海岸线形态探讨

陈翠翠，蒋大煌，张怀慧

（1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连水产规划设计研究院有限公司，辽宁 大连 116024）

引 言

影响海岸轮廓，即平面形状的因素很多，如海岸本身的地质构造、地壳运动、地貌变迁等，其中地质构造对海岸的影响非常重要，它决定了海岸的原始形态。后来在长期海岸动力，如波浪、潮流、海流（主要指余流），特别是近岸波浪流及泥沙运动长期作用过程中把岸线改造成适合自身动力条件的海岸类型，使得曲折的岸线被夷平，陡峭的变平缓。可见海岸动力因素是塑造海岸形状的主要因素，但不是唯一的决定因素，必须若干因素与海岸动力条件共同配合作用才是形成海岸的真正原因[1]。其中泥沙运动常是塑造海岸地貌特征的重要因素[2]，泥沙运动的主要动力因素是海岸动力（波浪和潮流）的作用。但在海水及泥沙运动过程中往往被忽略的是地球自转柯氏力的影响[3-4]。本文在分析耳朵形海岸形成的过程中，便增加了地转柯氏力的分析论述。

反观上述问题，不同的海岸轮廓线则会形成不同的海岸动力，与之相适应。如在海岸岬角处由于波浪的折射作用，波向线会辐聚，波能集中，产生冲蚀作用；在海湾处波向线会辐散，波能减小，产生泥沙堆积，使海湾趋于平直。即使曲折和平直的岸线，受泥沙运动的影响也不完全相同，有的堆积，有的冲刷[2]。除此自然因素外，人类活动对海岸线的影响也不可忽视。

本文重点以海岸动力作用为主、沙质海滩为对象，讨论稳定型海岸和平衡型海岸的形态及其形成过程，为海岸工程选址及人工海岸形态提供参考[5-6]。

1 自然岸线

自然岸线是指地质、地貌、沉积演变以及海岸动力作用下所形成的岸线。

如上述，海岸线的变化主要与海岸泥沙运动有关，对于一段海岸线的泥沙运动的估算，可以规定输入本海区的泥沙为源（sources），以Q+表示，输出本海区的泥沙为汇（sinks），以Q-表示，通常认为源是正的，汇是负的[7,2]。

1）Q+＞Q-，则海岸泥沙堆积，岸线前移，为堆积型海岸；

2）Q+＜Q-，则海岸受到侵蚀，岸线后退，为侵蚀型海岸；

3）Q+=Q-，则泥沙运动平衡，不冲也不淤，为稳定型海岸，岸线位置固定；

4）Q+=Q-=0，表示沿岸输沙率为零，岸线形状不变，称为平衡海岸线，但岸线可能有前移或后退的发生[2]。

1.1 稳定型海岸线

所谓稳定型海岸线，即满足条件：

式中：∂Q为沿岸输沙率；∂L为岸线长度。

自然界广泛存在的耳朵型的岸线，即属于稳定型的岸线，如图1。

岸线的两端为岬角（岩岸），中间为海湾或平直岸线[8]。耳朵岸线由两种线型组成，左面是螺旋弧线，右面是与波向线垂直的直线段。形成的机理如下所述。区内主波向为斜向（如图2所示），上游无泥沙来源，则岸线在两端岩石约束的范围内将被侵蚀，即波浪掀沙，潮流输沙，岸线被侵蚀作用可分为三部分：1）左边有岬角（岩石）掩护，波浪经绕射作用于岸线，2）由于地形的变化（变浅）波浪发生折射作用于岸线，3）地球自转柯氏力的作用（主要作用因素）。

图1 天然岸线实例

图2 稳定的耳朵形岸线

海岸潮流、波浪流所在的海面可视为流动坐标，岬角所在地面为固定坐标，因此海岸潮流、波浪流相对于固定在地球的固定坐标的运动为牵连运动，即海水运动要受到地球自转柯氏力的影响。地球自转柯氏力（即产生柯里奥利加速度的力）的参数f=2ωsinφ，ω为地球自转的角速度（rad/s），φ为柯氏力所在的地球纬度。由于柯氏力总与运动速度垂直，并使其运动方向发生偏移，在北半球顺着运动方向作用于运动物体的右方，在南半球顺着运动方向作用于运动物体的左方。于是，图2中两个岩岸之间的岸线逐渐被波浪绕射、折射的冲刷作用，在柯氏力的作用下发生偏移，最终使得耳朵型对数螺旋线在北半球位于波向线的右方，而在南半球对数螺旋线在波向线的左方（图 3）。这和北半球为什么河流对右岸冲刷相对左岸严重，在南半球恰好相反的道理一样[9]。耳朵型岸线的形成过程直到直线段与波向线垂直而终止。

