潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

Ｖｏｌ.３８Ｎｏ.１Ｊａｎ.２０２０

　　文章编号:１００５￣９８６５(２０２０)０１￣０１２０￣１０

潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

陈淑敏１ꎬ潘　毅１ꎬ陈永平１ꎬ杨耀中２

(１.河海大学港口海岸与近海工程学院ꎬ江苏南京　２１００９８ꎻ２.江苏省水利厅ꎬ江苏南京　２１００２９)

摘　要:潜式人工岬头和离岸式人工岬头是两种改良式人工岬头ꎬ与传统人工岬头相比ꎬ它们对岸滩的保护效果稍弱ꎬ但能改善岬湾内的水交换ꎮ以北戴河西海滩养滩工程为研究对象ꎬ采用数值模拟的方法ꎬ对潜式岬头和离岸式岬头的护滩效果和改善水交换效果进行研究比较ꎮ首先建立岸线演变模型和物质输运模型ꎬ对工程后的岸线演变及水交换情况进行模拟ꎮ岸线演变的模拟结果表明ꎬ潜式岬头和离岸式岬头的护滩效果均较好ꎬ但潜式岬头后的岸线形状相比离岸式岬头后更为平滑ꎮ同时讨论海滩的侵蚀和淤积特性对潜式岬头和离岸式岬头的影响以及潮汐条件对冲淡时间的影响ꎮ与传统岬头相比ꎬ潜式岬头和离岸式岬头可以很好地减少岬后冲淡时间以及改善岬湾内水交换ꎬ而护滩效果只是稍有减弱ꎮ因此ꎬ潜式岬头和离岸式岬头都是改善岬湾水交换的有效工程措施ꎮ

关键词:岸线演变ꎻ冲淡时间ꎻ人工岬头ꎻ岸滩保护ꎻ水交换ꎻ北戴河ꎻ护滩效果

中图分类号:ＴＶ９２　　　文献标志码:Ａ　　　ＤＯＩ:１０.１６４８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５￣９８６５.２０２０.０１.０１２

Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｓｕｂｍｅｒｇｅｄａｎｄｄｅｔａｃｈｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄｓ

ｉｎｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅ

(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＨａｒｂｏｒꎬＣｏａｓｔａｌａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｏｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００９８ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００２９ꎬＣｈｉｎａ)

ＣＨＥＮＳｈｕｍｉｎ１ꎬＰＡＮＹｉ１ꎬＣＨＥＮＹｏｎｇｐｉｎｇ１ꎬＹＡＮＧＹａｏｚｈｏｎｇ２

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＳｕｂｍｅｒｇｅｄＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＨｅａｄｌａｎｄ(ＳＡＨ)ａｎｄＤｅｔａｃｈｅｄＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＨｅａｄｌａｎｄ(ＤＡＨ)ａｒｅｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｍｏｄｉｆｉｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｂｅｔｔｅｒｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｓｌｉｇｈｔｌｙｗｅａｋｅｎｉｎｇｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔꎬｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＨｅａｄｌａｎｄ(ＴＡＨ).ＩｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈꎬａｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＳＡＨａｎｄＤＡＨｉｎａｂｅａｃｈｎｏｕｒｉｓｈｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔ.Ｔｈｅｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅａｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ａｓｈｏｒｅｌｉｎｅｍｏｄｅｌａｎｄａｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔｍｏｄｅｌａｒｅｓｅｔｕｐｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｓｔ￣ｐｒｏｊｅｃｔｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅａｎｄｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅｄｍｏｄｅｌｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｔｈｅＳＡＨａｎｄＤＡＨｈａｖｅｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｔｈｅｂｅａｃｈｂｅｈｉｎｄｔｈｅｍꎬｗｈｉｌｅｉｎＳＡＨｃａｓｅｔｈｅｓｈｏｒｅｌｉｎｅｈａｓａｓｍｏｏｔｈｅｒｓｈａｐｅ.ＴｈｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＴＡＨ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｉｄａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆｌｕｓｈｉｎｇｔｉｍｅｉｓａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.ＩｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｂｏｔｈＳＡＨａｎｄＤＡＨａｒｅｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｔｈｅｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅａｔｔｈｅｃｏｓｔｏｆａｎａｃｃｅｐｔａｂｌｅｌｏｓｓｏｆｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅꎻｆｌｕｓｈｉｎｇｔｉｍｅꎻａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄꎻｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎꎻｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅꎻＢｅｉｄａｉｈｅꎻｂｅａｃｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｅｆｆｅｃｔｓｏｆｅｒｏｄｉｎｇａｎｄｓｉｌｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｂｅａｃｈｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＳＡＨａｎｄＤＡＨａｒｅａｌｓｏａｎａｌｉｚｅｄ.ＴｈｅＳＡＨａｎｄＤＡＨｈａｖｅｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｆｌｕｓｈｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｗａｔｅｒｅｘｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅａｒｅａｂｅｈｉｎｄｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄｓꎬ

