粵東靖海灣海岸地貌動力演變及其工程影響

姬泓宇，陳沈良，雷亞平，郭曉娟，朱正濤

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，上海 200062；2.中山大學(xué) 河口海岸研究所，廣東 廣州 510007)

粵東靖海灣海岸地貌動力演變及其工程影響

姬泓宇1，陳沈良1，雷亞平2，郭曉娟2，朱正濤1

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，上海 200062；2.中山大學(xué) 河口海岸研究所，廣東 廣州 510007)

受人為工程的影響，相對穩(wěn)定的岬灣海岸地貌常經(jīng)歷顯著的動態(tài)調(diào)整。本文以粵東靖海灣典型岬灣海岸為例，運(yùn)用McLaren模型、波浪動力場數(shù)值模擬、等深線對比、沖淤計算等多種方法，從海岸地貌動力學(xué)角度，對人為岬角工程前后岬灣海岸地貌動力過程和沖淤演變進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：1)海岸地貌動力系統(tǒng)內(nèi)常存在負(fù)反饋機(jī)制以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。岬角工程后上岬角防波堤沿SSW延伸，ESE和E向浪經(jīng)過防波堤時發(fā)生繞射，波能削減，灣頂動力減弱，海灘沉積物從下岬角向灣頂反向運(yùn)移；2)海灘的蝕積狀態(tài)在工程前后發(fā)生了轉(zhuǎn)換，工程前遮蔽段侵蝕、開敞段堆積；工程后遮蔽段堆積、開敞段侵蝕；3)海灣水下地形對岬角工程的響應(yīng)敏感，工程后海灣水下地形沖淤劇烈。

岬灣海岸；海灘狀態(tài)；海灣沖淤；海岸工程；靖海灣

Abstract：Significant dynamic adjustments occur constantly on headland-bay coasts after artificial engineering.In this study,McLaren model,morphodynamic simulations (CMS-Wave),bathymetric comparison and erosion-accretion calculation were used to study beach morphodynamic behavior and morphological evolution of Jinghai Bay (Southern China),a typical headland-bay coast influenced by an artificial headland.Results indicate that: 1) Morphodynamic system has negative feedback mechanism to maintain a stable bay.The upper headland extends in the direction of SSW after the breakwater construction,leading to wave diffraction and reflection,with lower wave energy in the shadow zone than in the open sector.The headland-bay beach follows a general sediment transport trend from the open sector on the down coast to the shadow sector on the upper coast in accordance with wave conditions and energy regimes.2) The headland bay beach presents a slight erosion state before the engineering,with erosion in the shadow sector and accretion in the open sector.After the engineering,the beach comes to a deposition state,with accretion in the open sector and erosion in the shadow sector.3) The nearshore emerged a sensitive response to the headland engineering,and there is increased erosion-accretion after the engineering.

Keywords：headland-bay coast; beach state; erosion/accretion; artificial engineering; Jinghai Bay

受岬角控制的岬灣海岸是全球最普遍的一種海岸類型[1]。岬灣海岸在不同的時間尺度上呈現(xiàn)不同的形態(tài)變化特點(diǎn)[2]，長時間尺度的海岸平衡形態(tài)受岬角形狀、近岸環(huán)流、波向角的控制[3]。在岬角人為工程的影響下，由于岬角形態(tài)的改變，岬灣海岸的動力與地貌過程隨之發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。

岬灣海岸也稱為半心形海灣[4]、鋸齒狀海灣[5]、ζ形海灣或袋狀海灘[6]等。一直以來岬灣海岸的平衡狀態(tài)受到廣泛的關(guān)注[7]，包括平面平衡形態(tài)的擬合(對數(shù)螺線型公式[8]、雙曲線型公式[9]、拋物線型公式[10])、平面形態(tài)的影響因素等[3,4,11]。波浪是砂質(zhì)海岸的主要動力，波高、周期等波候要素對海岸形態(tài)具有顯著影響[12]，風(fēng)暴浪等極端事件也是塑造海岸地貌的重要動力，常用模型方法探討波浪對海岸塑造的影響[13]。波浪作用引起的海灘沉積物運(yùn)移機(jī)制是研究海岸動力和地貌過程不可忽視的問題，采用EOF[14]、海灘演變預(yù)測模型[15]等方法可分析預(yù)測海岸泥沙的運(yùn)移模式，海灘旋轉(zhuǎn)的提出及有關(guān)的物理過程完善了海灘沉積物在自然條件下的運(yùn)移機(jī)制[16]。

