一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法与流程

1.本发明涉及海滩养护领域，特别涉及一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法。


背景技术：

[0002][0003]
海滩养护是恢复砂质岸线形态、保护滨海设施及生态的良好手段，其主要通过海滩补砂及建设丁坝、潜堤等构筑物的方法来应对海岸侵蚀。海滩养护现已成功应用在我国各沿海省份，但现行的养护方案和手段仍存在一定改进空间，例如建设构筑物和补砂并不能完全解决沿岸输运影响下的海滩侵蚀问题。此外，随着我国围填海及海洋开发政策的调整，养护工程中离岸堤和丁坝的建设受到了诸多限制，海滩养护所需海砂的价格也持续走高，如何在环境友好的条件下保持养护工程较高的经济性和可持续性也成为了养护工程设计中亟待解决的问题。
[0004]
基于沉积物收支管理的海滩养护策略可以根据海滩的侵淤状态和沉积物的运移和在海岸带系统内调配沉积物，能长期维持海滩存在和海岸线稳定。此类工程已经在一些西方国家逐步开展，并起到了良好的养护效果。但由于地质构造的差异，相比于国外较常见的狭长平直的砂质海岸，我国砂质海岸沙源不足，更多发育在受两端岬角限制的岬湾中，这需要更有针对性的沉积物管理手段。此外，我国砂质海岸建设的人工岛、防波堤等工程较多，这一定程度上将影响沉积物管理活动的开展。同时，针对我国海岸的沉积物管理理论和实践都较为缺乏。在上述背景下，随着我国海岸带治理综合化发展，需要一种结合我国海岸地质及侵淤背景、适合我国砂质海岸状态的沉积物收支管理手段，以此提升海滩养护项目的经济、生态效益与可持续性。因此，申请人提出一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法。


技术实现要素：

[0005]
(一)技术方案
[0006]
本发明通过如下技术方案实现：一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，所述方法包括如下步骤：
[0007]
判断是否适合应用循环养护系统；
[0008]
划分海岸单元并计算沉积物收支；
[0009]
根据海岸侵淤特点确定养护计划。
[0010]
作为上述方案的进一步说明，所述判断砂质海岸是否适合应用循环养护系统判断条件包括：
[0011]
1.海岸需要能够有效阻拦沉积物流失的边界，例如岬湾海岸两端的岬角、向海延伸的码头或丁坝、突出海岸的围填海或围堰等。这类边界可以阻止沉积物向海岸带系统外运移，其将作为海岸单元划分边界和沉积物管理的基础。
[0012]
2.海岸在持续的沿岸输运背景下发生侵蚀，海滩上存在沉积物侵蚀和淤积量大的热点区域。在海滩沿岸输运的过程中，海岸线在上游部分侵蚀向陆后退，下游部分淤积向海推进。如果对这类海滩进行单纯的补砂养护，沿岸输运将导致海滩侵蚀区域的养护砂持续转移到淤积区域，养护效果保持时间短，并且还会加重海岸线局部淤积的情况。
[0013]
3.应用循环养护系统的海岸单元应该尽量闭合，沉积物不向海岸单元外大量流失。具体上，海岸单元内沉积物应以平行于岸线方向的沿岸输运为主，向海方向的输运较少。循环养护主要利用海岸单元内淤积区的沉积物进行养护，如果侵蚀的沉积物大部分向单元外流失，循环养护将缺少能够利用于进行沉积物管理的砂体。
[0014]
4.在现有的海岸工程手段条件下，开展循环养护海岸的沿岸输运强度建议小于2*106/m3/yr。在沿岸输运量较大的海岸，即使海岸单元闭合、沉积物不向外流失，也不适宜进行循环养护。较大的沿岸输运量需要配套建设输运量更强的循环养护系统，而养护成本的提升将增加养护工程难度，减弱经济效益。
[0015]
作为上述方案的进一步说明，所述划分海岸单元具体包括如下步骤：
[0016]
了解养护海岸沉积物输运背景和海岸地貌特征；
[0017]
