濱海城市人工沙灘選址、規(guī)劃與平面布置探討

徐敏

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

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濱海城市人工沙灘選址、規(guī)劃與平面布置探討

徐敏

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

針對(duì)濱海城市人工沙灘的理論及技術(shù)的層面展開研究，包括天然砂質(zhì)岸灘的平衡平面理論、人工沙灘的選址原則，以及規(guī)劃與平面布置設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出了不同岸線形態(tài)下人工沙灘的布置方法以及平衡形態(tài)驗(yàn)證方法，為城市環(huán)境景觀規(guī)劃階段進(jìn)行人工沙灘規(guī)劃、布置設(shè)計(jì)提供參考。

人工沙灘；選址；規(guī)劃

0 引言

碧海金沙是優(yōu)美的環(huán)境景觀資源，也是相對(duì)稀缺、寶貴的自然資源。我國(guó)海岸線綿長(zhǎng)，擁有幾乎所有類型的海岸，沿海、濱海城市眾多，但由于海岸環(huán)境的條件差異，多數(shù)濱海城市缺乏天然的砂質(zhì)海灘。人工沙灘既是發(fā)展濱海旅游業(yè)的有利途徑，同時(shí)也是防止海岸侵蝕、維持海岸動(dòng)態(tài)平衡、順應(yīng)海岸自然規(guī)律的有效手段。從國(guó)外營(yíng)造人工沙灘經(jīng)驗(yàn)來看，隨著濱海旅游事業(yè)的不斷發(fā)展和我國(guó)對(duì)海洋資源保護(hù)的重視，人工沙灘及沙灘養(yǎng)護(hù)將成為海岸工程的重要內(nèi)容之一。

海灘是海岸帶中的一個(gè)重要地貌單元，是近岸波浪活動(dòng)頻繁的地帶，從動(dòng)力機(jī)制方面來解釋，海灘的侵蝕、堆積有其自然規(guī)律，主要是指海灘在激岸浪作用下灘面物質(zhì)的搬運(yùn)、沉積，以及各方向的動(dòng)態(tài)平衡。人工沙灘的基本原則就是基于選擇、創(chuàng)造一個(gè)具有保持近似于動(dòng)態(tài)平衡的動(dòng)力環(huán)境；而天然沙灘的修復(fù)、養(yǎng)護(hù)也是人工沙灘營(yíng)造技術(shù)的范疇。

海岸的天然形態(tài)及類型的形成是和海岸組成物質(zhì)與海岸動(dòng)力條件相適應(yīng)的，簡(jiǎn)而言之即是淤泥質(zhì)海岸、砂質(zhì)海岸的存在必然有其相適應(yīng)的物質(zhì)來源以及沉積動(dòng)力。在原本無砂質(zhì)海岸分布的海岸上構(gòu)建人工沙灘，并使其能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持平衡，是把長(zhǎng)期適應(yīng)的海岸剖面改造成一個(gè)與原有動(dòng)力不相適應(yīng)的物質(zhì)組成的剖面，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。

我國(guó)目前沿海城市濱海岸線規(guī)劃層面中所謂的人工沙灘往往僅是一個(gè)粗略的概念，沒有針對(duì)沙灘的選址適應(yīng)性作出評(píng)價(jià)，甚至出現(xiàn)在完全不合理的位置設(shè)置沙灘的情況[1-9]。

1 天然沙灘平衡平面型態(tài)

人工沙灘的構(gòu)建首要前提是要在選址和布局上，盡量使所構(gòu)建的人工沙灘符合砂質(zhì)岸灘所能存在的天然平衡狀態(tài)。

天然海岸發(fā)育過程中，如果沿岸沒有基巖出露，并且泥沙供給不是很充足，在常年優(yōu)勢(shì)浪向的波浪的作用下，形成的一種主要與波浪動(dòng)力及其一定的沿岸輸沙率相適應(yīng)的穩(wěn)定的海岸類型。通常岬角后的海岸形成弧形，遠(yuǎn)離岬角的下方海岸呈與常行波浪垂直的切線形，即這類海岸在演化過程中，最終在平面上表現(xiàn)出弧形或曲線的形態(tài)。

自20世紀(jì)中葉以來，不少國(guó)外學(xué)者對(duì)岬灣弧形海岸進(jìn)行了研究，該類曲線或弧形的海岸形態(tài)常被冠以成許多不同的名稱，這種有許多名詞，如：ζ形弧線、半心臟形海灣、岬灣海灘、對(duì)數(shù)螺線形海灘、弧形或鋸齒狀、鉤狀海灘和口袋狀海灘等等。它們都有著共同的特征：通常其弧形有明顯的遮蔽段和切線段，呈不對(duì)稱狀態(tài)。灣頂遮蔽段為相對(duì)侵蝕岸段，特征是向內(nèi)凹進(jìn)，靠近其一側(cè)的岬角為上岬角，海灘較寬，坡度較緩，趨于“消散型”海灘性質(zhì)；偏向下波側(cè)方向的切線段為相對(duì)堆積岸段，岸線平直且海灘坡度較陡，為趨于“反射型”海灘性質(zhì)。

