胡鵬鵬，李志強*，朱道恒，李高聰，蘇倩欣

( 1. 廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088)

1 引言

裂流是因岸灘入射波高的變化和波浪增減，使水在沿岸方向分布不均勻，導致水位分布不均，從而產生輻射應力，其驅動了裂流產生[1]。沿岸不均勻性的形成有各種原因，如波浪運動的不穩(wěn)定性和波浪的非線性相互作用[2-4]。裂流在近岸物質（如懸浮沉積物、浮游生物、營養(yǎng)物質和其他漂浮物質）向海輸移方面發(fā)揮著重要的作用[5-6]。裂流是近岸最為致命的自然災害之一，對海灘上游客的生命安全有著嚴重的威脅[7-8]。據估計，世界每年發(fā)生的海灘救援事故中有50%～90%與裂流有關[9]。澳大利亞每年約有25 000起海灘溺水事故，與裂流有關的占89%[10]。美國每年平均死于裂流的人數估計在35～100人[11-12]。

Shepard[13]最早提出“裂流”這一概念，此后對其理論、觀測、實驗和數值模型等多方面進行了研究[14]。1962年Longuet-Higgins和Stewart[15]提出使用輻射應力的概念解釋波生流產生機制之后，近岸流的數值模擬研究取得了很大的進展。與現場觀測和物理實驗等方法相比，數值模擬所需的實驗成本較小且可以直觀再現流場隨時間變化的過程。國內外眾多專家學者已經采用數值模擬對裂流進行了研究。XBeach模型是模擬裂流最先進的模型之一，模擬結果的精確度較高，在國外已經被廣泛運用[16-19]。在國內，目前該模型在岸堤防護評價、植被消浪研究中有所應用[20-22]，但對裂流的模擬研究較少。國內最常用模擬裂流的數值模型是基于完全非線性Boussinesq方程的FUNWAVE波浪模型[23-25]，該模型能模擬受隨機波浪影響下的快速變化的裂流。不過為了設置模型的周期性側邊界條件以消除側邊界誤差，需要保證側邊界的地形差異不能太大。XBeach模型可以通過在側邊界設置流邊界和潮汐邊界條件以忽略兩側邊界地形不均的影響。

金沙灣是粵港澳大灣區(qū)重要的濱海旅游景點之一，深受世界各地游客的青睞。大鵬半島在金沙灣東側形成岬角導致金沙灣兩側地形差異巨大。本文使用XBeach模型模擬金沙灣海灘的近岸環(huán)流，研究在不同的波浪條件下裂流的發(fā)生情況，為金沙灣的海灘管理提供參考。

2 研究區(qū)概況

金沙灣地處廣東省深圳市大鵬半島（圖1b），南臨大鵬灣，與香港隔海相望，距香港最近僅4.17 km，見圖1a。金沙灣的地理位置十分優(yōu)越，其擁有海濱公園、海濱度假區(qū)等眾多旅游設施，是深圳東部黃金海岸的重要景點之一。隨著粵港澳大灣區(qū)經濟的高速發(fā)展，金沙灣也受到了世界各地游客的青睞。金沙灣海灘是長度約為2.2 km的平直型海灘，大鵬半島在海灘東側形成岬角，遠離大鵬半島一側是廣闊的海域。根據距離海灘最近的秤頭角觀測站的資料統(tǒng)計可知，金沙灣平均潮差為0.93 m，平均高潮位為1.70 m，最大潮差為2.51 m，潮汐屬于不規(guī)則半日混合潮。月平均有效波高為0.14～0.26 m，全年最大有效波高可達1.32 m（圖2），常浪向為S向，次浪向為SSW向。圖1c為金沙灣衛(wèi)星影像圖。

