CN116927135A - 一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法。包括：在海岸线以上沿陆向海设置砂质缓坡基底；依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸。本发明基于海岸风沙和水沙活动的自然规律，兼顾海岸风沙与风暴潮防护需求，并考虑陆海物质和能量交换，提出雁列式、交错分布的新月形海岸沙丘修复型式，形成基于自然的海岸风沙和极端水动力综合防治方案。本发明提供的海岸沙丘修复布设方法，可为我国砂质海岸生态保护与修复提供参考和设计依据，具有显著的实际应用价值。本发明填补了国内海岸沙丘修复技术体系的空白，是对我国海岸带生态修复技术体系的补充和拓展。

Description

一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法

技术领域

本发明涉及沙丘修复技术领域，尤其涉及一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法。

背景技术

海岸沙丘是砂质海岸的重要地貌单元，不仅能对极端海洋动力起到“柔性”防护作用，同时可为滨海动植物提供宝贵的生境空间。然而，随着经济的高度发展，海岸沙丘受不同程度、不同形式的人类活动影响(如基础设施建设、植树造林、滨海旅游开发等)呈退化甚至灭失状态，亟需开展基于自然(nature-based)的生态修复措施。另一方面，近些年随着国家层面生态修复力度的加大，各类海岸带生态修复技术体系逐步形成并完善，修复对象涉及砂质海滩、红树林、盐沼、珊瑚礁、海草床、牡蛎礁等。相比之下，海岸沙丘修复技术，尤其是基于自然的海岸沙丘修复布设方法，目前国内仍为空白。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，能够兼顾海岸风沙与风暴潮防护需求，并考虑陆海物质和能量交换，提出新月形海岸沙丘修复型式，形成基于自然的海岸风沙和极端水动力综合防治方案。

根据本发明的一个方面，提供一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，包括：

在海岸线以上沿陆向海设置砂质缓坡基底；

依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸。

在上述技术方案中，基于海岸风沙和水沙活动的自然规律，兼顾海岸风沙与风暴潮防护需求，并考虑陆海物质和能量交换，提出新月形海岸沙丘修复型式，形成基于自然的海岸风沙和极端水动力综合防治方案。

在一些实施例中，所述砂质缓坡基底的坡脚高程为岸线(即平均大潮高潮线)以上0.5m，防止常海况潮水对坡脚造成冲刷侵蚀；坡顶高程为历史最高潮位，防止风暴潮漫顶对海岸后方造成洪涝灾害；缓坡基底的坡度(β)为1:20-50，根据海滩后滨可利用空间的宽窄程度确定，若后滨空间广阔则坡度适当放缓。

在上述技术方案中，砂质缓坡基底的坡脚高程为岸线(即平均大潮高潮线)以上0.5m，防止常海况潮水对坡脚造成冲刷侵蚀；坡顶高程为历史最高潮位，防止风暴潮漫顶对海岸后方造成洪涝灾害；缓坡基底的坡度根据海滩后滨可利用空间的宽窄程度确定，若后滨空间广阔则坡度适当放缓。

在一些实施例中，所述新月形沙丘的迎风面沿主导风向凸出，坡度为8°-20°；

所述新月形沙丘的背风面沿主导风向内凹，坡度为28°-34°。

在上述技术方案中，迎风面和背风面的坡度设计符合空气动力分布规律和风沙落淤堆积的自然休止角度，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。需要注意的是，由于不同沙滩风沙的自然休止角度不同，本实施例无法给出具体的优选方案，需要根据不同沙滩的实际方案来调整。

在一些实施例中，所述新月形沙丘的高度H为1米-6米。

在上述技术方案中，这样设置的目的在于更符合我国海岸前缘沙丘高度的发育和分布规律。

在一些实施例中，所述新月形沙丘的高度H采用如下经验公式计算：

H＝H₀-h

H₀＝2.637+0.951·P+0.006·RDP·cosα

式中，H为新月形沙丘高度；H₀为沙丘顶部至缓坡坡脚的高差；h为沙丘底部至缓坡坡脚的高差；P为近岸年均波浪功率；RDP为年净风沙势；α为RDP相对于岸线法线方向的角度。

在上述技术方案中，沙丘高度计算公式基于我国典型海岸大尺度动力地貌调查获得，考虑了波浪供沙和风力输沙耦合作用，符合我国海岸前缘沙丘的发育条件和分布特征。

在一些实施例中，所述新月形沙丘的长度通过如下公式计算：

L＝L₁+L₂+L₃

其中，L₁为迎风坡长度，根据沙丘高度H和迎风面坡度θ₁计算：L₁＝H/tanθ₁；L₂为背风坡长度，根据沙丘高度H和背风坡度θ₂计算：L₂＝H/tanθ₂；L₃为翼长，参照自然海岸新月形沙丘形态学统计特征，翼长与背风坡长度L₂之和近似于迎风坡长度L₁，即：L₃≈L₁-L₂。

