龍鳳頭海灘修復(fù)工程與波流動力響應(yīng)特性

匡翠萍， 王彬諭， 顧　杰， 雷　剛

(1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530216；3.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 4.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

?

龍鳳頭海灘修復(fù)工程與波流動力響應(yīng)特性

匡翠萍1， 王彬諭2， 顧杰3， 雷剛4

(1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530216；3.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 4.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

基于MIKE 21軟件建立平潭龍鳳頭海灘修復(fù)工程海域雙重嵌套二維潮流和波浪耦合數(shù)學(xué)模型，并將驗證后的模型運用到工程設(shè)計方案實施前后潮流場及波浪場的模擬，比較分析水動力的變化.研究結(jié)果表明：平潭海域潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，8月大潮潮差約為5 m，潮汐強；海壇灣內(nèi)潮流總體表現(xiàn)為往復(fù)流特征，灣口流速最大，灣內(nèi)流速較小，灣頂流速最??；北端防波堤大大減少了南北水體交換，內(nèi)側(cè)落潮流調(diào)整為沿堤流；堤頭處挑流作用明顯，流速增加，形成明顯的旋轉(zhuǎn)流；南北端防波堤對其內(nèi)側(cè)一定范圍海域有掩護作用，波高削減顯著，受掩護岸線長度略大于防波堤長度；堤頭處受波浪折射作用影響，波能輻聚，波高增大.工程后海灘中部岸段波高及流速削減不明顯，建議增設(shè)離岸堤加強海灘保護.

龍鳳頭海灘； 潮流； 波浪； 防波堤； MIKE 21軟件

福建平潭東部海域有大小海灘215處，多處為具有海濱浴場的優(yōu)質(zhì)海灘[1].上世紀末，海壇灣(圖1)濱海沙灘中部修建的人工海堤，造成海堤前海灘迅速下蝕.2007年海灘基本不存在干灘，大潮時灘面出露約300 m，不利于游客全天候利用海灘[2].為了將其打造為國內(nèi)一流的高質(zhì)量旅游、休閑娛樂海灘，亟需開展濱海沙灘修復(fù)工程.

海壇灣位于臺灣海峽西北側(cè)，是一個半封閉海灣，灣口朝向正東方向，其東部為強潮強浪區(qū).灣內(nèi)島嶼眾多，水深較淺(20 m以內(nèi))，受冬季大風(fēng)和夏季臺風(fēng)影響，波浪、潮流動力強勁，波流相互作用顯著.Fang等[3]指出臺灣海峽西北部潮汐振幅明顯大于南部海域，相差可達一個數(shù)量級，最大潮差出現(xiàn)在平潭附近海域.Wang等[4]通過2012年7月22至29日ADV(acoustic doppler velocimetry)和ADCP(acoustic doppler current profiler)測流數(shù)據(jù)得到，臺灣海峽西側(cè)主要受M2分潮主導(dǎo).Zhang等[5]通過建立臺灣海峽潮流和風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型成功模擬了1999年臺風(fēng)Dan作用下福建沿岸風(fēng)暴潮的潮位變化過程.Zhang等[6]分析了臺灣海峽5次臺風(fēng)作用下的水體輸運特性，海峽內(nèi)水體呈明顯的向北輸運特征.Zeng等[7]基于COHERENS模型模擬得到臺灣海峽M2分潮的潮汐動態(tài)，潮波系統(tǒng)主要由開爾文潮波和駐波兩個潮波系統(tǒng)共同控制.田永青等[8]基于統(tǒng)計方法和潮汐調(diào)和分析方法得出臺灣海峽西部近海最大潮差從平潭島北部到泉州變化不大，廈門東南到惠來呈線性遞減.Zheng等[9]利用WAVEWATCH-Ⅲ模型計算得到1988～2011年臺灣島周圍海域波能密度及其增長速率均較大.劉濤等[10]通過建立波浪數(shù)學(xué)模型計算得到了福建興化灣深水區(qū)域以及工程區(qū)域的設(shè)計波浪要素.葉雨穎等[11]對實測1個月的風(fēng)浪資料進行了統(tǒng)計和頻譜分析，給出了福建省南部特征波要素與頻譜關(guān)系.本文在分析實測資料的基礎(chǔ)上，利用MIKE 21軟件建立和驗證平潭海域雙重嵌套的潮流和波浪耦合數(shù)學(xué)模型，研究分析潮流和波浪對平潭海壇灣龍鳳頭海灘修復(fù)工程的響應(yīng)特性.

