珠海三角島沙灘修復工程岸灘演變數(shù)值模擬研究

張慈珩，信書，趙鵬，郭泉，耿寶磊*

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究院，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室&工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072；3.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；4.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

海灘是一種寶貴的天然資源，因具有海岸防護、旅游休閑和生態(tài)服務等多種重要功能，在沿海社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及海岸資源的開發(fā)，人造沙灘工程成為建設熱點，岸灘演變問題也隨之成為工程界的重點研究方向[2]。相關(guān)工程中，濰坊濱海旅游度假區(qū)人工沙灘工程經(jīng)過1 a 的運行，沙灘破壞嚴重，被海水完全侵蝕[3]；天津港人工沙灘環(huán)抱水域也曾出現(xiàn)泥沙回淤的問題[4]，因此為保證人造沙灘穩(wěn)定性，進行相應的數(shù)值模擬預測很有必要。目前對于沙灘岸線的數(shù)值模擬預測主要有兩種手段：1）Pelnard-Considere[5]提出的一線以及后來發(fā)展出的多線模型理論；2）Lesser[6]、Roelvink[7]等人探討的基于水沙動力過程的模擬理論。

三角島隸屬珠海市，位于萬山群島西北部，在香洲區(qū)東南部20 km 珠江口外，西為臨青洲水道，東為赤灘門水道，南為三角門水道。三角島全島岸線長約5 km，面積約0.87 km2。由于原生沙灘是三角島上的稀缺資源，具有較高的旅游觀光和生態(tài)價值，為配合三角島相關(guān)規(guī)劃及開發(fā)需求，要求對其進行相關(guān)修復保護工作。

本文通過現(xiàn)場實測水文和歷史地形資料，分析該工程海域的水文特征、泥沙環(huán)境等，在此基礎上利用MIKE21 軟件對沙灘演化進行計算分析，模擬出不同設計方案實施后岸灘的沖淤變化情況，最終確定最佳工程設計方案。

1 工程區(qū)域水動力泥沙特性

1.1 水動力特性

珠江口潮型形態(tài)系數(shù)（HK1+HO1）/HM2 為0.94～1.77，潮汐屬于不正規(guī)半日潮，每日兩漲兩落，相鄰兩高潮或低潮的潮高不等，落潮歷時大于漲潮歷時，落潮流速大于漲潮流速；北部內(nèi)伶仃島站最大潮差為2.51 m，平均潮差為1.52 m；南部桂山島站最大潮差為2.17 m，平均潮差為1.21 m；大萬山島站最大潮差為2.02 m，平均潮差為1.12 m；屬于弱潮型河口。

本文依據(jù)相應水文測站，采用海流計進行表、中、底3 層定點觀測取得相關(guān)實測資料。各站層的流速值過程線多起伏，實測海流以潮流為主?？傮w而言，大潮期大部分站位的實測海流在漲潮時段流向以北向為主，在落潮時段則以南向為主；流速隨漲落潮變化而變化，各測站表、中、底層的流向也比較接近。實測漲潮流表、中、底層的最大流速依次為0.98 m/s、0.98 m/s、0.90 m/s；實測落潮流表、中、底層的最大流速依次為1.27 m/s、1.12 m/s、0.99 m/s；在表層，落潮流速的平均值和最大值均大于漲潮流速的平均值和最大值。

三角島附近海域無波浪實測資料，本文采用《海灣志》[8]中赤灣站、大萬山站波浪歷史統(tǒng)計資料及澳門海洋站1986—2001 年波浪實測資料作為參考。根據(jù)澳門海洋站1986—2001 年波浪資料統(tǒng)計，該工程區(qū)域常浪向是SE 向，頻率為41.2%，次常浪向是S 向，頻率為19.69%。波高較大的浪向多出現(xiàn)在E 向、SSE 向和ESE 向。

1.2 泥沙特征

根據(jù)2009 年進行的大小潮水文測驗統(tǒng)計結(jié)果，施測區(qū)附近平均含沙量約為0.044 kg/m3，其中漲潮時，各站平均含沙量介于0.026～0.057 kg/m3，平均值約為0.042 kg/m3，落潮時平均含沙量介于0.024～0.131 kg/m3，平均值約為 0.049 kg/m3。另外根據(jù)2015 年8 月水文測驗所得數(shù)據(jù)，最大含沙量的垂向分布中，基本表現(xiàn)為底層最大，最大濃度出現(xiàn)在三角島西側(cè)海域。該海域表層沉積物的平均粒徑分布范圍為 φ=1.48～7.73（0.005～0.358 mm），平均值φ=6.54（0.011 mm），總體泥沙顆粒較細，沉積動力弱；在泥沙來源上，該區(qū)域海域來沙的占比較少，主要為徑流輸沙和近岸淺灘再搬運的泥沙。

