岸全部遭受侵蚀，河北、山东、福建、广东、广西5省砂质海岸侵蚀比例也均超过50%[17]，我国海滩面临危机形势.

1.2 海岸工程对相邻海滩影响的典型案例

1.2.1 泉州青山湾护岸对相邻海滩的影响 青山湾位于福建省泉州市崇武半岛南岸，地理坐标为24°51′～24°54′N，118°49′～118°54′E.青山湾形态大致为WE向延伸的岬湾，湾口朝SSE向，岸线长约10 km，青山湾向岸入射波主要为SE—SSE向和S—SSW向，表现为自东向西的沿岸输沙[18].青山湾海滩上游护岸修建前海滩滩肩宽度近120 m，人工护岸的修建对青山湾海滩整体产生了一系列影响.

在海岸形态变化方面，2008年泉州沿海大通道占用青山湾东侧部分海域，海滩东侧有蚀退迹象，为防护路基并防止海滩进一步侵蚀，海岸东侧修建了人工护岸，至2011年，护岸建设范围达到1 200 m.从图3a可以看出，2008年3月海滩形态仍然较为匀称，海滩西侧岸段由于上游泥沙供给尚为充足，该岸段处于淤积阶段，沙嘴依然发育；但从2011年卫星影像图(图3b)中可以看出海滩中部岸段发生明显侵蚀后退，海滩被侵蚀剩余不足20 m，西侧沙嘴逐渐消失.这是由于上游护岸的修建阻止海岸进一步侵蚀后退，对下游岸段而言，上游侵蚀来沙减少，得不到足够物源补给，在沿岸流作用下发生侵蚀后退.护岸附近岸段最先受到沙源匮乏影响，表现为明显蚀退，随着继续向西输沙，沙嘴附近由于得不到充足的物源供给，由淤积状态转变为侵蚀，加之非法采砂等其他因素的影响，沙嘴岸段侵蚀表现更为明显.

为探讨岸滩剖面变化情况，在青山湾海滩选取QSW-1和QSW-2两个剖面进行研究，剖面位置如图3b所示.剖面QSW-1位于青山湾中部，从2016年7月和2017年3月两次观测结果(图3c)对比可以看出，该剖面高潮带相对稳定，自距离测量原点39 m处开始发生下蚀，最大下蚀深度为0.7 m.QSW-2剖面大致位于护岸与下游海滩交界处，从图3d可以看出，该剖面整体下蚀，平均下蚀0.6 m，最大下蚀量发生在距离测量原点43 m处，最大下蚀量为0.9 m.

图3 不同时期青山湾海滩岸线和剖面变化对比Fig.3 Comparison of beach coastline and profile changes in Qingshan Bay in various periods a、b为青山湾不同时期卫星影像图，c、d为青山湾两剖面不同时期形态变化对比

1.2.2 崇武中心渔港对相邻海滩的影响 崇武中心渔港建于泉州市崇武半岛南岸半月湾，上文所述青山湾东侧，湾口朝南，岸线大致呈WE向延伸，半月湾原有海滩长约2.5 km，宽约50～100 m[19].2003年在海湾的东侧修建了一级渔港和南防波堤(图4a)，2009年防波堤工程扩建，在原有基础上修建了西防波堤(图4b).研究区内全年波向主要集中在ENE—SW向，春、冬季常浪向为E向，夏季常浪向为SSE向，秋季常浪向为ESE向.渔港工程的建设同样对海滩岸线和剖面产生了不同程度的影响.

为研究海岸形态变化，借助卫星影像图进行对比(图4a、b)可以清楚看出半月湾海滩西部岸段发生侵蚀，海岸线后退严重，2004年即渔港防波堤建成1 a后，半月湾西侧干滩宽度尚有近百米，至2017年该部分海滩几乎侵蚀殆尽，这是由于渔港防波堤阻挡了SE向的波浪，而SW向波浪依然存在，作用于海岸形成自西向东的沿岸输沙，长期单向输沙致使上游缺少泥沙补给而发生侵蚀后退；中部岸段因受拦沙堤阻挡开始便呈现淤积状态，但随着时间推移，淤积程度愈加明显，至2017年泥沙逐渐淤积形成弧形干滩.

为了解岸滩剖面变化，选取剖面BYW-1和BYW-2(图4b)进行对比研究，剖面BYW-1位于半月湾西部侵蚀岸段，BYW-2剖面位于中部淤积岸段，将两个典型剖面2015年7月和2017年7月的观测结果(图4c、d)进行对比分析后发现，BYW-1剖面两年间的变化趋势表现为下蚀，该剖面无滩肩发育，自距离测量原点8～78 m部分均发生下蚀，最大下蚀量发生在距离测量原点19 m处，达0.5 m.BYW-2剖面靠近拦沙堤，泥沙在此处淤积，形成较大面积干滩，平均干滩宽度约为100 m.在距离测量原点50～100 m处发育一突起沙丘，2015年7月至2017年7月沙丘向海淤涨，低潮带变化不大，以淤积为主.

