波流对人工岬头和海滩养护工程的响应

匡翠萍， 韩雪健， 李文斌， 张甲波

(1. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092； 2. 河北省地矿局 第八地质大队， 河北 秦皇岛 066000)

海岸线演变是海洋水动力、海岸泥沙运动及海岸地貌之间平衡制约的动态变化过程，随着全球海平面上升逐渐加剧、海洋水动力环境不断发生变化，加之人类频繁的海岸工程活动，造成了目前世界范围内近70%砂质海岸遭受不同程度侵蚀[1-2].河北省秦皇岛作为著名沿海旅游城市，海港区新开河口至南山岸线海滩侵蚀不断加剧：滩面束窄、岸坡变陡、组成物质粗化，部分岸线沙滩滩肩已基本消失，区内东山浴场海滩生态功能和旅游休憩价值显著下降同时威胁近岸建筑[3].而岬湾海岸作为自然界一种稳定的海岸存在形式，达到平衡的岬湾海滩可保持长时间的稳定，人工岬湾设计可以在岸线两端布置硬防护结构，使之形成弱动力区达到减少海滩侵蚀效果[4].海滩养护作为环境友好亲近自然的对策，通常是当海滩自然供沙相对不足时，通过水力或机械搬运的方法将一定颗粒级配的沙子填到海滩受侵蚀严重的部分，迅速地增加海岸平均高潮位以上海滩后滨的宽度[5-7].由于沙坝以各种形式存在于天然的砂质海岸，进行人工沙坝吹填可以消减波能的同时对后侧海滩进行喂养[8-9].杨燕雄等[10]针对西海滩整治工程采用弧形突堤和离岸潜堤构成人工岬头，形成三湾弧形稳定岸线形态,对砂质海岸旅游海滩的治理具有一定的示范意义.张宇等[11]通过数值模拟发现，在海区岬角处修建突堤和修筑离岸潜堤工程会显著减小工程区内潮流速度，利于养滩的形成和稳定.Andrew等[6]基于抛物线模型模拟岬湾间平衡海滩，并利用海滩平衡模拟工具Mapbay和海岸营力系统软件SMC模拟,对不同时段的养滩过程进行验证.Kuang等[5]利用率定和验证的数学模型预测北戴河西海岸海滩养护工程后2～3年内仍需补沙,并提出了优化方案.

潮流是海水在月球和太阳的作用下周期水平流动[12]，波浪自深海传播至近岸海域受水深地形影响发生反射、折射、破碎等形成的沿岸流会引起泥沙运动和岸滩演变[13]，“波浪掀沙，潮流输沙”，波浪和水流是长期作用于海岸地区的主要水动力因素[14-16].以秦皇岛新开河口至南山岸线为例，研究人工岬头及海滩养护工程后的波流动力响应，分析波流动力变化特征及规律.

1 数学模型介绍

MIKE 21模型是丹麦水力学研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研发的通用数学模拟系统，主要模拟河流、湖泊、河口、海洋及海岸的水流、波浪、泥沙及环境变化.

1.1 基本控制方程

1.1.1潮流模型

潮流模型建立在Navier-Stokes方程的基础上.在笛卡尔坐标系下，通过对三维动量方程和连续方程沿水深积分得到二维浅水方程[17]：

(1)

(4)

亚网格尺度涡流黏度A由Samagorinsky公式(5)确定：

(5)

式中：cs为常数，取0.28；l为特征长度；变形率Sij根据式(6)计算：

(6)

1.1.2波浪模型

MIKE 21 Spectral Wave(SW)模块采用的是非结构网格下的风成波浪谱模型，可以对近岸海域风成浪和涌浪的成长、消散与传播变形进行模拟.在笛卡尔坐标系下，模型的控制方程为[18]

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

1.2 人工岬头及海滩养护设置

新开河口至南山岸线东西两端修建防波堤构成岬头，走向与岸滩基本垂直，东侧防波堤长约200 m，西侧防波堤长约300 m，为更好减弱潮流及波浪作用，西侧导堤前部60 m处向岬湾内弯曲约45°.具体为在MIKE 21软件中structure一项下中选择增加dike设置人工岬头条件.

海滩修复工程为滩肩补沙与2座水下沙坝吹填.补沙岸线长1.1 km，将人工沙滩的上限高程(即滩肩高程)设置为2.0 m(85国家高程基准)、滩肩由陆向海均为小于1∶100的缓坡形式，设计高水位以下剖面坡度为1∶10，直至与自然海床相交，整体向海拓宽沙滩30～50 m.吹填的2座水下人工沙坝离岸约200 m，每段沙坝长200 m，底宽80 m，坝顶宽60 m，坝顶高程-0.9 m.具体为在MIKE 21软件中通过修改地形数据设置海滩养护工程中的人工沙坝和滩肩补砂.人工岬头及海滩养护工程如图1所示.

为了表述方便，定义无岬头无海滩养护为情况1，仅有人工岬头工程为情况2，同时有人工岬头和海滩养护工程为情况3.