形状ꎬ没有长期的侵蚀或淤积趋势ꎬ即使受到大风浪侵蚀ꎬ风暴过后也能在自然作用下恢复原有形状ꎮ因此ꎬ在海滩养护工程中ꎬ建设岬湾海岸是稳定侵蚀海岸线的理想方法[２]ꎮ

收稿日期:２０１９￣０５￣２２

基金项目:江苏省３３３高层次人才培养工程(ＢＲＡ２０１８３８１)ꎻ国家自然科学基金面上项目(５１９７９０９８)

作者简介:陈淑敏(１９９６￣)ꎬ女ꎬ江西抚州人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事海岸水动力研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１３５９７０８３９８＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:潘　毅ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｐａｎｙｉ＠ｈｈｕ.ｅｄｕ.ｃｎ

在海岸演变过程中ꎬ天然岬角或人工岬头掩蔽的海滩通常存在一个平衡状态[１]ꎬ此时海岸达到最稳定

第１期陈淑敏ꎬ等:潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

１２１

头的结构、可行性以及技术现状进行了研究讨论ꎬ指出建造人工岬头对保护和修复海滩具有重要作用[５￣７]ꎮ然而ꎬ岬头对岸滩的掩护减弱了海湾与外海之间的水交换ꎬ易导致岬湾水质恶化ꎬ海藻和海草大量繁殖[８]ꎬ这一现象在岬头后的水域中尤为明显ꎮ

为避免人工岬湾的水质恶化ꎬ改善岬湾的水交换ꎬ文中提出了两种改良式人工岬头ꎬ分别为离岸式人工岬头(ｄｅｔａｃｈｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄꎬ简称ＤＡＨ)和潜式人工岬头(ｓｕｂｍｅｒｇｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄꎬ简称ＳＡＨ)ꎮ离岸式岬头是指在向岸端预留潮流通道的人工岬头ꎬ如图１(ａ)所示ꎮ离岸式岬头可以阻挡很大一部分波浪ꎬ同时又允许潮流通过预留的潮流通道进出岬湾ꎬ改善岬头后方的水交换情况ꎮ潜式岬头是一种低水头构筑物ꎬ其顶部高程低于平均海平面ꎬ如图１(ｂ)所示ꎮ潜式岬头能够耗散波浪能ꎬ同时允许潮流从其顶端通过ꎬ改善岬头后方的水交换情况ꎮ

Ｐａｎ等[９]提出了在人工岬头中预留潮流通道的方法(离岸式人工岬头的雏形)ꎬ并对其进行数值研究ꎬ

人工岬头广泛用于沙质海岸的养滩工程中[３￣５]ꎬ通常在天然岬头的基础上进行延长ꎮ众多学者对人工岬

就保护岸滩和改善水交换的效果进行了讨论ꎮ结果表明ꎬ加入潮流通道后ꎬ岬湾的水交换得到了极大改善ꎬ而岬头对岸滩的保护效果只是稍有减弱ꎬ不影响对岸滩的整体保护效果ꎮ但是ꎬ在某些情况下ꎬ预留的潮流通道可能带来较大的流速ꎬ从而引起岸滩局部冲刷ꎮ从保护岸滩和改善水交换的角度出发ꎬ提出了离岸式岬头和潜式岬头的概念ꎬ并就它们对岸滩的保护效果进行了比较ꎮ通过建立岸线演变模型和物质运输模型ꎬ研究了潜式岬头和离岸式岬头在秦皇岛北戴河西海滩养滩工程中的护滩效果ꎬ并结合实地调查数据验证了模型的正确性ꎮ模拟了不同的工程方案ꎬ比较潜式岬头和离岸式岬头在保护岸滩和改善水交换方面的效果ꎮ

Ｆｉｇ.１　Ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｋｅｔｃｈｅｓｏｆｄｅｔａｃｈｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄａｎｄｓｕｂｍｅｒｇｅｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄ

