北海某碼頭海岸侵蝕機理及防護方法分析

陳勝前 王家全 江日光 史思佳

摘要：海岸侵蝕作為一種全球性的海岸地質災害，長期以來備受全世界沿海國家和地區的持續關注，越來越多的學者對海岸侵蝕災害的發展和變化進行研究，并致力于提出相關的防治對策以減少人民生命財產的損失。根據北海市海岸帶地區有關地質資料及海洋水文資料，采用實地調查、剖面監測、海圖及地形圖對比、取樣分析等技術手段，研究北海市圍填海區某碼頭海岸侵蝕淤積特征及機理。同時從圍填方式、物質結構組成、水動力改變情況等3個侵蝕影響因素的角度對侵蝕機理進行初步分析。研究結果表明：該碼頭岸段出現不同程度的侵蝕破壞，具體侵蝕現象表現為海灘顆粒粗化、灘面下蝕、岸線后退，并伴有明顯陡坎發育;最后提出圍填海海堤相關防護對策。

關鍵詞：海岸侵蝕;圍填海;影響因素;海堤;防護方法

中圖分類號：TU457;P737.1DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.009

O 引言

由于海岸侵蝕對生態環境破壞嚴重，會降低海岸的防護能力，且給海洋生態帶來的破壞大多具有不可逆性，長期以來受到國內外學者的持續關注和研究。國外對海岸侵蝕研究起步較早，我國直到上世紀80年代后期，相關科學研究才逐漸展開。李文善等根據海洋站監測數據及相關調查，分析了遼東灣沿岸海岸侵蝕情況，并預測該地區在將來海平面上升時的海岸侵蝕影響。田會波等根據詳細的海岸監測資料和實地調查，分析了海岸侵蝕的現狀及原因并對其侵蝕演變規律進行研究。石海瑩等通過監測資料和實地調查，選取典型侵蝕岸段進行侵蝕特性分析，得出海南島不同岸段侵蝕的影響因素不同。陳章楷研究了不同沙灘和波浪條件下海岸防護措施的相關設計方法，優化了具體T程措施中的設計參數。劉勇等基于GPS、GIs及現場調查等多元數據對山東島海岸侵蝕淤積演變特性進行研究。于德海等根據現場調查資料，對遼東半島海岸侵蝕淤積情況及發育特性進行了研究，并對侵蝕等級進行了劃分。惠靜等基于海洋營養物對海洋系統的影響研究，分析系統平衡點的穩定性及動力學行為，得出營養物的輸入對海洋生態影響巨大。Karamarathna等采用數學模型方法分析預測海岸侵蝕狀況，Cozannet等指出通過科學合理地評估海平面上升狀況下海岸侵蝕發展狀況，對海岸帶綜合治理具有重大促進作用。

目前，國內有不少學者對廣西沿海地區進行了海岸侵蝕的相關研究。姚子恒基于岸線剖面監測數據及遙感影響等多元資料對潿洲島海岸侵蝕進行相關研究，分析了侵蝕的主要影響因素并提出有針對性的防護建議。黃鵲等基于歷史圖件對比方法和Bruun法則對廣西北海銀灘岸線的侵蝕進行評估和預測。李明杰等基于歷史資料結合數值模擬分析了風暴潮和大潮對潿洲島西南部沙灘侵蝕的影響。張曉浩等基于高精度監測數據進行了定量分析研究，得出潿洲島南部海岸出現大部分形變，其中砂質海岸形變程度最為嚴罩。

綜上所述，關于圍填海T程建成后對海岸的侵蝕影響研究較少，對圍填海形成的人工海岸侵蝕機理及主要影響因素還有待進一步深入研究。在已有監測資料基礎上，通過實地調查和取樣分析等技術手段，對北海地區某碼頭附近海岸侵蝕機理進行研究，從不同角度探討海岸侵蝕影響因素，并提出相關防護方法。

1 北海某圍填海碼頭地質環境條件概況

1.1自然地況

該碼頭位于北海市，如圖1所示，碼頭平面輪廓近似為長方形，長約350～450m，寬約200～250m，采取部分圍海造地方式修建而成，并采取傳統硬性防護措施，整體工程于2012年竣工，該碼頭東面、北面為砌石壩護防，其中圖2為碼頭某岸段防護結構，西面為不圍護的自然岸段，南面為志留系泥質粉砂巖、泥巖基巖海岸，地形坡度5°～20°。

1.2該地區海洋水文特性簡況

該海區的潮汐類型為不正規的全日潮海區，根據北海站1996—2015年驗潮資料統計，該海區平均海平面0.35m（1985國家高程基準，下同），最高高潮位為3.36m，最低低潮位為-2.15m，平均高潮位為1.65m，平均低潮位為-0.85m。多年平均潮差為2.46m，最大潮差為5.36m。該海區具有潮差大、各季節潮差夏季大春季小的特點。

