第1章　海岸侵蚀与防护研究

1.1　海岸侵蚀

随着全球海平面上升、人类对海岸带开发力度的加强和依赖程度的提高,海岸侵蚀和岸线后退逐渐成为威胁海岸带人类生存和生活环境的主要因素(Williams等,1990)。海岸侵蚀及防护日益受到海岸地貌研究者和工程师们的广泛关注,并逐渐积累了丰富的研究成果和实践经验。然而由于海岸侵蚀本身在时空尺度和区域特征等方面存在较大差异,而且属于多种学科共同关注的问题,调查研究的重点和方法等各有不同。

1.1.1　海岸侵蚀的认识

侵蚀和堆积是地貌过程的主旋律。在海岸带,侵蚀和堆积也是海岸演变的基础过程,并以岸线蚀退和淤进为主要表现形式。人类认识海岸演变开始于对海岸侵蚀的认识,因为海岸侵蚀是海岸变化的主要内容之一,且岸线的蚀退直接威胁人类的主要生存场所——陆地(Carter R.W.G.和Woodroffe C.D.,1997)。海岸侵蚀的认识长期以来被当作海岸演变研究的重要部分。在西方的文艺作品中海岸侵蚀多被描绘为海洋和陆地竞争中海洋优势的体现,在这种竞争中人类通常是站在陆地的一方,不过人类也经常有意无意地帮助大海(Mitchell,1974)。同时由于海岸侵蚀涉及面广、时空尺度差异大以及区域性变化等特征,对海岸侵蚀也因不同的层面和尺度有着不同的理解,概括如下:

(1)地质与地貌学角度。海岸侵蚀是海陆相互作用中海洋绝对优势的表现,是海洋动力对海岸地貌的塑造过程,人为因素只能延缓或加速其进程,并不能从根本上改变或逆转这一自然过程,认为海岸侵蚀似乎不可避免(Komar P.D.,1999)。

(2)工程科学角度。海岸侵蚀是波浪和水流等动力作用下海岸泥沙运动的结果,只要人类对这一自然过程有充分的认识和理解,海岸侵蚀是可以预见和调控的,同时强调工程措施可以在很大程度上缓海岸侵蚀(不一定完全阻止)(Mitchell,1974,Furuseth等,1984)。

(3)生态学角度。海岸过程是海洋和陆地之间的势均力敌的战斗,难分胜负。海岸侵蚀既是原有生态系统的破坏也是新生态系统建立的过程,人类的干预只能使情况变得更糟(Mitchell,1974;Morgan R.等,1993)。

无论从哪个角度,海岸侵蚀都是一个海陆相互作用的自然过程,但随着经济社会和科学技术的发展,人类已越来越多地参与到这一过程中来(De Vriend,1991;Larsonand-Kraus,1995;Rozynski F.,2005)。再加上海岸侵蚀的区域性差异和时空尺度的不同,使海岸侵蚀问题更加复杂。同时因为海岸侵蚀是一个动态变化的过程,一般认为长期处于强烈侵蚀的海岸,其短期和局部的淤蚀过程并非一成不变,甚至经常表现出截然相反的动态过程。不同时期、不同岸段或岸滩不同地貌部位的侵蚀过程和造成侵蚀主导因素更是千差万别。可以说海岸侵蚀是一个已经有人类广泛参与的自然过程,但在认识这一过程的同时需强调其区域性特征差异、时空尺度差异和动态变化特征等(Komar P.D.,1999)。

1.1.2　海岸侵蚀的影响因素及其相互作用

海岸侵蚀的影响因素繁多,加之各因素之间的相互影响和作用,难以用简单的模式加以概括。根据不同的理解层面,海岸侵蚀的影响因素分为自然因素和人为因素(Bruun,1972,引自Silvester和Hus,1997)、大尺度和小尺度因素(包括时间和空间尺度)(Komar P.D.,1999)、主要因素和非主要因素(Silvester D.和Hus J.R.C.,1997)、直接因素和间接因素等。