图１　离岸式人工岬头和潜式人工岬头示意

１　研究区域

西海滩位于秦皇岛市北戴河区ꎬ全长３.２ｋｍꎬ是两端有短岬角的岬湾海滩ꎬ如图２所示ꎮ海滩的西端修建了一个丁坝ꎬ用来给一小港口的航道导流ꎬ海滩的东端有一个天然岬角ꎮ西海滩为低能沙质海滩ꎬ波高较小ꎮ２０１１年至２０１４年的波浪测量分析表明ꎬ波浪主要来向为Ｓ向至ＥＳＥ向ꎮ主导波向为ＳＥ方向ꎬ占波浪总数的２１.７２％ꎮ大部分记录的有效波高Ｈｓ(约占全部数据的９１.２３％)小于０.６ｍꎬ仅有１.０１％记录的有效波高大于０.９ｍꎮ平均波周期Ｔｓ为４.５ｓꎮ西海滩位于无潮点附近ꎬ多年平均潮差仅为０.７４ｍꎮ

Ｆｉｇ.２　ＴｈｅＷｅｓｔＢｅａｃｈａｎｄｔｗｏｐｈａｓｅｓｏｆｔｈｅｂｅａｃｈｎｏｕｒｉｓｈｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔ

图２　西海滩和养滩工程两个阶段

１２２

海　　洋　　工　　程第３８卷

和拓展西海滩ꎬ决定实施海滩养护工程ꎮ图２展示了分为两阶段进行的养滩工程[４]ꎮ一期工程于２００８年５

海滩养护前ꎬ由于附近河流上游建有拦河坝以及河口的采沙活动ꎬ西海滩遭受了侵蚀[１０]ꎮ因此ꎬ为保护

至６月进行ꎬ养护部分西海滩ꎬ包括修建近岸沙坝和水下防波堤ꎮ一期工程完成后ꎬ沿图２所示的８个剖面进行海滩剖面监测ꎬ以提供验证模型所需的数据ꎮ二期工程于２０１０年１１至１２月进行ꎬ范围覆盖整个西海０.３４ｍｍꎮ人工海滩低水位以上坡度为１∶１０ꎬ低水位以下坡度为１∶８ꎮ根据«海岸工程手册»[１１]计算ꎬ设计滩肩顶标高为３ｍꎬ填沙体积为２.５６７×１０６ｍ３ꎬ超填系数为１.１２ꎮ在海滩的两端修建三个独立的离岸潜堤和两个人工岬角ꎮ离岸潜堤建于水深４ｍ处(离岸约４５０ｍ)ꎬ长约２５０ｍꎬ堤顶高程为平均海平面以下１.２ｍꎮ滩ꎬ养滩范围达５０ｍꎮ该养滩工程中ꎬ客沙的中值粒径在０.４２~０.６１ｍｍ之间ꎬ原海滩沙的中值粒径为

２　岸线演变

通过建立岸线演变模型来研究潜式岬头和离岸式岬头对工程后的岸线变化的影响ꎮ使用验证后的岸线２.１　模型的建立与验证

演变模型ꎬ模拟不同岬头条件下的岸线演变过程ꎬ并在此基础上对潜式岬头和离岸式岬头的作用进行讨论ꎮ

基于一线模型建立岸线演变模型ꎮＧＥＮＥＳＩＳ模型是ＣＥＲＣ开发的并且广泛使用的一线模型之一[１２]ꎬ能

较好地再现沿海建筑物引起的岸线演变[１３]ꎬ用于世界各地的养滩工程中[１４]ꎮＧｒａｖｅｎｓ等[１５]提供了有关ＧＥＮＥＳＩＳ模型应用的详细信息ꎮ控制方程:

１ｄｙæö∂Ｑ＋ç＝０÷

ｄｔèＤＢ＋ＤＣø∂ｘ

式中:ｘ为沿岸距离ꎬｙ为离岸距离ꎬＤＢ为堤高ꎬＤＣ为截流深度ꎬＱ为沿岸输沙率ꎬ由式(２)给出

Ｑ＝(Ｈ２ｓＣｇ)

ｂ

(１)

其中ꎬＨｓ是有效波高ꎬＣｇ是由线性波理论得出的波群速度ꎬ下标ｂ表示破波条件ꎬθｂｓ是局部岸线对应的破波角ꎬ无因次参数ａ１和ａ２分别由校准参数Ｋ１和Ｋ２计算得出[１３]ꎮ

计算区域覆盖整个西海滩ꎬ详细模型设置为:基于剖面测量得到滩肩高度为２ｍꎻ根据对该区域输沙情

况的前期研究得到封闭水深为７ｍꎬ由模型敏感度研究[１６]得Ｋ１＝２Ｋ２＝０.７６ꎮ初始岸线及人工岬头、潜堤的布置如图２所示ꎮ客沙和当地沙均采用中值粒径Ｄ５０＝０.４０ｍｍꎮ

