人工岬角和海灘養(yǎng)護下泥沙輸運與海床演變*

韓雪健 匡翠萍① 宮立新 李文斌

人工岬角和海灘養(yǎng)護下泥沙輸運與海床演變*

韓雪健1匡翠萍1①宮立新2李文斌1

(1. 同濟大學土木工程學院 上海 200092; 2. 河北省地礦局第八地質大隊 河北秦皇島 066000)

實施人工岬角和海灘養(yǎng)護的軟硬措施相結合的方法是探索解決海灘侵蝕問題的新舉措之一?；隍炞C良好的水動力模型建立了泥沙輸運和海床演變模型, 對秦皇島市新開河口至南山岸線海灘經整治修復工程實施后的泥沙輸運和海床演變規(guī)律進行模擬分析。結果表明: 大潮與常浪耦合作用下, 研究區(qū)域周圍海域流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 沙壩掩護水域的流速較弱, 波浪在沙壩處增強并在沙壩后破碎并減弱; 在沙壩處出現高懸沙濃度區(qū)域, 懸沙濃度分布主要由底床切應力控制, 部分受水動力影響。大潮與強浪耦合作用下, 在沙壩處出現遠大于常浪時的增強水流(波生流), 方向與強浪向一致, 波浪在沙壩處已破碎且沙壩對強浪的削減效率大于常浪; 與常浪作用下不同, 懸沙濃度場在強浪作用下沙壩處沒有出現明顯的高濃度區(qū)域。波流耦合作用下, 人工岬角單獨存在時護岸效果有限, 工程實施后在人工岬角和人工沙壩的配合下, 沙壩處侵蝕而沙壩后側掩護區(qū)域淤積, 沙壩起到了有效養(yǎng)護海灘的作用。

人工岬角; 海灘養(yǎng)護; 波流耦合; 泥沙輸運; 海床演變

海洋占地球面積的70%以上, 是蘊含豐富資源的寶藏, 而海岸帶作為人類最接近海洋的居住地帶, 是經濟發(fā)展最為活躍和人口密度最為密集的區(qū)域。海岸帶尤其是砂質海岸, 處于海陸交界, 直接承受來自海洋的各種作用, 對于環(huán)境的變化比較敏感, 屬于比較脆弱的生態(tài)環(huán)境。全球約四分之一的砂質海岸以0.5 m/a的速率遭受岸線侵蝕的影響, 導致過去35年濱海區(qū)域約20 000 km2的土地流失, 并對沿海人口和經濟構成越來越嚴重的威脅(Luijendijk, 2018; Mentaschi, 2018; Pucino, 2021)。此外, 氣候變化引起的環(huán)境營力的變化, 如平均海平面、波浪、風暴潮、徑流等, 也會加劇岸線侵蝕問題(Ranasinghe, 2016; Vousdoukas, 2020)。

為了解決海灘侵蝕問題, 隨著時代的發(fā)展人們越來越傾向于采取綜合防護的方法, 即硬防護和軟防護有機地結合的措施, 充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢并且彌補各自的缺陷(Saponieri, 2018)。硬防護措施主要有海堤、丁壩、離岸堤、人工岬角等(溫昌麒等, 2021),一般來說其施工相對容易、造價低、使用壽命長, 但由于其改變了海岸的永久形態(tài), 導致當地的泥沙環(huán)境失衡, 往往會帶來新的侵蝕或淤積問題(趙多蒼, 2014)。人工養(yǎng)灘作為典型的軟防護措施, 因其直接用泥沙補給受侵蝕的海灘, 對海灘的原始環(huán)境更加友好、對臨近的岸線影響更小, 不會顯著地破壞當地的輸沙平衡, 越來越受到國內外海岸工程師的重視并得到廣泛的應用(Dean, 2002; Cooke, 2012; Pranzini, 2015)。但是養(yǎng)護海灘在近岸水動力的作用下, 填補的泥沙會逐漸流失, 因此海灘養(yǎng)護工程是非持久的, 需要定期維護, 而且沙源不易獲取、成本較高。因此, 軟硬防護兩者有機結合是發(fā)揮工程效果最大化的必然之路(Saponieri, 2018)。岬灣海岸在長期的自然演化過程中會逐漸趨向沖淤平衡狀態(tài)(梁偉強等, 2021), 基于平衡岬灣理論, 通常結合人工岬角和海灘養(yǎng)護構造穩(wěn)定的近岸環(huán)境從而達到侵蝕防護的效果(季小梅等, 2007; 潘毅等, 2008; Ojeda, 2008)。人工岬角被廣泛運用于海灘養(yǎng)護工程中,

