北戴河新區沙壩工程后海灘演變預測

顧杰，王佳元，馬悅，匡翠萍，張甲波

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海市水利工程集團有限公司，上海 201612；3.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；4.河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島 066003）

北戴河新區沙壩工程后海灘演變預測

顧杰1，王佳元2，馬悅3*，匡翠萍3，張甲波4

（1.上海海洋大學海洋科學學院，上海 201306；2.上海市水利工程集團有限公司，上海 201612；3.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；4.河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島 066003）

通過對北戴河新區洋河-葡萄島岸段剖面監測資料的分析，得到該段海灘沙壩建設前的演變特征。基于水動力和地形資料，采用GENESIS數值模型建立該岸段的岸線演變模型，使用實測的剖面資料進行驗證，并預測了沙壩工程建成后3個月、6個月、1 a、5 a和10 a的岸線演變。結果表明：沙壩建設及剛完成期間，海灘迅速增寬，后經季節變化調整，1 a逐漸形成新的動態平衡；長期來看，岸段總體呈現東沖西淤的狀態，趨于平直。

人工養灘；人工沙壩；GENESIS模型；岸線演變

0 引言

北戴河新區于2006年12月設立，隸屬秦皇島，位于最具發展潛力的環渤海經濟圈中心地帶，擁有中國北方最優質的沙灘海水浴場以及中國最美八大海岸之一的黃金海岸，是全國不可多得的“鉆石級”開發寶地。然而長期以來由于入海泥沙減少以及不當的人類活動，海灘侵蝕退化問題日益嚴重[1]，亟需實施修復工程以遏制新區海灘的持續蝕退，改善海灘的親水性，促進北戴河濱海旅游業的可持續發展。

傳統防治海岸侵蝕的方法主要利用“硬性工程”（丁壩、離岸堤和海堤等），通過改變水動力特征，減少泥沙流失，達到防沖促淤的效果[2]。但不合理的工程不僅不能達到養灘的目的，還會造成當地生態系統失衡[3]，在此背景下“軟性工程”（海灘養護或人工養灘）應運而生。美國于1922年最早在紐約的科尼島探索了海灘補沙養護措施[4]，后歐盟國、日本也相繼開展海灘養護工程[5-6]。我國起步較晚，始于20世紀90年代香港的補沙工程，隨著旅游業的發展，大連、三亞、廈門、北戴河等地也進行相關研究與工程實踐[7-8]。目前，人工養灘常用灘肩補沙和近岸沙壩兩種形式，其中近岸沙壩一方面發揮潛堤的作用，消減波能，另一方面可作為沙源補充海灘，同時可成為疏浚工程的排沙途徑。各國實踐表明海灘養護不僅可以用于侵蝕岸段的應急處理，還能對海岸起到長期的保護作用。結合國內外養灘經驗，新區政府決定在洋河-葡萄島岸段進行人工養灘，綜合灘肩補沙與水下人工沙壩兩種方式，并利用后建成的海灘西側的葡萄島和東側的游艇碼頭作為防護岬頭，形成人工岬灣。

本文采用 GENESIS（Generalized Model for Simulating Shoreline change）軟件建立洋河-葡萄島岸線模型，通過測量資料驗證后，預測并分析了養灘工程建設后10 a內的岸線演變，進而評價了改養灘工程的效果。

1 工程概述

北戴河新區洋河-葡萄島岸段位于新區東北部，洋河口與葡萄島之間，地理坐標位置為北緯39°45′14″，東經119°22′35″—119°24′14″，屬于正規日潮區。北戴河測站多年波浪統計資料表明：該海域波浪總體較小，S向波浪出現頻率最高，E向波浪出現頻率次之；對平均波高大于2 m的波浪，波向主要集中在NNE—ENE。分析沙壩工程建設當年（即2014年）的波浪資料，結果顯示：有效波高小于0.5 m的波浪占93.14%，波高在0.5～ 1.0 m的波浪占6.71%，波高在1.0～1.5 m的波浪占0.15%，未測到大于1.5 m的波浪；SSE向波浪出現的頻率最高（約27.49%），SE向次之（約27.14%），E向至SW向之間共占97.89%。

