自然资源部海洋三所所长蔡锋：为国家守护好每一片沙滩！ - 海底地质过程模拟工具

广州老梁 · 发表于综合类资料 2024-10-30 14:35:39

细腻的沙滩上，潮起潮落间，白色浪花变成透明的泡沫，这里是厦门观音山沙滩。每每走过这里，自然资源部海洋三所所长蔡锋都会抓起一把海滩的沙子，揉搓观察一番。每到有沙滩的地方，他都会向当地人询问沙滩的情况，看一看、摸一摸沙滩的沙子。但观音山有些不同，这里是蔡锋从事沙滩修复养护的起点，也是我国开展沙滩修复养护的起点，更是构建我国沙滩保护修复技术体系的起点。

▲蔡锋

钟情科研的蔡锋常常被人称为“蔡沙滩”。“我的理想就是科技赋能，为国家守护好每一片沙滩。”2024年6月24日，2023年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂举行。自然资源部第三海洋研究所（以下简称“海洋三所”）牵头完成的“复杂海岸环境沙滩保护修复关键技术与应用”项目荣获国家科学技术进步奖二等奖，项目第一完成人蔡锋及其团队参加了大会。

“每每看到海岸破坏受损，我都会想如何保护这些海岸，实现人海和谐的可持续发展。”蔡锋说，“我国社会发展的需求、海洋环境保护的压力和作为海洋人的使命感，让我选择了保护修复海岸这个领域。”这一项目形成了从沙滩保护修复基础理论研究、关键技术研发到工程应用推广的系统性原创成果，不仅填补了我国沙滩修复综合技术空白，更推动了我国海岸保护理念的转变和海岸防护技术的进步。

第一个海滩养护工程

1999年10月9日，9914号台风登陆，狂风裹挟着暴雨直扑厦门。在轮渡码头附近，几十吨重趸船在风浪的冲击下，拉断能够承受45吨拉力的铁链，在风浪中颠覆，仅半小时就遭受没顶之灾。市区街道上，大半行道树被吹倒，甚至连根拔起，大型广告牌、霓虹灯箱被撕裂后随风飞舞。1999年《中国海洋灾害公报》这样记载“9914号台风风暴潮灾”：厦门市出现最大风暴增水122厘米……受灾人口76.25万人，淹没农田2445公顷，死亡失踪12人，损坏船舶2166艘，损坏堤防21.4千米，直接经济损失9.3亿元。9914号台风同样给厦门海岸带来巨大破坏，蔡锋就此开展了深入研究，探讨海滩风暴效应，逐步形成了对华南海滩动力过程的认识，揭示了其浪潮控制模式，并开始思考如何保护和修复海岸，抵御海岸灾害。海岸为何会被破坏？强潮与强风暴仅是表象，追根溯源在于高强度人类活动。滨海沙滩的沙子主要来自河流入海沉积的沙子和海边石头风化带来的沙砾。20世纪90年代以来，随着沿海经济和社会快速发展，尤其是在大规模填海工程、高强度近岸采砂和不合理沿岸工程建设等因素影响下，半数以上沙滩持续侵蚀退化，沙子流失严重，海滩变窄、滩面高程变低。这不仅让海滨难以抵御风暴潮等极端动力灾害，还会导致海岸带固有的生态活力、环境弹性逐渐降低，甚至海岸生态价值的永久性降低。为了防灾，人们建起了护岸、防波堤、丁坝群等，但这种“硬防护”护岸不护滩，改变了水动力，加之极端天气频繁，台风、风暴浪导致沙子快速流失，最终造成沙滩不可逆地被侵蚀破坏。那么，如何重塑海滩地貌、增强沙滩的稳定性？“硬”的不行来“软”的，也就是海滩修复养护，这是砂质海岸柔性防护的主流技术。在自然供沙不足时，通过人工手段在受侵蚀的海滩进行补沙修复，增加海滩后滨（平均潮位与最大波浪达到上界之间的地带）的宽度，维持、修复或重塑海滩功能。欧美等发达国家早在20世纪中期就开展了海滩养护修复技术的研究和实践，并在90年代形成了适用各自情况的理论和技术。我国直到2005年前后，才开始重视海滩养护修复技术及应用研究。厦门是一座典型的海湾型城市，城在海上、海在城中。保护和利用好宝贵的海岸空间资源，一直是其发展的关键问题。2007年，为解决海岸蚀退、滩面裸露、无亲水空间等问题，厦门启动了观音山沙滩修复工程，这是内地第一次海滩养护实践尝试。蔡锋带领海洋三所海滩动力地貌与海滩养护研究团队，分析强潮与强风暴特征，探索性提出分层修复方法，形成了1.5千米的稳定沙滩，获评“优秀海洋工程”。

