毛里塔尼亞友誼港岸線演變及防護工程

孫 波，王秀中，孫林云

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029;2.河海大學(xué) 港口海岸及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098;3.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222;4.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室，江蘇 南京 210029)

沙質(zhì)海岸泥沙運動的主要動力為波浪及其破碎后形成的沿岸流，沿岸輸沙則是岸線演變的關(guān)鍵動因，也是沙質(zhì)海岸港口工程建設(shè)的中心議題。我國援建的毛里塔尼亞友誼港(努瓦克肖特港，port of Nouakchott)，位于首都努瓦克肖特西南約10km的大西洋東岸撒哈拉沙漠邊緣的平直岸線上。因其興建突堤攔截了自北向南的沿岸輸沙，導(dǎo)致港口鄰近岸線北側(cè)淤長、南側(cè)沖刷的累積變化。南側(cè)岸線的持續(xù)侵蝕后退影響了港區(qū)堆場等陸上設(shè)施安全，需加以防護。

一線模型是計算沙質(zhì)海岸岸線演變的有效手段，被廣泛應(yīng)用于工程實踐中，特別是對較長時段的模擬更突顯其簡潔高效。本文采用一線模型對毛里塔尼亞友誼港海岸防護方案引起的長期岸線演變進行了計算分析。

1 友誼港概況

毛里塔尼亞友誼港地理位置及港口形成初期岸線見圖1［1］。工程自1979年4月開工，1986年7月竣工運行。該港口所處海岸線呈南北走向，海灘泥沙中值粒徑為0.25mm，為典型的沙質(zhì)海岸。該港口潮汐性質(zhì)為正規(guī)半日潮，平均潮差0.91 m，現(xiàn)場實測最大漲潮的表層流速僅0.18 m/s，潮流較弱。

港口工程平面布置為島堤式結(jié)構(gòu)，工程離岸方向投影約為1300m，由外海至陸地分別為防波堤、碼頭、突堤、港區(qū)堆場等幾部分組成。由于工程建成后攔截了沿岸輸沙，海岸原有的動態(tài)平衡遭到破壞，以致港口北側(cè)發(fā)生泥沙淤積，下游南側(cè)岸線遭受侵蝕后退。為了防止港口南側(cè)海岸侵蝕后退影響港區(qū)堆場等陸上設(shè)施，1991年在突堤南側(cè)670m處修建南挑丁壩，其對港區(qū)堆場起到了良好的保護作用。歷經(jīng)多年之后，該丁壩南側(cè)岸線侵蝕已達到其根部，再次危及到堆場和陸地設(shè)施的安全，新的防護工程建設(shè)十分必要和迫切。

圖1 毛里塔尼亞友誼港地理位置Fig.1 Location of Friendship port，Mauritania

1.1 波浪與沿岸輸沙

根據(jù)友誼港1976—1985年波浪實測資料統(tǒng)計，常浪向NW頻率為48.64%，次常浪向WNW頻率為36.16%;強浪向 WNW，H4%≥2.0m 的頻率為1.67%，次強浪向為W 向，H4%≥2.0m 的頻率為0.37%。本海區(qū)主導(dǎo)波型是以涌浪為主的混合浪，出現(xiàn)頻率高達68%。每年12月至翌年3月為大浪期，多以周期涌浪出現(xiàn)，周期一般為13～18 s，方向WNW和W。

沿岸流是本海區(qū)破波帶沿岸泥沙運動的主要動力。常浪向與強浪向均斜交于海岸，在近海破碎帶形成了由北向南的較強沿岸流。岸灘泥沙在波浪掀動下起動，被沿岸流挾帶向南運移，形成了典型懸移質(zhì)為主的沿岸輸沙過程。在季節(jié)性波浪作用下，剖面上的泥沙橫向運動也較明顯，即出現(xiàn)所謂夏季斷面和冬季斷面。破波帶內(nèi)沿岸流強度大體正比于破波波能，實測最大沿岸流流速為1.40m/s。以往研究［2-4］表明，友誼港海岸波浪作用下由北向南沿岸輸沙量多年平均值在74～100萬m3之間，見表1。

表1 友誼港沿岸輸沙計算分析結(jié)果Tab.1 Calculated longshore sediment transport rate at Friendship port

1.2 港南岸線演變

友誼港附近海岸類型在地貌學(xué)上屬沙壩瀉湖海岸。泥沙運動下界水深視波浪條件不同而變，高程約為+3m的前灘至水下-8 m岸灘均處于泥沙運動范圍。一般尺度的混合浪作用，下界水深約為-6m等深線附近，只有在較大尺度的涌浪作用下，下界水深將擴展到-8 m等深線;根據(jù)地質(zhì)鉆探和潛水調(diào)查，-8 m等深線附近局部貝殼巖出露，泥沙覆蓋層較薄。

