CN111967145B - 一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，包括确定养护海滩对应区域的补沙沉积物和补沙沉积物的粒径、确定养护海滩干滩宽度、坡度和高程以及确定养护后滨干滩内陆侧绿化防风带的步骤。本发明提供的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，针对强风区海岸风沙活动特征，通过合理的强风区海岸海滩养护剖面和后滨防风带设计，可有效抑制滩面风沙，降低海滩风沙强度，提升养护海滩品质。克服了现有养护海滩设计技术的不足，减少了滩面沉积物的风蚀亏损，降低了滩面风沙作用，保护了海岸环境。

Description

一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法

技术领域

本发明涉及海滩养护的技术领域，具体涉及一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法。

背景技术

我国沿海地区尤其华南海岸风沙活动强烈，现代海岸风沙活动区面积高达2.378×10⁵hm²，风沙海岸长度约300km，是全球海岸风沙十分活跃的国家。进入21世纪以来，随着我国海岸生态修复的全面实施，已开展了100多项海滩养护工程。海滩养护工程的实施增加了滩面沉积物，形成新的砂质地貌堆积单元，从而扩大了海滩风区、增加了风沙物源、提升了滩面高程，引起了养护海滩风沙运动过程的变化。尤其在强风区海岸海滩风沙活动强度增大，造成新的环境问题，给海岸带生产和居民生活带来了不利影响。

国内外开展的海滩养护设计主要关注养护海滩工程的稳定性，工程设计考虑的重点是水动力作用下的养护海滩演变与沉积物流失。对于养护海滩剖面形态的设计要素以背景侵蚀率、沿岸输沙、近岸地形、波浪动力等为主，但是目前全球各国的海滩养护设计手册或指南皆未在其工程设计中考虑抑制滩面风沙作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，以解决现有技术中强风区的海滩养护在设计时均未考虑抑制滩面风沙作用的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，包括如下步骤：

确定养护海滩对应区域的补沙沉积物，在区域内的全年大风天的滩面平均风速条件下，养护海滩的补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩的平均粒径，且大于所述全年大风天的滩面平均风速下的风沙可起动沉积物粒径；

确定养护海滩干滩宽度、坡度和高程，结合全年大风天的平均风速和养护海滩的滩面沉积物平均粒径，使得全年大风天的平均风速的条件下的风区长度小于或等于临界风区长度，且养护海滩干滩的设计高程高于正常水动力所能作用的上限；以及

确定养护海滩的滩肩外缘部分补沙沉积物粒径，在不改变其他地貌要素的前提下，增大该区域的沉积物粒径。

进一步地，还包括如下步骤：确定后滨干滩内陆侧绿化防风带的种类和宽度，结合海岸风沙流垂向分布高度、养护海滩的景观效果、绿化的占地面积以及海岸砂生植被群落结构特征对绿化防风带进行设计。

进一步地，所述绿化防风带采用灌木丛和草丛结合的方式。

进一步地，灌木丛的高度为0.5至1.0m，密度不低于50%，草丛的高度为0.1至0.2m，密度不低于80%。

进一步地，所述灌木丛的宽度占所述绿化防风带总宽度的1/3，所述草丛的宽度占所述绿化防风带总宽度的2/3。

进一步地，所述绿化防风带的宽度与全年大风天的平均风速成正比，且所述绿化防风带的宽度为干滩宽度的1/5至1/10。

进一步地，所述养护海滩干滩的宽度的确定的方法为：根据养护海滩的岸线走向与养护区全年大风天常风向的夹角、全年大风天的平均风速以及养护海滩的滩面沉积物平均粒径确定养护海滩干滩的宽度。

