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海洋工程对砂质海岸演变的影响——以海南万宁日月湾人工岛为例

李汉英 张红玉 王霞 于红兵 徐玉芬 刘兴健 张叶春

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海洋工程对砂质海岸演变的影响——以海南万宁日月湾人工岛为例

    作者简介: 李汉英(1992-), 女, 广东韶关人, 硕士研究生, 研究方向为海洋工程对海洋地形地貌与冲淤环境的影响, E-mail:lihanying15@mails.ucas.ac.cn;
  • 基金项目: 中国科学院边缘海地质重点实验室项目 MSGL13-07
    国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金 KLMMR-2014-B-04

  • 中图分类号: P753

Influence on the sandy coast evolution of the ocean engineering——A case study of artificial Riyue island, Wanning city, Hainan Island

  • CLC number: P753

  • 摘要: 日月岛工程的建设,使日月湾海湾的侵蚀和淤积在短期内发生了快速的变化,西南侧海岸的侵蚀威胁了陆侧青皮林自然保护区的生长。对日月湾海岸进行监测管理变得刻不容缓。结合多时相遥感影像和四期实测岸滩数据,探讨日月岛工程的建设对日月湾海岸的冲淤影响。日岛岛影区岸滩淤涨,2016年已形成连岛沙坝,总淤积宽度约370 m,长度约1500 m;日岛东北侧受日岛建成后波浪折射与绕射等的影响发生侵蚀现象,最大侵蚀宽度约20m,长度约380 m。日岛西南侧出现严重的侵蚀后退现象,侵蚀宽度约40 m,长度约2000 m。月岛工程的建设改善了西南侧的侵蚀现象,然而仍有约800 m的岸线处于侵蚀状态。综合考虑自然因素与技术条件,丁坝、人工补沙与厚藤生态养护结合的海岸修复方式是适用于日月湾海岸的修复方法。
  • 图 1  日月湾地形

    Figure 1.  Topographic map of Riyue bay

    图 2  海岸侵蚀后退至青皮林防护林区

    Figure 2.  Beach erosion to the shelter-forest of vitica mangachapoi forest

    图 3  日月湾海岸实测剖面位置与冲淤特征分段

    Figure 3.  Testing section plane location and subsection of coastal erosion or deposition in Riyue bay

    图 4  1992~2010年日月湾海岸线变化情况

    Figure 4.  1992~2010 coastline change in Riyue bay

    图 5  2012~2017年日月湾海岸线变化情况

    Figure 5.  2012~2017 coastline change in Riyue bay

    图 6  日月岛工程后日月湾海岸冲淤变化

    Figure 6.  Beach erosion and deposition in Riyue bay after artificial Riyue island

    图 7  日月湾西南侧侵蚀岸段陡坎

    Figure 7.  Erosion scarp in southwestern of Riyue bay

    图 8  日岛连岛沙坝

    Figure 8.  Tombolo behind artificial Ri island

    图 10  岬间砂质海岸抛物线线模型平衡状态

    Figure 10.  Equilibrium shape with the theory of parabolic model of headland-bay

    图 11  月岛建成后理论平衡岸线

    Figure 11.  The oretical equilibrium shape after artificial Yue island

    表 1  遥感影像数据信息

    Table 1.  Information of remote sensing images

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    表 2  日月湾海岸岸滩冲淤表

    Table 2.  Coastal erosion or sedimentation distribution in Riyue bay

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-23
  • 录用日期:  2017-12-27
  • 刊出日期:  2019-08-20

海洋工程对砂质海岸演变的影响——以海南万宁日月湾人工岛为例

    作者简介:李汉英(1992-), 女, 广东韶关人, 硕士研究生, 研究方向为海洋工程对海洋地形地貌与冲淤环境的影响, E-mail:lihanying15@mails.ucas.ac.cn
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 3. 中国科学院南海海洋研究所, 海洋环境工程中心, 广东 广州 510301
  • 4. 中国科学院热带海洋环境国家重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
基金项目:  中国科学院边缘海地质重点实验室项目 MSGL13-07国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金 KLMMR-2014-B-04

