匡翠萍， 韓雪健， 李文斌， 張甲波

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 河北省地礦局 第八地質(zhì)大隊(duì)， 河北 秦皇島 066000)

海岸線演變是海洋水動(dòng)力、海岸泥沙運(yùn)動(dòng)及海岸地貌之間平衡制約的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，隨著全球海平面上升逐漸加劇、海洋水動(dòng)力環(huán)境不斷發(fā)生變化，加之人類頻繁的海岸工程活動(dòng)，造成了目前世界范圍內(nèi)近70%砂質(zhì)海岸遭受不同程度侵蝕[1-2].河北省秦皇島作為著名沿海旅游城市，海港區(qū)新開(kāi)河口至南山岸線海灘侵蝕不斷加劇：灘面束窄、岸坡變陡、組成物質(zhì)粗化，部分岸線沙灘灘肩已基本消失，區(qū)內(nèi)東山浴場(chǎng)海灘生態(tài)功能和旅游休憩價(jià)值顯著下降同時(shí)威脅近岸建筑[3].而岬灣海岸作為自然界一種穩(wěn)定的海岸存在形式，達(dá)到平衡的岬灣海灘可保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，人工岬灣設(shè)計(jì)可以在岸線兩端布置硬防護(hù)結(jié)構(gòu)，使之形成弱動(dòng)力區(qū)達(dá)到減少海灘侵蝕效果[4].海灘養(yǎng)護(hù)作為環(huán)境友好親近自然的對(duì)策，通常是當(dāng)海灘自然供沙相對(duì)不足時(shí)，通過(guò)水力或機(jī)械搬運(yùn)的方法將一定顆粒級(jí)配的沙子填到海灘受侵蝕嚴(yán)重的部分，迅速地增加海岸平均高潮位以上海灘后濱的寬度[5-7].由于沙壩以各種形式存在于天然的砂質(zhì)海岸，進(jìn)行人工沙壩吹填可以消減波能的同時(shí)對(duì)后側(cè)海灘進(jìn)行喂養(yǎng)[8-9].楊燕雄等[10]針對(duì)西海灘整治工程采用弧形突堤和離岸潛堤構(gòu)成人工岬頭，形成三灣弧形穩(wěn)定岸線形態(tài),對(duì)砂質(zhì)海岸旅游海灘的治理具有一定的示范意義.張宇等[11]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在海區(qū)岬角處修建突堤和修筑離岸潛堤工程會(huì)顯著減小工程區(qū)內(nèi)潮流速度，利于養(yǎng)灘的形成和穩(wěn)定.Andrew等[6]基于拋物線模型模擬岬灣間平衡海灘，并利用海灘平衡模擬工具M(jìn)apbay和海岸營(yíng)力系統(tǒng)軟件SMC模擬,對(duì)不同時(shí)段的養(yǎng)灘過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證.Kuang等[5]利用率定和驗(yàn)證的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)北戴河西海岸海灘養(yǎng)護(hù)工程后2～3年內(nèi)仍需補(bǔ)沙,并提出了優(yōu)化方案.

潮流是海水在月球和太陽(yáng)的作用下周期水平流動(dòng)[12]，波浪自深海傳播至近岸海域受水深地形影響發(fā)生反射、折射、破碎等形成的沿岸流會(huì)引起泥沙運(yùn)動(dòng)和岸灘演變[13]，“波浪掀沙，潮流輸沙”，波浪和水流是長(zhǎng)期作用于海岸地區(qū)的主要水動(dòng)力因素[14-16].以秦皇島新開(kāi)河口至南山岸線為例，研究人工岬頭及海灘養(yǎng)護(hù)工程后的波流動(dòng)力響應(yīng)，分析波流動(dòng)力變化特征及規(guī)律.

1 數(shù)學(xué)模型介紹

MIKE 21模型是丹麥水力學(xué)研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發(fā)的通用數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)，主要模擬河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及環(huán)境變化.

