潛式與離岸式人工岬頭護(hù)灘作用和水交換特征比較

陳淑敏，潘 毅，陳永平，楊耀中

(1. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2. 江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029)

在海岸演變過程中，天然岬角或人工岬頭掩蔽的海灘通常存在一個(gè)平衡狀態(tài)[1]，此時(shí)海岸達(dá)到最穩(wěn)定形狀，沒有長(zhǎng)期的侵蝕或淤積趨勢(shì)，即使受到大風(fēng)浪侵蝕，風(fēng)暴過后也能在自然作用下恢復(fù)原有形狀。因此，在海灘養(yǎng)護(hù)工程中，建設(shè)岬灣海岸是穩(wěn)定侵蝕海岸線的理想方法[2]。

人工岬頭廣泛用于沙質(zhì)海岸的養(yǎng)灘工程中[3-5]，通常在天然岬頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行延長(zhǎng)。眾多學(xué)者對(duì)人工岬頭的結(jié)構(gòu)、可行性以及技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了研究討論，指出建造人工岬頭對(duì)保護(hù)和修復(fù)海灘具有重要作用[5-7]。然而，岬頭對(duì)岸灘的掩護(hù)減弱了海灣與外海之間的水交換，易導(dǎo)致岬灣水質(zhì)惡化，海藻和海草大量繁殖[8]，這一現(xiàn)象在岬頭后的水域中尤為明顯。

為避免人工岬灣的水質(zhì)惡化，改善岬灣的水交換，文中提出了兩種改良式人工岬頭，分別為離岸式人工岬頭(detached artificial headland，簡(jiǎn)稱DAH)和潛式人工岬頭(submerged artificial headland，簡(jiǎn)稱SAH)。離岸式岬頭是指在向岸端預(yù)留潮流通道的人工岬頭，如圖1(a)所示。離岸式岬頭可以阻擋很大一部分波浪，同時(shí)又允許潮流通過預(yù)留的潮流通道進(jìn)出岬灣，改善岬頭后方的水交換情況。潛式岬頭是一種低水頭構(gòu)筑物，其頂部高程低于平均海平面，如圖1(b)所示。潛式岬頭能夠耗散波浪能，同時(shí)允許潮流從其頂端通過，改善岬頭后方的水交換情況。

Pan等[9]提出了在人工岬頭中預(yù)留潮流通道的方法(離岸式人工岬頭的雛形)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究，就保護(hù)岸灘和改善水交換的效果進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，加入潮流通道后，岬灣的水交換得到了極大改善，而岬頭對(duì)岸灘的保護(hù)效果只是稍有減弱，不影響對(duì)岸灘的整體保護(hù)效果。但是，在某些情況下，預(yù)留的潮流通道可能帶來較大的流速，從而引起岸灘局部沖刷。從保護(hù)岸灘和改善水交換的角度出發(fā)，提出了離岸式岬頭和潛式岬頭的概念，并就它們對(duì)岸灘的保護(hù)效果進(jìn)行了比較。通過建立岸線演變模型和物質(zhì)運(yùn)輸模型，研究了潛式岬頭和離岸式岬頭在秦皇島北戴河西海灘養(yǎng)灘工程中的護(hù)灘效果，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。模擬了不同的工程方案，比較潛式岬頭和離岸式岬頭在保護(hù)岸灘和改善水交換方面的效果。

圖1 離岸式人工岬頭和潛式人工岬頭示意Fig. 1 The definition sketches of detached artificial headland and submerged artificial headland

1 研究區(qū)域

西海灘位于秦皇島市北戴河區(qū)，全長(zhǎng)3.2 km，是兩端有短岬角的岬灣海灘，如圖2所示。海灘的西端修建了一個(gè)丁壩，用來給一小港口的航道導(dǎo)流，海灘的東端有一個(gè)天然岬角。西海灘為低能沙質(zhì)海灘，波高較小。2011年至2014年的波浪測(cè)量分析表明，波浪主要來向?yàn)镾向至ESE向。主導(dǎo)波向?yàn)镾E方向，占波浪總數(shù)的21.72%。大部分記錄的有效波高Hs(約占全部數(shù)據(jù)的91.23%)小于0.6 m，僅有1.01%記錄的有效波高大于0.9 m。平均波周期Ts為4.5 s。西海灘位于無潮點(diǎn)附近，多年平均潮差僅為0.74 m。