它使得岬角之間的海灘沒有或極少有外來泥沙的輸入從而構成獨立的泥沙單元(Muller, 2006; Iglesias, 2010; Raabe, 2010)。海灘在養(yǎng)護后受波流作用, 準確預測海灘泥沙輸運和海床演變和充分理解其驅動機制對合理設計海灘養(yǎng)護工程具有重要意義, 因此成為研究人員關注的重點。Roberts等(2012)對位于美國佛羅里達州的8個海灘養(yǎng)護工程在2006～2010年期間測量的5200條海灘剖面進行研究, 發(fā)現潮汐通道的存在導致了其附近的波浪發(fā)生折射、沿岸漲潮流發(fā)生變化、沿岸輸沙被中斷, 進而影響了海灘養(yǎng)護工程的效能, 是養(yǎng)灘后地形變化的主導因素。Luijendijk等(2017)對荷蘭的“Sand Engine”大型養(yǎng)灘工程進行一年的動力地貌數值模擬, 發(fā)現波浪引起的侵蝕占工程區(qū)域總侵蝕量的75%, 是引發(fā)工程區(qū)域侵蝕的主控因子; 潮位引起的侵蝕占總侵蝕量的17%, 為次要的控制因子; 剩余的侵蝕量由風暴潮、風和潮流引起。Shi等(2013)使用一維基于過程的地貌演變模型對廈門低潮階地海灘的動力地貌進行模擬, 發(fā)現懸沙主要由潮流和波生底部回流輸運, 造成海灘上部陡坡的侵蝕以及下部坦坡的淤積, 同時發(fā)現潮流單獨引起的泥沙輸運并不明顯, 但是在與波浪共同作用下潮流對波浪紊動引起的懸浮泥沙進行輸運, 對懸沙的分布具有重要作用。

秦皇島市是我國著名的旅游城市, 擁有豐富的砂質海灘旅游資源, 吸引來自海內外的游客前來旅游(顧建清, 2002)。近年來, 秦皇島經濟快速發(fā)展尤其是旅游產業(yè)發(fā)展迅猛, 然而海灘侵蝕問題卻日益加劇, 約80 km岸線受到侵蝕, 占岸線總長度的49%, 嚴重制約了當地的旅游產業(yè)(李文斌, 2018)。其中, 新開河口至南山岸線內有秦皇島市著名的東山浴場, 侵蝕問題尤其嚴峻。針對該岸段的侵蝕問題, 當地政府于2018年下半年開始實施了新開河口至南山岸線整治修復工程, 該工程采取了軟硬結構結合的海灘防護措施, 包括灘肩補砂、水下沙壩的吹填和人工岬角的生態(tài)修復等。工程實施會對該區(qū)域的水動力、泥沙環(huán)境和海床形態(tài)產生一定的影響。本研究采用已建立好的波流耦合模型, 該模型驗證良好且已被應用于探究新開河口至南山岸線整治修復工程中波流對人工岬角和海灘養(yǎng)護的響應特征(匡翠萍等, 2019)。基于該波流耦合模型, 本研究建立了泥沙輸運和海床演變模型, 以探究泥沙輸運和海床演變對人工岬角和海灘養(yǎng)護工程的響應特征。

1 研究背景

新開河口至南山岸線整治修復工程位于秦皇島海港區(qū)的東北部, 東臨新開河口, 西至秦始皇求仙入海處。工程范圍內的東山浴場是秦皇島著名的避暑休閑的海濱浴場, 浴場海灘侵蝕問題較為嚴重, 具體表現為灘面寬度束窄、岸灘坡度變陡、泥沙粒徑粗化等, 其中部分侵蝕嚴重岸線的沙灘灘肩已基本消失, 護岸棧道損壞嚴重(圖1a, 1b), 海灘的生態(tài)功能和旅游價值顯著下降。此外, 海灘兩側原有的防波堤(人工岬角)出現損壞(圖1c), 使得其消減波浪保護岸灘的功能下降。這些問題嚴重影響了秦皇島的旅游聲譽及旅游產業(yè)效益, 受到了當地政府和社會公大眾的高度關注, 整治修復措施亟待設計及實施。

圖1 東山浴場海灘侵蝕狀況(a)、海灘沙流失及木棧道老化損壞狀況(b)、防波堤(人工岬角)損壞狀況(c)

