第1章　海岸侵蝕與防護研究

1.1　海岸侵蝕

隨著全球海平面上升、人類對海岸帶開發力度的加強和依賴程度的提高,海岸侵蝕和岸線后退逐漸成為威脅海岸帶人類生存和生活環境的主要因素(Williams等,1990)。海岸侵蝕及防護日益受到海岸地貌研究者和工程師們的廣泛關注,并逐漸積累了豐富的研究成果和實踐經驗。然而由于海岸侵蝕本身在時空尺度和區域特征等方面存在較大差異,而且屬于多種學科共同關注的問題,調查研究的重點和方法等各有不同。

1.1.1　海岸侵蝕的認識

侵蝕和堆積是地貌過程的主旋律。在海岸帶,侵蝕和堆積也是海岸演變的基礎過程,并以岸線蝕退和淤進為主要表現形式。人類認識海岸演變開始于對海岸侵蝕的認識,因為海岸侵蝕是海岸變化的主要內容之一,且岸線的蝕退直接威脅人類的主要生存場所——陸地(Carter R.W.G.和Woodroffe C.D.,1997)。海岸侵蝕的認識長期以來被當作海岸演變研究的重要部分。在西方的文藝作品中海岸侵蝕多被描繪為海洋和陸地競爭中海洋優勢的體現,在這種競爭中人類通常是站在陸地的一方,不過人類也經常有意無意地幫助大海(Mitchell,1974)。同時由于海岸侵蝕涉及面廣、時空尺度差異大以及區域性變化等特征,對海岸侵蝕也因不同的層面和尺度有著不同的理解,概括如下:

(1)地質與地貌學角度。海岸侵蝕是海陸相互作用中海洋絕對優勢的表現,是海洋動力對海岸地貌的塑造過程,人為因素只能延緩或加速其進程,并不能從根本上改變或逆轉這一自然過程,認為海岸侵蝕似乎不可避免(Komar P.D.,1999)。

(2)工程科學角度。海岸侵蝕是波浪和水流等動力作用下海岸泥沙運動的結果,只要人類對這一自然過程有充分的認識和理解,海岸侵蝕是可以預見和調控的,同時強調工程措施可以在很大程度上緩海岸侵蝕(不一定完全阻止)(Mitchell,1974,Furuseth等,1984)。

(3)生態學角度。海岸過程是海洋和陸地之間的勢均力敵的戰斗,難分勝負。海岸侵蝕既是原有生態系統的破壞也是新生態系統建立的過程,人類的干預只能使情況變得更糟(Mitchell,1974;Morgan R.等,1993)。

無論從哪個角度,海岸侵蝕都是一個海陸相互作用的自然過程,但隨著經濟社會和科學技術的發展,人類已越來越多地參與到這一過程中來(De Vriend,1991;Larsonand-Kraus,1995;Rozynski F.,2005)。再加上海岸侵蝕的區域性差異和時空尺度的不同,使海岸侵蝕問題更加復雜。同時因為海岸侵蝕是一個動態變化的過程,一般認為長期處于強烈侵蝕的海岸,其短期和局部的淤蝕過程并非一成不變,甚至經常表現出截然相反的動態過程。不同時期、不同岸段或岸灘不同地貌部位的侵蝕過程和造成侵蝕主導因素更是千差萬別。可以說海岸侵蝕是一個已經有人類廣泛參與的自然過程,但在認識這一過程的同時需強調其區域性特征差異、時空尺度差異和動態變化特征等(Komar P.D.,1999)。

1.1.2　海岸侵蝕的影響因素及其相互作用

海岸侵蝕的影響因素繁多,加之各因素之間的相互影響和作用,難以用簡單的模式加以概括。根據不同的理解層面,海岸侵蝕的影響因素分為自然因素和人為因素(Bruun,1972,引自Silvester和Hus,1997)、大尺度和小尺度因素(包括時間和空間尺度)(Komar P.D.,1999)、主要因素和非主要因素(Silvester D.和Hus J.R.C.,1997)、直接因素和間接因素等。