海岸沉积物输运背景直接影响海岸单元内的沉积物总量，决定养护计划的有效性，因此需要详细收集养护区域输运背景资料，包括自然输砂率和海岸工程的历史。海滩自然条件下的年均输砂率可以由本地潮汐、波浪及沉积物密度、孔隙度等参数通过经验公式计算得到，也可由海岸闭合深度以上多年地形地貌资料的变化计算得到。在缺乏水下地形资料时，通过重复测量海滩地形可以得到一段时间内海滩的体积变化量，从而估计输砂率。对于存在入海口的砂质海岸，河流的沉积物输入也非常重要，同时台风等极端动力事件能明显影响海滩沉积物总量，二者输砂量不能忽视。海岸工程的历史也需要详细掌握，其包括海滩养护、港口疏浚、闭合深度内采砂等影响海岸沉积物量的人为活动，这些活动对海岸地貌的影响往往需要多年才能展现。海岸地貌特征决定单元的闭合程度。岬角、障壁岛等自然地貌，丁坝、离岸堤等人工构筑物的形态，海岸闭合深度的位置等要素影响沉积物向单元外的输运。这些要素的影响可以通过卫星图片、水深测量、数值模拟等方式估计和计算。
[0018]
根据沉积物输运背景及海岸形态特征划分海岸单元；
[0019]
依据海岸区域的范围确定沉积物预算单元等级：海滩沉积物循环养护管理计划建立的基础是海岸单元，因此首先要确定各级海岸单元的等级和边界。海岸单元的等级存在不同划分方案，但大体上都按照范围从小到大的规律划分。本发明划分的单元以有明确边界的海岸为主体，最大范围包括单个海湾或平直海岸，在该范围内海岸单元封闭或接近封闭。等级1单元指范围极小的海岸区域，称为微单元，其在沿岸方向上将海滩划分为多个宽度在数十米至数百米的小区域，主要用于判断海岸沉积物在沿岸方向上运移状态的细微变化，例如侵蚀和淤积热点区域。等级2单元包括多个等级1单元，称为亚单元，是范围在数百至数千米的海岸区域。各个亚单元之间沉积物输运特征不同，而亚单元内的岸段具有类似的侵蚀淤积状态。等级3由多个亚单元组成，长度在数千米以上，称为海岸单元。海岸单元内具有不同的侵淤状态和输运特征。对于岬湾海岸，划分的单元边界应该是封闭的。
[0020]
依据地貌和岸线特征确定沉积物预算单元边界：滨海单元的边界包括固定边界和临时边界，这些边界能够有效阻拦沉积物的沿岸输运。固定边界具有长期稳定的沉积学特征，如港口防波堤或者是由抗风化能力强的岩石组成的岬角，而露出水面的沙坝或障壁岛
在风暴作用下可能受到破坏而不能完整的拦截沿岸输运，因此称其为临时边界。岬湾的海岸单元的沉积过程近似自封闭，在常浪条件下沉积物较少向单元外运移，可以指定岬角作为沿岸输运速率为零的单元边界。沉积物输运背景也是确定单元边界的依据之一：对于平直海岸单元，可以将能拦截沉积物沿岸输运的河口、码头或者已知沿岸输运速率的地点作为单元边界。海岸单元内部的亚单元之间没有沉积物输运路径的中断以及明显的地貌边界，沉积物可以在各个亚单元之间自由运移。这些单元具有相似的海岸动力过程，可以根据不同岸段的侵淤状态以及海岸线形态变化划分亚单元的边界。
[0021]
作为上述方案的进一步说明，所述计算沉积物收支具体包括如下步骤：
[0022]
根据海岸地貌和沉积物输运特征厘清海岸单元内部的沉积物源汇项；
[0023]
根据沉积物源汇项计算沉积物收支。
[0024]
作为上述方案的进一步说明，所述根据海岸地貌和沉积物输运特征确定海岸单元内部的沉积物源汇项如下：
[0025]
在海岸单元内部不封闭的次一级单元中，在一段时间内输入和输出沉积物可以来源于以沿岸输运方式进入单元的沉积物量q
source
、离开单元的沉积物量q
sink
，q
source
还包括河流径流带入、后滨侵蚀崩塌而进入单元的沉积物量，q
sink
包括被波浪、离岸流、风等动力作用沿向海或向后滨方向带离单元的沉积物量；由于海滩养护、航道疏浚等人为活动带入单元的沉积物量p、带出单元的沉积物量r，δv为这段时间内两次海岸地貌测量得到的单元内沉积物体积变化，re为各沉积物源汇项与δv的差值，代表海岸单元的平衡程度，具体请参阅图2。
[0026]
为上述方案的进一步说明，所述沉积物收支公式如下：
[0027]
re＝q
source-q
sink
+p-r-δv
ꢀꢀꢀ
(1)
[0028]
在理想的沉积物收支计算中，每个单元移入和移出沉积物体积的差值(源汇项)应当等于该区域内泥沙体积总量(δv)的变化。因此，在计算了滨海单元内所有源汇项后，re值应该等于零或者在合理的数据误差范围内。但大多数情况下re值并不等于零，这可能是由于部分源汇项的缺失及高程数据的误差导致的。re值越大，海岸单元的沉积物收支越不平衡。
[0029]
图3展示了理想条件下沿岸输运方向向左的一个典型滨海单元，同时此单元向下还分为两个侵蚀淤积状态不同的亚单元。其中滨海单元的左侧边界为沿岸输运速率为零的港口防波堤，右侧没有固定边界。在根据地貌形态和侵淤状况划分单元边界后，根据两期次海滩和水下的dem数据计算沉积物净变化量δv，根据实测或数值模拟结果确定海滩沉积物净输运方向，以及各源汇项数值，最后应用公式(1)得到沉积物收支结果。同时，对于两个中间没有间断的单元，上一个单元末端的沿岸输运量q
