毛里塔尼亚友谊港上下游岸线演变模拟及预测

王宁舸，孙林云，孙 波, 2，唐 磊

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

毛里塔尼亚友谊港上下游岸线演变模拟及预测

王宁舸1，孙林云1，孙 波1, 2，唐 磊1

(1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

毛里塔尼亚友谊港处于典型的强沿岸输沙型沙质海岸，年平均沿岸输沙量为90×104～100×104m3。由于防波堤工程对上游沿岸输沙的拦截，港区岸线冲淤变化强烈。根据实测资料分析，采用基于“一线理论”的岸线演变数学模型，对友谊港上下游岸线变化作了整体验证，统筹分析了港口工程对上游淤积和下游冲刷的影响。在此基础上，进一步预测了友谊港未来20年的岸线变化情况。结果表明，在港区现有建筑物布置情况下，下游岸线的大幅冲刷将危及陆域土堤的安全，是友谊港未来防护的重点之一。若考虑每隔一定年限在下游增建丁坝工程，形成丁坝群护岸工程，可延长下游岸线的冲刷防护范围，减小对陆域建筑物的威胁。

友谊港；沿岸输沙；岸线演变；上下游整体；数值模拟；岸线防护

Abstract: The Friendship Port in Mauritania is located in a typical sandy beach which has strong longshore sediment transport. The annual volume of the transport is 0.9-1 million cubic meters. The coastline erodes and deposits strongly due to the interception of upstream longshore sediment transport by the breakwater. According to the analysis on measured data, a "one-line theory" mathematical model is used to validate the integrated evolution of the upstream and downstream coastline, and comprehensively analyze the influence of harbor engineering to the upstream deposition and downstream erosion. Based on the model, coastline changes of the Friendship Port in the future 20 years are further predicted. The results show that the substantial erosions in the downstream will endanger the dike in the condition of the existing structures layout, which is one of the protection focuses of the Friendship Port in the future. If additional new groins are built at a specified time interval in the downstream, namely building groin groups, the protected scope of the downstream coastline will be extended.

Keywords: Friendship Port; longshore sediment transport; coastline evolution; integrity of the upstream and downstream; numerical simulation; coastline protection

沙质海岸演变的主要动力是波浪及其破碎后引起的近岸泥沙运动，包括离岸-向岸的横向输沙和沿岸输沙。其中，沿岸输沙是影响岸线长期演变的主要因素。随着海岸带资源的开发利用，港口工程的兴建往往会破坏海岸原本的沿岸输沙平衡状态，造成上下游岸线冲淤变化，尤其在强沿岸输沙海岸，泥沙快速冲淤变化对港区运营影响极大。

对于相对平直的沙质海岸，基于“一线理论”的岸线模型是模拟岸线演变的有效手段之一。20世纪70-80年代，随着我国对毛里塔尼亚友谊港的援建，国内对岸线模型的开发研究和工程应用得到快速发展。研究多围绕友谊港岸线演变问题，均采用“一线理论”或其改进形式，在模型中考虑了诸如岸线变化对波浪折射的反馈[1]、建筑物完全拦沙和部分拦沙的差异[2]、岸滩不同等深线位置冲淤速率不均[3]以及波浪折射、绕射、反射联合分布[4]等物理过程，模拟结果良好，成果丰硕，为后续研究打下了基础。但纵观之，由于以往研究的侧重点基本仅在上游拦沙淤积或下游冲刷防护问题，采用港口工程上、下游分离计算的处理方式即可，对上下游整体模拟要求较少，成果鲜有。

为统筹分析港口工程对上下游岸线冲淤演变的影响，以友谊港为例，从整体变化的角度，分析港口工程上下游岸线演变趋势。鉴于一线模型在模拟较长时间序列岸线演变时具有简洁高效的突出优势，并能够基本反映岸线发展趋势、满足工程规划要求，本文采用一线模型对上下游岸线整体演变模拟作探讨，实现了对岸线整体变化过程的复演，证明了模型的适用性和模拟的可行性。最后定性探讨了友谊港上下游冲淤发展趋势，提出了下游冲刷防护措施。