以潮汐形態(tài)系數=(K1+O1)/M2(其中K1、O1、M2分別為分潮K1、O1、M2的振幅)為依據判斷研究區(qū)域的潮汐類型。如果0<≤0.5, 潮汐屬于正規(guī)半日潮; 如果0.5<≤2, 潮汐屬于不正規(guī)半日潮; 如果2<≤4, 潮汐屬于不正規(guī)日潮; 如果>4, 潮汐屬于正規(guī)日潮。研究區(qū)域的半日分潮M2振幅為0.102 m, 主要日分潮(K1+O1)振幅之和為0.482 m, 計算得到潮汐形態(tài)系數為4.73, 屬于正規(guī)日潮。因靠近M2分潮的無潮點, 研究區(qū)域整體潮差較小, 其最大值約為1.5 m, 平均值約為0.74 m (Kuang, 2019)。潮流屬于正規(guī)半日潮流, 表現為順岸的往復流, 整體流速較小, 漲落潮流向分別為SW、NE向。對秦皇島海洋波浪測站2016年實測波浪數據進行分析得到研究海域的常浪和強浪的特征值, 其中常浪波高0.3 m、波周期4.06 s、波向155.2°, 強浪波高1.31 m、波周期5.7 s、波向161°。海灘北部臨近新開河, 河流穿越市區(qū), 是市區(qū)排水的主要河道, 其源頭處于撫寧縣出家溝南與海港區(qū)唱坊鄉(xiāng)的石山、小高莊一帶的山溝, 河道全長11 km, 其中主河道長4.05 km, 流域面積為43.9 km2, 多年平均徑流量為7.4×106m3, 河流含沙量很小(董坤, 2008)。海灘在工程前原始泥沙平均粒徑約為0.15 mm, 主要為細砂和極細砂(王中起等, 2010), 海灘平均坡度約為1:110。研究區(qū)域水文泥沙資料列于表1中。

表1 研究區(qū)域水文泥沙特征

Tab.1 Hydrological and sedimentary conditions

新開河口至南山岸線整治修復工程是“秦皇島市藍色海灣整治行動”中的重要組成部分, 整治修復岸線長度約1.1 km。主要工程措施包括灘肩補砂、水下沙壩吹填、人工岬角修復、景觀廊道(木棧道、木平臺)修復等, 如圖2b所示。在灘肩補砂區(qū)域設計灘肩頂高程為2.0 m (1985國家高程基準), 灘肩前緣高程為1.35 m。為節(jié)省補砂用量同時最大化海灘拓展寬度, 采用交匯型養(yǎng)灘剖面形式, 即灘肩前緣向陸為1:100的緩坡形式, 灘肩前緣向海為1:10的剖面坡度直至與自然海床相交,如圖2c所示。設計灘肩寬度根據岸線形狀隨位置不同而異, 整體上平均向海拓寬30～50 m (如圖2d, 2e所示), 補砂量約3.4×105m3。沙壩位置設置在離岸約200 m處, 每段沙壩長約200 m, 壩頂底寬分別為60 m和80 m, 壩頂高程為–0.9 m (如圖2c所示)。吹填砂量約12×104m3。養(yǎng)灘砂最好的砂料是與沙灘原有的泥沙具有相同的顆粒組成, 但一般不易得到, 通常為了使養(yǎng)灘砂不易流失, 因此選擇中值粒徑50為原來海灘沙的1～1.5倍為補砂材料(鄒志利, 2009)。本工程考慮到補砂材料獲取的難易程度和經濟性采用粒徑50介于0.29～0.35 mm之間的海砂作為養(yǎng)灘砂補充灘肩區(qū)域以及吹填水下沙壩。項目實施旨在有效地整治修復該區(qū)域岸灘, 使得岸灘侵蝕后退問題得到有效遏制。

2 數學模型建立及驗證

MIKE21是由丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute)開發(fā)的平面二維數學模型(DHI, 2014), 作為專業(yè)的工程軟件包常用于建立河口、海灣、海岸和河流湖泊及海洋的區(qū)域模型, 模擬水流、波浪、泥沙及水質等自然物理現象, 在河口海岸水環(huán)境管理、海洋預報、風暴潮預警和河口海岸及海洋工程規(guī)劃設計論證等方面均得到廣泛應用。本研究使用MIKE21基于建立好的波流耦合模型建立了泥沙輸運和海床演變模型, 波流耦合模型的建立和驗證過程可參考匡翠萍等(2019)的研究成果, 這里僅介紹關于泥沙輸運和海床演變模型的控制方程、參數設置以及模型驗證。

2.1 基本控制方程

2.1.1 泥沙輸運控制方程

泥沙輸運通過計算泥沙的對流擴散方程實現, 控制方程具體如下:

泥沙淤積、侵蝕公式分別如下:

圖2 渤海區(qū)域圖(a)、工程區(qū)域圖(b)、工程典型剖面設計圖(c)、2018年10月工程前衛(wèi)星遙感圖(d)、2019年10月工程后衛(wèi)星遙感圖(e)

泥沙沉降速度采用Van Rijn(1993)公式, 根據粒徑分段計算:

侵蝕臨界切應力采用唐存本(1963)的臨界起動切應力公式, 該公式總結了粗砂和細砂起動的統一規(guī)律(同時考慮泥沙的重力特性和黏結力), 具體如下:

泥沙的淤積和侵蝕需要根據實際底床切應力與淤積、侵蝕臨界切應力相對大小關系來進行計算。由于在近岸水環(huán)境中需要同時考慮潮流和波浪對泥沙沖淤的作用, 因此實際底床切應力的計算采用Soulsby(1993)的最大底床切應力公式, 如下:

2.1.2 海床演變控制方程

2.2 模型設置

為兼顧模型的計算精度和計算效率, 利用MIKE 21建立了渤海和秦皇島海域的雙層嵌套模型(如圖3a所示), 模型網格為非結構網格類型。渤海大模型總面積約84 000 km2, 以大連至煙臺連線為東側開邊界, 模型網格節(jié)點數為14 183個, 網格單元數為23 419個。秦皇島小模型的三條開邊界由渤海大模型的計算結果提供, 模型網格節(jié)點數為4 888個, 網格單元數為9 099個, 模型對工程區(qū)域網格進行了加密并由工程區(qū)向外海逐漸稀疏, 外海邊界處網格分辨率較低, 約為4 km, 工程區(qū)域處分辨率較高, 約為20 m。模型的地形高程采用1985國家高程基準。

在建立好的網格基礎上進行網格地形設置, 大模型根據中國人民解放軍海軍海道測量局測量的海圖設置地形, 小模型結合工程區(qū)域當地原有地形和工程中灘肩補砂和沙壩吹填的設計剖面設置地形,具體的灘肩和水下沙壩在模型地形中的設置見圖3d。底床糙度采用尼古拉茲糙度表示, 根據研究區(qū)域的水深和底質粒徑變化經率定后設為0.001 6～0.020 0 m?？剖狭Ω鶕浘暥扔嬎? 模型中考慮科氏力和風的修正。泥沙的沉降速度取常值為0.03 m/s。侵蝕臨界切應力根據公式(6)計算, 由于灘肩、沙壩補砂粒徑與海灘原始泥沙粒徑不同(灘肩、沙壩補砂平均中值粒徑為0.32 mm, 海灘原始泥沙中值粒徑為0.15 mm), 灘肩和沙壩區(qū)域侵蝕臨界切應力設置為0.23 N/m2, 其他工程區(qū)域設置為0.12 N/m2。按曹祖德等(1994)提出的淤積臨界切應力為侵蝕臨界切應力的4/9的經驗關系, 模型的臨界淤積切應力灘肩和沙壩區(qū)域取為0.1 N/m2, 其他工程區(qū)域取為0.05 N/m2。侵蝕系數取為6×10–5～7.9×10–4kg/(m2?s)。

本文首先選擇具有代表性的大潮分別與常浪、強浪耦合并對耦合作用下有無工程情景下的水動力和懸沙濃度進行對比分析, 然后對波流耦合作用下有無工程情景下的海床演變進行對比分析, 其中常浪和強浪兩種代表浪根據表1中的參數進行設置。

2.3 模型驗證

本研究的泥沙輸運和海床演變模型基于驗證良好的潮流模型和波浪模型建立, 關于潮流模型和波浪模型的驗證(包括潮位、流速、流向、波高、波周期、波向)可參考匡翠萍等(2019)。

在工程海域設置SH、XKH兩個懸沙濃度測站(位置如圖3b所示), 使用OBS (Optical Back Scattering)濁度計分別于2016年10月15～16日、18～19日進行連續(xù)26 h的懸沙濃度測量, 觀測時間間隔為2 h, 觀測得到兩處測站的垂向平均懸沙濃度較低, 均在40 g/m3左右。由于OBS測得的數據是濁度值, 需要經過泥沙校準才能得到水體泥沙實際濃度值。采用現場泥沙標定的方法, 即測量時與OBS同步采集水樣, 然后測定現場采集水的懸沙濃度, 采用回歸法建立濁度與懸沙濃度兩者關系實現標定。

