荷蘭人工育灘工程Sand Motor的經驗與啟示

劉大為，王銘晗，宮曉健，胡克

(1.中國地質大學(北京)海洋學院 北京 100083；2.中國地質圖書館(中國地質調查局地學文獻中心) 北京 100083)

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荷蘭人工育灘工程Sand Motor的經驗與啟示

劉大為1，王銘晗2，宮曉健1，胡克1

(1.中國地質大學(北京)海洋學院 北京 100083；2.中國地質圖書館(中國地質調查局地學文獻中心) 北京 100083)

海岸侵蝕已成為砂質海岸重要災害之一，世界各國都致力于海灘防護。荷蘭由于地勢低洼，在護灘工程中進行大量嘗試，于2011年在代爾夫蘭海岸開展創新性人工育灘工程即Sand Motor，單個工程補沙總量達2.15×107m3。持續監測結果顯示，工程建成后的沙灘形態與模擬結果基本吻合，沙量損失速度低于預期。階段性評價結果表明，Sand Motor通過波浪、海流等向海灘緩慢輸沙，穩定海岸沙灘和海岸沙丘，具有防護效果顯著、成本較低、使用壽命長、增加海岸利用等優點，值得我國借鑒。

補沙引擎；人工育灘；沙灘養護；生態修復

在海平面上升、風暴潮頻率增加等自然因素以及人工挖沙、河流水利和海岸工程建設等人為因素的共同影響下，海岸侵蝕已成為世界性的災害之一，許多海灘和沿岸建筑均遭受嚴重破壞，沿海地區大片土地和森林被海水吞噬[1-2]。護灘工程是抵御海岸侵蝕災害的最佳措施[1]，包括丁壩、海堤等抵御侵蝕的“硬工程”和以沙補灘的“軟工程”[3]。近幾十年來，荷蘭和美國逐漸從“硬工程”向人工育灘等“軟工程”轉變[4-5]。實踐證明，人工育灘不僅能擴寬和穩固海灘，還能在海中形成大片灘地[4]。目前我國已在香港、廈門、青島、天津、秦皇島等地實施數十處人工育灘工程，但工程規模小、使用壽命短、單位成本高[1]。本研究介紹荷蘭創新性人工育灘工程Sand Motor的規模、模擬和監測以及階段性評價，以期促進我國人工育灘的理論研究和實踐。

1 Sand Motor工程

20世紀90年代，荷蘭環境公共建設部每年在海岸帶地區填沙600萬m3，以增強砂質海岸功能，2001年后每年填沙量增加至1 200萬 m3[6]。為在增強海岸防護功能的前提下盡可能減少填沙量，并延長工程使用壽命和增加休閑娛樂功能，荷蘭學者通過大膽創新的探索實驗，于2005年首次提出“Sand Motor(或Sand Engine)”的概念[7]，這一項目于2010年獲得荷蘭國家環境影響評價(EIA)許可證[8]。根據其功能和作用，本研究嘗試將“Sand Motor(或Sand Engine)”譯為“補沙引擎”。

補沙引擎工程位于荷蘭南荷蘭省韋斯特蘭市附近的代爾夫蘭海岸、荷蘭角港和斯赫弗寧根之間、距離海牙市向西方向約11 km處(52°3′6.84″N，4°11′0.96″E)(圖1(a))。工程整體形狀為類似鉤子的半島，一端與海岸相連，走向為SW-EN；長約2 km，向海延伸約1 km，面積為128萬m2，總用沙量為2 150萬m3(沙抽取自水深-20 m以外的海域)；共花費7 000萬歐元，于2011年7月完成，是世界首個創新型人工育灘工程(圖1(b))[9-11]。

圖1 補沙引擎

根據研究和模擬，該區域海域水動力條件包括潮汐、波浪和風向3個方面[12]。①海區位于北海南部，潮汐屬于半日潮，最大潮差1.2 m、最小潮差1.0 m；潮汐非常不對稱，落潮時間(8 h 4 min)約是漲潮時間(4 h 21 min)的2倍，漲潮流(向北)強于落潮流(向南)。②海區波候主要受來自SW和N-NW方向的波浪控制，北海中N-NW方向的波浪通常為涌浪，而SW方向的波浪為局部風成波，因此波浪對海岸沿岸影響很小。③海區主要為西南風，風向幾乎與海岸平行，易形成沿岸流，從而影響海岸附近沙的運移；風最主要的影響是產生區域性波浪以及使海平面升高(如風暴潮)。