sink
可以作为下一个单元首端的输运量q
source
。
[0030]
可以利用沉积物预算确定单元之间缺失的源汇项。例如在图3中，q
source
和δv分别为30
×
103m3/yr、-50
×
103m3/yr，亚单元a、b向海运移的沉积物量q
sink
为-5
×
103m3/yr，而a、b之间的边界上沿岸输运量q
sink
的数值未知。由于该滨海单元沉积物预算中的re值为零，因此可以利用公式(1)估计亚单元a的边界上沉积物输运速率：
[0031]qsource-q
sink
+p-r-δv＝0
[0032]
30-q
sink
+(-5)+0-0-(-50)＝0
[0033]qsink
＝75
×
103m3/yr
[0034]
同理，可以计算出亚单元b潮下带至闭合深度的体积变化率δv为：
[0035]
75-(-5)+0-0-(65+δv)＝0
[0036]
δv＝15
×
103m3/yr作为上述方案的进一步说明，所述根据海岸侵淤特点确定养护计划具体包括如下步骤：
[0037]
确定养护目标；
[0038]
确定养护计划的相关参数。
[0039]
作为上述方案的进一步说明，所述养护目标包括：
[0040]
根据海滩养护的具体目标可以把养护方案分为三类：1、有序后撤，2、保持稳定，3、向海淤进。虽然海岸侵蚀是导致海滩面积缩小的主要原因，但只有当房屋、道路、建筑建设得离水太近时，海岸侵蚀才会真正成为需要解决的问题。有序后撤方案的主要思想是：在开发海岸线时，应该为海岸的自然动力作用过程提供所需要的空间，因此在一些侵蚀严重，养护及构筑物建设不能起到明显效果的海岸，应当将海滨后方的建筑向陆移动，给海岸带的波浪、潮汐等动力让出足够的耗散空间。因此对于此类方案，不需要对侵蚀岸段进行大规模的沉积物输运。如果选择保持岸线稳定的方案，由于养护后海滩将向平衡剖面发展，养护过程中将出现沉积物流失现象，因此向养护区引入的沉积物通常要比岸滩体积的变化量δv更多。对于向海淤近的养护方案，不仅要在满足岸滩的侵蚀量和养护损耗的情况保持岸线稳定，还要包括使岸线向前淤进的额外养护量。
[0041]
作为上述方案的进一步说明，所述养护计划的相关参数包括：
[0042]
(1)沉积物输运量；在确定了养护目标后，养护计划的沉积物输运量主要由侵蚀区单元的侵蚀速率决定。例如在保持稳定的目标下，某个单元一年流失3
×
104m沉积物，一年内参与循环养护的沉积物量应该等于或大于流失的沉积物量。同时，养护量不仅仅由养护区域的海滩侵蚀量决定，也需要考虑具体的养护目标、淤积区能参与循环的沉积物量、养护时产生的额外沉积物流失等因素。在养护区域实际观测资料较少时，可以通过水动力的数值模拟提供有效的沉积物输运信息。
[0043]
(2)沉积物输运路径、沉积物输运时间；根据循环养护系统的原理，沉积物的人工输运方向应与沿岸输运的方向相反。在此基础上，确定合适的沉积物输运路线不仅能降低养护活动对旅游经济和交通的影响，更能减少工程费用、保证施工安全。
[0044]
沉积物输运路线连接取砂区和填砂区，沉积物的输运方向与沿岸输砂方向相反。输运路线的布置需要注意以下几点：在养护区域地貌起伏大且交通不便，卡车、挖掘机等大型设备难以进入作业区时，结合采砂船规划的水上输运路线或直接在海滩上铺设管道，使用泥浆泵输砂是较为合适的。在养护区道路条件不佳、靠近居民区时运送养护砂的卡车频繁进出会占用道路、干扰正常通行，作业时产生的噪音和飞尘也会明显影响周围居民，因此同样不能使用卡车和挖机。沉积物输运路线的始终点应该避开人口密集的地点，例如海滩公园的出入口、观景台、海滩旅游服务业密集的区域，同时应该尽量缩短输运距离以增加效率。
[0045]
输运时间是两次养护事件之间的间隔时间，与输运量类似，输运时间需要根据养护目标制定。对于需要保持岸线和干滩宽度稳定的海滩，可以进行量级小频率高的养护，如采用泥浆泵输砂的方式将每年的沉积物输运量合理分配至每天，旅游海岸可采用此类养护