岸线的主要平面尺度与波浪入射角β的关系如图4所示[2]。

对数螺旋线的方程为：

式中：β为波浪入射角（如图5）；θ为相邻螺旋半径夹角。岸线凹入程度与Ri+1/Ri的大小，即波浪入射角β的大小有关。

图3 南半球耳朵形岸线

图4 对数螺旋线

图5 耳朵形海湾平面尺度参数间的关系

1.2 动态平衡型的岸线形态

如前所述，所谓平衡岸线是指岸线形态不变，但岸线可能有前移或后退的发生[2]。如图6。

图6 海岸线变化模拟

图6表示岸线随来波方向变化而摆动的模型。原岸线（1）已适应于原来波浪条件（1）达到的平衡状态，当来波方向改了，新的来波波向线（2）与原岸线相交，因而产生了沿岸输沙，岸线随之改变位置，直到与新的来波波峰线相平行达到新的平衡位置位置（2）为止。这就是岸线形态不变，但位置可平移或后退的平衡型岸线的特点，岸线可呈现弧形线或近似于直线形[2]。其数学表达式可概化为：

式中：C为常数。

已知波能法沿岸输沙率公式为[10]：

式中：Q为沿岸输沙率；α0为波浪入射角；PL为单位岸线长度内的波能；K为输沙率常数。

式（4）代入式（3）得：

参照图6的岸线，取其中一段，如图7所示，设α0=0处为坐标原点，y轴与波向平行，则有：

将式（5）代入式（6），并积分整理后得：

图7 海岸平衡形态的推导

由上述1.1、1.2节可知，凡是稳定型或动态平衡型海岸，都和主要来波方向的波向线垂直，站在岸边看到行进波中一道道的波峰线与海岸线基本平行而来，这便是波向线与岸线垂直，所以，可以断定岸线是稳定的或动态平衡的。另一方面，如果海底等深线与岸线基本平行，理论分析和实践验证，这是由于波浪向岸边传播时，长期发生折射的结果，这一现象，可验证海底并无泥沙堆积或冲刷，即岸线是稳定的或动态平衡的。

2 人类活动对自然岸线演变的影响

2.1 人工海岸建筑物对岸线的影响

在海岸带人工修建突堤、丁坝、岛堤、人工岛、开挖航道等活动，对沙质海岸的影响如图8所示[11]。

造成泥沙运动的主要因素是波浪、潮汐、近岸海流以及底质泥沙组份和粒径等，对于沙质海岸波浪是泥沙运动的主要动力，对于淤泥质海岸，则是波浪掀动泥沙，潮流输沙。

当沿岸有输沙，则会形成如图8所示的三种类型的泥沙淤积或冲刷。图8（a）为突堤（或丁坝）在来沙上游侧淤积，下游侧则被冲刷。图8（b）为岛堤，在堤后波影区，先是在岸边形成沙咀，沙咀逐渐发育，最终可能与岛堤相连，形成连岛堤坝，如山东烟台芝罘岛（图 9）。类似的美国加州的圣巴巴拉港，起初先建岛堤，后来港内开始淤积，于是将岛堤与岸连接形成折线形的突堤，避免了港内的淤积（图 10），图 8（c）为人工开挖航道的形态。

图8 人工岸线形态及其影响

图9 山东烟台芝罘岛连岛堤坝

图10 圣巴巴拉港冲淤情况

2.2 突堤对海岸线影响的理论分析[8,10]

突堤拦截了上游沙质海岸的泥沙运动，使得上游侧逐渐向海淤长，其趋势是新岸线的方向逐渐与波向线垂直，此时岸线达到新的平衡稳定状态。为了定量分析岸线的影响变化，现建立一直角坐标系，如图11，图中x轴为原岸线，0α为波峰线与原岸线夹角，θ为新岸线与原岸线夹角，设当θ不大时，可得下式：