研究者們通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析及模型研究的結(jié)果等提出“擬合”平衡的弧形海岸岬間岸線的數(shù)學(xué)方法，其中有三種最主要的模式（方程組），分別是：對(duì)數(shù)螺線模式(Yasso,1965)，拋物線模式(Hsu and Evans,1989;Silvester and Hsu 1993)，雙曲切線模式(Moreno and Kraus,1999)等，此類模型的提出為研究岬間海灣的平面平衡規(guī)律提供了一種嶄新的思路。其中拋物線海灣形態(tài)方程自提出之后，經(jīng)過十多年的發(fā)展，取得了海岸研究及工程學(xué)界的認(rèn)同及采用，并被美國(guó)陸軍海岸工程研究中心列入《海岸防護(hù)手冊(cè)》，見圖1。

圖1 岬灣弧形海岸示意圖

砂質(zhì)弧形海岸形態(tài)通常是一個(gè)遠(yuǎn)離岬角的距離衰減函數(shù)，是波能、海灘泥沙粒徑、海灘坡度及其泥沙供給等諸多因素共同作用。砂質(zhì)弧形海岸及其海灘面通過對(duì)入射波浪以及其攜帶的泥沙進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，最終使得斜向入射的主浪向與破波波峰線成一定的夾角，且波能流所造成的沿岸輸沙量與岬灣上游來的來沙量一致，構(gòu)成一種動(dòng)態(tài)平衡。

2 人工沙灘的選址原則

本文所指“人工沙灘”，不包括全封閉式的內(nèi)沙灘。

在海岸上規(guī)劃建設(shè)人工沙灘，必須首先了解工程岸灘附近的地理環(huán)境、潮流特征、風(fēng)況、波浪特征、地質(zhì)及泥沙（沉積物）條件和天然岸灘沖淤變化。

在砂質(zhì)海岸、或原本沒有沙灘分布的基巖質(zhì)海岸、離岸人工島等水深較大的海岸類型，建設(shè)人工沙灘通常需要掌握的問題是大風(fēng)浪氣象條件下沙灘的侵蝕和養(yǎng)護(hù)問題。

而在淤泥質(zhì)海岸，更需關(guān)注考慮的是人工沙灘的“泥化”問題，或“沙泥分界線”位于什么高程問題。首先要了解淤泥質(zhì)海岸能夠存在沙灘的條件，以此做為人工沙灘選址的前提原則：

（1）當(dāng)?shù)卮嬖谟幸欢◤?qiáng)度且波向又相對(duì)比較集中的波浪條件；

（2）當(dāng)?shù)卮嬖诎夹涡『常瑸晨诜ㄏ蚺c強(qiáng)波浪比較一致；

（3）凹形海灣灣口外有足夠大的水深，使沙灘外海域挾沙力較低，并減少沙灘上細(xì)顆粒泥沙來源；

（4）凹形海灣灣口外有足夠大的水深，使沙灘區(qū)波浪較強(qiáng)，水體中細(xì)顆粒泥沙不易沉積，避免發(fā)生“泥化”現(xiàn)象。

其中（1）要求自然滿足；（2）可通過適當(dāng)?shù)暮０豆こ蹋ǘ位蝾愃频尼到枪こ蹋┑玫綕M足；（3）、（4）則需通過必要的清淤工程得到滿足。

3 人工沙灘的平面規(guī)劃、設(shè)計(jì)

3.1 前期近岸動(dòng)力分析

天然沙灘在波浪作用下，近岸區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)主要形式為破波區(qū)內(nèi)的沿岸輸沙（縱向輸沙）和近岸區(qū)的向-離岸輸沙（橫向輸沙）。平面形態(tài)與沿岸輸沙關(guān)系更密切，一般情況下，人工沙灘以及控制建筑物平面布置方案主要取決于當(dāng)?shù)乜刂菩灾鞑ㄏ蛞约安ɡ俗饔靡鸬乃椴▍^(qū)沿岸輸沙運(yùn)動(dòng)。

（1）控制性合成波向角

為了減少沙灘沿岸輸沙造成的損失，根據(jù)弧形砂質(zhì)海岸平衡平面形態(tài)理論，在規(guī)劃設(shè)計(jì)人工沙灘岸線平面時(shí)，應(yīng)盡量使岸線走向與控制性波向相垂直，為此需要通過實(shí)測(cè)波浪資料推算作用于擬建人工沙灘岸灘的控制性合成波向角。