方案；对于可以接受岸线短暂变化的海岸可以以较长的间隔时间进行沉积物量较大的养护，例如数星期或数月。同时，可以不规定养护时间间隔和沉积物量，例如在冬季浪大海滩侵蚀严重时增加养护频率和量级，或在风暴等极端事件结束后大量输砂以快速修复海滩。由于循环养护不需要一次性进行大量养护，工程每天输送的沉积物可以低至总养护量的百分之一，能显著降低对施工设备的要求。
[0046]
(3)沉积物采砂和抛沙位置。沿岸输运会造成岸线的不均匀侵淤，因此需要在侵淤热点设置取砂区和填砂区以保证岸线稳定。在沿岸方向上，采砂区应该设置在海滩的淤积热点处，在一个阶段的循环养护完成后，砂体能快速回淤，为循环养护提供充足的沉积物来源。通常情况下，海岸和河口淤积的宽阔滩肩往往会吸引较多游客，在这些位置进行抽沙可能危及游客的人身安全，因此采砂区也可以设置在淤积热点的上游侧，在沉积物没有到达淤积区之前就将其输送回养护区，在减少淤积热点沉积物量的同时不会对游客产生干扰。同理，卸载区可以设置在侵蚀热点或侵蚀热点上游处，养护沉积物在向下游侵蚀热点输运的过程中对途经岸段也会产生养护效果。但如果需要快速的恢复侵蚀热点的海滩形态，应直接在侵蚀和淤积热点之间转运沉积物。在向海的方向上，采砂区应设置在剖面淤积速率最大的位置，例如对于前积的反射型剖面一般在滩肩前缘或潮间带有较大的淤积速率。对于没有滩肩的耗散型剖面可以在潮间带取砂，此处波浪与海滩作用显著，采砂后剖面形态恢复速度快。通常情况下用输砂管泵送的沉积物中水和砂的比例在3：1较为合适。在输运至卸载区后，沉积物一部分在原地沉降，另一部分较细的沉积物将在水中悬浮运移并离开卸载位置，因此卸载位置离抽沙位置太近将降低系统的输砂效率，沉积物的卸载位置应该与取砂区域的进水口有足够的距离。对于采砂区和养护区都应该定期进行地貌监测以评估养护效果。
[0047]
通常情况下，自然的沿岸输运会造成港口和航道的淤积，这些需要定期疏浚的沉积物也可以作为良好的循环养护物质，是价格低廉的泥沙来源。但过粗或过细的养护沉积物可能使海滩的旅游条件恶化，同时也因不能适宜本地水动力条件而快速流失。因此使用港口淤积的泥沙养护之前，应该分析砂源与养护区域沉积物物理化学特征的兼容度，确保其适合养护海滩的动力条件和生态系统。
[0048]
(三)有益效果
[0049]
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0050]
本发明提出了一套适合我国海岸的沉积物循环养护系统设计方法，该方法基于沉积物管理，在了解海岸带沉积动力条件的情况下以人为手段对海滩沉积物进行合理分配，充分利用海岸单元内原生沉积物恢复失衡的自然岸线，能够对侵蚀海岸进行长时间、低成本、效果可控的养护。同时，本发明根据海滩养护的特点和目标阐明了循环养护系统的设计原理、设计方法，确定了循环养护系统完整的设计流程以及适宜循环养护的海岸条件。
附图说明
[0051]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0052]
图1为本发明设计方法流程示意图；
[0053]
图2为沉积物收支示意图；
[0054]
图3为典型滨海单元的沉积物收支；
[0055]
图4为海口西海岸沉积物单元划分；
[0056]
图5为海口西海岸沿岸输运情况；
[0057]
图6为海口西海岸各单元循环养护输运路径；
[0058]
图7为五源河口东侧侵淤情况；
具体实施方式
[0059]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0060]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0061]
实施例
[0062]
本实施例主要结合海口湾的海岸状态利用循环养护思路及工程方法确定海口西海岸的沉积物单元及输运状态，最终对南海明珠人工岛造成的海岸侵淤提出合理的解决方案。
[0063]
一、判断循环养护系统的可行性
[0064]
