匡翠萍，韓雪健，宮立新，江林鋒

（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066001）

海岸帶是極其重要的地理空間，大約20%的世界人口居住在距海岸線25km以內(nèi)的地區(qū)［1］。因?yàn)檠睾５貐^(qū)有利于諸多人類活動(dòng)，如捕魚、工業(yè)、旅游和運(yùn)輸?shù)龋虼巳丝诰奂?yīng)非常明顯［2］，且沿海地區(qū)的人口增長(zhǎng)趨勢(shì)在未來(lái)的一段時(shí)間仍然持續(xù)。然而，海岸侵蝕影響人類生活、生物多樣性、自然資源等［3–4］，是全世界沿海地區(qū)面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。砂質(zhì)海岸作為海岸帶重要的組成部分擁有豐富的資源和秀美的風(fēng)光，是人類休閑娛樂(lè)的聚集地［5］。砂礫質(zhì)海岸占我國(guó)18 000km大陸海岸線的30%以上，其中七成以上的沙礫質(zhì)海岸存在侵蝕現(xiàn)象，其強(qiáng)度和范圍仍不斷增大，采取相應(yīng)的防護(hù)措施刻不容緩。

多種防護(hù)措施已經(jīng)被應(yīng)用到防止海岸侵蝕。這些措施經(jīng)歷了一個(gè)從硬到軟、單一到復(fù)雜的過(guò)程。起初，為了防止海岸線的侵蝕，人們采用防波堤、丁壩、人工岬角等硬防護(hù)措施。硬防護(hù)在某些特定地區(qū)是可行的，但在其他地區(qū)可能失效并可能發(fā)生二次侵蝕的問(wèn)題［6］。此外，硬防護(hù)也有建設(shè)成本高、工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)［7-10］。由于硬防護(hù)的這些問(wèn)題，海岸侵蝕防護(hù)逐漸轉(zhuǎn)向軟防護(hù)，如海灘養(yǎng)護(hù)。海灘養(yǎng)護(hù)通常將海中或陸上的沙源用以填補(bǔ)侵蝕的海灘。與硬防護(hù)相比，軟防護(hù)施工周期短，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境兼容性強(qiáng)，對(duì)海岸環(huán)境變化的適應(yīng)性強(qiáng)。然而，在近岸水動(dòng)力的作用下，填充的泥沙會(huì)逐漸流失，因此海灘需要長(zhǎng)期的定期維護(hù)。基于硬防護(hù)和軟防護(hù)的利弊，最好的選擇是充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)，將兩種措施有效地結(jié)合起來(lái)［11］。美國(guó)最早進(jìn)行了海灘養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)踐，其數(shù)量和規(guī)模均居世界首位，累計(jì)的工程總數(shù)達(dá)2 000余項(xiàng)［12］。歐洲各國(guó)開始應(yīng)用海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的時(shí)間不一，其中葡萄牙于1950年首先付諸實(shí)踐［13］。澳大利亞于1974年開始實(shí)施海灘養(yǎng)護(hù)工程，與歐美國(guó)家相比，其工程規(guī)模都較小但頻率較高［14］。海灘養(yǎng)護(hù)在中國(guó)最早始于1992年的香港淺水灣，此后在天津、上海、大連、秦皇島、青島、平潭、泉州、廈門、珠海、北海、欽州、海口等35個(gè)城市均陸續(xù)實(shí)施，總數(shù)已達(dá)100余項(xiàng)［15］。秦皇島從2000年開始實(shí)踐人工養(yǎng)灘技術(shù)以來(lái)，陸續(xù)實(shí)施了十余次海灘養(yǎng)護(hù)工程，除灘肩補(bǔ)沙和水下沙壩補(bǔ)沙外，采取多種輔助設(shè)施，如鵝卵石護(hù)坡、預(yù)制沙袋潛堤、拋石潛堤、人工魚礁、離岸岬頭、沙質(zhì)突堤、生態(tài)護(hù)岸等［16-20］。在多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，逐漸形成了“人工魚礁—人工沙壩—灘肩補(bǔ)沙”人工養(yǎng)灘生態(tài)修復(fù)模式，既保護(hù)了海灘又使岬灣的水體交換問(wèn)題得到改善［21］。

