波流對人工岬頭和海灘養(yǎng)護工程的響應(yīng)

匡翠萍， 韓雪健， 李文斌， 張甲波

(1. 同濟大學(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， 河北 秦皇島 066000)

海岸線演變是海洋水動力、海岸泥沙運動及海岸地貌之間平衡制約的動態(tài)變化過程，隨著全球海平面上升逐漸加劇、海洋水動力環(huán)境不斷發(fā)生變化，加之人類頻繁的海岸工程活動，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)新開河口至南山岸線海灘侵蝕不斷加?。簽┟媸?、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)東山浴場海灘生態(tài)功能和旅游休憩價值顯著下降同時威脅近岸建筑[3].而岬灣海岸作為自然界一種穩(wěn)定的海岸存在形式，達到平衡的岬灣海灘可保持長時間的穩(wěn)定，人工岬灣設(shè)計可以在岸線兩端布置硬防護結(jié)構(gòu)，使之形成弱動力區(qū)達到減少海灘侵蝕效果[4].海灘養(yǎng)護作為環(huán)境友好親近自然的對策，通常是當(dāng)海灘自然供沙相對不足時，通過水力或機械搬運的方法將一定顆粒級配的沙子填到海灘受侵蝕嚴重的部分，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，進行人工沙壩吹填可以消減波能的同時對后側(cè)海灘進行喂養(yǎng)[8-9].楊燕雄等[10]針對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Mapbay和海岸營力系統(tǒng)軟件SMC模擬,對不同時段的養(yǎng)灘過程進行驗證.Kuang等[5]利用率定和驗證的數(shù)學(xué)模型預(yù)測北戴河西海岸海灘養(yǎng)護工程后2～3年內(nèi)仍需補沙,并提出了優(yōu)化方案.

潮流是海水在月球和太陽的作用下周期水平流動[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引起泥沙運動和岸灘演變[13]，“波浪掀沙，潮流輸沙”，波浪和水流是長期作用于海岸地區(qū)的主要水動力因素[14-16].以秦皇島新開河口至南山岸線為例，研究人工岬頭及海灘養(yǎng)護工程后的波流動力響應(yīng)，分析波流動力變化特征及規(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，通過對三維動量方程和連續(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為特征長度；變形率Sij根據(jù)式(6)計算：

(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，可以對近岸海域風(fēng)成浪和涌浪的成長、消散與傳播變形進行模擬.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)護設(shè)置

新開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)防波堤長約200 m，西側(cè)防波堤長約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)工程為灘肩補沙與2座水下沙壩吹填.補沙岸線長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軟件中通過修改地形數(shù)據(jù)設(shè)置海灘養(yǎng)護工程中的人工沙壩和灘肩補砂.人工岬頭及海灘養(yǎng)護工程如圖1所示.

為了表述方便，定義無岬頭無海灘養(yǎng)護為情況1，僅有人工岬頭工程為情況2，同時有人工岬頭和海灘養(yǎng)護工程為情況3.

1.3 模型范圍和計算網(wǎng)格

為保證計算精度同時考慮計算效率，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算邊界條件.渤海大模型區(qū)域為大連老虎灘至煙臺2個潮位站連線為開邊界的整個渤海；秦皇島小模型區(qū)域陸地岸線南起團林鄉(xiāng)，北至甘家村，模型向外海延伸大約46 km，研究重點區(qū)域為新開河口至南山岸線海域.

渤海大模型[19]總面積約84 000 km2，節(jié)點數(shù)為14 183個，網(wǎng)格單元數(shù)為23 419個，唯一開邊界是大連和煙臺2個潮位站連線.測站潮位數(shù)據(jù)來自2015年潮汐表[20].為選擇合適的秦皇島小模型計算網(wǎng)格，比選了粗、中、細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，所需計算時間分別為2.71 h、3.54 h、4.31 h；潮流計算粗網(wǎng)格下結(jié)果與中網(wǎng)格下結(jié)果的最大相對誤差小于9%，中網(wǎng)格下結(jié)果與細網(wǎng)格下結(jié)果的最大相對誤差小于4%；綜合考慮計算精度與計算效率，最終選擇中網(wǎng)格作為秦皇島小模型計算網(wǎng)格.秦皇島小模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為4 888個，網(wǎng)格單元數(shù)為9 099個，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個開邊界，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)格尺度模型來計算水平渦黏系數(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，時間步長取60 s.海岸邊界采用動邊界模擬灘肩和潮間帶的干濕交換過程，取hdry=0.005 m，hflood=0.050 m，hwet=0.100 m.