相关研究和工程实例表明,在海湾中填海建设人工岛后,一般将造成人工岛对应岸滩形成向海突出的舌状岸线,而其两侧会出现海岸侵蚀。在海口湾南海明珠岛建设后，人工岛对近岸区域波浪和潮流场的影响十分明显。对于海岸，人工岛遮蔽了东北向的入射波浪，在岛屿后方形成波影区，使后方的岸线发生不均匀的侵蚀和淤积，工程建成后在岛与岸线垂直方向上的波影区内形成不断向海淤进的海滩突出体，在波影区两侧海岸线明显侵蚀。研究和观测发现，该突出体还未达到平衡状态，虽然不至于形成连岛沙坝，但由于人工岛导致的波浪沿岸输沙，突出体将继续向海淤进,直至达到稳定状态。突出体的形成对海口西海岸的海滩环境造成了破坏，波影区外侧海滩侵蚀后退严重，部分区域连后滨海堤也被掏空，但由于沿岸输运的存在，单纯在侵蚀区域补砂不能长时间保持岸线的稳定，养护砂将不断被沿岸流由波影区两侧向突出体输移，这样不仅难以起到养护效果，反而会加剧突出体的向海淤积。海口西海岸海滩东侧为海口港码头，西侧为镇海渔港及新海港码头，两侧可以视为没有输运的海岸单元边界，有合适的沿岸输运速率且难以用常规方式养护，同时作为旅游海滩有着开展养护的充分理由和必要条件，因此该海滩适合开展循环养护系统的实践。
[0065]
二、划分海岸单元并计算沉积物收支
[0066]
海口湾单元划分：
[0067]
根据地貌形态和沉积物运移特征，将海口西海岸划分一个两端封闭的海岸单元，并向下划分了三个亚单元、七个微单元(图4)。
[0068]
西海岸滨海单元的东西边界为游艇码头和镇海渔港防波堤。海口湾东侧的海口港
阻拦了绝大部分沉积物的沿岸输运，与游艇码头之间的岸段干滩极少，沉积物基本不从滨海单元的东端输入。同时游艇码头向海突出，起到了小型岬角的作用，可以认为游艇码头是沉积物沿岸输运为零的边界。滨海单元的西端以镇海渔港防波堤和其他岸段区分开，构筑物的长度为500m左右，能有效拦截沿岸输运的沉积物，同样可以作为无沿岸输运的边界。西海岸滨海单元内细分了亚单元1、2、3共三个次级单元，分别对应表1中的游艇码头至假日海滩、贵族游艇会至新国宾馆、新国宾馆至镇海渔港各岸段。由于这些岸段之间没有明显的沉积物输运间断，主要根据沿岸的年际侵蚀淤积情况和西海岸总体的沿岸输砂方向的不同划分亚单元边界。西海岸岸滩的总体变化趋势为亚单元2堆积、亚单元1、3侵蚀，输砂方向为东西两侧的亚单元1和亚单元3向亚单元2内输运。
[0069]
由于亚单元中的岸段存在不同的演化状态，为方便规划养护路径，按照侵淤的总体趋势将三个亚单元向下划分总计七个岸段，分别对应表1中的海口西海岸各岸段的位置(图4)。同时根据2019至2020年海口西海岸地形测量结果得出各岸段沉积物总量变化，并依照变化量将分为稳定岸段、侵蚀岸段、淤积岸段三类。
[0070]
表1海口西海岸各岸段沉积物变化量
[0071][0072]
沉积物收支计算：
[0073]
海口湾常年受到ne向波浪作用，波浪斜向入射弧形的岬湾海滩。根据数值模拟结果，人工岛的建设导致波影区波能及波高由海口湾两端向中间衰减，入射波发生偏转向波影区岸段汇集。在西海岸的滨海单元内，沿岸输运作用是主要的沉积物输运方式。岸线以及沉积物量的变化情况表明，西海岸滨海单元具有中部淤积、东西两端侵蚀的特点，数值模拟结果显示，滨海单元内部的输砂方向为东西两端向人工岛背后的波影区岸段输砂。在确定了沿岸输砂方向后，基于公式(1)以及表1讨论西海岸各亚单元之间的输运情况(图5)。
[0074]
在西海岸滨海单元中，亚单元2是沉积物主要的汇聚区域，2019-2020年前滨淤积量达到约1.9
×
104m3，而同期亚单元1和3的前滨则分别流失了约1.5
×
104m3及0.9
×
104m3的沉积物。根据数模结果，亚单元1、2边界上净输砂方向由东向西，沿岸输砂量约为1.0
×
104m3/yr，而亚单元2、3边界上净输砂方向由西向东，输砂量约1.25
×
104m3/yr。总体上各亚单元的岸滩沉积物变化量δv与沿岸输砂率大小量级类似，这说明在单元内部的沉积物运移中岸滩的沿岸输运占有较大比重。
[0075]
由于局部沿岸输运状态不同，亚单元内部各岸段侵淤状态的差异更加明显。虽然在亚单元1中岸段3的沿岸长度与岸段1、2的长度相近，但岸段3的变化量约为-1.1
×
104m3，占整个亚单元1沉积物流失量的73％，而岸段1的侵蚀量仅为-0.4
×
104m3，岸段2的沉积物量几乎没有变化。类似的在亚单元3中岸段5也具有较大的沉积物流失量，主要原因是流经人工岛的波浪在波影区附近折射和绕射较强，导致离波影区近的岸段具有更大的沿岸输砂率，产生了更严重的侵蚀现象。此外由于五源河的入海及河口东侧的丁坝对自西向东的沿岸输运产生了阻隔，五源河口西侧的沉积物难以对东侧的侵蚀热点区进行补给，进一步加强了岸段5的侵蚀状况。
[0076]
作为一个两端封闭的沉积物单元，在没有引入新物源的情况下海口西海岸的沉积物预算是平衡的，同时根据海口西海岸近岸多年海底地形监测数据，西海岸剖面侵淤多集中在潮间带，离开滨海单元进入闭合深度以下的沉积物相对较少，可以认为re为零。根据公式(1)计算了滨海单元的沉积物收支：