對比1990年7月、1991年11月、2000年12月和2006年11月分別測量友誼港南側(cè)岸線，見圖2。其中1991年岸線較之1990年的最大后退距離為35m，2000年比1991年后退了230m，2006年比2000年后退了118 m，此3個時間段的年均后退速率約為25，25和20m/a，綜合后多年平均岸線后退速率為24 m/a。南側(cè)岸線最大沖刷點實際為代表波WNW經(jīng)防波堤繞射后的波射線與岸線交點。以此速率估算，港南岸線將在2010年前后淘刷至南挑丁壩的根部;根據(jù)圖1中衛(wèi)星圖片記錄，2009年水邊線已到達該丁壩根部。

圖2 友誼港南側(cè)岸線變化Fig.2 South coastline retreat of Friendship port

2 不同防護方案的岸線演變計算

海岸線長期演變主要由波浪折射、繞射、淺水變形、反射及破波產(chǎn)生的近岸流系統(tǒng)聯(lián)合作用所造成。岸線演變模型中首先采用波浪場模型對研究岸段近岸波浪場進行計算，根據(jù)波浪淺水變形過程中波浪破碎所產(chǎn)生的沿岸輸沙，結(jié)合輸沙連續(xù)方程，再通過建立的岸線長期演變“一線模型”，對友誼港港南岸線不同防護方案的沖刷演變進行計算。

2.1 岸線演變模型

雖然用于模擬淺水運動、波浪傳播、泥沙運動和底床變形的集成海岸工程數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，最早由Pelnard-Considère提出的一線模型依然以其簡潔高效在海岸工程研究領(lǐng)域占據(jù)重要地位［5］。針對沙質(zhì)海岸岸線的長期演變模擬，GENESIS，LITPACK，UNIBEST等是具有代表性的一線模型計算軟件［6-7］。

岸線演變計算的一線理論，假定岸灘在演變過程中其剖面形態(tài)基本保持不變，岸灘演變可用某一等深線(如0m 線)的平面位置變化來表示，見圖 3［2，8］。圖中d1為計算下界水深，此水深以下泥沙不發(fā)生運動與輸移，d2為岸線位置，即計算剖面高度為d=d1+d2。長Δx的岸線在Δt時段內(nèi)變化(淤長或蝕退)寬度為△y，該部分泥沙的沖淤滿足以下輸沙平衡關(guān)系:

式中:Q為沿岸輸沙率;S為下界水深以上岸灘剖面面積;t為沖淤時間;x為沿岸線方向的坐標(biāo)。

岸灘剖面沖淤面積△S可由下式計算

圖3 岸灘剖面沿岸輸沙平衡關(guān)系Fig.3 Definition sketch for shoreline change and longshore sediment transport

式中:△f(z)表示水深為z的等深線后退寬度;△y為岸線后退寬度。α為岸灘剖面形態(tài)因子，取值0～1之間，需根據(jù)實測資料確定;當(dāng)α=0時，即岸灘剖面平行移動。

將式(2)和(3)代入式(1)中可得:

該式可采用顯式中心差分法求解。

對于典型沙質(zhì)海岸，沿岸輸沙率多采用美國《海岸防護手冊》建議的CERC公式:

該公式屬經(jīng)驗關(guān)系式，僅有波浪相關(guān)的輸入變量，未包含任何泥沙以及岸灘相關(guān)的因子。盡管如此，其在沙質(zhì)海岸沿岸輸沙計算中依然不斷得到很好的工程檢驗［9］。

考慮到沿岸波高不等對輸沙的影響，對CERC公式改進的沿岸輸沙率公式還可寫為［10］:

式中:(ECg)b為破波點處波能流;θb為破波角;m為岸灘坡度;Hb為破波波高;K，K'為沿岸輸沙率系數(shù)，當(dāng)波高采用均方根波高表示時，K'=1.49 ×10－4，K=K1K2，K1=0.812 ×10－4。K2為采用單一特征波高作為計算波高時的修正系數(shù)，此時K2=1.1。

2.2 波浪場數(shù)學(xué)模型與代表波選擇

近岸波浪場計算采用基于緩坡方程的數(shù)學(xué)模型，該模型計算中考慮受水深地形影響的淺水變形和折射、遇防波堤等障礙物時的繞射，以及坡度較陡海岸和防波堤、碼頭及護岸等建筑物前的反射，詳見文獻［2，11］，本文不再贅述。

