海南島西南岸沿岸輸沙特性及防波堤影響

童朝鋒，王　波，魯　盛，孟艷秋

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京　210098)

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海南島西南岸沿岸輸沙特性及防波堤影響

童朝鋒，王波，魯盛，孟艷秋

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098)

摘要：通過海南島西南岸東方海洋觀測站波浪觀測資料驗證，建立八所海域波浪數學模型，計算確定八所新港沿岸水域各向破波要素。采用3種沿岸輸沙率計算公式，確定海南島西南岸八所新港周邊海岸沿岸輸沙率。分別探討風浪、涌浪對海南島八所新港沿岸輸沙率的貢獻，對比分析防波堤工程建設前后八所新港及附近沿岸輸沙率特征。研究表明，海南島西南岸向北的沿岸輸沙能力大于向南的；風浪、涌浪對八所新港附近海岸沿岸輸沙能力的貢獻率與其出現(xiàn)的頻率略有區(qū)別；八所新港建港后南北兩側出現(xiàn)淤積且南側淤積強度大于北側；防波堤長度的增加對沿岸輸沙能力影響的范圍和強度有所增大。

關鍵詞：波浪模型； 沿岸輸沙率； 防波堤； 海南島西南岸； 八所新港

海南島是我國第二大海島，其海岸線蜿蜒曲折，全長約為1 823 km，其中約80%為沙質海岸，構成了海南重要的自然資源和旅游資源。八所作為海南省西部工業(yè)走廊的核心區(qū)域，對海南省經濟的增長起著重要作用。近年來，隨著大型化工、核電項目相繼落戶，以及海上邊貿運輸的快速發(fā)展，八所新港在海南乃至環(huán)北部灣經濟圈中所處的地位得到進一步提升。沿岸輸沙是海岸帶泥沙運動的主要方式，在岸線演變及港池航道沖淤等過程中扮演著重要的角色，因此開展與海南西南岸沿岸輸沙相關問題的研究，對海南西南岸海岸工程的建設和旅游資源的開發(fā)具有一定的實際價值。

國內外許多學者對計算沿岸輸沙率的公式進行了較為深入的研究，趙今聲等[1-4]考慮不同影響因素提出了波浪作用下的沿岸輸沙公式；孫林云等[4-5]則考慮波流共同作用提出了復合沿岸輸沙計算公式；曹祖德等[6-7]也相繼開展了與沿岸輸沙、岸灘演變相關的數值模擬。針對海南西南岸及毗鄰海域，目前已有一些學者對潮流、波浪和泥沙等問題開展了相關的數值模擬[8-9]，并通過波浪泥沙物理模型試驗對沿岸輸沙率進行了分析，但針對海南西南岸沿岸輸沙特性仍需進一步研究。

八所新港及附近岸線的沿岸泥沙運動受波浪影響，興建防波堤后的岸灘變化由波浪沿岸輸沙引起，結合東方站實測波浪資料，運用數學模型和沿岸輸沙公式探討海南島西南岸的沿岸輸沙特性及防波堤工程對其影響。

1研究區(qū)域概況

海南省西海岸岸線總體沿南北走向順直分布，八所新港位于其中部，距東方市區(qū)約5 km，北側以魚鱗洲為基點向北部灣突出，南側有感恩角向海凸出(如圖1)。研究區(qū)域涵蓋了八所新港以北5 km，以南8 km，共約13 km長的順直沙質海岸，其岸線基本穩(wěn)定，呈NNW-SSW走向，水下岸坡略有沖刷，由北向南逐漸變緩，坡度為1∶100～1∶200。

根據八所新港附近東方海洋站實測波浪資料統(tǒng)計得到1990—2001年各向波型的出現(xiàn)頻率，由表1可知，本海區(qū)波浪是以風浪為主的混合浪，風浪出現(xiàn)頻率約為73.4%，以SSW向最多，NNE向次之，而涌浪則以SW向最多，WNW向次之。

表1　1990—2001年東方站各波向波型出現(xiàn)頻率

圖1　研究區(qū)域位置及地形Fig.1　 Location and topographic map of research area

八所新港附近底質測量顯示，八所新港附近海岸為沙質海岸，其底質分布具有明顯的分帶性，泥沙中值粒徑基本在0.02～3.7 mm范圍內變化且呈現(xiàn)自深海向近岸增大的趨勢。