在上述技术方案中，这样设置的目的在于基于海岸风沙活动的自然规律，使得该人造的新月形沙丘形态更符合自然海岸新月形沙丘形态，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。

在一些实施例中，所述新月形沙丘的宽度W通过如下公式计算：

W＝10H

其中，H为沙丘高度。

在上述技术方案中，沙丘宽度和高度的比例关系符合自然状态下的新月形沙丘形态学统计规律，当宽高比为10时，新月形沙丘的两翼和最高点形成较为稳定的多边形，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。

在一些实施例中，依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸，具体的：

砂质缓坡基底上设置多道雁列带，每道雁列宽度(D₀)介于新月形沙丘长度(L)与宽度(W)之间，即：L≤D₀≤W(主导风向与海岸垂直时，D₀＝L；主导风向与海岸平行时，D₀＝W)；雁列角等同于主导风向与横向轴线的夹角，雁列轴的位置和同道沙丘丘顶的连线位置一致；每道雁列中设置若干个新月形沙丘，且相邻沙丘之间的间距D₂为0.5米-1.0米；

两道相邻的雁列带交错分布，且丘顶连线垂直于主导风向的两座新月形沙丘之间的间距为D₁，距离范围为D₁＝W+D₂(其中W为沙丘宽度)。

在上述技术方案中，这样设置的目的在于形成不同沙丘体以及陆海间的物质、能量和生物交换通道，方便生物体在沙丘带内活动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的流程示意图；

图2是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的海岸沙丘修复典型断面设计示意图；

图3是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的海岸新月形沙丘修复尺寸设计示意图；

图4是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的自然海岸沙丘平面分布形态(平潭岛东南部海岸)示意图；

图5是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的海岸沙丘修复平面布置总体设计示意图。

图中，1、新月形沙丘；2、沙丘丘顶；3、沙丘通道，4、砂质缓坡基底；5、防护林带，E、主导风向，F、迎风坡面，G、背风坡面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，能够兼顾海岸风沙与风暴潮防护需求，并考虑陆海物质和能量交换，提出新月形海岸沙丘修复型式，形成基于自然的海岸风沙和极端水动力综合防治方案。

实施例之一

请参见图1，图1是本发明基于自然的海岸沙丘修复布设方法一实施例的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限。如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101、在海岸线以上沿陆向海设置砂质缓坡基底；

在本实施例中，所述砂质缓坡基底的坡脚高程为岸线(即平均大潮高潮线)以上0.5m，防止常海况潮水对坡脚造成冲刷侵蚀；坡顶高程为历史最高潮位，防止风暴潮漫顶对海岸后方造成洪涝灾害；缓坡基底的坡度(β)为1:20-50，根据海滩后滨可利用空间的宽窄程度确定，若后滨空间广阔则坡度适当放缓。

在本实施例中，砂质缓坡基底的坡脚高程为岸线(即平均大潮高潮线)以上0.5m，防止常海况潮水对坡脚造成冲刷侵蚀；坡顶高程为历史最高潮位，防止风暴潮漫顶对海岸后方造成洪涝灾害；缓坡基底的坡度根据海滩后滨可利用空间的宽窄程度确定，若后滨空间广阔则坡度适当放缓。本领域技术人员可以根据经验在范围内选择合适的坡度。

S102、依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸。

在本实施例中，新月形沙丘的迎风面沿主导风向凸出，坡度为8°-20°；所述新月形沙丘的背风面沿主导风向内凹，坡度为28°-34°。迎风面和背风面的坡度设计符合空气动力分布规律和风沙落淤堆积的自然休止角度，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。

在本实施例中，所述新月形沙丘的高度H为1米-6米。这样设置的目的在于更符合我国海岸前缘沙丘高度的发育和分布规律。

在本实施例中，作为一种可选的实施方案，所述新月形沙丘的高度H采用如下经验公式计算：

H＝H₀-h

H₀＝2.637+0.951·P+0.006·RDP·cosα

式中，H为新月形沙丘高度；H₀为沙丘顶部至缓坡坡脚的高差；h为沙丘底部至缓坡坡脚的高差；P为近岸年均波浪功率；RDP为年净风沙势；α为RDP相对于岸线法线方向的角度。沙丘高度计算公式基于我国典型海岸大尺度动力地貌调查获得，考虑了波浪供沙和风力输沙耦合作用，符合我国海岸前缘沙丘的发育条件和分布特征。