根據調查資料顯示，漲潮時，潮水往東北方向流至冠頭嶺附近海域時分成北、東向兩支流分別向廉州灣和鐵山港灣方向流去;落潮時，從廉州灣和鐵山港灣方向分別往南和西方向流動的兩支流流至冠頭嶺附近時匯聚后繼續朝西南方向流入。平均流速一般在20～50cm/s，落潮流速大于漲潮流速，其差值可達10cm/s以上。最大落潮流速超過100cm/s，最大漲潮流速不到91cm/s。

由北海地角測波站資料統計可知，北海市北部沿岸海域其常浪向NNE方向，頻率18.9%;次浪向WSW方向，頻率11.9%;強浪向N及偏N方向，實測最大波高H₁分別為2.0m（N）、1.5m（NNW）、1.4m（NNE）;次強浪向SW方向為1.3m。

2 沙灘侵蝕演變及破壞機理分析

2.1沙灘侵蝕演變

根據監測數據及現場勘查對比分析，如圖3和圖4所示，原始海岸的沙灘僅6年全部消失，吹填后不經過防護，海岸侵蝕作用逐步增強，直到坡角4°～8°后達到基本穩定。根據實地測量數據，選取其中3段實測沙灘剖面進行沙灘剖面演變的分析研究。其中靠近碼頭A剖面侵蝕作用明顯，形成1.3m陡坎;B剖面侵蝕作用相對減弱，形成0.5m陡坎;距碼頭較遠處C剖面侵蝕作用較弱，無明顯陡坎發育，岸段基本處于相對平衡狀態。原始剖面在早期的侵蝕作用下，海岸達到暫時的動態平衡狀態，并發育陡坎。隨著外部條件的改變，新的海洋動力對由早期侵蝕作用形成的陡坎沖擊作用增加，對陡坎底部進行沖擊搬運作用，從而導致沉積物坍塌，海岸線后退坡度4°～8°后才基本達到新的海岸動態平衡。

2.2圍填海沙灘侵蝕機理分析

2.2.1圍填方式

該碼頭是由吹砂填海的方式所形成，吹填方式為先圍后填（東面、北面砌石壩圍護），西面為不圍護，天然吹填，南面為海岸帶。從現場調查發現，砌石圍護穩定性較好，沒有發生崩塌、滑坡及侵蝕作用;不圍護地段，坡肩崩塌較嚴重，中、下岸段侵蝕比較嚴重。

2.2.2物質結構組成

海岸的自身性質是海岸侵蝕發生的基礎條件，其中物質組成與侵蝕發生密切相關。通過對海灘現場剖面測量，選取某岸段不同位置靠海處和靠岸處砂樣進行試驗分析，獲得沙灘砂樣相關參數。通過試驗分析，如表1所示，發現砂樣總體特征為中粗砂居多，含部分細砂，白色及灰黑色，貝殼碎屑含量較多。通過現場調查，發現該碼頭區域橫向從岸到海，砂樣粒徑范圍總體上表現出由粗到細的趨勢，也出現部分細粗交替變化，如圖5所示：縱向剖面底部出現粗細交替變化，中部含大量貝殼碎屑。海岸顆粒物的結構組成與潮汐作用密切相關，漲潮時，水平方向通過潮流作用將海岸大量細砂攜帶至海水中，垂直方向上通過潮汐作用對砂質剖面進行不斷的沖刷，掏蝕;落潮時，水平和垂直方向大量細砂被帶人海中，進而導致海岸砂樣顆粒粗化并伴有侵蝕陡坎發育。從物質組成上來看，該碼頭砂質海岸松軟，抗沖擊能力較弱，在波浪荷載及海水侵蝕作用雙重影響下，極其容易出現海岸侵蝕特征，產生明顯的侵蝕陡坎，海灘砂粒粗化。

2.2.3水動力環境變化

該碼頭采取圍填海方式建成，占據海灘原有灘面，自然岸線縮短，人工岸線增長，對海灘結構造成破壞。水動力環境的改變對海岸侵蝕淤積情況影響較大，新岸線的形成改變了附近海域的岸形和水深，將對附近局部海域的水動力條件產生一定影響。相關人工海岸的破壞機理研究中，石海瑩等通過遙感技術及岸線監測資料對比，研究海南島沿岸建設人工島某岸段兩個填海項目對附近岸段侵蝕淤積影響，結果表明：人工島建成后水動力發生改變，導致附近岸段侵蝕作用明顯加強。林雪萍運用MIKE 21數值模擬海南島某地人工島形成前后附近砂質海岸水動力改變情況及沖淤情況，結果表明：人工島形成后海灘動態平衡因波浪荷載等變化而受到影響，岸邊沙灘沖淤情況發生明顯變化。由此可見，水動力環境的變化，對人工海岸的穩定影響非常大。