八所新港的兩道北側防波堤，北堤于2005年6月開始建設，2006年3月建成；南堤于2006年3月建設，2006年10月堤身已基本形成。據2006年10月現(xiàn)場調查，由于防波堤對沿岸輸沙的攔截，防波堤堤根處均產生明顯的沿岸輸沙堆積。北防波堤自開始建設以來的14個月內，堤根北側由北向南的沿岸輸沙堆積已沿堤發(fā)展至堤根116 m處，堆積的沿岸輸沙量約2.9萬m3；南防波堤建設以來的7個月內，堤根南側由南向北的沿岸輸沙量約1.6萬m3。因此，北防波堤處由北向南的實際沿岸凈輸沙率為2.49萬m3/a，南防波堤處由南向北的實際沿岸凈輸沙率為2.74萬m3/a。

2研究方法

采用MIKE21_SW波浪模型計算八所新港水域的波浪場和沿岸輸沙波浪動力要素，其中涌浪模型范圍以東方波浪站-9 m等深線為入射邊界，風浪模型以八所新港為中心半徑50 km海域作為計算范圍，模型范圍如圖1所示。

以八所新港為中心，半徑約為3 km南北岸線范圍內選取6個研究斷面，斷面1#～3#位于八所新港的南側沿岸，斷面4#～6#位于新港北側(如圖1)，南北斷面1#和斷面6#之間距離約6.5 km。根據波浪模型確定各斷面的波浪要素，考慮不規(guī)則波作用的情況，破波指標取0.55確定破波位置，采用沿岸輸沙率公式，計算八所新港沿岸各斷面的輸沙率。

2013年中央一號文件明確提出，用5年時間基本完成農村土地承包經營權確權登記頒證工作。截至2017年年底，31個?。▍^(qū)、市）均開展了承包地確權工作。今年中央一號文件再次對承包地確權工作作出部署，要求全面完成土地承包經營權確權登記頒證工作。

2.1波浪模型驗證

分別對影響八所新港沿岸輸沙的各向波浪要素進行模型驗證，波浪方向包括S，SSW，SW，WSW，W，WNW，NW，NNW共8個方向，以東方站作為驗證點，波浪周期采用《海港水文規(guī)范》中波高與周期的近似關系的推算值進行驗證。涌浪和風浪模型分別驗證，驗證結果如圖2所示，模型驗證誤差統(tǒng)計如表2。

圖2　波浪模型驗證結果Fig.2　 Calibration results of a wave model

波浪類型驗證參數平均相對誤差均方根誤差波浪類型驗證參數平均相對誤差均方根誤差涌浪有效波高H1/31%1%風浪有效波高H1/31%1%譜峰周期Tp1%6%譜峰周期Tp10%68%

驗證結果顯示，模型計算得到的波高、周期與實測值基本吻合，除風浪譜峰周期誤差相對大外，其余有效波高、譜峰周期的平均誤差和均方根誤差均在6%以內。風浪譜峰周期誤差相對較大，是因為在驗證計算中，風浪和涌浪的實測周期采用了一樣數據。同等波高情況下，模型計算的風浪周期要比涌浪小，與實際相符。

2.2沿岸輸沙計算公式

沿岸輸沙率計算方法分為波能流法和沿岸流法兩類，其中波能流法主要由現(xiàn)場資料、試驗數據率定得到，可信度較高，工程計算常采用此類法，《海港水文規(guī)范》公式、CERC公式、孫林云公式均為這類沿岸輸沙公式。選取這3個公式計算沿岸輸沙率并對海南西南岸八所新港防波堤工程前后的沿岸輸沙能力進行對比分析。

(1)《海港水文規(guī)范》公式[10]

(1)

(2)CERC公式[11]

(2)

(3)

不同方向波浪產生向北或向南的沿岸輸沙過程，八所新港沿岸水域S，SSW，SW，WSW方向的波浪促成向北沿岸輸沙，W，WNW，NW，NNW方向波浪促使泥沙向南輸移。向北、向南沿岸總輸沙量為上述各方向輸沙量之和，計算中各波向下的沿岸輸沙率計算由風浪和涌浪各自計算的沿岸輸沙量之和，計算公式如下：

(4)

(5)

Q=QN-QS

(6)

式中：QN為向北的輸沙量；QS為向南的輸沙量；Q為凈輸沙量，以向北為正；QW為由風浪產生的沿岸輸沙量；QSW為由涌浪產生的沿岸輸沙量；各方向的沿岸輸沙量由其各級輸沙率與其出現(xiàn)持續(xù)時間乘積而得。

3計算結果

沿岸輸沙公式一般是在泥沙供給充分條件下推得，實際海岸條件下，考慮泥沙供給條件，實際輸沙率一般不會超過上述公式求得的理論輸沙率。表3為計算得到的八所新港沿岸斷面1#～6#理論輸沙率。工程后的計算結果顯示，南防波堤南側斷面3#處輸沙率為(10.61～16.12) 萬m3/a，約為實測輸沙率2.74 萬m3/a的4～6倍，處于泥沙供給不足狀態(tài)；北防波堤北側斷面4#處輸沙率為(1.7～2.92) 萬m3/a，接近于實測的輸沙率(2.49萬m3/a)，因此計算結果合理。對比各公式的計算結果，以斷面4#為例，規(guī)范公式所得輸沙率與實際輸沙率最為接近。