拥抱挑战，才有创新

以厦门观音山沙滩修复工程为起点，海洋三所团队承担了全国约半数中央资金支持的沙滩修复项目，在各地开展了120多个海滩修复养护工程，累计修复海滩岸线长度百余千米。我国岸线曲折、动力环境多变、人工岸线占比高，基于复杂环境的沙滩保护修复是一项重大挑战。蔡锋不怕挑战，因为“拥抱挑战，才有创新”。海滩受损原因不同，海滩养护方案也各异。为寻找最佳方案，团队成员各抒己见，常常争论到深夜。正是在一次次智慧碰撞中，一个个难题被解决了。

▲蔡锋荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖厦门天泉湾海岸长期受台风风暴潮影响，护岸外海滩侵蚀退化严重，护岸工程多次损毁。若采用传统的补沙修复，沿岸泥沙流失率大，岸滩稳定性差。海洋三所团队多番研讨后，创新了分层卵石养护技术，用砾石级别的材料作为海滩养护填充物，设计了滩面耗能层、渗透垫层、基础层构成的3层组合断面结构。修复前后沿岸净输沙率降低80%以上，岸滩稳定性显著提升，海岸防护能力极大提升；修复工程还极大改善了海岸生态景观，天泉湾海岸成为我国柔性海岸防护的经典示范。厦门会展中心海岸是20世纪末围海造地形成的人工海岸，排水管直排入海引起侵蚀、岸滩失稳等系列难题。海洋三所团队从海滩系统整体特征考虑，综合运用沙滩养护、拦沙堤构建与连岛沙坝式管涵端头设计等技术进行围填海岸线系统整治修复。修复后，这里形成1900米长的优质滨海沙滩岸线，极大提升了岸滩的整体稳定性和生态景观效果，有效解决了海岸排洪与沙滩稳定间的矛盾，为围填海海岸的生态提升提供了解决方案。在厦门同安湾西岸，天然沙滩被破坏殆尽，湾内环境下泥沙长年淤积，加之沿岸工业、生活、养殖污水的无序排放，海岸带环境持续恶化。修复治理后，同安湾纳潮量增加4400万立方米，海域水体交换能力提升30%，长毛对虾、白海豚等消失多年的海洋生物重新出现在这片海域。曾经的“烂潮滩”变成了拥有黄金沙滩、彩虹跑道、环东滨海浴场等网红打卡点的“浪漫路”。针对台风频发、冬季风强烈的福州市长乐下沙海滩，海洋三所团队研发出“强风区海岸多峰多层沙丘修复技术”，通过“沙丘＋植被”方法修复海滩，同步提升防灾减灾功能与生态功能。洁白别致的海螺塔、广阔绵密的白沙滩、一望无际的碧海水，让人们在1986年建成的长乐下沙海滨度假村又找回了童年记忆。珠海市香炉湾沙滩，直立海堤破坏了自然岸线，滩面空间严重不足、无后滨缓冲，是典型的“有岸无滩”。团队利用岬头和拦沙堤构建岬湾，提升海岸稳定性和减灾能力；同时，修复后滨植被，打造亲水空间，提升生态韧性，为硬质海岸线的生态化、韧性提升提供了科学解决方案。成果获得了住建部颁发的“中国人居工程范例奖”。近年来，台风频繁袭击厦门、珠海等城市，这是对海滩养护工程的严苛检验。2016年“莫兰蒂”、2017年“天鸽”、2018年“山竹”台风后，海滩养护团队的工作人员第一时间赶到修复的海滩，海滩、海岸在经历狂风暴浪后依然安好，发挥着良好的海岸防护作用。

