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中国交通报报道我院人工沙滩工程项目研究成果
来源:党群办 日期:2017-08-21

中国交通报报道我院人工沙滩工程项目研究成果

 

   2017年8月11日出版的中国交通报,对我院海岸河口中心开展的人工沙滩工程研究项目成果进行了综合报道。以下是记者采编的报道全文:

 

人工沙滩 恢复海岸活力的“金沙”

——部天科院人工沙滩工程项目成果国际领先

 

    炎炎夏日,海边成为人们休闲消暑的重要场所。你也许不知道,我国海滩大多数为淤泥粉沙,可供游玩的优质天然沙滩十分稀少。同时,沿海港口建设占用了大量天然岸线资源,导致目前天然岸线的保有比例已不足1/3。大量海滩的丧失使滨海居民陷入“靠海不见海”的尴尬处境,造成港城联动发展矛盾。我们能够亲近大海、享受海滩,多亏了人工沙滩。

    人工沙滩工程是港口岸线环境补偿的重要举措,也是践行国家生态文明建设战略、推进“绿色港口”转型升级、实现港城一体化发展的重要措施。近日,交通运输部天津水运工程科学研究院(简称部天科院)承担的“港口岸线环境补偿人工沙滩工程理论与实践”项目通过鉴定,成果达到国际领先水平。

建设人工沙滩困难重重

    据部天科院海岸河口研究中心主任杨华介绍,依托港口岸线,发展环境补偿型人工沙滩,其本质是将港口岸线“绿色化”,降低港口建设对环境的影响,恢复海岸活力。杨华将这生动地比作海岸线上的“退耕还林”:“人工沙滩可以重新恢复海岸线的亲水功能,将人工修筑的‘冷岸线’变为富有活力的沙滩岸线,满足公众的亲海需求。”

    然而,在我国建设人工沙滩实非易事。我国海岸泥沙环境极为复杂,大量港口坐落于淤泥质、粉沙质和沙泥混合质海岸。在这样的海岸上建设人工沙滩工程,滩沙的侵蚀和泥化风险并存,能否“保沙防泥”直接关系到沙滩的存亡。在淤泥质、粉沙质、泥沙混合质海岸上建设人工沙滩,国际上尚无成功案例。

    鉴于我国海岸泥沙环境的多重性与复杂性,当前无论是沙滩动力地貌过程的基础理论、模拟预测技术,还是沙滩的设计理念、整治技术、养护技术,都处于起步阶段。部天科院通过“港口岸线环境补偿人工沙滩工程理论与实践”项目,攻克了泥、沙并存环境下近岸沙滩动力地貌学基础理论,发展了先进的数值、物理模拟成套技术,提出了适用于各种复杂泥沙环境下的人工沙滩设计原则,研发了人工沙滩防侵蚀、防泥化整治与养护措施。项目成果在山东潍坊中港区、天津东疆港区、大连金州湾等多个人工沙滩工程中得到应用,论述了连云港赣榆港区对临近沙滩的影响,保障了港口规划的顺利实施。

突破理论瓶颈 提出人工沙滩设计原则

    在我国,沙质和粉沙质海岸分布广阔,沙滩受到海浪侵蚀,沙粒被卷入大海。

    保住人工沙滩,核心是维持沙滩与波浪的平衡、保证沙滩稳定。这需要搞清近岸水沙活动规律。

    人工沙滩工程中对海流、波浪的勘测,90%集中在海岸附近宽度不足百米的破波带内,但目前对于破波带内波浪运动机理的研究十分缺乏。不同于海域测量,测量船无法进入破波带,科研人员只能利用沙滩对波浪运动反应速度快的特性,通过对沙滩进行现场踏勘、无人机拍摄、遥感卫星图对比来判断破波带内的水沙运动情况。

    通过多重地貌破波带水力结构研究、多重泥沙环境波浪传播研究、输沙过程及地貌研究,部天科院实现了人工沙滩工程关键理论的突破与发展,研发出了具有国际领先水平的数值、物理模拟成套技术,能够更加精细化地模拟沙滩的动力地貌过程,直接推动了海岸动力学的学科发展,提高了我国基础研究水平。