1.2.3 南海明珠人工岛对相邻海滩的影响 海口南海明珠人工岛位于海口湾西海岸.工程所在海域全年以风浪为主；潮流为往复流形式，方向基本上呈W—E向；常浪向为NNE向，次常浪向为NE向.根据波浪场和岸滩演变数值模拟分析[20]，人工岛建成后预测岸线如图5所示.

从数值模拟结果来看，人工岛建设前，海岸基本处于平衡状态.人工岛建设对海滩西段和中段有较大影响，对东段影响较小.由于人工岛离岸较远，最终不会形成连岛沙坝.人工岛一、二期建设后，其后方形成了明显的淤积区，3 a最大向海淤进约10 m，淤积区两侧均发生局部冲刷，西侧岸段3 a最大侵蚀量约为17 m[21].

图4 不同时期半月湾海滩岸线和剖面变化对比Fig.4 Comparison of beach coastline and profile changes in Banyue Bay in various periods a、b为半月湾不同时期卫星影像图，c、d为半月湾两剖面不同时期形态变化对比

图5 南海明珠人工岛建设后预测岸线示意Fig.5 Prediction of coastline change after the construction of Nanhaimingzhu artificial island

2 讨论

2.1 硬式护岸对相邻海滩的影响

海堤和护岸通过将海洋动力与陆地隔离开的方式使岸线不再后退[22]，不可避免地改变了原有海滩的形状和位置、波浪和潮汐能量、物质补充的数量和质量以及海平面的位置[23]，影响海滩动力和沉积物平衡.Dean(1987)总结了9种护岸对附近岸滩作用的基本类型，将不同条件下滩面对护岸的响应进行了说明[24].本研究根据前文案例将硬式护岸对相邻海滩的影响归纳为护岸对堤前海滩的影响和其对下游海滩的影响.

一部分硬式护岸修建于海滩后滨，正常潮汐条件下护岸与波浪相互作用很少，这类护岸对海滩几乎没有影响，这里需要讨论的是临海建设的硬式护岸(图6c).护岸对堤前海滩产生的影响：涨潮过程中，波浪逐渐逼近堤岸，垂直护岸方向上的波浪经护岸的反射显著增强，增强后的波浪掏蚀堤脚，冲刷堤前滩面，并携带滩面沉积物持续向海搬运，由于护岸的修筑阻断了后方泥沙供给，垂直于海岸方向上的泥沙供给平衡被打破，造成护岸前滩面下蚀，沉积物堆积于向海区域.护岸对下游相邻海滩产生的影响：对沿岸输沙的下游岸段来说，上游侵蚀泥沙是下游岸段维持平衡稳定的物源，随着上游护岸的修建，上游侵蚀来沙逐渐减少，下游岸段得不到充足补给，收支失衡，岸线侵蚀后退.斜向入射波浪在硬式护岸上发生反射，反射波浪在护岸下游相邻海岸前与入射波浪叠加对下游岸段产生强烈冲刷，因此在下游海滩与护岸交界处发育一个侵蚀热点；下游岸段远离护岸方向受沿岸输沙补给影响越来越小，从而受护岸影响逐渐减弱.从剖面变化来看，护岸前海滩剖面表现为明显下蚀，靠近护岸区域下蚀最为严重；护岸下游海滩剖面中潮带附近坡度变陡，出现明显破折，整体表现为下蚀.

2.2 渔港工程对相邻海滩的影响

对于渔港工程对相邻海滩的影响，Moutzouris(1990)早已明确指出，渔港工程建设会直接导致部分地区海滩的侵蚀或淤积[25]； Uda等(2005、2007)经过大量调查研究后认为渔港防波堤建设阻挡沿岸输沙以及其形成的波浪遮蔽区内动力条件改变是造成海滩形态变化的主要原因[26-27].

我国渔港建设普遍利用天然岬角、岛屿形成的湾澳[28]，并在原有基础上延伸建设不同角度、不同规模的防波堤阻挡风浪，以满足更高的渔港防护要求.我国典型渔港防波堤建设对岸线变化的影响及典型剖面变化响应如图6d、b所示.

渔港防波堤对海滩形态的影响主要表现在：引起动力环境改变.防波堤阻挡主入射波，波能在堤头发生绕射，逐渐向波影区耗散，波影区内动力条件减弱，泥沙逐渐淤积，引起沿岸输沙的改变.虽然主防波堤阻挡了SE向主入射波，但SW向入射波浪依然存在，沿岸输沙方向变为自西向东，沉积物自西向东搬运过程中缺少W向补给，岸线侵蚀后退，直至形成新的岬湾形态，且该岸段发育形成侵蚀热点；当岸线与入射波峰线近似平行时，岸线不发生后退，下游由于受到防波堤的阻挡，沉积物堆积于此.从剖面形态变化来看，侵蚀岸段出现明显破折，剖面总体下蚀；淤积岸段滩肩淤涨，中潮带坡度变缓.