1.3 模型范围和计算网格

为保证计算精度同时考虑计算效率，利用MIKE 21软件建立大、小双重嵌套模型，大模型为小模型提供计算边界条件.渤海大模型区域为大连老虎滩至烟台2个潮位站连线为开边界的整个渤海；秦皇岛小模型区域陆地岸线南起团林乡，北至甘家村，模型向外海延伸大约46 km，研究重点区域为新开河口至南山岸线海域.

渤海大模型[19]总面积约84 000 km2，节点数为14 183个，网格单元数为23 419个，唯一开边界是大连和烟台2个潮位站连线.测站潮位数据来自2015年潮汐表[20].为选择合适的秦皇岛小模型计算网格，比选了粗、中、细3种网格，网格数分别为6 412、9 099、11 748，最小单元尺寸分别为12 m、5 m、5 m，所需计算时间分别为2.71 h、3.54 h、4.31 h；潮流计算粗网格下结果与中网格下结果的最大相对误差小于9%，中网格下结果与细网格下结果的最大相对误差小于4%；综合考虑计算精度与计算效率，最终选择中网格作为秦皇岛小模型计算网格.秦皇岛小模型网格节点数为4 888个，网格单元数为9 099个，网格从外海到岸线由疏到密，外海边界分辨率约为4 km，新开河口至南山岸线最大分辨率为5 m.模型及网格如图1，图中左下角为情况3.

1.4 模型参数设置

小模型分为NE、SE、SW 3个开边界，采用流速和潮位控制的Flather边界条件，由渤海大模型提供.固边界采用不可滑移条件，即流速为零.涡黏性系数采用Samagorinsky亚网格尺度模型来计算水平涡黏系数，其中常数CS取为0.28，涡黏系数A上下限分别取为1.0×1010m2·s-1和1.8×10-6m2·s-1.曼宁数根据底部泥沙粒径分布，区域均值为74 m1/3·s-1，时间步长取60 s.海岸边界采用动边界模拟滩肩和潮间带的干湿交换过程，取hdry=0.005 m，hflood=0.050 m，hwet=0.100 m.

2 模型验证

2.1 潮流模型验证

渤海大模型潮位选取了包括秦皇岛测站在内的11个测站多次验证，时间为2015年9月23和24日，选取当中L1、L2、L3、L4这4个代表测站验证，结果如图2所示.小模型选取了秦皇岛海域的9个测站进行流速、流向多次验证，时间为2013年5月16日08∶00至5月17日08∶00，选取当中S1、S2这2个测站验证，结果如图3所示.

b L2

c L3

d L4

2.2 潮流模型效率评价

数学模型在验证过程中存在误差，模型误差可能会受到网格大小、边界条件、模型参数等因素的影响，为了把误差控制在精度要求内，进行了多次率定.为了评价模型计算结果的拟合程度，比较计算值和实测值之间的差异程度，引入一个评价标准来进行衡量.采用百分比模型偏差法(PB)用来计算模型的模型计算值M和相应实测值D之间的偏差率，计算方法如下[21]：

(12)

当PB≤10，认为拟合结果极好；当10

认为拟合非常好；当2040，认为拟合差.

渤海大模型11个测站验证的PB在10.1～32.7之间，其中L1、L2、L3、L4测站PB为10.1、32.7、19.5、12.6，评价为好或非常好；秦皇岛小模型9个测站流速验证PB在23.5～37.8之间，流向验证PB在18.5～34.0之间，S1、S2测站流速验证PB为28.5、26.1，流向验证PB为22.4、18.5，评价为好或非常好.综合以上评价，潮流模型验证较好.

2.3 波浪模型验证

根据2016年秦皇岛海洋波浪测站(图1中BL1)的实测波浪统计资料，统计特征值和波浪模型数值模拟得到的计算结果见表1，波浪模型验证较好.

a S1流速

b S2流向

c S2流速

d S2流向

物理量统计特征值计算结果误差/%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 潮流的响应特征

图4为自然情况(无岬头无海滩养护的情况1)下新开河口至南山近岸海域涨落急时刻潮流，基本属于正规半日潮流，总体表现为顺岸往复流，涨潮流主要为WSW向，落潮流为ENE向，潮流方向与岸线、等深线基本平行.

