老虎石公園海灘養(yǎng)護(hù)岸線演變模擬及預(yù)測(cè)

胥　巖，潘　毅，陳永平

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇　南京　210098）

綜合

老虎石公園海灘養(yǎng)護(hù)岸線演變模擬及預(yù)測(cè)

胥巖，潘毅*，陳永平

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

在實(shí)測(cè)岸線資料的基礎(chǔ)上對(duì)老虎石公園海灘養(yǎng)護(hù)工程的養(yǎng)灘效果進(jìn)行了分析，然后基于GENESIS數(shù)值模型構(gòu)建了岸線演變模型，采用經(jīng)驗(yàn)證的模型對(duì)工程后3~5 a內(nèi)的岸線演變趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析。結(jié)果表明，工程結(jié)束后，東段海灘岸線后退，5 a后逐漸達(dá)到平衡；中段海灘逐漸淤長(zhǎng)，5 a后海灘寬度增長(zhǎng)40 m左右；西段海灘持續(xù)遭受侵蝕。

GENESIS模型；人工養(yǎng)灘；岸線演變

1　概述

20世紀(jì)中葉以前，人們通常通過(guò)硬性海岸防護(hù)建筑（潛堤、防波堤和海墻等）來(lái)抵御海岸的風(fēng)浪侵蝕。多年的工程應(yīng)用和研究結(jié)果表明，采用硬性海岸防護(hù)建筑會(huì)暫時(shí)抵御風(fēng)浪的侵蝕，但會(huì)改變當(dāng)?shù)厮畡?dòng)力條件，引起泥沙橫向運(yùn)動(dòng)失衡，離岸輸運(yùn)增強(qiáng)。長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，反而加重了海灘的侵蝕程度。為了克服海岸硬防護(hù)的不足，人們開(kāi)始傾向于海岸軟防護(hù)。一般說(shuō)來(lái)，若當(dāng)?shù)赜谐浞值难a(bǔ)沙來(lái)源，人工養(yǎng)灘（Beach nourishment）是最佳且應(yīng)優(yōu)先考慮的海岸軟防護(hù)方式[1]。

1922年美國(guó)紐約的柯尼島公共岸灘工程是現(xiàn)存記錄中最早的人工養(yǎng)灘工程，截至1996年，美國(guó)的養(yǎng)灘地點(diǎn)已超390處，養(yǎng)灘工程已超過(guò)1 300 個(gè)[2]。美國(guó)大規(guī)模的人工養(yǎng)灘工程在保護(hù)海岸免受侵蝕、降低風(fēng)暴潮災(zāi)害損失的同時(shí)，還改善了海岸環(huán)境，促進(jìn)了旅游業(yè)的發(fā)展[2]。歐洲人工養(yǎng)灘工程的規(guī)模與美國(guó)接近[3]，工程大都采用了補(bǔ)沙與丁壩和離岸堤相結(jié)合的措施，并定期地對(duì)養(yǎng)灘工程進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)沙[4]。我國(guó)大陸的人工養(yǎng)灘工作最早開(kāi)展于20世紀(jì)70年代，如青島、茂名等地，但規(guī)模較小，缺乏保護(hù)措施，每年的補(bǔ)沙都侵蝕的很快[5]。1990年香港淺水灣工程是我國(guó)最早的較大規(guī)模的人工養(yǎng)灘工程[2]。

老虎石公園位于中國(guó)著名的避暑和療養(yǎng)勝地——北戴河風(fēng)景區(qū)的中心。由于諸多原因，老虎石海灘的海洋資源和生態(tài)環(huán)境均受到了一定程度的損害。為了遏制海灘坡度變陡、砂質(zhì)粗化等問(wèn)題，有效改善、恢復(fù)海岸帶旅游功能，于2013 年3—4月實(shí)施了老虎石海灘養(yǎng)護(hù)工程，將海岸線向海推進(jìn)了約30 m[6]。本文采用GENESIS（Generalized Model for Simulating Shoreline change）數(shù)值模擬的方法，在驗(yàn)證模型結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合的前提下，對(duì)老虎石海灘養(yǎng)護(hù)工程的養(yǎng)護(hù)效果進(jìn)行了分析、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，為以后進(jìn)一步的海灘養(yǎng)護(hù)工程提供參考和依據(jù)。

2　工程簡(jiǎn)介

老虎石海灘長(zhǎng)約820 m，西起原旅游碼頭，東至浪濤嶼浴場(chǎng)，為基巖岬灣海岸和砂質(zhì)海岸的混合海岸。海灘養(yǎng)護(hù)工程方案見(jiàn)圖1，海灘分3段進(jìn)行灘肩補(bǔ)沙，補(bǔ)沙粒徑在0.42～0.62 mm之間，老虎石岬頭前方東西兩側(cè)各建1個(gè)潛壩。西側(cè)沙壩長(zhǎng)250 m，壩頂高程為-0.5 m，距離岸線約250 m；東側(cè)沙壩長(zhǎng)440 m，壩頂高程為-0.8 m，距岸約195 m；壩底寬50 m，壩頂寬30 m[7]。

