强沿岸输沙海岸港口建设对岸线变迁影响数值模拟研究

解鸣晓 ， 李 姗 ， 张 弛 ， 李孟国 ， 姚姗姗 ， 李文丹

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家实验室，天津 300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；4.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098）

强沿岸输沙海岸港口建设对岸线变迁影响数值模拟研究

解鸣晓1，2， 李 姗3， 张 弛4， 李孟国1，2， 姚姗姗1，2， 李文丹1，2

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家实验室，天津 300456；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；4.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098）

以非洲西海岸塞拉利昂码头工程为例，基于一线模型理论模拟计算了港址沿岸输沙率，以及码头拦沙堤建成后的上、下游岸线长期变迁。根据模拟成果，工程海域沿岸输沙强度极大，年总输沙率可达94.5万~97.1万m3/a，净输沙率达71.1万~73.6万m3/a，码头拦沙堤拦截了自南向北的沿岸输沙，堤身南侧形成明显堆积，堤身北侧形成侵蚀。根据与西非海岸类似港口工程实际经验对比，文中数值模拟所得成果是合理的。

强沿岸输沙；港口建设；岸线变迁；一线模型；数值模拟

0 引言

国内外对沙质岸线、地貌演变的数值模拟方法可归纳为4种流派：

1）经验公式法。其理论本质在于认为沿岸输沙能力与破波带内波能相关，从而直接建立波能流与输沙率的经验关系，主要代表为美国海岸工程防护手册中推荐的CERC公式[1]，以及我国JTS 145—2015《港口与航道水文规范》中推荐的计算公式[2]。以上公式形式简易，便于应用，但由于公式中的经验系数一般由现场实测资料拟合所得，通用性相对略低，对复杂地貌和泥沙环境下的输沙率计算存在潜在误差；

2）一线或多线模型。其核心理论为建立泥沙起动、波生沿岸流与近岸输沙的参数化方程关系，适用于沙源供给充足、以沿岸输沙为主的平直型海岸。Pelnard-Considere[3]最先提出了一线模型，Bakker[4]将其进一步发展成为二线模型，考虑岸线的变化和近岸等深线的变化，Perlin和Dean[5-6]提出了可考虑任意条等深线的多线模型；

3）岬湾平衡海岸模型。其理论来自天然岬湾海岸的内在形态，当上下游均存在固定岬角时，近岸沙滩在波浪长期作用下将形成螺线态，以保证沿岸输沙率处处为零，实现沙滩的“静态平衡”[7-8]，这一模型体系更加适用于缺乏外部泥沙供给的人工沙滩岸线预测[9]；

4）基于过程的水沙数学模型。其理论原则为建立波浪、波生近岸流、泥沙运动二维、三维数值模式获得所研区域的水沙地貌响应过程（如解鸣晓等[10]，Lesser等[11]，Dastgheib 等[12]，Roelvink 等[13]）。

然而，沙滩岸线处于潮间带内，破碎波浪上爬和紊动影响较大，当前模型理论对露滩区域一般采用最小水深法，无法模拟波浪上爬，多适用于水下岸滩的演变模拟，而在岸线演变模拟中则未得到广泛应用。

综上所述，目前对沙质海岸地貌演变的数值模拟手段众多，但均有其适用性和限制条件，在实践中应根据研究对象的特征合理选取。本文中以典型强输沙海岸典型港口工程——非洲西海岸塞拉利昂矿石码头为例开展研究，其位于绵延100 km有余的长直型沙质海岸，泥沙来源充足、地貌形态与泥沙环境较单一，适用于一线模型的计算条件。本文中以此工程为例，模拟评价沿岸输沙强度，并分析码头拦沙堤建设后的上、下游岸线长期变迁，同时与经验公式计算结果以及临近工程实际情况进行对比分析，保证模拟成果的合理性。

1 研究区域概况

1.1 工程海域水沙环境

塞拉利昂位于非洲西部，西濒大西洋，海岸线绵延约340 km。拟建矿石码头位于其南部海岸，水域开敞，岸线平直，约呈SE—NW走向，地理位置西经 12毅16忆、北纬 7毅14忆，图 1 为工程所处区位示意图。

图1 工程区位示意图Fig.1 Location of the study site

工程位处100 km有余的绵长顺直型沙质岸线，近岸10 m等深线内剖面陡峭（基面为平均海平面，下同），可达1颐30，至10 m等深线外则水下岸坡展缓，约1颐200，属典型沙质海岸地貌形态。

