廣西萬尾島金灘沿岸輸沙計算與分析

郭雅瓊，馬進(jìn)榮，鄒國良

（1.南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇南京210029；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

廣西萬尾島金灘沿岸輸沙計算與分析

郭雅瓊1，2，馬進(jìn)榮1，鄒國良1

（1.南京水利科學(xué)研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇南京210029；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）

依據(jù)CERC公式，年內(nèi)代表浪向作用下，廣西萬尾島金灘平直岸灘中部泥沙分別向東西兩側(cè)凈輸沙，意味著金灘中部有淘刷趨勢而兩端有淤積趨勢，而實際上岸灘中部灘面長年基本穩(wěn)定、未有明顯侵蝕現(xiàn)象。分析認(rèn)為公式計算成果反映的輸沙特征定性仍然是正確的，岸灘能夠維持穩(wěn)定是因為還存在自海向岸的橫向輸沙補給沙源。當(dāng)岸灘并非平直且足夠長時，應(yīng)完整分析縱、橫向輸沙才能更為合理地反映岸灘泥沙運動特征。

萬尾島；沿岸輸沙；CERC公式；岸灘穩(wěn)定性

沙質(zhì)海岸前沿沙灘的泥沙輸運特征一直是海岸工程界關(guān)注的問題，沿海岸線走向截取一段海岸和岸灘單元，則存在與沿海岸線走向一致的縱向泥沙運動和垂直海岸方向的橫向泥沙運動，前者常被稱為沿岸輸沙。目前，計算沿岸輸沙的公式相對較多，其中CERC公式（Krumbein，1944；安永寧等，2010；馮秀麗等，2009）應(yīng)用最為廣泛，該公式被美國陸軍工程兵團(tuán)最新編制的《海岸工程手冊》（2003）收錄。該公式計算方法屬于波能流法（白玉川等，2014），一般適用于相對平直且沿岸破碎波高變化相對較小的岸灘。橫向輸沙方面的成果主要反映在沙灘的剖面形態(tài)的計算，影響因素包括沙灘泥沙粒徑、波浪動力強(qiáng)度及作用水位等，由于水位的周期性變化、波浪動力的強(qiáng)弱變化、季節(jié)性水沙動力變化等都對沙灘剖面形態(tài)有直接影響，裸露沙灘還直接受到向岸與離岸風(fēng)力作用而輸運，因此暫時還沒有適用于各要素變化特征的橫向輸沙計算公式。正是由于橫向輸沙計算的復(fù)雜性，在分析計算岸灘穩(wěn)定性時，往往只依據(jù)相對成熟的經(jīng)驗公式計算橫向輸沙，并且有時還忽略了橫向輸沙計算公式所適用的條件。本文以分析廣西東興市的萬尾島金灘沿岸輸沙為例，探討了沙質(zhì)海岸岸灘穩(wěn)定性的動力要素與泥沙運動的周期性變化特征，計算了其沿海輸沙情況，分析了成果的合理性。

1 研究岸灘的基本情況

研究岸灘稱為金灘，是萬尾島南岸灘，位于廣西防城港地區(qū)的珍珠灣灣口西側(cè)。萬尾島原為一離岸海島，約于上世紀(jì)七十年代修建兩條堤壩，連通相鄰的巫頭島與大陸相接，萬尾島成了半島的最南端，直面北部灣，見圖1。

比較早期圖片及近期衛(wèi)片可見，近半個世紀(jì)以來，萬尾島南岸的岸線形態(tài)并沒有因為連島堤壩建設(shè)發(fā)生有明顯改變，岸線保持平直、長度也幾乎不變。

圖1 珍珠灣不同年份衛(wèi)片

金灘岸灘長約7.8 km，灘前0 m等深線（文中基面均為白龍尾理論最低潮面）與岸線走向幾乎平行，距岸約270 m左右；金灘西側(cè)水深相對較淺，0 m線距岸線介于0.8 km~2.8 km之間，見圖2。金灘水域介于珍珠灣灣口與北侖河河口灣之間，東、西側(cè)分別有白龍尾半島和茶古島突入海側(cè)，對東向和西向波浪形成一定掩護(hù)，但南向或偏南向的波浪均可直接傳播至金灘前水域，且偏南向的波浪正是北部灣水域的強(qiáng)浪向。