摘要: 日月岛工程的建设,使日月湾海湾的侵蚀和淤积在短期内发生了快速的变化,西南侧海岸的侵蚀威胁了陆侧青皮林自然保护区的生长。对日月湾海岸进行监测管理变得刻不容缓。结合多时相遥感影像和四期实测岸滩数据,探讨日月岛工程的建设对日月湾海岸的冲淤影响。日岛岛影区岸滩淤涨,2016年已形成连岛沙坝,总淤积宽度约370 m,长度约1500 m;日岛东北侧受日岛建成后波浪折射与绕射等的影响发生侵蚀现象,最大侵蚀宽度约20m,长度约380 m。日岛西南侧出现严重的侵蚀后退现象,侵蚀宽度约40 m,长度约2000 m。月岛工程的建设改善了西南侧的侵蚀现象,然而仍有约800 m的岸线处于侵蚀状态。综合考虑自然因素与技术条件,丁坝、人工补沙与厚藤生态养护结合的海岸修复方式是适用于日月湾海岸的修复方法。

English Abstract

  • 海洋工程对海岸演变的作用主要而直观的表现是加速海岸的侵蚀或淤积,导致海岸线变迁。研究海岸演变的方法主要有传统的现场观测调查、数值模拟[1-2]和遥感影像追踪[3-4]。海南侵蚀岸线占其岸线总长度的57.3%[5],砂质海岸侵蚀严重。国内外学者从动力与工程实践方面对海岸演变做了大量的理论研究[2, 6]。海岸地貌的改变是水流泥沙运动与地形变化的耦合作用引起的,动力与地貌之间存在相互作用与反馈[7],Rijin[8]探讨了海岸侵蚀的机制与海岸硬防护结构的相互作用。岬湾海岸对岬角工程响应敏感[9-10],粤东靖海湾海滩的蚀积状态在防波堤工程前后发生了转换[9]。泥沙输移过程是海岸演变的物质轨迹,Nam[2]用数值模拟方法从泥沙运移角度评价了离岸海工结构对海岸演变的作用,Schwab[11]等人提出了水下岸坡处的砂坝向岸输送泥沙的机制。龚文平[1]应用DELFT 3D数值模型模拟了海南万宁日月湾日月岛工程不同设计方案间的泥沙输运情况。

    以往对海岸演变的研究甚少跟踪监测具体的海洋工程建设后对海岸演变的影响,而更多是采用数值模型从波浪泥沙等方面模拟计算海岸的冲淤变化[1, 9, 11]。鉴此,本文基于日月岛工程建设后,日月湾多时相遥感影像反映的海岸线年度变化与四期实测岸滩数据,讨论日月岛工程对日月湾海岸演变的影响并提出海岸修复措施,为科学评估海洋工程对海岸演变的影响提供借鉴,为海岸管理利益相关者提供参考。

    • 日月湾地处海南岛东南角,位于海南省万宁市南部,地理位置为18°35′N~18°38′N,110°10′E~110°14′E,岸线大致走向为NE-SW向(图 1),属砂质海岸,具有华南海岸发育的基本特征,同时具有其独特性,日月岛围填区域及附近曾发育珊瑚岸礁,形成三级珊瑚礁台。日月湾是华南弧形海岸,海滩开敞度大,凹入度小。海南台风频发,年均台风登陆2.5次[12],日月湾直面南海,台风多发。用乌场波浪数据统计知日月湾常浪向是SE,次浪向是SSE。泥沙输移以横向振荡输移为主,滩面泥沙纵向输移方向为自东北向西南,日月湾在日岛工程前处于自然状态下的侵蚀型动态平衡状态。

      图  1  日月湾地形

      Figure 1.  Topographic map of Riyue bay

      图  2  海岸侵蚀后退至青皮林防护林区

      Figure 2.  Beach erosion to the shelter-forest of vitica mangachapoi forest

      日月湾日岛工程于2012年10月开始围堰吹填,2013年12月竣工,月岛于2016年5月开始围堰吹填,目前尚未竣工。日岛工程建设后,岛影区淤积严重,两侧侵蚀。日月湾海岸陆侧是青皮林自然保护区,海岸侵蚀后退已威胁到青皮林防护林的生长(图 2)。青皮是国家二级重点保护植物,一旦受到破坏,便很难修复[13]。日岛建设后,青皮林沿岸出现侵蚀,对此,为加强青皮林沿岸岸滩稳定监测,管理修复日月湾海岸,中国科学院南海海洋研究所于2017年对日月岛工程影响海岸段进行了调查研究。