∂Ｈｓöé

êａ１ｓｉｎ２θｂｓ－ａ２ｃｏｓθｂｓæç÷ê∂ｘëèø

ù

úúû

ｂ

(２)

Ｆｉｇ.３　Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｏｒｅｌｉｎｅｍｏｄｅｌ:ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅｓａｆｔｅｒｐｈａｓｅＩｏｆｔｈｅ

ｐｒｏｊｅｃｔ

图３　一期工程后岸线演变模型的验证

首先模拟一期工程后８个月内岸线的变化ꎬ并与实测数据进行对比验证ꎮ实测数据为沿图２所示８个剖面测量获得的岸线位置ꎮ在监测剖面中ꎬ两相邻测点之间的距离小于５ｍꎮ水深小于１.５ｍ的区域采用全站仪(ＧＴＳ￣１０２Ｎ)测量高程ꎬ其余区域用回声测深仪(ＨＤ３０)测量高程ꎮ一期工程结束后ꎬ每个月测量两次ꎮ根据对８个监测剖面的测量得到实测岸线位置ꎮ工程竣工后４个月和８个月的模拟结果与实测岸线变化的对比如图３所示ꎮｘ轴的原点在Ｐ８剖面处(如图２所示)ꎬ从左至右的８个测点分别表示从Ｐ８至Ｐ１剖面的海岸线位置ꎮ该模型与实测数据吻合良好ꎬ可以应用于西海滩二期工程后的模拟ꎮ模型验证的更多细节见

第１期陈淑敏ꎬ等:潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

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２.２　模拟方案

通过验证后的岸线演变模型ꎬ设计不同岬头条件下的模拟方案ꎬ并对二期工程后１０年的岸线变化进行模拟ꎮ

影响潜式岬头的岸滩防护效果的关键参数是波浪透射系数(Ｋｔ)ꎬ其定义为防波堤岸侧直接入射波高与

文献[１７]ꎮ

海侧直接入射波高之比ꎮ例如ꎬ传统人工岬头(ｔｒａｄｉｔｏｎａｌａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄｓꎬ简称ＴＡＨ)的Ｋｔ为０ꎬ无人工岬头(ｎｏｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄꎬ简称ＮＡＨ)时ꎬＫｔ＝１ꎮ透射系数可用经验公式估计[１８￣２２]ꎮ这些经验公式取得的结果近似ꎬ本研究中取其平均值ꎮ

影响离岸式岬头的岸滩防护性能的关键参数是潮流通道比值(Ｐｔｃ)ꎬ其定义为潮汐水道的长度与潜式岬设置不同的关键参数ꎬ来研究潜式岬头和离岸式岬头的岸滩保护效果ꎮ表１中列出了这些方案ꎮ对照

头总长度(包括潮汐水道本身)之比ꎮ例如ꎬ传统岬头的Ｐｔｃ为０ꎬ无岬头时Ｐｔｃ为１ꎮ

方案为１和６ꎬ用来研究传统岬头和无岬头时的岸线变化ꎬ方案２、３用来研究潜式岬头的作用ꎻ方案４、５用来研究离岸式岬头的作用ꎮ

表１　岸线演变模型模拟方案

Ｔａｂ.１　Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｃａｓｅｓｏｆｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅｍｏｄｅｌ

岬头类型方案参数

传统岬头方案１－

方案２Ｋｔ＝０.３

潜式岬头

方案３Ｋｔ＝０.５

离岸式岬头方案４Ｐｔｃ＝０.３

方案５Ｐｔｃ＝０.５

无岬头方案６－

２.３　结果与讨论

不同方案的岸线变化模拟结果如图４所示ꎮ岸线变化指岸线当前位置与养护前位置的相对变化ꎮ正值表示海滩宽度的增加ꎮ潜式岬头方案的模拟结果如图４(ａ)所示ꎬ离岸式岬头方案的模拟结果如图４(ｂ)所示ꎬ同时绘制传统岬头和无岬头的模拟结果以供比较ꎮ

图４　传统岬头、潜式岬头、离岸式岬头和无岬头时岸线变化模拟结果(ｘ轴的起点位于海滩东端ꎬ且ｘ轴大致与岸线平行)

Ｆｉｇ.４　ＳｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｈｏｒｅｌｉｎｅｃｈａｎｇｅｉｎｃａｓｅｓｗｉｔｈＴＡＨꎬＳＡＨꎬＤＡＨａｎｄＮＡＨ