1.1 基本控制方程

1.1.1潮流模型

潮流模型建立在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上.在笛卡爾坐標(biāo)系下，通過(guò)對(duì)三維動(dòng)量方程和連續(xù)方程沿水深積分得到二維淺水方程[17]：

(1)

(4)

亞網(wǎng)格尺度渦流黏度A由Samagorinsky公式(5)確定：

(5)

式中：cs為常數(shù)，取0.28；l為特征長(zhǎng)度；變形率Sij根據(jù)式(6)計(jì)算：

(6)

1.1.2波浪模型

MIKE 21 Spectral Wave(SW)模塊采用的是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下的風(fēng)成波浪譜模型，可以對(duì)近岸海域風(fēng)成浪和涌浪的成長(zhǎng)、消散與傳播變形進(jìn)行模擬.在笛卡爾坐標(biāo)系下，模型的控制方程為[18]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.2 人工岬頭及海灘養(yǎng)護(hù)設(shè)置

新開(kāi)河口至南山岸線東西兩端修建防波堤構(gòu)成岬頭，走向與岸灘基本垂直，東側(cè)防波堤長(zhǎng)約200 m，西側(cè)防波堤長(zhǎng)約300 m，為更好減弱潮流及波浪作用，西側(cè)導(dǎo)堤前部60 m處向岬灣內(nèi)彎曲約45°.具體為在MIKE 21軟件中structure一項(xiàng)下中選擇增加dike設(shè)置人工岬頭條件.

海灘修復(fù)工程為灘肩補(bǔ)沙與2座水下沙壩吹填.補(bǔ)沙岸線長(zhǎng)1.1 km，將人工沙灘的上限高程(即灘肩高程)設(shè)置為2.0 m(85國(guó)家高程基準(zhǔn))、灘肩由陸向海均為小于1∶100的緩坡形式，設(shè)計(jì)高水位以下剖面坡度為1∶10，直至與自然海床相交，整體向海拓寬沙灘30～50 m.吹填的2座水下人工沙壩離岸約200 m，每段沙壩長(zhǎng)200 m，底寬80 m，壩頂寬60 m，壩頂高程-0.9 m.具體為在MIKE 21軟件中通過(guò)修改地形數(shù)據(jù)設(shè)置海灘養(yǎng)護(hù)工程中的人工沙壩和灘肩補(bǔ)砂.人工岬頭及海灘養(yǎng)護(hù)工程如圖1所示.

為了表述方便，定義無(wú)岬頭無(wú)海灘養(yǎng)護(hù)為情況1，僅有人工岬頭工程為情況2，同時(shí)有人工岬頭和海灘養(yǎng)護(hù)工程為情況3.

1.3 模型范圍和計(jì)算網(wǎng)格

為保證計(jì)算精度同時(shí)考慮計(jì)算效率，利用MIKE 21軟件建立大、小雙重嵌套模型，大模型為小模型提供計(jì)算邊界條件.渤海大模型區(qū)域?yàn)榇筮B老虎灘至煙臺(tái)2個(gè)潮位站連線為開(kāi)邊界的整個(gè)渤海；秦皇島小模型區(qū)域陸地岸線南起團(tuán)林鄉(xiāng)，北至甘家村，模型向外海延伸大約46 km，研究重點(diǎn)區(qū)域?yàn)樾麻_(kāi)河口至南山岸線海域.

渤海大模型[19]總面積約84 000 km2，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 183個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為23 419個(gè)，唯一開(kāi)邊界是大連和煙臺(tái)2個(gè)潮位站連線.測(cè)站潮位數(shù)據(jù)來(lái)自2015年潮汐表[20].為選擇合適的秦皇島小模型計(jì)算網(wǎng)格，比選了粗、中、細(xì)3種網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為6 412、9 099、11 748，最小單元尺寸分別為12 m、5 m、5 m，所需計(jì)算時(shí)間分別為2.71 h、3.54 h、4.31 h；潮流計(jì)算粗網(wǎng)格下結(jié)果與中網(wǎng)格下結(jié)果的最大相對(duì)誤差小于9%，中網(wǎng)格下結(jié)果與細(xì)網(wǎng)格下結(jié)果的最大相對(duì)誤差小于4%；綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率，最終選擇中網(wǎng)格作為秦皇島小模型計(jì)算網(wǎng)格.秦皇島小模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 888個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)為9 099個(gè)，網(wǎng)格從外海到岸線由疏到密，外海邊界分辨率約為4 km，新開(kāi)河口至南山岸線最大分辨率為5 m.模型及網(wǎng)格如圖1，圖中左下角為情況3.

