“海鷗”臺風下人工島對海口灣岸灘侵蝕的影響分析

鄒凱 朱良生

摘 ? ?要：“海鷗”強臺風對?？跒吃斐闪藝乐氐钠茐?，研究“海鷗”臺風對海口灣岸灘侵蝕的主要成因對?？跒嘲稙┬迯秃腿斯u建設具有重要意義。本文通過對海南海口灣岸灘現場踏勘、實例比較和數值計算，探討了?？跒橙斯u建成前后該處岸灘對“海鷗”強臺風的響應特征。研究結果表明：在2014年9月“海鷗”強臺風過境期間，?？跒嘲稙┍伙@著侵蝕是發(fā)生在臺風強浪過程、風暴潮和天文潮高潮疊加的情況;?？跒嘲稙└鞫伪伙@著侵蝕具有風暴剖面特征;人工島具有消波作用，減少了岸灘侵蝕。人工島建成后沿岸輸沙引起的岸灘進退在0.6m以內，人工島不是此次?？跒嘲稙┍伙@著侵蝕的主要原因。

關鍵詞：人工島;臺風響應;岸灘侵蝕;?？跒?/p>

中圖分類號：P731.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The strong typhoon Kalmaegi caused severe damage to Haikou Bay in Hainan province. The analysis of the main causes of the severe beach erosion in Haikou Bay during the typhoon is of great significance to the beach restoration and manmade island construction in Haikou Bay. By comparing the data obtained in field investigation， example comparison and numerical simulation such as wave dynamical field， longshore transport and beach evolution， the response feature of the beach to the typhoon Kalmaegi before and after the construction of the manmade island is discussed. The results show that during the passage of typhoon Kalmaegi in September 2014， the significant beach erosion occurred in the process of typhoon strong wave and the superposition of typhoon surge and astronomic tide. The significant erosion of each section of Haikou bay bank has the characteristics of "storm profile"， and the manmade island has a decaying wave effect， reducing the beach erosion. After the construction of the manmade island， the beach retreat caused by longshore transport is within 0.6m and manmade island is not the main cause of the significant erosion of Haikou Bay beach.

Key words： Manmade island; ?Typhoon response; ?Beach erosion; ?Haikou Bay

1 ? ?前言

臺風對岸灘侵蝕產生較大影響[1]。2014年9月的“海鷗”強臺風對海口灣造成了嚴重的破壞，它不僅摧毀護堤和護坡， 而且還強烈地沖刷岸灘沉積物， 使原有海灘剖面發(fā)生急劇變形。

田會波等基于實測資料，討論了萬寧東部海岸的侵蝕規(guī)律與特征，季節(jié)上呈現夏秋侵蝕、冬春淤積，年際上總體呈現侵蝕狀態(tài)[2];邸有鵬等基于遙感資料分析了海南博鰲灣和邦塘灣岸線的演變情況，并計算了不同岸段在各個時期的海岸侵蝕速率[3];丁瑞等以“海鷗”強臺風為例，分析了條件變化對?？跒筹L暴增水的影響[4]。張博文等通過數學模型，分析了“海鷗”強臺風作用下近海最大增水、波高分布特征[5];龔昊等根據現場調查，對比分析了“1409”號臺風和“海鷗”號臺風登陸前后海南島東北部海灘侵蝕與恢復對連續(xù)臺風的復雜響應[6]。上述這些研究，尚缺乏“海鷗”號臺風對海口灣岸灘造成嚴重侵蝕的主要成因分析。

?？跒呈俏挥诤？谑斜辈凯傊莺{中段南側、向北敞開的螺線海灣，2013年在?？跒澄鱾鹊碾p灘區(qū)域及附近海域建有南海明珠人工島?！昂ｚt”強臺風期間，?？跒嘲稙┊a生嚴重侵蝕的主要成因是臺風強浪過程還是人工島的影響，結論對?？跒嘲稙┬迯秃腿斯u建設都具有重要參考意義。本文通過對?？跒超F場踏勘、動力分析、數值計算及實例比較，分析“海鷗”強臺風下對?？跒嘲稙┣治g的成因和人工島的影響。

2 ? ??？跒硡^(qū)域地貌特征

2.1 ? ?？跒硡^(qū)域地貌基本特征

?？跒硸|西兩側岬角分別為南渡江三角洲（海甸島）沙泥堆積體和新海玄武巖基巖岬角，使?？跒吵蔀橐粋€向陸凹進的海灣。?？跒嘲毒€長約20.5 km、口門寬約12.5 km、水深大部分小于5 m、水下地形向北傾斜，灣內大部分為淺灘地貌，唯海灣西端向西北方向有砂質雙灘凸起，雙灘之上有幾個淺丘，如圖1所示。