圖1 金沙灣海灘位置Fig. 1 Location of the Jinsha Bay beach

圖2 金沙灣波浪數據統(tǒng)計Fig. 2 Statistics of wave data in the Jinsha Bay

3 數值模型

3.1 XBeach模型

XBeach模型是為了模擬海灘上極端風暴響應而開發(fā)的[26]，但也被廣泛用于模擬破波帶內流體動力[27]。XBeach模型解決了波浪傳播、水流、泥沙輸運和床面變化的2D水平耦合問題。該模型包括1個具有方向擴展的非平穩(wěn)波浪驅動器，它解釋了波浪群的沖浪運動，這些運動對于精確模擬裂流很重要[28]。本文對模型的理論和控制方程不作詳細說明，均可以在公開的官方手冊和網站（https://oss.deltares.nl）上找到。

3.2 水下地形

本研究的岸灘和水下地形是由金沙灣的實測地形數據（比例尺1∶100）和海圖資料（比例尺1∶10 000）拼接獲取。實測近岸地形測量范圍為由岸向海延伸268 m，外海水深通過矢量化海圖后插值得到，最后將兩者統(tǒng)一到相同的坐標系上，如圖3所示。水下測量采用數字化測深儀配合GPS-RTK無驗潮測深法，該方法精度及效率較高，可較好地消除波浪、潮汐、水位落差等影像。在靠近海灘左側附近有一片海底暗礁區(qū)，由于該暗礁區(qū)無測深數據，因此，數值模擬區(qū)的范圍選擇為該暗礁區(qū)邊緣至岬角處。

圖3 金沙灣地形測深Fig. 3 Topographic bathymetries of the Jinsha Bay

x-y坐標由經緯度坐標轉換而得到，x軸和y軸方向上的距離分別為925 m和1 696 m，空間網格大?。▎蝹€網格的長和寬）dx=5 m和dy=4 m。岬角位于150～640 m（x軸）和0～75 m（y軸）間，在300～400 m（x軸）有1個海灣將岬角截斷為上、下兩部分。在x=800 m，y=1 586 m處有1塊露出水面的礁石。圖3上的紅線標記了5個跨海岸地形剖面的位置，剖面圖如圖4所示。金沙灣岬角與海灘近似垂直，因此以y軸方向作為岬角處的跨岸方向。在4組海灘跨岸剖面中，水深隨y值的增大而增加，表明遠岬角一側的水深大于近岬角一側（圖3）。另外，從圖中也能看出，遠岬角一側（如剖面y=1 448 m）的地形變化相對更大。y=380 m、y=628 m、y=1 008 m 3處剖面分別都有一個水下沙壩（Bar3、Bar2、Bar1）存在，位于（x,y）=（670 m，380 m）、（700 m，628 m）、（780 m，1 008 m）處，沙壩的深度在水下約2 m。x=500 m是一個岬角跨岸剖面，在海岸向海100 m的范圍內，岬角處的地形坡度明顯大于其他4個海灘跨岸剖面。

圖4 金沙灣5個跨岸地形剖面圖Fig. 4 Five cross-shore topographic profiles of the Jinsha Bay

3.3 模型設置

利用JONSWAP參數譜在XBeach模型離岸邊界上產生不規(guī)則波，通過JONSWAP峰值增強系數（γ=3.3）和方向擴展系數（s=10°）來控制波譜的擴展，離岸的流邊界設置為弱反射邊界。為了研究不同波況條件下裂流的產生情況，使用不同波高、峰值波角的波浪條件模擬了金沙灣海灘的近岸環(huán)流，表1顯示了本次實驗不同的輸入波條件，波況1的波高為金沙灣年平均有效波高，其他波高為模擬波高。假設在模型域外沿岸是均勻的，側邊界上波流均選用Neumann邊界。禁用潮汐信號選項，初始水位設置為0。模擬的時間步長dt=1 s，模型總模擬時間為3 600 s，以保證波浪達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于本研究的所有模擬，XBeach模型僅在流體動力學模式下運行，考慮到波浪在到達近岸后會受到非線性的影響，流體動力學選擇Surf beat模塊。CFL是計算流體動力學中，判斷計算的收斂條件，選用默認值0.7。關閉形態(tài)動力學選項（沉積物輸送和底部變化），以最大限度地減少計算時間。其他物理和經驗系數設置與模型手冊中的默認值保持一致。