b 設(shè)計方案圖1　龍鳳頭海灘地理位置及設(shè)計方案示意圖Fig.1　Location of Longfengtou Beach and design of beach nourishment project

1　數(shù)學(xué)模型及計算區(qū)域

MIKE 21模型是丹麥水力研究所開發(fā)的平面二維數(shù)學(xué)模型，可用于模擬河口、海岸、海灣、河流、湖泊及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境.MIKE 21 FM(flow model)基于Boussinesq假設(shè)、靜水壓力假設(shè)、淺水條件和邊界條件，通過控制體積法求解由不可壓縮雷諾平均Navier-Stokes方程概化的淺水方程[12-13].在空間上采用有限體積法進行離散，在時間上采用顯性歐拉法進行離散.MIKE 21 SW(spectral wave)基于波浪作用平衡方程，可以求解準定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數(shù)公式，并可與潮流模型耦合[14].應(yīng)力模型是波浪模型和潮流模型實現(xiàn)耦合的關(guān)鍵部分.本文將潮流模型中計算得到的水位和流速輸入到波浪模型，比較波流耦合作用下工程前后近岸波浪場分布.

1.1計算區(qū)域及網(wǎng)格

為精準模擬工程布置和復(fù)雜地形(島嶼眾多，且岸線極不規(guī)則)，采用大、小雙重嵌套模型進行計算.大、小模型布置如圖2所示.大模型大陸沿岸南起廣東石碑山，北至浙江五溪村，臺灣島沿岸南起淡水，北至高雄.網(wǎng)格剖分采用三角形網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)為15 115，網(wǎng)格單元數(shù)為27 713；兩條開邊界網(wǎng)格較為稀疏，空間步長可達1 000 m；兩條閉邊界網(wǎng)格空間步長約為200 m.地形資料大部分來源于美國國家海洋與大氣管理局(national geophysical data center，NOAA)官方網(wǎng)站，分辨率為2′.小模型計算范圍覆蓋平潭東部海域，共劃分為三個開邊界，計算區(qū)域共布有8 701個計算節(jié)點和16 593個三角形單元，為研究海壇灣內(nèi)的潮流情況，對其進行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格空間步長約20 m.海壇灣內(nèi)地形采用由國家海洋局第三海洋研究所提供的2011年實測地形.

1.2工程方案

2011年7月對海壇灣龍鳳頭海灘實施灘肩補沙的海灘修復(fù)工程(一期工程)，于2011年8月底竣工，海灘實際施工岸線總長度1 359 m，其中最北段龜模嶼附近岸段干灘寬度120 m，中北部100 m為過渡段，中南部及南部岸段干灘寬度60 m.工程后沙灘寬度由0擴大到20～30 m，至2011年12月，剖面測量結(jié)果表明海灘侵蝕嚴重，岸線平均后退11.1 m，最大后退量達31.0 m，需要對沙灘進行進一步修復(fù).設(shè)計修復(fù)方案為灘肩補沙和防波堤相結(jié)合[15]，布置如圖1所示.防波堤1離岸距離為300 m，長度為260 m，方向為東偏南60°；防波堤2離岸距離為190 m，長度為110 m，方向為北偏東20°，防波堤1和防波堤2頂寬均為4 m.

a 大模型網(wǎng)格及測站位置

b 小模型網(wǎng)格及測站位置圖2　大、小嵌套模型網(wǎng)格及測站位置Fig.2　Large and small nested model grids and observation stations

2　模型驗證

2.1邊界條件和初始條件

大區(qū)域潮流模型的開邊界條件為MIKE 21軟件包自帶的全球潮汐模型導(dǎo)出的潮位過程，該潮汐模型是在1992～2002年共計10年的TOPEX/POSEIDON衛(wèi)星高度計資料基礎(chǔ)上建立的，其分辨率為0.125°，模型考慮的分潮包含M2，S2，K2，N2，S1，K1，O1，P1，Q1和M4，共計10個分潮.小區(qū)域潮流模型開邊界條件為大模型提供的潮位過程，模擬時間為2011年8月14日0：00時至8月17日18：00時.初始潮位選取計算開始時刻的平均潮位，初始流速為0.

