湛江金沙灣人工岬灣海岸沙灘穩定性研究

楊婷 沈迪

摘 要：文章以湛江金沙灣人工沙灘為研究對象，通過MEP-Bay軟件驗證靜態平衡岬灣海岸的拋物線型理論在該區域海岸穩定性評價方面的有效性。在此基礎上，通過地形數據等探討已有碼頭對該人工沙灘沖淤的影響，提出固沙養灘的方案。結果顯示，通過適當的人工構筑物，配合合理的人工養灘，可以創造靜態平衡的人工岬灣海灘，對海岸帶的開發和保護具有重要的意義。

關鍵詞：人工岬灣海岸;靜態平衡;拋物線模型;平衡剖面

世界上近80%的海岸線是巖基海岸，包括岬角，沿海山脈，懸崖等[1]。受涌浪的長期作用，毗鄰該海岸的沙質沙灘往往形成弧形海岸，這類沙灘統稱為岬灣海岸。這類海岸在我國華南沿海一帶分布廣泛，據統計占華南岸線總長度的1/3以上[2]。盡管國內擁有大量的岬灣海岸，但是目前國內對人工岬灣沙灘的靜態平衡研究還相對較少。因此，探討人工岬灣海岸沙灘的靜態平衡狀態，不但可以為人工沙灘的規劃設計、海岸防護及科學管理提供一定的理論依據，在海洋經濟獲得迅猛發展的時期，加強對人工沙灘平衡穩定的研究具有非常迫切的現實意義。

1? 岬灣海灘的平面形態設計

1.1? 人工岬灣原理-拋物線模型

目前，國外學者基于不同坐標系和方法研究下，已有不少經驗模型來研究岬灣海岸。KRUMBEIN[3]，YASSO[4]的對數螺旋方程，MORENO[5]的雙曲正切模型，HSU和EVANS[6]，SILVSTER和HSU[7] [8]的拋物線型海灣方程。其中，拋物線模型因考慮了上游岬頭和波浪繞射的影響，是擬合弧形海岸靜態平衡狀態最被廣泛采用的經驗模型。該公式以27個實驗室模型及現場灣岸作為原型，適用于上游沒有漂沙進入與灣內沒有河流輸沙的條件：

其中：Rn為控制點至岸上任一點的距離;R0為上下游控制點間的距離;C1，C2，C3為與β相關的常數;θn為入射波波峰線與Rn之間的夾角;β為入射波波峰線與R0之間的夾角;該公式中，最主要的影響因子是β。

利用該經驗公式，可繪制預測的靜態平衡岸線，當現有岸線與該預測岸線一致時，則沙灘為靜態平衡狀態，無需沿岸輸沙或人工填沙，岸線即可保持長期穩定[7]。為了便于工程應用，Klein[9]等以拋物線模型為原型，開發出MEP-Bay軟件（Model for Equilibrium Plan form of Bay Beaches），該軟件可以更加直觀地驗證岬灣海灘的穩定性，更適用于實際工程應用。

1.2? 資料和方法

金沙灣人工沙灘位于廣東省湛江市赤坎區湛江港海域內，瀕臨美麗的金沙灣觀海長廊，北側為風車廣場、西側為勞麗詩廣場，南側為正在施工的紅嘴鷗碼頭，屬大型的免費海濱浴場。人工沙灘長約800m，最寬的區域約120m，總面積約8.22萬m2。

金沙灣人工沙灘所在區域屬于不正規半日潮，潮差較大，大潮平均潮差為3.1m，小潮平均潮差為2m。波浪以風浪為主，年出現頻率約為80%;常浪向為ENE，次常浪向為SE向，頻率分別為23.49%、17.11%;強浪向為ESE向。河海大學于2014年7月13日-7月14日對該區域海流（流速、流向、水深、懸浮物SS等）進行監測。經統計，本區域海流流向為西北-東南向，流速約為0.25m/s，水體泥沙以0.063-0.004mm的粉砂（90%）為主，含少量0.004-0.001mm的粘土（10%），海底沉積物以粉砂為主，含少量砂、粘土。