表1 不同的模擬入射波條件Table 1 Different simulated incident wave conditions

4 模擬結果

4.1 金沙灣裂流特征

根據地形測深對包括裂流在內的近岸環(huán)流進行了數值模擬。XBeach模型輸出的變量H是均方根波高（Hrms），有效波高（Hs）可通過零階矩波高（Hm0=Hrms×）對其進行評估[29]。破波帶外側邊緣設定為近岸平均翻滾耗散大于0.1倍最大值的位置[30]，圖5中黑色虛線表示破波帶外側邊緣位置。圖5顯示，在波況1下通過數值計算得到計算域的平均水位、平均有效波高和流速，其中圖5a和圖5b表示總模擬時間的后120 s水位和有效波高的平均值，圖5c表示在模擬時間為3 600 s時獲得的流速。在圖5a中，平均水位的變化不明顯，破波帶寬度很小且?guī)缀蹩拷毒€，從圖5c中可以看出沿岸并沒有裂流產生，圖5b中沿岸波高呈現不均勻的分布，表明金沙灣地形具備裂流發(fā)生的條件，但由于波高較低無法驅動裂流的產生。金沙灣的月平均有效波高基本維持在0.2 m上下，總體上海灘發(fā)生裂流的風險較低。但金沙灣的月最大有效波高變化較大，最大時有效波高（1.32 m）甚至接近年平均有效波高（0.19 m）的7倍，當有效波高增大時，金沙灣海灘發(fā)生裂流的風險也將升高。

圖5 波況1下的平均水位（a）、平均有效波高（b）和流速（c）Fig. 5 Average water level (a), average significant wave height (b), and velocity diagram (c) at wave condition 1

裂流的產生需要一定的波高條件，金沙灣的年平均有效波高較低不利于裂流產生。為了進一步探究在更高的波高條件下，金沙灣沿岸地形對裂流產生的影響，以波況2下的模擬結果作為案例進行分析。圖6是在波況2下的平均水位，平均波高和流速的數值計算結果，計算方式與圖5相同，在圖6b中添加了2 m等深線（紅色實線）以標示沙壩的位置。與波況1相比，當有效波高為0.75 m時有明顯的裂流產生。如圖6a所示，海灘位置的破波帶寬度明顯大于岬角處，這是因為岬角處近岸海底地形坡度較陡，變化過大，導致波浪迅速破碎。圖6a顯示，破波帶以外的水位變化不明顯，當進入破波帶后，波浪破碎，水量開始積累，平均水位也增加，在海岸線處的水位最高。圖6b所示的波高分布很好地顯示出金沙灣海岸不均勻的地形特征。從沿岸破波帶的不均勻分布可以發(fā)現，波高近岸的變化是由于波浪受到近岸不規(guī)則地形的影響而發(fā)生不均勻破碎導致的。

圖6 波況2下的平均水位（a）、平均有效波高（b）和流速（c）Fig. 6 Average water level (a), average significant wave height (b), and velocity diagram (c) at wave condition 2

Bar1、Bar2、Bar3都處于波高較高的區(qū)域，從圖6b可以看出這3個水下沙壩均位于破波帶（黑色虛線）外側，沙壩位于水下約2 m處，波浪在經過沙壩時沒有發(fā)生破碎。圖6c顯示了發(fā)生裂流的4個裂流（Rip1、Rip2、Rip3和Rip4）。