基于這兩處測站的懸沙濃度數據對泥沙輸運模型進行驗證, 如圖4所示。泥沙輸運模型在工程海域兩測站的懸沙濃度計算值與實測值在數值量級和趨勢上較為相近, 平均懸沙濃度偏差在SH、XKH兩處分別為2.7%、1.2%。根據《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規(guī)程》中泥沙輸運模型的驗證精度控制要求(中華人民共和國交通運輸部, 2010), 兩測站的懸沙濃度計算值與實測值的偏差均小于30%, 滿足精度要求, 能夠反映波流作用下的泥沙輸運規(guī)律, 可以用于進一步研究工程區(qū)域的泥沙輸運和海床演變對工程的響應規(guī)律。由于缺少工程后的地形實測資料, 因此將模型計算的本工程地形變化與“秦皇島市藍色海灣整治行動”中的其他兩處工程的地形變化進行比較, 得到類似的規(guī)律, 具體見3.2節(jié)。

圖3 渤海大模型計算區(qū)域(a)、秦皇島小模型計算區(qū)域(b)、工程前研究區(qū)域地形(c)、工程后研究區(qū)域地形(d)

圖4 XKH測站(a)、SH測站(b)懸沙濃度驗證

3 水沙對岸線整治修復工程的響應特征

3.1 大潮與常浪耦合下的水動力和泥沙分布特征

為了探究岸線整治工程的實施對于泥沙輸運的影響, 分別采用大潮與常浪、強浪耦合并對波流耦合作用下有無工程情景下的流場、波浪場和泥沙場進行分析。圖5為大潮與常浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻流場和波浪場。如圖5a、圖5c所示, 在無工程情景下外海流場呈現往復流特征, 具體表現為SW向的漲潮流和NE向的落潮流。由于南側人工岬角向海伸出距離較長, 因此對于研究區(qū)域的流場影響較大: 落潮時, 南側人工岬角端部的挑流作用使得該處流速增大, 達到0.2 m/s左右, 且在岬角下游掩護區(qū)(兩座人工岬角所圍矩形水域)形成逆時針的環(huán)流, 流速分布呈現由環(huán)流中心向外逐漸增大的趨勢; 漲潮時, 南側人工岬角附近流速同樣增強, 但和落潮時相比較小, 在岬角下游掩護區(qū)形成順時針的環(huán)流, 尺度比落潮時小。比較圖5a、圖5c, 流速整體上落急時刻大于漲急時刻。和南側人工岬角相比, 北側人工岬角對于流場的影響較小。如圖5b、圖5d所示, 有工程情景下, 兩座沙壩以外海域的流場在漲落急時刻和無工程情景下基本一致。在沙壩處, 由于水深較淺漲落急時均出現流速局部增強的現象, 落急時刻流速最大達0.20 m/s, 漲急時刻流速最大達0.18 m/s, 沙壩處流速落急時刻大于漲急時刻。在落急時刻北沙壩處(圖5b), 流場方向與波浪方向基本一致(如圖5f), 主要為NW向; 在南沙壩處, 沙壩北部的流場方向與波浪方向基本一致, 為NW向, 沙壩南部由于南側人工岬角挑流的影響速度方向發(fā)生偏轉, 從南向北由NE向逆時針偏轉為NW向。在漲急時刻(圖5d), SW向漲潮流由于波浪的影響在兩座沙壩處發(fā)生順時針偏轉。因此,沙壩處的增強水流主要為受波浪控制的波生流, 且受潮流影響發(fā)生部分偏轉。比較圖5b、5d, 流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 且沙壩與人工岬角所圍水域的流速與無工程情景下相比減弱。圖5e為無工程情景下的常浪波浪場, 有效波高由外海向近岸逐漸減弱, 在兩座人工岬角后方形成波影區(qū), 方向稍有偏轉。圖5f為有工程情景下的常浪波浪場, 外海波浪場與無工程情景下一致, 工程的實施使得沙壩處的有效波高局部增大而沙壩后側減小, 說明波浪在沙壩處未破碎而在沙壩后破碎, 沙壩后側波高整體比無工程情景下小, 有效波高從壩頂最大的0.37 m減小到壩后最小的0.22 m, 減小了41%。因此沙壩一定程度上消減了波浪, 營造了沙壩后側的低能量波浪場。工程的實施使得海灘近岸海域的水動力(潮流、波浪)減弱。