西側的葡萄島和東側的洋河口游艇碼頭可作為人工岬頭，與海灘構成一種靜態平衡岬灣形式，利于創造相對穩定的海岸（圖1）。總建設內容包括灘肩補沙、人工沙壩、人工沙丘以及濱海景觀廊道4個部分，其中人工養灘部分為前兩者的結合。灘肩補沙的整治岸線長約4 km，修復后灘肩高程達到2 m以上，沙灘寬度在原有基礎上平均增加30 m，灘肩均為小于1∶100的緩坡形式；客砂的中值粒徑介于0.19～0.41 mm，養灘剖面為交會型剖面（圖2）。在離岸400 m處吹填人工沙壩，沙壩總長約3.5 km，寬約50 m，壩頂高程為-0.9 m。灘肩補沙工程進行較早，于2011年年底完成，沙壩工程于2014年10—11月進行，如圖1自西向東沙壩長度依次為404 m、440 m、510 m、590 m，間距依次為330 m、360 m、350 m。

圖1 北戴河新區洋河-葡萄島岸段養灘工程Fig.1 Beach nou rishment project at Yang River-Putao Island coast in New District,Beidaihe

圖2 養灘工程剖面圖Fig.2 Profile of the beach nourishm ent project

2 海灘特征

自2013年8月—2015年9月，共進行了6次海灘剖面的監測，10個監測剖面分別位于整治岸線的兩端，沙壩后和沙壩之間（見圖1所示）。測量的典型剖面形態如圖3所示，并計算出高程-0.8 m以上灘肩灘面區域的月平均單寬侵淤量如表1所示。

圖3 監測剖面變化Fig.3 Evolutions of the observed profiles

表1 監測剖面不同時期月平均單寬侵淤率Table 1 Profile erosion/deposition rate per w idth per month during different periods m3（/m·月）

沙壩修建前，P10剖面淤積最快，月平均單寬淤積率為1.89 m3/（m·月），P6剖面侵蝕最快，月平均單寬侵蝕率為1.33 m3/（m·月）；整個海灘的月平均單寬淤積率僅為0.11 m3/（m·月），泥沙運動主要為縱向的沿岸輸移。沙壩修建期間，在離岸處出現新沙源，引起新的泥沙橫向運動，除P4、P5剖面略有侵蝕外，短期內各剖面均呈淤積狀態，整個海灘的淤積率為2.22 m3/（m·月）。沙壩修建后的前3個月內（2015年1—3月），處于冬季風浪較大時期，各剖面侵淤變化劇烈，灘肩和灘面侵蝕，侵蝕率達1.16 m3/（m·月），P8剖面淤積率達3.47 m3/（m·月），而P10剖面的侵蝕率達5.95 m3/（m·月）。建成后的3～6個月（2015年4—6月），在春夏季涌浪作用下，各剖面呈現不同程度的淤積。沙壩建后6～9個月（2015年7—9月）內，沖淤剖面數量相當；9月6日出現了一次較大的風暴潮，使海灘總體上呈小幅度侵蝕。

取平均水位0線作為岸線進行平面分析（如圖4，縱坐標為正表示侵蝕，為負表示淤積），發現岸線的侵淤變化與剖面的侵淤變化并不完全一致，即剖面上的部分侵淤發生在灘肩或平均海平面以下，而岸線的變化卻并未反映出這部分侵淤（參考圖3（d））。沙壩建設前自然狀態下岸線侵淤速率大多<1 m/月。沙壩建設期間除個別岸段岸線略有侵退外，岸線整體朝海推進，平均淤積速率為0.81 m/月。沙壩建設后3個月，灘肩灘面被冬季大浪沖刷，岸線大幅后退，岸線平均侵蝕速度達2.16 m/月；建成后的3～6個月岸線繼續向陸后退，平均速率為0.70 m/月，而在該時段剖面整體呈現淤積狀態，說明淤積并非位于平均海平面附近位置。建成后6～9個月，屬風暴潮、大浪多發期，岸線和剖面均發生侵蝕，岸線侵蝕速率為0.47 m/月。隨著時間推移，岸線侵淤速率逐漸減小。