圖2 西海灘和養(yǎng)灘工程兩個(gè)階段Fig. 2 The West Beach and two phases of the beach nourishment project

海灘養(yǎng)護(hù)前，由于附近河流上游建有攔河壩以及河口的采沙活動(dòng)，西海灘遭受了侵蝕[10]。因此，為保護(hù)和拓展西海灘，決定實(shí)施海灘養(yǎng)護(hù)工程。圖2展示了分為兩階段進(jìn)行的養(yǎng)灘工程[4]。一期工程于2008年5至6月進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)部分西海灘，包括修建近岸沙壩和水下防波堤。一期工程完成后，沿圖2所示的8個(gè)剖面進(jìn)行海灘剖面監(jiān)測(cè)，以提供驗(yàn)證模型所需的數(shù)據(jù)。二期工程于2010年11至12月進(jìn)行，范圍覆蓋整個(gè)西海灘，養(yǎng)灘范圍達(dá)50 m。該養(yǎng)灘工程中，客沙的中值粒徑在0.42 ～ 0.61 mm之間，原海灘沙的中值粒徑為0.34 mm。人工海灘低水位以上坡度為1∶10，低水位以下坡度為1∶8。根據(jù)《海岸工程手冊(cè)》[11]計(jì)算，設(shè)計(jì)灘肩頂標(biāo)高為3 m，填沙體積為2.567×106m3，超填系數(shù)為1.12。在海灘的兩端修建三個(gè)獨(dú)立的離岸潛堤和兩個(gè)人工岬角。離岸潛堤建于水深4 m處(離岸約450 m)，長(zhǎng)約250 m，堤頂高程為平均海平面以下1.2 m。

2 岸線演變

通過建立岸線演變模型來研究潛式岬頭和離岸式岬頭對(duì)工程后的岸線變化的影響。使用驗(yàn)證后的岸線演變模型，模擬不同岬頭條件下的岸線演變過程，并在此基礎(chǔ)上對(duì)潛式岬頭和離岸式岬頭的作用進(jìn)行討論。

2.1 模型的建立與驗(yàn)證

基于一線模型建立岸線演變模型。GENESIS模型是CERC開發(fā)的并且廣泛使用的一線模型之一[12]，能較好地再現(xiàn)沿海建筑物引起的岸線演變[13]，用于世界各地的養(yǎng)灘工程中[14]。Gravens等[15]提供了有關(guān)GENESIS模型應(yīng)用的詳細(xì)信息?？刂品匠蹋?/p>

(1)

式中：x為沿岸距離，y為離岸距離，DB為堤高，DC為截流深度，Q為沿岸輸沙率，由式(2)給出

(2)

其中，Hs是有效波高，Cg是由線性波理論得出的波群速度，下標(biāo)b表示破波條件，θbs是局部岸線對(duì)應(yīng)的破波角，無因次參數(shù)a1和a2分別由校準(zhǔn)參數(shù)K1和K2計(jì)算得出[13]。

計(jì)算區(qū)域覆蓋整個(gè)西海灘，詳細(xì)模型設(shè)置為：基于剖面測(cè)量得到灘肩高度為2 m；根據(jù)對(duì)該區(qū)域輸沙情況的前期研究得到封閉水深為7 m，由模型敏感度研究[16]得K1=2K2=0.76。初始岸線及人工岬頭、潛堤的布置如圖2所示?？蜕澈彤?dāng)?shù)厣尘捎弥兄盗紻50=0.40 mm。

圖3 一期工程后岸線演變模型的驗(yàn)證Fig. 3 Verification of the shoreline model: the comparison between simulated and measured shoreline changes after phase I of the project

首先模擬一期工程后8個(gè)月內(nèi)岸線的變化，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為沿圖2所示8個(gè)剖面測(cè)量獲得的岸線位置。在監(jiān)測(cè)剖面中，兩相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離小于5 m。水深小于1.5 m的區(qū)域采用全站儀(GTS-102N)測(cè)量高程，其余區(qū)域用回聲測(cè)深儀(HD30)測(cè)量高程。一期工程結(jié)束后，每個(gè)月測(cè)量?jī)纱巍８鶕?jù)對(duì)8個(gè)監(jiān)測(cè)剖面的測(cè)量得到實(shí)測(cè)岸線位置。工程竣工后4個(gè)月和8個(gè)月的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)岸線變化的對(duì)比如圖3所示。x軸的原點(diǎn)在P8剖面處(如圖2所示)，從左至右的8個(gè)測(cè)點(diǎn)分別表示從P8至P1剖面的海岸線位置。該模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，可以應(yīng)用于西海灘二期工程后的模擬。模型驗(yàn)證的更多細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[17]。