以往的研究常認(rèn)為，海岸地貌演變主要是動力驅(qū)動的結(jié)果，即海岸動力地貌；但近年來的研究表明，動力與地貌之間存在相互作用與反饋，水流泥沙運(yùn)動和地形變化的耦合作用引起地貌形態(tài)的改變[17]，即海岸地貌動力學(xué)(coastal morphodynamics)。鑒此，本文運(yùn)用McLaren模型、波浪動力場數(shù)值模擬、水下等深線對比、沖淤變化計算等多種方法，從地貌動力學(xué)的角度，探討靖海灣人為岬角工程前后海岸的地貌動力過程，為科學(xué)評估人為岬角工程對岬灣海岸地貌演變的影響提供借鑒。

1 區(qū)域概況

靖海灣位于粵東揭陽市惠來縣，是華南地區(qū)典型的岬灣海岸，灣口寬約3.31 km，海灣最大凹入長度1.76 km，海岸走向大致為NE-SW方向，海灣向偏東方向開敞(圖1)。上岬角是海岸東北部的北炮臺，下岬角是西南部的資深角。研究區(qū)潮汐和河流作用較弱，波浪是影響靖海灣地貌演變的主要動力因素。華南地區(qū)多臺風(fēng)和風(fēng)暴潮，靖海灣海岸作為華南典型砂質(zhì)海岸，其岸灘地貌變化與臺風(fēng)大浪密切相關(guān)[18-19]。

圖1 研究區(qū)概況及海灘沉積物取樣斷面Fig.1 Sketch of study area and transects of beach sediment sampling

圖2 靖海灣20 m水深波向玫瑰圖Fig.2 Wave rose of the Jinghai Bay

靖海灣海岸由遮蔽段和開敞段以及之間的過渡段組成。遮蔽段近岸坡度較緩，外海入射波能弱；開敞段近岸坡度較陡，入射波能較強(qiáng)，波浪傳至岸線附近才破碎。經(jīng)現(xiàn)場觀察，在碎波帶附近存在水下沙壩或脊-槽體系。沉積物粒度從遮蔽段到開敞段變化規(guī)律為先變細(xì)后變粗。灘肩和水邊線附近沉積物平均粒徑分別為1.44 Ф和0.78 Ф，分選系數(shù)均為0.76。據(jù)靖海灣20 m水深處的波浪觀測(1975年3月～9月和1993年9月～1994年3月)，常浪向為SE，次常浪向為NE和E，強(qiáng)浪向為NE，年平均波高1.5～2.0 m，周期6.2～6.5 s(圖2)。海區(qū)潮汐為不正規(guī)日潮，平均潮差小于1 m，屬弱潮浪控制海岸。

由于豐富的風(fēng)力資源和較開闊的海域條件，在海岸開敞段建有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和高位海水養(yǎng)殖場。2005年啟動2008年建成的惠來電廠一期防波堤工程使靖海灣海岸平面形態(tài)發(fā)生巨大變化：填海92.44 hm2，在背靠上岬角建設(shè)惠來電廠主廠區(qū)；圍海18.99 hm2，建立防波堤和碼頭。防波堤沿SSW方向延伸1200 m，海岸凹入度較工程前大大增加。岬角人為工程后，灣頂泥沙大量堆積，阻礙船只通行；海岸開敞段侵蝕后退，高位養(yǎng)殖場和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到威脅。

2 資料與方法

2.1基本資料

1) 根據(jù)現(xiàn)場觀察確定取樣位置，在灘肩和低潮水邊線附近分別取得19組沉積物樣品(在圖1測量斷面取樣并在每兩個斷面之間加密采樣)。在實驗室進(jìn)行粒度篩分實驗，并計算各樣品的平均粒徑、分選度、偏度。2) 波浪資料為1994年靖海灣20 m深水區(qū)波浪統(tǒng)計資料。3) 地形數(shù)據(jù)分別是靖海灣至神泉港1966年、2003年、2008年和2011年海圖資料，比尺均為1：30 000。