圖6為大潮與常浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻懸沙濃度場和底床切應力場。如圖6a、圖6c所示, 在無工程情景下, 懸沙濃度整體呈現近岸大遠海小的規(guī)律且落急時刻小于漲急時刻, 落急時刻最大濃度達19 g/m3, 漲急時刻最大濃度達23 g/m3。懸沙濃度的分布基本與底床切應力一致(圖6b, 6d), 漲落潮時刻兩座人工岬角掩護后方均出現低切應力區(qū)域。低切應力區(qū)域的懸沙濃度也較低, 除了落急時刻南人工岬角北側掩護區(qū)域(圖6a), 該處由于逆時針的環(huán)流將泥沙帶入因而懸沙濃度較高。因此, 懸沙濃度分布主要受底床切應力控制, 部分受水動力影響。如圖6e、圖6g所示, 在有工程情景下, 懸沙濃度同樣為近岸高遠海低, 尤其在沙壩區(qū)域懸沙濃度明顯高于周圍水域, 落急時刻最高達28 g/m3, 漲急時刻最高達35 g/m3, 懸沙濃度整體上落急時刻小于漲急時刻。懸沙濃度的分布基本與底床切應力一致(圖6f, 6h), 除了在南沙壩后側出現了泥沙擴散, 即在南沙壩處落潮時刻由于NW向強流速懸沙濃度向NW方向擴散、漲急時刻由于W向強流速懸沙濃度向W方向擴散。因此可以得出, 工程實施后研究區(qū)域近岸的懸沙濃度分布主要由底床切應力控制, 部分受水動力影響。

3.2 大潮與強浪耦合下的水動力和泥沙分布特征

圖7為大潮與強浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻流場和波浪場。如圖7a、圖7c所示, 外海流場與常浪作用下的情景(圖5a, 5c)基本一致且流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 近岸工程區(qū)域由于強浪作用落急時刻逆時針環(huán)流尺度減小但強度增大, 漲急時刻在北人工岬角南側新出現了順時針的環(huán)流。如圖7b、圖7d所示, 外海流場同樣與常浪作用下的情景(圖5b, 5d)基本一致且流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 近岸工程區(qū)域在兩座沙壩處由于較淺的水深和強浪波高出現了急劇增強的水流, 落急時刻達0.86 m/s, 漲急時刻達0.85 m/s, 遠大于常浪下的流速,方向基本與強浪向一致(圖7f), 因此增強水流主要為波生流。圖7e、圖7f為無工程情景下的強浪波浪場, 其分布特征與常浪情景下(圖5e, 5f)相似但有效波高整體較大。但是, 在兩座沙壩處(圖7f), 有效波高急劇減小, 說明波浪在沙壩處已破碎, 且沙壩后側有效波高整體比無工程情景下小。有效波高從壩前最大0.99 m到壩后最小0.38 m, 減小了62%, 因此沙壩有效減弱了波浪, 且對強浪的削減效率大于常浪。

圖5 大潮與常浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻流場和波浪場

注: a. 無工程情景下落急時刻流場; b. 有工程情景下落急時刻流場; c. 無工程情景下漲急時刻流場; d. 有工程情景下漲急時刻流場; e. 無工程情景下常浪波浪場; f. 有工程情景下常浪波浪場

圖6 大潮與常浪耦合時有無工程情景下落漲急時刻懸沙濃度場和底床切應力場

注: a. 無工程情景下落急時刻懸沙濃度場; b. 無工程情景下落急時刻底床切應力場; c. 無工程情景下漲急時刻懸沙濃度場; d. 無工程情景下漲急時刻底床切應力場; e. 有工程情景下落急時刻懸沙濃度場; f. 有工程情景下落急時刻底床切應力場; g. 有工程情景下漲急時刻懸沙濃度場; h. 有工程情景下漲急時刻底床切應力場

圖7 大潮與強浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻流場和波浪場

注: a. 無工程情景下落急時刻流場; b. 有工程情景下落急時刻流場; c. 無工程情景下漲急時刻流場; d. 有工程情景下漲急時刻流場; e. 無工程情景下強浪波浪場; f. 有工程情景下強浪波浪場

圖8為大潮與強浪耦合時有無工程情景下漲落急時刻懸沙濃度場和底床切應力場。如圖8a～圖8d所示, 無工程情景下強浪作用時的懸沙濃度場和底床切應力場與常浪作用時(圖6a, 6b, 6c, 6d)相似但數值整體較大。如圖8e、圖8g所示, 有工程情景下強浪作用時的懸沙濃度場與常浪作用時(圖6e, 6g)相比在沙壩處沒有出現明顯的高濃度區(qū)域, 而對應的底床切應力在沙壩處仍然出現了高切應力區(qū)域, 兩者分布特征并不一致。這可能是由于強浪作用時近岸整體的底床切應力遠大于常浪作用時, 導致沙壩周圍的泥沙大部分也處于懸浮狀態(tài), 因此并沒有明顯的與沙壩形狀相似的明顯的高濃度泥沙區(qū)域。與常浪作用時相同, 強浪作用下無論有無工程懸沙濃度整體上近岸大而遠海小且落急時刻小于漲急時刻。