根据现场水文泥沙勘测资料[14]，海域潮汐类型属规则半日潮，潮汐强度弱，大潮最大潮差为1.49 m、小潮仅为0.57 m。潮流类型以不规则全日潮流为主，同时受几内亚暖流迫岸影响，海流运动接近于指向南侧的单向顺岸流动，但流速量值很低，实测平均值仅为0.10 m/s，大潮最大流速为0.31 m/s。海区常浪向为S向，出现频率为56.71%，次常浪向为SSW，出现频率为17.26%；强浪向为SSW向。海域水体清澈，大潮平均含沙量为0.013 kg/m3，小潮平均含沙量0.012 kg/m3。水下沉积物细砂所占比例最大，为37.5%，其次是粉砂质砂和砂质粉砂，分别占17.5%和15.0%，中值粒径在0.122 4耀0.221 9 mm间，分选系数介于分选很好和好之间，证实了波浪作用为主的动力机制。

1.2 工程设计方案布置

矿石码头工程平面布置方案如图2所示，拟建1座25万吨级泊位和1座2万吨级泊位，在码头东南侧建设1条拦沙防波堤，平面呈反“L”形布置，垂直岸线段长度1 140 m，平行岸线段长度533 m。堤头位于高程-13~-14 m。25万吨级泊位底高程-19.7 m，回旋水域底高程-20.4 m，2万吨级泊位底高程-11.1 m。航道底宽220 m，底高程-20.4 m，轴线 30毅~210毅。

图2 码头方案布置示意图Fig.2 Planar layout of the harbor scenario

图3 剖面波高分布形态Fig.3 Wave height along the beach profile

图4 剖面沿岸流分布形态Fig.4 Longshore current speed along the beach profile

2 沿岸输沙数值计算方法

文中对沿岸输沙及岸线演变的数值模拟采用丹麦水工研究所研发的LITPACK软件包[15]，其将岸滩剖面及岸线形态划分为若干计算网格节点，可充分考虑复杂地形、不规则波、沿岸流以及底质粒径、泥沙沉速等变量的空间分布，并将泥沙运动与实际海岸动力过程直接联系，物理背景较真实。

在沿岸输沙模拟中，为了规避边界处求解过程中数值振荡对计算域内动力条件的影响，模型计算范围应覆盖对工程区可能存在影响的所有区域；此外，模型边界处应尽可能位于岸线相对平直处，以消除边界处波浪过度折射引起的误差。最终建立的模型西侧边界位于矿石码头以西10 km，东侧边界位于矿石码头以东10 km。计算中横断面方向的网格尺度取为10 m，岸线方向的网格尺度为20 m。模型中底质特征的概化根据现场实测底质取样分析结果、底质类型分布图、中值粒径等值线图等综合给定，泥沙沉速按张瑞瑾公式计算[14]，深水波浪参数按照波浪数学模型试验成果给定[16]。

3 方案建成后沿岸输沙及岸线变迁模拟

3.1 剖面波高及沿岸流模拟及分析

为辅助判断沿岸输沙率计算的合理性，本节中特以平均水位下年平均波高（H1/3=1.65 m[16]）为例，对计算所得波高及波生沿岸流速沿剖面的分布规律进行了模拟，见图3、图4。经分析，剖面波浪及波生流传播具有以下特征：

1）对波浪传播而言，由于10 m水深以内近岸坡度陡峭，可以达到1颐30，而10 m水深以外则岸滩相对平缓。因此，在波浪自深水传入近岸的过程中波高变幅不大；传入近岸后，波浪逐渐由深水波转为浅水波形态，在波浪“触底”的影响下，底部摩阻造成波高有所损耗。至爬坡区后，波高在浅水变形的影响下有所增大，并最终在距离岸线100 m左右的区间发生破碎，波高急剧降低。

2）对沿岸流而言，其主要动力机制在于波浪能量损耗导致的侧向辐射应力梯度。在波浪能量损耗中，底部摩阻损耗相对较低，主要来自破碎能耗。因此，在沿岸流速的分布中，呈现出深水区很低、摩阻区开始发育，并至破碎点内侧达到峰值的趋势，最大沿岸流速接近0.5 m/s，已远超过近岸实测海流流速。因此，对本区而言，波浪造成的沿岸流应是控制近岸泥沙运动的主要动力因子。