模拟结果中均有五处明显的岸线凸起ꎬ其中海滩中部的三处凸起为近海潜堤引起ꎬ这里不作讨论ꎮ海滩两端的两个岸线凸起是在人工岬头的作用下形成的ꎬ其尺度受人工岬头的结构型式和其关键参数的影响ꎮ案十分接近ꎮ随着Ｋｔ或Ｐｔｃ增加到０.５ꎬ人工岬头后的海滩仍明显比无岬头时更宽ꎮ因此ꎬ采用潜式岬头或离岸式岬头代替传统岬头来保护岸滩是可行的ꎮ

通过对比图４(ａ)和(ｂ)可以发现ꎬ在离岸式岬头的潮流通道后面ꎬ岸线后退明显ꎬ而在潜式岬头后面ꎬ岸线的形状则更平滑ꎬ而较平滑的岸线更有利于旅游景观的形成ꎮ

态来解释ꎮＫｕａｎｇ等[１６]指出ꎬ海滩沿岸输沙方向为自东向西ꎬ因此尽管海滩整体处于侵蚀状态ꎬ但海滩西端仍有所淤积ꎮ在侵蚀的情况下ꎬ海滩东端的岸线演变对Ｋｔ和Ｐｔｃ的变化十分敏感ꎮ随着Ｋｔ和Ｐｔｃ的增加ꎬ海滩宽度不断减小ꎮ海滩西端处于淤积状况ꎬ滩宽对Ｋｔ和Ｐｔｃ表现出不同的敏感性ꎮ在潜式岬头方案中ꎬ海滩西

通过对比还可以发现ꎬ在海滩的东端和西端ꎬ岸线对Ｋｔ和Ｐｔｃ变化的敏感度不同ꎬ这可以用养护前海滩状潜式和离岸式岬头对岸滩的保护效果都很好ꎮ如图４所示ꎬＫｔ或Ｐｔｃ等于０.３时ꎬ岸线变化与传统岬头方

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海　　洋　　工　　程第３８卷

端在Ｋｔ为０和０.３时岸线变化十分接近ꎬ在Ｋｔ等于０.５时ꎬ岬头后的海滩比Ｋｔ等于０和０.３的情况下更窄ꎬ但因此ꎬ淤积条件下ꎬ使用较小Ｋｔ的潜式岬头ꎬ海滩的保护效果的损失较小ꎮ在离岸式岬头方案中ꎬＰｔｃ等于０.３

仍比无岬头时更宽ꎮ岸线演变这种不同可能是因为波浪局部透射对淤积岸滩的影响很小ꎬ可以忽略不计ꎮ和０.５时海滩西端的岸线变化十分接近ꎬ且介于传统岬头和无岬头方案之间ꎮ一种可能的解释是ꎬ在淤积条件下ꎬ人工潜堤的向陆末端发挥的主要作用是阻碍沿岸输沙ꎬ离岸式岬头中预留的潮流通道使得沿岸输沙仍然存在ꎮ因此ꎬ如果潮流通道足够长ꎬ使沿岸输沙的大部分保留ꎬ那么潮流通道长度(或Ｐｔｃ的值)对其后岸线形状影响及其微弱ꎮ

潜式岬头事实上为一种低水头建筑物ꎬ虽然上部留出了水流通过的空间ꎬ但其仍发挥着重要的消浪作用ꎬ对于造成显著沿岸输沙的大波高来说这种消浪效果尤为明显ꎮ离岸式人工岬头的潮流通道预留在靠岸端ꎬ其水深较浅ꎬ波浪传入后的传播范围也较小ꎬ故放弃掉这一部分的消波作用对海滩保护的整体影响也较小ꎮ总体来说ꎬ潜式岬头和离岸式岬头虽然通过降低堤顶高程或预留潮流通道的方法来提供潮流通路ꎬ但二者仍能发挥重要的消波作用ꎬ其海滩保护效果要显著高于无岬头工况ꎬ仅比传统岬头工况略有减弱ꎮ

３　水体交换

为了研究潜式岬头和离岸式岬头对岬湾内水交换情况的影响ꎬ基于Ｄｅｌｆｔ３Ｄ模型建立了物质输运模型ꎬ设置了６种人工岬头ꎬ４种潮汐流场ꎬ对２个区域进行数值模拟ꎬ进行了共计４８种情况下的物质输运模拟ꎮ根据物质输运模型的模拟结果ꎬ计算岬头后区域的冲淡时间ꎮ然后讨论潜式岬头和离岸式岬头对水交换的３.１　模型设置及验证