就自然因素而言,可以归纳为气候、沉积物收支、营力作用、相对海平面变化等。这几方面加上各种人为因素,共同控制着海岸的淤蚀动态。Wright和Thom(1977)指出,由于控制海岸演变的因素繁多且存在相互作用,同时海岸演变对这些因素也有着一定的反作用,因此各因素以及海岸演变本身之间多存在“先有鸡还是先有蛋”的问题。对海岸侵蚀影响因素的认识有必要从各因素之间的相互作用出发,通过归类并强调主导因素,揭示各自在海岸侵蚀中的作用(图1.1)。

1.1.3　海岸侵蚀的时空尺度

地学研究领域中,因时间、空间尺度的差异,对各研究主题的焦点也有所不同。在过去数十年中,探讨营力过程的海岸动力地貌学,多将焦点放在“瞬时”和“事件”这种短时空尺度的探讨(Cowell和Thom,1994)。因为海岸地区不规则的突发性事件(如台风等)所产生的改变,对海岸地貌变化的影响程度往往比有规律的周期性变化更为剧烈,但海岸地貌会在这种长周期变化中表现出具有某种可回复性的循环过程。

Komar P.D.(1999)指出,认识海岸侵蚀必须考虑不同的时空尺度,因为海岸侵蚀研究不但包括了波浪和水流作用下泥沙运动的机理这种小尺度的内容,同时也包括了构造运动和海面变化等大尺度过程(图1.2)。但人们一般多倾向于关注风暴等直接因素(immediate causes)造成的海岸侵蚀,并采取修建海堤、防波堤和养滩等简单的解决方案,而这些补救式措施(band-aid fix)往往很少考虑到影响海岸侵蚀的一些潜在的、大时空尺度因素。

沉积物在横剖面上的搬运以及通过数值模式模拟海滩剖面对海岸营力变化的反应等研究方面有了长足进步。但这都属于小到中尺度的研究范畴。近数十年来的大量研究多局限于这样的时空尺度,直到最近才开始有部分针对大尺度因子的研究。

1.1.4　海平面上升的海岸形态响应

当人们意识到全球变暖导致海平面上升及其危害之后,对海平面上升等大尺度因素造成的海岸侵蚀开始得到较多的关注(施雅风,范建华,1990;Yang G.S.,1995;List J.H.等,1997),研究对象主要集中在海平面上升与海岸形态响应等方面。应用历史记录方法估算海平面上升海岸形态响应的前提条件是:海平面变化是海岸演变的主要因子,其他相关环境因素在估算期内相对稳定。该方法尤其适合于研究相对均质的海岸,其中最经典的模式就是Bruun等(1962)通过大量实地调查和模拟研究得出了海平面上升与岸线蚀退范围之间的关系,即Bruun定律。认为微小的海平面上升可以造成海岸大范围的蚀退,并主张海滩平衡剖面。其内容主要有3点:①海平面上升,海滩上部受侵蚀;②侵蚀下来的泥沙堆积于近滨(Nearshore)海底,维持海滩平衡剖面;③近滨海底因泥沙堆积加高的高度等于海平面上升量,故近滨地带的水深不变。这一定律已被广泛采用,其应用已由下凹剖面发展到有岸外水下沙坝及整个堡岛系统,从二维剖面到三维剖面,从理论模式到野外实地论证,从砂质海岸向淤泥质海岸引申(陈西庆等,1998)。

1.1.5　人类活动与海岸侵蚀

几乎所有海岸侵蚀的研究都会考虑人类活动的影响,因为海岸过程都越来越多地受到人为的控制和影响。造成海岸侵蚀的人为因素主要有两种类型:一是对海岸资源的直接索取(海岸资源的开采);二是试图控制自然过程从而导致的海岸变化(Carter等,1997)。人们可以有意无意地觉察到对海岸资源直接开采所造成的海岸侵蚀现象,许多人为改变自然过程所产生的结果常常是难以预见的,但随着时间的推移,这种影响也会逐渐暴露出来。因为海岸演变的历史是和流域变化及其为海岸的供沙系统改变紧密联系的。Milliman等(1992)的研究认为,过去数百年间,全球各流域对海岸的供沙系统发生了巨大的变化,这与其间大规模的森林开采、荒地开发、流域治理等有着密切的关系,这些流域的供沙正是许多河口和海岸免遭侵蚀的物质保障。20世纪初以来,流域治理越来越受到重视,特别是水土保持力度的加大和大量水库的新建使土壤侵蚀和输送不再自由。

