人工島對沙質(zhì)海岸動力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤演變的影響研究

李松喆

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300350)

沙質(zhì)岸灘是海岸重要的組成部分，受人類活動和自然環(huán)境等影響，70%的沙質(zhì)海岸侵蝕嚴重[1-3]。20世紀70年代以來，人們開始探索通過人工島式填島實現(xiàn)港口的安全發(fā)展和更有利的協(xié)調(diào)功能[4]。人工島由于島體大小、離岸距離及相對位置的不同，相鄰海灘主要形成沙岬和連島沙壩兩種形式的突出體，影響附近岸灘的演變趨勢[5]。與傳統(tǒng)的依托現(xiàn)有海岸向海推進的圍涂造地方式比較，離岸人工島建設(shè)需更加關(guān)注人工島與海洋環(huán)境的相互影響、海岸動力地貌演變等因素。而不同人工島方案因為其大小、離岸距離及所處位置的差異，對工程后海域內(nèi)的海洋動力條件、泥沙輸移與岸灘環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。秦皇島湯河河口人工島在實施河道清淤的情況下，人工島的建立并不會增加河口工程區(qū)附近的泥沙淤積，相反在清淤工程和梭形島分流作用的影響下，泥沙淤積量有所減少[6]。秦皇島洋河口至戴河口海岸整治工程研究中，發(fā)現(xiàn)人工島與海岸整治工程共同存在時對潮流的影響并非二者單獨作用的線性疊加，而是存在著非線性的關(guān)系[7]。海口灣南海明珠人工島建成后對應(yīng)岸灘形成向海凸出的舌狀岸線，而其兩側(cè)會出現(xiàn)海岸侵蝕，可采取海灘補沙等工程措施加以控制或恢復(fù)[8]。海南省日島建成后，島影區(qū)岸灘淤漲，總淤積寬度約370 m，長度約1 500 m，日島東北側(cè)、西南側(cè)均出現(xiàn)了明顯的侵蝕現(xiàn)象[9]。海陽人工島建成后，周邊區(qū)域整體呈微淤積狀態(tài), 基本維持了工程建設(shè)前的狀態(tài)，人工島北側(cè)和南側(cè)始終處于微沖刷狀態(tài)，不會形成連島沙壩，其東側(cè)和西側(cè)局部區(qū)域呈微沖刷狀態(tài)[10]。綜上，離岸人工島建設(shè)需重點關(guān)注岸灘泥沙輸移、離岸人工島與岸灘演變的相互制衡關(guān)系。

紅塘灣海域近岸以沙灘和巖灘為主，沙灘上部的沙壩局部已有開發(fā)利用，而針對紅塘灣海域動力條件、泥沙沖淤環(huán)境及岸線演變分析等方面的研究相對較少。趙永印等[11]采用動力地貌與岸灘演變、理論分析等手段，對紅塘灣海域岸段的岸線變化及海床灘沖淤進行了初步分析；童朝鋒等[12]采用偏度與復(fù)分析方法，研究了紅塘灣潮汐特征及潮汐不對稱現(xiàn)象，探討了紅塘灣毗鄰海域潮汐不對稱性分布特征及機理；韓露[13]模擬了三亞紅塘灣海域在純潮條件下、年代表波浪作用下和10年一遇波浪作用下的泥沙運動；左書華[14]根據(jù)紅塘灣海域不同時期海床表層沉積物資料，分析研究該海域表層沉積物分布與泥沙運動特征；王艷紅[15]采用遙感反演和對比手段，分析了紅塘灣海岸的自然地貌特征和岸段的自然沖淤演變特征。已有研究成果重點關(guān)注了紅塘灣區(qū)域的動力條件和自然演變特征，針對自然和人類活動雙重因素影響下的沙質(zhì)岸線的響應(yīng)與模擬預(yù)測研究尚少。

