人工岛影响下的海滩修复对策研究——以海口西海岸为例

何岩雨，朱 君，戚洪帅,4*，刘 根，雷 刚，赵绍华，郑吉祥

(1.自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门 361005; 2.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100;3.福建省海洋生态保护与修复重点实验室，福建 厦门 361005;4.自然资源部北部湾滨海湿地生态系统野外科学观测研究站，广西 北海536015)

我国有近50%人口居住于面积仅占国土13%的海岸带地区[1]，滨海地区人地矛盾突出。为缓解滨海土地危机，自建国以来，我国经历了四次围填海高潮，最新一轮填海高潮始于21世纪初，持续近十年[2-3]。据海域使用管理公报显示，自2002年海域法实施至2014年底，我国累计确权围填海面积达15.68万hm2，年均确权面积1.21万hm2[4]。为响应“国际旅游岛”重大战略，推动全岛旅游经济发展，海南省围填海进程尤为突出，2000—2018年间共批准建设人工岛12处，填海面积共计1 894.86 hm2[5]。

人工岛建设在缓解滨海土地资源紧张的同时也带来新的环境问题，其不仅显著改变区域海洋动力[6-7]、水沙环境[8-9]，而且对近岸尤其邻近海滩的地貌分布格局产生较大影响[10-14]。人工岛对岸滩的影响，实质上类似于离岸堤作用，堤后波影区由于动力减弱造成泥沙淤积，堤两侧由于动力较强造成岸滩侵蚀[15]。截止目前，大部分研究集中于堤(岛)后方的泥沙淤积规模，判断其是否形成沙嘴或连岛沙坝[16-18]。事实上，人工岛对邻近岸滩最大的威胁在于造成两侧岸段的持续侵蚀[19]，必须采取相应的工程措施加以控制或修复。

传统的海岸侵蚀防护多采用拦沙堤、防波堤等“硬式工程”，虽能直接起到防冲促淤、保护海岸的作用，但若用到人工岛导致的海岸侵蚀灾害防护上，则可能会对原本受伤的海岸动力环境造成“二次伤害”。近年来，海岸防护理念逐渐由“硬式”向“软式”转变，海滩养护与修复技术逐渐在国内应用与推广[20]。但单纯的海滩修复措施无法恢复被人工岛破坏的动力环境，从而无法改变人工岛两侧持续的侵蚀趋势。

本研究以海口西海岸为例，运用GENESIS岸线演变模型，针对人工岛建设引起的岸滩侵蚀与泥沙分配失衡等问题，探讨单一人工补沙条件下的岸线演化趋势，并在此基础上提出“循环养护”的海滩修复对策。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

南海明珠人工岛位于海口市海口湾西海岸海域[图1(a)]，与新国宾馆直线距离约1.90 km，填海造地面积约2.50 km2。人工岛分两期建成，一期呈“海马”状，面积约0.34 km2，于2010—2012年建成；二期呈圆形轮廓，直径长约2.38 km，填海造地面积约2.16 km2，于2014—2016年建成。本研究海滩岸段西起五源河口、东至印象海南剧场，全长约3.80 km。研究区近岸海域水深大部分小于5 m，坡度平缓，湾内发育浅滩地貌。在人工岛建设前，海滩平均宽度40～50 m，沉积物中值粒径0.13～0.48 mm，以细砂、中砂为主[21]。在人工岛建设后，五源河口附近岸段[岸段Ⅰ，图1(b)]的沙滩已侵蚀殆尽，岸线持续蚀退，危及后方居民生命财产和公共设施安全；新国宾馆至贵族游艇会岸段[岸段Ⅱ，图1(c)]的沙滩持续向海淤进，形成显著的淤积沙嘴；贵族游艇会至印象海南剧场岸段[岸段Ⅲ，图1(d)]海滩退化，滩面蚀低，前滨海滩岩裸露，极大影响假日海滩的滨海旅游休闲质量。由2011—2019年实测岸线变化可见(图2)，受南海明珠人工岛影响，岸段Ⅰ平均侵蚀速率约3.9 m/a，最大侵蚀速率5.3 m/a；岸段Ⅱ平均淤积速率约4.7 m/a，最大淤积速率6.9 m/a；岸段Ⅲ平均侵蚀速率约2.5 m/a，最大侵蚀速率3.7 m/a。

图2 2011—2019年海口西海岸实测岸线变化速率Fig. 2 Change rate of measured shoreline on the west coast of Haikou in 2011-2019数据来源：自然资源部第三海洋研究所。