构建沙滩保护修复技术体系

在我国，大陆海岸线长度约1.8万千米，其中砂质海岸约5000千米。这就是海洋三所团队的工作场域。过去20年里，蔡锋和团队几乎走遍了全国沿海地区的海滩，为了研究海滩风暴效应，他们甚至追着台风跑。追风踏浪的时光里，海洋三所牵头，联合河海大学、中国海洋大学、国家海洋环境监测中心、自然资源部海岛研究中心，5家单位协同攻关，形成了从沙滩保护修复基础理论研究，到关键技术研发，再到工程应用推广的系统性原创成果，构建了适合我国复杂海岸环境的沙滩保护修复技术体系。蔡锋说，沙滩保护修复技术体系创新主要体现在3个方面。首先，揭示了破波带强非线性波浪演化机理，阐明海岸沙坝时空演化的波流耦合作用机制，建立了潮汐影响下的沙滩风暴响应模式，实现了强潮沙滩动力地貌过程的理论突破，为复杂海岸环境下沙滩保护修复提供了重要的理论支撑。其次，研发了高精度、多要素沙滩动力地貌模拟关键技术，创新岸线—岸滩—结构物冲淤演变多维度模拟方法，自主研发了多要素非线性沙滩动力地貌演变数值模拟系统，将破碎波高计算精度提高了19%，悬沙层化条件下的净输沙率计算精度提高了32%，攻克了多维度、全周期沙滩演变及工程响应模拟难题，为沙滩修复提供先进的成套精细化模拟分析工具。再次，创新了样本扩容与自适应阈值相结合的沙滩修复工程设计极值推算方法，发明生态友好型的沙滩修复结构、维持系统平衡的泥沙精准调控技术和基于自然的适应性沙滩修复技术，突破了传统沙滩修复技术的动力环境局限，系统解决了侵蚀热点形成、水体交换减弱和生态景观受损等诸多难题。2010年以来，中央投入海洋生态修复资金超270亿元，全国累计实施了58个“蓝色海湾”整治项目、24个海岸带保护修复工程、61个渤海综合治理攻坚战生态修复项目等一系列重大项目。研究团队研发的系列沙滩修复技术被自然资源和生态环境主管部门、科研院所和工程设计单位广泛采用，支撑了中央专项的有效实施，推动实现了海岸系统修复和综合治理，构建了陆海统筹、人海和谐的海洋空间开发新格局，形成了“科技借力、科学治理”的海岸保护修复新态势。同时，推广应用于韩国、泰国、印尼、阿联酋等“一带一路”沿线国家的海岸防护和沙滩资源保护，指导了韩国釜山、泰国芭提雅等沙滩修复项目，阿联酋迪拜、印尼等地的岸滩防护工程，实现了“技术出海”。技术之争的尽头，是标准之争。2018年，海洋三所牵头编制的海滩养护行业标准《海滩养护与修复技术指南》颁布。目前，我国海滩养护领域已经出台施行了4项行业标准、3项团体标准，国家标准也在报批中，形成了我国自己的海滩养护技术体系。此外，他们还出版《中国海滩养护技术手册》等10部专著，获授权发明专利42项、软件著作权10项、实用新型专利3项，发表论文300余篇。

“海洋二代”

蔡锋是一名不折不扣的“海洋二代”。他1965年生于福建省龙海市，父母亲都是在海洋三所从事海洋科学研究的科研人员。青少年时期课余时间多，他都是在海洋三所附近的海边度过。“我从小就与海为伴，沙坡尾、白城海滩到黄厝海岸，都留下过我的身影。这些青春印记，为我将来从事海洋科研工作埋下了种子。”1982年，蔡锋考入山东海洋学院（现中国海洋大学），1986年考取了海洋三所与厦门大学联合培养的海洋地质硕士研究生，1989年毕业后进入海洋三所工作，2000年重返母校中国海洋大学，攻读海洋地质博士研究生。此外，他还在日本学习海上调查，在德国学习实验技能，在澳大利亚学习生态保护，到美国特拉华大学和南佛罗里达大学开展海岸动力学合作研究。“沙滩研究属于交叉学科，包含地形地貌、沉积、动力及生态保护等问题。这些海外经历对学科交叉研究很有帮助。”一名科研工作者，不仅要有“术”，还需要抵御诱惑干扰的强大定力、打造高效率高凝聚力团队的合作精神。“将我引入海洋地质学专业研究的，是我国老一代从事孢粉研究的著名学者陈承惠。我是陈老师的第一个硕士研究生，他平淡朴实的为人作风培养了我在学术上踏踏实实、不与人争名利的性格。”“我的博士导师夏东兴研究员，是著名的海岸带研究专家。他让我更加专注海岸动力地貌的研究，特别是沙滩的研究。他教我如何为人处世，如何更加包容地与人相处。”“还有海洋三所陈峰研究员，他给我很多机会，让我学会如何带领团队开展调查研究，成为项目的核心骨干。”……一路走来，师长、前辈、同行对蔡锋影响很深，他说：“如果说我现在取得了一点成绩，离不开他们对我的培养、信任和支持。”踏实为学、宽容无私、有大局观，以及带领团队调查研究的实践经历，让蔡锋逐渐成长为一名管理者。2017年，他开始担任海洋三所所长。从出生到求学到工作再到担任所长，蔡锋的个人经历和海洋三所的发展早已交织在一起，你中有我、我中有你。所以，一说起海洋三所，他如数家珍：海洋三所多年来重点发展了深海生物研究与海洋生物资源开发利用、全球变化与区域海洋响应、海洋生物多样性与生态系统保护、应用海洋学4个学科领域12个研究方向；有自然资源部重点实验室2个、自然资源部工程技术创新中心1个、福建省重点实验室3个和自然资源部野外科学观测站2个，以及面向服务经济社会建设为主的厦门海洋工程勘察设计研究院有限公司；经过60多年的发展，海洋三所形成海洋生态保护修复、海洋生物资源开发利用两个优势学科，已经成为我国海洋科学研究的重要力量，在国际上具有一定的知名度，为我国海洋科技发展、海洋综合管理、海洋经济发展、海洋权益维护和海洋生态文明建设作出了重要的贡献。“我们要聚焦海洋生态文明建设，支撑好海洋生态保护修复的职责，同时深耕海洋医药与生物制品的研发，推动一批海洋生物制品的企业实现产业升级。”蔡锋说。

