老虎石公园海滩养护岸线演变模拟及预测

胥　岩，潘　毅，陈永平

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏　南京　210098）

综合

老虎石公园海滩养护岸线演变模拟及预测

胥岩，潘毅*，陈永平

（河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098）

在实测岸线资料的基础上对老虎石公园海滩养护工程的养滩效果进行了分析，然后基于GENESIS数值模型构建了岸线演变模型，采用经验证的模型对工程后3~5 a内的岸线演变趋势进行了预测和分析。结果表明，工程结束后，东段海滩岸线后退，5 a后逐渐达到平衡；中段海滩逐渐淤长，5 a后海滩宽度增长40 m左右；西段海滩持续遭受侵蚀。

GENESIS模型；人工养滩；岸线演变

1　概述

20世纪中叶以前，人们通常通过硬性海岸防护建筑（潜堤、防波堤和海墙等）来抵御海岸的风浪侵蚀。多年的工程应用和研究结果表明，采用硬性海岸防护建筑会暂时抵御风浪的侵蚀，但会改变当地水动力条件，引起泥沙横向运动失衡，离岸输运增强。长远看来，反而加重了海滩的侵蚀程度。为了克服海岸硬防护的不足，人们开始倾向于海岸软防护。一般说来，若当地有充分的补沙来源，人工养滩（Beach nourishment）是最佳且应优先考虑的海岸软防护方式[1]。

1922年美国纽约的柯尼岛公共岸滩工程是现存记录中最早的人工养滩工程，截至1996年，美国的养滩地点已超390处，养滩工程已超过1 300 个[2]。美国大规模的人工养滩工程在保护海岸免受侵蚀、降低风暴潮灾害损失的同时，还改善了海岸环境，促进了旅游业的发展[2]。欧洲人工养滩工程的规模与美国接近[3]，工程大都采用了补沙与丁坝和离岸堤相结合的措施，并定期地对养滩工程进行后续补沙[4]。我国大陆的人工养滩工作最早开展于20世纪70年代，如青岛、茂名等地，但规模较小，缺乏保护措施，每年的补沙都侵蚀的很快[5]。1990年香港浅水湾工程是我国最早的较大规模的人工养滩工程[2]。

老虎石公园位于中国著名的避暑和疗养胜地——北戴河风景区的中心。由于诸多原因，老虎石海滩的海洋资源和生态环境均受到了一定程度的损害。为了遏制海滩坡度变陡、砂质粗化等问题，有效改善、恢复海岸带旅游功能，于2013 年3—4月实施了老虎石海滩养护工程，将海岸线向海推进了约30 m[6]。本文采用GENESIS（Generalized Model for Simulating Shoreline change）数值模拟的方法，在验证模型结果与实测资料基本吻合的前提下，对老虎石海滩养护工程的养护效果进行了分析、预测和评价，为以后进一步的海滩养护工程提供参考和依据。

2　工程简介

老虎石海滩长约820 m，西起原旅游码头，东至浪涛屿浴场，为基岩岬湾海岸和砂质海岸的混合海岸。海滩养护工程方案见图1，海滩分3段进行滩肩补沙，补沙粒径在0.42～0.62 mm之间，老虎石岬头前方东西两侧各建1个潜坝。西侧沙坝长250 m，坝顶高程为-0.5 m，距离岸线约250 m；东侧沙坝长440 m，坝顶高程为-0.8 m，距岸约195 m；坝底宽50 m，坝顶宽30 m[7]。

图1　工程概况图（2005年航拍图）Fig.1　Overview of beach nourishment (Aerial Photo taken in 2005)

2.1地形资料

整个北戴河海域内，金山嘴附近水深较深、地形较陡，其它海域地形平缓，呈现自西北向东南缓倾。海底地形主要特征可以概括为：除近岸处坡度较陡外，整体上坡度较缓，0～2 m等深线海域坡度较大，介于1.18%～1.72%，2～5 m等深线坡度为0.32%～0.34%，5～10 m等深线之间坡度最小，不足0.1%，介于0.094%～0.098%之间[8]。

2.2波浪资料

波浪测站位于距老虎石海滩约750 m处，波浪资料为2011年6月—2014年6月测得的波浪数据，波浪玫瑰图如图2所示。该海域的波浪总体较小，测量期间绝大多数波浪的波高在0.9 m以下，其中，0.6 m以下的波浪占全部波浪的2/3以上。

图2　波浪频率玫瑰图（%）Fig.2　Rose diagram of wave height(%)

3　实测岸线资料分析

为了掌握工程后的岸滩演变趋势，为后续的海滩维护提供参考资料，在工程前后，进行了海滩剖面监控。根据各时期剖面数据绘制的岸线位置变迁图见图3。

图3　实测岸线位置变迁图Fig.3　Change of observed shorelines

从图3可以看出，工程前岸线与底图所示岸线非常接近，故可以认为在工程前，岸线保持一种相对稳定的状态，自2005年—2012年变动不大。工程后18个月内，在非常明显的自东向西的沿岸输沙的作用下，工程填沙发生了重分布，其中老虎石东侧尤为明显。根据海滩侵淤特征，工程区海滩可分为3段来讨论：