圖7分別是圖6b和圖6c中4處裂流區(qū)域波高和流速的放大圖，箭頭標示了裂流的位置。Rip1處于較低波高區(qū)域，圖7a和圖7e箭頭所示的下側有一處高波高區(qū)，上側平均波高相對較低。在Rip1的上方有1塊露出水面的礁石，在該礁石處的破波帶寬度比其他位置更寬，在礁石前有一處高波高區(qū)，波高達0.8 m，礁石后的波高迅速降低至0.1 m上下。圖7e顯示了礁石對其所在位置的近岸環(huán)流的控制作用，在其影響下，礁石上下分別發(fā)育了向上和向下的沿岸流，向下的沿岸流成為了Rip1的補償流。在圖7e下方（y=1 300～1 350 m）也有一處離岸水流，該水流流出破波帶后向外延伸了100多米，Rip1在流出破波帶后逐漸流向該水流，不過該水流的流速較小。Rip2、Rip3和Rip4的裂流頸兩側平均波高高于流出位置，與Rip2相比，Rip3和Rip4兩側高波高區(qū)面積更大。圖7f顯示了Rip2的形態(tài)，可以看出Rip2的離岸距離是4個裂流中最小的，約50 m左右，這可能與其補償流的流速較小有關。Rip3離岸有一定距離，其下方的補償流流速較大。Rip4流出最遠，離岸距離約150 m，與此對應的是其裂流根部兩側均有著流速較快的補償流。裂流的流出距離受到其裂流根部補償流流速和數量的影響。補償流的流速越大、數量越多，裂流的離岸距離越遠。圖7d顯示岬角處的波高相對較低，波高變化較小。在靠近岬角的一側出現了一束流速較小的離岸水流，來自海灘和岬角的沿岸流成為其補償流。

4.2 裂流對入射波高的敏感性

為了探究不同波高條件下近岸環(huán)流的變化及裂流的發(fā)育情況，通過改變JONSWAP譜的有效波高得到波況3、波況4（圖8，圖9）。圖8、圖9計算方式同圖5。圖6a、圖8a和圖9a表明，隨著入射波譜的有效波高逐漸增大，破波帶寬度逐漸變寬，近岸增水量增加。通過圖9b中計算的破波線范圍可以判斷，當波高增大到1.0 m/s時，在Bar1和Bar2兩處有一片小范圍的離岸破碎區(qū)，波浪經過沙壩時發(fā)生了一次破碎，之后到達近岸處又破碎一次，在Bar3處波浪破碎線向海外凸。從圖6b、圖8b和圖9b所示的波高分布來看，岬角處的波高一直處于一個相對較低的值且增加不明顯，這可能是由于岬角對波浪的遮蔽作用所導致的，來自外海波浪的一部分能量被岬角消耗，圖中靠近外海的岬角出現較強的沿岸流也暗示了這一點。另外，波高變化也導致近岸流速產生了劇烈變化。圖10顯示了不同波高下的流速超過0.2 m/s的流場范圍，與Hs=0.19 m相比，入射波高增加至0.5 m時，平均波高在模擬區(qū)域的分布變化更加顯著，而且近岸出現了多條裂流，但流速較小且離岸流出距離較短。Hs=1.0 m時，流速增加，規(guī)模較大的裂流出現了6個。

圖8 波況3下的平均水位（a）、平均有效波高（b）和流速（c）Fig. 8 Average water level (a), average significant wave height (b), and velocity diagram (c) at wave condition 3

圖9 波況4下的平均水位（a）、平均有效波高（b）和流速（c）Fig. 9 Average water level (a), average significant wave height (b), and velocity diagram (c) at wave condition 4

圖10 不同波高下流速大于0.2 m/s的流速Fig. 10 Flow velocity diagram with velocity greater than 0.2 m/s under different wave heights

