(寧波海洋研究院，浙江 寧波 315832)

1 研究背景

海岸線具有重要的生態(tài)功能和資源價值，是海洋經(jīng)濟發(fā)展的“生命線”和“黃金線”[1]，其資源持續(xù)和環(huán)境健康關(guān)系到國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，影響著區(qū)域主體功能布局和產(chǎn)業(yè)功能集聚戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。

目前，海岸線存在以下問題：海岸人工化趨勢過快，自然岸線保有量已近生態(tài)紅線；近岸生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重，環(huán)境污染問題仍然突出；海岸線利用強度居高不下，節(jié)約集約利用水平相對較低；岸線整治和景觀建設明顯滯后，公眾親?？臻g不足[2]。針對以上問題，國家海洋局出臺了《海岸線保護與利用管理辦法》，就海岸線整治修復提出了3個硬性要求[3]:制定整治修復規(guī)劃，明確整治修復項目實施要求，建立完善整治修復投入機制。開展海岸線整治修復，打造美麗海岸[4]。

海岸線整治修復的目標方向和主要措施，大致可劃分為自然化、生態(tài)化、景觀化和能力提升4種整治修復類型[5]。其中，岸堤加固型能力提升整治修復岸線，是指在防護能力較低、破損嚴重的人工岸線的原海岸線位置開展海防工程加固提標建設，適當恢復人工岸線的生態(tài)功能，增強海岸災害防御和保障沿岸社會經(jīng)濟發(fā)展的能力[6]。鑒于此，浙江省寧波市象山縣沙塘灣海岸線以岸堤加固型能力提升為目標，以泥沙沖淤模型為理論，以建設生態(tài)護岸為措施開展海岸線整治修復。

2 象山岸灘歷史演變

2.1 岸線推移

浙江省寧波市象山東部沿海受幾百年來人類活動特別是大規(guī)模圍涂工程的影響，海岸線向外海不斷推進[7]。據(jù)歷史記載，公元900年唐朝時海岸線尚在丹城-林海一帶。18世紀海積平原的高程由-3.1 m淤漲至-2.7 m，平均淤高0.4 m，每年向外淤漲速率為2～3 m。1965～1977年又相繼圍涂門前涂塘、涂茨灣、昌國灣共計約1 334 hm2，用作鹽場。1988～1993年大目涂一期圍涂近1 000 hm2，使1956～1993年間岸線外移速率加快至10 m/a。2003～2010年大目涂二期圍涂664 hm2，岸線又向外海推移約2.5 km。

2.2 沖淤規(guī)律

根據(jù)多年海岸帶調(diào)查的灘面觀測，象山東部海灣內(nèi)的泥沙運移呈一個右旋的環(huán)流形，冬、夏季泥沙的來源和運移路線有所不同，主要取決于灣外沿岸流的流動方向。沖淤變化規(guī)律為冬淤夏沖，懸沙含量具有明顯的區(qū)域和時間變化特點，近岸高于遠海，底層高于表層，大潮高于小潮，冬季高于夏季[8]。冬季的漲潮懸沙含量略大于落潮，夏季的落潮懸沙含量略高于漲潮，這與潮灘的冬淤夏沖相吻合。

冬季，浙閩沿岸流南下，帶來豐富的長江輸出物質(zhì)，被漲潮流攜沙帶入，且波浪動力作用較強，潮流輸沙和波浪掀沙致使水體含沙量高，懸沙由灣外向灣內(nèi)輸沙量大，形成懸沙高濃度期，灘面呈淤漲狀態(tài)。一般從秋末至來年夏初為淤積期，且每年4月份灘面淤積達到最高，灘面冬季月均淤高可達3～4 cm[9]。

夏季，浙閩沿岸流北上，臺灣暖流直逼岸邊，它是高溫高鹽低懸沙水體，灣外懸沙來量極少，灘面上挾沙水流不飽和，是懸沙低濃度期，灘面呈沖刷狀態(tài)。如遇臺風，則沖刷達到高峰，夏季月均沖刷可達6 cm以上。

3 現(xiàn)狀條件及工況

3.1 沙塘灣現(xiàn)狀

沙塘灣位于浙江沿海中部、象山半島南端、石浦港灣東側(cè)，地理區(qū)位優(yōu)勢突顯。其北、西、南三面為陸域環(huán)抱，東面受蘿卜山、牛欄基島、銅頭島等島嶼掩護，外海波浪對灣內(nèi)水域影響較小，僅東南方向開敞寬度較大，與大目洋銜接。