以海南省紅塘灣海域岸線為對象，系統(tǒng)分析海域的動力泥沙環(huán)境、自然沖淤演變特征以及泥沙運動特征等變化，采用潮流、波浪數(shù)學模型分析人工島實施對該海域動力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動力機制的影響，采用岸灘演變數(shù)學模型，研究人工島差異化的平面布置型式與岸灘演變的制衡關(guān)系，以期為沙質(zhì)海岸離岸人工島建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)域概況與水沙環(huán)境分析

1.1 研究區(qū)域概況

紅塘灣位于海南島南岸的三亞市西側(cè)，紅塘灣海岸岸灘地形地貌格局受基巖岬角向海突出的影響，構(gòu)成岬角和沙灘相間分布的微曲折岸線，除東西兩側(cè)的天涯海角岬角和南山岬角外，岸線基本平順，從岸線類型看，南山嶺附近為基巖海岸，南山嶺至紅塘嶺之間岸段基巖海岸與局部沙質(zhì)相間分布，紅塘嶺至馬嶺東側(cè)西段為基巖和沙質(zhì)岸線相應(yīng)分布，中段為沙質(zhì)海灘局部出露巖灘，東段為沙質(zhì)岸線，如圖1所示。

圖1 紅塘灣海岸岸灘地貌類型Fig. 1 Geomorphic types of coastal beach in Hongtang Bay

1.2 風、浪、流特性

紅塘灣為典型開敞弧形海灣，據(jù)榆林站1954-1992年共39年潮位統(tǒng)計，最大潮差2.14 m，平均潮差0.86 m，潮差較小，潮間帶沙灘寬度也較窄，破波帶隨潮位水平遷移的幅度不大。另據(jù)2016年春夏秋冬四季實測潮流特征表明，海域整體水流呈近岸流速較小、深水區(qū)流速較大的特點，在10 m以淺區(qū)域，漲落潮平均流速不超過0.3 m/s，近岸流速小，潮流對岸灘及其水下岸坡的作用微弱。該海域全年常風向為NE，頻率為13.6%，次常風向為E，頻率為13.2%。由于紅塘灣的北部和東北部均受陸域環(huán)抱，盡管NE向的風為常風向，但其為陸向風，對沿岸海域的影響有限，而SW向為海向風，對沿岸海域影響顯著，對海區(qū)波浪及泥沙運動影響最為顯著，特別是夏、秋季節(jié)的熱帶風暴和臺風所伴生的暴風浪對沿岸海域和岸灘產(chǎn)生強烈的沖擊和侵蝕作用。該海域全年以風浪占優(yōu)勢，2016年4月-2017年4月全年的波浪觀測顯示(見圖2)，全年最大浪的浪向為SW，全年次最大浪的浪向為WSW，全年常浪向為SSE，出現(xiàn)率為43.01%；全年次常浪向為S，出現(xiàn)率為29.21%。

圖2 紅塘海區(qū)實測波浪玫瑰圖Fig. 2 Measured wave rose chart in summer and autumn in Hongtang Bay

1.3 海岸泥沙運動特征與沖淤演變特征

從該海域的泥沙來源角度看，入海河流的少量供沙、海灘和沙壩的局部沖刷供沙和周邊造礁石珊瑚形成的珊瑚沙是海岸泥沙的主要來源。根據(jù)2013年10月和2014年2月采集的海域底質(zhì)樣品數(shù)據(jù)，底質(zhì)分布整體表現(xiàn)為近岸較粗、深水區(qū)較細以及沿岸底質(zhì)自西向東逐漸變細的分布特征，表明沿岸泥沙運動以自西向東為主，天涯海角岬角附近未有大面積沙灘堆積出現(xiàn)的情況表明，這一海岸的沿岸輸沙量相對較小，此外，從距西北約60 km的鶯歌海海洋站長期實測波浪資料看，該海域向岸的波浪主要分布于SE至SW之間，垂直海岸的S向波浪為主，基本呈對稱分布，盡管本岸段存在一定的沿岸輸沙，但海岸線整體與盛行波浪方向接近垂直，擔油港河口口門未形成明顯的方向性沙嘴，都表明沿岸輸沙量并不大。