海灘養(yǎng)護(hù)工程在完成后受到水上、水下各種外部動(dòng)力作用，其形態(tài)和物質(zhì)組成的分布因此會(huì)發(fā)生變化，如海岸沙丘在風(fēng)作用下發(fā)生運(yùn)移及形態(tài)變化，水下海床在波流作用下發(fā)生沖淤變化從而改變水深。波流的作用相互影響：一方面，波浪通過(guò)輻射應(yīng)力［22–23］的作用產(chǎn)生沿岸波生流和裂流等，同時(shí)波浪的存在會(huì)增大底部摩阻進(jìn)而阻礙水流流動(dòng)［24］、增大海表面粗糙度從而增加海氣間的動(dòng)量轉(zhuǎn)化率等［25–26］；另一方面，共線的水流會(huì)使反方向傳播波浪的波長(zhǎng)減小、波高增大，使同方向傳播的波浪波長(zhǎng)增大、波高減小，不共線的水流會(huì)使波浪發(fā)生折射［27］，此外方向周期性變化的水流會(huì)使波浪的波高、波周期等波要素產(chǎn)生周期性變化的特征［28–29］。養(yǎng)護(hù)后的海灘泥沙組成豐富，且受到波流的共同作用，運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，存在懸移質(zhì)和推移質(zhì)并存的運(yùn)移形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)波流作用下海灘養(yǎng)護(hù)后工程區(qū)域的泥沙輸運(yùn)和分選過(guò)程［30–31］、地形演變［32–33］等進(jìn)行了廣泛的研究。

針對(duì)秦皇島市戴河至洋河口岸灘侵蝕不斷加劇，浴場(chǎng)海灘質(zhì)量下降的問(wèn)題，開展了基于海灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)的海灘整治修復(fù)工程。工程（包含灘肩補(bǔ)沙、水下沙壩及人工岬頭）對(duì)工程臨近區(qū)域的地形地貌產(chǎn)生了一定的影響，同時(shí)離岸的人工島也增加了該區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境的復(fù)雜性。本文基于驗(yàn)證良好的波流耦合水動(dòng)力模型［34］、泥沙輸運(yùn)及海床演變模型，探究該區(qū)域在多工程組合影響和波流耦合作用下的地貌演變特征。

1 區(qū)域概況

秦皇島市位于渤海灣與遼東灣交匯處，是著名的沿海城市。東北與遼寧接壤，西與唐山相鄰，北連承德地區(qū)，南臨渤海，萬(wàn)里長(zhǎng)城橫亙東西。西距北京270km，西南距天津220km，是北京的東大門，為東北與華北兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)的咽喉要道。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及自然環(huán)境的變化，秦皇島海域的岸線、濕地和生態(tài)環(huán)境受到不同程度的污染和損害，局部海域典型生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)，這大大影響了秦皇島社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。秦皇島市政府于2016年開始實(shí)施“藍(lán)色海灣整治行動(dòng)”，旨在使重點(diǎn)侵蝕岸灘得到有效整治修復(fù)、濕地生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。

戴河口至洋河口岸線整治修復(fù)工程作為“藍(lán)色海灣整治行動(dòng)”的重要組成部分之一，修復(fù)岸線長(zhǎng)度約3.1km，以戴河口至仙螺島約1.4km和洋河口至海上自助餐廳約1km兩岸段為重點(diǎn)修復(fù)岸段，兼顧中間約700m岸段。工程內(nèi)容包括灘肩補(bǔ)沙、水下沙壩吹填和人工岬頭，如圖1所示。該工程于2017年4月開始實(shí)施，至2017年6月完成全部工程結(jié)構(gòu)單元，施工依照先人工岬頭構(gòu)筑，再灘肩補(bǔ)沙，最后人工沙壩吹填的順序進(jìn)行。

圖1 戴河口至洋河口岸線整治修復(fù)工程平面布置Fig.1 Beach renovation and restoration project layout from Daihe Estuary to Yanghe Estuary