控制性合成波向角可運(yùn)用《海港水文規(guī)范》規(guī)定公式進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：Hi為各級(jí)波浪平均波高；Pi為各級(jí)波浪出現(xiàn)頻率；αi為各級(jí)波浪波向線與岸線夾角。

（2）沿岸輸沙計(jì)算

目前估算沙質(zhì)海岸沿岸輸沙率，主要采用波能流法或沿岸流法。由于波能流法（CERC）形式簡(jiǎn)單，物理圖像清晰，且具有一定的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證，應(yīng)用較為廣泛。

式（2）為用波能流法計(jì)算沿岸輸沙率的典型公式。

（3）確定岸線走向

進(jìn)行人工沙灘布置時(shí)，應(yīng)根據(jù)盡量所計(jì)算的控制性合成波向，使岸線走向與其相垂直，這是首要必須滿足的條件，否則必然會(huì)導(dǎo)致人工沙灘建設(shè)或補(bǔ)沙工程實(shí)施后，出現(xiàn)不平衡的泥沙沿岸單向凈輸移或沖淤不平衡情況，見圖2。

圖2 人工沙灘岸線走向應(yīng)與控制性合成波向垂直

3.2 岸線平面形態(tài)設(shè)計(jì)

天然沙灘平面上基本均呈內(nèi)凹形態(tài)，因此人工沙灘平面布置首先為擬建沙灘創(chuàng)造這一符合自然規(guī)律的“基本條件”。最優(yōu)情況是選擇波能條件合適的天然內(nèi)凹形態(tài)岸線。

3.2.1 具備天然內(nèi)凹形態(tài)岸線

如規(guī)劃布置的人工沙灘岸線具備天然內(nèi)凹形態(tài)，則直接可通過平衡岸線模式判定岸線是否處于平衡狀態(tài)，或判定實(shí)施人工沙灘后的岸線是否符合平衡狀態(tài)。

一般而言，需建造人工沙灘或需要進(jìn)行補(bǔ)沙的天然沙灘大多不滿足平衡平面岸線形態(tài)，此時(shí)可通過人工岬角的改造，或建造防波堤等措施，改變現(xiàn)狀的波浪入射條件，為建造后的人工沙灘提供一個(gè)合適的動(dòng)力環(huán)境，以維持沙灘動(dòng)態(tài)平衡。

岬角通常以突堤（較短）或防波堤（較長(zhǎng)）的形式出現(xiàn)，其軸線通常布置與主波向相垂直，實(shí)際上人工布置岬角是一種介于丁壩與離岸堤之間的一種布置形式。人工岬角布置的目的，是為在兩岬角（下岬角可為垂直段岸線）之間，形成與當(dāng)?shù)夭ɡ藯l件下沿岸輸沙量相適應(yīng)的、具有一定平面曲線形狀的人工岬灣。由于人工岬角的位置大多位于原來天然岬角位置，其建造后不會(huì)攔截上游來沙，因此通常不會(huì)加劇下游岸灘的侵蝕。一般岬角之間的距離，可稍大于丁壩群的間距，如一些實(shí)際工程中采用的岬角間距約為其長(zhǎng)度的4倍。

人工岬角措施用于海岸防護(hù)是一種較新的措施，它的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)比丁壩和離岸堤要少，因此可通過天然砂質(zhì)弧形岸線的平衡平面理論來進(jìn)行分析判定，以確定人工岬角的建造位置以及長(zhǎng)度。巴西Porto Beach為海岸防護(hù)而修建的岬角防波堤見圖3。

圖3 修建防波堤后的前靜態(tài)平衡海灣形態(tài)（Porto Beach）

3.2.2 不具備天然內(nèi)凹形態(tài)岸線

出于其它的原因，往往在規(guī)劃建設(shè)人工沙灘的場(chǎng)址中，存在岸線均規(guī)劃成外凸形態(tài)，或接近直線形態(tài)。此種岸線形態(tài)對(duì)人工沙灘的平面布置并不理想，難以保證全段岸線與控制性合成波角相垂直，容易導(dǎo)致沙灘泥沙的流失。

為了解決這一問題，有兩種途徑可以考慮：

（1）岸線變遷

通過清淤等措施，讓各沙灘單元中間部分岸線適當(dāng)后退；或通過填海造地措施，使岸線整體外移，通過人工岬角形成弧形段。

a.岸線后退方案

岸線后退方案使用于潮流、波浪動(dòng)力較弱，近岸分布平緩寬闊泥灘的海岸，結(jié)合清淤工程可達(dá)到改善人工沙灘動(dòng)力環(huán)境的作用，但需要對(duì)現(xiàn)狀岸線進(jìn)行大規(guī)模的改造，甚至?xí)ゴ竺娣e的已有土地，從實(shí)際價(jià)值上的補(bǔ)償時(shí)，因此僅作為方案探討，不具備實(shí)際意義，見圖4。