以波況2下出現的4個裂流區(qū)域為例，圖11、圖12是波況3、波況4在Rip1至Rip4區(qū)域的平均波高和流速的放大圖。在波況2出現裂流的相同位置，均有離岸水流的出現，但在Hs=0.5 m波況下離岸強度不大。入射波高增大到1.0 m后裂流強度明顯增強，圖11和圖12中的裂流均從相對兩側的低波高處流出。與其他幾個區(qū)域裂流離岸流動流出破波帶不同，圖12f中箭頭所示的裂流在破波帶內再循環(huán)流動[31]。再循環(huán)流動會導致近岸物質在破波帶內循環(huán)往復運動而無法流出破波帶。

圖11 圖8中波高和流速放大圖Fig. 11 Zoomed figure of wave height and velocity in Fig. 8

圖12 圖9中波高和流速放大圖Fig. 12 Zoomed figure of wave height and velocity in Fig. 9

4.3 裂流對波向的敏感性

改變波譜峰值波向角度以研究近岸裂流的發(fā)生情況。圖13為相同波高，不同峰值波向下流速場的數值計算結果（t=3 600 s）。從圖13可以看出，隨著入射波峰值波角（θp）增大，破波帶寬度變化不大。當θp=22.5°時，海灘近岸的沿岸流得到加強，裂流發(fā)生的數量和強度降低。以Rip3區(qū)域為例，上側有一個向下的沿岸流向破波線外偏轉產生裂流，但裂流的離岸距離大約只有破波帶的寬度。另外在岬角處的離岸水流發(fā)育偏斜裂流，當岬角或海灘上的丁壩等人工建筑截斷破波帶產生的沿岸流時，使其向近海偏轉從而產生這種裂流[32]。當θp增大到62.5°時，海灘沿岸產生強烈的沿岸流，并始終保持在破波帶內，近岸無裂流產生，岬角處的偏斜裂流強度增強，離岸流出距離增加。從圖14所示的平均波高分布可知，隨著入射波角的增大，岬角區(qū)域的波高增大。

圖13 不同θp下的流速Fig. 13 Flow velocity under different θp

圖14 岬角處平均有效波高分布Fig. 14 Average significant wave height distribution at the headland

通過模擬發(fā)現，在金沙灣的岬角處產生了偏斜裂流，其強度對θp的敏感性較高，并隨著θp的增大而增強。偏斜裂流的補償流分別來自海灘和岬角的沿岸流，這與 McCarroll等[33]在澳大利亞的鯨魚海灘現場觀測到的偏斜裂流不同，其觀測到的偏斜裂流的補償流僅來自于海灘的沿岸流，并向岬角傾斜。金沙灣的岬角長度相對于鯨魚海灘更長且近似垂直于海灘，鯨魚海灘的岬角只有很短一部分垂直海灘并快速向外海傾斜，這可能是造成兩者產生區(qū)別的原因。為了研究兩種補償流的差異，在偏斜裂流的兩側，即補償流的岬角和海灘來源處分別部署站點P1和P2（圖3）以獲得兩處的流速。圖15顯示，總模擬時間后20 min的速度時間序列，從圖中可以看出P1的流速始終大于P2，隨著θp的增大，P1和P2兩站點的流速增加。岬角處的坡度相比于海灘更陡，波浪觸底時間更晚，波能損失相對更小，在破碎時可以釋放更大的能量，所以在岬角處產生的沿岸流的流速高于海灘沿岸流，同時金沙灣的長岬角特征有利于這種沿岸流的保持，因此，產生了不同于McCarroll等[33]的觀測結果。當θp增加時，峰值波向與海灘夾角減小，海灘沿岸流得到加強。