沙灘上游主要為遂溪河，解放后由于各種小型水利工程的興建及植樹造林，現有流域來沙已大有減少。金沙灣灣頂圍海造田，官渡堵海，莫村河口筑閘，調順島筑堤堵海，使陸域來沙對本沙灘的影響也較小。上游流域沿岸輸沙受金沙灣上下游岬角（見圖2）阻斷，灣內缺乏砂源補充，從而可以在波浪作用下形成靜態平衡的拋物線岸線，因此采用岬灣海灣理論（MEP-Bay軟件）對金沙灣人工沙灘的平衡線性進行預測是合理的。

1.3? 資料來源

本文主要利用MEP-Bay軟件對谷歌地球提供的最新湛江金沙灣人工沙灘的衛星圖片（2017年10月）進行處理，以驗證該人工沙灘岸線整治的合理性。考慮到本區域存在2個岬角，會形成不同的繞射波向，因此分別對兩個岬角進行分析。

金沙灣人工沙灘東側海域波浪主波向為ENE向，由于金沙灣人工沙灘存在兩個岬角，因此，圖中分別取A和B作為上游控制點，C為下游控制點：其中A點位于沙灘東北部風車廣場突出處，B點位于沙灘東南側紅嘴鷗碼頭折角處。人工沙灘布置時，應根據盡量所計算的控制性合成波向，使岸線走向與其相垂直，這是人工沙灘平面布置的首要條件[10]。從圖中可以看出，金沙灣人工沙灘的海岸線基本與波向相垂直。從圖中可以看出，波峰線幾乎平行于岸線，波浪垂直沖刷沙灘，說明作為人工沙灘平面布置，金沙灣的規劃是合理的。對于控制點A處，模擬出的平衡岸線下半段CE與實際岸線較為吻合，擬合的平衡岸線上半段CF在現有海岸線的向陸側，且偏移度較大，說明該岬角A對該段沙灘的遮蔽效果較差。當波浪在岬角A處發生繞射后，增強了波浪對岸灘的作用，將導致泥沙在該段沖刷，該段沙灘將處于淤積狀態。對于控制點B，擬合的平衡岸線CD與實際岸線近乎吻合，DE段處于小范圍沖刷狀態。該處主要受排水口水流沖刷的影響，形成輕微的沖刷狀態。預測，受紅嘴鷗碼頭遮蔽的CE段岸線已趨于穩定，而GF段岸線將處于侵蝕狀態。

利用谷歌地球提供的多年衛星圖像，對金沙灣人工沙灘岸灘平衡進行分析。圖片記錄了金沙灣人工沙灘從2003年-2017年的形成過程。金沙灘人工沙灘通過整治由2003年的天然形成的窄小且沙質差的沙灘整治成弧形人工沙灘，自2011年初步整治完成并開始免費開放。金沙灣人工沙灘歷經2013年4月，2015年1月及2018年12月共計3次整治。2012年整治回填石英沙總數約8萬m3，2015年整治回填砂量約為3萬m3，2018年12月整治回填量約為1萬m3（其中，沙灘坡度均按照1：30）。說明沙灘按照該弧形，利用靜態穩定平衡狀態進行沙灘整治是基本有效的，人工補砂的數量在逐漸減少。從上圖中看出，2013年4月完成整治后，2013年12月的沙灘已經保持較好地穩定狀態;從2015年04（第2次整治后）至2017年10月（第三次整治前）的谷歌衛星圖片看出，上半段岸線處于少量沖刷現象，與MEP-Bay的預測基本一致，但GF段的沖刷量較軟件預測小。這是由于MEP-Bay軟件下游控制點的選擇存在一定的主觀性，因此結果可能存在一定誤差。總體而言，該人工沙灘泥沙沖刷有限，基本能保證沙灘平衡。

2 岬灣沙灘的坡面設計

2.1 沙灘平衡剖面理論

Dean[11]曾研究了美國502個沙灘的剖面，范圍從佛羅里達半島附近的長島東段一直延伸到墨西哥邊境的德克薩斯州，研究過程中，Dean對每個剖面進行了最小二乘法擬合，從而推演獲得海灘平衡剖面計算公式：