3.2 沿岸输沙率模拟及对比分析

年输沙强度计算中所需的深水波浪参数基于波浪数学模型的试验成果[16]，按其玫瑰频谱推求至-10 m等深线处，并按分级频率组合作用1 a，通过计算可得到不同断面处的总输沙率Qg和净输沙率 Qn。

表1给出了3个断面（位置见图2）的断面输沙率数值模拟结果。由表可知，各断面的计算总输沙强度在90万~100万m3/a间，净输沙强度在70万m3/a左右。3个断面沿岸输沙强度较为接近，显示出当地岸线形态及常年波浪动力条件下达到较为稳定的状态。根据模拟结果，结合在工程海域实地的地貌勘察，工程海域的净沿岸输沙方向指向NW侧。

表1 各计算理论断面沿岸输沙强度对比Table1 Comparison of the longshore sediment transport rate at different cross-sections

为进一步论证模拟输沙率量级的合理性，以下选择两种在沙质海岸应用较广泛的半经验半理论公式对沿岸输沙率进行估算，分别为美国海岸工程防护手册中推荐的CERC公式[1]与我国《海港水文规范》公式[2]。根据表1中数据，无论是数学模型所得输沙率，还是经验公式求得的数值均反映出工程海岸近岸沿岸输沙率较强的特征，且各家理论所得量级总体来说相近。

需指出的是，CERC公式计算所得输沙率总体较大。究其原因，其为美国10余个海岸的经验推求，但在公式中未考虑泥沙粒径参数，从而经验性较强；而我国规范公式中则考虑了多种参数的影响，从而与数值模拟结果较为接近。

3.3 岸线变迁模拟成果

在3.2节中所得沿岸输沙率基础上，通过岸线变迁数学模型试验，表2中分别给出了拦沙堤建设后不同年份的预测岸线位置和堆积、侵蚀特征参数。经分析：

1）拦沙堤建设后，由于拦截了自南向北的沿岸输沙，从而堤身南侧形成明显堆积体，建堤初期堆积速率相对较大，并随时间推移而逐渐降低。

2）堤身北侧一定距离处由于波浪直接顶冲，且供沙不足而形成侵蚀，其中侵蚀速率亦随时间推移而逐渐降低。

3）对拦沙堤纳沙库容年限而言，经计算约36 a后，南侧泥沙堆积体前缘可接近拦沙堤堤头处（L形防波堤折点处），可作为初步估计的拦沙年限。如以拦沙年限为50 a考虑，建议在现有拦沙堤直线段基础上向海延伸约100 m左右。

4）对北侧岸线侵蚀而言，出现最大侵蚀的顺岸位置距拦沙堤约1.1 km；当上游达到拦沙库容时（对应36 a时），最大断面侵蚀宽度约460 m。值得指出的是，在模拟中认为岸线可无限侵蚀，但考虑到实际岸线后方可能存在丛林，对侵蚀可能有一定抵御作用。

表2 建堤后不同年份堆积与侵蚀参数对比Table2 Comparison of shoreline deposition and erosion after the harbor construction over different years

4 与其它类似工程案例对比分析

根据以上模拟结果及与经验公式计算结果的对比分析，工程海域沿岸泥沙运动强度很大，防波堤建设后的岸线地貌演变是重中之重。为更加合理的评价其量级，本节中采用类似港口的相关研究资料进行对比论证，包括北侧的毛里塔尼亚努瓦克肖特港和南侧的贝宁科托努港（位置见图1）。

4.1 与努瓦克肖特港对比

努瓦克肖特港（亦称友谊港）位于西北非毛里塔尼亚首都努瓦克肖特近岸，是我国首个在强沿岸输沙海域建港的工程案例。自上世纪80年代以来，我国工程师和研究者针对这一港口开展了丰富的研究，积攒了大量实测数据和宝贵经验[17-19]。努瓦克肖特港平面布置形式见图5，其中防波堤堤头建于-10~-11 m等深线处。根据现场收集到的大量实测资料，当地自然条件具有以下特征：

1）海域潮汐较弱，平均潮差不足1 m，海流运动受北大西洋环流影响，呈自北向南运动，海流强度很弱，实测最大流速仅在0.18 m/s左右。

2）根据1976—1987年实测波浪资料，波浪类型以涌浪及混合浪为主，冬季出现长周期涌浪，夏季以风浪为主，实测最大波周期超过20 s；常浪向为NW向，强浪向为W向。实测最大H1/10波高为4.9 m，周期21.6 s；经推算，50 a一遇H1%波高为6.2 m，平均周期24 s。