萬尾島南岸前沿灘涂區(qū)的泥沙中值粒徑介于0.114~0.649 mm（2013年10月測），沙質(zhì)柔軟、色澤金黃，故稱金灘。金灘西側(cè)附近水域泥沙與金灘區(qū)域無明顯差別，但東側(cè)珍珠灣內(nèi)的泥沙粒徑分布范圍更廣，灣內(nèi)河口局部區(qū)域泥沙明顯粗于金灘，灣內(nèi)紅樹林區(qū)則相對較細(xì)、甚至呈現(xiàn)為淤泥狀。

金灘水域的潮汐屬淺水分潮影響較顯著的正規(guī)全日潮，最大潮差可達(dá)5.39 m、平均潮差約2.55 m。潮流流速一般小于0.30 m/s，近岸小、遠(yuǎn)岸大，由于漲潮歷時一般長于落潮歷時，通常潮段平均流速有落潮大于漲潮的特點，珍珠灣灣口深槽落潮流速大潮時可達(dá)0.80 m/s。

圖2 金灘附近水下地形圖

2 沿岸輸沙計算

2.1 沿岸輸沙計算模型

沿岸輸沙的機(jī)理是波浪掀沙、沿岸流輸沙（吳宋人，1999）。金灘水域泥沙粒徑表明該海岸屬典型沙質(zhì)海岸，而且岸線平直（接近ENE-WSW走向），適宜采用CERC公式計算，表達(dá)式如下：

式中，Iy為重量輸沙率，Py為波能流沿岸分量，K為經(jīng)驗系數(shù)，E為單寬波峰線長度上的總波能，Cg為波群速度，θb為破碎波波峰線與等深線的交角（破波角）。

采用CERC公式進(jìn)行計算時，經(jīng)驗系數(shù)K對計算結(jié)果有著重要影響。Komar等（1970）結(jié)合Watts（1953）的實驗數(shù)據(jù)，并加入1970年的現(xiàn)場資料，將系數(shù)K修正為0.77。CERC公式?jīng)]有考慮坡度、周期、粒徑、破波類型等因素，跟許多實際情況有一定出入，Wang（2002）等實驗資料顯示，利用該方法預(yù)測崩破波時計算比實測大2.5倍，卷破波時大7倍，僅適用于粒徑0.2~0.4 mm的范圍。后來許多學(xué)者對系數(shù)K作了相關(guān)修正，如Del Valle（1993）根據(jù)實驗室資料得出K與泥沙中值粒徑D50的函數(shù)關(guān)系：

2.2 破碎波浪要素計算模式

沙質(zhì)海岸的縱向或沿岸輸沙大部分發(fā)生在波浪破碎區(qū)（有的達(dá)90%），其余發(fā)生在破碎波區(qū)以外的淺水區(qū)。在破波帶，大多數(shù)沿岸輸沙是以懸移質(zhì)形式搬運的。因此沿岸輸沙計算時，破碎波參數(shù)的推算對輸沙方向及量級判斷起著至關(guān)重要作用，進(jìn)而也會影響岸線變形趨勢。外海不同浪向和波高往近岸傳播時，其波浪破碎位置、破碎波高等參數(shù)是不同的。通過現(xiàn)場波浪觀測來提供破碎波要素幾乎是不現(xiàn)實的，其一方面耗費巨大，另一方面波浪破碎位置現(xiàn)場確定仍有一定難度。因此，國內(nèi)外沿岸輸沙的破碎波要素一般采用數(shù)值推算來獲得。目前國內(nèi)外工程界沿岸輸沙計算所需的破碎波要素推算方法主要有：波向線法和波浪數(shù)學(xué)模型模擬方法。本文采用可模擬波浪折射、繞射及破碎等變形現(xiàn)象的SWAN波浪數(shù)學(xué)模型（SWAN team，2008；徐麗麗等，2015）進(jìn)行破碎波要素計算。

SWAN模型采用波作用譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程。在笛卡爾坐標(biāo)系下，波作用譜平衡方程可表示為：