圖4 岸線不同時期侵淤速率Fig.4 Shoreline erosion/deposition rate in different periods

3 GENESIS岸線模型

GENESIS是基于一線理論所開發的模擬海岸長期變化的模型[9]，在大量工程應用中逐步完善成熟，近年來廣泛應用于模擬岸線的長期演變，預測岸線對海岸建筑物和人工養灘的響應等[10-11]。

GENESIS系統的控制方程即一線模型的控制方程：

式中：x為沿岸線方向；y為垂直岸線方向；DB為海水所能到達的最大高程；DC為存在沿岸輸沙的最大深度；q=qs+q0為橫向輸沙率（離岸輸沙+向岸輸沙）；Q為沿岸輸沙率，計算公式如下：

式中：H表示波高；Cg表示波群速度；下標b表示波浪破碎時的參數；θbs表示破波角；a1和a2為2個無量綱參數。

式中：ρs為沙密度；ρ為海水密度；p為沙孔隙率；tanβ為海灘平均坡度；1.416為有效波高向均方根波高的轉化系數；K1、K2為可調節的2個經驗參數，可根據模擬結果進行調整。

4 模型建立與驗證

4.1 模型建立與參數選取

基于GENESIS模型建立岸線演變模型，模擬區域地形數據由實測資料所得。本次養灘工程涉及的海灘及周圍的人工岬灣海岸地形條件較為復雜，為了恰當還原實際條件，本次建模對模擬區域及其周圍的海岸進行了細致的概化：圖1中洋河口游艇碼頭概化為突堤，葡萄島連接岸灘的棧道概化為突堤。使用Mapinfo取出圖中所有突堤的位置坐標，然后將相應的概化后的構筑物加入到岸線演變模型中。

本次數值模擬采用的波浪資料為北戴河測站2013年9—12月以及2014年3—11月的實測波浪資料。經反復率定和調整，最終選取經驗參數，K1=0.8，K2=0.4，閉合水深DC=7 m，灘肩高度DB=2 m，平均粒徑D50=0.3 mm。

4.2 模型驗證

岸線演變模型采用2013年8月—2014年9月10個剖面的實測數據進行驗證。圖5為模擬結果與實測數據的對比，模擬岸線侵淤變化趨勢與實際狀況基本一致，呈現出工程區岸線東沖西淤的特點。

圖5 工程實施前岸線演變模型驗證Fig.5 Verification and sim ulated shoreline evdution before the im plementation of engineering

5 養灘工程效果預測

使用驗證的GENESIS模型對養灘工程后10 a內的岸線演變進行模擬。以2014年12月灘肩補沙和人工沙壩均完成后的岸線作為初始岸線；依據潛堤的計算公式估算和岸線測量數據對模型反復率定，將4個沙壩概化為透射系數為0.83的離岸堤；其余參數與率定后的模型一致。圖6為養灘工程實施后3個月、6個月、1 a、5 a和10 a的岸線模擬結果，虛線為初始岸線，離岸1 300 m處為4個沙壩。

圖6 養灘工程實施后10 a內岸線演變模擬結果Fig.6 Prediction on shoreline evolution w ithin 10 a after beach nourishment project

3個月后，西側3 000～4 000 m岸段和東側400 m內岸段出現少量淤積；由于養灘的側向擴散效應會導致凸岸蝕退，其上下游的相對凹岸淤積，直至平衡[12]，岸線800 m和2 800 m處屬于相對凸岸且位于兩沙壩之間，侵蝕嚴重，分別蝕退13 m和18 m；其余岸段無明顯侵淤變化。在3個月至1 a內，200 m和800 m處分別有明顯的淤積和侵蝕現象，3 000～4 000 m之間的岸線略有淤積，平均淤進6 m。養灘工程10 a后，岸線最東段在游艇碼頭的保護下發生持續淤積；但500～ 4 000 m處岸段（實際測量岸段）總體仍呈現東沖西淤的規律，3 000～4 000 m處岸線大幅向海推進，葡萄島處岸線淤進最大，可達120 m；可以認為是500～3 000 m岸段受侵蝕，泥沙沿岸向西輸運所致，其中800 m和2 800 m處仍是侵蝕最嚴重的區域，其余岸段普遍侵蝕15 m。