3）当地近岸及沙滩底质中值粒径在0.2~0.4 mm左右，一般条件下泥沙活跃带在-8 m以内。沿岸输沙方向为自北向南，经现场淤积体地形对比结合卫星遥感影像分析测算，1986年沿岸输沙率在50.0万m3/a左右，2000—2006年平均沿岸输沙率为85.8万m3/a。沿岸输沙率具有明显的年际及季节性差异。

4）工程修建后，由于防波堤拦截了来自北侧的沿岸输沙，导致北侧岸线持续堆积，岸线向海侧拓展，建港以来的27 a内，堆积体已接近防波堤堤头（设计防波堤拦沙库容为30 a），同时下游岸线存在较强侵蚀，据卫星遥感影像测算，岸线后退量已超过500 m；此外，除沿岸输沙外，在下游的防冲丁坝后方亦形成了连堤沙坝，反映出横向输沙亦较强。

图5 努瓦克肖特港地貌发育形态Fig.5 Morphology evolution after the construction of Nouakchott Port

4.2 与科托努港对比

科托努港位于贝宁海岸中部偏东的潟湖附近，平面布置形式见图6。根据现场测量及调查[19]，该海域潮汐属半日潮，平均潮差1.0 m，最大潮差1.95 m。波浪以涌浪为主，常浪向为WSW，年频率为52%，常见波高1.0耀2.0 m，波浪周期一般为12.5 s，偶尔可达15.0 s。沿岸流自西向东，流速0.5耀0.8 m/s，强度取决于波高和波向与岸线的夹角。工程海域沿岸输沙较强，方向自西向东。

科托努港于1979年竣工，1981年建成275 m的拦沙丁坝，1985年西侧来沙已淤积到拦沙丁坝根部，港口以西岸线不断淤长，以东岸线则冲刷蚀退。据文献[19]报道，科托努港一期工程建成后实测沿岸输沙率为120万m3/a。由于沿岸输沙率很强，在航道外侧口防波堤口门处开挖容积约50万m3的沉沙坑，并延长300 m的拦沙堤，以扩大纳沙库容，并保持港池水深。

图6 科托努港建港后地貌发育形态Fig.6 Morphology evolution after the construction of Cotonou Port

4.3 与本工程对比分析

努瓦克肖特港、科托努港和本工程均建设于非洲西海岸，面向大西洋海区，且岸线形态均为长直沙滩，属典型以波浪作用为主的沙质海岸地貌单元。通过与以上港口建设经验的对比，可为本工程沿岸输沙率的合理性判定提供参考。以下从几个方面进行对比：

1）从动力环境条件方面。3个港区均位于大西洋海区，根据实测潮汐资料判断，潮汐均较弱，海流受北大西洋洋流影响明显，常呈现出单向流特征，且海流很弱，对港区不起主要作用。对地貌的塑造主要来自于波浪。由于面朝开敞大洋，且工程区位纬度均较低，台风作用相对较小。因此，波浪形态主要以远区传来的长周期涌浪为主。实际上，交通运输部天津水运工程科学研究所2012年于工程区北侧200 km处（几内亚马塔康）开展了波浪观测工作，亦发现长周期波浪问题。较短周期的风浪而言，此种涌浪能量较强，可大量掀动床面泥沙，在同一波高条件下，可使得泥沙活跃带外推，应引起重视。

2）从泥沙来源方面。对3个港区而言，泥沙的主要来源均为海岸当地搬运的沿岸输沙。需指出的是，努瓦克肖特港背向撒哈拉沙漠，泥沙来源更加丰富，且在东北季风时期可有一定的风沙补给，但根据研究其量级不高，不是控制岸线变迁的主要因素[18-20]。3个港区地貌形态均为平直沙质海岸，且岸线绵长，均超过100 km。因此，可近似认为来自上游海岸的泥沙供给是无限的。

3）从沿岸输沙量级方面。沿岸输沙率量级是决定防波堤长度和拦沙库容年限的关键参数，其直接受控于波浪强度和方向、地形和泥沙底质条件。根据对比，努瓦克肖特港的海岸泥沙中值粒径为0.2~0.4 mm，与本工程较为一致，剖面地形坡度亦接近1颐30。根据文献[16]，50 a一遇条件下本工程H1%设计波浪要素为6.2 m，平均周期14 s左右。与努瓦克肖特港同一条件相比波高条件接近，但周期有所降低；与科托努港对比，则周期接近。