入射波浪來源于平潭波浪觀測站(圖2)實測波浪的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù).考慮潮流作用時，將潮流模型中計算得到的水位和流速輸入到波浪模型，為了保證潮流和波浪耦合，本文選取8月份的實測波浪資料進行模型驗證，8月平均波周期為4.1 s，有效波高和波向的變化過程如圖3所示，統(tǒng)計得到平均有效波高為1.04 m，波向全部集中在ENE,E,SE和ESE方向，其中以ENE向最多，因此將北邊界和南邊界設(shè)為側(cè)邊界，設(shè)置從東邊界入射的有效波高Hs=1.04 m，波周期T=4.1 s，ENE向的入射波.

圖3　有效波高和波向變化過程Fig.3　Time history of significant wave height and direction

2.2參數(shù)選取

由于潮灘落潮干出、漲潮被淹，因此采用動邊界模擬.干水深hdry、淹沒水深hflood和濕水深hwet分別取0.005,0.05和0.1 m.大區(qū)域潮流模型曼寧數(shù)為25 m1/3·s-1，小區(qū)域潮流模型曼寧數(shù)變化范圍為30～50 m1/3·s-1.大小模型計算時間步長均采用變步長，根據(jù)流態(tài)自動調(diào)整，下、上限值分別為0.000 1 s和30 s.波浪破碎采用Battjes和Janssen模型，破碎指標選擇0.8.根據(jù)龍鳳頭海域表層泥沙中值粒徑，粗糙高度取0.1 mm.

龍鳳頭近岸海域風(fēng)向季節(jié)性變化明顯，一年中秋、冬、春三季以偏北風(fēng)為主，夏季以偏南風(fēng)為主.根據(jù)平潭風(fēng)觀測站(圖2)統(tǒng)計得到的歷史各月最多風(fēng)向和平均風(fēng)速統(tǒng)計可知，8月份主要風(fēng)向為SSW向，平均風(fēng)速為5.7 m·s-1[2].圖4為對應(yīng)潮流模擬時間內(nèi)的風(fēng)向和風(fēng)速變化過程，數(shù)據(jù)來源于NOAA平潭東部海域東經(jīng)120°，北緯25.71°測點的6 h一次的風(fēng)觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計8月14日0：00時至17日18：00時風(fēng)速和風(fēng)向平均值可知與歷史各月最多風(fēng)向和平均風(fēng)速相一致，因此潮流模型和波浪模型中風(fēng)驅(qū)動力均采用定常風(fēng)(5.7 m·s-1，SSW向).

2.3潮流模型驗證

平潭海域潮汐屬于正規(guī)半日潮，平均漲、落潮歷時相當，8月大潮潮差約為5 m，潮汐強.大模型潮位驗證資料采用2011年潮汐表上平潭、福清灣、三江口和廈門4個測點(圖2)8月16日10：00時至8月17日12：00時的潮位過程.平潭測點的計算潮位值與潮汐預(yù)報值的比較如圖5所示.潮位驗證結(jié)果表明：臺灣海峽大模型的潮位計算值與潮汐預(yù)報值吻合較好，能較為有效地反映臺灣海峽的潮位變化過程.

圖4　風(fēng)速和風(fēng)向過程Fig.4　Time history of wind speed and direction

a 大模型(平潭)水位驗證

b 小模型(T1)水深驗證圖5　大模型(平潭)水位及小模型(T1)水深驗證

Fig.5Verification of water level in large scale model and water depth in small scale model

平潭東部海域小模型基于T1和T2測流站(圖2)一次天文大潮(2011年8月16日10：00時至8月17日12：00時)的實測垂向平均流速、流向及水深數(shù)據(jù)進行驗證.T1測流站的水深驗證如圖5所示，流速與流向的驗證如圖6所示.本文選擇Wilmott[16]提出的統(tǒng)計學(xué)方法來評價數(shù)學(xué)模型，其計算方法為

(1)

a 流速驗證

b 流向驗證圖6　小模型(T1)流速和流向驗證

Fig.6Verification of flow velocity and direction using small scale model

圖7中矢量表示海壇灣漲、落急時刻的潮流場，等值線為有效波高分布.潮流總體表現(xiàn)為往復(fù)流特征，灣口流速最大，灣內(nèi)流速較小，灣頂流速最小.漲潮時水流由灣口北部進入，以灣內(nèi)中部蛇嶼為界，分為南北兩支，北支呈順時針旋轉(zhuǎn)流進入海壇灣北部，南支呈逆時針旋轉(zhuǎn)流從東南角流出；落潮時灣內(nèi)落潮流和灣外由南向北的落潮流在灣口北側(cè)匯合流出.