沙塘灣海岸線為人工岸線，灌砌塊石結(jié)構(gòu)的直立墻式護岸，墻身高度約3～4 m。護岸前沿為礫石灘，低潮顯露高潮淹沒，-1 m等深線距岸約25～30 m?，F(xiàn)有護岸建設標準較低，尚有缺口存在安全隱患，布局混亂無序且頂面道路狹窄(見圖1)，亟需對海岸線開展整治修復，改善海岸帶生態(tài)功能。

圖1 護岸現(xiàn)狀

3.2 區(qū)域條件

沙塘灣海域潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，潮波性質(zhì)屬于駐波，潮流類型屬規(guī)則半日潮及不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，且以不規(guī)則半日潮流性質(zhì)為主，最大流速可達1.0～1.2 m/s。含沙量基本在0.05～0.25 kg/m3之間，懸移質(zhì)特征粒徑D50范圍為0.007～0.010 mm，以黏土質(zhì)粉砂為主。

3.3 工程概況

在沙塘灣現(xiàn)有護岸基礎上，通過建設生態(tài)護岸而進行海岸線整治修復。生態(tài)護岸是一種新型、生態(tài)的護岸型式，集防洪、生態(tài)、景觀和自凈功能于一體[10]。不僅注重生態(tài)岸線建設要求，而且致力于岸堤加固能力提升，在建設濱海親水空間和生態(tài)空間的同時，也可提高護岸抵御海洋災害和防災減災能力。

工程位于沙塘灣北半?yún)^(qū)域兩岬島之間的岸段，起于沙塘灣村現(xiàn)有護岸平臺，止于北側(cè)突出礁石處。護岸總長約528 m，面積約3 124 m2。護岸墻身采用C25塊石混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，護岸頂高程視現(xiàn)有高程而沿程變化(取5.1～6.0 m)，護岸頂部寬度為5.4 m[11](見圖2)。

圖2 海岸線整治修復工程范圍

4 泥沙沖淤數(shù)模計算

由于近岸海域潮流運動的水平尺度遠大于垂直尺度，二維模型能很好地模擬出潮流和泥沙輸運情況，且較三維模型而言，二維模型計算時間較短，相關(guān)模型參數(shù)的設置較為簡單。因此，二維模型在近岸海域仍應用廣泛[12]。

4.1 數(shù)模建立

4.1.1 模型控制方程

采用丹麥水力學研究所研制的平面二維非恒定流數(shù)學模型MIKE21FM(2008年)來研究潮流場運動。該模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計算域，三角網(wǎng)格能較好地擬合陸邊界，網(wǎng)格設計靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密[13]。

(1)質(zhì)量守恒方程

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(2)定解條件

初始條件：

(4)

4.1.2 計算域網(wǎng)格

采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計算域，共生成網(wǎng)格38 591個，通過網(wǎng)格生成模塊，控制網(wǎng)格疏密及尺度。在工程附近海域進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格尺度最小為5 m左右(見圖3)，能夠較好刻畫工程前沿水下地形及岸線，保證足夠的計算精度。在遠離工程海域，網(wǎng)格相對稀疏，網(wǎng)格距1 000 m，不同尺度網(wǎng)格之間通過設置實現(xiàn)平滑過渡。

圖3 工程區(qū)網(wǎng)格

4.1.3 計算參數(shù)

(1)開邊界。采用水位控制，即用潮位預報的方法得到開邊界條件。由控制點潮位通過預報得到：

](5)

式中，A0為平均海面；Fi,(v0+u)i為天文要素；σi為角頻率；Hi,gi為某分潮的調(diào)和常數(shù)，即振幅與遲角。采用11個分潮進行逐時潮位預報，并經(jīng)適當調(diào)整后用于模型。

(2)計算時間步長。模型計算時間步長根據(jù)CFL條件進行動態(tài)調(diào)整，確保模型計算穩(wěn)定進行，平均時間步長 0.5 s，最短時間步長為 0.001 s。