通過對北海某碼頭建成前后岸線對比分析，發現圍填海碼頭對原始海岸線造成了不同程度的影響。原始海岸線平直，水動力作用較弱，該岸段處于基本穩定狀態。圍填碼頭建成幾年后，水動力情況發生明顯改變，碼頭附近岸線產生明顯變化。漲潮時潮水往東北方向流至冠頭嶺附近海域時分成北、東向兩支流分別向廉州灣和鐵山港灣方向流去。碼頭建成后阻斷了潮流的原有流動路徑，導致碼頭西面附近區域波浪沖刷作用顯著增強，從而海水攜帶砂土顆粒的作用增強，海岸大量細粒砂土被沖刷帶走，出現明顯的顆粒粗化現象，剖面侵蝕陡坎底部掏蝕作用增強，直接加快了碼頭西面附近海岸侵蝕作用。原有海岸侵蝕淤積情況發生明顯改變，原始海岸以淤積為主變成侵蝕為主，人工海岸侵蝕淤積逐步達到相對平衡。此外，該碼頭附近海岸成為人們較好的旅游休閑場所，也會導致沙灘原有平衡系統破壞，破壞沙灘原有泥沙供應，導致部分沙灘面臨消亡的威脅。

3防護方法分析

3.1開展沙灘養護與恢復工作

由于海灘侵蝕作用的加劇，導致原有海灘原始面貌發生改變，海灘砂粒出現粗化現象，從而影響海灘旅游價值，因此需要開展沙灘養護相關工作。常見沙灘養護與防護工程組合形式見表2.該碼頭海灘旅游價值相對不高，采用人工養灘等措施花費較高，綜合考慮下，建議生活及旅游設施應盡量遠離沙灘建設，避免在沙灘灘面、灘肩等位置建設生產、生活設施。

3.2科學合理地建設海岸防護工程

目前海岸主要防護措施分為硬質防護和軟質防護兩大類，如表3所示。應根據不同類型海岸侵蝕狀況的不同，選取不同的防護方式;由于不同海岸發展需求不同，也可選擇硬防護和軟防護相結合的組合防護措施。該碼頭海灘主要侵蝕區為碼頭西面附近區域，碼頭東面及北面因采取相應防護措施，漲潮時潮流主要由西南往東北方向流去，如圖3所示。硬防護措施方面，建議在該碼頭剖面B與剖面C岸段之間修建1～2條丁壩，用以抵擋和減弱附近海域海洋動力，起到減小侵蝕作用的目的;也可以在侵蝕作用明顯岸段，即剖面A與剖面B間修建潛堤或離岸堤，這樣既能有效消耗減小波浪作用產生的波能，減弱對海岸的沖刷作用，同時也能促進堤后波影區泥沙的淤積，從而促進海岸侵蝕淤積動態平衡。軟防護措施方面，建議采取修建防護林方式，可在海岸沿線種植堿茅等耐鹽堿植物，起到加固沿岸砂土的作用，同時優化生態環境。綜合所述，可采用海堤與修建防護林，丁壩與修建防護林相結合的防護措施來進行海岸防護，這樣既實現了海岸的防護，同時經濟效益良好且利于生態保護。

3.3加強濱海沙灘侵蝕及其影響評估工作

在已有研究資料基礎上加強海岸帶監測，通過有針對性的海岸帶綜合地質調查，及時有效地掌握侵蝕實時狀況。查明海岸帶環境地質問題發育規律及變化趨勢，為類似海岸帶環境保護和可持續性發展提供有力支撐。

4結論

1）該碼頭不同岸段發生不同程度侵蝕破壞，海灘顆粒出現粗化現象，沙灘平面侵蝕主要表現為灘面下蝕和岸線后退，剖面上陡坎發育。

2）侵蝕作用由自然因素和人類活動共同影響，從圍填方式、沙灘物質組成、水動力改變等多個影響因素的角度分析海岸侵蝕原因，人類活動起主要作用，自然因素緩慢但持續地影響著海岸生態環境。其中水動力環境改變對附近砂質海岸侵蝕影響作用較為顯著，使得附近砂質海岸侵蝕作用加劇，原始海岸以淤積為主變成侵蝕為主。

3）針對該碼頭附近海岸侵蝕現狀，提出進行硬防護措施以減弱附近海域水動力，采用軟防護措施起到加固沿岸砂土作用，并采取軟硬結合防護措施進行綜合治理從而減弱海岸侵蝕的影響。