黄君宝，倪 博，刘 旭，姚文伟，黄世昌
（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；
2.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310017；
3.乐清交通水利投资集团有限公司，浙江 乐清 325600）
浙江省沿海大多淤泥质海岸环境下都存在岬湾沙滩，具有“湾后青山，湾内沙滩，湾外泥滩”的格局。在岬湾受损沙滩进行人工修复，不但有助于海岸滩涂生态修复，还能提高防灾减灾能力，促进当地休闲旅游，因此在当前的海洋经济开发中不断得到各地政府的重视与探索[1-2]。
国外对人工修复沙滩已广泛应用，如美国佛罗里达州南端迈阿密旅游胜地的人工海滩，不但可抗拒中等强度的飓风，且极大提高了休闲价值。荷兰进行大量的人工沙滩修复工程，用于抵御风暴潮的袭击和海平面上升引起的国土面积减少。西班牙采用人工沙滩修复已成为解决海岸侵蚀的主流方法。国内也已有诸多岬湾型人工修复沙滩的应用，如香港的浅水湾人工修复沙滩、台湾的安平港海滩、大连的星海湾海滩、海南的小东海湾海滩等[3-4]。
国内外人工修复沙滩绝大多数位于砂质海岸上，其潮间带和潮下带大多为沙质。而浙江省沿海岬湾沙滩大多处于沙质和淤泥共存的状态，沙滩紧邻淤泥，一般存在明显的泥沙分界带。沙滩前沿海域中水体悬沙含量较高，且海域无海砂补给，陆域因海堤等建筑物阴隔而来沙极少，极易造成沙滩退化，甚至产生泥化现象[5]。玉环市鲜叠沙滩属于浙江省沿海典型的淤泥质海岸环境下的岬湾沙滩，对其进行人工沙滩修复研究具有一定的典型性和示范意义。
鲜叠沙滩位于浙江省玉环市南部鲜叠湾岙内，西临乐清湾，东濒东海，岙口为东北—西南向，口外正对横址山，往南有大门岛和鹿西岛隔海相望。鲜叠沙滩现状地理位置及平面布置见图1。沙滩沿岸长约480 m，平均低潮位以上滩面宽50~100 m，沙滩面积约36 000 m2。沙滩东北侧为鲜叠大坝，总长为442 m，设计标准为20 a一遇，堤顶高程在6.52~7.09 m（1985国家高程基准，下同），目前坝体基本完好，但存在沉降、变形、开裂、管涌和渗水等问题。从整体上看，沙滩所处的岙口由西北侧山体和东南侧的岬角卡住，形成典型的岬湾形态。
图1 鲜叠沙滩地理位置及平面布置图
2.1 沙滩地貌
鲜叠沙滩区域至今未发现较大规模的活动性断层，距离各发震大断裂均较远，区域条件相对稳定。沙滩沉积物呈黄灰色，颗粒较细，多为泥沙混合体，落潮时会形成细小的潮沟。滩面整体坡度较缓，在海浪的拍打下形成沙波形态，见图2（a）。
鲜叠沙滩旧照见图2（b）。原有沙滩滩面较宽，干滩部分向陆延伸至民房附近，起到消浪的作用，且沙滩颜色较为黄亮，属于颗粒较粗的泥沙。目前由于鲜叠大坝的阴隔，沙滩失去了后方泥沙来源，滩面蚀低，海滩岩暴露，且沙滩粒径变细，颜色变暗，深水区域已经泥化，底质变为淤泥。
图2 鲜叠沙滩图
2.2 潮汐潮流
鲜叠沙滩附近海域为强潮海域，属于正规浅海半日潮。根据附近坎门站2003年全年潮位资料统计，平均高潮位为2.30 m，平均低潮位为-1.59 m，平均大潮高潮位为3.10 m，平均潮差为3.91 m。涨潮历时长于落潮历时，分别为6.32 h和6.12 h。
工程海域布置1条水文垂线进行大潮期连续27 h的流速、流向观测，鲜叠湾内实测最大涨潮流速为0.39 m/s，对应流向302°，最大落潮流速为0.58 m/s，对应流向80°，均出现在面层。垂线平均最大涨潮流速为0.31 m/s，对应流向306°，垂线平均最大落潮流速为0.47 m/s，对应流向81°，落潮流大于涨潮流。