(3)床面糙率系數(shù)。根據(jù)實測水文資料對模型進行多次率定，曼寧系數(shù)取 0.017。

(4)水平渦動粘滯系數(shù)。采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應的Smagorinsky(1963年) 公式計算水平渦粘系數(shù)，公式如下：

(6)

(5)科氏力。工程海域所在平均緯度，φ=29°。

4.2 模型驗證

采用2017年8月28日～9月12日工程海域附近1個臨時潮位站的實測逐時潮位過程和工程海域附近4個臨時測流點2017年8月28～29日(小潮)、2017年9月5～6日(大潮)的實測逐刻流速、流向過程對已建立的模型進行驗證，確保所建立的平面二維水動力模型合理可靠。

流速流向驗證計算結(jié)果表明，驗證計算所得潮位、流速、流向分布情況與實測成果較吻合。說明采用的數(shù)學模型及計算方法正確，模型中相關(guān)參數(shù)的取值合理，可以用于計算、分析工程前后的潮流場、水動力和泥沙沖淤變化。

4.3 潮流場模擬

潮流明顯受地形和岸線制約，漲潮流呈順時針旋轉(zhuǎn)流形態(tài)，落潮流旋轉(zhuǎn)流不明顯，潮流表現(xiàn)為漲潮強、落潮弱。工程區(qū)主要為高灘，就潮流動力而言，漲潮動力較強，落潮動力較弱；在不同潮型中，大潮作用較強，中潮作用次之，小潮作用相對較弱。因此，工程對水動力和沖淤的影響主要表現(xiàn)在漲潮時段。結(jié)合數(shù)學模型計算結(jié)果，分別給出了海域漲急、落急等瞬時流態(tài)圖(見圖4)。

圖4 大潮漲急、落急流場

4.4 水動力變化預測

從整體流速變化情況來看(見圖5)，工程區(qū)護岸附近流速有所減小，總體流速也以減弱為主，工程區(qū)北側(cè)流速略有增大。漲潮流速減小約 0.05～0.2 m/s，落潮流速減小約 0.05～0.6 m/s，工程區(qū)漲潮期的流速變化沒有落潮期明顯，變化趨勢均以減弱為主，但影響范圍僅限于護岸外側(cè)50 m范圍內(nèi)，對航道等其他區(qū)域影響可以忽略。

圖5 漲、落潮流速變化

4.5 泥沙沖淤影響分析

工程實施后會產(chǎn)生局部泥沙沖淤的變化，利用所建數(shù)學模型預測其變化。水流挾帶泥沙輸移引起床面沖淤變化，是一個復雜的物理過程，鑒于泥沙輸移的復雜性，研究床面沖淤計算方法具有多樣性，這里采用床面沖淤計算模型。

工程實施后首年沖淤變化區(qū)域主要集中在護岸外側(cè)50 m范圍內(nèi)，沖淤影響范圍較小?？拷棠_處以淤積為主，淤積速度為0.05～0.3 m/a不等，未見明顯沖刷區(qū)域。

參考浙江沿海的涉海工程情況，一般工程實施3～5 a后基本達到?jīng)_淤平衡的狀態(tài)。鑒于該工程規(guī)模較小且處于近岸海域，工程實施3 a后可達沖淤平衡(見圖6)，泥沙沖淤變化區(qū)域主要集中在護岸外側(cè)200 m范圍內(nèi)，沖淤影響范圍較小?？拷棠_處以淤積為主，淤積0.05～0.6 m，在沙塘灣北側(cè)突角外側(cè)將形成沖刷區(qū)域，沖刷約0.05 m，沖刷影響基本可以忽略。

圖6 泥沙沖淤變化(單位:m)

由此可見，沙塘灣海岸線整治修復對海洋環(huán)境影響范圍及程度可控，對200 m以外海域的水動力和泥沙沖淤基本不造成影響[14]。

5 結(jié) 論

沙塘灣通過采取生態(tài)護岸的海岸線整治修復措施，切實提高了抵御海洋災害和防災減災能力，保障了沿海居民的生命財產(chǎn)安全，并改善了岸線景觀和拓展親?？臻g?；诙S數(shù)學模型計算水動力變化與泥沙沖淤影響，預判海岸線整治修復對海洋環(huán)境影響范圍及程度可控。研究結(jié)果可為海岸線整治修復管理提供一定科學依據(jù)，具有一定的借鑒和指導意義。