八所沿海岸線各斷面輸沙率顯示，八所新港防波堤建設前，沿岸線各斷面凈輸沙率相近，各斷面平均凈輸沙率為(5.43～9.07) 萬m3/a。建堤后，防波堤南北兩側各斷面凈輸沙率差異明顯，南防波堤以南沿岸平均凈輸沙率為(5.42～12.73) 萬m3/a，北防波堤以北沿岸平均凈輸沙率為(-2.24～7.79) 萬m3/a；近堤斷面發(fā)生顯著變化，南堤斷面3#，平均凈輸沙率從8.63 萬m3/a增大到12.73 萬m3/a，北堤北側，斷面4#平均凈輸沙率由6.95 萬m3/a減少到-2.24 萬m3/a，南北堤外緣側近堤斷面沿岸輸沙能力的變化勢必在南北堤港口外緣側發(fā)生淤積；對于離堤較遠斷面的平均凈輸沙率而言，建堤前后，輸沙率變化不大。

表3　八所新港南北斷面輸沙率

4討論與分析

4.1風浪、涌浪輸沙貢獻率分析

以往計算沿岸輸沙時，一般不考慮將兩者分開單獨計算[13-14]。實際海洋觀測中，所測得波高對應風浪或涌浪周期差異較大，在相同岸線、地形和坡度條件下，導致近岸破波要素差異較大，進而導致輸沙率的差異，為此，將風浪、涌浪對應下的沿岸輸沙率分別計算。

為了統(tǒng)計海南西南岸八所新港沿岸風浪和涌浪對應下的沿岸輸沙貢獻率，計算統(tǒng)計不同波型對沿岸輸沙貢獻率(如表4)，其中風浪輸沙貢獻率=QW/(QW+QSW)，涌浪輸沙貢獻率=QSW/(QW+QSW)。

表4　不同波型對沿岸輸沙貢獻率

從表4可見，工程前、后各波型貢獻率基本相近，在向南沿岸輸沙率中涌浪的貢獻率為63%～80%，在向北沿岸輸沙率中風浪的貢獻率為72%～88%，在凈輸沙中風浪占主導，貢獻率為87%～92%；對比與之相應的東方海洋站各向不同波型比例(如表5)，不同波型對沿岸輸沙能力的貢獻率與其出現(xiàn)的頻率基本接近。本地區(qū)主要波型為風浪，且常浪向為SSW，因此風浪對沿岸凈輸沙作用的貢獻率大于涌浪的貢獻率。

表5　東方站每個方向風浪和涌浪出現(xiàn)比例

圖3　SW方向波浪場Fig.3　 Wave field of SW direction

圖4　新增防波堤位置Fig.4　 Location of added breakwater

4.2八所新港南北兩側沖淤分析

八所新港建港前，沿岸各位置等深線基本順直平行，波浪傳播未受防波堤阻擋，波浪對沿岸輸沙在各位置處一致，因此未發(fā)生局部淤積；工程后，不同方向來波受防波堤阻擋，在防波堤背波向側形成波浪遮蔽區(qū)，并且在防波堤后發(fā)生繞射，導致八所新港防波堤南北兩側一定范圍內波浪場發(fā)生變化。在北堤北側，南向來的波浪受到防波堤的阻擋，波高減小，同時在北堤北側發(fā)生繞射，波向發(fā)生偏轉(如圖3)；南向來波SW向波浪場在北堤北側波高減小，波向發(fā)生偏轉產生了向南的沿岸輸沙。加之北向來的波浪產生的沿岸輸沙率，使得向南的輸沙能力增大(如表4)，4#斷面向南平均輸沙率由0.11 萬m3/a增加到2.33 萬m3/a，向北的平均輸沙率由7.06 萬m3/a減少到0.1 萬m3/a，致使北防波堤北側發(fā)生向南的凈輸移，堤角出現(xiàn)淤積，同理，在南堤南側，北向來的波浪受到防波堤阻擋，波高減小，同時在南堤南側發(fā)生繞射，波向發(fā)生偏轉，產生了向北的沿岸輸沙，加之南向來的波浪產生的輸沙率，使得向北的輸沙能力增大(表3)，3#斷面向北的平均輸沙率由11.6 萬m3/a增至12.9 萬m3/a，向南的由2.97 萬m3/a減少到0.16 萬m3/a，致使南防波堤南側發(fā)生向北的凈輸移，堤角出現(xiàn)淤積。由于八所新港常浪向為SSW和SW，所以向北的輸沙能力大于向南的輸沙能力，然而由于八所新港附近岸線水下岸坡處于沖刷狀態(tài)，泥沙供給不足，使得實際輸沙量小于計算所得的輸沙能力。