就自然因素而言,可以歸納為氣候、沉積物收支、營力作用、相對海平面變化等。這幾方面加上各種人為因素,共同控制著海岸的淤蝕動態。Wright和Thom(1977)指出,由于控制海岸演變的因素繁多且存在相互作用,同時海岸演變對這些因素也有著一定的反作用,因此各因素以及海岸演變本身之間多存在“先有雞還是先有蛋”的問題。對海岸侵蝕影響因素的認識有必要從各因素之間的相互作用出發,通過歸類并強調主導因素,揭示各自在海岸侵蝕中的作用(圖1.1)。

1.1.3　海岸侵蝕的時空尺度

地學研究領域中,因時間、空間尺度的差異,對各研究主題的焦點也有所不同。在過去數十年中,探討營力過程的海岸動力地貌學,多將焦點放在“瞬時”和“事件”這種短時空尺度的探討(Cowell和Thom,1994)。因為海岸地區不規則的突發性事件(如臺風等)所產生的改變,對海岸地貌變化的影響程度往往比有規律的周期性變化更為劇烈,但海岸地貌會在這種長周期變化中表現出具有某種可回復性的循環過程。

Komar P.D.(1999)指出,認識海岸侵蝕必須考慮不同的時空尺度,因為海岸侵蝕研究不但包括了波浪和水流作用下泥沙運動的機理這種小尺度的內容,同時也包括了構造運動和海面變化等大尺度過程(圖1.2)。但人們一般多傾向于關注風暴等直接因素(immediate causes)造成的海岸侵蝕,并采取修建海堤、防波堤和養灘等簡單的解決方案,而這些補救式措施(band-aid fix)往往很少考慮到影響海岸侵蝕的一些潛在的、大時空尺度因素。

沉積物在橫剖面上的搬運以及通過數值模式模擬海灘剖面對海岸營力變化的反應等研究方面有了長足進步。但這都屬于小到中尺度的研究范疇。近數十年來的大量研究多局限于這樣的時空尺度,直到最近才開始有部分針對大尺度因子的研究。

1.1.4　海平面上升的海岸形態響應

當人們意識到全球變暖導致海平面上升及其危害之后,對海平面上升等大尺度因素造成的海岸侵蝕開始得到較多的關注(施雅風,范建華,1990;Yang G.S.,1995;List J.H.等,1997),研究對象主要集中在海平面上升與海岸形態響應等方面。應用歷史記錄方法估算海平面上升海岸形態響應的前提條件是:海平面變化是海岸演變的主要因子,其他相關環境因素在估算期內相對穩定。該方法尤其適合于研究相對均質的海岸,其中最經典的模式就是Bruun等(1962)通過大量實地調查和模擬研究得出了海平面上升與岸線蝕退范圍之間的關系,即Bruun定律。認為微小的海平面上升可以造成海岸大范圍的蝕退,并主張海灘平衡剖面。其內容主要有3點:①海平面上升,海灘上部受侵蝕;②侵蝕下來的泥沙堆積于近濱(Nearshore)海底,維持海灘平衡剖面;③近濱海底因泥沙堆積加高的高度等于海平面上升量,故近濱地帶的水深不變。這一定律已被廣泛采用,其應用已由下凹剖面發展到有岸外水下沙壩及整個堡島系統,從二維剖面到三維剖面,從理論模式到野外實地論證,從砂質海岸向淤泥質海岸引申(陳西慶等,1998)。

1.1.5　人類活動與海岸侵蝕

幾乎所有海岸侵蝕的研究都會考慮人類活動的影響,因為海岸過程都越來越多地受到人為的控制和影響。造成海岸侵蝕的人為因素主要有兩種類型:一是對海岸資源的直接索取(海岸資源的開采);二是試圖控制自然過程從而導致的海岸變化(Carter等,1997)。人們可以有意無意地覺察到對海岸資源直接開采所造成的海岸侵蝕現象,許多人為改變自然過程所產生的結果常常是難以預見的,但隨著時間的推移,這種影響也會逐漸暴露出來。因為海岸演變的歷史是和流域變化及其為海岸的供沙系統改變緊密聯系的。Milliman等(1992)的研究認為,過去數百年間,全球各流域對海岸的供沙系統發生了巨大的變化,這與其間大規模的森林開采、荒地開發、流域治理等有著密切的關系,這些流域的供沙正是許多河口和海岸免遭侵蝕的物質保障。20世紀初以來,流域治理越來越受到重視,特別是水土保持力度的加大和大量水庫的新建使土壤侵蝕和輸送不再自由。