2.4波浪模型驗證

根據(jù)統(tǒng)計風(fēng)場資料，對波流耦合作用下海壇灣內(nèi)波浪場進行了模擬，潮流歷時對應(yīng)于2011年8月16日10：00時至8月17日12：00時的驗證潮流過程，其中漲急時刻為2011年8月16日23：00時，落急時刻為2011年8月17日5：00時.模擬結(jié)果與觀測波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果均顯示主波向為ENE向，觀測站實測波高和波周期分別為1.04 m和4.1 s，計算波高和波周期分別為1 m和4.2 s，二者一致.圖7中有效波高分布顯示波浪在近岸區(qū)發(fā)生折射，逐漸垂直于岸線方向.由于波浪繞射作用，島嶼后側(cè)波高削減顯著，且落急時刻波掩區(qū)范圍明顯大于漲急時刻，波高削減更為明顯.由于潮流對波浪折射、波浪自身在海壇灣南、北岬頭折射和水深不均勻引起的折射等綜合作用，海壇灣灣口中北部及其內(nèi)側(cè)海域漲急波高明顯弱于落急波高，而南部岬頭及其內(nèi)側(cè)海域漲急波高強于落急波高.

a 漲急時刻

b 落急時刻圖7　海壇灣漲、落急時刻潮流場和波高分布

Fig.7Tidal current fields and distribution of wave height at maximum flood and maximum ebb in Haitan Bay

3　波流動力對工程的響應(yīng)模擬

3.1潮流對工程的響應(yīng)特性分析

通過對工程區(qū)及近岸海域的潮流場進行模擬，得到漲、落急時刻工程實施前后流場分布，分別如圖8和圖9所示.圖10和圖11分別為漲、落急時刻工程前后流速等值線分布.龍鳳頭海域漲潮流受海壇灣南支漲潮流控制，該由北向南的水流進入龍鳳頭海域，受北部龜模嶼及其東側(cè)島嶼和南部龍王頭岬頭影響，形成一個大的順時針環(huán)流.工程后龍鳳頭海灘北部及中部岸段近岸流速略有減少，流速等值線向岸推進.北端防波堤1的阻水作用，使其近岸側(cè)的流速減小，減幅約為0.02 m·s-1，其東側(cè)區(qū)域存在一個逆時針環(huán)流.位于南端的防波堤2阻擋了一部分西北向來流，由于堤頭挑流作用，改變了水流結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)形成較明顯的逆時針旋轉(zhuǎn)流，堤頭流速增加至0.12 m·s-1，進而可能導(dǎo)致該處沖刷.近岸海域落潮流向主要為東北向.由于龍鳳頭海灘北端存在一個水深極淺區(qū)域，落潮時灘地出露，大量落潮流從灘地與龜模嶼之間的深槽流出，流速可達0.28 m·s-1，工程后防波堤1東側(cè)海域最大流速約為0.18 m·s-1，相較于工程前有所減小.北端防波堤1大大減少了南北水體交換，改變了水流方向，內(nèi)側(cè)落潮流多為沿堤流，堤頭處流速增加至0.14 m·s-1.整個離岸區(qū)和近岸區(qū)的流速都有所減小，最大減幅小于0.02 m·s-1.

a 工程前

b 工程后圖8　龍鳳頭海域漲急時刻工程前后流場

Fig.8Maximum flood current fields before and after the project at Longfengtou Beach

a 工程前

b 工程后圖9　龍鳳頭海域落急時刻工程前后流場Fig.9　Maximum ebb current fields before and after the project at Longfengtou Beach

a 工程前

b 工程后圖10　龍鳳頭海域漲急時刻工程前后流速等值線分布Fig.10　Isolines of maximum flood current velocity magnitude before and after the project at Longfengtou Beach

3.2波浪對工程的響應(yīng)特性分析

通過波流耦合作用下波浪模擬，得到漲、落急時刻工程實施前后波高分布如圖12和圖13所示.漲急時刻工程區(qū)及近岸海域波高明顯大于落急時刻，由于落潮時灘地出露，龍鳳頭海灘近岸區(qū)域波高極小，約為0.04 m.從圖12可知，漲急時刻北端防波堤1僅對其內(nèi)側(cè)海域有掩護作用，沿岸距北端約350 m范圍內(nèi)波高有所削減，南端防波堤2也僅對其內(nèi)側(cè)海域有掩護作用，沿岸距南端約130 m范圍內(nèi)波高有所削減.通過對工程區(qū)及近岸海域13個監(jiān)測點(圖1中J1～J8和N1～N5)工程實施前后的波高及波向進行對比得到：工程后堤頭位置的測點波高略有增大，漲落急時刻J2和J6測點波高增加在0.1 m以內(nèi)，是由于堤頭處波浪發(fā)生折射，導(dǎo)致波能輻聚，波高增大.由于堤頭繞射作用，波能輻散，防波堤內(nèi)側(cè)為波掩區(qū)，波高下降顯著，因此掩護區(qū)內(nèi)測點的波高得到有效削減，J3，J7和J8測點波高減幅均接近或超過50%，受掩護岸線長度略大于防波堤長度.中部岸段近岸各測點波高均只有小幅減小，漲急時刻N2～N4測點波高減幅均小于1.5%，且越靠近岬灣頂部，測點波高削減幅度越小，可以看出南北端防波堤對灣頂近岸海域波浪削減效果不明顯，建議增設(shè)離岸堤加強海灘保護.