4 波流耦合下的海床演變特征

為了研究波流耦合作用時有無工程情景下海床演變的差異和不同作用時長下研究區(qū)域海床演變的差異, 分別對有無工程情景下的地形進行了為期一個月和一年的模擬, 其中潮流為實際的天文潮時間序列, 波浪為常浪, 如圖9所示。在無工程情景下(圖9a, 9c), 一個月后和一年后的底床沖淤分布特征相似但一年后的沖淤程度更高: 在兩座人工岬角北側的掩護區(qū)均有明顯的淤積區(qū), 一個月后的最大淤積厚度達0.016 m, 一年后的最大淤積厚度達0.184 m; 在兩座人工岬角中間偏北的區(qū)域出現了侵蝕區(qū), 一個月后的最大侵蝕深度達0.011 m, 一年后的最大侵蝕深度達0.127 m?？梢? 盡管人工岬角對海灘有一定的掩護作用, 但是仍有部分區(qū)域出現了較大侵蝕。在有工程情景下(圖9b, 9d), 沙壩處出現了嚴重侵蝕, 而沙壩后的掩護海灘基本處于淤積狀態(tài)。一個月后, 沙壩最大侵蝕深度達0.114 m, 沙壩后側掩護區(qū)最大淤積厚度達0.023 m; 一年后, 沙壩最大侵蝕深度達0.902 m, 沙壩后側掩護區(qū)最大淤積厚度達0.212 m。工程施工后的沖淤特征和量值基本與“秦皇島市藍色海灣整治行動”中其他兩個岸線整治修復工程中海灘的沖淤特征與量值相近(匡翠萍等, 2021; Kuang, 2021), 且這三個工程海灘相距較近, 水動力和泥沙特性相似, 工程的主要施工內容也相似(均包括灘肩補沙和水下人工沙壩吹填), 間接表明了本研究泥沙輸運和海床演變模型的可靠性。

為了探究底床沖淤的原因, 圖10給出了時間平均的波流耦合余流場。如圖10a所示, 無工程情景下的余流場整體較小流速均在0.15 m/s以下, 在南人工岬角端部處出現離岸向的最大余流, 因此該處的泥沙隨余流離岸輸運且呈現侵蝕態(tài)勢。工程區(qū)域整體上底床沖淤分布特征與底床切應力(圖6b, 6d)一致, 即在切應力大且超過侵蝕臨界切應的區(qū)域底床沖刷, 而切應力小且小于淤積臨界切應力的區(qū)域底床淤積。如圖10b所示, 有工程情景下在兩座沙壩處出現NW向的最大余流, 達到0.15 m/s, 方向與波浪方向一致(圖5f), 可知該處明顯的強余流是由于波浪傳播到該處因水深變淺而產生波生流, 并沖刷沙壩泥沙使泥沙隨波生流向沙壩掩護區(qū)輸運, 最終使得沙壩處底床侵蝕而沙壩后側底床淤積。因此, 沙壩處余流受波浪控制, 是泥沙輸運的主要動力, 且沙壩為其后側掩護區(qū)域提供沙源, 起到了有效養(yǎng)護海灘的作用。

5 結論

本研究基于驗證良好的波流耦合模型, 建立了泥沙輸運和海床演變模型。使用模型對大潮與常浪、強浪耦合下的懸沙濃度場進行探究, 并對波流耦合下的海床演變進行了模擬分析, 得到以下結論:

(1) 大潮與常浪耦合作用下, 無論有無工程存在, 研究區(qū)域周圍海域流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 南側人工岬角對于流場的影響大于北側人工岬角。沙壩處的增強水流主要為受波浪控制的波生流(方向主要為NW向), 且受潮流影響發(fā)生部分偏轉。受工程影響, 沙壩與人工岬角所圍水域的流速較弱。外海波浪場有無工程情景下一致, 有效波高由外海向近岸逐漸減弱。工程的實施使得沙壩處的有效波高局部增大而沙壩后側減小, 波浪在沙壩處未破碎而在沙壩后破碎, 沙壩后側波高整體比無工程情景下小, 沙壩一定程度上消減了波浪。工程的實施使得海灘近岸海域的水動力(潮流、波浪)減弱。懸沙濃度整體呈現近岸大遠海小的規(guī)律且落急時刻小于漲急時刻。工程實施后在沙壩處出現高懸沙濃度區(qū)域。懸沙濃度分布主要由底床切應力控制, 部分受水動力影響。