2.2研究方法

2.2.1 McLaren模型

沉積物粒度參數(shù)受物源和動力條件的制約，能反映沉積物和沉積環(huán)境之間的動力學(xué)關(guān)系，粒度參數(shù)變化可用于推斷沉積物的運(yùn)移方向。沉積物運(yùn)移趨勢模型最早由McLaren提出[20]，McLaren和Bowles進(jìn)一步發(fā)展[21]。根據(jù)McLaren模型，在理想條件下(動力條件單一，沉積物來源單一，細(xì)顆粒更易被侵蝕，粗顆粒更易沉積)，粒度參數(shù)隨沉積物的侵蝕、搬運(yùn)、堆積過程按照這樣一種方式改變：侵蝕殘留的沉積物比原來的沉積物更粗、更加正偏(事件A)，沿運(yùn)移方向相繼沉積下來的沉積物將更細(xì)、更加負(fù)偏(事件 B)或更粗、更加正偏(事件 C)，沉積物分選性沿運(yùn)移方向越來越好[20-22]。

McLaren模型具體計算方法：對n個具有一定空間序列的樣品進(jìn)行兩兩比較，則共存在N=(n2-n)/2組可能揭示沉積物運(yùn)移方向的總樣品對數(shù)。對任意一組樣品d1,d2的平均粒徑、分選度和偏度進(jìn)行比較，共可能存在8種趨勢：①[F(更細(xì))，B(分選更好)，-(更加負(fù)偏)]；②[C(更粗)，P(分選更差)，+(更加正偏)]；③[C，B，-]；④[F，P，-]；⑤[C，P，-]；⑥[F，B，+]；⑦[C，B，+]；⑧[F，P，+]。在這些趨勢中，只有兩種趨勢具有指向意義：[F，B，-](事件B)和[C，B，+](事件C)。每種結(jié)果出現(xiàn)的概率是p=0.125。進(jìn)行運(yùn)移趨勢判斷時作兩種假設(shè)：H0≤0.125：模型沒有明確的指向；H1>0.125，模型有明確且唯一的指向。運(yùn)用單尾邊Z得分檢驗，如果

(1)

則H1>0.125成立，即沉積物有沿此方向運(yùn)移的趨勢。其中，X是某一特定方向事件 B(或C)的數(shù)量，q=1-0.125=0.875，一般要求N≥30，即最少有8至9個樣品參與計算。

2.2.2 CMS-Wave模擬波浪場

CMS-Wave是美國陸軍工程兵團(tuán)研發(fā)中心(ERDC)聯(lián)合海岸和水力學(xué)實驗室(CHL)開發(fā)的預(yù)測近岸波浪傳播的模型[23]，重點(diǎn)分析海岸工程影響下波浪的傳播過程[24]。CMS-Wave是CMS(Coastal Modeling System)的重要模塊，與Delft3D相比，CMS在預(yù)測近岸水體運(yùn)動和泥沙運(yùn)移時具有較高的準(zhǔn)確性[25]。模型是相位平均的，即忽略了計算波浪和其他近岸過程的相位變化，并通過二維波浪能譜的轉(zhuǎn)換，模擬波浪向岸傳播過程。以往的相位平均模型極少考慮波浪的繞射和反射作用，而這對于預(yù)測海岸工程的影響是極其重要的。模型還考慮了風(fēng)的形成和發(fā)展，底摩擦引起的能量耗散，波浪破碎和波流相互作用。此外，近年來波浪上沖、漫溢以及波浪之間的相互作用也參與到模型計算中[24]。CMS-Wave波浪繞射平衡方程如下：

(2)

(3)