圖4 岸線后退方案

b.岸線外推方案

岸線外推方案同樣可以增大沙灘海域波浪強(qiáng)度，也可用于潮流、波浪動(dòng)力較弱的海岸。但需要對(duì)現(xiàn)狀岸線進(jìn)行大規(guī)模的改造，但往往難以實(shí)施，如有填海規(guī)劃則是一種可結(jié)合其深入研究的思路，見圖5。

圖5 岸線外推方案

（2）工程措施

在岸線變遷存在較大難度時(shí)，采用布置沿岸丁壩或通過離岸堤劃分沙灘單元，各沙灘單元兩端丁壩及其端部均外移至適當(dāng)位置。

a.沿岸丁壩（或攔沙堤）方案

沿岸丁壩方案是較為常用的海岸防護(hù)工程措施，其經(jīng)驗(yàn)理論也可用于人工沙灘建造。沿岸丁壩的主要作用是：劃分沙灘單元，形成局部岬角，使各單元沙灘的弧形內(nèi)凹尺度縮小；攔截沿岸輸沙，將泥沙運(yùn)動(dòng)局限在單元以內(nèi)，見圖6。

圖6 沿岸丁壩方案

b.離岸島堤方案

對(duì)于非往外突出，而是較為平直的岸線，設(shè)置沿岸丁壩會(huì)基本完全隔絕各沙灘單元之間的泥沙交換，而且過于生硬突兀，景觀效果不甚理想。為了既能控制沙灘單元的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，又保持各單元砂體之間的季節(jié)性交換，營(yíng)造更接近天然的景觀效果，可采用離岸島鏈的方式，見圖7。

圖7 離岸島堤方案

如新加坡的圣陶沙島人工沙灘就是一個(gè)國(guó)際成功案例，見圖8。

圖8 新加坡圣陶沙島

3.3 經(jīng)驗(yàn)平衡模型驗(yàn)證

前節(jié)介紹了天然砂質(zhì)弧形岸線的平衡平面理論，實(shí)則上丁壩、離岸堤也是起到岬角的作用，并且人為控制沙灘的尺度，以適應(yīng)現(xiàn)狀的波浪條件，丁壩、離岸堤控制下的沙灘平面型態(tài)也可以通過弧形岸線的平衡平面模式來驗(yàn)證。由于拋物線模型的廣泛推廣及其良好的預(yù)報(bào)效果，因此可應(yīng)用拋物線模型來進(jìn)行人工沙灘的平面布置合理性。

應(yīng)用拋物線平面平衡模型，以及拋物線模型電腦應(yīng)用軟件“Mepbay”，可用于擬合天然沙灘或擬建的人工沙灘平衡平面形態(tài)，通過輸入控制線（上、下岬角）以及優(yōu)勢(shì)入射波與控制線岬角，繪制靜態(tài)平衡曲線，可較為便捷的判斷天然沙灘或人工沙灘的平面布置合理性。

圖9 修建人工岬角后平衡形態(tài)以及工程前后對(duì)比

由于現(xiàn)狀道路、堤岸已經(jīng)占用了原有沙灘后濱范圍，因此無法通過沙灘單元中間部分岸線適當(dāng)后退的方式恢復(fù)沙灘，只能通過控制點(diǎn)外移動(dòng)的方式。

該海灘在1998年在海灣上岬角處進(jìn)行人工岬角改造，并通過重新營(yíng)建人工沙灘。通過MepBay軟件擬合人工岬角改造的平衡岸線，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)行人工岬角改造平衡岸線將往外推移，說明人工沙灘建造后，天然海岸動(dòng)力條件能在一定的時(shí)期內(nèi)維持沙灘的長(zhǎng)久，為人工沙灘的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

事實(shí)證明，人工岬角改造工程是成功的，沙灘得到了較佳的恢復(fù)效果，這也是人工沙灘（補(bǔ)沙）的成功案例（見圖9右）。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)人工沙灘的選址、規(guī)劃與平面布置設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程展開探討。旨在為城市環(huán)境景觀規(guī)劃階段進(jìn)行人工沙灘規(guī)劃、布置設(shè)計(jì)提供基本思路和基本模式。

事實(shí)上，人工沙灘構(gòu)建是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，本文受篇幅所限，僅提出選址與平面相關(guān)的內(nèi)容，人工沙灘剖面設(shè)計(jì)、坡度與填沙粒徑、泥化問題等也值得相關(guān)人員進(jìn)一步的熟悉和學(xué)習(xí)探討。

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TU984.183

B

1009-7716（2017）08-0295-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.093

2017-06-01

徐敏（1988-），男，安徽蕪湖人，工程師，從事水利及水運(yùn)工程設(shè)計(jì)工作。