一線模型可以進行長時段的模擬，其中代表波要素的選取尤為關(guān)鍵。由于波浪具有隨機性，代表波要素Frep，j的計算一般基于其出現(xiàn)頻率的分級加權(quán)方法，計算公式如下:

式中:F可以是波高、周期和波向;f為根據(jù)實測資料統(tǒng)計的波浪要素出現(xiàn)頻率;i為波浪要素分組。在波高和波周期存在較強相關(guān)關(guān)系情況下，波周期可依據(jù)二者間的關(guān)系求得，以減少統(tǒng)計過程中獨立變量個數(shù)。

從研究泥沙運動的角度看，主要的動力是能產(chǎn)生沿岸輸沙作用的波浪，實際為沿岸波能流。在研究波浪與建筑物相互作用時，一般按照不同波高出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計;在對波浪作用下的泥沙運動研究中，較小的波浪因其能量較弱，往往對泥沙運動影響甚微，故采用波浪能量加權(quán)的方法來統(tǒng)計特征波要素更為合理。即考慮波浪對沿岸泥沙輸移的非線性作用，文獻［12-13］中代表均方根波高表述如下:

式中:p為輸沙率與波高的次方關(guān)系系數(shù)，一般取為2～3。

能量加權(quán)的波要素統(tǒng)計方法現(xiàn)已列入我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海港水文規(guī)范》，輸沙率與波浪能量成正比，即與波高成平方關(guān)系，代表波高、波向和周期的計算公式分別如下［14-15］:

式中:Hi，θi，Ti為各統(tǒng)計波級的波高、波向和周期;Pi為對應(yīng)頻率。其中代表周期也可以通過當(dāng)?shù)貙崪y波高與周期的相關(guān)關(guān)系來求得。

根據(jù)友誼港波浪觀測站1975年10月至1985年12月實測波浪統(tǒng)計資料，NNW，NW，WNW和W這4個方向的波浪占絕對優(yōu)勢，這4個波向H1/10≥0.55m的波浪總出現(xiàn)頻率為93.47%。對這4個方向H1/10≥0.55m的波浪要素按以上統(tǒng)計分析方法得到代表波高為1.10m，周期10.8 s，合成波向為296°;考慮H1/10≥1.0m出現(xiàn)頻率為77.27%的較大波浪，計算代表波高為1.21 m，周期11.0 s，合成波向依然為296°，與觀測的常浪向WNW(292.5°)基本一致。以出現(xiàn)頻率更大，或代表性更為廣泛而言，數(shù)學(xué)模型計算中采用H1/10≥0.55m的代表波要素計算結(jié)果。

2.3 岸線模型驗證

岸線模型的計算范圍，從港口突堤至下游15km，垂向以-6m為下限水深d1，+2m為岸線位置d2。海灘坡度m取現(xiàn)場實測坡度的均值1/30。斷面形態(tài)參數(shù)α，根據(jù)實測地形資料分析，約為1/6～2/3，具體取值通過模型驗證計算。邊界條件:上游邊界假定突堤完全擋沙，即Q1=0;下游邊界，Q2=Q0。Q0為不受港口建筑物影響的沿岸輸沙率，也是模型中的關(guān)鍵驗證參數(shù)。岸線變形數(shù)學(xué)模型空間步長取△x=40m，時間步長取△t=1 d，波浪場每隔50 d計算一次。在岸線變形計算中，首先計算波浪場，然后計算沿程沿岸輸沙率變化，最后根據(jù)輸沙守恒方程計算岸線位置。

以1990年7月實測地形為初始地形和初始岸線位置，模型分別對1991年11月、2000年12月和2006年11月的岸線進行了驗證計算?？紤]到驗證資料時段對模型預(yù)測精度的影響，重點對2000年和2006年兩次實測資料進行驗證，結(jié)果見圖2。計算的2000年最大沖刷點處岸線后退大于實測位置24 m，2006年計算的最大沖刷點基本與實測相符。驗證計算中，斷面形態(tài)參數(shù)α取0.4，下游不受港口影響的沿岸輸沙率Q0約為每年100萬m3，這與以往計算分析結(jié)果的上限值一致，見表1。計算表明，模型中相關(guān)參數(shù)的選擇合理，該模型可用來預(yù)測港南岸線的沖刷變化。在下文防護方案的計算中，沿用模型驗證的計算參數(shù)和邊界條件。