海口湾全年以风浪为主，风浪占77%～86%，涌浪占14%～23%。风浪以冬季出现最多，其他季节略少。采用验证可靠的区域波浪数学模型[22]，输出外海约20 m等深线处(20°05′19.5″ N，110°14′42.3″ E; 图1)连续1 a逐时的波要素，绘制玫瑰图(图3)分析区域波浪特征。由图可见，研究区海域浪向集中于ENE—NNE之间 (约占38%)，常浪向和强浪向均为NE向，这是影响本研究区海滩泥沙运移与岸线演变趋势的主要动力因素。

图3 海口西海岸海域波浪玫瑰图Fig. 3 Wave rose of the west coast of Haikou

1.2 模型建立与验证

1.2.1 模型介绍 GENESIS模型是基于一线模型开发的岸线变化程序，在国际上已广泛应用于预测岸线的长期演化及岸线对海滩养护工程、海岸构筑物(丁坝、防波堤等)等软、硬工程的响应。

GENESIS模型的控制方程为[23]：

(1)

式(1)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(滩肩高程,m)；DC为存在沿岸输沙的最大深度(闭合水深,m)；q=qs+qo为横向输沙率[离岸输砂+向岸输砂, m3/(m·s)]；Q为沿岸输沙率[m3/(m·s)]，由下式计算。

(2)

式(2)中：H为有效波高(m)；Cg为波群速度(m/s)；下标b表示波浪破碎时的参数；θbs为破波角；无量纲参数a1和a2定义如下。

(3)

(4)

式(3)、(4)中：ρ为海水密度 (kg/m3)；ρs为砂的密度 (kg/m3)；p为砂的孔隙率；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为可调节的两个经验参数，K1取值越大，岸线演变在向岸-离岸方向幅度增大，取值介于0.1～1.0之间；K2对沿岸输沙影响较小，但对构筑物附近的输沙率影响较大，一般取0.5～1.0倍的K1值。

1.2.2 模型设置 GENESIS模型计算前需使用STWAVE计算波浪的近岸传播[24]，STWAVE模型总计有350×600个网格，网格间距为20 m[图4(a)]；GENESIS模型网格与STWAVE网格相匹配，网格数为325，网格间距为20 m[图4(b)]。采用WISPH3将区域波浪大模型[22]输出的20 m等深线处1 a的波浪时间序列(图3)转换到STWAVE模型开边界上，并综合考虑波浪对岸线的有效作用程度与模型计算效率，通过WSAV将开边界波浪资料划分为255个波谱事件，驱动STWAVE波浪场和GENESIS岸线演变计算。

图4 海口西海岸模型网格Fig. 4 Model grid of the west coast of Haikou(a)为STWAVE波浪模型网格；(b)为GENESIS岸线模型网格(图中绿线代表岸线，黑线代表GENESIS网格基线)。

GENESIS模拟的时间步长为1 h；鉴于研究区海滩砂中值粒径介于0.13～0.48 mm之间，考虑后续养护设计，本研究粒径取粗值(0.40 mm)；由于研究区海域极端高水位为2.43 m (+MSL)[22], 考虑一定的波浪爬高，本研究DB取2.5 m；闭合水深DC采用目前国际上应用较为广泛的Birkemeier公式[25]计算。

(5)

式(5)中：He为每年仅超过12 h或只占总时间0.14%的近岸有效波高，对应本研究取值为3.1 m；Te为与He相应的波周期，对应本研究取值为9.06 s；g为重力加速度，取9.81 m/s2。计算得DC为4.73 m，取4.5 m。

1.2.3 模型验证 南海明珠人工岛(外侧围堰)2015年已基本成形，对区域水动力及后方岸滩构成较大影响。自然资源部第三海洋研究所于2015年和2019年分别进行了两次岸线测量。现以2015年岸线为基准，设置不同的K1、K2参数组合，分别模拟4 a(至2019年)，并将模拟结果与实际的岸线演变情况对比。

参数率定结果显示(图5)，K1取值越大，岸线的侵蚀、淤积幅度增大。当K1取1.0、K2取0.5(0.5K1)时，模拟的岸线变化幅度与实测值最为符合，侵蚀热点和淤积区的位置与实测结果一致。在岸段Ⅱ，实测岸线变化存在“双峰”形态，这是由于南海明珠临时施工通道(透水构筑物)对岸滩造成的影响[图1(c)]。综上可见，本研究建立的海口西海岸岸线演化模型的模拟结果与实测结果符合较好，能客观反映人工岛影响下的岸滩冲淤演变过程。