2.2 模擬方案

通過驗(yàn)證后的岸線演變模型，設(shè)計(jì)不同岬頭條件下的模擬方案，并對(duì)二期工程后10年的岸線變化進(jìn)行模擬。

影響潛式岬頭的岸灘防護(hù)效果的關(guān)鍵參數(shù)是波浪透射系數(shù)(Kt)，其定義為防波堤岸側(cè)直接入射波高與海側(cè)直接入射波高之比。例如，傳統(tǒng)人工岬頭(traditonal artificial headlands，簡(jiǎn)稱TAH)的Kt為0，無人工岬頭(non artificial headland，簡(jiǎn)稱NAH)時(shí)，Kt=1。透射系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)[18-22]。這些經(jīng)驗(yàn)公式取得的結(jié)果近似，本研究中取其平均值。

影響離岸式岬頭的岸灘防護(hù)性能的關(guān)鍵參數(shù)是潮流通道比值(Ptc)，其定義為潮汐水道的長(zhǎng)度與潛式岬頭總長(zhǎng)度(包括潮汐水道本身)之比。例如，傳統(tǒng)岬頭的Ptc為0，無岬頭時(shí)Ptc為1。

設(shè)置不同的關(guān)鍵參數(shù)，來研究潛式岬頭和離岸式岬頭的岸灘保護(hù)效果。表1中列出了這些方案。對(duì)照方案為1和6，用來研究傳統(tǒng)岬頭和無岬頭時(shí)的岸線變化，方案2、3用來研究潛式岬頭的作用；方案4、5用來研究離岸式岬頭的作用。

表1 岸線演變模型模擬方案Tab. 1 Simulated cases of shoreline change model

2.3 結(jié)果與討論

不同方案的岸線變化模擬結(jié)果如圖4所示。岸線變化指岸線當(dāng)前位置與養(yǎng)護(hù)前位置的相對(duì)變化。正值表示海灘寬度的增加。潛式岬頭方案的模擬結(jié)果如圖4(a)所示，離岸式岬頭方案的模擬結(jié)果如圖4(b)所示，同時(shí)繪制傳統(tǒng)岬頭和無岬頭的模擬結(jié)果以供比較。

圖4 傳統(tǒng)岬頭、潛式岬頭、離岸式岬頭和無岬頭時(shí)岸線變化模擬結(jié)果(x軸的起點(diǎn)位于海灘東端，且x軸大致與岸線平行)Fig. 4 Simulated results of shoreline change in cases with TAH, SAH, DAH and NAH

模擬結(jié)果中均有五處明顯的岸線凸起，其中海灘中部的三處凸起為近海潛堤引起，這里不作討論。海灘兩端的兩個(gè)岸線凸起是在人工岬頭的作用下形成的，其尺度受人工岬頭的結(jié)構(gòu)型式和其關(guān)鍵參數(shù)的影響。

潛式和離岸式岬頭對(duì)岸灘的保護(hù)效果都很好。如圖4所示，Kt或Ptc等于0.3時(shí)，岸線變化與傳統(tǒng)岬頭方案十分接近。隨著Kt或Ptc增加到0.5，人工岬頭后的海灘仍明顯比無岬頭時(shí)更寬。因此，采用潛式岬頭或離岸式岬頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)岬頭來保護(hù)岸灘是可行的。

通過對(duì)比圖4(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，在離岸式岬頭的潮流通道后面，岸線后退明顯，而在潛式岬頭后面，岸線的形狀則更平滑，而較平滑的岸線更有利于旅游景觀的形成。