3 防護方案計算

為保護港口堆場，1990年7月在突堤下游670m處修建南挑丁壩，實踐證明該丁壩對港區(qū)堆場起到了良好保護作用。從南挑丁壩防護效果和港口工程周圍陸域保護安全角度考慮，在丁壩下游適當(dāng)位置再修建護岸工程十分必要。

防護工程包括2種方案(見圖4(a)和(b))，方案1位于南挑丁壩以南1500m，方案2將間距增加至2000m，丁壩主體與港口突堤或南挑丁壩軸線平行。因友誼港所處岸灘較陡，深水波高大，若海岸防護工程直接采用丁壩結(jié)構(gòu)其頭部容易損壞，故考慮離岸堤與丁壩相結(jié)合(即“T形丁壩”)的措施，其平行于海岸的橫頭不僅能起到保護丁壩主體的作用，同時也具有有效的攔沙功效。丁壩橫頭長度為300m，建在2m等深線左右，離岸距離約為70m，丁壩主體與橫頭中點相連。

以2006年實測岸線為初始岸線位置，在此基礎(chǔ)上對方案1和2進行30年岸線演變預(yù)測(見圖4)。從圖中可見，新建防護工程與南挑丁壩之間岸線很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，下游岸線沖刷轉(zhuǎn)移至新建丁壩下游，方案1和方案2在其后30年的岸線后退距離分別為673和707m，相當(dāng)于年均22～24 m。兩個防護方案比較，方案2在2000m處新建防護工程，保護范圍較大，現(xiàn)有土堤可以完全得到保護，可作為推薦方案。

圖4 友誼港南側(cè)防護方案多年岸線演變趨勢Fig.4 Coastline changes of south shore protection schemes

由于岸線沖刷轉(zhuǎn)移至新建防護工程下游，考慮較長期限的岸線防護措施，在上述推薦的防護方案2基礎(chǔ)上進行下游岸線的后續(xù)防護，是為防護方案3(圖4(c))。在岸線后退距離可接受范圍內(nèi)，考慮每18年新建后續(xù)防護工程，即在2006年的基礎(chǔ)上于南挑丁壩下游2000m新建T形丁壩，18年后2024年在下游2000m處建第2道丁壩，再18年后2042年于下游2000m處建第3道丁壩。從圖中可見，相對于基準(zhǔn)線(即圖中縱坐標(biāo)的0線)港南岸線的最大后退距離出現(xiàn)在新建第1道丁壩后，后退距離在2036年為762m且基本穩(wěn)定。各丁壩末端應(yīng)覆蓋其下游最大沖刷距離，即第1道丁壩末端應(yīng)延伸至-762m，第2道丁壩應(yīng)延伸至-581 m，第3道丁壩應(yīng)延伸至-241 m。從新建防水土堤的安全考慮，建議其走向與現(xiàn)有土堤的平行段一致，見圖4(c)中土堤延長虛線，土堤離岸距離在最大岸線后退距離的基礎(chǔ)上保持一定安全間隔。

4 結(jié)語

毛里塔尼亞友誼港所在海域為典型沙質(zhì)海岸，近岸泥沙運動以波浪破碎形成的自北向南沿岸輸沙為主，由此導(dǎo)致港口建成后其北側(cè)海岸淤積和南側(cè)侵蝕的岸線變化。南挑丁壩自1991年建成以來，對港區(qū)堆場起到了良好的保護作用，因無來沙補給，該丁壩下游岸線平均后退速率約24 m/a，其根部在2009年已暴露于海水和波浪侵襲中，再次危及到堆場和陸地設(shè)施的安全，新的防護工程建設(shè)十分必要和迫切。

因友誼港所處岸灘較陡，深水波高大，海岸防護工程采用T形丁壩的結(jié)構(gòu)形式，其平行于海岸的橫頭不僅能起到保護丁壩主體的作用，同時也具有效的攔沙功效。采用“一線模型”分別對不同下游防護方案計算了30年岸線演變，新建防護工程與南挑丁壩之間岸線很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，下游岸線沖刷轉(zhuǎn)移至新建丁壩下游，其岸線后退速率相當(dāng)于年均22～24 m。兩個防護方案比較，方案2在2000m處新建防護工程，保護范圍較大，現(xiàn)有防水土堤可以完全得到保護，可作為推薦方案。該方案已于2013年得到實施。

在沿岸輸沙未得到補給的情況下，新的岸線防護工程在穩(wěn)定其上游岸線的同時，下游岸線的沖刷后退不可避免?？紤]較長期限和更大范圍的岸線穩(wěn)定，在下游岸線侵蝕后退可接受范圍內(nèi)，需采取每隔一定年限新建防護工程措施。

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