基于GENESIS計算丁壩對石河南島岸線演變的影響

朱 磊，劉會欣，劉修錦

（1. 河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000；2. 河北省海洋地質(zhì)資源調(diào)查中心，河北 秦皇島 066000）

基于GENESIS計算丁壩對石河南島岸線演變的影響

朱 磊1，2，劉會欣1，2，劉修錦1，2

（1. 河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊，河北 秦皇島 066000；2. 河北省海洋地質(zhì)資源調(diào)查中心，河北 秦皇島 066000）

以秦皇島市石河南島的單丁壩為例，采用GENESIS模型進行數(shù)值模擬，探究石河南島沙灘在丁壩掩護下的侵淤情況。通過與實際監(jiān)測剖面資料對比分析，驗證了GENESIS軟件對該地區(qū)岸線演變的適用性，并進一步設(shè)計模擬了丁壩的不同組合方案（“雙丁壩”和“丁壩+沙壩”）對岸線演變的影響，結(jié)果顯示，“丁壩+沙壩”的設(shè)計更適用于該地區(qū)。

岸線演變；沙灘防護；丁壩；數(shù)值模擬；GENESIS

石河南島地處秦皇島市山海關(guān)區(qū)南部石河入?？诤Ｓ?，是秦皇島唯一的海島，海岸線長約3.54 km，島陸面積82.38 hm2，屬于無居民海島，海島由石河河口三角洲發(fā)育而成，屬沙泥島類型。由于長時間處于粗放管理，島體南側(cè)沙灘侵蝕嚴重，使石河南島及周邊海域的環(huán)境受到影響。2014年對石河南島沙灘進行了整治修復(fù)，采取“軟+硬”工程組合形式，軟工程是人工補沙，硬工程是垂直于岸線的丁壩。岸線演變情況見圖1。

丁壩是一種兼有導(dǎo)流、護岸、營造局部沖淤和調(diào)整水深等眾多功能的水工建筑物，為世界上廣泛采用的海岸防護建筑物之一。在沙灘防護方面，丁壩的作用是使海灘增寬，減小沿岸輸沙率，達到保護海灘的目的。

目前丁壩對沙灘防護的研究主要是在數(shù)值模擬和物理試驗方面。黃文典等[1]結(jié)合Galerkin加權(quán)余量法和Newton-Raphson迭代法來模擬淹沒丁壩的二維水流形態(tài)，并且通過物理模型試驗進行了驗證，結(jié)果良好。崔占峰等[2]采用三維RNG紊流模型，結(jié)合壁面函數(shù)法和VOF方法，精細地模擬了丁壩附件的流場、地形沖淤變化和沖刷坑形態(tài)等問題，并且把計算結(jié)果與相關(guān)實驗資料進行了對比分析，吻合較好，能夠為工程實際提供科學(xué)參考和依據(jù)。在莊振業(yè)等[3]探究的補沙養(yǎng)灘的硬工程中，也研究了丁壩這種結(jié)構(gòu)型式，且往往多個丁壩組成丁壩群來使用，壩距等于2～4倍壩長時，壩距越短，壩間淤沙越多。于守兵等[4]采用水槽試驗和三維淺水模型相結(jié)合的方法，研究了丁壩端坡對淹沒狀態(tài)下丁壩附件水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用，結(jié)果表明，淹沒程度（定義為壩頂水深與水槽平均水深之比）為0.17時，壩頂溢流對下游流態(tài)影響較小，但仍出現(xiàn)與主流區(qū)流向相反的回流區(qū)；端坡系數(shù)m=7時能夠?qū)⒍胃郊鲌稣{(diào)整的較為均勻。Serizawa等[5]基于Bagnold的理論，并加入Ozasa和Brampton的沿岸輸沙系數(shù)附加項，建立BG模型，從理論上探究了泥沙在斜向波情況下經(jīng)過丁壩、離岸堤等建筑物后的狀態(tài)，將泥沙運動進行可視化。