海岸保护再升级

厦门观音山海滩外的人行道上，有一个小小的圆形铆钉，这是沙滩的监测固定点。海滩就像人，生病了，要对症下药，进行修复；治愈了，要监测养护，保证长久健康。而这些点，就是来监测波浪、潮汐变化的，台风等极端天气来临前后，在监测点记录沙滩变化，根据监测数据评估养护效果。

▲蔡锋现场考察海滩2018年，蔡锋带领研究团队开始以“海滩”为研究对象，全面而系统地开展深入研究，在海岸监测新技术研发、海滩风暴效益的深入研究、河口海岸过程的相互作用、海滩资源管理、海岸生态化防护等方向同时出击。如果说，沙滩保护修复技术体系，使我国海岸保护理念实现了从被动防御到主动适应的转变。那么，以“海滩”为研究对象的新一轮攻坚，不仅注重地貌系统修复，关注海滩的减灾防护能力，还要探索地貌系统和生态系统的相互作用，关注生态系统的活力、经济开发的可持续力。而这也是目前最受关注的领域。受全球气候加速变化和高强度人类活动双重压力胁迫，海岸侵蚀与生境退化已成为全球面临的共同威胁。联合国“海洋十年”和我国“国家适应气候变化战略2035”都明确提出海岸韧性提升的目标和举措。因此，研究海岸地貌系统与生态系统相协调的生态保护修复理论和技术，探索适合于不同修复场景的活力海岸模式，成为国内外研究的热点和难点问题。依托国家重点研发计划“典型海岸侵蚀防护与活力海岸构建关键技术”，海洋三所团队从智能立体监测、侵蚀风险预警、生态地貌演化模拟、侵蚀防控与生境修复技术研发等方面开展系统研究，探索减灾防护能力、生态系统活力、经济开发活力提升融合的活力海岸构建模式并开展示范应用，旨在提升我国海岸防护功能、构建健康生态系统并推动滨海经济发展。高水平保护海岸已然成为未来发展的方向，蔡锋也开始对下一步的科研进行规划。一是进一步学科交叉，探讨海岸地质地貌-动力泥沙-生态环境-人为活动之间的深层次联系，揭示海岸新型污染物、微生物的生态环境影响机制。二是推动海岸带监测预警的智能化，结合人工智能大模型建立数字孪生海岸带，深入揭示海岸地貌-生态过程，支撑海岸带保护和管理。三是重视社会-生态系统研究，探讨人为活动参与下的海岸带过程，寻求全球气候加速变化影响下海岸带适应性管理的策略和可持续发展的实现路径。四是研发海岸高水平保护关键技术，建立基于海岸生态系统长效效应的海岸生态修复方法体系，构建适用于我国高强度开发的活力海岸。采访结束时，谈及学者抑或管理者的身份选择，蔡锋说：“如果要从中选一个，那我还是更愿意做学者。作为管理者，我更多的是感到一份责任、一种压力，而从事科研，我感到一种放松、一种兴趣。不管是独自思考还是和同事们研讨，都是一件很快乐的事情。”说这话时，蔡锋的脸上有经过岁月磨砺的坚毅，更有少年时在沙滩上乘风踏浪的沉静。

信息来源：科学中国人微信公众号作者：杨洁吴应清 。转载请注明信息来源及海洋知圈编排。

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