海床演变对山海关旅游海滩生态修复工程的响应特征

匡翠萍，董博灵，谢华浪，刘建涛

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；3.河北省地矿局第八地质大队，河北 秦皇岛 066001)

滨海沙滩是位于海岸带的一种松散沉积体[1]，是不稳定的海水运动对陆地作用的结果.滨海沙滩凭借独特的景观成为滨海城市旅游业发展的重要驱动力[2].然而，由于受海平面上升[3]、风暴潮频发[4]以及来沙减少[5]等因素的影响，近年来海滩侵蚀不断加剧，海滩面积不断缩小，这严重威胁到滨海旅游城市旅游业的发展.泥沙收支不平衡是引发海滩侵蚀的直接原因[6].引起海滩侵蚀的根本原因可以归结为两大类：一是全球气候变化[7]，二是人类活动[8].全球气候变化引发全球海平面上升和气候异常.Deconto等[9]认为,如果CO2排放量没有削减，海平面上升速度将继续增加.气候异常导致风暴潮的发生强度和发生频率均有所增加[10].作为全球少数几个同时遭受台风风暴潮和温带风暴潮的国家之一[11]，我国的海滩面临更严峻的挑战.人类活动包括在上游修建水坝减少河流入海泥沙[12]、大规模高强度的采沙活动[13]、修筑不合理的海岸建筑物破坏了原有的水动力平衡[14]等，另外滨海旅游业的发展使得旅游海滩承受的压力越来越大[15].针对这一问题，在过去的数十年间提出了许多修复和保护海滩的措施，其中，国内外学者认为合理设计的人工养滩有利于海滩的稳定[16-18].潘毅等[19]针对秦皇岛北戴河西海滩进行的滩肩补沙辅以硬体工程海滩修复措施，模拟预测了工程后的岸线演变.Kuang等[20]在秦皇岛北戴河东海滩采用近岸抛沙养滩，离岸设置潜堤，取得了良好的海滩修复成果.鉴于以上工程实践经验，为了遏制山海关旅游海滩侵蚀、改善旅游环境、保护旅游资源，开展了山海关旅游海滩生态修复工程.

1 工程概况

山海关区隶属于河北省秦皇岛市，位于华北与东北的交界处.凭借长达14 km的海岸线，山海关成为闻名中外的滨海旅游城市.然而由于来沙减少，海域部分岸段滩肩已不复存在，若海滩继续保持侵蚀后退的趋势，沙丘海岸将侵蚀殆尽，滨海旅游产业将受到严重威胁.据此，开展了山海关旅游海滩生态修复工程.海滩修复工程如图1所示，工程区域所在位置见图2.由图可知，工程区域位于石河入海口西侧，整个海域分布有石河南岛、白鹭岛及其连岛路、乐岛等多个岛屿，区域地形较为复杂.工程于2016年10月开始，2016年12月结束，其中，近岸采取滩肩补沙，补沙岸线总长度为2 km，修复后滩肩高程达到1.6 m，沙滩宽度在原有基础上增加30～50 m.参考美国养滩手册和以往该区域的工程经验可知，人工补沙中值粒径一般为原海滩沙的1.0～1.5倍，工程区域海滩沙中值粒径平均值为0.46 mm，故补沙中值粒径为0.46～0.69 mm.低水位以上的滩面设计坡度为1∶10，低水位以下的坡度为1∶100；离岸辅以潜堤减小动力侵蚀作用，两座离岸潜堤分别距岸240 m和350 m，两座潜堤总长300 m，宽均为8.4 m，堤顶高程为-1.0 m.为减小潜堤对海域生态环境的负面影响，选用人工鱼礁块体作为潜堤材质.鱼礁规格为长2.8 m、宽2.8 m、高2.0 m，立柱25 cm，圆孔直径30 cm，潜堤顶面为透空结构.

图1 海滩生态修复工程布置图Fig.1 Layout of beach nourishment

图2 山海关模型网格和测点位置Fig.2 Meshes of Shanhaiguan model and positions of measuring points

工程的建设必然会引起海域泥沙输运和海床冲淤演变的变化，预测工程建设前后泥沙输运和海床冲淤演变的变化特征对于评价工程效果具有重要的意义和价值.为此，采用Delft3D软件建立山海关海域泥沙输运和海床冲淤演变模型，对比分析山海关旅游海滩生态修复工程建设前后的泥沙输运和海床演变响应的变化特征.

2 模型建立

2.1 模型方程

Delft3D是由荷兰Delft水力学研究所开发的一套数值模拟软件包，主要应用于河流、河口、海岸等自由地表水环境地区的二维和三维水流、泥沙、环境等方面的模拟和研究.由于研究区域的水深小于6 m，其垂向尺度远小于平面尺度，本研究采用二维数学模型.