图11 岸线演变方程推导示意

当入射波向不变（α0一定）时，岸线演变方程为[2,8]：

其中，A为常数，由下式确定[8,10]：

式中：dc为底质临界推移水深；n为底质土体空隙率；K’为经验系数；H0、T分别为深水波高和周期；g为重力加速度。

方程（9）为一个抛物型的偏微分方程，初始条件为当t=0时，y=0，。边界条件为t＞0时，在x=0处，，在x=∞处，y=0。

利用拉普拉斯变换（Laplace），对方程进行求解，当沿岸输沙完全被拦截的情况，方程（9）的理论解为[2,8,10]：

误差函数：

余补误差函数：

其值如表1。

表1 u、erfc(u)取值

根据式（11）可绘出任意时刻ti的岸线形态，如图12，各曲线沿x轴积分，便可得到相应的淤积面积。在任意时间ti，新岸线与突堤的交点位置yi为[8,10]：

图12 完全拦截泥沙时的上游海岸线

新岸线到达堤头处所需时间ti为[8,10]：

式中：L为突堤长度。

任意时刻ti，新岸线与x、y轴所围面积与岸线在y轴的切线所包围面积之比为1.56，即图12中面积Oyixi/面积Oyix’i=1.56。当t=tL时（即淤至堤头处），沿x轴淤积范围为[8,10]：

式中：2 .7lcotα0为淤至堤头时沿x轴的淤积长度。

根据工程实践验证，突堤淤积形态与理论分析基本相似。当淤积充分发展时，新岸线与原岸线的夹角渐趋平缓，最终在 12°～15°左右。如西非库特奴港建 20余年后，上游侧新岸线的发育情况基本如此[10]。

3 案例分析

人工岸线的建设应适应当地的海岸动力条件，不仅要考虑到岸线自身的稳定，还要考虑到对周边的影响[12]。

原大连市西部凌水河口海湾为基岩港湾型岸线，湾口开阔（图13），水深平均3～4 m，最深处8 m。

图13 填海前的地形及波况

工程建设之前，湾内岸线稳定，底质以沙为主，动力条件沿岸除潮流外，水域平稳，波浪作用不强，只有折射和局部反射，沿岸无输沙。由于工程建设需要，除凌水河口外，整个海湾已被填成陆域（图14）。填海后的凌水湾已形成了典型的喇叭口状海湾，成为三角港湾海岸，相似于杭州湾钱塘江口。填海后的湾口来波方向为S、SE向，由于形成了喇叭口的海湾，使得湾内波况变得复杂，进入湾内波浪与高潮时反射的潮波相叠加，加之湾内反射波的叠加，波能辐聚，使波高加大，破坏力增强。特别是，理论分析和实践证明，对于海域深入陆地形成喇叭状的海湾，更有利于风暴潮的成长。最终于2010年12月凌晨一场海上风暴潮来袭，使得湾口北岸177 m直立式护岸被海浪打垮（图15）。

为了验证水毁事故的原因，有关部门委托大连理工大学海岸和近岸工程国家重点实验室做现场物理模拟试验，实验结果表明，最大波高（H1%）比正常情况下增加20 %左右。因此，当风暴潮来时，喇叭口外波高在3 m左右，由于湾内波高反复叠加，波高加大，破坏力增强，致使湾内岸壁被波浪打垮。客观上违背了“物竞天择，适者生存”的规律。

图14 填海后的地形及波况

图15 垮塌现场

4 结 语

综上所述，可得如下三点结论：

1）海岸原始形态，由地质构造、地壳运动、地貌变迁演化所形成。后来的变化主要是由于海岸动力的作用，促使沿岸泥沙的运动，形成侵蚀型海岸或堆积型海岸，即所谓海进或海退岸线。

2）宏观上，站在海岸边观察波峰线如近似平行于岸线，则可初步定性估计岸线属于稳定型或动态平衡型岸线。接下来的工作就要进行泥沙运动的岸线断面定量测验，最后断定岸线的归属（淤积或侵蚀）。

3）海岸的人工建筑物，事前要对海岸做出正确的评价，对构筑物可能对岸线造成的影响做可行性的论证。因为海岸动力是海岸泥沙运动，海岸形态的塑造者，海岸形态必须适应海岸动力场的条件，在“物竞天择”的原则下，做到适者生存。