在本实施例中，所述新月形沙丘的长度通过如下公式计算：

L＝L₁+L₂+L₃

其中，L₁为迎风坡长度，根据沙丘高度H和迎风面坡度θ₁计算：L₁＝H/tanθ₁；L₂为背风坡长度，根据沙丘高度H和背风坡度θ₂计算：L₂＝H/tanθ₂；L₃为翼长，参照自然海岸新月形沙丘形态学统计特征，翼长与背风坡长度L₂之和近似于迎风坡长度L₁，即：L₃≈L₁-L₂。这样设置的目的在于基于海岸风沙活动的自然规律，使得该人造的新月形沙丘形态更符合自然海岸新月形沙丘形态，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。

在本实施例中，所述新月形沙丘的宽度W通过如下公式计算：

W＝10H

其中，H为沙丘高度。沙丘宽度和高度的比例关系符合自然状态下的新月形沙丘形态学统计规律，当宽高比为10时，新月形沙丘的两翼和最高点形成较为稳定的多边形，有助于维持沙丘地貌形态的稳定性。

在本实施例中，依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸，具体的：砂质缓坡基底上设置多道雁列带，每道雁列宽度(D₀)介于新月形沙丘长度(L)与宽度(W)之间，即：L≤D₀≤W(主导风向与海岸垂直时，D₀＝L；主导风向与海岸平行时，D₀＝W)；雁列角等同于主导风向与横向轴线的夹角，雁列轴的位置和同道沙丘丘顶的连线位置一致；每道雁列中设置若干个新月形沙丘，且相邻沙丘之间的间距D₂为0.5米-1.0米；两道相邻的雁列带交错分布，且丘顶连线垂直于主导风向的两座新月形沙丘之间的间距为D₁，距离范围为D₁＝W+D₂(其中W为沙丘宽度)。这样设置的目的在于形成不同沙丘体以及陆海间的物质、能量和生物交换通道，方便生物体在沙丘带内活动。

在本实施例中，基于海岸风沙和水沙活动的自然规律，兼顾海岸风沙与风暴潮防护需求，并考虑陆海物质、能量和生物量交换，提出新月形海岸沙丘修复型式，形成基于自然的海岸风沙和极端水动力综合防治方案。

基于实施例之一，应用的具体步骤如下：

S1，沙丘修复基底缓坡设计。基于海岸对风暴潮的防护需求，设置由陆向海均匀放坡的砂质缓坡基底4(图2，图中，1、新月形沙丘；2、沙丘丘顶；4、砂质缓坡基底；5、防护林带)。缓坡基底4的坡脚高程为岸线(即平均大潮高潮线)以上0.5m，坡顶高程为历史最高潮位，坡度为1:20。

S2，单座沙丘平面设计。根据我国海岸风力环境特点(主导风向明显)，单座沙丘采用新月形分布形态。新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺风向延伸(图3，图中，2、沙丘丘顶，E、主导风向，F、迎风坡面，G、背风坡面)；具体的沙丘尺寸设计如下：

(1)坡度：新月形沙丘的迎风坡F凸出而平缓，坡度θ₁为8～20°；背风坡G凹而陡，坡度θ₂接近背风侧风沙落淤堆积的自然休止角度，为28～34°；

(2)高度：新月形沙丘高度取决于当地物源供给程度和主导风强弱，物源供给与输运潜力同步时沙丘高度越大。具体设计时可采用类比法或经验公式法。

①类比法。沙丘高度H参照同个海湾或毗邻海湾发育完好的自然新月形沙丘高度取定，一般为1～6m。

②经验公式法。若待修复海岸无可类比的邻近相似沙丘岸段，沙丘高度H采用如下经验公式进行推算：

H＝H₀-h

H₀＝2.637+0.951·P+0.006·RDP·cosα

式中，H为新月形沙丘高度；H₀为沙丘顶部至缓坡坡脚的高差(见图2)；h为沙丘底部至缓坡坡脚的高差；P为近岸年均波浪功率；RDP为年净风沙势；α为RDP相对于岸线法线方向的角度。