采用紅塘灣1986-2019年期間實測水深測圖和海圖，分析該海域1987年至2019年共32年海岸線變化情況，對比顯示(圖3)：

圖3 南山角～天涯海角的岸線變化Fig. 3 Coastline changes from Nanshanjiao to Tianyahaijiao

1) 西部南山嶺至塔嶺岬角以西2.5 km段，沙質(zhì)岸段整體表現(xiàn)為沖刷后退，侵蝕幅度相對較大，32年間平均沖刷后退20～50 m，其中南山觀音人工島西側(cè)岸線侵蝕幅度最大，南海觀音人工島東側(cè)岸線侵蝕幅度相對緩慢，南山觀音人工島波影區(qū)處有最大寬度約為50 m的沙嘴發(fā)育，人工島兩側(cè)岸線侵蝕后退，影響范圍在350 m以內(nèi)。

2) 塔嶺岬角以西2.5 km至以東2 km岸段以基巖岸線為主，僅局部有沙灘分布，規(guī)模較小，受兩側(cè)基巖岬角控制，沖淤變化相對較小。塔嶺東側(cè)太平洋油碼頭附近有巖灘發(fā)育，在其掩護下巖灘內(nèi)側(cè)的沙灘近數(shù)十年來變化很小。

3) 太平洋油碼頭以東至擔油港口門，陸側(cè)沙壩陡坎發(fā)育，沙壩外局部海灘巖出露，海灘巖外側(cè)已形成高約1～2 m的陡坎，沖刷表現(xiàn)明顯，1987年以來整體表現(xiàn)為沖刷，最大后退不超過20 m。

4) 擔油港口門區(qū)域處于激浪作用強盛的高能環(huán)境，沙壩沖刷泥沙向海搬運，導(dǎo)致岸線有所沖刷，年沖刷2 m左右，擔油港口門至天涯鎮(zhèn)岸灘由于沙灘巖分布，削弱了部分波能，相對平緩，多年來基本穩(wěn)定。

5) 天涯海角附近有基巖岬角發(fā)育，天涯石以西的小海灣岸線沖刷后退幅度較大，局部岸線最大侵蝕幅度可達50 m左右；天涯石以東岸線海灘與礁石相間分布，沖淤波動頻繁，未表現(xiàn)出的趨勢性過程，處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

從該海域波浪動力條件和沿岸輸沙趨勢看，該海域海岸整體處于侵蝕型動態(tài)平衡狀態(tài)，30多年來這一岸段的岸線格局基本保持穩(wěn)定。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

收集了1986-2019年期間實測水深測圖和海圖與2013年和2014年的近岸底質(zhì)取樣資料，分析紅塘灣海岸灘演變及自然沖淤演變特征；收集了2016-2017年工程區(qū)波浪觀測資料，推求近海波浪要素及波浪場；收集了2019年研究海域的潮位、流速流向資料，分析該海域的潮流動力條件。

2.2 模型建立與驗證

海岸岸灘演變模型主要包括海岸岸線模型[17-18]、海岸剖面模型[19-20]和海岸區(qū)域模型[21]三大類，因海岸岸線模型具有計算快的優(yōu)點，在模擬預(yù)測大范圍、長期的海岸線演變中仍被廣泛使用[22-24]。

以質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)，根據(jù)泥沙連續(xù)方程，計算向～離岸兩控制點之間單位體積變化，將其與岸線變化相聯(lián)系，LITLINE岸線演變模型的控制方程可表示為：

(1)