通過對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，在海灘的東端和西端，岸線對(duì)Kt和Ptc變化的敏感度不同，這可以用養(yǎng)護(hù)前海灘狀態(tài)來解釋。Kuang等[16]指出，海灘沿岸輸沙方向?yàn)樽詵|向西，因此盡管海灘整體處于侵蝕狀態(tài)，但海灘西端仍有所淤積。在侵蝕的情況下，海灘東端的岸線演變對(duì)Kt和Ptc的變化十分敏感。隨著Kt和Ptc的增加，海灘寬度不斷減小。海灘西端處于淤積狀況，灘寬對(duì)Kt和Ptc表現(xiàn)出不同的敏感性。在潛式岬頭方案中，海灘西端在Kt為0和0.3時(shí)岸線變化十分接近，在Kt等于0.5時(shí)，岬頭后的海灘比Kt等于0和0.3的情況下更窄，但仍比無岬頭時(shí)更寬。岸線演變這種不同可能是因?yàn)椴ɡ司植客干鋵?duì)淤積岸灘的影響很小，可以忽略不計(jì)。因此，淤積條件下，使用較小Kt的潛式岬頭，海灘的保護(hù)效果的損失較小。在離岸式岬頭方案中，Ptc等于0.3和0.5時(shí)海灘西端的岸線變化十分接近，且介于傳統(tǒng)岬頭和無岬頭方案之間。一種可能的解釋是，在淤積條件下，人工潛堤的向陸末端發(fā)揮的主要作用是阻礙沿岸輸沙，離岸式岬頭中預(yù)留的潮流通道使得沿岸輸沙仍然存在。因此，如果潮流通道足夠長(zhǎng)，使沿岸輸沙的大部分保留，那么潮流通道長(zhǎng)度(或Ptc的值)對(duì)其后岸線形狀影響及其微弱。

潛式岬頭事實(shí)上為一種低水頭建筑物，雖然上部留出了水流通過的空間，但其仍發(fā)揮著重要的消浪作用，對(duì)于造成顯著沿岸輸沙的大波高來說這種消浪效果尤為明顯。離岸式人工岬頭的潮流通道預(yù)留在靠岸端，其水深較淺，波浪傳入后的傳播范圍也較小，故放棄掉這一部分的消波作用對(duì)海灘保護(hù)的整體影響也較小。總體來說，潛式岬頭和離岸式岬頭雖然通過降低堤頂高程或預(yù)留潮流通道的方法來提供潮流通路，但二者仍能發(fā)揮重要的消波作用，其海灘保護(hù)效果要顯著高于無岬頭工況，僅比傳統(tǒng)岬頭工況略有減弱。

3 水體交換

為了研究潛式岬頭和離岸式岬頭對(duì)岬灣內(nèi)水交換情況的影響，基于Delft3D模型建立了物質(zhì)輸運(yùn)模型，設(shè)置了6種人工岬頭，4種潮汐流場(chǎng)，對(duì)2個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行了共計(jì)48種情況下的物質(zhì)輸運(yùn)模擬。根據(jù)物質(zhì)輸運(yùn)模型的模擬結(jié)果，計(jì)算岬頭后區(qū)域的沖淡時(shí)間。然后討論潛式岬頭和離岸式岬頭對(duì)水交換的影響。

3.1 模型設(shè)置及驗(yàn)證

物質(zhì)輸運(yùn)模型包括兩部分——潮流模型和輸運(yùn)模型。如圖5所示，建立四級(jí)正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)。一級(jí)網(wǎng)格覆蓋整個(gè)渤海區(qū)域，確保潮流場(chǎng)正確；兩個(gè)四級(jí)網(wǎng)格分別覆蓋海灘的西端和東端，分辨率達(dá)到10 m，用以精細(xì)刻畫岬頭地形；第二、三級(jí)網(wǎng)格分辨率介于第一、四級(jí)網(wǎng)格之間，作為二者之間的過渡。網(wǎng)格之間的連接采用區(qū)域分解邊界技術(shù)(domain decomposition boundary)[23]，參數(shù)可通過內(nèi)邊界光滑傳播。一、二、三級(jí)網(wǎng)格和東、西端兩個(gè)四級(jí)網(wǎng)格大小分別為253×145、118×73、181×85、31×31、64×55?？紤]到岬灣水深相對(duì)較淺(小于4 m)且外海水深小于6 m，根據(jù)流量和濃度的垂向分布將垂向(σ坐標(biāo))分為5層。離岸水深由渤海測(cè)深圖測(cè)得，近岸水深(三級(jí)網(wǎng)格范圍內(nèi))采用測(cè)深數(shù)據(jù)。需要說明的是，在本模型的計(jì)算中并未考慮波浪對(duì)于物質(zhì)輸運(yùn)的影響。這是由于研究區(qū)域的波浪能非常小，如第1節(jié)所述，99%的波浪小于0.9 m，且其影響范圍僅限于近岸，故影響當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)輸運(yùn)的主要因素為潮流。