仙螺島是由南戴河旅游開發(fā)區(qū)管委于1999年開發(fā)建成的一座供觀光游覽的人工島，位于距岸邊1km的淺海海域。仙螺島平面形狀為矩形，長(zhǎng)100，寬70m，面積7 000m2［35］。

灘肩補(bǔ)沙后高程達(dá)到1.6m以上（以85高程為基準(zhǔn)），兩端共長(zhǎng)約2.4km的重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)岸段沙灘寬度拓寬40～60m，中間約700m岸段平均增寬10m左右。灘肩前緣向陸為坡度小于1：100的緩坡，向海坡度為1：10。灘肩補(bǔ)沙總方量約30×104m3。3座人工沙壩在離岸約200m處吹填而成，其中東北段布設(shè)2座，起到補(bǔ)充該岸段海灘泥沙以及在沿岸流作用下作為沙源對(duì)相鄰岸段海灘進(jìn)行補(bǔ)沙的作用，西南段布設(shè)1座沙壩，主要起到對(duì)此岸段海灘泥沙進(jìn)行補(bǔ)充的作用。每座沙壩長(zhǎng)約450m，壩頂寬約50m，底部寬約80～100m，壩頂高程為-0.9m左右。沙壩總計(jì)吹填方量約12×104m3。在戴河口西側(cè)導(dǎo)流堤以南約100m外、洋河口東側(cè)導(dǎo)流堤以東約100m外分別構(gòu)建1座潛礁式人工岬頭，形成人工岬灣，達(dá)到增加遮蔽作用，總體上又不影響觀感和水體交換的效果。其中戴河口附近的人工岬頭長(zhǎng)約300m，洋河口附近人工岬頭長(zhǎng)約280m，兩座人工岬頭寬度均約12m，其頂部高程均為-1.2m左右。

2 數(shù)學(xué)模型建立

MIKE21軟件由丹麥水環(huán)境研究所（DHI）研發(fā)，采用控制體積法對(duì)微分方程組離散，包含結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，主要用于海洋河流區(qū)域水動(dòng)力環(huán)境的綜合模擬，可模擬河流、海岸等二維水動(dòng)力環(huán)境［36］。本文使用MIKE21軟件建立基于水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上的泥沙輸運(yùn)和海床演變模型，其中水動(dòng)力模型驗(yàn)證良好并且應(yīng)用模型得到了工程影響下的波流動(dòng)力響應(yīng)特征［34］，水動(dòng)力模型相關(guān)的控制方程、參數(shù)設(shè)置及驗(yàn)證可參見［34］，這里不再贅述，僅對(duì)泥沙輸運(yùn)和海床演變模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 模型方程

（1）泥沙輸運(yùn)方程

研究海域泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移質(zhì)輸運(yùn)為主時(shí)，泥沙輸運(yùn)公式如下：

泥沙淤積和侵蝕公式如下：

淤積：

侵蝕：

式中：u、v分別為x、y向的水深平均流速；cˉ為水深平均泥沙濃度；εx、εy分別為x、y向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)；h為總水深；QL為源強(qiáng)，即單位面積的源流量；CL為源強(qiáng)的泥沙濃度；Ss為淤積/沖刷項(xiàng)；SD為淤積項(xiàng)，SE為沖刷項(xiàng)；ωs為泥沙沉降速度；Cb為近底床泥沙濃度；pd為淤積概率；τb為底床切應(yīng)力；τcd為淤積臨界切應(yīng)力；E為侵蝕系數(shù)；a為軟底床侵蝕指數(shù)；τce為侵蝕臨界切應(yīng)力；n為硬底床侵蝕指數(shù)。

（2）海床演變方程

海床演變方程的形式為：

式中：為泥沙干密度；ηs為床面沖淤厚度（正為淤，負(fù)為沖）。

海床演變模型是根據(jù)泥沙凈沉積速率在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)海底地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)做出更新，反饋到水動(dòng)力模型，可確保水動(dòng)力模型的精確性。