式中：t表示時間；Qsou(x)表示泥沙源/匯項；hact(x)表示有效海灘剖面高程；Q(x)表示沿岸泥沙運移量；yc(x)表示基線至海岸線距離。

近岸波浪傳播變形的數(shù)值計算表明[16]，人工島建設(shè)后的波浪影響范圍主要在天涯海角到南山角之間，考慮到本岸段地形和岸線特征，模型范圍西至南山港基巖岸線，東至肖旗港西側(cè)的基巖岸線，包括了南山附近沙灘、天涯海角等砂質(zhì)岸線，模型范圍兩端基巖岬角進行固化處理，無沖淤變化，并在東西兩側(cè)預(yù)留足夠長度的緩沖岸段長度，模擬范圍共約25 km，沿岸分為間隔20 m共1 250個計算單元。地形、岸線、沉積物采用該海域2019年實測水下地形和2014年底質(zhì)取樣數(shù)據(jù)，基巖岸段進行了固化處理，無沖刷，其中，根據(jù)近岸波浪傳播變形的數(shù)學模型推求多年平均波高、波周期、波向等波浪主要參數(shù)[16]。

紅塘灣海域已建涉水工程較少，已實施工程主要是南山觀音人工島，以南山觀音人工島實施以來的岸灘沖淤變化，分析該海域人工島的實施對岸灘沖淤演變的影響。南山觀音人工島于2000年1月5日開始施工，并修建連接陸地與人工島的施工通道，2003年1月完工，施工通道于2011年初拆除。

采用南山觀音人工島工程建設(shè)前后的附近岸線的沖淤變化開展岸線演變模型驗證，以2000年岸線為本底，分布開展南山觀音人工島實施10年內(nèi)岸線的沖淤演變情況，驗證結(jié)果顯示，從沖淤量級和分布情況看，模擬所得的工程影響下岸線沖淤變化與衛(wèi)星遙感影響所顯示的較為接近(圖4)，模型計算結(jié)果與實際情況在沖淤分布和最大沖淤幅度等基本一致，該模型中的波浪、泥沙及地形等各參數(shù)的選取合理。

圖4 南山觀音施工通道實施后岸線變化模擬Fig. 4 Simulation of shoreline changes after the Nanshan Guanyin construction channel is implemented

圖4可以看出，連島施工通道未拆除前，因攔截了沿岸輸沙，造成施工通道兩側(cè)的岸線沖淤調(diào)整。具體表現(xiàn)為：攔截了西側(cè)的沿岸輸沙，在施工通道西側(cè)形成約長200 m、最大淤積達60 m的淤積體，淤積體以西岸段沖刷，施工通道東側(cè)緩慢沖刷。

圖5可以看出，施工通道拆除后，人工島中心離岸距離約300 m，島體沿岸方向最大跨度約150 m，岸線沖淤成為單純的離岸人工島影響下的岸線沖淤變化，施工通道拆除以來的岸線沖淤變化表現(xiàn)為人工島東、西兩側(cè)略有沖刷，而人工島后方掩護區(qū)淤積岸段形成長約200 m、幅度40～60 m的淤積體，因不同風浪條件下人工島對岸段的掩護形勢差異，淤積體頭部擺動和淤蝕變化較為活躍，左右擺動幅度30 m左右，沖淤波動也可達20～30 m，其中2015-2019年，因人工島周邊防護體受損后修復(fù)使人工島掩護防護范圍增大，人工島直徑由150 m左右增大至200 m左右，陸側(cè)淤積體進一步向海淤長約10 m。南山觀音人工島以西至南山角基巖海岸長約600 m的岸段近年來沖刷較為明顯，特別是局部海灘巖缺失部位，最大沖刷幅度可達20 m左右。同時，受西側(cè)岬角和海灘巖不均勻分布的影響，不同波浪條件下岸灘波動明顯，不同季節(jié)的沖淤波動幅度超過10 m。南山觀音人工島以東岸段，因海灘巖分布連續(xù)且較為完整，受海灘巖掩護岸灘整體較為穩(wěn)定，2015年以來的未出現(xiàn)明顯的沖淤波動。

圖5 2010年以來南山觀音人工島附近岸線變化Fig. 5 Coastline changes near artificial island in Nanshan Guanyin since 2010