圖5 潮流模型的模型網(wǎng)格系統(tǒng)和開放邊界位置以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)Fig. 5 The model grid system and open boundary locations of the flow model, and the field data observation points

模型驗(yàn)證采用從2011年5月20日11∶00至5月21日11∶00內(nèi)的流場(chǎng)資料，包括西海岸附近海域的5個(gè)監(jiān)測(cè)站每小時(shí)的流速和流向數(shù)據(jù)。5個(gè)站點(diǎn)(Ob1～Ob5)位置如圖5所示。在Ob1～Ob4處，分別在總水深的3/10和7/10處測(cè)量流速和流向；在Ob5處，僅在中間水深處測(cè)量流速和流向。近岸WL站(如圖5所示)在5月16至17日和5月20至21日內(nèi)測(cè)得的水位數(shù)據(jù)也用于模型驗(yàn)證。潮流模型的模擬時(shí)間為2011年5月11日至25日，采用此期間的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為15 s。開邊界為大連水文站和煙臺(tái)水文站連線，邊界動(dòng)力條件由中國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供的兩個(gè)水文站的潮位數(shù)據(jù)插值得到。北戴河流量由多年平均流量給定。圖6(a)和圖6(b)分別為Ob3站和Ob5站模擬流速、流向與實(shí)測(cè)流速、流向的對(duì)比圖。圖6(c)為WL站的模擬水位與實(shí)測(cè)水位的比較。從圖中可以看出，模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果在流速、流向、水位等方面均吻合較好，說明該模型對(duì)模擬區(qū)域內(nèi)潮流場(chǎng)的描述較為符合。

圖6 潮流模型驗(yàn)證：模擬值和測(cè)量值的比較Fig. 6 Verification of the flow model: the comparisons between model simulations and field observations

3.2 沖淡時(shí)間

沖淡時(shí)間表示的是某水體中水交換的時(shí)間尺度，廣泛用于河口[24]、港灣[25]和其他水體[26]的水質(zhì)評(píng)價(jià)。沖淡時(shí)間定義為保守物質(zhì)在某水體中減少至初始質(zhì)量的給定百分比時(shí)所需的時(shí)間。該給定百分比稱為截?cái)喟俜直?，Huang等[27]取為10%，Abdelrhman[25]取1/e?？紤]到本研究區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)開闊的海灣，岬頭較短，水交換相對(duì)較快，因此取10%作為截?cái)喟俜直?。為?jì)算沖淡時(shí)間，首先在計(jì)算區(qū)域內(nèi)設(shè)置單位濃度的示蹤劑，然后開始模擬，在模擬過程中追蹤計(jì)算區(qū)域內(nèi)示蹤劑質(zhì)量(M(t))的實(shí)時(shí)變化。將計(jì)算區(qū)域內(nèi)示蹤劑質(zhì)量(M(t))降低至初始質(zhì)量(M0)10%時(shí)所用的時(shí)間定義為沖淡時(shí)間。

3.3 模擬方案

為探討不同條件下潛式岬頭和離岸式岬頭對(duì)沖淡時(shí)間的影響，選取2個(gè)計(jì)算區(qū)域(如圖7所示)，均設(shè)置6種不同岬頭下方案，加上4種潮汐條件，共48種物質(zhì)輸運(yùn)方案。

