海岸線形態(tài)探討

陳翠翠，蔣大煌，張懷慧

（1.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連水產規(guī)劃設計研究院有限公司，遼寧 大連 116024）

引 言

影響海岸輪廓，即平面形狀的因素很多，如海岸本身的地質構造、地殼運動、地貌變遷等，其中地質構造對海岸的影響非常重要，它決定了海岸的原始形態(tài)。后來在長期海岸動力，如波浪、潮流、海流（主要指余流），特別是近岸波浪流及泥沙運動長期作用過程中把岸線改造成適合自身動力條件的海岸類型，使得曲折的岸線被夷平，陡峭的變平緩?？梢姾０秳恿σ蛩厥撬茉旌０缎螤畹闹饕蛩兀皇俏ㄒ坏臎Q定因素，必須若干因素與海岸動力條件共同配合作用才是形成海岸的真正原因[1]。其中泥沙運動常是塑造海岸地貌特征的重要因素[2]，泥沙運動的主要動力因素是海岸動力（波浪和潮流）的作用。但在海水及泥沙運動過程中往往被忽略的是地球自轉柯氏力的影響[3-4]。本文在分析耳朵形海岸形成的過程中，便增加了地轉柯氏力的分析論述。

反觀上述問題，不同的海岸輪廓線則會形成不同的海岸動力，與之相適應。如在海岸岬角處由于波浪的折射作用，波向線會輻聚，波能集中，產生沖蝕作用；在海灣處波向線會輻散，波能減小，產生泥沙堆積，使海灣趨于平直。即使曲折和平直的岸線，受泥沙運動的影響也不完全相同，有的堆積，有的沖刷[2]。除此自然因素外，人類活動對海岸線的影響也不可忽視。

本文重點以海岸動力作用為主、沙質海灘為對象，討論穩(wěn)定型海岸和平衡型海岸的形態(tài)及其形成過程，為海岸工程選址及人工海岸形態(tài)提供參考[5-6]。

1 自然岸線

自然岸線是指地質、地貌、沉積演變以及海岸動力作用下所形成的岸線。

如上述，海岸線的變化主要與海岸泥沙運動有關，對于一段海岸線的泥沙運動的估算，可以規(guī)定輸入本海區(qū)的泥沙為源（sources），以Q+表示，輸出本海區(qū)的泥沙為匯（sinks），以Q-表示，通常認為源是正的，匯是負的[7,2]。

1）Q+＞Q-，則海岸泥沙堆積，岸線前移，為堆積型海岸；

2）Q+＜Q-，則海岸受到侵蝕，岸線后退，為侵蝕型海岸；

3）Q+=Q-，則泥沙運動平衡，不沖也不淤，為穩(wěn)定型海岸，岸線位置固定；

4）Q+=Q-=0，表示沿岸輸沙率為零，岸線形狀不變，稱為平衡海岸線，但岸線可能有前移或后退的發(fā)生[2]。

1.1 穩(wěn)定型海岸線

所謂穩(wěn)定型海岸線，即滿足條件：

式中：?Q為沿岸輸沙率；?L為岸線長度。

自然界廣泛存在的耳朵型的岸線，即屬于穩(wěn)定型的岸線，如圖1。

岸線的兩端為岬角（巖岸），中間為海灣或平直岸線[8]。耳朵岸線由兩種線型組成，左面是螺旋弧線，右面是與波向線垂直的直線段。形成的機理如下所述。區(qū)內主波向為斜向（如圖2所示），上游無泥沙來源，則岸線在兩端巖石約束的范圍內將被侵蝕，即波浪掀沙，潮流輸沙，岸線被侵蝕作用可分為三部分：1）左邊有岬角（巖石）掩護，波浪經繞射作用于岸線，2）由于地形的變化（變淺）波浪發(fā)生折射作用于岸線，3）地球自轉柯氏力的作用（主要作用因素）。

圖1 天然岸線實例

圖2 穩(wěn)定的耳朵形岸線

海岸潮流、波浪流所在的海面可視為流動坐標，岬角所在地面為固定坐標，因此海岸潮流、波浪流相對于固定在地球的固定坐標的運動為牽連運動，即海水運動要受到地球自轉柯氏力的影響。地球自轉柯氏力（即產生柯里奧利加速度的力）的參數f=2ωsinφ，ω為地球自轉的角速度（rad/s），φ為柯氏力所在的地球緯度。由于柯氏力總與運動速度垂直，并使其運動方向發(fā)生偏移，在北半球順著運動方向作用于運動物體的右方，在南半球順著運動方向作用于運動物體的左方。于是，圖2中兩個巖岸之間的岸線逐漸被波浪繞射、折射的沖刷作用，在柯氏力的作用下發(fā)生偏移，最終使得耳朵型對數螺旋線在北半球位于波向線的右方，而在南半球對數螺旋線在波向線的左方（圖 3）。這和北半球為什么河流對右岸沖刷相對左岸嚴重，在南半球恰好相反的道理一樣[9]。耳朵型岸線的形成過程直到直線段與波向線垂直而終止。

