综述：近岸补沙研究进展与未来展望

本文聚焦海岸侵蚀问题，综述近岸补沙（在 4-10 米水深处水下补沙）这一管理方案。分析其形态动力学研究进展，指出补沙扩散、设计变量影响等 4 大知识缺口，提出研究议程以推动科学与社会价值知识发展。

　　

近岸补沙研究进展与未来展望

一、近岸补沙的背景与应用

近岸海岸带（如沙质海滩和沙丘）对洪水风险管理至关重要，兼具经济、娱乐和自然价值。过去几十年，全球约 15% 的沙质海滩平均每年后退 1 米或更多。气候变化，尤其是海平面上升（SLR），在海滩后有人类基础设施限制其后退时，预计会进一步缩小海滩宽度。

沙质补沙已成为缓解沙源丰富地区海岸后退的常用管理方案，通过向海岸系统添加异地沙子来补充沉积物预算赤字，故也被称为沙子补充或海滩填充。若离岸采沙区有足够沉积物，补沙比海堤和防波堤等硬工程结构更受青睐，它是一种自然灵活的人为干预，对自然沉积物路径干扰较小，并能积极影响沉积物预算。然而，与硬结构一样，补沙通常不能消除海岸侵蚀的原因，这意味着补沙必须重复进行，可能需与硬结构结合。

海岸补沙有不同类型，可分为将沙子直接放置在需要的地方（如海滩和沙丘上）的直接补沙，以及旨在产生间接效果（利用自然运输路径将沙子运输到感兴趣区域）的补沙。近岸补沙属于后者，通常比海滩补沙规模更大，放置在 4-10 米的水深中，这简化了施工，因为 dredging vessels 可航行至需要放置沙子的位置。与海滩补沙相比，其主要优点是更具成本效益、寿命更长且对海滩的干扰更少。近岸补沙被假设为起到 feeder berm 的作用，导致相邻海滩变宽，并消散较大海浪的能量，减少侵蚀过程。

近岸补沙放置在近岸海岸带，该区域通常是海岸带中床面高度变化最大的区域，且有许多（有节奏的）特征。几十年来，揭示和预测这个近岸区域一直是一个挑战，因此理解和预测人为干预并非易事。

自 20 世纪 90 年代末以来，近岸补沙在荷兰已成为常见做法。目前，荷兰近岸补沙的年总量达 500 万立方米，约占补沙总量的 50%。由于这些和其他类型的补沙，荷兰在过去 30 年中动态地将海岸线保持在所需位置。在欧洲其他地方，如德国的叙尔特岛、丹麦西海岸、比利时、法国和葡萄牙，也有近岸补沙的案例，通常旨在改善海岸稳定性、加强海岸保护和增加海滩宽度。在美国，近岸补沙通常被称为近岸放置或近岸补沙，若补沙被建成为近岸土堆或沙坝，则通常被称为近岸 berm。在 2001-2020 年期间，美国陆军工程兵团在 792 个项目中将近岸航道疏浚的 1.4 亿立方米沉积物放置在近岸。近岸补沙也在韩国和澳大利亚等其他国家开展，澳大利亚最近的一些补沙项目还旨在短期改善冲浪条件。

预计的海平面上升（IPCC，2022）要求重新思考海岸补沙策略，这引发了海岸政策和管理问题，如补沙量是否可以简单扩大以应对加速的海平面上升，运输能力是否足以将补沙的沙子带到岸上，连续补沙之间的时间间隔是否应缩短或每次补沙的量是否应增加。同时，越来越需要更详细地了解补沙的沙子如何扩散，以评估对栖息地的影响（生态效应）以及对海岸线位置、海滩宽度和沙丘脚部位置等形态状态参数的影响。这两者都需要对补沙的影响和演变有深入的理解和可靠的预测。然而，目前缺乏对近岸补沙形态动力学研究进展的全面概述，这是取得重大进展的前提，尤其是考虑到新出现的气候变化影响，这一需求更加迫切。

二、研究方法与内容组织

本综述旨在满足这一需求，描述近岸补沙形态动力学的研究进展，并根据实地研究、实验室实验和数值模拟确定未来的研究需求。自 20 世纪 30 年代首次实施近岸补沙以来，已通过实地观察检查了补沙性能和海滩响应。随着补沙变得越来越普遍，海岸机构有大量数据可用，从一些地形测量到更详尽的研究、报告和实践指导。在过去的几十年中，通过在受控环境中进行的实验室实验和数值模拟，对形态行为和驱动过程的见解得到了补充。本文将近岸补沙定义为在波浪主导的海岸上水下近岸放置沉积物，不考虑海滩补沙或大规模补沙（如 Sand Motor），也不讨论潮汐主导系统或湖泊中的补沙。

全文组织如下：第 2 节概述了现场测量和实验室实验，这些是我们近岸补沙形态动力学知识的主要来源，第 3 节讨论了这些知识；第 4 节描述了不同类型数值模型中示意性表示的物理过程；第 5 节讨论了当前的知识基础，第 6 节得出结论并展望未来。

三、近岸补沙形态动力学研究进展

由于近岸形态动力学的复杂性，对近岸补沙行为的理解和预测在很大程度上依赖于现场和实验室条件下的实验研究。现场观测为近岸补沙和周围近岸形态的形态发展提供了重要见解，观测研究主要基于床面高度观测，除了增加我们对补沙海岸海滩的理解外，这些观测对于校准和测试预测工具至关重要。然而，由于自然变化和其他人类活动的同时存在，可能难以解释补沙的响应。

关于近岸补沙形态动力学的知识基于现场测量，近二十年来还包括实验室实验和数值模拟。已确定 13 项小规模实验室研究，主要在水槽中进行（即仅跨岸方向），侧重于床面高度发展；描述了 15 项数值模型研究，涵盖广泛的方法和应用，但没有一个能够成功地事后预测近岸补沙的完整形态发展和影响。

四、知识缺口与未来研究议程

目前存在 4 个关键知识缺口：首先，对补沙的沙子在海岸带中的扩散了解甚少，也未进行量化；其次，设计变量（如规模、放置位置和粒度）如何影响近岸补沙的寿命、扩散和影响尚不清楚；第三，重复近岸补沙（规模：1-10 公里，1-10 年）对整个海岸系统（100 公里以上，50 年以上）的累积效应在很大程度上未知；第四，数值模型不能可靠地预测近岸补沙的完整形态发展和影响。

为了填补这些知识缺口，提出了一项研究议程，以确保生成具有科学稳健性和社会相关性的知识。这包括加强对补沙沙子扩散过程的研究，量化设计变量的影响，研究重复补沙的累积效应，以及改进数值模型以提高其预测能力。通过解决这些问题，有望为海岸管理提供更可靠的科学依据，以应对气候变化带来的挑战，确保海岸系统的可持续性和弹性。