1）东段海滩的填沙向海突出，在自东向西的沿岸输沙的作用下，向中段海滩输移，继而岸线后退。

2）中段海滩内凹于平直的岸线，并有老虎石陆连岛阻隔了该段海滩向西的泥沙输运，故在自东向西的沿岸输沙作用下，该段海滩拦截了绝大多数来自于东段海滩的泥沙，海滩面积迅速增长。

3）西段海滩受到老虎石的掩蔽作用但并未形成较大的掩蔽区，再加上下游泥沙缺乏有效的阻挡，向北戴河西海滩流失，故西段海滩在工程后岸线位置不断后退。

4　数值模拟

本文采用GENESIS数值模拟方法对老虎石海滩养护工程的效果进行预测和评价。GENESIS[9]是基于一线模型所开发的模拟砂质海岸岸线长期演变的系统，在大量的工程应用中逐步完善并成熟起来，现在国际上已广泛的应用于预测岸线的长期演变及岸线对海岸建筑物和人工养滩等的响应。GENESIS模型的控制方程为：

式中：x为沿岸线方向；y为垂直岸线方向；DB为海水所能到达的最大高程（滩肩高度）；DC为存在沿岸输沙的最大深度（封闭水深）；q=qs+q0为横向输沙率（离岸输沙+向岸输沙）；Q为沿岸输沙率，通过下式计算：式中：H为有效波高；Cg为波群速度；下标b表示波浪破碎时的参数；θbs为破波角；a1和a2为无量纲参数，定义如下：

式中：ρ表示海水密度，取1.03×103kg/cm3；ρs为沙的密度，取2.65×103kg/cm3；p为海滩的孔隙率，砂质海岸一般取0.4[9]；tan β为海滩平均坡度；1.416为有效波高向均方根波高的转化系数；K1、K2为控制沿岸输沙率大小的调整参数，可通过调整K1、K2值对模型进行调试和标定。

波浪由外海传到近岸区的波浪参数（如：波高、周期、波向、谱的改变等）采用STWAVE模块（STeady-state spectral WAVE）进行计算。STWAVE[9]是一个基于波作用平衡方程的有限差分模型，控制方程为：

式中：C为波速；Cg为波群速度；α为波浪正交方向（垂直于波峰线的方向）；μ为波向线方向（能量传播的方向）；ωr为相对角频率；ωa为绝对角频率；E为波能密度；S为能量的源、汇项。

4.1模型设置

模拟区域计算网格的x轴大致垂直于岸线方向（x轴与正北方向夹角0°），长度为2 000 m（向海侧的水深取至5.35 m）；y轴与x轴垂直，长度为1 000 m（包括了整个中海滩在内）；网格间距设定为10 m。

模型中涉及的老虎石海滩地形条件较为复杂，为了通过数值模拟最大化的还原实际条件，模型对老虎石海滩的海岸情况进行了详细的处理：海滩上的礁石概化为海堤（阻止海滩进一步后退），近岸的礁石概化为离岸堤或离岸潜堤（削减波浪），伸出海岸的礁石概化为丁坝（引起波浪绕射、阻止沿岸输沙）。根据实测资料发现，工程后18个月内，人工水下沙坝剖面是稳定的，并显示发生明显变形，因此，在模型中概化为离岸潜堤。

4.2模型率定和验证

为了更准确地预测海滩岸线演变的趋势，本次建模先对养滩前的岸线演变结果进行模型率定，再对养滩后的岸线演变结果进行模型验证。

4.2.1模型率定

在岸线长期演变的结果下，认为工程前的岸线形状处在一个相对比较稳定的状态。模拟工程前岸线10 a内的演变，绘制于图4。可以看到在无工程状态下，10 a间岸线演变模拟结果与初始岸线非常接近，可以认为该模型能够反映老虎石浴场及周围海滩的水动力和地貌动力演变规律。确定下来的GENESIS模型参数设置如下：闭合水深DC=7 m，滩肩高度DB=2 m，中值粒径D50= 0.5 mm（采用了客沙粒径），经验参数K1=0.8，经验参数K2=0.96。驱动模型的波浪资料为工程区域外海的波浪测站2011年6月—2014年6月的测量结果。

图4　工程前岸线变迁模拟Fig.4　Simulation of shoreline changes before beach nourishment

4.2.2模型验证

通过对工程后岸线演变的模拟，对建立的模型进行验证。选定2013年9月30日和2014年12月23日两个验证时段。

首先将实测的工程岸线演变绘制于图5（a），将模拟的工程后的岸线演变绘制于图5（b）。如图5（a）所示，工程后东段海滩在自东向西的沿岸输沙作用下持续侵蚀、中段海滩受老虎石陆连岛阻挡作用影响持续淤积、西段海滩因缺乏有效的阻挡持续侵蚀。这一趋势在图5（b）所示的模拟结果中同样体现出来。