[0077]qsource-q
sink
+p-r-(δv
前滨
+δv
近滨
)＝0
[0078]
0-0+0-0-(-1.6+1.9+(-0.9)+δv
近滨
)＝0
[0079]
因此，西海岸滨海单元中近滨和外滨的沉积物变化量为：
[0080]
δv
近滨
＝0.6
×
104m3/yr
[0081]
同理，各亚单元相应位置的沉积物变化量为：
[0082]
亚单元1δv
近滨
＝0.6
×
104m3/yr
[0083]
亚单元2δv
近滨
＝0.35
×
104m3/yr
[0084]
亚单元3δv
近滨
＝-0.35
×
104m3/yr
[0085]
结果表明，2019-2020年西海岸单元离开岸滩向海移动的净沉积物约为0.6
×
104m3/yr，这将导致西海岸前滨处于沉积物净流失的状态，在计算养护量时应充分考虑这一因素。
[0086]
在西海岸现有的测量手段不能达到闭合水深，无法确定潮下带以下的地形变化δv
近滨
的情况下，通过估计值得到了预算结果。虽然根据公式确定了西海岸的沉积物预算，但由于对缺少的某些沉积物源汇项进行了假设，这可能导致结果存在一定的误差。同时五源河的入海沉积物量由于缺乏实测资料因此没有计算在q
source
中，尽管其流域小、河口流量不大且含沙率低，引入滨海单元的沉积物少，但仍是需要注意的沉积物源之一。虽然这些因素往往不是沉积物预算的主要组成部分。但为了更准确的评估西海岸滨海单元的沉积物预算，在未来的工作中，加深剖面测量的深度、测量五源河口的输砂量并补充计算q
source
及q
sink
是尤为重要的。
[0087]
尽管根据现有调查数据计算的输运量存在少数不可避免的误差，但沉积物变化及沿岸输运的量级大小符合数值模拟和岸线的计算结果，并不影响循环养护方案的设计。同
时，在国外海滩管理实践中，通常不会直接实施完整的养护方案，而是在项目开始初期进行小规模的养护测试，通过监测海滩对养护过程的响应状态来继续完善后续实施的养护方案。
[0088]
三、根据海岸特点确定养护计划
[0089]
合适的输运计划能够大大提升养护工程的效率和经济性，因此需要合理安排养护计划的各种要素。根据海口西海岸沉积物预算中各源汇项的情况，结合养护区域的道路交通、旅游、经济情况规划了输运路径、输运设备、养护量、作业时间等具体的循环养护沉积物输运计划。
[0090]
(1)输运路径
[0091]
沉积物的输运路径受到游客、道路情况、养护沉积物种类等多种因素的限制。根据西海岸实际情况，规划了亚单元中各岸段之间的养护路径(图6)。
[0092]
表2各循环输运路径布置情况
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循环养护的特点是按沿岸输砂的反方向确定养护路径，因此根据岸滩总体的侵蚀状态在岸段3和岸段4、岸段4和岸段5之间内布置了两条相反于输砂方向的主要养护路径i、ii，以及岸段6岸段7之间的次要养护路径iii(表2)。根据剖面的形态特征变化，岸段4的剖面主要在干滩和潮间带上部淤积，因此养护路径i、ii的取砂点可以选择在岸段4西侧干滩宽度较大的位置。养护路径i在岸段1、岸段3分别设置了两个沉积物卸载区，考虑到岸段3的干滩每年产生了近1.1
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104m3的侵蚀量，远大于岸段1，因此在开展养护时应该优先对岸段3输送沉积物。由于岸段5附近的输砂方向是自西向东，将养护路径ii的卸载点设置为岸段5的最西侧，以最大程度减缓此处干滩的流失。
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岸线及卫星图像显示(图7)，岸段5已面临着严重的侵蚀，干滩基本已经侵蚀殆尽，而岸段6岸滩的潮间带、潮下带由于五源河口的作用淤积明显，淤积区与岸段5的侵蚀区距离极近，因此可以考虑将五源河口作为沉积物的储备区，在风暴等其他动力条件结束后可以就近对岸段5进行养护。五源河口潮间带的淤积速率大于岸段7西端侵蚀的速率，因此将养护路径iii的取砂区设置在此处能够满足将河口沉积物向西转移到的镇海渔港岸段侵蚀处的养护计划。同时可以拆除五源河口东侧的丁坝，以改善河口向东的沿岸输运能力，减缓岸段5的侵蚀情况。