2 補沙引擎的模擬與監測

Lesser等[12]用最先進的海岸形態動力學數值模型——Delf 3D對補沙引擎建成后20年的時空演化進行模擬(圖2)[9]。工程完成后，用安裝有RTK-GPS和回聲測深儀的水上摩托進行地形和水深監測(精確度為10 cm)，用裝有8個相機的40 m高的監測塔臺每30 min對監測區域進行拍照并定期航拍，監測形態變化。研究者和管理者可通過監測和模擬及時掌握工程的形態及其影響范圍的變化，對工程做出準確評價[9]。

圖2 補沙引擎建成后形態變化模擬結果

2.1 補沙引擎的模擬

圖2顯示出Delf 3D模型對補沙引擎建成后3年、5年、10年、15年和20年形態變化的模擬情況。補沙引擎的寬度將從最初的0.95 km變窄至0.45 km，覆蓋8 km的海岸線，受益的海岸面積約為200萬m2[9]。

補沙引擎工程初始最大寬度為0.95 km，長度為2.4 km(圖2(a))。3年后，長度增加到3.5 km(向南增加0.7 km、向北增加0.4 km)，最大寬度減小到0.8 km；與沿岸平行的沙嘴逐漸向岸彎曲，形成橫向的沙壩；沙壩與海岸之間逐步形成面積為17萬m2的人工潟湖，潟湖通過約50 m寬的水道與北海連通(圖2(b))。3～10年后，波浪和海流將沙逐漸向兩側搬運，最大寬度減少到0.6 km，長度增加到5.2 km(向南增加1.6 km、向北增加1.2 km)，潟湖面積減少到14萬m2(圖2(c)和圖2(d))。15年后，長度增加到8 km(向南增加3 km、向北增加2.6 km)，最大寬度減小到0.45 km，潟湖與北海之間的水道消失(圖2(e))。15～20年后，在補沙引擎北邊形成1個新的水道(圖2(f))[9]。

2.2 補沙引擎的監測

補沙引擎完工后，研究者和管理者對工程進行持續的水深和地形監測。

2012年8月，補沙引擎最大寬度從0.95 km減少到0.84 km，長度從2.4 km增加到3.6 km(向南、向北均增加0.6 km)，總沙量減少約140萬m3，附近海灘沙量增加90萬m3，工程養護效果顯著。補沙引擎北部變化較大，最初與海岸平行的沙嘴尖部向岸彎曲，形成橫向沙壩；沙壩與海岸之間逐步形成20萬m2的人工潟湖，潟湖通過約100 m寬的水道與北海連通。第1年的監測結果基本與模擬結果相吻合，總沙量損失為50萬m3，比預計每年損失值100萬m3少了50%[9]。

2015年12月，補沙引擎最大寬度從2012年的0.84 km減少到0.7 km，長度從2012年的3.6 km增加到4.6 km。補沙引擎北部的沙嘴長約2.5 km、寬約350 m，由于沙嘴的延伸，水道長度增加到2.7 km[11]。

將補沙引擎沙丘底部和水深-10 m之間分為3個部分(半島、北部海灘和南部海灘)，分別統計沙量(圖3)。2011年8月到2015年8月，監測區域內總沙量減少約100萬m3。其中，半島沙量減少約350萬m3，而北部和南部海岸沙量持續增加，分別為165萬m3和85萬m3。這是由于波浪和海流將半島的沙不斷向北部海灘和南部海灘搬運再沉積。2011—2015年監測區域內總沙量損失只占初始總沙量的5%，剩余95%的沙仍發揮著育灘的功能[11]。

①總體；②南部海灘；③北部海灘；④半島。圖3 補沙引擎各組成部分沙體積的變化(2011年8月至2015年8月)

3 補沙引擎階段性評價

2016年9月，來自世界各國的350余位專家在荷蘭召開補沙引擎研討會，發布補沙引擎的階段性評價報告。監測結果表明，補沙引擎超額完成設計時制定的3個目標，即增強海岸防護、增加國土空間和推動海岸管理[13]。