本項工程是在丁壩及人工養(yǎng)灘基礎(chǔ)上對石河南島進行整治修復(fù)，養(yǎng)護后的海灘經(jīng)過長時間演變才能達到動態(tài)平衡，目前丁壩在國內(nèi)外的研究大部分集中在流場方面，本研究運用GENESIS數(shù)值模擬軟件[6]，就丁壩對沙灘岸線的變化進行探究，為人工養(yǎng)灘及環(huán)境治理工程提供指導(dǎo)。

1 工程區(qū)域概況

石河南島工程區(qū)域位于秦皇島市山海關(guān)區(qū)，如圖2所示，A區(qū)域為丁壩區(qū)域，B區(qū)域為人工補沙區(qū)域。A區(qū)域修建的丁壩長150 m，為堆石結(jié)構(gòu)，丁壩與岸線垂直，高潮時透水，低潮時不透水。

圖1 石河南島岸線演變

圖2 工程區(qū)域

石河南島海域以潮流為主，運動形式基本是往復(fù)型，潮流主流向為NE～SW向，漲潮流向為NE向，落潮流向為SW向，余流流量很小。波浪方向、波浪周期及波高如圖3所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型簡介

采用GENESIS模型來模擬海岸長期演變過程，目前該模型在國際上廣泛應(yīng)用于長期岸線演變、近岸建筑物和人工養(yǎng)灘對岸線變化的響應(yīng)等方面。

2.1.1 控制方程

式中x表示沿岸線方向，y表示垂直岸線方向，DB表示海水所能到達的最大高程（灘肩高度），DC表示存在沿岸輸沙的最大深度（封閉水深），q=qs+q0表示橫向輸沙率（離岸輸沙+向岸輸沙），Q表示沿岸輸沙率。

2.1.2 沿岸輸沙率

式中H表示有效波高（m），Cg表示波群速度（m/s），下標b表示波浪破碎時的參數(shù)，θbs表示破波角，無量綱參數(shù)a1和a2定義如下：

圖3 波浪水文條件

式中ρs表示沙的密度，ρ表示海水的密度，p表示沙的孔隙率，tanβ表示海灘平均坡度，1.416為有效波高向均方根波高的轉(zhuǎn)化系數(shù)，K1、K2為可調(diào)節(jié)的兩個經(jīng)驗參數(shù)，可根據(jù)模擬結(jié)果進行調(diào)整。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

GENESIS數(shù)學(xué)模型的參數(shù)設(shè)置如表1所示。波浪數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)的模擬采用STwave系統(tǒng)[8]，數(shù)值模擬時間為2014年9月1日至2015年1月1日。

2.3 岸線侵淤模擬結(jié)果

本次數(shù)值模擬所采用地形資料為實測資料，初始岸線位置參考2014年航片。

表1 GENESIS參數(shù)值

放置與不放置丁壩時岸線的演變趨勢如圖4所示，在放置丁壩附近布置監(jiān)測剖面（SH1、SH2、SH3、SH4、SH5），具體的侵淤模擬數(shù)據(jù)如圖5所示，框內(nèi)的數(shù)據(jù)表示放置丁壩后的影響區(qū)域，由于丁壩掩護范圍有限，丁壩影響岸線的距離約300 m左右，其余位置的侵淤情況不受丁壩的影響。

圖4 岸線演變趨勢對比

在模擬區(qū)域放置丁壩后，與未放置丁壩的模擬結(jié)果相比，侵淤趨勢并沒有改變，只是侵淤速率減小。將侵淤距離進行無量綱化處理，圖5中的數(shù)值模擬結(jié)果僅體現(xiàn)侵淤趨勢，并不代表具體的侵淤距離。