2.3 风 浪
玉环海域全年常风向为N—ENE向，频率为50%，全年平均风速为3.70 m/s；
次常风向SE和SW向，SE向频率为5%，全年平均风速为2.40 m/s，SW向频率为6%，全年平均风速为3.00 m/s。强风向为ENE向，频率为7%，最大风速为15.00 m/ s。全年中夏季多为SW向大风，春秋季节多为偏S向或偏N向大风，以偏N向大风为主，冬季盛行N—NE向大风。最大风速基本在台风期间产生。
整体上看，沙滩附近海域是以涌浪为主的风、涌混合浪海区。外海涌浪方向比较集中，为偏E向，风浪的方向主要为偏NNE向；
外海的常浪向为偏E向。因此，从沙滩所处位置分析，海浪多为E—S向，应是外海波浪传入发生折射和当地发生的波浪共同组成，为风、涌混合浪，以涌浪为主。
2.4 泥 沙
根据工程海域大潮期连续27 h的悬沙测量统计，涨潮流平均含沙量在0.249~0.289 kg/m3，落潮流平均含沙量在0.244~0.266 kg/m3，涨潮流大于落潮流。从含沙量的垂向分布看，平均含沙量均表现为从面层随着水深增加而逐渐增大的趋势。
鲜叠湾内底床泥沙颗粒比一般沙滩细，中值粒径0.006 1~0.283 1 mm，属于淤泥—细沙。从平面分布来看，泥沙粒径由深水区向浅水区逐渐变粗；
从垂向分布来看，深水区表层泥沙较细，表层0.5 m以下逐渐变粗，表明淤泥沉积在原有沙滩上面。浅水区则是表层泥沙较粗，向下逐渐变细，表明波浪进入浅水区域时，底部泥沙搬运量增大，沙滩物质向岸运动并被带到波浪破碎区，最后随上冲水流带到滩面堆积。
2.5 沙滩成因及岸滩演变分析
鲜叠沙滩所在岙口朝向西南，但鲜叠湾口朝向东南，外海波浪经鹿西岛传入到鲜叠湾附近海域，发生折绕射变形传入岙内。现场观测发现，波浪接近滩面时发生破碎，波前峰形成1个小而陡的破碎面，该处水流紊动强烈，极易使细颗粒泥沙悬浮，这些悬浮的细颗粒物质则被离岸流如底流、裂流、落潮流带向外海，这是沙滩存在的主要原因。
塑造鲜叠沙滩的因素主要包括海平面、波浪和潮流，就工程时限而言，海平面的变化可不考虑。外海潮汐主要为西北—东南向的往复流，沙滩所处湾内潮流速很小，对沙滩塑造作用也有限。因此，波浪的强度及出现的频率是维持沙滩的主要因素。
根据鲜叠附近海域1995年（鲜叠大坝修建前）、2009年海图和2015年实测岸线，描绘出鲜叠沙滩附近海域20年来岸线变化情况（见图3）。鲜叠湾附近海域多为基岩岸线，开发活动少，多年来岸线变化较小，变化趋势主要是鲜叠沙滩的岸侧区域整体向海推进：1995年海图岸线显示鲜叠大坝修建前岙内存在面积较大的沙滩；
到2009年鲜叠码头建成，岙内在鲜叠大坝后方的沙滩已经消失；
2015年岸线与2009年相比变化不大。
图3 鲜叠沙滩早期岸线变化图
3.1 波浪数值计算
设计人工沙滩的形态、分析沙滩岸线的稳定以及预测沙滩修复后的岸线变化情况都有必要进行波浪数值模拟计算，了解沙滩及附近海域的波浪分布状况。波浪数值模拟采用SWAN模型，以大陈站和南麂波浪站的波浪条件为边界条件，并采用玉环气象站的实测风速资料。模型网格采用正交曲线网格，E—SE向波浪入射网格见图4（a），S向波浪入射网格见图4（b）。
图4 波浪模型计算范围及嵌套布置图