水庫修建的目的一般是發電、灌溉和防洪等,近數十年來其巨大的環境效益逐漸受到重視,三角洲海岸因水庫建設導致泥沙來源減少而侵蝕后退的現象并不少見。如尼日爾河曾以1.24億t/a的輸沙率向海岸供沙,由于阿斯旺水壩(Aswan High Dam)的修建,超過10%的泥沙被其攔截,尼日爾三角洲開始侵蝕后退(Stanley和Warne,1998);在西班牙,由于20世紀60年代Ribarroja-Mequinenza水庫組合的修建,使埃布羅(Ebro)河大約96%的泥沙淤積在水庫中,導致三角洲淤進停止和附近海岸侵蝕后退(Sanchez-Arcilla等,1998);同樣由于流域內的人為影響,密西西比河的泥沙輸送量在1963—1989年間下降了約40%,并被認為是導致密西西比三角洲海岸侵蝕的主要原因(Coleman、Roberts和Stone,1998);我國北方的灤河1979年以來由于引灤工程的實施,河流供沙減少95%,使三角洲以平均6m/a的速率后退,在河口附近最大蝕退速率高達300m/a(錢春林,1994);黃河曾是世界上三大供沙河流之一,但近年來入海流量大大減少,甚至經常斷流,如1997年共有330d無水入海,下游斷流河道最長可達700km,利津站20世紀90年代末的泥沙通量僅為20世紀50年代的約1/60(Chen J.Y.和Chen,S.L,2002;王穎等,1998);同樣由于長江來沙減少,長江水下三角洲的淤積速率由1958—1978年間的0.38m/a降低到1978—1997年間的0.08m/a,淤積速率減小要比泥沙來源減小快得多。三峽工程和南水北調工程的實施使長江供沙減小到約1.6億t/a,遠遠低于維持長江水下三角洲不受侵蝕的2.6億t/a,三角洲的侵蝕在所難免(Yang S.L.等,2003)。

人工挖掘海岸泥沙是目前全世界非常普遍的現象,由此所致海岸直接侵蝕的例子比比皆是。Msangi J.P.等(1988)指出,坦桑尼亞海岸為修筑海濱賓館而大量開挖沿海泥沙,立即導致海岸的迅速蝕退,其他原因引起的海岸侵蝕遠沒有如此直接和顯著。Borges等(2002)對葡萄牙亞述爾群島的Santa Barbara海灘的侵蝕研究認為,由于過度采砂,該海岸過去的地貌、泥沙和動力格局被打破,海岸由基本穩定轉化為強烈侵蝕。張忍順等(2002)也曾指出,人工采砂是江蘇海洲灣砂質海岸侵蝕的主要原因。此外,遼寧旅順柏嵐子海岸的砂礫堤,山東黃縣、福建東山灣和湄洲灣的沙灘,江蘇繡針河口的老虎沙均因人工開采而造成強烈侵蝕(季子修,1996;蔡鋒等,2005)。

另外,溫室氣體排放導致全球變暖和海面上升以及海岸帶抽取地下水導致地面下沉(表現為相對海面上升)間接引起海岸侵蝕加劇也已成為公認的事實,并在海平面上升引起海岸侵蝕方面成為關注的焦點問題之一。不恰當的海岸工程設施也可以導致或誘發局部侵蝕現象。

1.1.6　泥沙運動與海岸侵蝕

海岸工程師多從波浪、水流作用下的泥沙運動特性方面認識和研究海岸侵蝕和岸灘演變。由于泥沙運動是海岸侵蝕過程的最后環節,從泥沙運動機理上認識和研究海岸侵蝕得出的結論和趨勢預測似乎會更可能接近實際情況。不過由于測量資料和研究手段本身的局限性,類似的研究多用于海岸局部變化或解決一些實際的工程問題。其研究范疇主要包括兩個方面,即泥沙運動和岸灘形變。