3 人工島工程實施后的動力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動力機制分析

擬建人工島地處三亞紅塘灣(見圖1)，通過圍填海方式形成人工島，人工島方案整體形態(tài)為帶圓角的矩形，東西長約6 332 m，南北寬約4 314 m，所在海域水深18～24 m，離岸約3.1 km，西北距離南海觀音約4 km，東北距離天涯海角約6 km。潮流和波浪是影響岸灘變化的兩大動力條件，填海造陸必將影響紅塘灣原有的水動力條件，進而重新塑造水動力、泥沙沖淤環(huán)境，水動力和泥沙環(huán)境的變化可能引起海床和岸灘的沖淤調(diào)整，通過潮流數(shù)學模型和波浪數(shù)學模型精準預(yù)測人工島實施后的該海域近岸潮流和波浪動力條件的變化，在泥沙環(huán)境和沖淤演變特征基礎(chǔ)上，探索人工島實施對岸灘沖淤的可能影響。

3.1 人工島對海域潮流動力的影響分析

采用Mike21FM 模塊開展潮流計算分析，選取2019年7月在該海域施測的大、中、小潮潮流資料進行潮流模型驗證，模擬結(jié)果無論從數(shù)值還是相位上均與原型水體運動達到較好的相似性。自然條件下潮流場模擬結(jié)果表明：西島和南山角一線以外，流向與紅塘灣岸線整體走勢和水下地形等深線走勢一致，漲落急-10 m 等深線以深區(qū)域流速差別不大，漲、落急流速達1.1 m/s左右，近岸區(qū)域，紅塘灣內(nèi)漲、落潮流向與灣內(nèi)岸線局部走勢和等深線走勢一致，在天涯海角和南山附近，受各岬角(天涯海角、南山角)的影響，漲、落潮流主軸向西北側(cè)和東南側(cè)有一定偏轉(zhuǎn)，2 m等深線以淺潮段平均流速基本小于0.1 m/s。人工島實施后潮流場模擬結(jié)果表明：1)受人工島與水流主軸向垂直方向(南北向)阻水影響，人工島東西兩側(cè)普遍形成緩流區(qū)，流速減小幅度越靠近人工島越大，人工島向海側(cè)流速增大，潮段平均流速增加約0.25～0.55 m/s，人工島西南側(cè)前沿水域漲、落急流速值達到2.11 m/s，人工島與陸岸之間區(qū)域，過水斷面減小，流速增大明顯，潮段平均流速增加約0.15～0.35 m/s，人工島西北側(cè)前沿水域漲、落急流速值達到1.81 m/s，人工島實施后該區(qū)域內(nèi)流速對床面泥沙具備一定的沖刷能力，但潮流動力對海床沖刷作用時間分布在大潮漲、落急時刻附近較短時間內(nèi)；2)就近岸而言，因海域WNW-ESE方向的往復(fù)流，自然條件下近岸2 m等深線以淺潮段平均流速基本小于0.1 m/s(見圖6)，人工島實施前后平均流速變化基本小于0.1 m/s，實施后近岸最大潮流流速不超過0.2 m/s，小于近岸泥沙起動流速0.42～0.50 m/s，因此，人工島引起的潮流變化對近岸岸灘及南山、天涯海角附近岸灘影響較小。

圖6 人工島方案實施前后近岸流速變化情況Fig. 6 Variation of nearshore velocity before and after the project

3.2 人工島對海域波浪動力的影響分析

基于SWAN模型，采用兩重嵌套的計算方案，建立近岸波浪傳播變形的數(shù)值計算模型，對紅塘灣海域主要浪向(ESE～W)2年一遇的波浪由較深水域向工程近岸的傳播變形過程進行了數(shù)值計算，SSE和SSW向浪是紅塘灣海域沿岸輸沙、橫向輸沙的主要控制波浪，該海域主要浪向(SSE～SSW)2年一遇有效波高分布和波浪場圖(圖7)，波浪數(shù)學模型計算結(jié)果表明：