进一步地，所述养护海滩干滩的设计坡度为1:30至1:50。

进一步地，所述养护海滩干滩的高程的公式如下：

干滩高程H=平均大潮高潮位h+毛细作用高度δ。

进一步地，所述养护海滩干滩的滩肩外缘的风速为滩面的1.5-2倍，位于滩肩外缘的沉积物粒径为滩面填沙粒径的2至3倍。

本发明提供的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法的有益效果在于：

1、增大了滩面补沙沉积物平均粒径，使得养护海滩的补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩，沉积物粒径越大，沉积物在起动时的所要求的剪切应力就越大。滩面的气流与下垫面形成的底摩擦力主要取决于风速，当滩面的沉积物粒径的起动风速大于工程区大风天的平均风速时，一年内大部分时间均不产生风蚀作用，可以有效减少滩面起沙。

2、设计合适的干滩宽度，使得全年大风天的平均风速的条件下的风区长度小于或等于临界风区长度，尽量的抑制了风沙流向饱和状态发育的趋势，能够降低携沙量。

3、通过合适的干滩滩肩坡度设计，能够营造有利于滩面沉积物稳定的仿自然滩肩，有助于抑制风沙起动，维持养护海滩的自然属性。合理的滩肩外缘高程设计，使得滩肩地貌不受常规水动力条件最高值时的冲刷作用而破坏，通过海滩内部毛细作用的使得盐分在滩面形成结壳，产生防护效应。

4、通过在后滨干滩内陆侧设计的绿化防风带，能够改变近地表的边界层流场分布，降低风力作用，起到阻沙和固沙效果。由于植被覆盖的存在, 下垫面的粗糙度增大，植被覆盖的沙面上的风速低于相同高度上光沙面风速，迅速降低风的携沙能力，使得风沙沉降于绿化带前，形成风沙防护的最后一道防线。

5、针对强风区海岸风沙活动特征，通过合理的强风区海岸海滩养护剖面设计，可有效抑制滩面风沙，降低海滩风沙强度，提升养护海滩品质。克服了现有养护海滩设计技术的不足，减少了滩面沉积物的风蚀亏损，降低了滩面风沙作用，保护了海岸环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面的结构示意图。

附图标记说明：

1-滩肩外缘区；2、绿化防风带。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请一并参阅图1，现对本发明提供的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法进行说明。所述降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，包括如下步骤：

S1，确定养护海滩对应区域的补沙沉积物；

在对应区域内的全年大风天的滩面平均风速下，养护海滩的补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩，且大于所述全年大风天的滩面平均风速条件下的风沙可起动沉积物粒径。

其中。对于全年大风天的滩面平均风速是指，一年中风速最大的1/3的天数内滩面的平均风速，其在确保养护海滩补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩的平均粒径前提下，还要求满足大于该平均风速下的风沙可起动沉积物粒径，不同的区域全年大风天的滩面平均风速不同，因此不同区域对应的补沙沉积物的种类和粒径也可以根据需要进行调整。

在海岸带的风沙现场观测表明，一般天然海滩起动风速大于6m/s（2m高处测风），根据现场观测和实验结果，总结得出下表1的滩面起动风速与沉积物平均粒径的对应表，结合下表可以确定沉积物平均粒径的最小值，确保养滩沉积物的起动风速大于全年大风天的滩面平均风速，有效抑制大部分风沙的起动。

表1 滩面起动风速与沉积物平均粒径的对应简表

滩面平均风速（m/s）	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12	12-13	13-14	>14
										沉积物平均粒径（mm）	0.1-0.2	0.2-0.3	0.3-0.4	0.4-0.5	0.5-0.7	0.7-0.9	0.9-1.0	1.0-1.1	>1.1

根据全年大风天的滩面平均风速，增大了滩面补沙沉积物平均粒径，使得养护海滩的补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩的平均粒径，沉积物粒径越大，沉积物在起动时的所要求的剪切应力就越大。滩面的气流与下垫面形成的底摩擦力主要取决于风速，当滩面的沉积物粒径的起动风速大于工程区大风天的平均风速时，一年内大部分时间均不产生风蚀作用，可以有效减少滩面起沙。

S2, 确定养护海滩干滩宽度；

海滩干滩是风沙活动最为强烈的区域，根据养护海滩岸线走向与养护区全年大风天常风向的夹角α，结合全年大风天的平均风速和养护海滩的滩面沉积物平均粒径，确定养护海滩干滩宽度W，使得该条件下的风区长度W/cosα小于临界风区长度F，抑制风沙流的充分成长发育。根据现场测量总结临界风区长度F与滩面平均风速的对应关系如下表2：