1.1.6.1　波、流作用下的泥沙運動規律

泥沙起動、搬運和沉降是海岸侵蝕和岸灘形態變化的主旋律,泥沙運動規律的研究也主要集中在這些方面。

1.泥沙起動

泥沙起動是泥沙運動研究的基礎課題,也是認識泥沙運動的關鍵所在。水流作用下的泥沙起動研究已有上百年的歷史,試驗研究和理論分析的成果和公式相對較多。根據研究的出發點和表達形式,起動流速公式主要可以歸結為由流速(平均流速或底流速)、功率和底部剪切應力表示。如Shields(1963)(引自Buffington,1999)通過大量試驗研究得出泥沙起動臨界剪切應力公式,并根據公式繪制出著名的Shields曲線。該公式和曲線被后人廣為應用并加以修正,而且被推廣應用到波浪作用下的泥沙起動研究(Madsen等,1976)。

對于大多數的海岸侵蝕而言,波浪掀沙和潮流輸沙一般被認為是泥沙運動的主要形式。與水流作用下泥沙運動研究相比,由于波浪傳播過程中的水質點運動本身的復雜性,波浪作用下泥沙運動的研究起步要晚得多,而且很多都是以水流作用下泥沙運動研究為基礎。例如,Madsen(1976)總結前人的研究成果,將單向水流Shields泥沙起動標準曲線引入到波浪條件,將各振蕩流作用下泥沙起動試驗資料換算成Shields參數,認為單向水流條件下泥沙起動Shields曲線也適用于振蕩流條件。迄今為止,波浪作用下泥沙起動公式有數十種,這些公式大多是通過水槽試驗和理論推導得出的,各有適用條件和局限性,在實際應用中必須考慮研究對象的特性和公式的適用性。

波、流共同作用下的泥沙起動也是泥沙運動研究方面備受關注的基本問題。但由于波浪和水流共同作用時的流態異常復雜,無論從機理上還是應用上,離實用要求尚有相當大的距離。不過近年來國內外不少學者對波浪共同作用下的泥沙運動進行了有益的探討。一般的做法還是通過合成波浪和水流各自對海床的底部剪切應力進行計算,不過由于對波浪和水流疊加的機理和疊加后的流態變化認識有限,計算結果有待進一步驗證。

2.輸沙率

輸沙率的計算是判斷海岸泥沙收支平衡與否的主要依據,也是判斷海岸是否侵蝕和侵蝕強度的基礎。輸沙率計算一般包括“總輸沙率(總量計算)”、“動力計算”和“逐時計算”3種主要途徑。

總量計算一般用于估算總的凈輸沙量。計算中不區分推移質和懸移質,多用于沿岸輸沙率的計算。目前海岸工程普遍采用的CERC(美國海岸工程研究中心)公式就是基于這種方法得出的經驗公式。

動力計算方法是用海岸動力與輸沙率之間的經驗和半經驗關系建立公式。海岸動力因素通過輸沙率計算公式中與動力相關的參數加以考慮,此類輸沙率計算公式是將推移質和懸移質分別考慮的。就推移質而言,水流作用下的推移質輸沙率計算相對成熟并已得到廣泛應用,波浪作用下推移質的輸沙率研究相對滯后。對于懸移質而言,由于泥沙運動更為復雜,目前主要研究推移質泥沙運動的機理、含沙量垂線分布等方面,但缺乏足夠的現場資料對比,很多情況下其計算精度難以保證。