[0096]
根据养护目标和海滩沿岸输运状况，可以确定养护路径上需要搬运的沉积物量。在保持岸线稳定的循环养护目标下，各养护路径每年需要转移的沉积物量为：养护路径i补充岸段1、3的侵蚀量约1.5
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104m3；养护路径ii补充岸段5的侵蚀量约1.1
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104m3；养护路径iii补充岸段7的侵蚀量约0.65
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104m3[0097]
2019-2020年亚单元2内淤积的沉积物量仅为1.9
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104m，在保持淤积区岸线位置的情况下不足以对亚单元1和3进行循环养护，需要考虑将亚单元2内2019年之前已经淤积
的沉积物纳入循环养护的范畴，或者在循环养护时引入外部砂源。
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(2)养护位置和养护量
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根据不同单元的沉积特征，取砂区需要设置在剖面上淤积强度较大的位置。例如在五源河口附近，沉积物主要在潮间带下部淤积，虽然单元内沉积物量增加，但岸线增长缓慢，而人工岛波影区主要在潮间带上部淤积，干滩宽度增加较快，因此取砂区应该设置在剖面上主要的淤积位置，在养护结束后有利于取砂区岸线的自然恢复过程。针对不同的养护需求可以变化沉积物卸载点的位置，在需要较快增加被养护区干滩宽度时，沉积物卸载点设置在潮间带较为适合，潮间带水动力较强，长期的波浪作用有利于干滩宽度的恢复。在需要增加干滩高程但干滩较为稳定、水动力作用较弱的岸滩可以直接将卸载点放置在潮上带，结合推土机等机械设备进行滩面平整能取得更好效果。海口西海岸的波浪作用明显，在潮间带卸载沉积物是较为适合的。
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此外，西海岸沿岸方向上中值粒径变化不大，采砂区和抛沙区的干滩、潮间带、潮下带的中值粒径均在0.4mm上下波动，因此在离岸方向上选择不同位置进行沉积物的采集和卸载不会对养护岸段造成明显影响。虽然附近的海口港会定期对航道进行疏浚，但疏浚的底质多为粘土质粉砂、粉砂质粘土，不适宜用于海滩养护。
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(3)养护方式
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根据上养护量计算结果，西海岸滨海单元下各亚单元之间所需的养护量在每年一到两万方之间，量级上适宜采用卡车或者半固定式设备养护。由于输运路径1的总长度近5.4km，使用半固定式设备将需要较长的管道、添置多个增程水泵，在养护路径如此长的情况下，半固定式设备的系统可靠性将大大降低，在拟输运的沉积物量不高的情况下并不经济。同时，养护路径i上道路交通条件良好，运输车辆取砂后仅需行驶200m即进入滨海大道，可以较为便捷的到达卸载区；考虑到运砂车辆可能会对道路交通或周边环境产生影响，也可以使用采砂船进行养护。因此养护路径i适宜采用卡车、船只等移动式循环养护方法。输运路径ii的长度约1.1km，较短的输运距离适合采用半固定式设备。同时待养护区域干滩几乎消失，向岸方向上还存在喜来登、黄金海岸花园等封闭式的酒店和居民区，主干道上的卡车等机械设备难以直接到达滩面上作业，因此输运路径ii适宜采用水泵和管道的半固定式设备，或者采用小型挖沙船由水上路线对侵蚀单元进行养护。养护路径iii上干滩较宽且游客较少，直接使用机械设备在海滩上搬运沉积物较为适合。
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(4)养护时间