水库修建的目的一般是发电、灌溉和防洪等,近数十年来其巨大的环境效益逐渐受到重视,三角洲海岸因水库建设导致泥沙来源减少而侵蚀后退的现象并不少见。如尼日尔河曾以1.24亿t/a的输沙率向海岸供沙,由于阿斯旺水坝(Aswan High Dam)的修建,超过10%的泥沙被其拦截,尼日尔三角洲开始侵蚀后退(Stanley和Warne,1998);在西班牙,由于20世纪60年代Ribarroja-Mequinenza水库组合的修建,使埃布罗(Ebro)河大约96%的泥沙淤积在水库中,导致三角洲淤进停止和附近海岸侵蚀后退(Sanchez-Arcilla等,1998);同样由于流域内的人为影响,密西西比河的泥沙输送量在1963—1989年间下降了约40%,并被认为是导致密西西比三角洲海岸侵蚀的主要原因(Coleman、Roberts和Stone,1998);我国北方的滦河1979年以来由于引滦工程的实施,河流供沙减少95%,使三角洲以平均6m/a的速率后退,在河口附近最大蚀退速率高达300m/a(钱春林,1994);黄河曾是世界上三大供沙河流之一,但近年来入海流量大大减少,甚至经常断流,如1997年共有330d无水入海,下游断流河道最长可达700km,利津站20世纪90年代末的泥沙通量仅为20世纪50年代的约1/60(Chen J.Y.和Chen,S.L,2002;王颖等,1998);同样由于长江来沙减少,长江水下三角洲的淤积速率由1958—1978年间的0.38m/a降低到1978—1997年间的0.08m/a,淤积速率减小要比泥沙来源减小快得多。三峡工程和南水北调工程的实施使长江供沙减小到约1.6亿t/a,远远低于维持长江水下三角洲不受侵蚀的2.6亿t/a,三角洲的侵蚀在所难免(Yang S.L.等,2003)。

人工挖掘海岸泥沙是目前全世界非常普遍的现象,由此所致海岸直接侵蚀的例子比比皆是。Msangi J.P.等(1988)指出,坦桑尼亚海岸为修筑海滨宾馆而大量开挖沿海泥沙,立即导致海岸的迅速蚀退,其他原因引起的海岸侵蚀远没有如此直接和显著。Borges等(2002)对葡萄牙亚述尔群岛的Santa Barbara海滩的侵蚀研究认为,由于过度采砂,该海岸过去的地貌、泥沙和动力格局被打破,海岸由基本稳定转化为强烈侵蚀。张忍顺等(2002)也曾指出,人工采砂是江苏海洲湾砂质海岸侵蚀的主要原因。此外,辽宁旅顺柏岚子海岸的砂砾堤,山东黄县、福建东山湾和湄洲湾的沙滩,江苏绣针河口的老虎沙均因人工开采而造成强烈侵蚀(季子修,1996;蔡锋等,2005)。

另外,温室气体排放导致全球变暖和海面上升以及海岸带抽取地下水导致地面下沉(表现为相对海面上升)间接引起海岸侵蚀加剧也已成为公认的事实,并在海平面上升引起海岸侵蚀方面成为关注的焦点问题之一。不恰当的海岸工程设施也可以导致或诱发局部侵蚀现象。

1.1.6　泥沙运动与海岸侵蚀

海岸工程师多从波浪、水流作用下的泥沙运动特性方面认识和研究海岸侵蚀和岸滩演变。由于泥沙运动是海岸侵蚀过程的最后环节,从泥沙运动机理上认识和研究海岸侵蚀得出的结论和趋势预测似乎会更可能接近实际情况。不过由于测量资料和研究手段本身的局限性,类似的研究多用于海岸局部变化或解决一些实际的工程问题。其研究范畴主要包括两个方面,即泥沙运动和岸滩形变。