圖7 不同方向波高的等值線分布圖Fig. 7 Contour distribution of wave height in different directions

1) 天涯海角附近海域，受人工島的影響，5 m和10 m等深線有效波高有所減小，其中，SSW向波浪作用時，有效波高減小了5%～25%，波向偏轉(zhuǎn)13°左右，S向波浪作用時，有效波高減小了1%～15%，波向偏轉(zhuǎn)10°左右，SSE向波浪作用時，有效波高減小了1%～8%，波向偏轉(zhuǎn)6°左右。

2) 南山附近海域，受人工島的影響，5 m和10 m等深線有效波高有所減小，SSW向波浪作用時，有效波高減小了2%～21%，波向偏轉(zhuǎn)8°左右；S向波浪作用時，有效波高減小了7%～35%，波向偏轉(zhuǎn)10°左右；SSE向波浪作用時，有效波高減小了14%～46%，波向偏轉(zhuǎn)12°左右。

3) 人工島后方區(qū)域，受人工島的影響，5 m和10 m等深線有效波高有所減小，SSW向波浪作用時，有效波高減小了29%～54%，波向偏轉(zhuǎn)21°向左右；S向波浪作用時，有效波高減小19%～57%，波向偏轉(zhuǎn)25°向左右；SSE向波浪作用時，有效波高減小了11%～54%，波向偏轉(zhuǎn)20°左右。

總的來看，因人工島是處于來浪方向的屬離岸建筑物，人工島后方海域波浪變化較大，SSW向波浪作用時，人工島西北側(cè)波高減弱，S向波浪作用時，人工島北側(cè)波高減弱，SSW向波浪作用時，人工島東北側(cè)波高減弱，波浪傳播方向發(fā)生一定改變。

3.3 人工島對海岸沖淤演變的影響分析

潮流和波浪是影響岸灘變化的兩大動力條件，對于研究海域而言，潮流強度整體較小，目前的自然流速基本不具備起動當?shù)啬嗌车臈l件，加之外來泥沙供給有限，海床整體較為穩(wěn)定。人工島實施后，人工島西南側(cè)和東北側(cè)局部流速變化將引起一定的海床沖淤調(diào)整，但基本不具備起動近岸岸灘泥沙的基本條件。

就波浪場變化而言，人工島實施后引起的波浪變化主要包括人工島波影區(qū)波高的減小、人工島迎浪岸壁外側(cè)因波浪反射出現(xiàn)的波高增大以及受影響區(qū)域波浪傳播方向的調(diào)整。波高增大和減小直接影響泥沙的沖刷和落淤，也是對海床和岸灘地形沖淤最直接的影響。但波浪傳播方向的改變，對泥沙運動(特別是破波帶附近)的改變同樣不容忽視。

從波浪作用下的泥沙運動角度，波浪本海域近岸淺水區(qū)泥沙運動的控制動力，近岸區(qū)域的波浪場改變將是人工島引起泥沙運動調(diào)整的主要方面。其主要表現(xiàn)為：

首先，對于在測驗水位環(huán)境過程中產(chǎn)生的誤差，應(yīng)明確造成誤差的主要原因，主要包括人為因素和自然因素2個方面：（1）人為因素的影響，主要表現(xiàn)在設(shè)備儀器操作失誤以及數(shù)據(jù)錄入信息錯誤等方面，導(dǎo)致誤差數(shù)值相差較大；（2）自然方面的影響，主要是水系回流、氣候風向等因素造成的。由于受其自然方面影響較大，導(dǎo)致誤差數(shù)值經(jīng)常處于變動狀態(tài)。要避免或減少誤差對水文測驗數(shù)據(jù)的影響，可以采取以下措施：（1）要對特定區(qū)域進行實時考察測量，避免河流附著物以及回水等影響；（2）要制作適合水流變化較大區(qū)域使用的菱形水尺柱，減少湍急水流對測量結(jié)果的影響；（3）要盡量在風力小、風浪穩(wěn)定的氣候條件下進行檢測。