表2 临界风区长度与滩面平均风速的基本对应关系

滩面平均风速（m/s）	6-7	7-8	8-9	9-10	10-11	11-12	12-13	13-14	>14
										临界风区长度（m）	15-20	20-25	25-30	30-33	33-36	36-38	38-40	40-41	>41

结合上表可以设计合适的干滩宽度，使得全年大风天的平均风速的条件下的风区长度小于或等于临界风区长度，使得风沙流不充分发育，降低携沙量。

S3，确定养护海滩干滩坡度；

海滩的坡度对滩面风沙输沙率有一定的影响，现有的研究中表明，滩面的坡度越大，则干滩的输沙率越小。但是，在实际沙滩设计过程中，需要保证干滩的舒适性、宽度、景观和稳定性，因此，结合我国海滩干滩的现状，对于养护海滩的干滩的设计坡度优选为1:30-1:50，此时既有助于抑制风沙起动，又维持养护海滩的自然属性。

将干滩的滩肩坡度降低，能够营造有利于滩面沉积物稳定的仿自然滩肩。基于现有的研究可知，上坡对滩面风速的增加幅度较小，下坡对减小滩面风速的幅度较大，因此为了抑制滩面风沙的起动，需要沿向岸风方向将干滩设计为沿风向的上坡形式。

S4, 确定养护海滩干滩的高程；

在自然海滩环境中，平均大潮高潮线以上的干滩区域受风力连续吹蚀易形成硬化表面，硬化的表面能够增大干滩区的起沙风速，进而抑制风沙的活动；但是在极端动力条件下，例如台风浪和大风天气下，硬化表面会风浪打破，从而诱发新的风沙活动，因此养护海滩滩肩的高程设计应高于正常水动力所能作用的上限，能够减弱海滩的潮汐和波浪对干滩的重塑作用，促进干滩形成不利于风沙活动的硬化表面。

根据工程区海洋潮汐特征、波浪特征和沙滩坡度，设计养护海滩干滩外缘高度见公式如下：

干滩高程H=平均大潮高潮位h+毛细作用高度δ

其中，结合现有技术可知，在半径0.1 mm 的毛细管中，水可以上升14 cm，因此根据组成海滩的物质沉积物颗粒大小不同，毛细作用高度δ一般取10至20cm。

通过合理的滩肩外缘高度的设计，使得滩肩地貌不受常规水动力条件最高值时的冲刷作用而破坏，滩肩物质在风力持续作用下搬运了细颗粒部分留下粗颗粒，滩面粗化效应显著，又能够通过海滩内部毛细作用的使得盐分在滩面形成结壳，产生了防护效应，该防护效应对风沙的抑制作用甚至强于湿度效应，对风沙的抑制效果尤为显著。

S5,确定养护海滩滩肩外缘部分的补沙沉积物粒径；

在海滩剖面上，位于滩肩外缘区1的风速最大，输沙率最强，为干滩风力搬运侵蚀热点。因此，在不改变其他地貌要素的前提下，可通过增大该区域的沉积物粒径，提高该区域起沙风速，进而降低侵蚀热点的风力输沙率。

其中，位于滩肩外缘区1的沉积物粒径由滩肩外缘的风况决定，一般滩肩外缘的风速为滩面的1.5至2倍，因此该区域的沉积物粒径为其他干滩滩面的填沙平均粒径的2至3倍。对于沉积物补充的范围为以滩肩外缘点为圆心，2m为半径的海滩剖面部分，能够形成保护层，抵御强风侵蚀。

通过对滩肩外缘区1的沉积物参数的设计，在海滩坡折与滩肩外缘交界处因地形突变引起的气压变化改变了边界层，从而产生了复杂的流变，由于流线被压缩产生了迎风坡表面的气流加速，基于数值模拟计算的结果显示滩肩外缘处风速最大。因此，针对滩肩外缘处的风速剧变区域，通过对沉积物的补沙粒径和补沙区域等进行调整，使得沉积物的阐述与滩肩外缘处的风速相适应，能够较好的抑制风沙起动，削弱该区的风场影响，形成第一道风沙防线。