2 模型驗證

2.1 潮流模型驗證

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

b L2

c L3

d L4

2.2 潮流模型效率評價

數(shù)學(xué)模型在驗證過程中存在誤差，模型誤差可能會受到網(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)，進行了多次率定.為了評價模型計算結(jié)果的擬合程度，比較計算值和實測值之間的差異程度，引入一個評價標(biāo)準(zhǔn)來進行衡量.采用百分比模型偏差法(PB)用來計算模型的模型計算值M和相應(yīng)實測值D之間的偏差率，計算方法如下[21]：

(12)

當(dāng)PB≤10，認為擬合結(jié)果極好；當(dāng)10

認為擬合非常好；當(dāng)2040，認為擬合差.

渤海大模型11個測站驗證的PB在10.1～32.7之間，其中L1、L2、L3、L4測站PB為10.1、32.7、19.5、12.6，評價為好或非常好；秦皇島小模型9個測站流速驗證PB在23.5～37.8之間，流向驗證PB在18.5～34.0之間，S1、S2測站流速驗證PB為28.5、26.1，流向驗證PB為22.4、18.5，評價為好或非常好.綜合以上評價，潮流模型驗證較好.

2.3 波浪模型驗證

根據(jù)2016年秦皇島海洋波浪測站(圖1中BL1)的實測波浪統(tǒng)計資料，統(tǒng)計特征值和波浪模型數(shù)值模擬得到的計算結(jié)果見表1，波浪模型驗證較好.

a S1流速

b S2流向

c S2流速

d S2流向

物理量統(tǒng)計特征值計算結(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(無岬頭無海灘養(yǎng)護的情況1)下新開河口至南山近岸海域漲落急時刻潮流，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 潮流對人工岬頭的響應(yīng)

圖5為情況2下新開河口至南山近岸海域漲落急時刻的流場及情況2與情況1流速差值等值線.該區(qū)域無工程時流速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，流速絕對減小約0.075 m·s-1，相對減小約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 潮流對海灘養(yǎng)護工程的響應(yīng)

圖6為情況3下新開河口至南山近岸海域漲落急時刻的流場及情況3與情況2流速差值等值線，即反映潮流對海灘養(yǎng)護工程的響應(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個沙壩之間的水流通道.

a 漲急

b 落急

漲急時刻在岬灣內(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.落急時刻與漲急時刻流速變化區(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，進行波流耦合作用下波浪模擬，得到工程前后漲落急時刻波高分布分別如圖7和圖8所示，工程海域漲急時刻有效波高大于落急時刻有效波高.

a 情況1b 情況2c 情況3

圖8落急時刻有效波高分布

Fig.8Significantwaveheightdistributionsatthemaximumebb

4.1 波浪對人工岬頭的響應(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，漲急時刻消減0.125 m(50%)，落急時刻消減0.150 m(60%)，即人工岬頭在落急時刻消減波浪更為明顯.由于潮流對波浪的折射作用，靠近東側(cè)岬頭的岬灣內(nèi)落急時刻的波高弱于漲急時刻的波高.

4.2 波浪對海灘養(yǎng)護工程的響應(yīng)

情況3下有效波高在漲、落急時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，波浪在爬過壩頂時波高增加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%；落急時刻灘肩前方海域有效波高減小約0.050 m，較漲急時刻減少小.

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，利用率定和驗證好的模型，設(shè)置無岬頭無海灘養(yǎng)護工程、僅人工岬頭工程、同時有人工岬頭與海灘養(yǎng)護工程3種情況進行數(shù)值模擬，對新開河口至南山岸線海域典型時刻流場、波浪場進行對比分析，得到潮流流速和有效波高對人工岬頭及海灘養(yǎng)護工程的響應(yīng)特征如下：

(1) 新開河口至南山岸線海域流速0.090～0.165 m·s-1，整體流速較小；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.人工岬頭修建后會在岬頭后側(cè)形成弱環(huán)流.

(2) 海灘養(yǎng)護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) 人工岬頭對其后側(cè)區(qū)域有較好的波浪消減作用，漲急時刻有效波高大于落急時刻有效波高.海灘養(yǎng)護工程主要使得壩頂、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)的海岸動力；同時進行灘肩補沙和修建水下涉壩，進一步減弱沙壩后側(cè)水動力，沙壩也可對海灘提供長期喂養(yǎng)沙源，減少海岸侵蝕.