李松喆

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

沙質(zhì)岸灘是海岸重要的組成部分，受人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境等影響，70%的沙質(zhì)海岸侵蝕嚴(yán)重[1-3]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們開(kāi)始探索通過(guò)人工島式填島實(shí)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(duì)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(shì)[5]。與傳統(tǒng)的依托現(xiàn)有海岸向海推進(jìn)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(dòng)力地貌演變等因素。而不同人工島方案因?yàn)槠浯笮?、離岸距離及所處位置的差異，對(duì)工程后海域內(nèi)的海洋動(dòng)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(shí)施河道清淤的情況下，人工島的建立并不會(huì)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(shí)對(duì)潮流的影響并非二者單獨(dú)作用的線性疊加，而是存在著非線性的關(guān)系[7]。?？跒衬虾Ｃ髦槿斯u建成后對(duì)應(yīng)岸灘形成向海凸出的舌狀岸線，而其兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)海岸侵蝕，可采取海灘補(bǔ)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(zhǎng)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(yáng)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(huì)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(diǎn)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(kāi)發(fā)利用，而針對(duì)紅塘灣海域動(dòng)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(duì)較少。趙永印等[11]采用動(dòng)力地貌與岸灘演變、理論分析等手段，對(duì)紅塘灣海域岸段的岸線變化及海床灘沖淤進(jìn)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(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，探討了紅塘灣毗鄰海域潮汐不對(duì)稱(chēng)性分布特征及機(jī)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(yùn)動(dòng)；左書(shū)華[14]根據(jù)紅塘灣海域不同時(shí)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(yùn)動(dòng)特征；王艷紅[15]采用遙感反演和對(duì)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(diǎn)關(guān)注了紅塘灣區(qū)域的動(dòng)力條件和自然演變特征，針對(duì)自然和人類(lèi)活動(dòng)雙重因素影響下的沙質(zhì)岸線的響應(yīng)與模擬預(yù)測(cè)研究尚少。

以海南省紅塘灣海域岸線為對(duì)象，系統(tǒng)分析海域的動(dòng)力泥沙環(huán)境、自然沖淤演變特征以及泥沙運(yùn)動(dòng)特征等變化，采用潮流、波浪數(shù)學(xué)模型分析人工島實(shí)施對(duì)該海域動(dòng)力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動(dòng)力機(jī)制的影響，采用岸灘演變數(shù)學(xué)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(lèi)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(lèi)型Fig. 1 Geomorphic types of coastal beach in Hongtang Bay

1.2 風(fēng)、浪、流特性

紅塘灣為典型開(kāi)敞弧形海灣，據(jù)榆林站1954-1992年共39年潮位統(tǒng)計(jì)，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?yè)?jù)2016年春夏秋冬四季實(shí)測(cè)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(diǎn)，在10 m以淺區(qū)域，漲落潮平均流速不超過(guò)0.3 m/s，近岸流速小，潮流對(duì)岸灘及其水下岸坡的作用微弱。該海域全年常風(fēng)向?yàn)镹E，頻率為13.6%，次常風(fēng)向?yàn)镋，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(fēng)為常風(fēng)向，但其為陸向風(fēng)，對(duì)沿岸海域的影響有限，而SW向?yàn)楹Ｏ蝻L(fēng)，對(duì)沿岸海域影響顯著，對(duì)海區(qū)波浪及泥沙運(yùn)動(dòng)影響最為顯著，特別是夏、秋季節(jié)的熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)所伴生的暴風(fēng)浪對(duì)沿岸海域和岸灘產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和侵蝕作用。該海域全年以風(fēng)浪占優(yōu)勢(shì)，2016年4月-2017年4月全年的波浪觀測(cè)顯示(見(jiàn)圖2)，全年最大浪的浪向?yàn)镾W，全年次最大浪的浪向?yàn)閃SW，全年常浪向?yàn)镾SE，出現(xiàn)率為43.01%；全年次常浪向?yàn)镾，出現(xiàn)率為29.21%。

圖2 紅塘海區(qū)實(shí)測(cè)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(yùn)動(dòng)特征與沖淤演變特征

從該海域的泥沙來(lái)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(lái)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(xì)以及沿岸底質(zhì)自西向東逐漸變細(xì)的分布特征，表明沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)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(duì)較小，此外，從距西北約60 km的鶯歌海海洋站長(zhǎng)期實(shí)測(cè)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(duì)稱(chēng)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(dān)油港河口口門(mén)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(shí)測(cè)水深測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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?xún)?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(duì)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(hù)下巖灘內(nèi)側(cè)的沙灘近數(shù)十年來(lái)變化很小。