(3)长度：新月形沙丘主轴长度L由迎风坡长度(L₁)、背风坡长度(L₂)和翼长(L₃)三部分组成，即：L＝L₁+L₂+L₃。其中，迎风坡长L₁根据沙丘高度H和迎风坡度θ₁计算：L₁＝H/tanθ₁；背风坡长L₂根据沙丘高度H和背风坡度θ₂计算：L₂＝H/tanθ₂；翼长L₃与背风坡长L₂之和近似于迎风坡长L₁，即：L₃≈L₁－L₂。

(4)宽度：翼宽W反映新月形沙丘两翼的开展程度，近似为沙丘高度H的10倍，即W＝10H。

S3，修复沙丘群平面布置型式。根据我国海岸风力环境特点，参考自然海岸沙丘地貌形态发育规律(图4)，设计雁列式、交错分布的修复沙丘群。其中，第2道沙丘与第1道沙丘错位分布，以沙丘A与沙丘B为例，两座新月形沙丘的丘顶连线垂直于主导风向，连线的距离D₁为沙丘翼宽W与沙丘间距D₂之和，即：D₁＝W+D₂；每一道沙丘带内，沙丘等间距排布，沙丘间距D₂为0.5～1.0m。

通过上述交错排布，沙丘群在沿岸方向形成连续的沙丘防护投影带，同时形成自然的流通空间，在实现海岸防灾减灾功能的同时，能够促进不同沙丘体以及海陆间的物质、能量和生物量交换。

S4，海岸沙丘通道设计。沙丘通道是沙丘交错排布形成的自然流通空间，包含主通道3和次通道(图5，图中，1、新月形沙丘；2、沙丘丘顶；3、沙丘通道，4、砂质缓坡基底；5、防护林带)。主通道是两道沙丘修复带以及海陆间物质、能量和生物量传输、交换的大动脉，主通道的走向与主导风向一致或呈小角度相交，从而引导风沙流传输、避免通道被风沙流掩埋；主通道的宽度与沙丘间距(D₂)一致，为0.5～1.0m。次通道是主通道向两侧的自然分支，有助于增强单个沙丘体间的物质和能量流动。

从宏观上看，交错排布的沙丘群阻挡了大部分风沙流向岸传输，从而起到良好的海岸风沙防护效果；蜿蜒分布的沙丘通道则开辟了陆海联系的窗口，有助于提升整个海岸活力。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，包括：

在海岸线以上沿陆向海设置砂质缓坡基底；

依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸。

2.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述砂质缓坡基底的坡脚高程为岸线以上0.5m；坡顶高程为历史最高潮位；缓坡基底的坡度为1:20-50。

3.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述新月形沙丘的迎风面沿主导风向凸出，坡度为8°-20°；

所述新月形沙丘的背风面沿主导风向内凹，坡度为28°-34°。

4.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述新月形沙丘的高度H为1米-6米。

5.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述新月形沙丘的高度H采用如下经验公式计算：

H＝H₀-h

H₀＝2.637+0.951·P+0.006·RDP·cosα

式中，H为新月形沙丘高度；H₀为沙丘顶部至缓坡坡脚的高差；h为沙丘底部至缓坡坡脚的高差；P为近岸年均波浪功率；RDP为年净风沙势；α为RDP相对于岸线法线方向的角度。

6.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述新月形沙丘的长度通过如下公式计算：

L＝L₁+L₂+L₃

其中，L₁为迎风坡长度，根据沙丘高度H和迎风面坡度θ₁计算：L₁＝H/tanθ₁；L₂为背风坡长度，根据沙丘高度H和背风坡度θ₂计算：L₂＝H/tanθ₂；L₃为翼长，参照自然海岸新月形沙丘形态学统计特征，翼长与背风坡长度L₂之和近似于迎风坡长度L₁，即：L₃≈L₁-L₂。

7.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

所述新月形沙丘的宽度W通过如下公式计算：

W＝10H

其中，H为沙丘高度。

8.如权利要求1所述的一种基于自然的海岸沙丘修复布设方法，其特征在于，

依据海岸主导风向，在砂质缓坡基底上设置若干新月形沙丘，该新月形沙丘的轴线与主导风向平行，两翼顺主导风向延伸，具体的：

砂质缓坡基底上设置多道雁列带，每道雁列宽度介于新月形沙丘长度与宽度之间；雁列角等同于主导风向与横向轴线的夹角，雁列轴的位置和同道沙丘丘顶的连线位置一致；每道雁列中设置若干个新月形沙丘，且相邻沙丘之间的间距D₂为0.5米-1.0米；

两道相邻的雁列带交错分布，且丘顶连线垂直于主导风向的两座新月形沙丘之间的间距为D₁，距离范围为D₁＝W+D₂(其中W为沙丘宽度)。