1.4 模型參數(shù)設(shè)置

小模型分為NE、SE、SW 3個(gè)開(kāi)邊界，采用流速和潮位控制的Flather邊界條件，由渤海大模型提供.固邊界采用不可滑移條件，即流速為零.渦黏性系數(shù)采用Samagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型來(lái)計(jì)算水平渦黏系數(shù)，其中常數(shù)CS取為0.28，渦黏系數(shù)A上下限分別取為1.0×1010m2·s-1和1.8×10-6m2·s-1.曼寧數(shù)根據(jù)底部泥沙粒徑分布，區(qū)域均值為74 m1/3·s-1，時(shí)間步長(zhǎng)取60 s.海岸邊界采用動(dòng)邊界模擬灘肩和潮間帶的干濕交換過(guò)程，取hdry=0.005 m，hflood=0.050 m，hwet=0.100 m.

2 模型驗(yàn)證

2.1 潮流模型驗(yàn)證

渤海大模型潮位選取了包括秦皇島測(cè)站在內(nèi)的11個(gè)測(cè)站多次驗(yàn)證，時(shí)間為2015年9月23和24日，選取當(dāng)中L1、L2、L3、L4這4個(gè)代表測(cè)站驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示.小模型選取了秦皇島海域的9個(gè)測(cè)站進(jìn)行流速、流向多次驗(yàn)證，時(shí)間為2013年5月16日08∶00至5月17日08∶00，選取當(dāng)中S1、S2這2個(gè)測(cè)站驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示.

b L2

c L3

d L4

2.2 潮流模型效率評(píng)價(jià)

數(shù)學(xué)模型在驗(yàn)證過(guò)程中存在誤差，模型誤差可能會(huì)受到網(wǎng)格大小、邊界條件、模型參數(shù)等因素的影響，為了把誤差控制在精度要求內(nèi)，進(jìn)行了多次率定.為了評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果的擬合程度，比較計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間的差異程度，引入一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行衡量.采用百分比模型偏差法(PB)用來(lái)計(jì)算模型的模型計(jì)算值M和相應(yīng)實(shí)測(cè)值D之間的偏差率，計(jì)算方法如下[21]：

(12)

當(dāng)PB≤10，認(rèn)為擬合結(jié)果極好；當(dāng)10

認(rèn)為擬合非常好；當(dāng)2040，認(rèn)為擬合差.

渤海大模型11個(gè)測(cè)站驗(yàn)證的PB在10.1～32.7之間，其中L1、L2、L3、L4測(cè)站PB為10.1、32.7、19.5、12.6，評(píng)價(jià)為好或非常好；秦皇島小模型9個(gè)測(cè)站流速驗(yàn)證PB在23.5～37.8之間，流向驗(yàn)證PB在18.5～34.0之間，S1、S2測(cè)站流速驗(yàn)證PB為28.5、26.1，流向驗(yàn)證PB為22.4、18.5，評(píng)價(jià)為好或非常好.綜合以上評(píng)價(jià)，潮流模型驗(yàn)證較好.