物质输运模型包括两部分———潮流模型和输运模型ꎮ如图５所示ꎬ建立四级正交曲线网格系统ꎮ一级网格覆盖整个渤海区域ꎬ确保潮流场正确ꎻ两个四级网格分别覆盖海滩的西端和东端ꎬ分辨率达到１０ｍꎬ用以精细刻画岬头地形ꎻ第二、三级网格分辨率介于第一、四级网格之间ꎬ作为二者之间的过渡ꎮ网格之间的连接采用区域分解边界技术(ｄｏｍａｉｎｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｂｏｕｎｄａｒｙ)[２３]ꎬ参数可通过内边界光滑传播ꎮ一、二、三级网格和东、西端两个四级网格大小分别为２５３×１４５、１１８×７３、１８１×８５、３１×３１、６４×５５ꎮ考虑到岬湾水深相对较浅(小于４ｍ)且外海水深小于６ｍꎬ根据流量和浓度的垂向分布将垂向(σ坐标)分为５层ꎮ离岸水深由渤海对于物质输运的影响ꎮ这是由于研究区域的波浪能非常小ꎬ如第１节所述ꎬ９９％的波浪小于０.９ｍꎬ且其影响范围仅限于近岸ꎬ故影响当地物质输运的主要因素为潮流ꎮ

测深图测得ꎬ近岸水深(三级网格范围内)采用测深数据ꎮ需要说明的是ꎬ在本模型的计算中并未考虑波浪影响ꎮ

Ｆｉｇ.５　Ｔｈｅｍｏｄｅｌｇｒｉｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｐｅｎｂｏｕｎｄａｒｙｌｏｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌꎬａｎｄｔｈｅｆｉｅｌｄｄａｔａｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓ

图５　潮流模型的模型网格系统和开放边界位置以及现场数据观测点

模型验证采用从２０１１年５月２０日１１∶００至５月２１日１１∶００内的流场资料ꎬ包括西海岸附近海域的５个监测站每小时的流速和流向数据ꎮ５个站点(Ｏｂ１~Ｏｂ５)位置如图５所示ꎮ在Ｏｂ１~Ｏｂ４处ꎬ分别在总水深的３/１０和７/１０处测量流速和流向ꎻ在Ｏｂ５处ꎬ仅在中间水深处测量流速和流向ꎮ近岸ＷＬ站(如图５所

第１期陈淑敏ꎬ等:潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

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示)在５月１６至１７日和５月２０至２１日内测得的水位数据也用于模型验证ꎮ潮流模型的模拟时间为２０１１年５月１１日至２５日ꎬ采用此期间的现场测量数据对模型进行验证ꎬ时间步长设置为１５ｓꎮ开边界为大连水文站和烟台水文站连线ꎬ边界动力条件由中国国家海洋数据服务中心提供的两个水文站的潮位数据插值得到ꎮ北戴河流量由多年平均流量给定ꎮ图６(ａ)和图６(ｂ)分别为Ｏｂ３站和Ｏｂ５站模拟流速、流向与实测流速、流向的对比图ꎮ图６(ｃ)为ＷＬ站的模拟水位与实测水位的比较ꎮ从图中可以看出ꎬ模拟与实测结果在流速、流向、水位等方面均吻合较好ꎬ说明该模型对模拟区域内潮流场的描述较为符合ꎮ

３.２　冲淡时间

Ｆｉｇ.６　Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌ:ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｍｏｄｅｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｎｄｆｉｅｌｄｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ

图６　潮流模型验证:模拟值和测量值的比较

冲淡时间定义为保守物质在某水体中减少至初始质量的给定百分比时所需的时间ꎮ该给定百分比称为截断百分比ꎬＨｕａｎｇ等[２７]取为１０％ꎬＡｂｄｅｌｒｈｍａｎ[２５]取１/ｅꎮ考虑到本研究区域为相对开阔的海湾ꎬ岬头较短ꎬ水

冲淡时间表示的是某水体中水交换的时间尺度ꎬ广泛用于河口[２４]、港湾[２５]和其他水体[２６]的水质评价ꎮ

交换相对较快ꎬ因此取１０％作为截断百分比ꎮ为计算冲淡时间ꎬ首先在计算区域内设置单位浓度的示踪剂ꎬ然后开始模拟ꎬ在模拟过程中追踪计算区域内示踪剂质量(Ｍ(ｔ))的实时变化ꎮ将计算区域内示踪剂质量(Ｍ(ｔ))降低至初始质量(Ｍ０)１０％时所用的时间定义为冲淡时间ꎮ