2 工程概況

三角島沙灘修復工程沙灘位置見圖1，其中沙灘一位于三角島西側(cè)，沙灘二和沙灘三分布于三角島東南側(cè)。沙灘一平均水面線（0.5 m）以上沙灘坡度為1 ∶20，平均水面線以下坡度為1 ∶8；沙灘二平均水面線以上沙灘坡度為1 ∶12.5，平均水面線以下坡度為1 ∶8；沙灘三平均水面線上下坡度與沙灘一相同。

圖1 沙灘位置圖Fig.1 Beach location map

3 處沙灘平均水面線以上回填砂中值粒徑約為0.5 mm，平均水面線以下回填砂中值粒徑為1.5 mm。沙灘坡腳均采用格賓石籠潛堤護腳。3處沙灘坡腳高程均為-2.0 m，格賓石籠護腳頂高程分別為-1.7 m、-1.0 m 及-1.7 m。該沙灘修復工程初定平面布置方案見表1。

表1 平面布置方案Table 1 Floor plan form

3 數(shù)學模型

岸灘演變數(shù)學模型組成包括HD 水動力模塊、SW 波浪模塊和ST 泥沙模塊，其中水動力模塊為波浪模塊提供水位等要素，同時水動力模塊和波浪模塊又可為泥沙模塊提供水動力場。模型計算范圍包括整個珠江口，東西方向長約210 km，南北方向長約211 km。計算域大范圍水深提取自MIKE C-map 電子海圖數(shù)據(jù)庫，擬建工程附近海域水深參考2015 年5 月珠海市測繪院實測數(shù)據(jù)修正，工程海域岸線根據(jù)Google Earth 2016 年9 月份衛(wèi)片提取。計算中在外海給定潮位開邊界，水位過程由MIKE Global Tide Model 推算得到。

計算中波流共同作用下底床高程變化由式（1）求得：

式中：z 為底床高程；n 為底質(zhì)孔隙率；qx為x 方向輸沙率；qy為y 方向輸沙率。

采用2015 年8 月大潮期V1—V6測站的垂向平均流速流向資料及短期潮位觀測站的潮位資料、實測含沙量對模型進行率定和驗證。2015 年8 月大潮期潮位、流速和含沙量的驗證（以V1點為例）見圖2，符合TJS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[9]中的規(guī)定和要求。

4 岸灘沖淤分析

4.1 常浪作用

常浪作用下，沙灘一方案一～方案四年沖淤變化主要是淺水部分發(fā)生沖刷，近岸高灘部分發(fā)生堆積，基本以-1.5 m 等深線為界，沖刷帶和淤積帶均平行于岸線，各寬約20 m。由于潛堤和防波堤對人工沙灘北段掩護作用較弱，沖淤幅度大致相同，最大沖刷深度為0.70 m，最大淤積高度為0.74 m。方案一南段岸線最大沖刷深度為0.50 m，最大淤積高度為0.20 m；方案二潛堤對岸線掩護作用并不明顯，南段岸線最大沖刷深度為0.60 m，最大淤積高度為0.50 m；方案三設置連島防波堤后，使得南段岸線沖淤幅度明顯減小，尤其是最大沖刷深度僅為0.32 m。方案四設置離岸防波堤后，對沙灘一的掩護效果與方案三大致相同。故從對保持沙灘一穩(wěn)定性的角度來說，設置連島防波堤的方案三為最佳推薦方案，該方案下沙灘一沖淤分布及工程1 a 后等深線分布見圖3 和圖4。

圖3 常浪作用下沙灘一沖淤分布（方案三）Fig.3 Distribution of erosion and deposition of the first beach under regular waves action(scheme 3)

圖4 常浪作用下沙灘一1 a 后等深線分布（方案三）Fig.4 Isobath distribution of the first beach after 1 year under regular waves action(scheme 3)

常浪作用下，沙灘二的兩方案年沖淤分布及幅度基本相同，說明方案二潛堤對人工沙灘的掩護效果與方案一大致相同。兩方案在灘面上淤積高度在0.22～0.27 m 之間，沖刷深度小于0.1 m。防波堤外側(cè)發(fā)生較為明顯的淤積，淤積高度最大為0.65 m。沙灘三的年沖淤分布也大致以-1.5 m等深線為界，淺水區(qū)域出現(xiàn)沖刷，近岸高灘區(qū)域出現(xiàn)堆積。其中最大沖刷深度為0.72 m，最大淤積高度為0.68 m。