圖1　工程概況圖（2005年航拍圖）Fig.1　Overview of beach nourishment (Aerial Photo taken in 2005)

2.1地形資料

整個(gè)北戴河海域內(nèi)，金山嘴附近水深較深、地形較陡，其它海域地形平緩，呈現(xiàn)自西北向東南緩傾。海底地形主要特征可以概括為：除近岸處坡度較陡外，整體上坡度較緩，0～2 m等深線海域坡度較大，介于1.18%～1.72%，2～5 m等深線坡度為0.32%～0.34%，5～10 m等深線之間坡度最小，不足0.1%，介于0.094%～0.098%之間[8]。

2.2波浪資料

波浪測(cè)站位于距老虎石海灘約750 m處，波浪資料為2011年6月—2014年6月測(cè)得的波浪數(shù)據(jù)，波浪玫瑰圖如圖2所示。該海域的波浪總體較小，測(cè)量期間絕大多數(shù)波浪的波高在0.9 m以下，其中，0.6 m以下的波浪占全部波浪的2/3以上。

圖2　波浪頻率玫瑰圖（%）Fig.2　Rose diagram of wave height(%)

3　實(shí)測(cè)岸線資料分析

為了掌握工程后的岸灘演變趨勢(shì)，為后續(xù)的海灘維護(hù)提供參考資料，在工程前后，進(jìn)行了海灘剖面監(jiān)控。根據(jù)各時(shí)期剖面數(shù)據(jù)繪制的岸線位置變遷圖見(jiàn)圖3。

圖3　實(shí)測(cè)岸線位置變遷圖Fig.3　Change of observed shorelines

從圖3可以看出，工程前岸線與底圖所示岸線非常接近，故可以認(rèn)為在工程前，岸線保持一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，自2005年—2012年變動(dòng)不大。工程后18個(gè)月內(nèi)，在非常明顯的自東向西的沿岸輸沙的作用下，工程填沙發(fā)生了重分布，其中老虎石東側(cè)尤為明顯。根據(jù)海灘侵淤特征，工程區(qū)海灘可分為3段來(lái)討論：

1）東段海灘的填沙向海突出，在自東向西的沿岸輸沙的作用下，向中段海灘輸移，繼而岸線后退。

2）中段海灘內(nèi)凹于平直的岸線，并有老虎石陸連島阻隔了該段海灘向西的泥沙輸運(yùn)，故在自東向西的沿岸輸沙作用下，該段海灘攔截了絕大多數(shù)來(lái)自于東段海灘的泥沙，海灘面積迅速增長(zhǎng)。

3）西段海灘受到老虎石的掩蔽作用但并未形成較大的掩蔽區(qū)，再加上下游泥沙缺乏有效的阻擋，向北戴河西海灘流失，故西段海灘在工程后岸線位置不斷后退。

4　數(shù)值模擬

本文采用GENESIS數(shù)值模擬方法對(duì)老虎石海灘養(yǎng)護(hù)工程的效果進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。GENESIS[9]是基于一線模型所開(kāi)發(fā)的模擬砂質(zhì)海岸岸線長(zhǎng)期演變的系統(tǒng)，在大量的工程應(yīng)用中逐步完善并成熟起來(lái)，現(xiàn)在國(guó)際上已廣泛的應(yīng)用于預(yù)測(cè)岸線的長(zhǎng)期演變及岸線對(duì)海岸建筑物和人工養(yǎng)灘等的響應(yīng)。GENESIS模型的控制方程為：

式中：x為沿岸線方向；y為垂直岸線方向；DB為海水所能到達(dá)的最大高程（灘肩高度）；DC為存在沿岸輸沙的最大深度（封閉水深）；q=qs+q0為橫向輸沙率（離岸輸沙+向岸輸沙）；Q為沿岸輸沙率，通過(guò)下式計(jì)算：式中：H為有效波高；Cg為波群速度；下標(biāo)b表示波浪破碎時(shí)的參數(shù)；θbs為破波角；a1和a2為無(wú)量綱參數(shù)，定義如下：

式中：ρ表示海水密度，取1.03×103kg/cm3；ρs為沙的密度，取2.65×103kg/cm3；p為海灘的孔隙率，砂質(zhì)海岸一般取0.4[9]；tan β為海灘平均坡度；1.416為有效波高向均方根波高的轉(zhuǎn)化系數(shù)；K1、K2為控制沿岸輸沙率大小的調(diào)整參數(shù)，可通過(guò)調(diào)整K1、K2值對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試和標(biāo)定。