图5　模拟与实测岸线演变过程比较Fig.5　Comparison of shoreline location between numerical predictions and observations

两个模拟时段的模拟岸线与实测岸线位置比较绘制于图6（a）和图6（b）。可以看到，在两个选定的验证时段，模拟结果与实测结果均符合较好。综合养滩前和养滩后模型的验证结果，本次建立的岸线演变数学模型能够正确地反应老虎石及邻近岬湾海滩的演变特征，可以用于工程后岸线演变趋势的预测。

图6　模拟与实测岸线不同时期位置比较Fig.6　Comparison between numerically predicted shoreline changes and observed shoreline changes in different periods

4.3模型的预测

利用建立的数值模型，对老虎石及邻近岬湾海岸的岸线演变进行预测，模拟时长分别为3 a 和5 a。模拟结果绘制于图7。

图7　岸线演变趋势预测Fig.7　Prediction of shoreline evolution trend

由图7，工程后3~5 a的时间内，老虎石东侧海滩岸线形状变化缓慢，已基本稳定。东段海滩在自东向西的沿岸输沙的作用下，岸线后退，但后退速度变缓；中段海滩堆积了绝大部分来自于东段海滩的泥沙，海滩面积增长，工程5 a后岸线已经较完工时向海推进了40 m左右，受淤长后岸线走向的影响，淤长速度会变缓；西段海滩的填沙持续流失，部分海滩已经后退到养滩前位置。

5　结语

本文在实测岸线资料的基础上对老虎石公园海滩养护工程的养滩效果进行了分析，采用GENESIS数值模拟的方法构建了岸线演变模型，根据实测资料和模拟结果的比较对模型进行了率定和验证，利用该模型预测和分析了工程后3~5 a内的岸线演变趋势，该结果为海滩后续养护提供了参考依据。

海滩剖面监控结果表明，工程后18个月内，在非常明显的自东向西的沿岸输砂的作用下，工程填砂发生了重分布。其中东段海滩岸线后退，中段海滩面积迅速增长，西段海滩泥沙岸线持续后退。

采用GENESIS数值模拟的方法构建的岸线演变模型，无工程状态下10 a内的岸线演变模拟结果与现有岸线非常接近，符合岸线演变的长期趋势。在养滩后选定的两个验证时段，模拟结果与实测结果符合均较好。证明了该模型能够反映老虎石及周围海滩的水动力和地貌动力演变规律，可以用于工程后岸线演变趋势的预测。

利用构建的岸线演变模型，预测了未来3~5 a内，老虎石海滩的岸线演变。根据模型结果，东段海滩的岸线在沿岸输砂作用下后退，随着岸线后退，该段海滩的形状渐趋平直，后退速度也逐渐减慢，至工程5 a后逐渐达到平衡，海滩的宽度仍明显宽于养滩前。中段海滩上游接收来自东段海滩的来沙，下游受到老虎石陆连岛的阻挡，因此工程后海滩逐渐淤长，工程5 a后海滩宽度相比工程完工时宽40 m左右。西段海滩上游来沙受到老虎石的阻隔，而下游有部分泥沙越过礁石向北戴河西海滩流失，故该段海滩同样遭受侵蚀，预计直到老虎石的掩蔽作用和礁石的挡砂作用能够与泥沙的流失相平衡时才能逐渐稳定。

由于海滩不同位置的侵淤，海滩整体宽度不均衡，易造成侵蚀部分岸线后退而淤积部分坡度过缓，因此建议对侵蚀部分岸段采取保沙措施或后续补沙。

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Simulating and forecasting of shoreline evolution of Laohushi Park

XU Yan,PAN Yi*,CHEN Yong-ping
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China）

This paper analyzes the effect of the beach nourishment project in Laohushi Park based on the field observation of the shoreline.The shoreline evolution model was built using the GENESIS(Generalized Model for Simulating Shoreline change)method,and then the model was calibrated and verified according to the comparison between simulation results and field data.Finally,this model was applied to predict and analyze the tendency of shoreline evolution in 3 to 5 years'time. Results show that the eastern beach shoreline will retreat until gradually achieving balance after 5 years.Middle beachwillsilt gradually,increasing its width by 40 meters.The western beach remains constantly eroded.

GENESIS;beach nourishment;shoreline change

U652.4；P753

A

2095-7874（2016）05-0001-05

10.7640/zggwjs201605001

2015-11-30

2016-01-02

国家自然科学基金（51309092）；江苏省自然科学基金（BK20130833）

胥岩（1988— ），女，黑龙江绥化人，硕士研究生，主要从事海岸防灾研究。

潘毅，E-mail：panyi21hhu@gmail.com