圖15 P1和P2站點的流速時間序列Fig. 15 Time series of flow velocity at stations P1 and P2

5 討論

5.1 裂流形成的影響因素

裂流的形成受到波高、波向、自然岬角和近岸不規(guī)則地形等多種因素的影響[32]。模擬結果表明，金沙灣年平均有效波高（0.19 m）較小，難以形成裂流。當入射波有效波高增加到0.5 m時，平均波高分布和流場與波況1相比變化顯著，海灘沿岸有裂流產生（圖8），因此入射波高在0.19～0.5 m之間存在一個能夠驅動裂流產生的波高閾值，該閾值的確定還需進一步的研究。Hs≥0.5 m時，波高越高會導致波浪更早觸底而發(fā)生變形破碎，沿岸大多數位置都產生了裂流，尤其在Bar1至Bar3處特征更明顯。入射波向也是影響裂流產生的另一個重要的因素。當θp=0時最容易產生裂流，隨著θp增大，沿岸流逐漸增強，裂流數量和離岸強度逐漸降低。圖6和圖7表明，金沙灣水下地形對波浪傳播的影響很大，這是因為受到地形影響后波浪發(fā)生不均勻破碎后導致波高分布不均，裂流從相對于兩側波高較低的波高低谷流出，這驗證了裂流的沿岸波高分布不均的成因理論。另外，由于金沙灣岬角較長，岬角對近岸環(huán)流的控制作用更加顯著，岬角處也產生了強烈的沿岸流，并成為了偏斜裂流的補償流之一。偏斜裂流的強度隨θp的變化與海灘處裂流相反，隨波高變化相同，這是需要關注的現象。這現象與鯨魚海灘因海灘的沿岸流受到岬角截斷而發(fā)生偏轉形成裂流不同[33]，后續(xù)將開展現場觀測進行對比驗證。由于上述裂流影響因素對金沙灣海區(qū)均有作用，其具體影響方式和作用強度還要進一步探討。

5.2 海灘浴場安全管理

金沙灣深入大鵬灣內，受到大鵬半島及周圍島嶼的遮蔽作用，到達此處的波浪條件相對較弱，導致金沙灣月平均有效波高維持在較低水平。但從最大有效波高分布來看，全年逐月的最大波高基本大于或接近0.5 m（圖2），處于旅游旺季的6-10月更是顯著超過0.5 m，這是裂流出現概率較大的波況。作為深圳著名的濱海旅游景區(qū)，金沙灣每年要接待大量來自世界各地的游客，因此，做好海灘的裂流預警和海灘管理工作是十分必要的。

海灘岬角遮蔽處水下地形平緩，沙質較細，波浪較小，成為一些游泳能力較弱游客戲水的首選岸段。本文模擬結果顯示，當出現入射波向角（WSW）較大時，大鵬半島岬角會導致強烈的朝向岬角的沿岸流產生，其以補償流形式在岬角附近形成偏斜裂流，這一現象也得到了現場海灘浴場管理人員證實，這表明，有岬角遮蔽的區(qū)域也不一定是一個安全的地帶，需要加強警惕。華南海岸以岬間海灘為主，這一現象的揭示對眾多海灘的浴場管理有重要意義。

6 結論

作為粵港澳大灣區(qū)重要的濱海旅游景點之一，金沙灣每年會接待大量來自世界各地的游客，金沙灣裂流可能對海灘游客的生命安全造成嚴重的威脅。本文使用XBeach模型研究了金沙灣裂流在不同模擬波況下的發(fā)生情況。在年平均波高的波況下，金沙灣的裂流風險較低。當波高超過0.5 m后，受金沙灣地形的影響，模擬區(qū)波高分布變化顯著，沿岸有裂流產生。裂流受地形的影響較大，裂流頸總是傾向從相對于兩側波高較低的波高低谷流出，增加波高可以促進裂流強度和離岸距離的增加。入射波向對海灘處裂流和偏斜裂流的影響相反，入射波角增大，海灘處的裂流強度減弱，偏斜裂流強度增強。另外，在金沙灣的岬角區(qū)域會產生偏斜裂流，與McCarroll等[33]觀測結果不同的是，其補償流來源于海灘和岬角的沿岸流，這可能是金沙灣的長岬角特征造成的，需要通過后續(xù)的現場觀測進行對比驗證。本文的研究工作有助于金沙灣的海灘管理工作，也為國內使用XBeach模型對裂流進行模擬研究提供了一些參考。