进一步地，参阅图1，作为本发明提供的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法的一种具体实施方式，还可以增加如下步骤：

S6, 确定后滨干滩内陆侧绿化防风带2的种类和宽度；

地表植被能够通过覆盖部分地面、消耗风力以及阻挡输沙等多种途径形成对风蚀地表的保护。因此，在干滩后滨加强植被覆盖是防御风蚀输沙的有效措施，一般情况下，植被覆盖的越密集, 则防护效果越好。但是，在实际的设计绿化防风带2时，需要综合的考虑海岸风沙流垂向分布高度、养护海滩的景观效果、绿化的占地面积以及海岸砂生植被群落结构特征等对绿化防风带2进行设计。

其次，所述绿化防风带2一般采用灌木丛和草丛结合的方式，即绿化防风带2内包括灌木丛和草丛。其中，灌木丛的高度一般为0.5至1.0m，且灌木丛的分布密度不低于50%；草丛的高度一般为0.1至0.2m，且草丛的分布密度不低于80%。

对于整个绿化防风带2的宽度，绿化防风带2的设计宽度一般约为干滩宽度的1/5至1/10，风速越大宽度则越大，且灌木丛的宽度约占绿化防风带2总宽度的1/3，草丛的宽度约占绿化防风带2总宽度的2/3。

作为本实施例的替换实施例，对于S1至S5的步骤，可以根据实际情况和设计需求进行调整，不需要按照S1至S5的步骤顺序依次设计。

作为本实施例的替换实施例，还可以不在后滨干滩内陆侧设置绿化防风带2；或者绿化防风带2中不仅仅包括灌木丛和草丛，还可以保留较高的树木等，与此对应的灌木丛和草丛的设计密度和占绿化防风带2总宽度的比值也可以对应调整，此处不作唯一限定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

确定养护海滩对应区域的补沙沉积物，在区域内的全年大风天的滩面平均风速条件下，养护海滩的补沙沉积物的平均粒径不小于原始海滩的平均粒径，且大于所述全年大风天的滩面平均风速下的风沙可起动沉积物粒径；

确定养护海滩干滩宽度、坡度和高程，结合全年大风天的平均风速和养护海滩的滩面沉积物平均粒径，使得全年大风天的平均风速的条件下的风区长度小于或等于临界风区长度，且养护海滩干滩的设计高程高于正常水动力所能作用的上限；其中，所述养护海滩干滩的宽度的确定的方法为：根据养护海滩的岸线走向与养护区全年大风天常风向的夹角、全年大风天的平均风速以及养护海滩的滩面沉积物平均粒径确定养护海滩干滩的宽度；

确定养护海滩滩肩外缘部分的补沙沉积物粒径，在不改变其他地貌要素的前提下，增大该区域的沉积物粒径；以及

确定后滨干滩内陆侧的绿化防风带的种类和宽度，结合海岸风沙流垂向分布高度、养护海滩的景观效果、绿化的占地面积以及海岸砂生植被群落结构特征对绿化防风带进行设计。

2.如权利要求1所述的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：所述绿化防风带采用灌木丛和草丛结合的方式。

3.如权利要求2所述的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：所述灌木丛的高度为0.5至1.0m，密度不低于50%，所述草丛的高度为0.1至0.2m，密度不低于80%。

4.如权利要求3所述的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：所述灌木丛的宽度占所述绿化防风带总宽度的1/3，所述草丛的宽度占所述绿化防风带总宽度的2/3。

5.如权利要求1所述的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：所述绿化防风带的宽度与全年大风天的平均风速成正比，且所述绿化防风带的宽度为干滩宽度的1/5至1/10。

6.如权利要求1至5任一项所述的降低滩面风沙强度的养护海滩剖面设计方法，其特征在于：所述养护海滩干滩的设计坡度为1:30至1:50。

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