4.3堤長對沿岸輸沙影響范圍分析

2008年在上述北側兩條防波堤的南面增建一道防波堤，如圖4。原南防波堤約1.2 km，新增防波堤長約1.8 km。以規(guī)范公式計算不同長度的防波堤工程前、后各斷面沿岸輸沙能力，如圖5所示。

圖5　各斷面不同工程階段凈輸沙率對比Fig.5　Net longshore sediment transport rate at different 　cross sections during different stages

由圖5可知，八所新港的3條防波堤建成后改變了近堤處的波浪動力條件，致使沿岸輸沙率出現(xiàn)明顯變化，隨著離堤距離的增大，影響力度逐漸減弱。圖5中2#和3#斷面凈輸沙率增大，4#斷面凈輸沙率減少，而1#，5#和6#斷面凈輸沙率基本不變，說明工程對波浪的阻擋作用主要集中在1#～5#斷面范圍內。1#斷面距離工程約3 km，5#斷面距離工程約2.5 km。以2#斷面為例，由于新增防波堤長度比原南防波堤長，對北向來的波浪遮蔽范圍更廣，使得2#斷面的向南輸沙率大量減少，因而向北的凈輸沙能力明顯增加。而3#斷面夾在新增防波堤和原南防波堤中間，受兩側防波堤的掩護，幾乎不受波浪的作用，使得新增防波堤后凈輸沙率基本為零，其他斷面與新增防波堤工程前的凈輸沙能力相當?？傮w來說，隨著防波堤長度的增加，對沿岸輸沙能力的影響范圍會增大，且對輸沙能力影響力度有所增強。

5結語

運用波浪數學模型和沿岸輸沙公式計算海南島西南岸八所新港附近岸線在防波堤工程建設前后的沿岸輸沙率，得到西南岸沿岸輸沙特征和防波堤工程對其影響的結論：

(1)確定了西南岸八所新港附近岸線在防波堤工程前后的向南、向北和凈年沿岸輸沙率，不同波型對沿岸輸沙能力的貢獻率與其出現(xiàn)的頻率接近。

(2)西南岸八所新港所在的直線岸線，在波浪作用下產生雙向輸沙，防波堤工程的阻擋和波浪繞射作用，導致八所新港防波堤南北兩側一定范圍內波浪場發(fā)生變化，在八所新港南北兩側同時出現(xiàn)淤積且南側淤積量大于北側淤積量。

(3)八所新港建港后對波浪作用下的沿岸輸沙的影響主要集中在工程以南3 km和工程以北2.5 km范圍內，隨著防波堤堤長的增加，影響范圍將會增大且影響力度有所增強。

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Characteristics of longshore sediment transport and effects of breakwaters in southwest coast of Hainan Island

TONG Chao-feng, WANG Bo, LU Sheng, MENG Yan-qiu

(CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：According to the measured wave data of Dongfang Ocean Gauge Station in the southwest coast of Hainan Island, wave models were set up and calibrated. The models were utilized to simulate the wave field and get the breaking wave parameters along the coast of the Basuo new port. Based on those parameters, the longshore sediment transport rates at different cross sections along the coast were calculated with three different formulas including Seaport Hydrology Criterion formula, CERC formula, and Sun formula. The longshore sediment transport rates along the coast of the Basuo new port were analyzed and compared before and after the construction of the breakwaters. The respective contributions of the wind wave and the swell wave were also analyzed in this study. The analysis results show that the ability of the longshore transport sediment to the north is greater than that to the south; and the longshore sediment transport rates contributed by the wind wave and the swell wave are close to their occurrence rates respectively. The deposition intensity along the south side of the Basuo new port is higher than that along the north side. The domains and effects of the longshore sediment transport rates caused by the breakwaters increase with the increase of the length of the breakwaters.

Key words：wave model; longshore sediment transport rate; breakwater; southwest coast of Hainan Island; Basuo new port

中圖分類號：TV148

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0009-08

作者簡介：童朝鋒(1973—)，男，浙江寧波人，副教授，主要從事河口海岸動力學研究。E-mail:chaofengtong@hhu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金重點項目(51339005)；國家自然科學基金青年項目(51409094)

收稿日期：2015-05-05

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.002

童朝鋒， 王波， 魯盛， 等. 海南島西南岸沿岸輸沙特性及防波堤影響[J]. 水利水運工程學報, 2016(1): 9-16. (TONG Chao-feng, WANG Bo, LU Sheng, et al. Characteristics of longshore sediment transport and effects of breakwaters in southwest coast of Hainan Island[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 9-16.)