3) 太平洋油碼頭以東至擔(dān)油港口門(mén)，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(lái)整體表現(xiàn)為沖刷，最大后退不超過(guò)20 m。

4) 擔(dān)油港口門(mén)區(qū)域處于激浪作用強(qiáng)盛的高能環(huán)境，沙壩沖刷泥沙向海搬運(yùn)，導(dǎo)致岸線有所沖刷，年沖刷2 m左右，擔(dān)油港口門(mén)至天涯鎮(zhèn)岸灘由于沙灘巖分布，削弱了部分波能，相對(duì)平緩，多年來(lái)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(dá)50 m左右；天涯石以東岸線海灘與礁石相間分布，沖淤波動(dòng)頻繁，未表現(xiàn)出的趨勢(shì)性過(guò)程，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

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

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

收集了1986-2019年期間實(shí)測(cè)水深測(cè)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(cè)資料，推求近海波浪要素及波浪場(chǎng)；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(dòng)力條件。

2.2 模型建立與驗(yàn)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(lèi)，因海岸岸線模型具有計(jì)算快的優(yōu)點(diǎn)，在模擬預(yù)測(cè)大范圍、長(zhǎng)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(jì)算向～離岸兩控制點(diǎn)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(shí)間；Qsou(x)表示泥沙源/匯項(xiàng)；hact(x)表示有效海灘剖面高程；Q(x)表示沿岸泥沙運(yùn)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(jì)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(jìn)行固化處理，無(wú)沖淤變化，并在東西兩側(cè)預(yù)留足夠長(zhǎng)度的緩沖岸段長(zhǎng)度，模擬范圍共約25 km，沿岸分為間隔20 m共1 250個(gè)計(jì)算單元。地形、岸線、沉積物采用該海域2019年實(shí)測(cè)水下地形和2014年底質(zhì)取樣數(shù)據(jù)，基巖岸段進(jìn)行了固化處理，無(wú)沖刷，其中，根據(jù)近岸波浪傳播變形的數(shù)學(xué)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(shí)施工程主要是南山觀音人工島，以南山觀音人工島實(shí)施以來(lái)的岸灘沖淤變化，分析該海域人工島的實(shí)施對(duì)岸灘沖淤演變的影響。南山觀音人工島于2000年1月5日開(kāi)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(kāi)展岸線演變模型驗(yàn)證，以2000年岸線為本底，分布開(kāi)展南山觀音人工島實(shí)施10年內(nèi)岸線的沖淤演變情況，驗(yàn)證結(jié)果顯示，從沖淤量級(jí)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(jì)算結(jié)果與實(shí)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(shí)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(zhǎng)200 m、最大淤積達(dá)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(lái)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(hù)區(qū)淤積岸段形成長(zhǎng)約200 m、幅度40～60 m的淤積體，因不同風(fēng)浪條件下人工島對(duì)岸段的掩護(hù)形勢(shì)差異，淤積體頭部擺動(dòng)和淤蝕變化較為活躍，左右擺動(dòng)幅度30 m左右，沖淤波動(dòng)也可達(dá)20～30 m，其中2015-2019年，因人工島周邊防護(hù)體受損后修復(fù)使人工島掩護(hù)防護(hù)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(jìn)一步向海淤長(zhǎng)約10 m。南山觀音人工島以西至南山角基巖海岸長(zhǎng)約600 m的岸段近年來(lái)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(dá)20 m左右。同時(shí)，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(dòng)明顯，不同季節(jié)的沖淤波動(dòng)幅度超過(guò)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(hù)岸灘整體較為穩(wěn)定，2015年以來(lái)的未出現(xiàn)明顯的沖淤波動(dòng)。

圖5 2010年以來(lái)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(shí)施后的動(dòng)力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動(dòng)力機(jī)制分析

擬建人工島地處三亞紅塘灣(見(jiàn)圖1)，通過(guò)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(zhǎng)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(dòng)力條件，填海造陸必將影響紅塘灣原有的水動(dòng)力條件，進(jìn)而重新塑造水動(dòng)力、泥沙沖淤環(huán)境，水動(dòng)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(guò)潮流數(shù)學(xué)模型和波浪數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)預(yù)測(cè)人工島實(shí)施后的該海域近岸潮流和波浪動(dòng)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(shí)施對(duì)岸灘沖淤的可能影響。