    • 海岸线是平均大潮高潮的痕迹线所形成的水陆分界线。对华南弧形海岸而言,海岸线主要是指基岸、沙滩与海水的界线,当弧形海岸出现沙嘴时,沙嘴与海水的界线即为海岸线[14],本文岸线提取自遥感影像的水边线。据遥感影像成像时刻的潮情与遥感影像分辨率误差[15],从遥感影像提取的各时相岸线具有可比性。

      从1992、2002、2010年选取3个时相遥感影像,遥感影像信息如表 1,成像时刻潮位在96±2 cm。2012年10月日岛开始建设,从2012~2017年间逐年选取一张遥感影像,遥感影像信息如表 1,成像时刻潮位在100±5 cm。表 1中遥感影像成像时刻已换算成北京时间。目视解译提取海岸线。

      表 1  遥感影像数据信息

      Table 1.  Information of remote sensing images

    • 2017年3月在日月湾海岸布设了20条岸滩观测剖面,图 3 (D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12、D13、D14、D15、D16、D17、D18、D19、D20),2017年6月进行二次观测。2011年7月和2014年7月地形数据提取自实测地形图上相应断面的地形。

      图  3  日月湾海岸实测剖面位置与冲淤特征分段

      Figure 3.  Testing section plane location and subsection of coastal erosion or deposition in Riyue bay

    • 根据遥感影像结果,1992~2010年期间,日月湾海岸线(图 4)总体上变化不大。2012~2017年间日月湾海岸线变化剧烈(图 5),日岛岛影区淤积明显,东北侧海岸侵蚀后退,西南侧岸滩冲刷剧烈,侵蚀范围大。

      图  4  1992~2010年日月湾海岸线变化情况

      Figure 4.  1992~2010 coastline change in Riyue bay

      图  5  2012~2017年日月湾海岸线变化情况

      Figure 5.  2012~2017 coastline change in Riyue bay

      到2013年12月日岛竣工时,岛影区淤积严重,在日岛连陆桥处,最大淤积宽度达约130 m。2014~2016年间日岛岛影区继续淤积,连陆桥处以每年约80 m的速度向日岛淤进,在2016年已经形成连岛沙坝,淤积岸段长度约1500 m。日岛东北则与西南侧海岸侵蚀后退,东北则最大侵蚀宽度约20 m,侵蚀长度约380 m,西南侧侵蚀最大侵蚀宽度约40 m,侵蚀长度约2000 m。

      月岛连陆桥于2013年搭建,距离日岛连陆桥约1700 m,2016年月岛具有初步围堰轮廓。此后,在月岛连陆桥处淤积成沙嘴,宽度约30 m,长度约300 m,改善了此岸段的侵蚀状况,但西南侧海岸侵蚀现象仍存在,侵蚀长度约800 m。

    • 据2011年7月、2014年7月、2017年3月与6月在日月湾海岸测量的地形数据,坐标系是1985国家高程基准,冲淤情况见表 2。2014年7月地形图于月岛施工前测量,2011年7月、2014年7月地形变化表示日岛建设后与月岛建设前的岸滩变化,2017年3月与6月实测岸滩地形表示月岛建设后的岸滩变化。D1-D3(图 6-D3)海岸在月岛建设前侵蚀,同时海岸线后退(图 5),月岛建设后淤涨。D4-D6(图 6-D5)岸滩持续侵蚀后退,出现二级侵蚀陡坎(图 7),海岸线后退明显(图 5)。D7-D14(图 6-D10)海岸在月岛工程前侵蚀严重,月岛建设后开始淤涨,在D8-D10处形成沙嘴,海岸线向海前进约30m(图 5)。D15海岸在月岛建设前淤涨严重,月岛建设后淤积现象得到改善(图 6-D15)。D16-D18(图 6-D17)岸滩持续淤涨,同时海岸线持续向日岛淤进(图 5),2017年3月观测时,已形成连岛坝(图 8)。D19-D20(图 6-D20)岸滩持续侵蚀后退,海岸线持续后退(图 5)。