波浪由外海傳到近岸區(qū)的波浪參數(shù)（如：波高、周期、波向、譜的改變等）采用STWAVE模塊（STeady-state spectral WAVE）進(jìn)行計(jì)算。STWAVE[9]是一個(gè)基于波作用平衡方程的有限差分模型，控制方程為：

式中：C為波速；Cg為波群速度；α為波浪正交方向（垂直于波峰線的方向）；μ為波向線方向（能量傳播的方向）；ωr為相對(duì)角頻率；ωa為絕對(duì)角頻率；E為波能密度；S為能量的源、匯項(xiàng)。

4.1模型設(shè)置

模擬區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格的x軸大致垂直于岸線方向（x軸與正北方向夾角0°），長(zhǎng)度為2 000 m（向海側(cè)的水深取至5.35 m）；y軸與x軸垂直，長(zhǎng)度為1 000 m（包括了整個(gè)中海灘在內(nèi)）；網(wǎng)格間距設(shè)定為10 m。

模型中涉及的老虎石海灘地形條件較為復(fù)雜，為了通過(guò)數(shù)值模擬最大化的還原實(shí)際條件，模型對(duì)老虎石海灘的海岸情況進(jìn)行了詳細(xì)的處理：海灘上的礁石概化為海堤（阻止海灘進(jìn)一步后退），近岸的礁石概化為離岸堤或離岸潛堤（削減波浪），伸出海岸的礁石概化為丁壩（引起波浪繞射、阻止沿岸輸沙）。根據(jù)實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，工程后18個(gè)月內(nèi)，人工水下沙壩剖面是穩(wěn)定的，并顯示發(fā)生明顯變形，因此，在模型中概化為離岸潛堤。

4.2模型率定和驗(yàn)證

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)海灘岸線演變的趨勢(shì)，本次建模先對(duì)養(yǎng)灘前的岸線演變結(jié)果進(jìn)行模型率定，再對(duì)養(yǎng)灘后的岸線演變結(jié)果進(jìn)行模型驗(yàn)證。

4.2.1模型率定

在岸線長(zhǎng)期演變的結(jié)果下，認(rèn)為工程前的岸線形狀處在一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。模擬工程前岸線10 a內(nèi)的演變，繪制于圖4。可以看到在無(wú)工程狀態(tài)下，10 a間岸線演變模擬結(jié)果與初始岸線非常接近，可以認(rèn)為該模型能夠反映老虎石浴場(chǎng)及周圍海灘的水動(dòng)力和地貌動(dòng)力演變規(guī)律。確定下來(lái)的GENESIS模型參數(shù)設(shè)置如下：閉合水深DC=7 m，灘肩高度DB=2 m，中值粒徑D50= 0.5 mm（采用了客沙粒徑），經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K1=0.8，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)K2=0.96。驅(qū)動(dòng)模型的波浪資料為工程區(qū)域外海的波浪測(cè)站2011年6月—2014年6月的測(cè)量結(jié)果。

圖4　工程前岸線變遷模擬Fig.4　Simulation of shoreline changes before beach nourishment

4.2.2模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)工程后岸線演變的模擬，對(duì)建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。選定2013年9月30日和2014年12月23日兩個(gè)驗(yàn)證時(shí)段。

首先將實(shí)測(cè)的工程岸線演變繪制于圖5（a），將模擬的工程后的岸線演變繪制于圖5（b）。如圖5（a）所示，工程后東段海灘在自東向西的沿岸輸沙作用下持續(xù)侵蝕、中段海灘受老虎石陸連島阻擋作用影響持續(xù)淤積、西段海灘因缺乏有效的阻擋持續(xù)侵蝕。這一趨勢(shì)在圖5（b）所示的模擬結(jié)果中同樣體現(xiàn)出來(lái)。

圖5　模擬與實(shí)測(cè)岸線演變過(guò)程比較Fig.5　Comparison of shoreline location between numerical predictions and observations

兩個(gè)模擬時(shí)段的模擬岸線與實(shí)測(cè)岸線位置比較繪制于圖6（a）和圖6（b）?？梢钥吹?，在兩個(gè)選定的驗(yàn)證時(shí)段，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均符合較好。綜合養(yǎng)灘前和養(yǎng)灘后模型的驗(yàn)證結(jié)果，本次建立的岸線演變數(shù)學(xué)模型能夠正確地反應(yīng)老虎石及鄰近岬灣海灘的演變特征，可以用于工程后岸線演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

圖6　模擬與實(shí)測(cè)岸線不同時(shí)期位置比較Fig.6　Comparison between numerically predicted shoreline changes and observed shoreline changes in different periods

4.3模型的預(yù)測(cè)

利用建立的數(shù)值模型，對(duì)老虎石及鄰近岬灣海岸的岸線演變進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬時(shí)長(zhǎng)分別為3 a 和5 a。模擬結(jié)果繪制于圖7。