1) 人工島兩側(cè)至近岸區(qū)域的波浪傳播方向有向人工島中軸線附近偏轉(zhuǎn)的趨勢，并形成自兩側(cè)向中間的泥沙運動，其中破波帶區(qū)域最為明顯。

2) 近岸區(qū)域波浪傳播方向改變引起沿岸輸沙趨勢的改變是人工島實施后近岸沖淤變化的主要方面。因人工島附近存在自西向東和自東向西兩個方向的沿岸輸沙，兩個方向輸沙的量級相當，凈輸沙量不大。當泥沙沿岸輸運至人工島掩護區(qū)后形成堆積，并不再具有自人工島附近向兩側(cè)輸沙的動力條件，因此在人工島掩護區(qū)形成局部淤積的同時，淤積岸段兩側(cè)一定范圍的沖刷也將是人工島實施后對岸灘沖淤影響的重要方面。

3) 動力場的改變是岸灘沖淤變化的重要因素之一，就本岸段而言，波浪場的改變范圍向西可至南山角附近，向東可至天涯海角附近，即波浪場的影響主要局限在紅塘灣海域；就泥沙供給而言，南山角前沿水深超過20 m，塑造海灘所需的粗顆粒泥沙基本不具備繞過南山角向東運移的條件，對西側(cè)岸段沖淤的影響應(yīng)主要在南山附近海灘，以泥沙局部搬運為主。人工島向東至天涯海角附近主要為沙質(zhì)海岸，波浪場的改變后泥沙具有向西運移形成沖淤調(diào)整的條件。

4 不同人工島平面布置形式對岸灘演變的影響分析

為了探索不同離岸人工島布置型式對沙質(zhì)海岸動力泥沙環(huán)境和岸灘的影響，設(shè)置了不同離岸距離和不同平面形態(tài)人工島布置方式(圖8)：1)對人工島方案進行適當旋轉(zhuǎn)，走向與主流方向基本平行，減小人工島的阻流相應(yīng)；2)人工島方案進行開口(開口距離1 km)，減小SSE向波浪的遮蔽作用；3)增加離岸距離，人工島方案向海移動2.5 km，離岸距離達5.6 km，減小人工島對近岸潮流和波浪的影響。采用LITLINE模型模擬各布置型式的人工島工程實施后的岸線變化，實施10年后岸線變化結(jié)果見圖8。從各布置型式對人工島東西兩側(cè)岸灘的動力泥沙機制和沖刷影響看：

圖8 離岸人工島不同布置型式實施后岸線變化模擬結(jié)果Fig. 8 Simulation results of shoreline change after implementation of offshore artificial island plan

1) 人工島旋轉(zhuǎn)后動力場的變化來看，人工島對SSE和SSW向波浪遮蔽作用進一步增強，天涯海角和南山附近岸段的波浪作用得到加強，實施后的岸線變化表明，塔嶺岬角以東區(qū)域沙體向外堆積較人工島方案明顯減小，岸線向陸側(cè)后退了約60 m，南海觀音人工島后方沙體向外堆積較人工島方案增加，岸線向外擴展約25 m，擔油港至天涯鎮(zhèn)岸段沖刷后退得到一定的緩解，但天涯鎮(zhèn)到天涯海角岸段沖刷后退幅度進一步加強，南海觀音島西側(cè)和東側(cè)后退幅度有所增強，岸線變化與岸灘影響的動力泥沙機制變化是相適應(yīng)的。

2) 人工島開口后動力場的改變來看，部分SSE向波浪通過開口處由深海向近岸傳播，人工島對SSE向波浪遮蔽作用有所減弱，而對SSW向波浪的遮蔽作用幾乎沒有影響，實施后的岸線變化結(jié)果顯示，塔嶺岬角以東區(qū)域沙體向外堆積較人工島方案明顯減小，擔油港至天涯海角岸段沖刷后退得到一定的緩解，南海觀音島西側(cè)和東側(cè)后退幅度有所減緩，但減緩的程度較天涯海角岸段低。