3 數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

石河南島沙灘整治工程竣工后，對沙灘剖面進行了監(jiān)測，曲線如圖6所示。揭示了石河南島丁壩對侵淤趨勢的影響。

圖5 侵淤趨勢預(yù)測

根據(jù)實際剖面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，SH1剖面距離丁壩最近，灘肩高度逐漸增加，外灘靠岸側(cè)沖刷侵蝕，整體沙源是向灘肩淤積；SH2剖面海灘趨于平緩，外灘部分不斷淤積，整體呈淤積狀態(tài)；SH3剖面前灘由淤積到侵蝕狀態(tài)，外灘呈逐漸淤積狀態(tài)；SH4剖面灘肩先淤積后侵蝕最后是淤積，灘肩呈動態(tài)往復(fù)狀態(tài)，外灘靠岸側(cè)較為穩(wěn)定，外灘靠海側(cè)同樣是動態(tài)往復(fù)狀態(tài)；SH5剖面后灘部分較為穩(wěn)定，灘肩前緣有向岸側(cè)移動趨勢，外灘靠岸側(cè)呈不斷侵蝕狀態(tài)，外灘靠海側(cè)先侵蝕后淤積。

在圖4b中的數(shù)值模擬結(jié)果中，SH1、SH2、SH3和SH4剖面呈淤積趨勢，SH2剖面淤積趨勢最大，SH3剖面淤積趨勢最小，SH5剖面呈侵蝕趨勢。

對比數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)，除了SH1剖面，其余剖面的侵蝕與淤積趨勢的數(shù)值模擬與實際監(jiān)測符合良好。在SH1剖面中，外灘靠岸側(cè)出現(xiàn)侵蝕，灘肩高度增加，0 m岸線后退，與剖面模擬的結(jié)果不符，可能的原因：一是該丁壩為透水式，實際的掩護效果受水動力影響較大；二是該期間出現(xiàn)過幾次較大風(fēng)浪，導(dǎo)致外灘的沙源在波浪的作用下淤積到灘肩，岸線的穩(wěn)定性還需要長期的監(jiān)測分析。

通過GENESIS軟件得到的數(shù)值模擬結(jié)果與大部分剖面監(jiān)測結(jié)果符合良好，反映了丁壩在局部區(qū)域的功效，能夠為以后的工程實際作指導(dǎo)。

4 討論

在工程中除了采用單個丁壩外，還有采用多條丁壩組成丁壩群來達到修復(fù)整治的效果，丁壩群的重要設(shè)計參數(shù)之一為丁壩間距，根據(jù)莊振業(yè)等[3]的總結(jié)，壩距設(shè)計約等于2～4倍壩長，壩距越短，壩間淤積的沙越多，但是太近易泥化。按照Kraus等的總結(jié)，以下海岸上丁壩群攔沙效果不好：高潮差強潮流通過的岸段，泥沙強烈橫向運移岸段，以及海灘較硬、裂流較強的岸段。

GENESIS能夠較好地模擬石河南島岸線演變，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，運用GENESIS進一步模擬不同設(shè)計工況對石河南島岸線演變的影響。設(shè)計一在原有丁壩的基礎(chǔ)上建立第二條丁壩，兩條丁壩間距為2倍壩長，透水率均為0.4；設(shè)計二將丁壩與沙壩組合應(yīng)用，在距離岸邊200 m的位置放置一列透射系數(shù)為0.6的沙壩，與岸線平行。兩種設(shè)計方案的數(shù)值模擬時間為4個月。

圖7a是雙丁壩設(shè)計圖，丁壩1的SW向出現(xiàn)不規(guī)則淤積，NE向出現(xiàn)部分侵蝕，侵蝕程度不大；丁壩2的SW一側(cè)淤積嚴重，NE一側(cè)侵蝕嚴重，呈現(xiàn)不均勻態(tài)勢。雙丁壩模式改變了石河南島近岸海域的沿岸輸沙，但并不改變其橫向輸沙，因此打破了原有的動態(tài)平衡，輸沙呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，導(dǎo)致了岸線不規(guī)則的演變。圖7b所示是“丁壩+沙壩”組合設(shè)計，該方案相比于雙丁壩設(shè)計而言，對近岸局部區(qū)域的橫向輸沙和沿岸輸沙均有影響，能較好地平衡兩種輸沙模式。由于沙壩的存在，丁壩附近的沙灘演變較穩(wěn)定，在與沙壩平行的沙灘附近會出現(xiàn)小幅度的淤積，沒有侵蝕嚴重的岸段，在動態(tài)平衡狀態(tài)下，整體呈現(xiàn)稍微淤積趨勢。