a 工程前

b 工程后圖11　龍鳳頭海域落急時刻工程前后流速等值線分布Fig.11　Isolines of maximum ebb current velocity magnitude before and after the project at Longfengtou Beach

a 工程前

b 工程后圖12　龍鳳頭海域漲急時刻工程前后波高分布Fig.12　Distribution of wave height at maximum flood before and after the project at Longfengtou Beach

a 工程前

b 工程后圖13　龍鳳頭海域落急時刻工程前后波高分布Fig.13　Distribution of wave height at maximum ebb before and after the project at Longfengtou Beach

4　結(jié)論

基于MIKE 21軟件建立了平潭龍鳳頭海灘及其鄰近海域的雙重嵌套二維潮流和波浪耦合的水動力數(shù)學(xué)模型，通過實測資料對數(shù)學(xué)模型進行了驗證，并將驗證后的數(shù)學(xué)模型運用到工程設(shè)計方案下潮流場和波浪場的預(yù)測，比較分析波流動力對海灘修復(fù)工程的響應(yīng)關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

(1) 平潭海域潮汐屬于正規(guī)半日潮，平均漲、落潮歷時相當，8月大潮潮差約為5 m，潮汐強.海壇灣內(nèi)潮流總體表現(xiàn)為往復(fù)流特征，灣口流速最大，灣內(nèi)流速較小，灣頂流速最小.

(2) 近岸流速受南北防波堤影響較小，離岸區(qū)域流速分布幾乎不受影響；北端防波堤大大減少了南北水體交換，改變了水流方向，內(nèi)側(cè)落潮流多為沿堤流；堤頭處挑流作用明顯，流速增加，形成較明顯的旋轉(zhuǎn)流，進而可能導(dǎo)致堤頭沖刷.

(3) 南北側(cè)防波堤只對其內(nèi)側(cè)一定范圍海域有掩護作用，受掩護岸線長度略大于防波堤長度，掩護區(qū)域波高削減幅度接近50%；堤頭處受波浪折射作用影響，波能輻聚，波高增大.

(4) 工程后中部岸段波高及流速削減不明顯，建議增設(shè)離岸堤加強海灘保護.

[1]林軍, 施文耀. 福建平潭島旅游地質(zhì)資源特征淺析[J]. 福建地質(zhì), 2000, 19(2): 111.

LIN Jun, SHI Wenyao. Discussion on the characteristics of geological tourist resources in Pingtan Island, Fujian Province[J]. Geology of Fujian, 2000, 19(2): 111.

[2]國家海洋局第三海洋研究所. 平潭龍鳳頭海灘養(yǎng)護實驗工程演變監(jiān)測報告[R].北京:國家海洋局第三海洋研究所,2012.

Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration. Report of the bed evolution after the nourishment project in Longfengtou Beach, Pingtan County[R]. Beijing: Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, 2012.

[3]FANG Guohong, YANG Jingfei, Thao Yucai. A two-dimensional numerical model for tidal motion in the Taiwan Strait[J]. Marine Geophysical Researches, 1984, 7(1/2): 267.

[4]WANG Aijun, YE Xiang, DU Xiaoqin,etal. Observations of cohesive sediment behaviors in the muddy area of the northern Taiwan Strait, China[J]. Continental Shelf Research, 2014, 90: 60.

[5]ZHANG Wenzhou, HONG Huasheng, SHANG Shaoping,etal. A two-way nested coupled tide-surge model for the Taiwan Strait[J]. Continental Shelf Research, 2007, 27:1548.

[6]ZHANG Wenzhou, HONG Huasheng, YAN Xiaohai. Typhoons enhancing northward transport through the Taiwan Strait[J]. Continental Shelf Research, 2013, 56:13.