式中，N波浪作用密度譜；σ為波浪的相對頻率，θ為波向；x、y為笛卡爾平面坐標(biāo)；Cx、Cy分別為x、y方向的波浪傳播速度，Cσ、Cθ分別為σ、θ空間的波浪傳播速度；S是以波作用譜密度表示的描述波浪變形的源項，包括風(fēng)能輸入、由于底摩擦、白浪、水深變淺引起的波浪破碎等導(dǎo)致的能量耗散和波與波之間的非線性相互作用，并假設(shè)各項可以線性疊加（李紹武等，2012）。

波浪傳播速度可表示為：

其中，d為水深，s為沿θ方向的空間坐標(biāo)，m為垂直于s的坐標(biāo)為波數(shù)，d為水深，為流速，算子?/?t定義為：

SWAN模型采用全隱有限差分格式求解控制方程，模型計算區(qū)域陸域邊界的波能交換量為0，在計算區(qū)域的開邊界需要給出波能交換量。通過數(shù)值求解（4）式，可以得到風(fēng)浪從生成、成長直至風(fēng)后衰減的全過程；也可以描述在給定恒定邊界波浪時，波浪在近岸區(qū)的折射和淺水變形。

本次波浪數(shù)學(xué)模型計算域覆蓋了防城灣、珍珠灣以及北侖河口海灣，模型西邊界至越南茶古島西側(cè)，東邊界至企沙半島中部，南邊界位于-25 m等深線附近，模型東西長45 km，南北長50 km。

2.3 計算條件

根據(jù)1969-1982年白龍尾半島南端白龍尾波浪站多年統(tǒng)計的波浪資料（中國海灣志編纂委員會，1993）來看（測站位置見圖2），本海區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，累年統(tǒng)計的風(fēng)浪出現(xiàn)頻率達(dá)99%。該站強(qiáng)浪向為SE向，最大波高為4.1 m，其次為SSE方向，出現(xiàn)最大波高為3.7 m；常浪方向為NNE向，次常浪向為NE向，這兩個方向的波浪出現(xiàn)頻率合計為48%，各向最大波高和出現(xiàn)頻率玫瑰圖見圖3和表1。

萬尾島南側(cè)金灘前岸線走向接近ENE-WSW方向，金灘前中部近岸側(cè)等深線走向與岸線走向基本一致。在岸線走向范圍內(nèi)，外?？芍苯觽鞑ブ梁０肚铱傤l率在10%以上的浪向有S、SE和SSW。此外，在岸線走向范圍內(nèi)的E向浪（頻率為5.7%）受白龍尾半島的阻擋，其對金灘前沿水域的破碎波浪要素影響較小。NNE和NE向風(fēng)浪頻率雖然較高，但屬離岸風(fēng)。綜上，金灘前沿沿岸輸沙計算主要選S、SE、SSW三個方向，兼顧?quán)徑讼虻牟ɡ俗饔?，通過作用時間（頻率）反映。

2.4 計算結(jié)果

圖3 白龍尾站最大波高及波高頻率玫瑰圖

表1 白龍尾站分向波浪統(tǒng)計特征（中國海灣志編纂委員會，1993）

在金灘岸線前每隔1 km布置1個斷面，共布置7個斷面（圖4）進(jìn)行沿岸輸沙計算。根據(jù)白龍尾波浪站的波浪統(tǒng)計資料，通過調(diào)試外海邊界入射波浪條件使得海洋站位置處的波高等參數(shù)與統(tǒng)計資料一致，以此來確定外海邊界波要素，進(jìn)一步根據(jù)波浪頻率、波向以及分級波高推算破碎波要素。破碎波要素通過能量耗散來判斷，將近岸處波能開始明顯出現(xiàn)大幅度衰減位置作為破碎波要素選取的位置。表2給出了通過上述方法提出的S、SE、SSW三個浪向各斷面破波參數(shù)。