Delft3D泥沙输运基本方程为

(1)

式中:ρ为含沙量;u、v分别为x、y方向的流速;εs,x、εs,y分别为x、y方向泥沙扩散系数；Fs为泥沙净通量.Fs可通过Partheniades-Krone方程计算

Fs=E-D

(2)

E=MS(τcw,τcr,e)

(3)

D=ωsρbS(τcw,τcr,d)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(2)～(7)中:E为冲刷通量;D为淤积通量;M为冲刷系数;ωs为泥沙沉降速度;ρb为近底层平均泥沙浓度;Δzb为近底层泥沙厚度；τcr,e为冲刷临界切应力;τcr,d为沉积临界切应力;τcw为床面切应力.

Delft3D海床冲淤演变通过计算床面泥沙的交换得到床面高程的变化，可以表示为

(8)

式中:sx、sy分别为x、y方向输沙分量;zb为底床高程;εpor为底床孔隙率，一般取0.4.

2.2 模型参数

山海关泥沙输运与海床冲淤演变模型(如图2所示)的边界由3条海域开边界(东边界、南边界及西边界)和1条陆域闭边界(秦皇岛港至山海关造船厂北侧)组成，水动力边界条件由已经建立和验证的秦皇岛波流耦合模型提供.根据相关工程研究经验[21]，泥沙边界条件给定为0～0.01 kg·m-3.临界冲刷切应力取值范围为0.05～0.10 N·m-2；临界淤积切应力取4/9的临界冲刷切应力.初始水位为平均海平面，初始含沙量为0.01 kg·m-3.两座离岸潜堤在数学模型中均概化为长150 m、宽8.4 m、距水面1 m的矩形建筑物，给定潜堤顶面的摩阻系数为0.5，破波系数α为3、β为0.8.

3 模型验证

模型验证采用实际潮流和波浪耦合的动力条件.其中，入射波浪条件采用波浪测站得到的波浪特征值，并考虑实际风场的作用.

3.1 泥沙输运模型验证

2015年9月24日至25日以及2016年10月15日至16日，河北省地矿局第八地质大队于山海关海域测量得到含沙量数据.3个测站201501、201502、201601分布如图2所示.根据已有的含沙量实测数据验证泥沙输运模型，验证结果见图3.由于泥沙测量时段风平浪静，近岸潮流较弱，泥沙浓度极低，海床泥沙处于临界起动状态，很难精确模拟，但模拟泥沙浓度的量级与变化趋势与实测基本一致.

a 2015年9月24日至25日,测站201501

b 2015年9月24日至25日,测站201502

c 2016年10月15日至16日,测站201601

3.2 海床冲淤演变模型验证

2015年12月和2016年9月，河北省地矿局第八地质大队于山海关海域测量得到两次高密度水下地形数据(测量点间距小于3 m).根据两次的测量结果，得到2015年12月至2016年9月的海床冲淤分布，作为海床冲淤演变模型的验证资料.海床冲淤演变的验证结果见图4.由图4可见，模拟和实测得到的冲淤分布规律一致.

3.3 模型效率评价

采用含沙量均值的相对误差评价泥沙输运模型，结果见表1.

表1 模型效率评价Tab.1 Evaluation of model efficiency

a 模拟

b 实测

为了定量评价海床冲淤演变模型，在图4的基础上，选取图中冲淤变化较大的点作为验证分析点，验证分析点的位置如图5所示，海床冲淤演变的相对误差见表1.

图5 海床冲淤验证点位置Fig.5 Validation points of seabed evolution

由表1可得，泥沙输运模型和海床冲淤演变模型的相对误差均在15%以内，可以认为模型模拟值与实测值较吻合.该模型用于模拟实际的泥沙输运与海床冲淤演变具有一定的可靠性.

4 计算结果分析

将验证后的模型用于对比分析山海关旅游海滩修复工程建设前后的泥沙输运与海床演变，预测和评价工程效果.泥沙输运和海床冲淤演变模型均采用实际潮流和波浪耦合的动力条件.其中，入射波浪条件采用波浪测站得到的波浪特征值，并考虑实际风场的作用.

4.1 泥沙输运

图6为工程前后夏季大潮与常浪耦合下的涨潮时均含沙量分布场.从整体上看，石河南岛近岸海域含沙量较大，距岸1 km范围内形成三角状相对高浓度泥沙区，含沙量最高达0.08 kg·m-3.这是由于该区域波向线集中，波能辐聚，而且该区域水深较浅，波浪在该区域集中破碎.`其他海域，泥沙浓度与等深线基本保持平行，近岸泥沙浓度较大，外海泥沙浓度较小.

a 工程前

b 工程后

图6 工程前后夏季大潮与常浪耦合下的涨潮时均含沙量分布场Fig.6 Distribution of average sediment concentration during a flood period under the condition of spring tide and normal wave before and after the restoration project

由图6a可知，工程前唐子寨至白鹭岛之间海域，距岸200 m范围内含沙量均大于0.02 kg·m-3.由于白鹭岛的掩护作用，乐岛至白鹭岛岸段海域的泥沙浓度小于唐子寨至乐岛岸段海域的泥沙浓度.由图6b可知，工程后唐子寨至白鹭岛之间海域，距岸200 m范围内含沙量均小于0.02 kg·m-3.由于养滩工程后滩面高于海平面，唐子寨至白鹭岛之间的部分海域泥沙浓度为零.