3.1 人工島對(duì)海域潮流動(dòng)力的影響分析

采用Mike21FM 模塊開(kāi)展潮流計(jì)算分析，選取2019年7月在該海域施測(cè)的大、中、小潮潮流資料進(jìn)行潮流模型驗(yàn)證，模擬結(jié)果無(wú)論從數(shù)值還是相位上均與原型水體運(yùn)動(dòng)達(dá)到較好的相似性。自然條件下潮流場(chǎng)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(shì)和水下地形等深線走勢(shì)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(dá)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(shì)和等深線走勢(shì)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(shí)施后潮流場(chǎng)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(dá)到2.11 m/s，人工島與陸岸之間區(qū)域，過(guò)水?dāng)嗝鏈p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(dá)到1.81 m/s，人工島實(shí)施后該區(qū)域內(nèi)流速對(duì)床面泥沙具備一定的沖刷能力，但潮流動(dòng)力對(duì)海床沖刷作用時(shí)間分布在大潮漲、落急時(shí)刻附近較短時(shí)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(jiàn)圖6)，人工島實(shí)施前后平均流速變化基本小于0.1 m/s，實(shí)施后近岸最大潮流流速不超過(guò)0.2 m/s，小于近岸泥沙起動(dòng)流速0.42～0.50 m/s，因此，人工島引起的潮流變化對(duì)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(shí)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(duì)海域波浪動(dòng)力的影響分析

基于SWAN模型，采用兩重嵌套的計(jì)算方案，建立近岸波浪傳播變形的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)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(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)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(chǎng)圖(圖7)，波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)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(shí)，有效波高減小了5%～25%，波向偏轉(zhuǎn)13°左右，S向波浪作用時(shí)，有效波高減小了1%～15%，波向偏轉(zhuǎn)10°左右，SSE向波浪作用時(shí)，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(shí)，有效波高減小了2%～21%，波向偏轉(zhuǎn)8°左右；S向波浪作用時(shí)，有效波高減小了7%～35%，波向偏轉(zhuǎn)10°左右；SSE向波浪作用時(shí)，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(shí)，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(shí)，有效波高減小19%～57%，波向偏轉(zhuǎn)25°向左右；SSE向波浪作用時(shí)，有效波高減小了11%～54%，波向偏轉(zhuǎn)20°左右。

總的來(lái)看，因人工島是處于來(lái)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(shí)，人工島西北側(cè)波高減弱，S向波浪作用時(shí)，人工島北側(cè)波高減弱，SSW向波浪作用時(shí)，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(duì)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(dòng)力條件，對(duì)于研究海域而言，潮流強(qiáng)度整體較小，目前的自然流速基本不具備起動(dòng)當(dāng)?shù)啬嗌车臈l件，加之外來(lái)泥沙供給有限，海床整體較為穩(wěn)定。人工島實(shí)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(dòng)近岸岸灘泥沙的基本條件。

就波浪場(chǎng)變化而言，人工島實(shí)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(duì)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(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)(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(yùn)動(dòng)角度，波浪本海域近岸淺水區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)的控制動(dòng)力，近岸區(qū)域的波浪場(chǎng)改變將是人工島引起泥沙運(yùn)動(dòng)調(diào)整的主要方面。其主要表現(xiàn)為：

首先，對(duì)于在測(cè)驗(yàn)水位環(huán)境過(guò)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(gè)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(cuò)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(fēng)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(dòng)狀態(tài)。要避免或減少誤差對(duì)水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，可以采取以下措施：（1）要對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)考察測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；（3）要盡量在風(fēng)力小、風(fēng)浪穩(wěn)定的氣候條件下進(jìn)行檢測(cè)。

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(shì)，并形成自?xún)蓚?cè)向中間的泥沙運(yùn)動(dòng)，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(shì)的改變是人工島實(shí)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(gè)方向的沿岸輸沙，兩個(gè)方向輸沙的量級(jí)相當(dāng)，凈輸沙量不大。當(dāng)泥沙沿岸輸運(yùn)至人工島掩護(hù)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(dòng)力條件，因此在人工島掩護(hù)區(qū)形成局部淤積的同時(shí)，淤積岸段兩側(cè)一定范圍的沖刷也將是人工島實(shí)施后對(duì)岸灘沖淤影響的重要方面。

3) 動(dòng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)20 m，塑造海灘所需的粗顆粒泥沙基本不具備繞過(guò)南山角向東運(yùn)移的條件，對(duì)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(yùn)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(chǎng)的改變后泥沙具有向西運(yùn)移形成沖淤調(diào)整的條件。

4 不同人工島平面布置形式對(duì)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(duì)沙質(zhì)海岸動(dòng)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(duì)人工島方案進(jìn)行適當(dāng)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(jìn)行開(kāi)口(開(kāi)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(dòng)2.5 km，離岸距離達(dá)5.6 km，減小人工島對(duì)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(shí)施后的岸線變化，實(shí)施10年后岸線變化結(jié)果見(jiàn)圖8。從各布置型式對(duì)人工島東西兩側(cè)岸灘的動(dòng)力泥沙機(jī)制和沖刷影響看：