岸線的主要平面尺度與波浪入射角β的關系如圖4所示[2]。

對數螺旋線的方程為：

式中：β為波浪入射角（如圖5）；θ為相鄰螺旋半徑夾角。岸線凹入程度與Ri+1/Ri的大小，即波浪入射角β的大小有關。

圖3 南半球耳朵形岸線

圖4 對數螺旋線

圖5 耳朵形海灣平面尺度參數間的關系

1.2 動態(tài)平衡型的岸線形態(tài)

如前所述，所謂平衡岸線是指岸線形態(tài)不變，但岸線可能有前移或后退的發(fā)生[2]。如圖6。

圖6 海岸線變化模擬

圖6表示岸線隨來波方向變化而擺動的模型。原岸線（1）已適應于原來波浪條件（1）達到的平衡狀態(tài)，當來波方向改了，新的來波波向線（2）與原岸線相交，因而產生了沿岸輸沙，岸線隨之改變位置，直到與新的來波波峰線相平行達到新的平衡位置位置（2）為止。這就是岸線形態(tài)不變，但位置可平移或后退的平衡型岸線的特點，岸線可呈現(xiàn)弧形線或近似于直線形[2]。其數學表達式可概化為：

式中：C為常數。

已知波能法沿岸輸沙率公式為[10]：

式中：Q為沿岸輸沙率；α0為波浪入射角；PL為單位岸線長度內的波能；K為輸沙率常數。

式（4）代入式（3）得：

參照圖6的岸線，取其中一段，如圖7所示，設α0=0處為坐標原點，y軸與波向平行，則有：

將式（5）代入式（6），并積分整理后得：

圖7 海岸平衡形態(tài)的推導

由上述1.1、1.2節(jié)可知，凡是穩(wěn)定型或動態(tài)平衡型海岸，都和主要來波方向的波向線垂直，站在岸邊看到行進波中一道道的波峰線與海岸線基本平行而來，這便是波向線與岸線垂直，所以，可以斷定岸線是穩(wěn)定的或動態(tài)平衡的。另一方面，如果海底等深線與岸線基本平行，理論分析和實踐驗證，這是由于波浪向岸邊傳播時，長期發(fā)生折射的結果，這一現(xiàn)象，可驗證海底并無泥沙堆積或沖刷，即岸線是穩(wěn)定的或動態(tài)平衡的。

2 人類活動對自然岸線演變的影響

2.1 人工海岸建筑物對岸線的影響

在海岸帶人工修建突堤、丁壩、島堤、人工島、開挖航道等活動，對沙質海岸的影響如圖8所示[11]。

造成泥沙運動的主要因素是波浪、潮汐、近岸海流以及底質泥沙組份和粒徑等，對于沙質海岸波浪是泥沙運動的主要動力，對于淤泥質海岸，則是波浪掀動泥沙，潮流輸沙。

當沿岸有輸沙，則會形成如圖8所示的三種類型的泥沙淤積或沖刷。圖8（a）為突堤（或丁壩）在來沙上游側淤積，下游側則被沖刷。圖8（b）為島堤，在堤后波影區(qū)，先是在岸邊形成沙咀，沙咀逐漸發(fā)育，最終可能與島堤相連，形成連島堤壩，如山東煙臺芝罘島（圖 9）。類似的美國加州的圣巴巴拉港，起初先建島堤，后來港內開始淤積，于是將島堤與岸連接形成折線形的突堤，避免了港內的淤積（圖 10），圖 8（c）為人工開挖航道的形態(tài)。

圖8 人工岸線形態(tài)及其影響

圖9 山東煙臺芝罘島連島堤壩

圖10 圣巴巴拉港沖淤情況

2.2 突堤對海岸線影響的理論分析[8,10]

突堤攔截了上游沙質海岸的泥沙運動，使得上游側逐漸向海淤長，其趨勢是新岸線的方向逐漸與波向線垂直，此時岸線達到新的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。為了定量分析岸線的影響變化，現(xiàn)建立一直角坐標系，如圖11，圖中x軸為原岸線，0α為波峰線與原岸線夾角，θ為新岸線與原岸線夾角，設當θ不大時，可得下式：