图6 3类海岸工程建设前后岸线及部分剖面变化示意Fig.6 Sketch map of coastline and partial section changes before and after 3 types of coastal engineering construction a、b为剖面形态变化，c为硬式护岸,d为渔港工程,e、f为人工岛

2.3 人工岛对相邻海滩的影响

人工岛建设前期，人们往往最关注人工岛建成后与海岸之间是否形成沙岬或连岛沙坝[29-30]，但人工岛对海滩的最大威胁在于造成局部侵蚀，破坏原有海岸形态.人工岛的大小、离岸距离和相对位置不同，人工岛后方的波浪传播、波生流、泥沙供给条件、冲淤变化随之产生差异[31-32]，这直接关系人工岛建设对海滩的影响尺度.以离岸堤作为参考，Dally等(1986)提出，是否形成沙岬或连岛沙坝与离岸堤长度B与其离岸距离X之比B/X有关，对于单个离岸堤，当0.67≤B/X<1.5时，易发育沙岬；当1.5≤B/X<2.0时，易形成连岛坝[33].

若人工岛与岸线之间只发育形成沙岬，如图6e所示，入射波浪传向海岸时，经人工岛绕射，在人工岛后波浪波高减小，波能扩散，人工岛对其后方海岸有波浪掩护作用，形成波影区.上游沿岸输沙在人工岛后波浪掩护区内逐渐向海沉积，形成沙岬，而波浪掩护区以外的下游岸段由于泥沙来源受到阻隔，该岸段在破波和沿岸流作用下侵蚀后退，此岸段形成一个侵蚀热点；对于上游岸段来说，由于单向输沙，泥沙补给能力有限，也会对该岸段造成一定程度的侵蚀，在该处同样会发育一个侵蚀热点.

当受人工岛大小、离岸距离等因素影响，人工岛与岸线之间形成连岛沙坝时，如图6f所示，海滩的响应机制也发生改变.人工岛与岸线之间形成的连岛沙坝相当于垂向海岸工程，完全阻断了沿岸输沙，下游岸段将发生大范围侵蚀后退，形成较大的侵蚀热点.

2.4 对比3类海岸工程对相邻海滩的影响

对3类海岸工程对相邻海滩影响方式、原因进行讨论，对比分析结果如表1所示.

表1 3类海岸工程对相邻海滩影响Tab.1 Effects of 3 types of coastal engineering structures on the adjacent beaches

3 结论

(1)硬式护岸主要对相邻海滩产生两类影响.一类是临海护岸对直接接触的海滩产生影响，护岸阻挡垂直于海岸方向上的陆源补给，泥沙不断向海运移，使护岸前海滩整体下蚀，堤脚处掏蚀最为严重；另一类护岸的修建阻碍下游岸段泥沙补给，下游岸段沿岸输沙收支失衡，岸线侵蚀后退，下游岸段与上游护岸交界处受到反射波浪和沿岸流的叠加作用往往发育形成侵蚀热点.在护岸对相邻海滩的影响过程中，护岸修建直接阻隔了物源补给，破坏输沙平衡是造成护岸周围海滩侵蚀后退的主要原因.

(2)渔港防波堤工程对相邻海滩产生两方面影响.一是防波堤与岸线之间形成波影区，波能在波影区内耗散，致使该范围内动力条件减弱，泥沙逐渐淤积；二是渔港防波堤的建设往往阻挡单一方向入射波浪，破坏输沙平衡，使原本处于输沙平衡状态的海滩沿单一方向输沙，下游岸段由于缺少泥沙补给岸线侵蚀后退，而上游岸段由于渔港其他构筑物的阻挡发生淤积，海滩形态发生改变.渔港防波堤的建设直接阻挡了该方向波浪传播，影响了水动力条件，从而间接导致沿岸输沙平衡被破坏，引起海滩的侵蚀和淤积，此过程中水动力条件改变是造成海岸侵蚀的最根本原因.

(3)人工岛由于岛体大小、离岸距离及相对位置的不同，相邻海滩主要形成沙岬和连岛沙坝两种形式的突出体.若波影区范围内形成沙岬，下游来沙受到一定阻隔，因泥沙供给不充足而侵蚀后退，且下游岸段容易形成侵蚀热点，上游岸段若持续单向输沙且没有足够的沙源补给，岸线同样侵蚀后退形成侵蚀热点；若波影区内淤积形成连岛沙坝，连岛沙坝将完全阻断下游泥沙补给来源岸输沙，下游岸段将发生大范围侵蚀后退，形成较大的侵蚀热点.

(4)临海护岸由于破坏纵向输沙平衡、改变水动力环境，引起滩面持续下蚀.护岸的修建还可能破坏沿岸输沙平衡，造成沿岸输沙下游岸线阶段性侵蚀后退.渔港工程和人工岛的修建往往均会改变原有水动力条件，造成泥沙运移失衡，导致岸线再平衡，最终岸线发生较明显变化.