式中：Bn為n時(shí)刻的地形數(shù)據(jù)；Bn+1為n+1時(shí)刻的地形數(shù)據(jù)；Vn為n時(shí)刻海床沖淤變化。

海床厚度與地形一樣，在同一時(shí)間進(jìn)行更新。凈沉積率表示為：

式中：DN為凈沉積率；D為單位時(shí)間淤積厚度；E為單位時(shí)間沖刷厚度；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。如果發(fā)生了凈沖刷（DN＜0）同時(shí)M+DN＜0（M為河床可沖刷厚度），系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整到?jīng)_淤平衡，即既不沖刷也不淤積，也就是M+DN=0。

2.2 模型參數(shù)

泥沙輸運(yùn)和海床演變模型需要與水動(dòng)力模型耦合計(jì)算，且共用一套網(wǎng)格。采用大、小雙重嵌套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。大模型網(wǎng)格為整個(gè)渤海海域，以大連老虎灘至山東煙臺(tái)兩個(gè)潮位站連線為開邊界；小模型網(wǎng)格南起葡萄島以南4 km處，北至金山嘴以北5 km處，其邊界條件由渤海大模型提供。剖分后的網(wǎng)格如圖2所示，大模型節(jié)點(diǎn)數(shù)有14 183個(gè)，三角網(wǎng)格數(shù)有23 419個(gè)；小模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為10 988個(gè)，三角網(wǎng)格數(shù)為21 067個(gè)，坐標(biāo)為北京54坐標(biāo)系（中央子午線經(jīng)度為120°E）。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，小模型網(wǎng)格由工程區(qū)向外逐漸稀疏，外海邊界附近網(wǎng)格長(zhǎng)度為800 m，工程區(qū)附近網(wǎng)格長(zhǎng)度為10 m。在工程區(qū)域，沙壩、人工岬頭和人工島周圍網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，以變水深刻畫沙壩地形，將人工岬頭設(shè)置為可變高度的堰模塊，人工島設(shè)置為陸地區(qū)域。泥沙輸運(yùn)和海床演變模型中沉降系數(shù)、臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界沉降切應(yīng)力均采用空間變化場(chǎng)。經(jīng)過(guò)率定，沉降系數(shù)為5～10 m?s-1；臨界起動(dòng)切應(yīng)力根據(jù)唐存本公式計(jì)算得到，為0.06～0.4 N?m-2；臨界沉降切應(yīng)力約為臨界起動(dòng)切應(yīng)力的4/9，為0.036～0.178 N?m-2。底床可沖厚度設(shè)置為2 m，泥沙初始濃度設(shè)定為0.02 kg?m-3。三個(gè)開邊界的泥沙濃度設(shè)定為0。

圖2 模型計(jì)算網(wǎng)格及水深圖Fig.2 The computational mesh and the bathymetry

2.3 模型驗(yàn)證

采用河北省地礦局第八地質(zhì)大隊(duì)實(shí)測(cè)泥沙資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測(cè)泥沙資料采用2011年5—6月秦皇島4個(gè)泥沙測(cè)站S1、S2、S3、S4的垂向平均泥沙濃度，測(cè)站位置見圖3，驗(yàn)證結(jié)果見圖4。

圖3 泥沙測(cè)站位置示意圖Fig.3 Locations of sediment observation stations

圖4 2011年5－6月秦皇島S1～S4站泥沙濃度驗(yàn)證及2016年10月戴河口站泥沙濃度驗(yàn)證Fig.4 Validation of sediment concentration at S1～S4 in May and June 2011 and at Daihekou Station in October 2016

采用Skill模型［37］對(duì)泥沙輸運(yùn)模型效率進(jìn)行了評(píng)估，Skill值的范圍在0～1之間。Skill值為1時(shí)，代表模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間完全相符；Skill值大于0.65時(shí)，表示模型計(jì)算結(jié)果為極好；Skill值在0.65～0.5之間時(shí)，表示模型計(jì)算結(jié)果為非常好；Skill值在0.5～0.2之間時(shí)，表示模型計(jì)算結(jié)果為好；Skill值小于0.2時(shí)，表示模型計(jì)算結(jié)果為差；Skill值為0時(shí)，代表模型計(jì)算值和實(shí)測(cè)值之間完全不相符。模型效率評(píng)估結(jié)果見表1，可以看出2011年5—6月及2016年10月5個(gè)測(cè)站的泥沙濃度在0.04 kg?m-3左右，泥沙模型的Skill效率評(píng)價(jià)都在非常好以上。故可將其應(yīng)用于工程建設(shè)數(shù)值模擬中。