表3給出了現(xiàn)狀條件由CERC計算出的各斷面的沿岸輸沙量。根據(jù)現(xiàn)狀條件下沿岸輸沙量計算結(jié)果表明，金灘前1#-4#號斷面，即金灘中部至金灘東側(cè)沿岸凈輸沙方向為由西向東，而金灘西側(cè)（5#-7#）沿岸凈輸沙方向為由東向西。金灘東西兩側(cè)的斷面位置處年輸沙量較大，1#和7#斷面位置處的年凈輸沙量分別為5.96萬m3和5.79萬m3。往金灘中部區(qū)域年輸沙量逐漸減小，其主要原因是S向浪傳至近岸金灘中部和東西兩側(cè)時因等深線走向變化較大導(dǎo)致波浪折射作用下的破碎波向發(fā)生較大的改變。金灘東側(cè)1#-4#由西向東的年凈輸沙量由5.96萬m3減少至0.85萬m3；而金灘西側(cè)5#-7#斷面處由東向西的年凈輸沙量由5.79萬m3減少至1.31萬m3。

表2 現(xiàn)狀條件下不同斷面破波參數(shù)

圖4 金灘前沿計算斷面位置示意圖

表3 各斷面沿岸輸沙量計算結(jié)果

3 岸灘泥沙動力分析

沿岸輸沙的結(jié)果提示岸灘將是不穩(wěn)定的，中部有淘刷趨勢而兩端有淤積趨勢。金灘海岸是2013年才開始固化，之前是自然狀態(tài)，這意味著，如果海岸中部前沿淘刷、兩側(cè)淤積，顯然岸線形態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，會向弧形海岸發(fā)展。事實上近半個世紀(jì)以來，金灘海岸保持順直。

沿岸輸沙計算公式的原理正確、應(yīng)用廣泛，不存在明顯不適用的制約因素；計算條件的概化、參數(shù)的取值可能會引起一些偏差，但不至于引起定性的差異。如果暫且不管陸域岸線，而是審察0 m線和-2 m線，可見清晰的弧形狀態(tài)；0 m形的弧形猶為明顯，-2 m線大致呈弧形狀態(tài)，其東段在接近珍珠灣灣口處向南急轉(zhuǎn)外。

沿岸輸沙計算只考慮了波浪動力的縱向動力因素，忽略了波浪的橫向動力作用。-5 m線以淺等深線的弧形形態(tài)表明，南向或偏南向波浪的波能有向金灘中部（等深線凸出）的位置集中趨勢，因此床面泥沙有隨波能輸運方向攜帶泥沙輸運的可能。分析波浪和潮流共同作用下的岸灘泥沙運動有助于更好地了解岸灘演變的機(jī)理。

3.1 潮流起動分析

泥沙起動流速計算采用武漢水院公式（張瑞瑾，1998；張紅武，2012）：

式中，uc為起動流速；h為水深；D為泥沙粒徑；r、rs分別為水和沙粒的容重。

金灘水域不同水深條件下分組泥沙粒徑潮流起動流速計算成果列于表4，金灘前沿1 km范圍內(nèi)附近水域漲、落潮最大流速不超過0.35 m/s，一般條件下的潮流流速不足以起動灘面泥沙，但是洪季，珍珠灣承納了江平河、黃竹江等幾條河流的洪水，灣口附近落潮流速會有所增大，金灘東端淺灘泥沙將有起動輸運發(fā)生，落潮流越過淺灘灘脊后折南西側(cè)，輸運的泥沙有向灘中補給趨勢。圖5為金灘附近水域漲、落急流態(tài)（郭雅瓊等，2015），金灘中部偏西位置形成漲、落潮分匯流點，落急時刻金灘東側(cè)珍珠灣和西側(cè)北侖河海灣的落潮流在此匯聚。北侖河上游是區(qū)域性的強(qiáng)降雨區(qū)（陳憲云等，2015），洪季流量較大，金灘西端淺灘泥沙也有輸運發(fā)生，輸運方向為南偏東，這也正是西端淺灘南北向拉伸較長的主要原因。

表4 潮流作用下的起動流速計算表（單位：m·s-1）

圖5 金灘附近水域漲、落急流態(tài)示意圖（郭雅瓊等，2015）

3.2 波浪起動分析

泥沙粒徑較粗時，波浪對底床泥沙的作用可按日本學(xué)者佐藤、田中（管君陽，2011）公式加以分析：

完全移動臨界式：

表層移動臨界式：

式中：H0、L0分別表示深水波高和波長；d表示泥沙中值粒徑；L、H、分別表示水深hc處的波長和波高分別表示海底泥沙完全移動和表層移動臨界水深

以南向浪為代表浪，計算得到金灘水域分級水深條件下不同泥沙粒徑組的起動波高，列于表5。從起動波高看，較細(xì)部分的泥沙在水深相對較小時，起動機(jī)率較大。金灘水域的潮差較大，日變幅較大，中低潮位處的泥沙受波浪起動輸運的機(jī)率更大。