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根据表1，海口西海岸海滩在冬季侵蚀，夏季回淤，且冬季侵蚀量大于夏季淤积量，因此在冬季大浪时开始养护有助于保持岸线的稳定。对于旅游来说，春末夏初为海口市旅游的淡季。海口西海岸每年的4-7月气温升高，游客人数明显降低，同时暑期旅游尚未开始，也适宜开展养护工作。研究表明，海滩游客的数量随气温变化呈现上午升高、中午下降、傍晚上升的趋势。具体到每天的养护时间上建议在上午的较早时段或中午开展养护，以减小对游客的干扰程度。
[0105]
本发明提出了一套适合我国岬湾海滩的沉积物循环养护系统设计方法，该方法基于沉积物收支管理，在了解海岸带沉积动力条件的情况下对海滩沉积物进行人为分配，充分利用海岸单元内原生沉积物恢复失衡的自然岸线，能够对侵蚀海岸进行长时间、低成本、效果可控的养护。同时，本发明根据海滩养护的特点和目标阐明了循环养护系统的设计原
理、设计方法，确定了循环养护系统完整的设计流程以及适宜循环养护的海岸条件。
[0106]
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：判断海滩是否适合应用循环养护系统；若适合，则对海滩划分海岸单元并确定沉积物收支；根据海岸侵淤特点确定养护计划。2.根据权利要求1所述的一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，所述判断海滩是否适合应用循环养护系统判断条件包括：明确的海岸边界、合适的沿岸输运背景和动力条件、闭合的海岸单元、海滩循环养护技术的适宜程度。3.根据权利要求1所述的一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，对海滩划分海岸单元并确定沉积物收支具体包括如下步骤：根据沉积物输运背景及海岸形态特征划分海岸单元；根据海岸地貌和沉积物输运特征厘清海岸单元内部的沉积物源汇项；依据沉积物源汇项计算沉积物收支。4.根据权利要求3所述的一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，所述根据沉积物输运背景及海岸形态特征划分海岸单元具体包括如下步骤：依据海岸区域的范围确定沉积物预算单元等级；依据地貌和岸线特征确定沉积物预算单元边界；所述根据海岸地貌和沉积物输运特征确定海岸单元内部的沉积物源汇项具体包括：所述沉积物收支公式如下：re＝q
source-q
sink
+p-r-δv其中，q
source
、q
sink
为沿岸输运进出单元的沉积物，还包括河流及风带入和带出单元或从闭合深度进入和离开海岸的沉积物量；δv为单元内沉积物量变化；p、r是人为造成的沉积量变化；re为各沉积物源汇项与δv的差值，代表海岸单元的平衡状态。5.根据权利要求1所述的一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，所述根据海岸侵淤特点确定养护计划具体包括如下步骤：确定养护目标；确定养护计划的相关参数。6.根据权利要求5所述的一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，其特征在于，所述养护目标包括：有序后撤、保持稳定、向海淤进；所述养护计划的相关参数包括：沉积物输运量、沉积物输运路径、沉积物输运时间、沉积物采砂和抛沙位置。

技术总结
本发明公开了一种岬湾海滩沉积物循环养护系统设计方法，属于海滩养护领域；所述方法包括如下步骤：判断海岸是否适合应用循环养护系统；划分海岸单元并计算沉积物收支；根据海岸侵淤特点确定养护计划；本发明提出了一套适合岬湾海滩的沉积物循环养护系统设计方法，该方法基于沉积物收支管理，在了解海岸带沉积动力条件的情况下对海滩沉积物进行人为分配，充分利用海岸单元内原生沉积物恢复失衡的自然岸线，能够对侵蚀海岸进行长时间、低成本、效果可控的养护。同时，本发明根据海滩养护的特点和目标阐明了循环养护系统的设计原理、设计方法，确定了循环养护系统完整的设计流程以及适宜循环养护的海岸条件。宜循环养护的海岸条件。宜循环养护的海岸条件。


技术研发人员：戚洪帅 肖哲宇 蔡锋 刘根 赵绍华 雷刚 曹超
受保护的技术使用者：自然资源部第三海洋研究所
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/12