2.3 波浪模型驗(yàn)證

根據(jù)2016年秦皇島海洋波浪測(cè)站(圖1中BL1)的實(shí)測(cè)波浪統(tǒng)計(jì)資料，統(tǒng)計(jì)特征值和波浪模型數(shù)值模擬得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，波浪模型驗(yàn)證較好.

a S1流速

b S2流向

c S2流速

d S2流向

物理量統(tǒng)計(jì)特征值計(jì)算結(jié)果誤差/%周期4.06 s4.10 s0.98波高0.30 m0.35 m16.70波向155.2°157.0°1.16

3 潮流的響應(yīng)特征

圖4為自然情況(無(wú)岬頭無(wú)海灘養(yǎng)護(hù)的情況1)下新開(kāi)河口至南山近岸海域漲落急時(shí)刻潮流，基本屬于正規(guī)半日潮流，總體表現(xiàn)為順岸往復(fù)流，漲潮流主要為WSW向，落潮流為ENE向，潮流方向與岸線、等深線基本平行.

3.1 潮流對(duì)人工岬頭的響應(yīng)

圖5為情況2下新開(kāi)河口至南山近岸海域漲落急時(shí)刻的流場(chǎng)及情況2與情況1流速差值等值線.該區(qū)域無(wú)工程時(shí)流速0.090～0.165 m·s-1，人工岬頭修建后岬灣內(nèi)部流速0.015～0.090 m·s-1，流速絕對(duì)減小約0.075 m·s-1，相對(duì)減小約45.5%～83.3%.挑流作用使得岬頭前局部流速增加，西側(cè)岬頭前部流速增加0.060～0.140 m·s-1，東側(cè)岬頭前部流速增加0.020～0.040 m·s-1.漲急時(shí)刻，岬灣內(nèi)靠近東側(cè)岬頭處、西側(cè)岬頭外側(cè)處形成弱的環(huán)流；落急時(shí)刻，岬灣內(nèi)部靠近西側(cè)岬頭處、東側(cè)岬頭外側(cè)處形成弱的環(huán)流.即人工岬頭修建后會(huì)在岬頭后側(cè)形成弱環(huán)流.

a 漲急

b 落急

b 落急

3.2 潮流對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)工程的響應(yīng)

圖6為情況3下新開(kāi)河口至南山近岸海域漲落急時(shí)刻的流場(chǎng)及情況3與情況2流速差值等值線，即反映潮流對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)工程的響應(yīng).由于水下沙壩與水流走向保持基本平行，沙壩頂托水流起到一定的導(dǎo)流作用，整體上看流速的變化主要發(fā)生在灘肩、沙壩壩頂、沙壩后側(cè)以及2個(gè)沙壩之間的水流通道.

a 漲急

b 落急

漲急時(shí)刻在岬灣內(nèi)靠近東側(cè)岬頭處流速減小0.020 m·s-1，環(huán)流減弱；2個(gè)沙壩壩頂處，由于頂托作用流速增加約0.020～0.030 m·s-1；兩沙壩間流速減小約0.015 m·s-1.灘肩補(bǔ)沙使得岸灘前段向海前移，兩沙壩后側(cè)的灘肩處流速減小0.040～0.070 m·s-1，其余灘肩處流速減小較少，約0.010～0.020 m·s-1.落急時(shí)刻與漲急時(shí)刻流速變化區(qū)域分布相似：岬灣內(nèi)靠近西側(cè)岬頭處流速減小0.010～0.020 m·s-1，環(huán)流減弱；沙壩壩頂處流速增加約0.020 m·s-1；兩沙壩間流速減小約0.010 m·s-1.2座沙壩后側(cè)灘肩位置流速減少約0.050～0.060 m·s-1，其余灘肩處流速減小約0.010～0.020 m·s-1.