珍珠灣NNE向波浪頻率高達(dá)23.9%，金灘水域大部分區(qū)域有一定的遮蔽條件，但東端淺灘受該方向波浪影響較大，東端附近-2 m等深線在灣口附近向南急轉(zhuǎn)可能與該方向的波浪作用有密切關(guān)系。

表5 起動波高計算表（S向代表浪，H0=0.7 m，T=4.1 s）

4 結(jié)語

以廣西萬尾島直面南向風(fēng)浪的金灘為例，通過沿岸輸沙計算發(fā)現(xiàn)存在年內(nèi)不平衡輸沙特征，與海岸長期穩(wěn)定的自然現(xiàn)象相矛盾，結(jié)合岸灘水域的潮汐潮流特征、水下地形形態(tài)，從潮流和波浪兩種主要動力分析計算，揭示了這種類型的周期性穩(wěn)定岸灘與不平衡沿岸輸沙的和諧性，得到以下啟示：

1）自然條件下，僅考慮白龍尾波浪站的S、SE和SSW向浪，金灘前波浪破碎引起的沿岸輸沙趨勢為金灘中部至東側(cè)沿岸凈輸沙方向為由西向東，金灘西側(cè)的沿岸凈輸沙方向為由東向西，且金灘東西兩側(cè)的年凈輸沙量較大，泥沙活動性較強(qiáng)。

2）穩(wěn)定的岸灘并不意味著泥沙沒有輸運，也不僅是沿岸輸沙在一定周期內(nèi)的動態(tài)平衡狀態(tài)，應(yīng)包括岸灘縱向和橫向輸運的綜合動態(tài)平衡。在平直海岸，采用CERC公式計算所得到成果只能揭示沿岸方向的泥沙輸運狀態(tài)，要判斷該海岸的穩(wěn)定性往往不可忽略垂直岸線的橫向輸運，特別是當(dāng)海岸長度有限時，應(yīng)分析其兩端的泥沙運動特征。

3）對于沙質(zhì)海岸，波浪動力是岸灘泥沙輸運的主要動力，當(dāng)岸灘附近有入注河流時，考慮河流的季節(jié)性潮流動力潮動力變化才能更全面地描述岸灘泥沙輸運的周期性演變特征。

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（本文編輯：袁澤軼）

Computation and analysis of alongshore sediment transport in Golden Beach of Guangxi

GUO Ya-qiong1,2，MA Jin-rong1，ZOU Guo-liang1
(1.NanjingHydraulicResearch Institute,KeySediment Research Lab of Harbors and Waterways of the Ministry of Communications, Nanjing210029,China;2.Hohai University,StateKey Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing210098,China)

Alongshore sediment transport,at the straights beach named as the Golden Beach of Wanwei Island in Guangxi province,is analyzed by CERC formula under annual wave condition.It shows that sediment transport direction is from the middle of the beach to both sides in E-W direction.It implies that the coast beach will erode at the middle while the two sides will silt.But the beach has kept well balance for years.A study is proceeding to explain the phenomena in this paper.The most important reason is that the cross shore sediment transport has just the opposite effect on the beach evolution to alongshore transport.The beach that can be able to maintain stability is due to transverse sediment transportation supplying sand source from the sea to shore.Both longitudinal and cross-shore sediment transport should be analyzed to reflect characteristics of sediment movement on beach reasonably,especially when the beach is not long enough or not straight.

Wanwei Island;alongshore sediment transport;CERC formula;beach stability

TV148.5

A

1001-6932（2017）04-0468-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.014

2016-05-01；

2016-06-21

郭雅瓊（1987-），博士研究生，主要從事河口海岸水動力、水環(huán)境和泥沙研究。電子郵箱：guo_yaqiong@126.com。

馬進(jìn)榮，博士，教授級高工。電子郵箱：jrma@nhri.cn。