图5 验证工况岸线变化情况Fig. 5 Shoreline changes under verification condition(a)为研究区遥感底图,(b)为模拟与实测岸线变化对比; “+”表示淤积，“-”表示侵蚀；不同颜色实线表示K1、K2不同参数组合对应的岸线变化模拟结果。

2 结果与讨论

2.1 海滩养护后岸线演化数值模拟结果

由上述实测岸线变化与模型验证结果可知，受南海明珠人工岛影响，五源河口至印象剧场岸段存在两个明显的侵蚀热点(岸段Ⅰ和岸段Ⅲ)。初步修复思路为，在侵蚀热点处进行人工补沙，扩大滩肩宽度与干滩面积，通过营造沙滩起到消波阻浪的生态防护功能，并提升滨海旅游休闲空间。岸段Ⅰ和岸段Ⅲ的滩肩补沙宽度均为60 m。采用上述验证有效的岸线演变模型，模拟该方案下的近岸动力环境和10 a后的岸线演变情况。

STWAVE波浪场模拟结果(图6)显示，在NE主波向波浪入射条件下[图6(a)]，近岸有效波高沿主波向与南海明珠人工岛中心的连线对称分布，岛后方波高显著衰减，岛两侧波高相对较大，形成两侧往中间的波能衰减梯度。其余方向波浪入射条件下[图6(b)至(d)]，岛后方波影区位置略有偏移，但一年中的作用时间有限(非主浪向)，同时部分浪向的作用效果存在一定程度的相互抵消(如NW向和E向)。总体而言，人工岛“两侧大、中间小”的波能分布格局没有改变。

GENESIS岸线演变模拟结果(图7)显示，10 a间两处补沙岸段干滩将持续萎缩，但岸段Ⅰ与岸段Ⅲ侵蚀情况却有较大差别，前者10 a最大蚀退超过60 m，后者10 a最大蚀退约20 m；岸段Ⅱ持续淤积，淤积沙体逐年扩大，10 a最大淤进约50 m。需要注意的是，尽管单一的补沙养护措施无法改变人工岛后方岸滩两侧侵蚀、中间淤积的泥沙运移与地貌演变趋势，但是在养护寿命年限内仍然可以起到显著的生态护岸和附加旅游增值效果。此外，岸段Ⅰ与岸段Ⅲ侵蚀的沙物质并未流失，而是区域海滩系统内物质的重新分配过程，超过养护寿命年限可以通过人为干预进行再分配。

图6 STWAVE波浪场模拟结果Fig. 6 Simulated wave field by STWAVE model篇幅有限，仅列出(a)NE(主浪向)、(b)N(次浪向)、(c)NW、(d)E四个方向波浪场。

2.2 讨论

2.2.1 海滩修复后的岸滩演化机制 由上述模拟结果可见，人工岛对修复海滩的影响以“岛后方淤积、两侧侵蚀”为显著特征，且两侧侵蚀热点区的响应幅度存在明显差异(五源河口至新国宾馆岸段的侵蚀幅度显著大于假日海滩岸段)。从动力角度上看，五源河口侵蚀区的波能甚至小于假日海滩侵蚀区[图8(a)]，表明动力非两个岸段侵蚀幅度差异的主导因素。从物源角度上看，由于五源河口对岸滩的阻隔，五源河口西侧的滩砂无法补给东侧的侵蚀热点区，导致该岸段的年净输沙量与输沙梯度较大[图8(b)、(c)]；而假日海滩岸段东侧仍为沙滩，充足的物源补给使得该岸段的输沙量与输沙梯度较小[图8(b)、(c)]。从岸线及近岸地形上看，五源河口至新国宾馆侵蚀热点区的岸线及近岸等深线稍向海突出[图1(a)、图4(a)]，这是该岸段侵蚀量较大的另一个原因。

岸线演变是动力、物源供给、岸线地形共同作用的结果。当主波向垂直于人工岛顺岸长轴[图6(a)]入射时，人工岛两侧岸滩波能分布均衡，侵蚀程度取决于物源供给与岸线形态。当邻近岸段物源供给不足、岸线形态外凸时岸线会有较大的侵蚀幅度。当主波向线与人工岛顺岸长轴斜交时，人工岛两侧岸滩波能分布不一致，侵蚀程度为三者共同作用的结果[15]。