4 波浪的響應(yīng)特征

根據(jù)表1設(shè)置波浪入射條件，進(jìn)行波流耦合作用下波浪模擬，得到工程前后漲落急時(shí)刻波高分布分別如圖7和圖8所示，工程海域漲急時(shí)刻有效波高大于落急時(shí)刻有效波高.

a 情況1b 情況2c 情況3

圖8落急時(shí)刻有效波高分布

Fig.8Significantwaveheightdistributionsatthemaximumebb

4.1 波浪對(duì)人工岬頭的響應(yīng)

情況1下近岸海域波高等值線基本與岸線平行，有效波高0.250～0.350 m.對(duì)比情況1和情況2下的有效波高分布，由于波浪的繞射作用，人工岬頭后側(cè)波浪消減較明顯，漲急時(shí)刻消減0.125 m(50%)，落急時(shí)刻消減0.150 m(60%)，即人工岬頭在落急時(shí)刻消減波浪更為明顯.由于潮流對(duì)波浪的折射作用，靠近東側(cè)岬頭的岬灣內(nèi)落急時(shí)刻的波高弱于漲急時(shí)刻的波高.

4.2 波浪對(duì)海灘養(yǎng)護(hù)工程的響應(yīng)

情況3下有效波高在漲、落急時(shí)刻有效波高變化范圍相似：壩頂、沙壩后側(cè)及沙壩間有效波高發(fā)生明顯變化，相較于情況2，波浪在爬過(guò)壩頂時(shí)波高增加0.025 m，增加約10%；由于沙壩走向與波浪入射方向基本垂直，在2座沙壩后側(cè)有效波高削減約0.050～0.100 m，減少約15.4%～30.8%.由于地形變化，兩沙壩之間波高削減0.025 m，減少約10%.漲急時(shí)刻，灘肩前方海域有效波高減小0.050～0.100 m，減小約40%～50%；落急時(shí)刻灘肩前方海域有效波高減小約0.050 m，較漲急時(shí)刻減少小.

5 結(jié)論

基于MIKE 21軟件建立了研究區(qū)域潮流和波浪耦合模型，利用率定和驗(yàn)證好的模型，設(shè)置無(wú)岬頭無(wú)海灘養(yǎng)護(hù)工程、僅人工岬頭工程、同時(shí)有人工岬頭與海灘養(yǎng)護(hù)工程3種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)新開(kāi)河口至南山岸線海域典型時(shí)刻流場(chǎng)、波浪場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得到潮流流速和有效波高對(duì)人工岬頭及海灘養(yǎng)護(hù)工程的響應(yīng)特征如下：

(1) 新開(kāi)河口至南山岸線海域流速0.090～0.165 m·s-1，整體流速較??；人工岬頭修建后岬灣內(nèi)部流速減小約0.075 m·s-1，挑流作用使得東西岬頭前局部流速增加0.020～0.140 m·s-1.人工岬頭修建后會(huì)在岬頭后側(cè)形成弱環(huán)流.

(2) 海灘養(yǎng)護(hù)工程中沙壩與潮流主流向基本平行，沙壩修建后使得岬頭后側(cè)環(huán)流減弱；沙壩壩頂處由于頂托作用流速增加0.020～0.030 m·s-1；兩沙壩間通道減小0.010～0.015 m·s-1.灘肩補(bǔ)沙使得岸灘前段向海前移，灘肩前方海域整體流速減小，兩沙壩后側(cè)的流速減少更多.

(3) 人工岬頭對(duì)其后側(cè)區(qū)域有較好的波浪消減作用，漲急時(shí)刻有效波高大于落急時(shí)刻有效波高.海灘養(yǎng)護(hù)工程主要使得壩頂、沙壩后側(cè)及兩沙壩間有效波高發(fā)生改變：壩頂有效波高增加約10%，沙壩后側(cè)有效波高削減明顯，達(dá)15.4%～30.8%，沙壩之間有效波高削減約10%.灘肩前方海域有效波高減小，漲潮波高減小量多于落潮波高減小量.

綜上，侵蝕砂質(zhì)海灘修復(fù)可在岸線兩端修建人工岬頭，形成人工岬灣，減弱岬灣內(nèi)的海岸動(dòng)力；同時(shí)進(jìn)行灘肩補(bǔ)沙和修建水下涉壩，進(jìn)一步減弱沙壩后側(cè)水動(dòng)力，沙壩也可對(duì)海灘提供長(zhǎng)期喂養(yǎng)沙源，減少海岸侵蝕.