表1 泥沙輸運(yùn)模型的Skill效率系數(shù)Tab.1 Skill efficiency coefficient of sediment transport model

2.4 波流耦合

地貌演變的數(shù)值模擬過(guò)程中，為了提高計(jì)算效率，通常對(duì)研究區(qū)域的水動(dòng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析出代表動(dòng)力以表示該區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力平均狀況。代表潮主要有單一代表潮和多個(gè)代表潮兩種選擇方法。本文考慮到戴河口—洋河口岸線海域6月份平均潮位較高，潮差較大，海洋動(dòng)力作用向岸延伸至灘肩邊緣，對(duì)岸灘的塑造作用最強(qiáng)，故最終選擇6月的自然潮型作為代表潮進(jìn)行計(jì)算。波浪所引起的底部切應(yīng)力對(duì)泥沙起動(dòng)具有直接影響；波浪的波生時(shí)均剩余動(dòng)量產(chǎn)生波生流，對(duì)泥沙輸運(yùn)具有間接影響。代表浪的選擇需要同時(shí)考慮波浪在這兩個(gè)方面的動(dòng)力作用。波浪這兩方面的動(dòng)力貢獻(xiàn)均與波高H的平方（反映波能）成比例，因此可以基于H2得到代表浪［38］。本文基于2016年實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)（期間發(fā)生了1次風(fēng)暴潮），對(duì)波高的平方進(jìn)行加權(quán)分別得到了代表浪的有效波高、周期和波向（見表2），其中常浪表示剔除風(fēng)暴潮期間波浪序列的代表浪，強(qiáng)浪表示風(fēng)暴潮期間波浪序列的代表浪。

表2 代表浪參數(shù)Fig.2 Parameters of representative wave

為了探究多工程組合影響和波流耦合作用下養(yǎng)護(hù)海灘的地貌演變特征，選取代表潮和代表浪耦合模式下對(duì)工程海域進(jìn)行地貌演變數(shù)值模擬。一般來(lái)說(shuō)海灘整治修復(fù)工程第1年的沖淤變化幅度最大，隨后逐年減少［39］，因此選擇1年為地貌演變的模擬時(shí)間。本文中由于選用參數(shù)化的代表浪來(lái)體現(xiàn)波浪作用，波流耦合采用波浪模型向潮流模型耦合的方式。也就是波浪模型計(jì)算所得到的波浪輻射應(yīng)力加入到潮流模型計(jì)算中，從而影響潮流模型中的流場(chǎng)和潮位，再影響泥沙輸運(yùn)和海床演變。

3 結(jié)果分析

3.1 泥沙分布特征

根據(jù)驗(yàn)證良好的水動(dòng)力模型可知［34］，工程區(qū)域的潮流為往復(fù)流，漲潮流為SW向，落潮流為NE向，流向基本與岸線平行，量級(jí)小屬于弱潮區(qū)，相較而言波浪作用更為明顯。漲急時(shí)刻的北突堤和落急時(shí)刻的南突堤背流側(cè)（岬灣內(nèi)側(cè)）均出現(xiàn)流速極小的區(qū)域。常浪向?yàn)榻黃SE向，強(qiáng)浪向?yàn)榻麰SE向，且常、強(qiáng)波浪均在人工島處發(fā)生繞射并在背面產(chǎn)生波影區(qū)。