式中：E(σ,θ) 是波能密度，表示單位水體表面單位頻率間隔的波能；C和Cg分別代表波速和群速；x，y為水平坐標(biāo)；Cx，Cy，Cθ分別是相對于x，y，θ的特征速度；Ny和Nyy分別是N關(guān)于y的一階和二階導(dǎo)數(shù)；k是經(jīng)驗參數(shù)，反映波浪繞射的強(qiáng)度，模型允許的最大繞射參數(shù)是4，對于一般防波堤工程模型建議取值為3[23]；εb是衡量波浪破碎時能量耗散的指標(biāo)；S表示風(fēng)、底摩擦損耗和非線性波的作用。

3 結(jié)果與討論

3.1海灘沉積物輸運(yùn)

采用McLaren模型進(jìn)行沉積物運(yùn)移趨勢分析，首先需要確定其適用性。研究區(qū)主要為波浪作用，可認(rèn)為動力作用單一；人為岬角工程后，岬灣海岸平面形態(tài)調(diào)整主要通過區(qū)內(nèi)沉積物的再分配，因而可認(rèn)為沉積物來源單一；靖海灣沉積物組成以砂為主，顆粒間基本不存在粘性力，特定粒徑沉積物的搬運(yùn)可認(rèn)為獨(dú)立于其它粒徑搬運(yùn)之外，且滿足細(xì)粒易運(yùn)移、粗粒易沉積的規(guī)律。因此，運(yùn)用McLaren模型研究靖海灣工程后沉積物的沿岸運(yùn)移是可行的。

圖3 海灘沉積物輸移趨勢Fig.3 Trends of beach sediment transport

計算相鄰采樣點(diǎn)的沉積物運(yùn)移趨勢(圖3)，發(fā)現(xiàn)相鄰采樣點(diǎn)沉積物對比反映的運(yùn)移趨勢并不明顯，可能原因是僅一組沉積物樣品的比較反映出的運(yùn)移趨勢具有偶然性，因此McLaren模型建議對所有沉積物樣品進(jìn)行一一比較。運(yùn)用McLaren模型對灘肩和水邊線沉積物運(yùn)移趨勢進(jìn)行計算，結(jié)果顯示，灘肩和水邊線沉積物運(yùn)移趨勢相同，均由SW向NE方向運(yùn)移。具體過程以灘肩沉積物SW向NE運(yùn)移為例：假設(shè)存在此方向的運(yùn)移趨勢，沉積物兩兩對比后統(tǒng)計事件B共有45件，事件C有25件，根據(jù)單尾邊Z得分檢驗，事件B中Z=5.46>2.326，事件B成立，灘肩沉積物有從SW向NE的運(yùn)移趨勢；事件C中Z=0.84<1.645，事件C不成立(表1)。

海岸地貌動力系統(tǒng)為維持穩(wěn)定內(nèi)部存在負(fù)反饋機(jī)制。岬角人為工程前，靖海灣沿岸輸沙方向由NE向SW，海岸為略微侵蝕型的動態(tài)平衡海岸。工程后，為平衡海岸平面凹入度增大的變化，岸灘泥沙有向灣頂方向的運(yùn)移趨勢，海岸轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定型海岸。

表1 McLaren模型計算靖海灣沉積物運(yùn)移方向Tab.1 Calculative trends of longshore sediment transport in Jinghai Bay

3.2波浪動力場

運(yùn)用CMS-Wave模型對工程前(2003年)和工程后(2011年)靖海灣波浪場進(jìn)行模擬。所用資料為1994年靖海灣20 m水深波浪的統(tǒng)計結(jié)果(表2)，模擬范圍為20 m水深以內(nèi)的波浪傳播過程，網(wǎng)格大小設(shè)為10 m。按照深水波浪方向分類，計算2003和2011年的ESE、E向的波浪場，并計算灣內(nèi)波浪的波高和波向(圖4)。

圖4 工程前后靖海灣波浪場模擬Fig.4 Wave field simulation of Jinghai Bay before and after engineering

防波堤工程前，波浪直接入射沖擊海岸。人為岬角工程改變了海岸的固定邊界，導(dǎo)致灣內(nèi)波浪動力重新分布。ESE和E向浪經(jīng)防波堤時發(fā)生繞射，波能衰減，難以對防波堤掩護(hù)下的海岸遮蔽段有足夠的沖擊作用。此外，工程后海岸遮蔽段位置改變，遮蔽段相對延長，弱動力區(qū)域范圍增加，因而沉積物更易在遮蔽段沉積。海岸開敞段波浪能量強(qiáng)，ESE向浪和E向浪對海岸有較強(qiáng)的沖擊，沉積物易被侵蝕并沿岸運(yùn)移，在海灣動力較弱的上岬角一側(cè)沉積下來。灣內(nèi)波浪場的模擬分析與沿岸輸沙方向相一致。