圖8 離岸人工島不同布置型式實(shí)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(dòng)力場(chǎng)的變化來(lái)看，人工島對(duì)SSE和SSW向波浪遮蔽作用進(jìn)一步增強(qiáng)，天涯海角和南山附近岸段的波浪作用得到加強(qiáng)，實(shí)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(kuò)展約25 m，擔(dān)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(jìn)一步加強(qiáng)，南海觀音島西側(cè)和東側(cè)后退幅度有所增強(qiáng)，岸線變化與岸灘影響的動(dòng)力泥沙機(jī)制變化是相適應(yīng)的。

2) 人工島開(kāi)口后動(dòng)力場(chǎng)的改變來(lái)看，部分SSE向波浪通過(guò)開(kāi)口處由深海向近岸傳播，人工島對(duì)SSE向波浪遮蔽作用有所減弱，而對(duì)SSW向波浪的遮蔽作用幾乎沒(méi)有影響，實(shí)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(dān)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(dòng)力場(chǎng)的改變來(lái)看，由于人工島位置相對(duì)遠(yuǎn)離天涯海角和南山岸段，對(duì)SSE和SSW向波浪遮蔽作用也均有所減弱，實(shí)施后的岸線變化表明，增加離岸距離對(duì)緩解人工島掩護(hù)區(qū)東西兩側(cè)岸灘的沖刷后退起一定的抑制作用，對(duì)紅塘灣岸段沖淤演變影響有所減小，但紅塘灣岸灘動(dòng)力泥沙格局并未發(fā)生本質(zhì)性改變，對(duì)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(yùn)動(dòng)的控制動(dòng)力，人工島實(shí)施對(duì)岸灘沖淤的影響也是通過(guò)改變近岸波浪場(chǎng)傳播實(shí)現(xiàn)的，從泥沙動(dòng)力機(jī)制和岸灘沖淤演變趨勢(shì)來(lái)看，各人工島布置方式對(duì)岸灘沖淤演變影響的動(dòng)力泥沙機(jī)制和沖淤總體分布基本一致，均表現(xiàn)為人工島掩護(hù)區(qū)東側(cè)和西側(cè)一定范圍的沖刷和人工島掩護(hù)區(qū)的淤積，對(duì)人工島東側(cè)岸灘，人工島實(shí)施后對(duì)該岸段S、SSW和SSW方向的波浪形成掩護(hù)，造成偏SE向波浪作用相對(duì)增加，形成這一岸段向西的沿岸凈輸沙造成沖刷，對(duì)人工島西側(cè)附近岸灘，人工島實(shí)施后對(duì)該岸段S、SSE和SE方向的波浪形成掩護(hù)，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(qiáng)，該岸線將形成沖刷趨勢(shì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究分析了紅塘灣海域多年來(lái)岸線情況，采用波浪和潮流數(shù)學(xué)模型研究分析了人工島實(shí)施對(duì)該海域動(dòng)力泥沙環(huán)境及岸灘沖淤動(dòng)力機(jī)制的影響，最后采用LITLINE岸線演變模型，模擬計(jì)算了不同離岸距離和不同平面形態(tài)2類(lèi)人工島平面布置型式對(duì)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(dòng)態(tài)的緩慢沖刷后退趨勢(shì)，離岸人工島實(shí)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(chǎng)的改變是導(dǎo)致沿岸輸沙變化和岸灘變形的控制動(dòng)力。

2) 人工島對(duì)該海域水動(dòng)力影響分析表明，該海域潮流動(dòng)力條件較弱，人工島引起的潮流變化對(duì)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(dòng)近岸泥沙的條件，波浪場(chǎng)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(duì)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(yùn)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(chǎng)的改變后泥沙具有向西運(yùn)移形成沖淤調(diào)整的條件。

3) 采用LITLINE岸線演變模型開(kāi)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(duì)沙質(zhì)岸線變化計(jì)算分析，從泥沙動(dòng)力機(jī)制和岸灘沖淤演變趨勢(shì)來(lái)看，不同人工島平面布置型式(旋轉(zhuǎn)、開(kāi)口和增加離岸距離)對(duì)紅塘灣岸灘動(dòng)力泥沙機(jī)制和沖淤總體格局的影響并未發(fā)生本質(zhì)性改變，對(duì)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(hù)措施緩解人工島實(shí)施對(duì)近岸岸線變形的影響。