4.2 極端波浪作用

選擇10 a 一遇SW 向波浪作為極端天氣的代表情況進行計算分析，分析不同方案的沖淤分布和該工程海域等深線分布。針對沙灘一，極端波浪作用下方案一～方案四的岸灘變化是淺水部分發(fā)生淤積，近岸高灘部分發(fā)生沖刷，沖刷帶基本平行于岸線，回填砂被侵蝕后在近岸形成堆積體，最大沖刷深度為3.64 m，最大淤積高度為3.90 m。其中方案一南段岸線最大沖刷深度為2.60 m，最大淤積高度為3.10 m；方案二潛堤對岸線有一定掩護作用但并不明顯，南段岸線最大沖刷深度為2.20 m，最大淤積高度為2.20 m；方案三設置連島防波堤后，使得南段岸線的沖淤范圍和幅值明顯減小，尤其是最大沖刷深度僅為0.44 m；方案四設置的離岸防波堤對原堤根位置沙灘失去掩護作用，最大沖刷深度為1.72 m。方案三工況下沙灘一沖淤分布及工程1 a 后等深線分布見圖5 和圖6。

圖5 極端波浪作用下沙灘一沖淤分布（方案三）Fig.5 Distribution of erosion and deposition of the first beach under extreme waves action(scheme 3)

圖6 極端波浪作用下沙灘一1 a 后等深線分布（方案三）Fig.6 Isobath distribution of the first beach after 1 year under extreme waves action(scheme 3)

選擇10 a 一遇的SE 向波浪作為極端天氣的代表情況，對沙灘二（方案一）和沙灘三在極端波浪作用下的岸灘沖淤進行計算。結(jié)果表明，沙灘二灘面發(fā)生較大范圍的沖刷，沖刷主要發(fā)生在距岸20～30 m 處，最大可達3.0 m；沙灘三的年沖淤分布大致以-2.0 m 等深線為界，近岸高灘發(fā)生沖刷，淺水部分發(fā)生堆積，最大沖刷深度為3.70 m，最大淤積高度為3.90 m，岸灘沖淤變化強烈，應在實際工程中考慮增設掩護措施。

4.3 泥化可能性分析

在淤積質(zhì)海岸建造人工沙灘，由于水動力條件相對較弱，沙灘缺乏波浪淘洗作用，水體中的懸沙大量沉積于沙灘上時，人工沙灘可能會發(fā)生泥化現(xiàn)象。本文使用MIKE21 MT 黏性沙模塊對工程海域的懸沙落淤強度進行了計算。模型選取年均動力代表條件，計算得沙灘一和沙灘三灘面上懸沙落淤強度小于0.05 m/a，沙灘二灘面上懸沙落淤強度小于0.06 m/a，由于落淤強度較小，其可被漲落潮流或破波水流帶走。結(jié)合珠江口海域含沙量和現(xiàn)場踏勘，綜合判斷擬建人工沙灘泥化的風險有限。

5 結(jié)語

本文根據(jù)工程所在水域現(xiàn)場水文、泥沙資料，通過數(shù)值模擬分析了不同工況下岸灘的演變情況，得到主要結(jié)論如下：

1）對于沙灘一，方案一由于無掩護措施，岸線變化劇烈，且在極端波浪作用下南段岸線最大沖刷深度達到2.60 m，最大淤積高度達到3.10 m，遠高于常浪作用下的沖刷淤積幅值；方案二增設潛堤但對岸線的掩護作用較小，岸灘沖淤變化在極端波浪或常浪作用下依舊明顯；方案三設置了防波堤后，南段岸線沖淤幅值在常浪作用與極端波浪作用下都明顯減??；方案四設置離岸防波堤后在常浪作用下和方案三的沖淤幅值大致相同，但在極端波浪作用下，離岸防波堤對原堤根位置沙灘失去掩護作用。對于沙灘二，方案一和方案二的年沖淤分布及幅值在兩種波浪作用下基本相同。對于沙灘三，由于缺乏掩護措施，岸灘沖淤幅值較大。

2）對于沙灘一，從保持沙灘穩(wěn)定性的角度而言，設置有連島防波堤的方案三為最佳選擇方案；對于沙灘二，方案二增設潛堤對人工沙灘掩護效果與方案一基本相同，從經(jīng)濟性的角度而言，方案一為最佳選擇方案。

3）根據(jù)珠江口含沙量和現(xiàn)場踏勘，并結(jié)合數(shù)模分析綜合判斷擬建人工沙灘泥化的風險有限。