圖11 岸線演變方程推導示意

當入射波向不變（α0一定）時，岸線演變方程為[2,8]：

其中，A為常數，由下式確定[8,10]：

式中：dc為底質臨界推移水深；n為底質土體空隙率；K’為經驗系數；H0、T分別為深水波高和周期；g為重力加速度。

方程（9）為一個拋物型的偏微分方程，初始條件為當t=0時，y=0，。邊界條件為t＞0時，在x=0處，，在x=∞處，y=0。

利用拉普拉斯變換（Laplace），對方程進行求解，當沿岸輸沙完全被攔截的情況，方程（9）的理論解為[2,8,10]：

誤差函數：

余補誤差函數：

其值如表1。

表1 u、erfc(u)取值

根據式（11）可繪出任意時刻ti的岸線形態(tài)，如圖12，各曲線沿x軸積分，便可得到相應的淤積面積。在任意時間ti，新岸線與突堤的交點位置yi為[8,10]：

圖12 完全攔截泥沙時的上游海岸線

新岸線到達堤頭處所需時間ti為[8,10]：

式中：L為突堤長度。

任意時刻ti，新岸線與x、y軸所圍面積與岸線在y軸的切線所包圍面積之比為1.56，即圖12中面積Oyixi/面積Oyix’i=1.56。當t=tL時（即淤至堤頭處），沿x軸淤積范圍為[8,10]：

式中：2 .7lcotα0為淤至堤頭時沿x軸的淤積長度。

根據工程實踐驗證，突堤淤積形態(tài)與理論分析基本相似。當淤積充分發(fā)展時，新岸線與原岸線的夾角漸趨平緩，最終在 12°～15°左右。如西非庫特奴港建 20余年后，上游側新岸線的發(fā)育情況基本如此[10]。

3 案例分析

人工岸線的建設應適應當地的海岸動力條件，不僅要考慮到岸線自身的穩(wěn)定，還要考慮到對周邊的影響[12]。

原大連市西部凌水河口海灣為基巖港灣型岸線，灣口開闊（圖13），水深平均3～4 m，最深處8 m。

圖13 填海前的地形及波況

工程建設之前，灣內岸線穩(wěn)定，底質以沙為主，動力條件沿岸除潮流外，水域平穩(wěn)，波浪作用不強，只有折射和局部反射，沿岸無輸沙。由于工程建設需要，除凌水河口外，整個海灣已被填成陸域（圖14）。填海后的凌水灣已形成了典型的喇叭口狀海灣，成為三角港灣海岸，相似于杭州灣錢塘江口。填海后的灣口來波方向為S、SE向，由于形成了喇叭口的海灣，使得灣內波況變得復雜，進入灣內波浪與高潮時反射的潮波相疊加，加之灣內反射波的疊加，波能輻聚，使波高加大，破壞力增強。特別是，理論分析和實踐證明，對于海域深入陸地形成喇叭狀的海灣，更有利于風暴潮的成長。最終于2010年12月凌晨一場海上風暴潮來襲，使得灣口北岸177 m直立式護岸被海浪打垮（圖15）。

為了驗證水毀事故的原因，有關部門委托大連理工大學海岸和近岸工程國家重點實驗室做現(xiàn)場物理模擬試驗，實驗結果表明，最大波高（H1%）比正常情況下增加20 %左右。因此，當風暴潮來時，喇叭口外波高在3 m左右，由于灣內波高反復疊加，波高加大，破壞力增強，致使灣內岸壁被波浪打垮?？陀^上違背了“物競天擇，適者生存”的規(guī)律。

圖14 填海后的地形及波況

圖15 垮塌現(xiàn)場

4 結 語

綜上所述，可得如下三點結論：

1）海岸原始形態(tài)，由地質構造、地殼運動、地貌變遷演化所形成。后來的變化主要是由于海岸動力的作用，促使沿岸泥沙的運動，形成侵蝕型海岸或堆積型海岸，即所謂海進或海退岸線。

2）宏觀上，站在海岸邊觀察波峰線如近似平行于岸線，則可初步定性估計岸線屬于穩(wěn)定型或動態(tài)平衡型岸線。接下來的工作就要進行泥沙運動的岸線斷面定量測驗，最后斷定岸線的歸屬（淤積或侵蝕）。

3）海岸的人工建筑物，事前要對海岸做出正確的評價，對構筑物可能對岸線造成的影響做可行性的論證。因為海岸動力是海岸泥沙運動，海岸形態(tài)的塑造者，海岸形態(tài)必須適應海岸動力場的條件，在“物競天擇”的原則下，做到適者生存。