１２６

３.３　模拟方案

海　　洋　　工　　程第３８卷

为探讨不同条件下潜式岬头和离岸式岬头对冲淡时间的影响ꎬ选取２个计算区域(如图７所示)ꎬ均设置６种不同岬头下方案ꎬ加上４种潮汐条件ꎬ共４８种物质输运方案ꎮ

所有方案的运行时间均为２０１１年５月１１日至２５日ꎬ包含一次大潮和小潮ꎮ模型设置了传统岬头和无岬头ꎬＫｔ为０.３和０.５的潜式岬头ꎬＰｔｃ为０.３和０.５的离岸式岬头这６种岬头ꎬ在潮流模型模拟结果的驱动下ꎬ运用输运模型对４８种方案进行模拟ꎬ研究在不同区域ꎬ不同岬头和不同潮汐条件下的水交换效果ꎮ选取岬头后的２个区域(区域１和区域２)计算冲淡时间ꎮ选取４种潮汐条件ꎬ研究潮汐条件对水交换的影响ꎬ包括２０１１年５月１４日５∶００开始)和小潮落潮(从２０１１年５月１５日００∶００开始)ꎮ每次模拟首先在计算区域内(区域１或区域２)设置单位示踪剂浓度ꎬ然后在模拟中跟踪计算示踪剂质量的实时变化ꎮ

大潮涨潮(从２０１１年５月１９日１１∶００开始)、大潮落潮(从２０１１年５月２０日３∶３０开始)、小潮涨潮(从

３.４　结果与讨论

Ｆｉｇ.７　Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｒｅａｓｆｏｒｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｓｈｉｎｇｔｉｍｅ

图７　冲淡时间的计算域

不同方案的示踪剂质量降低曲线分别如图８和图９所示ꎬ图８为区域１ꎬ图９为区域２ꎮ曲线表示计算区域内示踪剂质量分数平均值在不同潮汐条件(大潮涨潮、大潮落潮、小潮涨潮和小潮落潮)下的下降过程ꎬ不同的符号表示不同的人工岬头ꎬ曲线上的竖线表示示踪剂质量分数的分布范围ꎮ从图８和图９可以看出ꎬ在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中ꎬ示踪剂质量的下降范围基本介于传统人工岬头和无人工岬头方案之间ꎮ在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中ꎬ示踪剂浓度的下降速率分别随着Ｋｔ和Ｐｔｃ的增大而增大ꎮ当Ｋｔ＝Ｐｔｃ时ꎬ潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中示踪剂质量下降过程基本相同ꎬ差异很小ꎮ潮汐分数的变化范围ꎮ

条件对示踪剂质量的减少也有一定的影响ꎬ如图８和图９中的竖线所示不同潮汐条件下造成的示踪剂质量

图８　传统人工岬头、潜式人工岬头、离岸式人工岬头和无人工岬头方案中示踪剂质量下降曲线(区域１)

Ｆｉｇ.８　Ｔｈｅｔｒａｃｅｒｍａｓｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆａｒｅａ１ｉｎｃａｓｅｓｏｆＴＡＨꎬＳＡＨꎬＤＡＨａｎｄＮＡＨ

第１期陈淑敏ꎬ等:潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

１２７

图９　传统人工岬头、潜式人工岬头、离岸式人工岬头和无人工岬头方案中示踪剂质量下降曲线(区域２)

　　传统式人工岬头完全的将岸滩两端遮蔽起来ꎬ形成了较为封闭的海湾的形态ꎬ潮流和波浪都无法进入ꎬ岬后水体难以更新ꎬ而改良式人工岬头预留了不同形式的潮流通道ꎬ涨退潮时ꎬ潮流可以经潮流通道进出岬后海湾ꎬ与湾内水体进行掺混ꎬ湾内水体始终与外海保持流通的状态ꎬ因而岬后水交换将会得到改善ꎬ而改善的效果与岬头形式、参数设置以及潮流类型等相关ꎮ虽然改良式人工岬头仍会对水交换有一定程度的阻碍ꎬ但相比于传统人工岬头其水交换效率有大约５０％的提高ꎮ

根据示踪剂质量降低曲线图ꎬ判断示踪剂质量(Ｍ(ｔ))降至初始质量(Ｍ０)１０％所用的时间ꎬ即冲淡时

Ｆｉｇ.９　Ｔｈｅｔｒａｃｅｒｍａｓｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆａｒｅａ２ｉｎｃａｓｅｓｏｆＴＡＨꎬＳＡＨꎬＤＡＨａｎｄＮＡＨ