(2) 大潮與強浪耦合作用下, 外海流場與常浪作用下的情景基本一致且流速整體上落急時刻大于漲急時刻, 近岸工程區(qū)域落急時刻逆時針環(huán)流尺度減小但強度增大, 漲急時刻在北人工岬角南側新出現了順時針的環(huán)流。在沙壩處出現了急劇增強的水流, 速度遠大于常浪作用下的情景, 方向基本與強浪向一致。波浪在沙壩處已破碎, 沙壩對強浪的削減效率大于常浪。強浪作用時懸沙濃度整體上近岸大而遠海小且落急時刻小于漲急時刻。有工程情景下的懸沙濃度場在沙壩處沒有出現明顯的高濃度區(qū)域, 與底床切應力的分布特征并不一致。

圖8 大潮與強浪耦合時有無工程情景下落漲急時刻懸沙濃度場和底床切應力場

注: a. 無工程情景下落急時刻懸沙濃度場; b. 無工程情景下落急時刻底床切應力場; c. 無工程情景下漲急時刻懸沙濃度場; d. 無工程情景下漲急時刻底床切應力場; e. 有工程情景下落急時刻懸沙濃度場; f. 有工程情景下落急時刻底床切應力場; g. 有工程情景下漲急時刻懸沙濃度場; h. 有工程情景下漲急時刻底床切應力場

圖9 潮流和常浪耦合作用下一個月后和一年后有無工程情景下的底床沖淤

注: a. 無工程情景下一個月底床沖淤; b. 有工程情景下一個月底床沖淤; c. 無工程情景下一年底床沖淤; d. 有工程情景下一年底床沖淤

圖10 潮流和常浪耦合作用時有無工程情景下的余流場

注: a. 無工程情景下余流場; b. 有工程情景下余流場

(3)波流耦合作用下, 無工程情景下海灘近岸大部分區(qū)域持續(xù)侵蝕, 兩座人工岬角北側的掩護區(qū)有部分淤積區(qū), 因此人工岬角的護岸效果有限。有工程情景下沙壩處侵蝕而沙壩后側掩護區(qū)域淤積。沙壩處NW向余流受波浪控制, 是泥沙輸運的主要動力, 且沙壩為其后側掩護區(qū)域提供沙源, 起到了有效養(yǎng)護海灘的作用。

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SEDIMENT TRANSPORT AND SEABED EVOLUTION UNDER ARTIFICIAL HEADLAND AND BEACH NOURISHMENT ENGINEERING

HAN Xue-Jian1, KUANG Cui-Ping1, GONG Li-Xin2, LI Wen-Bin1

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. The Eighth Geological Brigade, Hebei Geological Prospecting Bureau, Qinhuangdao 066000, China)

It is a new measure to solve beach erosion issue by combing hard and soft methods, e.g. artificial headland and beach nourishment. Based on a well-validated hydrodynamic model, a numerical model of sediment transport and seabed evolution was established to simulate the sediment transport and seabed evolution of the beach between the Xinkai estuary and Nanshan in Qinhuangdao in a beach renovation and restoration engineering project. Results indicate that under the combined action of spring tides and normal waves, the speed of current at the maximum ebb is generally larger than that at the maximum flood. The speed of current within the shielded area behind sandbars is low. Meanwhile, the waves are enhanced on sandbars and broken behind them and thus weakened. The high concentration of suspended sediment appears on the sandbars. The distribution of suspended sediment concentration is mainly determined by the bed shear stress and partly influenced by the hydrodynamics. Under the combined action of spring tides and strong waves, the enhanced currents, i.e. wave-induced currents in the same direction of strong waves, occurs on the sandbars. The strong waves are broken atop the sandbars, which attenuate the strong waves more efficiently than the normal waves. Unlike the normal wave condition, the high suspended sediment concentration area does not appear at the sandbars under strong wave condition. Under the current-wave coupling, the protection effect of sole artificial headlands is not prominent. However, with the combined cooperation of artificial headlands and sandbars, the sandbars are effectively protected and the beach is nourished by sacrificing themselves to enrich the shielded areas.

artificial headland; beach nourishment; current-wave coupling; sediment transport; seabed evolution

* 國家自然科學基金資助項目, 41776098號, 41976159號。韓雪健, 博士研究生, E-mail: hanxuejian11@#edu.cn

匡翠萍, 博士生導師, 教授, E-mail: cpkuang@#edu.cn

2021-12-28,

2022-04-24

P753

10.11693/hyhz20211200345