各计算工况下（以平均大潮高潮位时为例）鲜叠沙滩附近海域有效波高（H13%）及波向分布见图5。由图5可见，E向和SE向的外海波浪传入到鲜叠近海后，受地形影响发生折射，波向大致相同，鲜叠湾外波浪有效波高H13%为0.4~0.5 m，传播到近岸后波高减小，沙滩附近有效波高H13%在0.2 m以下。S向外海波浪入射到鲜叠近海后，波浪基本保持原波向向湾内传播，并在沙滩附近发生折射，鲜叠湾外波浪有效波高H13%约为0.5 m，传播到近岸后波高减小，沙滩附近有效波高H13%在0.4 m以下。综上可知，各方向波浪传播到鲜叠湾海域时有效波高H13%均在0.5 m左右，但E向和SE向外海波浪传播到鲜叠沙滩时由于折射角度较大，波高已经较小，而S向外海波浪基本属于直接入射，传播到鲜叠沙滩时基本还能保持波高大小。
图5 不同方向波浪入射时工程区波浪场分布图（平均大潮高潮位） 单位：m
3.2 潮流数学模型计算
潮流是泥沙运动的载体，根据鲜叠沙滩附近海域的具体情况和所要解决的问题，建立包括鲜叠湾在内的平面二维非恒定潮流数学模型。考虑到工程海区具有岛屿众多、地形复杂的特点，数学模型拟采用无结构计算网格的有限元方法，以准确模拟复杂多变的岸边界（见图6）。工程区域局部加密，网格尺度10~1 500 m。整个计算域布设节点数为28 404个，单元数为54 437个，流场计算时间步长为0.5 s。
图6 潮流模型计算范围图
选取2015年11月27—28日 实测 潮 位 和 潮流数据进行模型验证，验证结果见图7~8。由图7~8可见，无论是潮位过程还是高、低潮位值，计算与实测均符合良好，计算流速过程与实测流速基本接近，流向的模拟值与实测值亦较为一致。
图7 潮位验证曲线图（大潮）
图8 流速、流向验证曲线图（大潮）
工程附近海域的涨、落急流场图见图9。涨潮时潮流自东南洞头洋而来，分为2支：一支流经鹿西岛与大门岛之间的水道，进入乐清湾；
另一支与自坎门东北方向而来的潮流汇合，从鲜叠湾与横址山之间的水道经过，流入乐清湾。落潮流基本与涨潮流方向相反。鲜叠湾与横址山之间的水道流速较大，涨潮时最大流速超过1.0 m/s。鲜叠湾内流速基本在0.8 m/s以下，沙滩附近涨、落潮最大流速在0.5 m/s以内。工程海域为非正规半日浅海潮流，涨、落潮历时差在0.5 h以内，在沙滩前沿水域的涨、落潮流向基本相反，流速较小（0.2 m/s以内），对湾内砂质的纵向输移（即泥沙的沿岸运动）起不到主要作用。
图9 工程附近海域流场图
3.3 鲜叠沙滩修复方案
基于对鲜叠湾海岸地形地貌的认识和潮流、波浪模型模拟的结果，并结合岬湾的静态平衡理论，对鲜叠沙滩修复工程设计布局进行分析研究（见图10）。
沙滩修复平面布置见图10（a），主要包括干滩和滩面2个区域（水下浅滩合并到滩面部分），其中干滩（潮上带）是游人漫步场所，滩面（潮间带）随涨落潮淹没和露出，供游人踏浪以及作为水体景观。鲜叠大坝至-3.00 m高程之间距离只有约160 m，沙滩宽度较小，设计较窄的干滩和水下浅滩，其中干滩宽度为2~10 m，为保证一定的坡度，滩面设计宽度约120 m。铺沙时首先对现有滩面进行碎石和淤泥清理并进行区域整平，然后铺设土工布及碎石垫层，最后铺沙并压实平整。修复后总共形成沙滩面积5.7万m2，其中干滩面积0.4万m2，滩面面积5.3万m2。
图10 鲜叠沙滩修复方案布置图
典型断面见图10（b），干滩（潮上带）的高程设置在4.17 m，宽度约10 m，坡度1∶50，填沙厚度取2 m。由于沙滩起填高程高于现有地形高程，因此需要将原海床适当填充垫层至所需的铺沙高程，垫层主要采用土工布、石料等。