所有方案的運(yùn)行時(shí)間均為2011年5月11日至25日，包含一次大潮和小潮。模型設(shè)置了傳統(tǒng)岬頭和無岬頭，Kt為0.3和0.5的潛式岬頭，Ptc為0.3和0.5的離岸式岬頭這6種岬頭，在潮流模型模擬結(jié)果的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)用輸運(yùn)模型對(duì)48種方案進(jìn)行模擬，研究在不同區(qū)域，不同岬頭和不同潮汐條件下的水交換效果。選取岬頭后的2個(gè)區(qū)域(區(qū)域1和區(qū)域2)計(jì)算沖淡時(shí)間。選取4種潮汐條件，研究潮汐條件對(duì)水交換的影響，包括大潮漲潮(從2011年5月19日11∶00開始)、大潮落潮(從2011年5月20日3∶30開始)、小潮漲潮(從2011年5月14日5∶00開始)和小潮落潮(從2011年5月15日00∶00開始)。每次模擬首先在計(jì)算區(qū)域內(nèi)(區(qū)域1或區(qū)域2)設(shè)置單位示蹤劑濃度，然后在模擬中跟蹤計(jì)算示蹤劑質(zhì)量的實(shí)時(shí)變化。

圖7 沖淡時(shí)間的計(jì)算域Fig. 7 The selected areas for the calculation of flushing time

3.4 結(jié)果與討論

不同方案的示蹤劑質(zhì)量降低曲線分別如圖8和圖9所示，圖8為區(qū)域1，圖9為區(qū)域2。曲線表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)示蹤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值在不同潮汐條件(大潮漲潮、大潮落潮、小潮漲潮和小潮落潮)下的下降過程，不同的符號(hào)表示不同的人工岬頭，曲線上的豎線表示示蹤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布范圍。從圖8和圖9可以看出，在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，示蹤劑質(zhì)量的下降范圍基本介于傳統(tǒng)人工岬頭和無人工岬頭方案之間。在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，示蹤劑濃度的下降速率分別隨著Kt和Ptc的增大而增大。當(dāng)Kt=Ptc時(shí)，潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中示蹤劑質(zhì)量下降過程基本相同，差異很小。潮汐條件對(duì)示蹤劑質(zhì)量的減少也有一定的影響，如圖8和圖9中的豎線所示不同潮汐條件下造成的示蹤劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍。

圖8 傳統(tǒng)人工岬頭、潛式人工岬頭、離岸式人工岬頭和無人工岬頭方案中示蹤劑質(zhì)量下降曲線(區(qū)域1)Fig. 8 The tracer mass reduction curves of area 1 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

圖9 傳統(tǒng)人工岬頭、潛式人工岬頭、離岸式人工岬頭和無人工岬頭方案中示蹤劑質(zhì)量下降曲線(區(qū)域2)Fig. 9 The tracer mass reduction curves of area 2 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

傳統(tǒng)式人工岬頭完全的將岸灘兩端遮蔽起來，形成了較為封閉的海灣的形態(tài)，潮流和波浪都無法進(jìn)入，岬后水體難以更新，而改良式人工岬頭預(yù)留了不同形式的潮流通道，漲退潮時(shí)，潮流可以經(jīng)潮流通道進(jìn)出岬后海灣，與灣內(nèi)水體進(jìn)行摻混，灣內(nèi)水體始終與外海保持流通的狀態(tài)，因而岬后水交換將會(huì)得到改善，而改善的效果與岬頭形式、參數(shù)設(shè)置以及潮流類型等相關(guān)。雖然改良式人工岬頭仍會(huì)對(duì)水交換有一定程度的阻礙，但相比于傳統(tǒng)人工岬頭其水交換效率有大約50%的提高。

根據(jù)示蹤劑質(zhì)量降低曲線圖，判斷示蹤劑質(zhì)量(M(t))降至初始質(zhì)量(M0)10%所用的時(shí)間，即沖淡時(shí)間。計(jì)算得到的沖淡時(shí)間如圖10所示。由圖可知，潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，沖淡時(shí)間明顯小于傳統(tǒng)人工岬頭方案，Kt和Ptc值越小，沖淡時(shí)間越長(zhǎng)，例如當(dāng)Kt和Ptc值為0.3時(shí)的沖淡時(shí)間大于Kt和Ptc值為0.5時(shí)。潮汐特征對(duì)沖淡時(shí)間也有明顯的影響。由圖可見，區(qū)域1在漲潮時(shí)沖淡時(shí)間較長(zhǎng)，而區(qū)域2在落潮時(shí)沖淡時(shí)間較長(zhǎng)。在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，區(qū)域2在落潮時(shí)的沖淡時(shí)間明顯長(zhǎng)于漲潮沖淡時(shí)間，這一結(jié)果可以通過潮流方向得到解釋。西側(cè)的潮流方向大致與海岸線平行，低潮時(shí)為自西向東，高潮時(shí)為自東向西。退潮時(shí)，雖然潮流方向朝向區(qū)域2的開闊面，但由于退潮時(shí)潮汐水位較低，通過潮流通道的出流減弱，在人工岬頭后形成了一個(gè)小于0.01 m/s的低流速區(qū)域。而漲潮時(shí)，盡管水流方向?yàn)樽詵|向西，并朝向區(qū)域1的開闊處，但高潮位保證了水流有較強(qiáng)的能力經(jīng)潮流通道向外流，這就解釋了在區(qū)域1為什么漲潮時(shí)的沖淡時(shí)間較長(zhǎng)，而落潮時(shí)的沖淡時(shí)間較短。