圖6 剖面監(jiān)測曲線

圖7 設(shè)計方案對比

通過兩種設(shè)計方案的對比，在石河南島地區(qū)岸線丁壩群的設(shè)計會使沙灘岸線侵蝕和淤積波幅都較大，向兩個極端發(fā)展，泥沙沿岸輸移明顯，不利于岸線穩(wěn)定；丁壩與沙壩結(jié)合使用會使岸線在基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上稍微淤積，有利于沙灘岸線長期全面可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

以石河南島沙灘整治工程為背景依托，運用GENESIS軟件對工程后岸線演變進行了模擬，探究了丁壩對周邊海域及沙灘演變的侵淤特征影響，分析了丁壩不同組合形式下的岸線穩(wěn)定性，初步得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果顯示大部分數(shù)值模擬與實際剖面符合良好，能夠較好地反映出岸線形態(tài)演變，可為今后的工程實際作指導(dǎo)。

（2）運用GENESIS軟件分析了兩種設(shè)計方案（雙丁壩、丁壩+沙壩）對岸線演變的影響，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：丁壩群設(shè)計侵蝕與淤積呈兩極分化，近岸輸沙紊亂，不利于沙灘岸線長期穩(wěn)定發(fā)展；丁壩與沙壩組合設(shè)計能夠使沙灘岸線在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，稍微淤積，近岸輸沙較為穩(wěn)定，有利于沙灘岸線長期穩(wěn)定發(fā)展。可見，丁壩群設(shè)計在該地區(qū)不一定適合，該地區(qū)更偏向于丁壩與沙壩結(jié)合設(shè)計使用的方案。

[1]黃文典，李嘉，李志勤.淹沒丁壩平面二維水流數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2005，37（1）：19-23.

[2]崔占峰，張小峰，馮小香.丁壩沖刷的三維紊流模擬研究[J].水動力學(xué)研究與進展，2008，23（1）：33-41.

[3]莊振業(yè)，王永紅，包敏，等.海灘養(yǎng)護過程和工程技術(shù)[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報，2009，39（5）：1019-1024.

[4]于守兵，陳志昌，韓玉芳.淹沒丁壩端坡對附件水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整作用[J].水動力學(xué)研究與進展，2012，27（1）：44-49.

[5]SERIZAWA M，UDA T，MIYAHARA S.Effects of Anthropogenic Factors on Development of Sand Spits and Cuspate Forelands with Rhythmic Shapes[J].Proceedings of the 7th International Conference on Asian and Pacific Coasts，2013，34（1）：37-53.

[6]趙友鵬，李娜，邱若峰，等.北戴河老虎石浴場人工養(yǎng)護前后演化特征[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報，2016，26（1）：67-73.

（編輯：周利海）

The Influence of Groin on Shoreline Evolution of Shihe South Island based on GENESIS

Zhu Lei1,2，Liu Huixin1,2，Liu Xiujin1,2
（1.Qinhuangdao Mineral Resource and Hydrogeological Brigade,Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao Hebei 066000,China; 2.Hebei Center of Marine Geological Resources Survey,Qinhuangdao Hebei 066000,China）

In this article,using the GENESIS model,numerical simulation was carried out to study the silting and sedimentation of the sandy beach in Shihe South Island.The applicability of GENESIS software to the coastline evolution in this area was verified by comparing with the actual monitoring profile data.Further simulations were made to simulate the effects of different combinations of groin("Groin+Groin"and"Groin+sand bar")on shoreline evolution.Conclusions showed that"Groin+sand bar"model was more suitable for the region.

shoreline evolution,beach defense,groin,numerical simulation,GENESIS

X55

A

1008-813X（2017）01-0036-06

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.01.10

2016-11-11

河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃《北戴河海灘恢復(fù)治理關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》（11276709D）

朱磊（1989-），男，山東濰坊人，畢業(yè)于中國海洋大學(xué)水利工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事海岸工程、數(shù)值模擬方面的研究工作。