3) 增加離岸距離后動力場的改變來看，由于人工島位置相對遠離天涯海角和南山岸段，對SSE和SSW向波浪遮蔽作用也均有所減弱，實施后的岸線變化表明，增加離岸距離對緩解人工島掩護區(qū)東西兩側(cè)岸灘的沖刷后退起一定的抑制作用，對紅塘灣岸段沖淤演變影響有所減小，但紅塘灣岸灘動力泥沙格局并未發(fā)生本質(zhì)性改變，對緩解人工島東西兩側(cè)岸灘的沖刷程度十分有限。

波浪作用是紅塘灣近岸泥沙運動的控制動力，人工島實施對岸灘沖淤的影響也是通過改變近岸波浪場傳播實現(xiàn)的，從泥沙動力機制和岸灘沖淤演變趨勢來看，各人工島布置方式對岸灘沖淤演變影響的動力泥沙機制和沖淤總體分布基本一致，均表現(xiàn)為人工島掩護區(qū)東側(cè)和西側(cè)一定范圍的沖刷和人工島掩護區(qū)的淤積，對人工島東側(cè)岸灘，人工島實施后對該岸段S、SSW和SSW方向的波浪形成掩護，造成偏SE向波浪作用相對增加，形成這一岸段向西的沿岸凈輸沙造成沖刷，對人工島西側(cè)附近岸灘，人工島實施后對該岸段S、SSE和SE方向的波浪形成掩護，人工島中心的波浪繞射使這一岸段自西向東的沿岸輸沙能力增強，該岸線將形成沖刷趨勢。

5 結(jié) 語

研究分析了紅塘灣海域多年來岸線情況，采用波浪和潮流數(shù)學模型研究分析了人工島實施對該海域動力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動力機制的影響，最后采用LITLINE岸線演變模型，模擬計算了不同離岸距離和不同平面形態(tài)2類人工島平面布置型式對近岸岸線變形的影響，主要結(jié)論如下：

1) 紅塘灣海域岸線整體表現(xiàn)為動態(tài)的緩慢沖刷后退趨勢，離岸人工島實施后，人工島東側(cè)海域主要受SSE向波浪作用，人工島西側(cè)海域主要受SSW向波浪作用，波浪場的改變是導(dǎo)致沿岸輸沙變化和岸灘變形的控制動力。

2) 人工島對該海域水動力影響分析表明，該海域潮流動力條件較弱，人工島引起的潮流變化對近岸岸灘及南山、天涯海角近岸岸灘影響較小，基本不具備起動近岸泥沙的條件，波浪場的改變范圍向西可至南山角附近，向東可至天涯海角附近，對西側(cè)岸段沖淤的影響應(yīng)主要在南山附近海灘和三美灣附近，以泥沙局部搬運為主，人工島向東至天涯海角附近主要為沙質(zhì)海岸，波浪場的改變后泥沙具有向西運移形成沖淤調(diào)整的條件。

3) 采用LITLINE岸線演變模型開展了不同平面形態(tài)布置型式和離岸距離布置型式人工島對沙質(zhì)岸線變化計算分析，從泥沙動力機制和岸灘沖淤演變趨勢來看，不同人工島平面布置型式(旋轉(zhuǎn)、開口和增加離岸距離)對紅塘灣岸灘動力泥沙機制和沖淤總體格局的影響并未發(fā)生本質(zhì)性改變，對緩解人工島東西兩側(cè)岸灘沖刷程度十分有限。

4) 人工島可引起人工島東西兩側(cè)岸灘的侵蝕，有必要采取相應(yīng)的岸灘防護措施緩解人工島實施對近岸岸線變形的影響。