圖10 不同人工岬頭以及不同潮汐條件下的計(jì)算沖淡時(shí)間Fig. 10 Calculated flushing time under different artificial headland conditions and tidal phases

4 結(jié) 語

采用數(shù)值模型研究比較了在北戴河西海灘養(yǎng)灘工程中潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭對(duì)岸線演變和水交換的影響。

當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)Kt或Ptc設(shè)為0.3或0.5時(shí)，潛式岬頭和離岸式岬頭保護(hù)岸灘的效果都較好。因此，用潛式岬頭或離岸式岬頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)岬頭來保護(hù)海灘是可行的。通過對(duì)比潛式岬頭與離岸式岬頭的岸線模擬結(jié)果，可以看出，潛式岬頭后的岸線形狀更加平滑，有利于旅游景觀的形成。海灘的侵蝕和淤積特性也對(duì)潛式岬頭和離岸式岬頭的性能有一定的影響，在侵蝕條件下，岸線對(duì)Kt和Ptc的敏感性相似，而在淤積條件下，潛式岬頭的護(hù)灘效果略好。

潛式岬頭和離岸式岬頭后方區(qū)域的水交換效果介于傳統(tǒng)岬頭和無岬頭情況之間，Kt和Ptc值相同時(shí)示蹤劑質(zhì)量下降曲線相似。潮汐條件對(duì)某些情況的沖淡時(shí)間有一定的影響。通常，當(dāng)Kt和Ptc在測(cè)試參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，沖淡時(shí)間比采用傳統(tǒng)岬頭時(shí)顯著減少。例如，在西海灘區(qū)域1，潛式岬頭在Kt為0.3和0.5，離岸式岬頭在Ptc為0.3和0.5時(shí)，沖淡時(shí)間分別比傳統(tǒng)岬頭減少了大約45.5%、55.9%、48.2%、53.3%；在西海灘區(qū)域2，潛式岬頭在Kt為0.3和0.5，離岸式岬頭在Ptc為0.3和0.5時(shí)，沖淡時(shí)間分別比傳統(tǒng)岬頭減少了約27.3%、36.9%、14.8%和41.0%。

總體而言，潛式岬頭和離岸式岬頭都可以作為傳統(tǒng)岬頭的替代措施，雖然海灘保護(hù)效果稍有減弱，但可以明顯改善水交換情況。從岸線演變的角度看，潛式岬頭具有其后岸線形狀光滑、在淤積條件下護(hù)灘效果較好的優(yōu)點(diǎn)。兩種改良式人工岬頭改善灣內(nèi)水交換的效果相近。實(shí)際上，西海灘的養(yǎng)護(hù)工程中，最終采取的方案為離岸式岬頭和潛式岬頭相結(jié)合的方式，其中潛式岬頭Kt取為0.3，離岸式岬頭Ptc取為0.5。養(yǎng)護(hù)后的監(jiān)測(cè)也顯示西海灘兩端都維持著可觀的海灘寬度。本研究所得的資料與結(jié)果可用于擬建人工岬頭的養(yǎng)灘工程中，在養(yǎng)護(hù)岸灘、改善水交換、降低水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)方面提供參考。

本結(jié)論基于對(duì)北戴河西海灘的案例研究，所得結(jié)論適用于具有波能小、潮差小等類似條件的沙灘，當(dāng)應(yīng)用于其他類型的海灘時(shí)，在應(yīng)用前須進(jìn)行可行性研究及方案比較分析。