海口灣底質為東西向帶狀分布，西部海域2～5 m等深線范圍內底質以細、粉砂為主，呈NW-SE向延伸;雙灘以中砂為主，呈SE向灣內舌狀分布;西部沿岸海灘以中砂為主;北部、東南海域以細、粉砂為主;同一海灘剖面在平均低潮位以上;從上部至下部由陸向海方向灘面物質的中值粒徑增大，粗顆粒在激浪帶的上部堆積。

海口灣的遮蔽段、過渡段主要為人工岸線，分布有美麗沙圍墾區(qū)、?？谛赂邸⑿阌⒏鄣?，切線段長約8 km，沿岸均為砂質海灘。2013年完成的南海明珠人工島一期工程地處?？跒澄鱾鹊碾p灘區(qū)域及附近海域，所在海域的水深大約為0.7～15 m、平均水深6.9 m。人工島最終填海造地約2.6 km2， 分兩期建設。

2.2 ? ?？跒硡^(qū)域水動力基本特征

海口灣海域常年受E至NW方向波浪影響，以東北季風形成的波浪最為顯著，即10月至翌年3月波浪作用最強。全年以風浪為主，風浪占76%～85%、涌浪占14%～23%、波向出現率最多的方向為NNE和NE，頻率分別占40.4%和12.4%;年平均波高（H 1/10）為0.5 m、平均周期小于5 s。

海口灣秀英港潮汐系數F=3.92，屬非正規(guī)日潮混合潮，平均潮差1.1 m、最大潮差3.6 m。歷史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、極端高水位（50年一遇）為3.14 m、設計高水位為1.71 m。潮流為往復流形式，方向基本上呈W-E 向。潮流流速由灣頂向灣口逐漸變大，灣口最大漲潮流速可達1.5 m/s，灣頂最大漲潮流速可達0.5 m/s。

3 ? 海口灣在“海鷗”強臺風過程中的岸灘侵蝕與波浪場

3.1 ? 海岸侵蝕現場踏勘與分析

“海鷗”強臺風對?？跒澈弯伹盀吃斐闪藝乐氐钠茐模粌H摧毀護堤和護坡， 而且還強烈地沖刷岸灘沉積物， 使原有海灘剖面發(fā)生急劇變形：

（1）從圖2 ?a）可以看出：在“海鷗”強臺風過后，西海岸帶狀公園片區(qū)的自然沙灘出現侵蝕并形成了沙壩，其具有風暴剖面特征;沿岸沙壩形成于風暴期破波點附近，卷破波是形成沿岸沙壩的主要原因，卷破波的水舌向下沖擊時形成一個深槽，在其向海一側就形成了沿岸沙壩;

（2）從圖2 ?b）可以看出：“海鷗”強臺風過后，觀海臺片區(qū)護岸前出現侵蝕，潮位創(chuàng)歷史新高，建筑物前水深較大形成立波，沖刷坑逐步發(fā)展而不出現回淤現象，因為反射波形成的回流使床面泥沙向海輸送，發(fā)生嚴重沖刷;

（3）從圖2 ?c）、圖2 ?d）可以看出：在“海鷗”強臺風過后，東海岸魯能開發(fā)片區(qū)的自然沙灘與護岸前沙灘受到顯著侵蝕并形成沙壩。通過推土機把沙壩的沙推回到侵蝕的岸灘，說明了該岸灘變化為隨臺風大浪而作的短期的岸灘剖面演變，即風暴剖面是通過泥沙橫向運動形成的。

3.2 ? 強臺風波浪特征

采用第三代海浪模式（swan）數值模擬“海鷗”強臺風波浪過程。臺風在瓊州海峽東南向西北方向移動，由于工程海域距臺風中心最近距離為4 km，風速、風向在時間上產生快速變化。人工島外出現最大有效波高為4.0 m、周期為6.5 s，波高超過10年1遇。

3.3 ? 強臺風潮位特征

歷史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、極端高水位（50年一遇）為3.14 m、設計高水位為1.71 m。根據文獻[5]，“海鷗”強臺風引起的風暴潮與天文大潮疊加，使潮位達到歷史最高潮位：最大風暴增水為 2.09 m;天文大潮高潮位為 1.40 m;?？谛阌⒏鄢彼贿_到3.42 m，創(chuàng)歷史新高。

4 ? ?岸灘剖面侵淤計算與成因分析

4.1 ? 沿岸輸沙量計算

沿岸輸沙是波浪和波導沿岸流共同作用引起的縱向泥沙運動。在沙質海岸上，沿岸輸沙主要發(fā)生在破波帶內。沿岸輸沙的機理是波浪掀沙、沿岸流輸沙。

根據我國《海港水文規(guī)范》，沿岸輸沙率按下式計算：

式中：k為常數;ab為破波角;Hb為破波波高;cb為破波波速;ab為破波角;D50為中值粒徑。

把?？跒撤殖?0個斷面T0～T9，采用人工島建成前后波浪場外海波要素和破碎波要素，分別計算沿岸輸沙率，見表1和表2。表1、表2中，輸沙率、輸沙量、凈沿岸輸沙量向偏東向岸線為正，向偏西向岸線為負。