图7为工程前后夏季大潮与常浪耦合下的涨潮时均含沙量差值场.由于工程后近岸补沙使得滩肩高程增大，加之近岸高程的改变引起波浪破碎带位置的改变，近岸沙滩受到的侵蚀作用大幅减小，不再为周围海域提供泥沙，故工程引起了近岸区域泥沙浓度的减小，减小幅度随离岸距离的增大而增大.其中，乐岛至白鹭岛岸段由于处在人工岛和离岸潜堤的掩护区内，近岸泥沙浓度减小幅度较大，含沙量减小大于0.030 kg·m-3.唐子寨至乐岛岸段由于缺乏人工岛和离岸潜堤的掩护，近岸泥沙浓度减小幅度小于乐岛至白鹭岛岸段，含沙量最大约减小0.025 kg·m-3.

图7 工程前后夏季大潮与常浪耦合下的涨潮时均含沙量差值场(工程后减工程前)Fig.7 Distribution of average sediment concentration change during a flood period caused by the restoration project under the condition of spring tide and normal wave

4.2 海床演变

图8为工程前后海床1年、2年、5年、10年冲淤变化.图中正值表示淤积，负值表示冲刷.由图8可知，由于工程建设仅在近岸海域引起一定的冲淤演变变化，工程前后工程海域远海区域均处于整体轻微淤积、局部存在冲刷的状态.工程前，唐子寨至乐岛岸段由于缺乏掩护，近岸海域冲刷较为严重，前方100 m范围内普遍处于冲刷状态，1年的冲刷深度为0.05～0.30 m，2年的冲刷深度为0.07～0.40 m，5年的冲刷深度为0.10～0.60 m，10年的冲刷深度为0.20～0.80 m.乐岛至白鹭岛岸段由于白鹭岛的掩护作用，处于部分区域冲刷、部分区域淤积的冲淤平衡状态，1年的冲刷深度和淤积厚度均为0.05～0.15 m，2年的冲刷深度和淤积厚度均为0.07～0.20 m，5年的冲刷深度和淤积厚度均为0.10～0.30 m，10年的冲刷深度和淤积厚度均为0.20～0.40 m.也就是工程后第1年的冲淤变化最大，然后逐年减少.工程后，唐子寨至乐岛岸段由于近岸高程增大，波浪破碎带迁移，近岸海域冲刷几乎为零；乐岛至白鹭岛岸段由于白鹭岛和离岸潜堤的双重掩护作用，处于冲淤变化基本为零的冲淤平衡状态.

图9为工程前后海床1年、2年、5年、10年冲淤变化的差值场.由图9可知，工程的建设大大减小了近岸海域的冲刷深度.唐子寨至乐岛岸段的减小幅度较大，离岸100 m内1年的冲刷深度减小幅度为0.02～0.20 m，2年的减小幅度为0.03～0.30 m，5年的减小幅度为0.05～0.40 m，10年的减小幅度为0.07～0.50 m.乐岛至白鹭岛岸段的减小幅度小于唐子寨至乐岛岸段，1年总体的减小幅度为0.04～0.16 m，2年的减小幅度为0.06～0.25 m，5年的减小幅度为0.08～0.30 m，10年的减小幅度为0.10～0.40 m.也就是工程后第1年的冲淤变化幅度最大，然后逐年减少.

a 工程前(1年)

b 工程后(1年)

c 工程前(2年)

d 工程后(2年)

e 工程前(5年)

f 工程后(5年)

g 工程前(10年)

h 工程后(10年)

b 2年

c 5年

d 10年

5 结论

基于Delft3D建立了山海关泥沙输运与海床演变模型，并通过泥沙浓度和海床冲淤演变实测资料与模型计算值的对比，论证了模型的可靠性，基于该模型对比分析了工程前后的山海关海域泥沙输运和海床冲淤演变的变化特征，得到以下结论：

(1)工程引起了近岸区域泥沙浓度的减小，减小幅度随离岸距离的增大而增大.乐岛至白鹭岛岸段悬沙浓度减小幅度较大，含沙量减小幅度大于0.03 kg·m-3；唐子寨至乐岛岸段岸含沙量减小幅度小于乐岛至白鹭岛岸段，最大减小幅度约为0.025 kg·m-3.

(2)工程建设前工程海域的侵蚀较为严重.唐子寨至乐岛岸段前方100 m范围内普遍处于冲刷状态；乐岛至白鹭岛岸段处于部分区域冲刷、部分区域淤积的冲淤平衡状态.工程建设后，唐子寨至白鹭岛的近岸海域冲刷几乎为零，工程的建设大大减小了近岸海域的冲刷深度.唐子寨至乐岛岸段和乐岛至白鹭岛岸段的近岸海域冲淤变化幅度第1年最大，然后逐年减少.

(3)工程建设有效地保护了工程掩护区内的海滩，减小了海滩的侵蚀，取得了一定的工程效果.