3.1 潮流对人工岬头的响应

图5为情况2下新开河口至南山近岸海域涨落急时刻的流场及情况2与情况1流速差值等值线.该区域无工程时流速0.090～0.165 m·s-1，人工岬头修建后岬湾内部流速0.015～0.090 m·s-1，流速绝对减小约0.075 m·s-1，相对减小约45.5%～83.3%.挑流作用使得岬头前局部流速增加，西侧岬头前部流速增加0.060～0.140 m·s-1，东侧岬头前部流速增加0.020～0.040 m·s-1.涨急时刻，岬湾内靠近东侧岬头处、西侧岬头外侧处形成弱的环流；落急时刻，岬湾内部靠近西侧岬头处、东侧岬头外侧处形成弱的环流.即人工岬头修建后会在岬头后侧形成弱环流.

a 涨急

b 落急

b 落急

3.2 潮流对海滩养护工程的响应

图6为情况3下新开河口至南山近岸海域涨落急时刻的流场及情况3与情况2流速差值等值线，即反映潮流对海滩养护工程的响应.由于水下沙坝与水流走向保持基本平行，沙坝顶托水流起到一定的导流作用，整体上看流速的变化主要发生在滩肩、沙坝坝顶、沙坝后侧以及2个沙坝之间的水流通道.

a 涨急

b 落急

涨急时刻在岬湾内靠近东侧岬头处流速减小0.020 m·s-1，环流减弱；2个沙坝坝顶处，由于顶托作用流速增加约0.020～0.030 m·s-1；两沙坝间流速减小约0.015 m·s-1.滩肩补沙使得岸滩前段向海前移，两沙坝后侧的滩肩处流速减小0.040～0.070 m·s-1，其余滩肩处流速减小较少，约0.010～0.020 m·s-1.落急时刻与涨急时刻流速变化区域分布相似：岬湾内靠近西侧岬头处流速减小0.010～0.020 m·s-1，环流减弱；沙坝坝顶处流速增加约0.020 m·s-1；两沙坝间流速减小约0.010 m·s-1.2座沙坝后侧滩肩位置流速减少约0.050～0.060 m·s-1，其余滩肩处流速减小约0.010～0.020 m·s-1.

4 波浪的响应特征

根据表1设置波浪入射条件，进行波流耦合作用下波浪模拟，得到工程前后涨落急时刻波高分布分别如图7和图8所示，工程海域涨急时刻有效波高大于落急时刻有效波高.

a 情况1b 情况2c 情况3

图8落急时刻有效波高分布

Fig.8Significantwaveheightdistributionsatthemaximumebb

4.1 波浪对人工岬头的响应

情况1下近岸海域波高等值线基本与岸线平行，有效波高0.250～0.350 m.对比情况1和情况2下的有效波高分布，由于波浪的绕射作用，人工岬头后侧波浪消减较明显，涨急时刻消减0.125 m(50%)，落急时刻消减0.150 m(60%)，即人工岬头在落急时刻消减波浪更为明显.由于潮流对波浪的折射作用，靠近东侧岬头的岬湾内落急时刻的波高弱于涨急时刻的波高.

4.2 波浪对海滩养护工程的响应

情况3下有效波高在涨、落急时刻有效波高变化范围相似：坝顶、沙坝后侧及沙坝间有效波高发生明显变化，相较于情况2，波浪在爬过坝顶时波高增加0.025 m，增加约10%；由于沙坝走向与波浪入射方向基本垂直，在2座沙坝后侧有效波高削减约0.050～0.100 m，减少约15.4%～30.8%.由于地形变化，两沙坝之间波高削减0.025 m，减少约10%.涨急时刻，滩肩前方海域有效波高减小0.050～0.100 m，减小约40%～50%；落急时刻滩肩前方海域有效波高减小约0.050 m，较涨急时刻减少小.

5 结论

基于MIKE 21软件建立了研究区域潮流和波浪耦合模型，利用率定和验证好的模型，设置无岬头无海滩养护工程、仅人工岬头工程、同时有人工岬头与海滩养护工程3种情况进行数值模拟，对新开河口至南山岸线海域典型时刻流场、波浪场进行对比分析，得到潮流流速和有效波高对人工岬头及海滩养护工程的响应特征如下：

(1) 新开河口至南山岸线海域流速0.090～0.165 m·s-1，整体流速较小；人工岬头修建后岬湾内部流速减小约0.075 m·s-1，挑流作用使得东西岬头前局部流速增加0.020～0.140 m·s-1.人工岬头修建后会在岬头后侧形成弱环流.

(2) 海滩养护工程中沙坝与潮流主流向基本平行，沙坝修建后使得岬头后侧环流减弱；沙坝坝顶处由于顶托作用流速增加0.020～0.030 m·s-1；两沙坝间通道减小0.010～0.015 m·s-1.滩肩补沙使得岸滩前段向海前移，滩肩前方海域整体流速减小，两沙坝后侧的流速减少更多.

(3) 人工岬头对其后侧区域有较好的波浪消减作用，涨急时刻有效波高大于落急时刻有效波高.海滩养护工程主要使得坝顶、沙坝后侧及两沙坝间有效波高发生改变：坝顶有效波高增加约10%，沙坝后侧有效波高削减明显，达15.4%～30.8%，沙坝之间有效波高削减约10%.滩肩前方海域有效波高减小，涨潮波高减小量多于落潮波高减小量.

综上，侵蚀砂质海滩修复可在岸线两端修建人工岬头，形成人工岬湾，减弱岬湾内的海岸动力；同时进行滩肩补沙和修建水下涉坝，进一步减弱沙坝后侧水动力，沙坝也可对海滩提供长期喂养沙源，减少海岸侵蚀.