選擇具有代表性的夏季大潮分別與常浪和強(qiáng)浪耦合對(duì)工程后戴河口—洋河口海域泥沙濃度分布進(jìn)行模擬分析。圖5為夏季大潮與常浪耦合下工程后戴河口—洋河口海域漲落急時(shí)刻的泥沙濃度場(chǎng)。從整體分布上看，戴河口—洋河口海域的泥沙濃度較低。工程后沙壩靠岸側(cè)泥沙濃度場(chǎng)在漲落急時(shí)刻存在明顯的高濃度帶，漲急時(shí)刻由于洋河口導(dǎo)堤的阻擋作用，高濃度帶與工程前類似，均位于導(dǎo)堤?hào)|北側(cè)，但更靠近岸邊，且濃度可達(dá)0.07 kg?m-3。落急時(shí)刻高濃度帶依然縱向貫穿整個(gè)戴河口—洋河口近岸海域，但與工程前相比也更靠近岸線，且都位于水下沙壩與岸線之間海域，濃度約為0.08～0.1 kg?m-3，落急時(shí)刻高濃度帶平均泥沙濃度高于漲急時(shí)刻。水下沙壩處泥沙濃度較高，漲急時(shí)刻約為0.05 kg?m-3，落急時(shí)刻洋河口處的沙壩可達(dá)0.08 kg?m-3，落急時(shí)刻水下沙壩平均泥沙濃度高于漲急時(shí)刻。沙壩處及沙壩靠岸側(cè)區(qū)域泥沙濃度較高是由于沙壩位于岸灘前，阻擋了波浪的直接侵襲，波浪先作用在沙壩上，掀起了較多泥沙，并向位于其后的岸灘輸運(yùn)。波浪是該區(qū)域泥沙懸揚(yáng)的主要?jiǎng)恿Γ诮黃SE向波浪的作用下，漲急時(shí)人工島后北半岸線水域的波影區(qū)波浪動(dòng)力較弱，加上SW向的水流搬運(yùn)作用，使得該區(qū)域沒有出現(xiàn)懸沙高濃度帶。而在落急時(shí)，波浪輻射應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的NE向沿岸波生流和同方向的落潮流將南半岸線附近高濃度懸沙向NE方向搬運(yùn)，使得懸沙高濃度帶縱向貫穿該岸線。

圖5 夏季大潮與常浪耦合下工程后漲急和落急時(shí)刻的泥沙濃度場(chǎng)Fig.5 Sediment concentration fields at the maximum flood and ebb after the project under the coupled summer spring tide and the normal waves

夏季大潮與常浪耦合情景下，將工程后泥沙濃度場(chǎng)減去工程前的泥沙濃度場(chǎng)，得到圖6。可以看出工程后工程海域的泥沙濃度有所增加，特別是水下沙壩所在位置，漲急時(shí)刻最大增值可達(dá)0.04 kg?m-3，落急時(shí)刻最大增值可達(dá)0.07 kg?m-3，落急時(shí)刻大于漲急時(shí)刻。水下沙壩的構(gòu)筑使得波浪在沙壩處破碎，破波紊動(dòng)引發(fā)大量的泥沙懸揚(yáng)，破波產(chǎn)生的波生流和潮流疊加產(chǎn)生向岸水流，引起沙壩之后的區(qū)域泥沙濃度增加。

圖6 夏季大潮與常浪耦合下工程引起的漲急和落急時(shí)刻泥沙濃度變化場(chǎng)Fig.6 Sediment concentration difference fields at the maximum flood and ebb due to the project under the coupled summer spring tide and the normal waves

圖7是夏季大潮與強(qiáng)浪耦合下工程后戴河口—洋河口海域漲落急時(shí)刻泥沙濃度場(chǎng)。泥沙濃度分布工程后與工程前相比很相近，區(qū)別在于工程后強(qiáng)浪下的泥沙濃度值整體增大，懸沙高濃度帶向外海移動(dòng)至離岸200 m的位置。漲急時(shí)刻最高濃度位于洋河口導(dǎo)堤堤頭處，約為0.15 kg?m-3，落急時(shí)刻最高濃度位于洋河口側(cè)沙壩前，約為0.17 kg?m-3，落急時(shí)刻高濃度帶平均泥沙濃度高于漲急時(shí)刻。與常浪情況下不同，強(qiáng)浪下的懸沙高濃度帶處于沙壩向海側(cè)，這是由于更大的波高使得波浪在到達(dá)沙壩前已經(jīng)破碎，破波紊動(dòng)引發(fā)大量泥沙懸揚(yáng)。漲急時(shí)刻在接近ESE向的強(qiáng)浪作用下，人工島的西側(cè)產(chǎn)生波影區(qū)，使得懸沙高濃度帶在該處中斷。在落急時(shí)刻，由于落潮流的搬運(yùn)作用，中斷位置向北移動(dòng)，同時(shí)由于強(qiáng)浪下泥沙不易沉降，南突堤南部的高濃度懸沙向北運(yùn)移，受到人工島的阻礙而收縮，形成南突堤和人工島之間的高濃度帶。