      表 2  日月湾海岸岸滩冲淤表

      Table 2.  Coastal erosion or sedimentation distribution in Riyue bay

      图  6  日月岛工程后日月湾海岸冲淤变化

      Figure 6.  Beach erosion and deposition in Riyue bay after artificial Riyue island

      图  7  日月湾西南侧侵蚀岸段陡坎

      Figure 7.  Erosion scarp in southwestern of Riyue bay

      图  8  日岛连岛沙坝

      Figure 8.  Tombolo behind artificial Ri island

      岸滩实测跟踪表明,日月岛工程对日月湾海岸的影响是日月岛岛影区海岸淤涨明显,两侧侵蚀后退。日月湾海岸侵蚀和淤积可分段如图 3。东北侧的岸段Ⅰ受日岛建成后波浪折射绕射等波流作用,海岸侵蚀后退;日月岛岛影区的岸段Ⅱ与岸段Ⅳ,受到岛体对波浪的掩护作用与桥墩对沿岸泥沙运动的阻碍作用,海岸淤涨;西南侧的岸段Ⅴ由于受到SE向与SSE向的波浪作用,日月岛工程对东北向泥沙来源的阻挡作用,海岸侵蚀后退严重,侵蚀海岸长度约800 m,威胁到陆侧青皮林的生长。岸段Ⅵ在日岛建设后与月岛建设前受到SE向与SSE向的波浪作用,海岸侵蚀,月岛建设后与西南侧的防波堤形成新的岬-湾海岸,在新岬-湾海岸影响下,海岸开始淤涨。

    • 人工岛与海岸之间是否会形成连岛坝,是人工岛建设备受关注的一个环境问题。国内外对离岸海工结构建设后海岸的演变进行了大量的研究[16-17]。在日岛工程建设前,龚文平[1]用DELFT 3D数值模型模拟了日月岛3个不同设计方案间的泥沙输运,并探讨了3个设计方案形成连岛沙坝的可能性,然而他的模型假设的是日月岛同步建设,且其模拟的3个设计方案与现建设方案均有所差异。

      对人工岛建成后是否形成连岛沙坝,Dally和Pope[16]认为连岛坝的形成与岛堤在波峰线上的投影长度B与其离岸距离X之比有关:对单个的离岸堤,当时,易形成连岛坝;对多个离岸堤,当时,易形成连岛坝。其中G为离岸堤之间的间隔,L为离岸堤处的波浪的波长。

      日岛距离海岸线的距离约为X=340 m,日岛在波峰线上的投影长度B=850 m,故在日岛建成后月岛建设前,按单个的人工岛,会在岛后形成连岛沙坝,与目前现状相符。月岛建设后,按多个人工岛判别,月岛在波峰线上的投影长度约为B=1005 m, 月岛与海岸线的距离约为X=433 m,日月岛之间的距离G=210 m,月岛处的波浪的波长为L=47.19[1],故有LGB,月岛建设后很容易形成连岛沙坝。

      Hallermeir(1983)[17]认为人工岛建成后连岛沙坝形成与否与其所在处的水深至关重要:

      式中:dSs泥沙的密度; He为一年中出现时长为12个小时的深水波的波高; Te为对应的周期。利用万宁乌场湾一年实测资料计算得出为ds=8.11 m[1],当离岸堤的水深小于这一临界水深值时,连岛坝会形成。日岛处水深约为8 m,会形成连岛坝,与目前现状相符,月岛岛后水深多在7~9 m的范围内,在临界水深附近,形成连岛坝可能性很大。

      月岛建设后,在日月湾西南侧形成一个新的岬角,在新岬角的控制作用下,砂质海岸将重新调整,直到达到新的平衡岸线。对于岬湾砂质海岸平衡形态,Hsu和Evans提出了抛物线模型[18](图 10)。图中:坐标系为极坐标,A为下岬角控制点,B为上岬角控制点;以上岬角B为极点,极轴取与入射波峰线平行;R1, R2分别为任意两点的两条极半径;连接两个岬角控制点A、B得到R0控制线;β为波峰线与控制线之间的夹角;θ为两极半径之间的夹角。抛物线模型曲线方程为:

      图  10  岬间砂质海岸抛物线线模型平衡状态

      Figure 10.  Equilibrium shape with the theory of parabolic model of headland-bay

      月岛工程建设后,与西南侧分界洲处形成一新的岬间海湾形态,上岬角B与下岬角A之间的距离为2485 m。常浪向和强浪向都是SE向,波峰线与控制线的夹角β=0.3215。由β=0.3215代入经验公式即得到:C1 =0.06875;C2=0.94278;C3=0.01836。将C1C2C3代入公式即得到任意极半径Rn和控制线长度R0(R0=2485 m)之间的关系式为:

      根据上述公式可以确定达到平衡时的一系列的Rnθ值,做出月岛建设后达到理论平衡状态的岸线图(图 11)。月岛建设后,其西南侧岸线侵将继续侵蚀,在连陆桥附近淤积。抛物线模型考虑常浪状态下的形态,且其下岬角的选定与抛物线关系在应用中存在不确定性[19],因此图 11是日月湾达到理论平衡时的岸线趋势图。鉴于日月湾多台风的自然气候[12],台风是海滩破坏性因素之一,造成海滩侵蚀[20],2013年以来的“蝴蝶”和“海燕”等台风对日月湾海岸的强破坏作用,日月湾海岸的侵蚀或将剧烈于抛物线模型预测结果。

      图  11  月岛建成后理论平衡岸线

      Figure 11.  The oretical equilibrium shape after artificial Yue island

      海岸整治修复要遵循尊重自然的原则,综合考虑自然因素与技术条件,充分发挥海岸的自我修复能力。利用万宁乌场湾一年实测波浪资料统计得日月湾海域的波型以U/F为主,年出现频率达64.5%,波级以3级为主,出现频率高达81.6%,全年强浪向为SE,平均波高达1.0 m以上,并且台风多发。参考国内外海岸侵蚀与修复案例[21-23],日月湾海岸的侵蚀和淤积,本研究认为可行的修复方案如下。

      (1) 人工岬角在月岛与分界洲之间在侵蚀海岸段(岸段Ⅴ)造人工潜礁或丁坝使其形成新的岬角。人工岬角可以改变附近的波浪场,控制沿岸输沙大小和方向,景观效果较好,造价较便宜。

      (2) 丁坝、人工补沙与厚藤生态养护结合近10 a来,海滩防护的柔性措施逐渐受到重视[21-22]。目前应用较多的是海滩补砂(包括人工养滩和人工沙丘)和生态植被养护。日月湾海岸有野生厚藤生长,厚藤具有非常好的防风固沙能力[24],且日月湾属热带性气候,适合厚藤生长。在丁坝群的下游侧,沿岸流的挟沙能力大于上游泥沙的供给量,下游侧岸滩将发生冲刷,因此在丁坝群的下游侧和各丁坝间进行人工补沙,以使得沿岸输沙基本不被拦截,并在海滩上局部种植厚藤以防风固沙,可有效治理日月湾的海岸侵蚀问题。

    • (1) 结合多时相遥感影像与四期实测岸滩结果,2012年10月日岛工程建设后,日岛岛影区(岸段Ⅱ)迅速淤积,岸滩高度淤长,在2016年已形成连岛沙坝,总淤积宽度约370 m,淤积长度约1500 m;海岸线东北侧(岸段Ⅰ)受日岛建成后波浪折绕射的影响发生侵蚀现象,最大侵蚀宽度约20 m,侵蚀长度约380 m;海岸线西南侧出现严重的侵蚀后退现象,岸滩侵蚀宽度约40 m,侵蚀长度约2000 m,威胁到了日月湾后方青皮林的生长。

      (2) 月岛工程的建设改善了日岛建设后西南侧的侵蚀现象,在月岛岛影区(岸段Ⅳ)岸滩由原先的强侵蚀变为淤积。但在西南处(岸段Ⅴ)的侵蚀现象依然存在,侵蚀长度约800 m。

      (3) 丁坝、人工补沙与厚藤生态养护结合的海岸修复方式是日月湾海岸的因地制宜的修复方式。

参考文献 (24)

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