1.1.6.1　波、流作用下的泥沙运动规律

泥沙起动、搬运和沉降是海岸侵蚀和岸滩形态变化的主旋律,泥沙运动规律的研究也主要集中在这些方面。

1.泥沙起动

泥沙起动是泥沙运动研究的基础课题,也是认识泥沙运动的关键所在。水流作用下的泥沙起动研究已有上百年的历史,试验研究和理论分析的成果和公式相对较多。根据研究的出发点和表达形式,起动流速公式主要可以归结为由流速(平均流速或底流速)、功率和底部剪切应力表示。如Shields(1963)(引自Buffington,1999)通过大量试验研究得出泥沙起动临界剪切应力公式,并根据公式绘制出著名的Shields曲线。该公式和曲线被后人广为应用并加以修正,而且被推广应用到波浪作用下的泥沙起动研究(Madsen等,1976)。

对于大多数的海岸侵蚀而言,波浪掀沙和潮流输沙一般被认为是泥沙运动的主要形式。与水流作用下泥沙运动研究相比,由于波浪传播过程中的水质点运动本身的复杂性,波浪作用下泥沙运动的研究起步要晚得多,而且很多都是以水流作用下泥沙运动研究为基础。例如,Madsen(1976)总结前人的研究成果,将单向水流Shields泥沙起动标准曲线引入到波浪条件,将各振荡流作用下泥沙起动试验资料换算成Shields参数,认为单向水流条件下泥沙起动Shields曲线也适用于振荡流条件。迄今为止,波浪作用下泥沙起动公式有数十种,这些公式大多是通过水槽试验和理论推导得出的,各有适用条件和局限性,在实际应用中必须考虑研究对象的特性和公式的适用性。

波、流共同作用下的泥沙起动也是泥沙运动研究方面备受关注的基本问题。但由于波浪和水流共同作用时的流态异常复杂,无论从机理上还是应用上,离实用要求尚有相当大的距离。不过近年来国内外不少学者对波浪共同作用下的泥沙运动进行了有益的探讨。一般的做法还是通过合成波浪和水流各自对海床的底部剪切应力进行计算,不过由于对波浪和水流叠加的机理和叠加后的流态变化认识有限,计算结果有待进一步验证。

2.输沙率

输沙率的计算是判断海岸泥沙收支平衡与否的主要依据,也是判断海岸是否侵蚀和侵蚀强度的基础。输沙率计算一般包括“总输沙率(总量计算)”、“动力计算”和“逐时计算”3种主要途径。

总量计算一般用于估算总的净输沙量。计算中不区分推移质和悬移质,多用于沿岸输沙率的计算。目前海岸工程普遍采用的CERC(美国海岸工程研究中心)公式就是基于这种方法得出的经验公式。

动力计算方法是用海岸动力与输沙率之间的经验和半经验关系建立公式。海岸动力因素通过输沙率计算公式中与动力相关的参数加以考虑,此类输沙率计算公式是将推移质和悬移质分别考虑的。就推移质而言,水流作用下的推移质输沙率计算相对成熟并已得到广泛应用,波浪作用下推移质的输沙率研究相对滞后。对于悬移质而言,由于泥沙运动更为复杂,目前主要研究推移质泥沙运动的机理、含沙量垂线分布等方面,但缺乏足够的现场资料对比,很多情况下其计算精度难以保证。