2.2.2 人工岛影响下的海滩修复策略 在人工岛形成的“两侧往中间”的泥沙运移大背景下，单纯通过海滩养护的“软”措施无法从根本上解决人工岛引起的岸滩侵蚀问题，岛两侧填补的泥沙将持续向岛后方输运。当前公众接纳度较高的一种修复对策为：在海滩养护基础上修建潜堤、防波堤等硬式构筑物，降低养护海滩的净输沙率与侵蚀幅度。但这种“软硬结合”的防治措施由于硬式工程的介入，不可避免地会对原本受伤的海岸动力环境造成“二次伤害”。一种新型的修复对策为循环养护，即海滩修复一定年限后，通过人为干预将岛后方淤积的泥沙往两侧侵蚀热点区输运，形成新的动态平衡。国外的养护经验认为，养护海滩的使用寿命(养护后补沙方量流失一半所用的时间)一般为5～7 a[26]，超过寿命期限则需要再养护。本研究海滩养护5 a后岸段Ⅰ的最大蚀退量超过40 m(图7)，剩余干滩宽度不足20 m，可考虑每5 a进行一次循环养护。循环养护的取沙口位于人工岛后方的舌状淤积区(岸段Ⅱ)，沿岸分为两支分别注入两个侵蚀热点区(图9)。结合年净输沙量[图8(b)]可大致估算循环养护的取、输沙方量：岸段Ⅰ的年净输沙量约1.50万m3，5 a流失方量约7.50万m3(需补沙方量)；岸段Ⅲ的年净输沙量约0.24万m3，5 a流失方量约1.20万m3(需补沙方量)；岸段Ⅱ舌状淤积区的取沙方量为二者之和，约8.70万m3。

图7 海口西海岸海滩养护后岸线演变情况Fig. 7 Shoreline changes after beach nourishment on the west coast of Haikou(a)为研究区遥感底图,(b)为模拟岸线变化情况; “+”表示淤积，“-”表示侵蚀。

图8 海口西海岸近岸动力、输沙分布情况Fig. 8 Distribution of nearshore dynamics and sand transport on the west coast of Haikou(a)为近岸有效波高分布，输出波要素位置见图6(a)黑色实线；(b)为海滩养护后第5年的年净输沙量，“+”表示自西向东输沙，“-”表示自东向西输沙；(c)为海滩养护后第5年的年净输沙梯度，“+”表示侵蚀，“-”表示淤积。

图9 海口西海岸循环养护示意图Fig. 9 Sketch map of sand recycling on the west coast of Haikou循环养护周期为5 a；图中箭头表示循环养护的取、输沙方向，岸段Ⅱ取沙方量约8.70万m3，向岸段Ⅰ输沙方量约7.50万m3，向岸段Ⅲ输沙方量约1.20万m3。

人工补沙与循环养护相结合的生态化治理方式正逐渐被公众接受[27]。国外海滩循环养护实践开展较多，常见于突堤、码头等硬式构筑物的修建阻断沿岸输沙造成区域泥沙分配失衡与岸滩侵蚀，通过人为修建输沙管道或卡车周转将淤积区(上游)泥沙输送至侵蚀区(下游)[28-31]。国内海滩养护起步较晚，循环养护尚处于理念阶段，尤其通过修建固定管道输沙的养护实践未见相关报道。海口西海岸人工岛影响下的岸滩综合治理与循环养护实践将为国内相似类型海岸的岸滩修复提供重要的参考与借鉴意义。

3 结论

本研究以海口西海岸为例，针对人工岛建设引起的岸滩侵蚀与泥沙分配失衡问题，建立GENESIS岸线演变模型，探讨人工岛影响下的海滩地貌演化机制，并在此基础上提出了“循环养护”的海滩修复对策。主要结论为：

(1)人工岛对邻近海滩的影响以“岛后方淤积、两侧侵蚀”为显著特征，但海口西海岸南海明珠人工岛两侧侵蚀热点区的响应幅度存在明显差异。五源河口至新国宾馆岸段(岸段Ⅰ)侵蚀更为强烈的主导因素为物源匮乏与岸线形态外凸。

(2)单纯通过人工补沙的“软”措施无法从根本上解决人工岛引起的两侧岸滩侵蚀问题。宜采用“人工补沙”与“循环养护”相结合的系统养护方案，养护后期定期将人工岛波影区淤积的泥沙往两侧侵蚀热点输运，通过人为干预实现岸滩泥沙的合理分配与地貌的动态平衡。