圖7 夏季大潮與強(qiáng)浪耦合下工程后漲急和落急時(shí)刻泥沙濃度場(chǎng)Fig.7 Sediment concentration fields at the maximum flood and ebb after the project under the coupled summer spring tide and the strong waves

圖8為夏季大潮與強(qiáng)浪耦合下工程引起的漲落急時(shí)刻戴河口—洋河口海域泥沙濃度變化場(chǎng)。強(qiáng)浪作用下工程對(duì)泥沙濃度的影響與常浪下類似。工程后，工程海域的泥沙濃度有所上升，增加最大處位于水下沙壩附近，漲急時(shí)刻增大值可達(dá)0.043 kg?m-3，位于戴河口西南側(cè)水下沙壩后。落急時(shí)刻增大值可達(dá)0.065 kg?m-3，位于洋河口水下沙壩處。落急時(shí)刻的泥沙濃度增加值高于漲急時(shí)刻。

圖8 夏季大潮與強(qiáng)浪耦合下工程引起的漲急和落急時(shí)刻泥沙濃度變化場(chǎng)Fig.8 Sediment concentration difference fields at the maximum flood and ebb due to the project under the coupled summer spring tides and the strong waves

3.2 地貌演變特征

利用海床沖淤演變模型對(duì)整治修復(fù)工程后的戴河口—洋河口海域進(jìn)行1年的海床演變模擬。圖9為潮流和常浪耦合下工程前后研究海域1年的海床沖淤演變，相當(dāng)于全年不發(fā)生風(fēng)暴潮的情況。工程前情景下，南半岸線附近水域發(fā)生比較嚴(yán)重的侵蝕，最大侵蝕深度達(dá)到0.3 m。北半部分岸線附近水域由于原始地形具有沿岸多條沙壩的特征，因此出現(xiàn)與岸線平行的條狀侵蝕、淤積交錯(cuò)的現(xiàn)象，在壩頂侵蝕，最大侵蝕深度達(dá)0.3 m，在槽底淤積，最大淤積厚度達(dá)0.15 m。由侵蝕范圍在岸線中段的收縮現(xiàn)象來(lái)看，人工島在一定程度上緩解了其后側(cè)的侵蝕，但是對(duì)離岸200 m范圍內(nèi)的緩解作用不明顯，灘肩區(qū)域仍然出現(xiàn)比較明顯的侵蝕。工程后情景下，三座人工沙壩處發(fā)生明顯侵蝕，沙壩1、沙壩2和沙壩3處侵蝕深度最大分別達(dá)到0.53 m、0.59 m和0.63 m。沙壩向岸側(cè)的區(qū)域除靠近水邊線的少部分灘肩區(qū)域外出現(xiàn)明顯淤積現(xiàn)象，平均淤積厚度為0.1 m，最大淤積厚度達(dá)0.18 m，由此可見沙壩有效地保護(hù)了其后側(cè)的掩護(hù)區(qū)域，且沙壩在波浪作用下侵蝕的泥沙向后側(cè)輸運(yùn)喂養(yǎng)了掩護(hù)區(qū)域。南部人工岬頭1在接近SSE向常浪作用下其后側(cè)工程前情景下的侵蝕區(qū)域消失，北部人工岬頭2與沙壩間的區(qū)域侵蝕范圍減小、量級(jí)降低，由此可見人工岬頭對(duì)于海床侵蝕亦有一定的抑制作用。