表2 靖海灣20 m水深波浪特征Tab.2 Statistic characteristics of 20-m deep waves in Jinghai Bay

3.3水下地形與沖淤變化

3.3.1 岸線、等深線對比

根據(jù)1966年、2003年、2008年和2011年各年份2 m、5 m等深線數(shù)據(jù)，參照海灘剖面實測位置，繪制各年份靖海灣等深線對比圖(圖5)。其中，1、2號剖面代表的是遮蔽段剖面測量位置，5、6號剖面代表過渡段剖面測量位置，9、10號代表開敞段剖面測量位置。

圖5 靖海灣海岸1966年、2003年、2008年和2011年水下2 m、5 m等深線對比Fig.5 Comparison of 2-m and 5-m isobath between 1966 and 2011

在人為岬角工程前，據(jù)1966年和2003年等深線對比發(fā)現(xiàn)，遮蔽段1、2號剖面2 m等深線向陸后退，可認(rèn)為常態(tài)下海岸遮蔽段呈略侵蝕狀態(tài)；開敞段9、10號剖面岸線和等深線均向海前展，速率分別為2.65和2.73 m/a；以5、6號剖面代表的海岸過渡段，2 m等深線向海前展，5 m等深線向陸后退，過渡段蝕積變化不定，且進(jìn)退速度緩慢。通過2 m、5 m等深線綜合比較發(fā)現(xiàn)，在工程前幾十年的時間內(nèi)海岸遮蔽段岸線向陸后退，開敞段岸線向海前展，海岸呈動態(tài)平衡狀態(tài)。

在2005年人為岬角工程啟動后，比較2003年和2008年等深線，遮蔽段1、2號剖面2 m、5 m等深線均向外海前展，速率為13.84和24.29 m/a；開敞段岸線明顯向陸后退，9、10號剖面后退平均速率分別為7.20和9.48 m/a；在過渡段5號剖面等深線向海前展，6號剖面向陸后退，過渡段部分侵蝕部分堆積。可見，工程后較短時間內(nèi)海岸對上岬角的變化迅速作出反饋：遮蔽段岸線向海前展，過渡段和開敞段向陸后退。

進(jìn)一步比較2008年和2011年的等深線變化發(fā)現(xiàn)，遮蔽段1、2號剖面各等深線均向海前展，表明此處工程后為堆積狀態(tài)，平均推進(jìn)速度為11.80和21.67 m/a；開敞段表現(xiàn)出明顯的向陸后退，9、10號剖面后退速率分別為14.77和11.62 m/a；過渡段5號剖面等深線向海前展，6號剖面有進(jìn)有退，因此過渡段蝕積變化速率小，呈動態(tài)穩(wěn)定。

通過4個時期海圖的對比發(fā)現(xiàn)，工程前海岸上岬角一側(cè)微侵蝕，下岬角一側(cè)微堆積，海灣平面形態(tài)基本穩(wěn)定。而工程后，2003年至2011年2 m、5 m等深線進(jìn)退速率顯示，上岬角一側(cè)遮蔽段快速淤積，岸線向海前展速率17.9 m/a；下岬角一側(cè)直線段侵蝕后退嚴(yán)重，岸線后退速率10.8 m/a。通過等深線變化速率對比發(fā)現(xiàn)，2008年至2011年與2003年至2008年相比有減緩趨勢。岸灘沖淤變化總體為南沖北淤。

3.3.2 海灣沖淤變化

為進(jìn)一步比較靖海灣工程前后水下地形變化和沖淤調(diào)整過程，對1966年、2003年、2008年和2011年4個年份水下地形進(jìn)行沖淤對比計算，見圖6。