圖7　岸線演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.7　Prediction of shoreline evolution trend

由圖7，工程后3~5 a的時(shí)間內(nèi)，老虎石東側(cè)海灘岸線形狀變化緩慢，已基本穩(wěn)定。東段海灘在自東向西的沿岸輸沙的作用下，岸線后退，但后退速度變緩；中段海灘堆積了絕大部分來(lái)自于東段海灘的泥沙，海灘面積增長(zhǎng)，工程5 a后岸線已經(jīng)較完工時(shí)向海推進(jìn)了40 m左右，受淤長(zhǎng)后岸線走向的影響，淤長(zhǎng)速度會(huì)變緩；西段海灘的填沙持續(xù)流失，部分海灘已經(jīng)后退到養(yǎng)灘前位置。

5　結(jié)語(yǔ)

本文在實(shí)測(cè)岸線資料的基礎(chǔ)上對(duì)老虎石公園海灘養(yǎng)護(hù)工程的養(yǎng)灘效果進(jìn)行了分析，采用GENESIS數(shù)值模擬的方法構(gòu)建了岸線演變模型，根據(jù)實(shí)測(cè)資料和模擬結(jié)果的比較對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，利用該模型預(yù)測(cè)和分析了工程后3~5 a內(nèi)的岸線演變趨勢(shì)，該結(jié)果為海灘后續(xù)養(yǎng)護(hù)提供了參考依據(jù)。

海灘剖面監(jiān)控結(jié)果表明，工程后18個(gè)月內(nèi)，在非常明顯的自東向西的沿岸輸砂的作用下，工程填砂發(fā)生了重分布。其中東段海灘岸線后退，中段海灘面積迅速增長(zhǎng)，西段海灘泥沙岸線持續(xù)后退。

采用GENESIS數(shù)值模擬的方法構(gòu)建的岸線演變模型，無(wú)工程狀態(tài)下10 a內(nèi)的岸線演變模擬結(jié)果與現(xiàn)有岸線非常接近，符合岸線演變的長(zhǎng)期趨勢(shì)。在養(yǎng)灘后選定的兩個(gè)驗(yàn)證時(shí)段，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合均較好。證明了該模型能夠反映老虎石及周圍海灘的水動(dòng)力和地貌動(dòng)力演變規(guī)律，可以用于工程后岸線演變趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

利用構(gòu)建的岸線演變模型，預(yù)測(cè)了未來(lái)3~5 a內(nèi)，老虎石海灘的岸線演變。根據(jù)模型結(jié)果，東段海灘的岸線在沿岸輸砂作用下后退，隨著岸線后退，該段海灘的形狀漸趨平直，后退速度也逐漸減慢，至工程5 a后逐漸達(dá)到平衡，海灘的寬度仍明顯寬于養(yǎng)灘前。中段海灘上游接收來(lái)自東段海灘的來(lái)沙，下游受到老虎石陸連島的阻擋，因此工程后海灘逐漸淤長(zhǎng)，工程5 a后海灘寬度相比工程完工時(shí)寬40 m左右。西段海灘上游來(lái)沙受到老虎石的阻隔，而下游有部分泥沙越過(guò)礁石向北戴河西海灘流失，故該段海灘同樣遭受侵蝕，預(yù)計(jì)直到老虎石的掩蔽作用和礁石的擋砂作用能夠與泥沙的流失相平衡時(shí)才能逐漸穩(wěn)定。

由于海灘不同位置的侵淤，海灘整體寬度不均衡，易造成侵蝕部分岸線后退而淤積部分坡度過(guò)緩，因此建議對(duì)侵蝕部分岸段采取保沙措施或后續(xù)補(bǔ)沙。

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Simulating and forecasting of shoreline evolution of Laohushi Park

XU Yan,PAN Yi*,CHEN Yong-ping
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China）

This paper analyzes the effect of the beach nourishment project in Laohushi Park based on the field observation of the shoreline.The shoreline evolution model was built using the GENESIS(Generalized Model for Simulating Shoreline change)method,and then the model was calibrated and verified according to the comparison between simulation results and field data.Finally,this model was applied to predict and analyze the tendency of shoreline evolution in 3 to 5 years'time. Results show that the eastern beach shoreline will retreat until gradually achieving balance after 5 years.Middle beachwillsilt gradually,increasing its width by 40 meters.The western beach remains constantly eroded.

GENESIS;beach nourishment;shoreline change

U652.4；P753

A

2095-7874（2016）05-0001-05

10.7640/zggwjs201605001

2015-11-30

2016-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51309092）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130833）

胥巖（1988— ），女，黑龍江綏化人，碩士研究生，主要從事海岸防災(zāi)研究。

潘毅，E-mail：panyi21hhu@gmail.com