逐時計算輸沙率是隨著計算機技術的廣泛應用而發展起來的,這種方法主要用來計算懸移質輸沙率,計算式的基本形式為

這種計算輸沙率的方法是進行岸灘形變計算的理論基礎之一。

1.1.6.2　侵蝕性海岸平衡剖面

由于人們觀察到在水動力(波浪和潮流)和泥沙特征相似的情況下海灘剖面形態也具有一定的相似性,從而引出了海岸平衡剖面的概念。研究平衡剖面的關鍵問題在于:①平衡剖面存在的證據;②平衡剖面形態的計算;③達到平衡剖面所需的時間。從19世紀末期提出平衡剖面這一概念以來,許多學者針對上述問題提出一系列關于平衡剖面的解釋,根據考慮的不同角度,這些解釋可以分為以下幾類:①中立點假設;②海岸等級理論;③海岸剖面平行進退;④沿剖面方向零輸沙;⑤海岸剖面形態的冪次方程表達;⑥數學、物理模型模擬海岸演變(Gao S.和Michael C.,1998)。

對于最終的平衡剖面表達形式,一般認為是海岸零輸沙(沿岸和沿剖面均無凈輸沙),即

如果以泥沙總量守恒為基礎,瞬時床面變化可用輸沙率梯度表示為

其中的第一項(δh/δt)代表沉積或侵蝕率,是床面變化的決定性因素,當該項為零時,海岸剖面達到平衡。這樣的平衡剖面只有在達到最終階段的侵蝕性海岸才有可能實現。在海岸侵蝕的初始階段,由于泥沙的流失,灘面逐漸降低,隨著灘面的下蝕和水深加大,波浪對海底的作用力逐漸減弱,當剖面各點水深達到波浪不能起動泥沙時便達到了上述平衡剖面。

穩定的平衡剖面需要滿足兩個條件:①海岸過程存在負反饋機制(即當控制海岸剖面形態的一個動力因素因某種原因而加強時,將會促使一系列的其他因素發生變化,這些變化反過來可以抑制其進一步加強);②這種反饋機制同樣控制著海岸系統的其他過程(Gao S.和Michael C.,1998)。對于以波浪作用為主的砂質海岸,波浪作用加強會使剖面下蝕、水深加大,從而顯著減小波浪對海床的作用。但對于以潮流作用為主的淤泥質海岸(特別時開敞型淤泥質海岸),剖面下蝕和水深加大并不能明顯減小潮流對海床的沖刷,負反饋機制不甚顯著,因此海岸剖面難以達到平衡。不過平衡剖面的研究思路仍常常被用來預測海岸未來的發展趨勢。

1.1.7　海岸侵蝕與岸灘變異

海岸的侵蝕本身就是海岸地貌、物質組成、動力格局甚至海岸性質的變化過程。一般對海岸侵蝕的研究多關注侵蝕過程中的地貌和動力格局等容易被覺察的變化過程,但對于一些緩慢的變化,如沉積物組成,僅在一些研究和論著提到海岸侵蝕中沉積物粗化的現象(Silvester R.等,1997;王艷紅等2003)。

對于淤泥質海岸,其形成過程是大量泥沙供給的結果,海岸侵蝕是泥沙來源不足引起的泥沙流失。但由于在淤泥質海岸形成過程中大量泥沙的供給削弱了波浪對沉積物的分選,使淤泥質海岸的組成物質變化幅度較大(分選較差)。在侵蝕過程中,波浪和潮流對沉積物進行侵蝕的同時也對其做進一步的分選,泥沙起動后細顆粒部分被輸送到其他區域的可能性更大,而相對較粗顆粒的泥沙就地或在附近重新落淤,從而導致侵蝕過程中沉積物的粗化。隨著侵蝕過程的進行,粗化現象進一步發展,甚至可使海岸性質發生變化(如由淤泥質海岸過渡到砂質海岸)。

泥沙在海岸動力地貌過程中起著重要作用,海岸侵蝕和地貌變化甚至動力格局都會受到海岸組成物質的影響。在蘇北廢黃河三角洲海岸的侵蝕過程中,海底普遍不連續分布有侵蝕殘留粗化層,這對抑制海岸進一步下蝕有著重要的作用(虞志英等,2002)。在廢黃河三角洲侵蝕性海岸南側(射陽河口—斗龍港口)以及呂四侵蝕性海岸南側(蒿枝港—塘蘆港)的淤蝕過渡段,盡管海岸侵蝕只發生在低潮灘(高潮灘淤長),但侵蝕部位的泥沙粗化現象已經非常明顯(王艷紅等,2003)。