在常浪中耦合1 d的強(qiáng)浪，計(jì)算出常-強(qiáng)浪與潮流耦合情景（相當(dāng)于1年發(fā)生1次風(fēng)暴潮）下1年后戴河口—洋河口海域工程后的沖淤演變，見圖10。工程前情境下，與圖9相比外海出現(xiàn)大面積的微侵蝕區(qū)域，沙壩周圍區(qū)域侵蝕范圍變大，程度加深。在工程后情景下，與圖9相比三座人工沙壩處侵蝕程度加深，沙壩1、沙壩2和沙壩3處侵蝕深度最大分別達(dá)到0.73 m、0.8 m和0.81 m。沙壩后側(cè)掩護(hù)區(qū)域的侵蝕面積變大，淤積面積變小（其中灘肩處的侵蝕面積變大，程度加深），但靠近沙壩的后側(cè)淤積厚度變大，沙壩1、沙壩2和沙壩3后側(cè)淤積厚度分別達(dá)到0.2 m、0.39 m、0.27 m?？梢?，三座沙壩處均發(fā)生侵蝕，其后側(cè)淤積，沙壩出現(xiàn)向岸的運(yùn)移現(xiàn)象。也就是在風(fēng)暴潮存在的情況下雖然灘肩侵蝕現(xiàn)象變嚴(yán)重，但沙壩及人工岬頭掩護(hù)區(qū)域依舊存在大面積的淤積區(qū)域，因此工程仍具有一定的保護(hù)作用。

圖10 潮流和常－強(qiáng)浪耦合作用下1年的海床沖淤演變Fig.10 Annual seabed evolution in 1 year under the coupled tides and normal-strong waves

4 結(jié)論

本文基于驗(yàn)證良好的波流耦合水動(dòng)力模型建立泥沙輸運(yùn)及海床演變模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證了模型的可靠性，進(jìn)而探究該海域在多工程組合影響和波流耦合作用下的地貌演變特征，得到以下結(jié)論：

（1）戴河口—洋河口海域泥沙濃度整體較低，潮流和常浪耦合下的泥沙分布與潮流和和強(qiáng)浪耦合下的泥沙分布形式一致；平均泥沙濃度及工程前后泥沙濃度增加值落急時(shí)刻大于于漲急時(shí)刻。

（2）工程后沙壩周圍出現(xiàn)懸沙高濃度帶。常浪時(shí)由于沙壩位于岸灘前，阻擋了波浪的直接侵襲，波浪先作用在沙壩上，掀起了沙壩泥沙，向位于其后的岸灘輸運(yùn)，高濃度帶位于沙壩向岸側(cè)；強(qiáng)浪時(shí)由于更大的波高使得波浪在還未到達(dá)沙壩處已經(jīng)提前破碎，破波紊動(dòng)引發(fā)大量泥沙懸揚(yáng)，高濃度帶位于沙壩向海側(cè)。

（3）工程后沙壩處發(fā)生侵蝕，沙壩向岸側(cè)發(fā)生淤積：常浪與潮流耦合作用下（代表1年內(nèi)不發(fā)生風(fēng)暴潮）沙壩處侵蝕深度最大達(dá)0.63 m，沙壩向岸側(cè)最大淤積厚度達(dá)0.18 m；常、強(qiáng)浪與潮流耦合作用下（代表1年內(nèi)發(fā)生1次風(fēng)暴潮），沙壩處侵蝕深度最大達(dá)0.81 m，沙壩向岸側(cè)最大淤積厚度達(dá)0.39 m?？梢?，工程在有無(wú)風(fēng)暴潮的情況下均能起到保護(hù)海灘的作用，達(dá)到修復(fù)海岸的目的。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明：

匡翠萍：項(xiàng)目及基金負(fù)責(zé)人，研究方法，模擬方案，數(shù)據(jù)分析，論文修改；

韓雪健：數(shù)值模擬，數(shù)據(jù)分析，論文撰寫；

宮立新：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，論文撰寫；

江林鋒：數(shù)值模擬，數(shù)據(jù)分析，論文撰寫。