间ꎮ计算得到的冲淡时间如图１０所示ꎮ由图可知ꎬ潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中ꎬ冲淡时间明显小于传统人工岬头方案ꎬＫｔ和Ｐｔｃ值越小ꎬ冲淡时间越长ꎬ例如当Ｋｔ和Ｐｔｃ值为０.３时的冲淡时间大于Ｋｔ和Ｐｔｃ值为０.５时ꎮ潮汐特征对冲淡时间也有明显的影响ꎮ由图可见ꎬ区域１在涨潮时冲淡时间较长ꎬ而区域２在落潮时冲淡时间较长ꎮ在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中ꎬ区域２在落潮时的冲淡时间明显长于涨潮冲淡时间ꎬ这一结果可以通过潮流方向得到解释ꎮ西侧的潮流方向大致与海岸线平行ꎬ低潮时为自西向东ꎬ高潮时为自东向西ꎮ退潮时ꎬ虽然潮流方向朝向区域２的开阔面ꎬ但由于退潮时潮汐水位较低ꎬ通过潮流通道的出流减弱ꎬ在人工岬头后形成了一个小于０.０１ｍ/ｓ的低流速区域ꎮ而涨潮时ꎬ尽管水流方向为自东向西ꎬ并朝向区域１的开阔处ꎬ但高潮位保证了水流有较强的能力经潮流通道向外流ꎬ这就解释了在区域１为什么涨潮时的冲淡时间较长ꎬ而落潮时的冲淡时间较短ꎮ

Ｆｉｇ.１０　Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｆｌｕｓｈｉｎｇｔｉｍｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｔｉｆｉｃｉａｌｈｅａｄｌａｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｉｄａｌｐｈａｓｅｓ

图１０　不同人工岬头以及不同潮汐条件下的计算冲淡时间

４　结　语

采用数值模型研究比较了在北戴河西海滩养滩工程中潜式人工岬头和离岸式人工岬头对岸线演变和水交换的影响ꎮ

当关键参数Ｋｔ或Ｐｔｃ设为０.３或０.５时ꎬ潜式岬头和离岸式岬头保护岸滩的效果都较好ꎮ因此ꎬ用潜式岬

１２８

海　　洋　　工　　程第３８卷

头或离岸式岬头代替传统岬头来保护海滩是可行的ꎮ通过对比潜式岬头与离岸式岬头的岸线模拟结果ꎬ可以看出ꎬ潜式岬头后的岸线形状更加平滑ꎬ有利于旅游景观的形成ꎮ海滩的侵蚀和淤积特性也对潜式岬头和离岸式岬头的性能有一定的影响ꎬ在侵蚀条件下ꎬ岸线对Ｋｔ和Ｐｔｃ的敏感性相似ꎬ而在淤积条件下ꎬ潜式岬头的护滩效果略好ꎮ

潜式岬头和离岸式岬头后方区域的水交换效果介于传统岬头和无岬头情况之间ꎬＫｔ和Ｐｔｃ值相同时示踪

剂质量下降曲线相似ꎮ潮汐条件对某些情况的冲淡时间有一定的影响ꎮ通常ꎬ当Ｋｔ和Ｐｔｃ在测试参数范围内时ꎬ冲淡时间比采用传统岬头时显著减少ꎮ例如ꎬ在西海滩区域１ꎬ潜式岬头在Ｋｔ为０.３和０.５ꎬ离岸式岬头在Ｐｔｃ为０.３和０.５时ꎬ冲淡时间分别比传统岬头减少了大约４５.５％、５５.９％、４８.２％、５３.３％ꎻ在西海滩区域２ꎬ潜３６.９％、１４.８％和４１.０％ꎮ

式岬头在Ｋｔ为０.３和０.５ꎬ离岸式岬头在Ｐｔｃ为０.３和０.５时ꎬ冲淡时间分别比传统岬头减少了约２７.３％、

总体而言ꎬ潜式岬头和离岸式岬头都可以作为传统岬头的替代措施ꎬ虽然海滩保护效果稍有减弱ꎬ但可

以明显改善水交换情况ꎮ从岸线演变的角度看ꎬ潜式岬头具有其后岸线形状光滑、在淤积条件下护滩效果较好的优点ꎮ两种改良式人工岬头改善湾内水交换的效果相近ꎮ实际上ꎬ西海滩的养护工程中ꎬ最终采取的方案为离岸式岬头和潜式岬头相结合的方式ꎬ其中潜式岬头Ｋｔ取为０.３ꎬ离岸式岬头Ｐｔｃ取为０.５ꎮ养护后的监中ꎬ在养护岸滩、改善水交换、降低水质恶化风险方面提供参考ꎮ

本结论基于对北戴河西海滩的案例研究ꎬ所得结论适用于具有波能小、潮差小等类似条件的沙滩ꎬ当应用于其他类型的海滩时ꎬ在应用前须进行可行性研究及方案比较分析ꎮ参考文献:

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测也显示西海滩两端都维持着可观的海滩宽度ꎮ本研究所得的资料与结果可用于拟建人工岬头的养滩工程

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第１期陈淑敏ꎬ等:潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

１２９

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