3.1 海岸防護作用

近5年的監測發現，海流將補沙引擎區域內的沙平行于海岸搬運，并在北部海灘和南部海灘沉積下來，工程及周邊區域(4.6 km)海岸線逐步向海推進，海岸防護水平明顯提高[11]。監測區域內只有5%的沙被海浪侵蝕帶走，遠低于預計值(預計4年有20%)，因此補沙引擎的使用壽命可能會超過20年[11]。

補沙引擎還可以間接進行沙丘補沙。西南風將補沙引擎的沙向陸搬運，一部分沉積在潟湖和沙丘湖中，另一部分形成海岸風成沙丘。新形成的沙丘面積約為1萬m2、高度約為2 m，原有沙丘帶高度增加2～3 m、寬度增加20～40 m。雖然潟湖和沙丘湖的存在增加風搬運沙的距離和難度，使得沙丘發育較預期緩慢，但在補沙引擎工程前已有沙丘補沙工程，因此沙丘的緩慢發育不會影響總體海岸防護效果[11]。

3.2 其他作用

補沙引擎增加了代爾夫蘭海岸面積，使得該區域有較高的生態價值和休閑娛樂價值。①從生態角度看，補沙引擎增加工程區域內的環境多樣性和潛在生態價值。補沙引擎形成的海岸-潟湖-沙丘湖的海岸地貌組合為底棲動物、鳥類和魚類提供新的棲息地，已觀察到40種鳥類和海豹等海洋哺乳動物在此活動[11]。②補沙引擎工程形成露出水面的海灘面積為128萬m2，海灘和潟湖為人們提供休閑娛樂空間，吸引大量游客，主要活動為海邊游玩、散步和沖浪等[11]。

3.3 補沙引擎的科學問題

補沙引擎作為創新性的人工育灘工程，提出一些新的跨學科研究課題，其中重點研究主題包括海岸地貌發育和動力機制、破浪帶形態學、風沙搬運速率和海岸沙丘形成過程、人工干預下的淺海區和破浪帶生態學以及大型人工育灘工程的環境影響評價等。因此，補沙引擎對人工育灘理論研究及海岸管理發展有重大推動作用[11]。

4 結論

補沙引擎是人工育灘的創新工程，將補給泥沙拋填在平均低潮位以下和沙丘線之間，形成人工沙壩和海灘，依靠波浪作用將泥沙向岸灘輸移，實現一次補沙、長期受益。5年的實踐和實時監測證明，補沙引擎育灘效果明顯，多年平均用沙量較少，并且有助于海岸沙丘發育，增加生物棲息地和娛樂休閑空間。根據5年階段性評估報告，補沙引擎使用壽命超出預期，可達20年以上。與傳統人工育灘工程相比，補沙引擎具有海岸防護效果顯著、成本較低、使用壽命長、增加海岸利用功能等優點，可為我國人工育灘工程所借鑒。

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Experience and Enlightenment of Sand Motor,an Innovative Beach Nourishment in Netherlands

LIU Dawei1，WANG Minghan2，GONG Xiaojian1，HU Ke1

(1.School of Marine Sciences，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.National Geological Library of China (Geosciences Documentation Center，CGS)，Beijing 100083，China)

Coastal erosion has become one of the most important disasters on sandy coast in the world.Many countries are committed to beach protection,and Netherlands has made a lot of attempts due to its low-lying.In 2011,an innovative beach nourishment,Sand Motor,was implemented with 21.5 Mm3sands in Delfland coast,Netherlands.Monitoring morphology results of August 2015 showed that monitoring results were coincided with model results,and the rate of sand losing in monitoring area was less than expected.In periodical evaluation report of 2016,it was confirmed that wave and current transport sands from Sand Motor to nearby beaches to stabilize the coast,increase space for leisure and nature and improve coastal management.Compared to regular nourishment,Sand Motor has the advantages of significant protection effect,cost-effective,long life span and increase coastal area.It is valuable for China to learn from Sand Motor.

Sand Motor，Beach Nourishment，Beach maintenance，Ecological rehabilitation

2016-12-25；

2017-05-19

中國地質調查局國家海洋地質專項子項目“世界海洋地質調查情報分析與研究”(GZH201500211).

劉大為，博士研究生，研究方向為海岸帶地質環境，電子信箱：ldw861111@163.com

王銘晗，研究實習員，碩士，研究方向為地學情報分析，電子信箱：wangminghan0314@163.com

P75

A

1005-9857(2017)06-0061-05