圖6 靖海灣水下沖淤變化Fig.6 Variations of erosion and accretion in the Jinghai Bay

靖海灣各岸段對人為岬角工程響應(yīng)和調(diào)整快速。岬角工程前，偏E向浪主導(dǎo)泥沙從遮蔽段運(yùn)移到開敞段，海灘為上岬角一側(cè)侵蝕、下岬角一側(cè)堆積的微蝕型狀態(tài)。近岸泥沙淤積量為230.53萬m3，沖刷量為52.07萬m3，淤積量大于沖刷量的原因是下岬角一側(cè)有外來輸沙，研究區(qū)域內(nèi)淤積總量大。岬角工程后，下岬角一側(cè)侵蝕嚴(yán)重，侵蝕的泥沙作為物源向灣頂運(yùn)移，海灘總體呈堆積狀態(tài)，見圖6(b)、6(c)。工程后的兩個時段2003年～2008年和2008年～2011年近岸淤積總量分別為128.88和162.67萬m3，淤積總量雖不及工程前37年淤積總量，但淤積速率均大于20萬m3/a，遠(yuǎn)大于工程前的淤積速率；沖刷總量分別為139.95和114.73萬m3，遠(yuǎn)大于工程前的沖刷總量。

表3 靖海灣2 m和5 m等深線以內(nèi)沖淤量和沖淤速率Tab.3 Volume and rate of erosion/accretion within Jinghai 2-m and 5-m isobath

5 m等深線以淺的近岸常認(rèn)為與波浪強(qiáng)烈變形、破碎和泥沙運(yùn)動有關(guān)。以不同年份靖海灣5 m等深線以內(nèi)沖淤量對比揭示了海岸水下地形演化趨勢(表3)。工程前淤積速率為6.23萬m3/a，工程后淤積速率分別增加至42.96和54.22萬m3/a，平均48.59萬m3/a；工程前沖刷速率為1.41萬m3/a，工程后沖刷速率分別為27.99和38.24萬m3/a，平均33.12萬m3/a。可見，工程后海灣水下地形變化劇烈。

4 結(jié) 語

本文以靖海灣為例，根據(jù)海灘沉積物運(yùn)移趨勢、海灣波浪場模擬、水下等深線對比和沖淤計算，探討了人為岬角工程前后岬灣海岸的地貌動力過程和沖淤演變。得到以下結(jié)論：

1)運(yùn)用McLaren模型分析結(jié)果顯示，工程后海灘沉積物從下岬角向灣頂運(yùn)移，與工程前相比運(yùn)移趨勢相反。

2)岬角工程改變了海灣的邊界，運(yùn)用CMS-Wave模型較好地揭示了海岸地形對波浪傳播和沿岸能量分布的影響：ESE向浪和E向浪經(jīng)防波堤的繞射作用，波能減弱，使動力較弱的遮蔽段易于堆積。

3)海灘蝕積狀態(tài)在工程前后發(fā)生顯著變化。工程前海灘呈遮蔽段略微侵蝕、開敞段堆積的相對穩(wěn)定型；工程后開敞段侵蝕嚴(yán)重，沉積物向遮蔽段運(yùn)移，造成灣頂淤積，海灘出現(xiàn)了顯著的動態(tài)調(diào)整。

4)海岸地貌動力學(xué)分析認(rèn)為，地貌與動力之間存在相互作用和反饋。人為岬角工程改變了海灣的平面形態(tài)，使灣內(nèi)波浪動力重新分布，海岸系統(tǒng)為適應(yīng)動力而快速調(diào)整，進(jìn)而改變海灘蝕積過程和水下地形沖淤，最終形成新的平衡狀態(tài)。

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Effects of engineering on coastal morphodynamic evolution of Jinghai Bay in Southern China

JI Hongyu1,CHEN Shenliang1,LEI Yaping2,GUO Xiaojuan2,ZHU Zhengtao1

(1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Institute of Estuarine and Coastal Research,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510007,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.007

陳沈良。E-mail：slchen@sklec.ecnu.edu.cn

1005-9865(2016)05-0057-08

2016-01-31

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目資助(201405037)

姬泓宇(1992-)，男，博士研究生。研究方向為海岸過程與地貌動力。