其中：h為深度（m），y為離岸距離（m），A為剖面系數，D為采用沙粒的中值粒徑。

2.2 岬灣沙灘的剖面設計

剖面高程設置根據湛江港驗潮站多年驗潮資料進行標識，平均大潮高潮位為3.7m左右（從湛江港理論最低潮面起算）。因此灘肩高程取4m。灘肩寬度根據實際地形取20-50m左右。

根據河海大學（金沙灣海濱浴場海床維護工程方案研究，河海大學，2014年8月）2014年監測的水體泥沙顆粒級配分析顯示，本區域沉積物主要以0.1mm以下的粉砂為主，說明0.1mm以下的粉砂容易被潮流攜帶沉積到海底。同時考慮人體舒適度，金沙灣人工沙灘的粒徑選擇以中值粒徑為0.65mm的砂為主，從而減小被潮流攜帶走的可能性。潮間帶區域（30-80m）按填沙補砂中值粒徑為（0.65mm）的平衡剖面作為沙灘的灘面形態，利用Dean的經驗公式計算獲得剖面，采用1：30的沙灘坡度。

根據2015年（第二次整治前）至2018年（第三次整治前）的剖面圖顯示，選用上述計算的結果回填的砂石中間段基本處于沖淤平衡狀態。整體結果與MEP-Bay軟件計算結果基本吻合。通過以上分析，金沙灣人工沙灘整治是成功的，沙灘基本處于靜態平衡狀態。

3? 結語

利用岬灣海灘平衡形態模型（MEP-Bay）對湛江金沙灣人工沙灘穩定性進行模擬，提出平面形態布置方案，并結合海灘平衡剖面公式進一步分析設計沙灘剖面，研究得到以下認識：

（1）MEP-Bay軟件模擬得出了金沙灣人工沙灘的穩定灣岸曲線，結果與實測數據基本相吻合;但是由于該軟件下游控制點的選擇存在一定的主觀性，因此結果可能存在一定誤差。軟件擬合結果可以作為沙灘整治規劃的參考，但不能作為其唯一標準。

（2）通過一定的人工設施，配合合理的人工養灘，可以創造出靜態平衡的人工岬灣海灘。

（3）人工沙灘的整治是一個復雜且漫長的過程，需要后期多年監測并隨時調整整治方案，從而達到真正整治的目的。

參考文獻：

[1]? EMERY K O，? KHUN G G. Sea cliffs： their profiles and classification[J]. Geological Society of America Bulletin， 1982（93）： 644-654.

[2] 陳欣樹. 廣東和海南島沙質海岸地貌及其開發利用[J]. 熱帶海洋，1989（8）：43-51.

[3] KRUMBEIN W C. Shore processes and beach characteristics. Beach Erosion Board Technical Memorandum[C]， 1944：47.

[4] YASSO W E. Plan geometry of headland bay beaches[J]. The Journal of Geology， 1965（73）：702-714.

[5] MORENO L Y， KRAUS N C. Equilibrium shape of headland-bay beaches of for engineering design[C]. Proceedings of Coastal Sediments， 1999：860-875.

[6] HSU J R-C， EVANS C. Parabolic bay shapes and application[JC]. Proceedings of Institution of Civil Engineers，1989.

[7] SILVESTERR， HSU J R C. Coastal stabilization： In novative Concepts[M]. Englewood Cliffs： Prentice-Hall，1933.

[8] SILVESTERR， HSU J R C. Coastal stabilization[M]. Singapore： World Scientific Publication Co.， 1997： 578.

[9] KLEIN A H F， VARGAS A， RAABE A L A， et al. Visual assessment of bayed beach stability using computer software[J]. Computers& Geosciences， 2003（29）：249-257.

[10] 徐敏. 濱海城市人工沙灘選址、規劃與平面布置探討[J]. 城市道橋與防洪， 2017（08）：295-300.

[11] Dean R G. Equilibrium Beach Profiles： U.S. Atlantic and Gulf Coasts[R]. Department of Civil Engineering， Ocean Engineering Report No.12， University of Delaware， 1977.