滩面坡度设计为1∶18，宽度120 m，坡顶高程4.17 m，坡底高程-2.90 m，铺沙厚度为1~2 m，坡顶至坡底之间铺沙厚度线性过渡，沙滩外缘与原有海床自然衔接，平均低潮位时会露滩。沙滩修复主要采用海上吹填的方式补沙。
由于鲜叠大坝目前存在渗水、沉降等问题，采用直接铺沙方案首先需对大坝进行防渗和加固处理，当前大坝坝体上存在的渗水管道也需要重新布置，不能直排到沙滩上。
3.4 沙滩修复后预测
大潮高潮位时，堤脚处的高程在水面1.0 m以上，常规海况条件下基本不会发生波浪反射，但在极端海况条件下，大浪有可能冲至堤脚处并反射，形成堤前冲刷坑，从而加剧横向输沙。根据现场调研和波浪模型计算结果，区域内波浪强度分布不均，沙滩西部波能较强，东部较弱，沙滩修复以后可能会发生泥沙由西向东的纵向输移，应注意监测。
鲜叠沙滩平均大潮高潮位下附近海域有效波高（H13%）在0.4 m左右，换算成H4%约为0.5 m，其近岸具有形成沙泥混合型岸滩特征的动力环境，现存的鲜叠沙滩也佐证了该观点。现场调查资料表明，即使当地波浪较强的开敞海域，近岸岸滩呈典型的沙质岸滩特征，但在离岸一定距离的深水区往往也会是细颗粒泥沙，特别是在淤泥质海岸带，深水区床面肯定是细泥。而在一些波能水平较低、滩坡平缓的典型泥质岸滩的高潮位区域也往往存在局部窄长的沙滩带，即使在典型的淤泥质海岸带，也经常可以观察到这种地貌特征。可以说，岸滩存在一个“沙泥分界点”或“沙泥分界线”，并与当地近岸波高条件密切相关。
根据徐啸[1]等人的研究，一般淤泥质海岸岸滩淤泥天然容重多为1.40 g/cm3左右，此时床面泥沙临界扬动波浪摩阴流速为1.62 cm/s。当近岸波高为0.3 m时，对应淤泥扬动水深为1.6 m左右；
近岸波高为0.5 m时，淤泥扬动水深3.0 m左右；
近岸波高为0.8 m时，淤泥扬动水深5.0 m左右。可见，在一定的波浪条件下，深水区易形成淤泥床面，浅水区淤泥较难沉积，并且波浪越强，淤泥的扬动水深越大。
根据鲜叠沙滩波浪计算结果，平均大潮高潮位下近岸波高在0.5 m左右，其淤泥扬动水深为3.0 m；
因此，可以认为沙滩修复以后平均潮位以上的滩面基本不会发生泥化现象，而平均潮位以下的滩面会有一定的泥化发生。
另外，根据国内外沙滩修复经验，铺沙后沙滩平面和剖面在波浪作用下趋于动态平衡状态，但也会发生泥沙流失的风险；
因此需定期对沙滩进行监测，若出现泥沙损失量过大的情况需要进行适量补沙，在工程概预算时需预留沙滩后期维护费用。
鲜叠沙滩分布在海湾湾顶，两侧为基岩岬角，山体临水段均受海浪侵蚀，沙滩的物质来源是海湾两侧及陆上基岩的风化侵蚀物质。沙滩附近海域岸线多为基岩岸线，开发活动少，多年来岸线变化较小，沙滩面积较前减小。
建立了覆盖研究区域的波浪模型和平面二维非恒定潮流数学模型，经数模计算和分析研究，提出不考虑大坝迁址重建情况下的沙滩修复方案，修复后的沙滩主要包括干滩和滩面两部分。干滩宽度2~10 m，坡度1∶50；
滩面宽度约120 m，坡度1∶18。
泥沙横向输移（即泥沙的向岸—离岸运动）计算结果显示，铺沙后的沙质剖面在当前波浪条件下基本处于动态平衡状态，可以判定在常规海况情况下基本不发生离岸横向输移，但可能会发生泥沙由西向东的纵向输移（即泥沙的沿岸运动）。因此，沙滩修复工程完成后应注意定期监测，必要时可在沙滩西部区域进行补沙，同时，沙滩修复以后平均潮位以上的滩面基本不会发生泥化现象，而平均潮位以下的滩面会有一定的泥化风险。
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