[7]ZENG Ganning, HU Jianyu, HONG Huasheng,etal. Numerical study on M2tidal system in the Taiwan Strait[J]. Procedia Environmental Science, 2012, 12: 702.

[8]田永青, 潘愛軍. 臺灣海峽西部近海潮汐特征[J]. 臺灣海峽, 2011, 30(4): 483.

TIAN Yongqing, PAN Aijun. Tidal characteristics in offshore sea of western Taiwan Strait[J]. Journal of Oceanography in Taiwan Strait, 2011, 30(4): 483.

[9]ZHENG Chongwei, LI Chongyin. Variation of the wave energy and significant wave height in the China Sea and adjacent waters[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 43: 381.

[10]劉濤, 陳漢寶, 劉海源. 福建興化灣波浪條件數(shù)值模擬研究[J]. 水運工程, 2007(3): 400.

LIU Tao, CHEN Hanbao, LIU Haiyuan. Numerical simulation research on wave condition of Xinghuawan Bay, Fujian[J]. Port & Waterway Engineering, 2007(3): 400.

[11]葉雨穎, 潘偉然, 張國榮, 等. 福建東山灣海浪現(xiàn)場觀測的統(tǒng)計特征[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)報, 2007, 46(3): 386.

YE Yuying, PAN Weiran, ZHANG Guorong,etal. The field observations and statistical characteristics of waves in Dongshan Bay[J]. Journal of Xiamen University: Natural Science, 2007, 46(3): 386.

[12]馮靜. MIKE21數(shù)值模型在海洋工程環(huán)境影響評價中的應(yīng)用研究[D].青島:中國海洋大學(xué), 2011.

FENG Jing. Application of MIKE21FM numerical model in environmental impact assessment of ocean engineering[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011.

[13]DHI Hydraulics. MIKE21 & MIKE3 flow model hydrodynamic and transport module science documentation[M]. Denmark: DHI Water & Environment, 2009.

[14]DHI Water & Environment & Health. MIKE21 spectral wave module scientific documentation[M]. Denmark: DHI, 2009.

[15]匡翠萍, 單云馳, 王彬諭, 等. 海壇灣龍鳳頭海灘養(yǎng)護工程方案研究[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2015, 43(5): 714.

KUANG Cuiping, SHAN Yunchi, WANG Binyu,etal. Study on beach nourishment in Longfengtou Beach of Haitan Bay[J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2015, 43(5): 714.

[16]Wilmott C J. On the validation of models[J]. Physical Geography, 1981, 2(2): 184.

Study of Wave-Current Coupled Hydrodynamic Responses to a Beach Nourishment Project at Longfengtou Beach

KUANG Cuiping1, WANG Binyu2, GU Jie3, LEI Gang4

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Guangxi Vocational and Technical College of Communications, Nanning 530216, China; 3. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 4.Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China)

A 2D wave-current coupled model for a beach nourishment project sea area at Longfengtou Beach was set up based on MIKE 21 by using a two-level nested grid. The calibrated model was then adopted to simulate the flow fields and wave fields before and after the project, and the hydrodynamic responses to the nourishment project were analyzed. The simulation results show that the tide in Pingtan sea area is regular semidiurnal and the average tidal range at spring tide in August is about 5 m; the tidal current in Haitan Bay is of typical reversing current with a large flow velocity in the mouth of the bay, and a small and the smallest flow velocity in the middle and top of the bay respectively; the northern breakwater, which greatly reduces the north-south water exchange, adjusts the ebb current along the breakwater; the flow velocity at the tip of the breakwaters increases due to the deflecting flow, and an anticlockwise circulation generates obviously; the northern and southern breakwaters only have a limited effect on the area behind the breakwaters where the wave height significantly decreases, and the influenced length of shoreline is slightly greater than that of breakwater; the wave height at the tip of breakwaters increases due to the energy convergence caused by wave refraction. Overall, the reduction of wave height and flow velocity in the middle part of the beach is negligible, thus the construction of offshore breakwater is suggested to strengthen the protection of Longfengtou Beach.

Longfengtou Beach; tidal current; wave; breakwater; MIKE 21

2015-02-07

匡翠萍(1966—), 女, 教授, 工學(xué)博士, 主要研究方向為海岸工程. E-mail: cpkuang@#edu.cn

顧杰(1961—), 男, 教授, 工學(xué)博士, 主要研究方向為海洋環(huán)境. E-mail：jgu@shou.edu.cn

TV148+.5

A