岸線侵淤速度在沙壩建成后的前半年最大，隨著新的動態平衡出現逐漸變小（500～3 000 m岸段的侵蝕速率在測量的5個階段分別為-0.55 m/月、-0.54 m/月、-0.36 m/月、-0.20 m/月、-0.13 m/月），總體演變趨向于平直。在原有近岸建筑物（人工岬頭）的基礎上，通過人工沙壩的作用，使500～3 000 m侵蝕岸段的岸線在10 a后平均后退23 m，小于灘肩補沙增加的平均寬度30 m，說明整體的養灘工程有一定的效果。此外，800 m和2 800 m處侵蝕較嚴重，建議在養灘工程服役后期進行適當的補沙。

6 結語

本文首先通過分析洋河-葡萄島岸段詳細的剖面測量資料，得到剖面和岸線演變特征，然后依據水動力和地形測量資料，利用GENESIS軟件建立工程區海域岸線演變模型，模型驗證后模擬了沙壩建成后海灘3個月、6個月、1 a、5 a和10 a的岸線演變。

結合實測資料和預測結果，反映出洋河-葡萄島岸段在自然和工程狀態下的演變規律。沙壩建設前即葡萄島和游艇碼頭以及灘肩補沙完成的情況下，海灘剖面月平均單寬侵淤率和岸線侵淤變化均較小，泥沙運動主要為縱向的沿岸輸移。沙壩建設及剛完成期間，由于大量松散沙的補充，在較弱的水動力條件下，海灘迅速增寬，表現為-0.8 m以上剖面和岸線均呈淤積狀態。沙壩建成后9個月內，海灘剖面季節變化顯著，但剖面和岸線的侵淤率逐漸變小，1 a后將逐漸形成新的動態平衡。模型預測岸線演變表明，實際測量岸段總體呈現東沖西淤的狀態，岸線侵淤速度在沙壩建成后的半年最大，然后逐漸變小，總體岸線演變有向著平直岸線發展的趨勢。

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Prediction on shoreline evolution after bar nourishment project at New District,Beidaihe

GU Jie1，WANG Jia-yuan2，MA Yue3*，KUANG Cui-ping3,ZHANG Jia-bo4
（1.College ofMarine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai201306,China;2.Shanghai Hydraulic Engineering Group Co.,Ltd.,Shanghai201612,China；3.Departmentof Hydraulic Engineering,College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China;4.Qinhuangdao MineralResource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau,Qinhuangdao,Hebei066003,China）

Based on the analysis of profile measurements at Yang River-Putao Island coast at New District,Beidaihe,we obtained the natural evolution characteristics before the bar nourishment.A shoreline evolution model is established for the beach using GENESIS according to the observations of hydrodynamic and topography and verified against the shoreline data. Predictions on the shorelines after the bar nourishmentare conducted by the model in terms of3 months,6 months,1 a,5 a and 10 a.Conclusions can be gained that the beach quickly increased in width during the construction period and after the bar nourishment then adjusted to the seasonal variations of hydrodynamic,and finally reached to a new equilibrium state in 1 a.In general,the shoreline appears as erosion in eastpartand deposition in westpartand tends to straightness.

beach nourishment；bar nourishment；GENESIS；shoreline evolution

U652.4；U714.7

A

2095-7874（2016）11-0005-06

10.7640/zggw js201611002

2016-05-31

2016-08-18

中央分成海域使用金項目（QHY-12）

顧杰（1961— ），男，江蘇興化人，教授，博士，主要研究方向為海洋動力與環境。

*通訊作者：馬悅，E-mail：mayue_mavis@tongji.edu.cn