從表1、表2可以看出：各斷面沿岸輸沙量均在12000 m3之內;受人工島對波浪影響，T3、T4、T5斷面凈沿岸輸沙量明顯減小，其它斷面受影響較小。

4.2 ? 岸灘變形計算

岸灘變形模型中采用比較簡單而又成熟的一線模型，取x軸平行于岸線、y軸垂直于岸線、向海為正。岸線變形一線模型方程為：

式中：Q為岸灘輸沙率，采用有限差分法數值求解。

人工島建成前后大浪過程沿岸輸沙岸線的變化量，見表3、表4。

從表3、表4可知：人工島建成前后，9段岸灘淤積、沖刷量變化分別為-558 m3、-426 m3、5184 m3、-722 m3、-2070 m3、-123 1 m3、-84 m3、-45 m3、119 m3;岸線變化分別為-0.1 m、-0.1 m、-0.6 m、-0.1 m、-0.2 m、-0.1 m、0、0、0。

4.3 ? 岸灘侵蝕分析

（1）岸灘變形是在臺風大浪波動力和潮位暴漲的雙重作用下造成的

“海鷗”強臺風引起的風暴潮與天文大潮疊加，達到歷史最高潮位，而波高也超過10年一遇，且最大波高和最高潮位出現時間幾乎同步，反映了岸灘變形是在臺風大浪波動力和潮位暴漲的雙重作用下造成的。

（2）波浪沿岸輸沙不是岸灘侵蝕的主要原因

根據上述計算結果，人工島建成后9段岸段岸線進退量分別為-0.8 m、-0.1 m、-0.1 m、0.3 m、-0.2 m、0.1 m、0.0 m、0.0 m、0.7 m，表明波浪沿岸輸沙不是此次?？跒嘲稙┣治g的主要原因。

（3）臺風大浪的向岸-離岸方向泥沙搬運的橫向運動是岸灘侵蝕的主要原因

“海鷗”強臺風過后，在現場勘查發(fā)現海口灣岸各段具有風暴剖面特征，向岸-離岸方向泥沙搬運的橫向運動是造成海灘剖面短期變化的主要因素。文獻[8， 9]給出了9914號和8616號2個臺風分別在廈門島、廣東水東灣侵蝕實例，海灘變形是在臺風大浪波動力和潮位暴漲的雙重作用下造成的。

（4）人工島不是?？跒嘲稙┣治g的主要原因

人工島對?？跒巢ɡ司哂邢ㄗ饔?，在人工島波影區(qū)波浪顯著減小，其它岸線波浪不變或略有減小。波浪沿岸輸沙與岸灘變形計算表明，人工島在波影區(qū)外岸灘引起的岸線后退在0.2 m之內。

?？跂|部岸灘魯能開發(fā)區(qū)，該處附近沒有人工島，而在“海鷗”強臺風作用下自然沙灘、護岸前沙灘侵蝕顯著并形成沙壩，說明臺風下自然沙灘、護岸前沙灘顯著侵蝕與人工島存在與否沒有直接關系。

5 ? ?結語

本文通過對海南?？跒嘲稙┈F場踏勘、實例比較和數值計算波浪動力場、沿岸輸沙和岸灘演變，探討了人工島建成前后該處岸灘對“海鷗”強臺風的響應特征。

研究結果表明：在2014年9月“海鷗”強臺風過境期間，?？跒嘲稙╋@著侵蝕發(fā)生在臺風強浪過程、風暴潮和天文潮高潮疊加情況，波浪達到10年一遇，水位超過歷史記錄;海口灣岸各段顯著侵蝕具有風暴剖面特征;向岸-離岸方向泥沙搬運是?？跒嘲稙╋@著侵蝕的主要原因;人工島對海口灣具有消波、減少岸灘侵蝕作用。

臺風過程各斷面沿岸輸沙量均在12 000 m3之內，在受人工島掩護影響的斷面凈沿岸輸沙量明顯減小，其它斷面影響較小;人工島建成后受掩護影響的岸灘減小岸線后退0.6 m，其它各段岸灘增加岸線后退在0.2 m之內;人工島對?？跒嘲稙╋@著侵蝕的影響是次要的。

臺風波浪作用下岸灘演變過程是復雜的，向岸-離岸方向泥沙搬運的橫向運動計算存在相當的困難，風暴剖面的計算尚有待于進一步研究，但該定性結論是合理、可靠的。

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