因此，假设本工程波浪作用强度略低于努瓦克肖特港，则如其它条件不变时，净沿岸输沙率应低于努瓦克肖特港（50万~90万m3/a）；然而，即使在波周期相近的条件下，科托努港的沿岸输沙率亦可达到120万m3/a，也反映出波周期对沿岸输沙率的增强作用。因此，整合以上分析，本工程海岸的沿岸输沙率较强，量级应至少在数十万m3/a左右，净输沙数值应介于努瓦克肖特港和科托努港之间，数值模拟结果是合理的。

5 结语

采用基于一线理论的沿岸输沙及岸线变迁数学模型，对塞拉利昂矿石码头附近的沿岸输沙能力进行模拟，并与常用的沿岸输沙经验公式进行对比。同时，亦采用与其它类似港口类比分析的手段，进一步论证了模拟结果的合理性，并据此对港区的拦沙年限、平面布置优化等提出了相关建议。得到以下主要结论：

1）工程海域净沿岸输沙方向为自SE向NW，根据数值模拟结果，港址断面年总输沙率可达94.5万~97.1万m3/a，净输沙率达71.1万~73.6万m3/a，整体来讲该海域输沙强度极高。根据与经验公式计算成果以及邻近类似工程案例的实测资料对比分析，这一输沙率计算成果是合理的。

2）经模拟计算，本工程拦沙堤的拦沙库容年限在36 a左右。当达到拦沙年限时，北侧堤根外1.1 km处岸线可有460 m左右的侵蚀后退。如以拦沙年限为50 a考虑，建议在现有拦沙堤直线段基础上向外海再延伸约100 m左右。

3）在强沿岸输沙的沙质海岸建设港口，拦沙堤的库容和上下游岸线的演变是无法回避的问题。工程建设应通过观测、研究、后续监测三步走的技术路线，以实现造价与整治效果的最优化。

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[18]郭旬，高鸿富，顾民权，等.毛里塔尼亚友谊港（努瓦克肖特自治港）自建设以来的泥沙淤积与海岸演变（二）[J].港工技术，2013（2）：5-9.GUO Xun,GAO Hong-fu,GU Min-quan,et al.Sediment accumu原lation and coast evolution after construction of Friendship Port/Nouakchott Autonomy Port in Mauritania:Part II[J].Port Engineer原ing Technology,2013(2):5-9.

[19]郭旬，高鸿富，顾民权，等.毛里塔尼亚友谊港（努瓦克肖特自治港）自建设以来的泥沙淤积与海岸演变（三）[J].港工技术，2013（3）：1-4.GUO Xun,GAO Hong-fu,GU Min-quan,et al.Sediment accumu原lation and coast evolution after construction of Friendship Port/Nouakchott Autonomy Port in Mauritania:Part III[J].Port Engi原neering Technology,2013(3):1-4.

Numerical modeling of shoreline evolution after harbor construction at strong longshore sediment transport coast

XIE Ming-xiao1,2,LI Shan3,ZHANG Chi4,LI Meng-guo1,2,YAO Shan-shan1,2,LI Wen-dan1,2
（1.National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456,China;2.Key Laboratory of Engineering Sediment,Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Tianjin 300456,China;3.Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics of CCCC,CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;4.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China）

Using the coal port of Sierra Leone at western Africa as an example,the longshore sediment transport rates(LSTR),as well as the shoreline evolution of the upper and lower reaches after the completion of wharf sediment breakwater were modeled based on the one-line model.According to the modeling results,the LSTR at the study coast is extremely large,the annual total LSTR is in the range of 94.5伊104to 97.1伊104m3/a,and the net LSTR is around 71.1伊104to 73.6伊104m3/a.The wharf sediment breakwater intercepted the longshore sediment transport from the south to the north,which forms the shoreline deposition at the south side and the shoreline erosion at the northern side.Comparisons with actual experience of the similar harbor projects in West Africa,it is proved that the model results are reasonable.

strong longshore sediment transport;harbor construction;shoreline evolution,one-line model;numerical model

U651

A

2095-7874（2017）12-0019-06

10.7640/zggwjs201712005

2017-05-15

国家自然科学基金面上项目（51779112）；天津市自然科学基金青年项目（16JCQNJC06900）；交通运输部天津水运工程科学研究所科研创新基金项目（TKS170101）；交通运输部应用基础研究项目 （2014329224330）

解鸣晓（1982— ），男，山东青岛人，副研究员，博士，主要从事海岸动力学研究。E-mail：crabsaver@163.com