    此外,保持人工沙滩稳定,沙滩的线型、坡度必须与波浪的水动力条件相匹配。

    2011年,山东潍坊中港区耗费33万立方米的优质海沙打造人工沙滩,谁知不到半年滩沙就流失了70%,原因之一就是沙滩的线型和坡度与当地水动力条件不匹配。海岸河口研究中心的院青年首席专家解鸣晓告诉记者,天然沙滩在波浪的冲刷下可以快速自行调整到与之适应的状态,而作为“客沙”的人工沙滩由于与当地海洋环境不一致,无法自行匹配,因此铺设人工沙滩之前必须确定恰当的线型和坡度。

    “人工沙滩的线型要尽可能逼近平衡岸线,坡面的设计要根据沙子的粒径、覆盖面的坡度确定。”解鸣晓解释说,在理论上,波浪和沙滩存在一种理想形态,即波浪的方向与岸线方向处处垂直,使沙滩处于最稳定的状态。

    “中港区1.6公里长的人工沙滩,我们来来回回走了许多遍,不放过任何细节。有时候,一条小水沟的流向就能反映出海流的运动情况。”解鸣晓说。科研人员将采集到的数据带回实验室,通过建立数学模型、物理模型,确定了人工沙滩最稳定的线型和坡度。如今,中港区已成为当地消夏戏水胜地。

    不仅如此,部天科院提出了适用于各种复杂泥沙环境下的人工沙滩设计原则,为岸线设计、坡度设计、滩沙粒径选取提供了依据,提高了我国人工沙滩的设计水平。

成功打造世界首个淤泥质海岸人工沙滩

    比沙质、粉沙质海岸更难对付的是淤泥质和泥沙混合质海岸。

    在淤泥质、泥沙混合质海岸,波浪将人工沙滩卷入大海的同时,将海底的淤泥带上岸,致使泥沙混合,造成沙滩泥化,使人工沙滩丧失功能。世界上对人工沙滩的建养技术,特别是抑制泥化的措施存在不足。

    天津东疆港区人工沙滩是我国在淤泥质海岸上建设的首个人工沙滩。2009年,人工沙滩初步投入使用,但一段时间后,触水区域发生泥化,黑色的淤泥黏附在金黄色的滩沙上,同时沙滩局部区域出现沙粒流失现象。

    针对淤泥质、沙泥混合质海岸人工沙滩泥化问题,部天科院发明了滩下抽泥管廊系统。该系统顺着人工沙滩坡度,在沙滩下方埋设多根透泥管道,管道下端连接集泥管道,集泥管道内设有抽泥水泵。抽泥管廊系统能够极大减缓淤泥质海岸人工沙滩的泥化速率,节约维护成本,维持良好的沙滩景观和游客舒适度。不仅如此,该系统自动化程度高、实施方便,不影响沙滩运营,经济效果显著。

    如今,天津东疆港区人工沙滩已成为天津市重要的亲海旅游资源,沙滩稳定性良好,泥化轻微,成为世界首个淤泥质海岸人工沙滩成功案例。

    “人工沙滩的侵蚀和泥化是一个矛盾体。如果波浪掩护不足,沙滩就存在被侵蚀的风险;如果波浪掩护过度,则存在泥化风险。因此,在人工沙滩建设前,必须慎重论证防护方案,并充分考虑后期的养护措施。”海岸河口研究中心副主任李孟国告诉记者,既要稳住滩沙,又要防止淤泥沉积,防波堤、丁坝的设计至关重要。

    部天科院论证了环抱式防波堤、坡脚潜堤、外侧潜堤、丁坝群等多种防波堤形式,提出了多种形式相结合的沙滩防护措施,为不同海岸类型人工沙滩整治修复提供了技术支撑,有效指导了人工沙滩的建设和养护。


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