逐时计算输沙率是随着计算机技术的广泛应用而发展起来的,这种方法主要用来计算悬移质输沙率,计算式的基本形式为

这种计算输沙率的方法是进行岸滩形变计算的理论基础之一。

1.1.6.2　侵蚀性海岸平衡剖面

由于人们观察到在水动力(波浪和潮流)和泥沙特征相似的情况下海滩剖面形态也具有一定的相似性,从而引出了海岸平衡剖面的概念。研究平衡剖面的关键问题在于:①平衡剖面存在的证据;②平衡剖面形态的计算;③达到平衡剖面所需的时间。从19世纪末期提出平衡剖面这一概念以来,许多学者针对上述问题提出一系列关于平衡剖面的解释,根据考虑的不同角度,这些解释可以分为以下几类:①中立点假设;②海岸等级理论;③海岸剖面平行进退;④沿剖面方向零输沙;⑤海岸剖面形态的幂次方程表达;⑥数学、物理模型模拟海岸演变(Gao S.和Michael C.,1998)。

对于最终的平衡剖面表达形式,一般认为是海岸零输沙(沿岸和沿剖面均无净输沙),即

如果以泥沙总量守恒为基础,瞬时床面变化可用输沙率梯度表示为

其中的第一项(δh/δt)代表沉积或侵蚀率,是床面变化的决定性因素,当该项为零时,海岸剖面达到平衡。这样的平衡剖面只有在达到最终阶段的侵蚀性海岸才有可能实现。在海岸侵蚀的初始阶段,由于泥沙的流失,滩面逐渐降低,随着滩面的下蚀和水深加大,波浪对海底的作用力逐渐减弱,当剖面各点水深达到波浪不能起动泥沙时便达到了上述平衡剖面。

稳定的平衡剖面需要满足两个条件:①海岸过程存在负反馈机制(即当控制海岸剖面形态的一个动力因素因某种原因而加强时,将会促使一系列的其他因素发生变化,这些变化反过来可以抑制其进一步加强);②这种反馈机制同样控制着海岸系统的其他过程(Gao S.和Michael C.,1998)。对于以波浪作用为主的砂质海岸,波浪作用加强会使剖面下蚀、水深加大,从而显著减小波浪对海床的作用。但对于以潮流作用为主的淤泥质海岸(特别时开敞型淤泥质海岸),剖面下蚀和水深加大并不能明显减小潮流对海床的冲刷,负反馈机制不甚显著,因此海岸剖面难以达到平衡。不过平衡剖面的研究思路仍常常被用来预测海岸未来的发展趋势。

1.1.7　海岸侵蚀与岸滩变异

海岸的侵蚀本身就是海岸地貌、物质组成、动力格局甚至海岸性质的变化过程。一般对海岸侵蚀的研究多关注侵蚀过程中的地貌和动力格局等容易被觉察的变化过程,但对于一些缓慢的变化,如沉积物组成,仅在一些研究和论著提到海岸侵蚀中沉积物粗化的现象(Silvester R.等,1997;王艳红等2003)。

对于淤泥质海岸,其形成过程是大量泥沙供给的结果,海岸侵蚀是泥沙来源不足引起的泥沙流失。但由于在淤泥质海岸形成过程中大量泥沙的供给削弱了波浪对沉积物的分选,使淤泥质海岸的组成物质变化幅度较大(分选较差)。在侵蚀过程中,波浪和潮流对沉积物进行侵蚀的同时也对其做进一步的分选,泥沙起动后细颗粒部分被输送到其他区域的可能性更大,而相对较粗颗粒的泥沙就地或在附近重新落淤,从而导致侵蚀过程中沉积物的粗化。随着侵蚀过程的进行,粗化现象进一步发展,甚至可使海岸性质发生变化(如由淤泥质海岸过渡到砂质海岸)。

泥沙在海岸动力地貌过程中起着重要作用,海岸侵蚀和地貌变化甚至动力格局都会受到海岸组成物质的影响。在苏北废黄河三角洲海岸的侵蚀过程中,海底普遍不连续分布有侵蚀残留粗化层,这对抑制海岸进一步下蚀有着重要的作用(虞志英等,2002)。在废黄河三角洲侵蚀性海岸南侧(射阳河口—斗龙港口)以及吕四侵蚀性海岸南侧(蒿枝港—塘芦港)的淤蚀过渡段,尽管海岸侵蚀只发生在低潮滩(高潮滩淤长),但侵蚀部位的泥沙粗化现象已经非常明显(王艳红等,2003)。