1 友谊港概况

友谊港位于毛里塔尼亚首都努瓦克肖特市西南约10 km的大西洋东岸，是我国援非第二大工程项目，港区岸线走向大致成南北方向，见图1。港区近岸泥沙中值粒径为0.25 mm，海域潮汐、潮流动力弱，以波浪及沿岸流作用为主，为典型的强沿岸输沙型沙质海岸。

1.1港口工程概况

港口工程于1979年4月开工，1986年7月底竣工验收，其平面布置呈单突堤-岛堤式结构，工程离岸方向投影约1 300 m，分别由实体引堤、码头、防波堤、港区堆场等组成。1991年又于防波堤以南670 m处修建了南挑丁坝(以下简称“丁坝1”)，以减小港南陆域冲刷。随着岸线冲淤变化，为了防止上游堤头绕沙引起港区回淤，以及下游冲刷进一步危及港区陆域，工程于2012年在丁坝1以南2 km处增建了T型丁坝(以下简称“丁坝2”)，于2015年在防波堤堤头附近增建了挡沙堤。为满足港口运营需要，于2013年在丁坝1向海方向增建了码头泊位。友谊港工程建设情况如图1所示。

图1 友谊港地理位置与港区建筑物布置示意Fig. 1 Location of Friendship Port and harbor structures layout

1.2波浪及沿岸泥沙运动

波浪自外海斜向入射，至近岸破碎掀动底部泥沙，并形成了自北向南的较强沿岸流。泥沙随沿岸流搬运输移，形成了自北向南、以悬移质运动为主的沿岸输沙，这是控制友谊港岸线长期变化的主要因素。经友谊港沿岸输沙计算与上游淤积地形对比，近岸沿岸输沙量的多年平均值在90～100万方左右[4-6]。

1.3岸线演变及岸滩剖面

友谊港建港前，港区附近海岸处于冲淤动态平衡状态，岸线基本维持稳定。港口工程实施后，防波堤拦截了上游沿岸输沙，造成大量泥沙淤积，上游岸线随之向海淤长；下游因来沙不足，岸线不断冲刷后退。至2000年11月，上游最大淤积点已接近引桥与防波堤间的连接拐点，下游最大冲刷点后退至南挑丁坝根部附近。此后，上游淤积幅度不断增大，至2016年5月岸线已达到防波堤码头段中部附近，淤积影响范围扩大至上游5 km左右，友谊港以北的老港码头开始逐步受到淤积影响。2012年后，由于下游增建了丁坝2，丁坝1与丁坝2间岸线很快趋于稳定，冲刷后退速率明显减小，较快冲刷区转移至丁坝2下游附近。2000年至2016年间友谊港海岸不同年份岸线位置如图2所示。

图2 2000-2016年不同年份友谊港岸线位置示意Fig. 2 Coastline changes of Friendship Port from 2000 to 2016

友谊港海域原自然状态海岸的岸滩为“平衡型岸滩”，剖面形态随季节性波浪作用而变，大致以年际为周期循回，平均剖面坡度为1/30左右。经调查，在常年波浪作用下，高程在+3 m至-8 m的岸滩处于泥沙运动范围。港口工程建成后，随着岸滩冲淤变化，上游形成“淤积型岸滩”，其剖面坡度逐步变陡；下游形成“侵蚀型岸滩”，剖面坡度呈逐步变缓的趋势[7]。由于岸滩剖面形态发生变化，近岸波浪传递过程将作出调整，使泥沙运动范围可能有所不同。一般而言，“淤积型岸滩”泥沙运动的下界水深增大，而“侵蚀型岸滩”下界水深减小。友谊港不同年份上下游最大冲淤点岸滩剖面的形态如图3和图4所示。

图3 上游最大淤积剖面不同年份形态Fig. 3 Profile changes at upstream maximum deposition point

图4 下游最大冲刷剖面不同年份形态Fig. 4 Profile changes at downstream maximum erosion point

2 模型建立与计算

“一线理论”最早由法国人R.Pelnard-considere[8]提出，对于较为平直的沙质海岸，假设岸滩演变过程中剖面形态保持不变，岸滩的冲淤变化即可用岸线进退来表示；并且不考虑横向泥沙输运的影响，认为沿岸输沙是控制岸线长期演变的关键。本文采用目前已较为成熟的基于“一线理论”的数值模拟工具，建立友谊港上下游岸线演变数学模型，进行岸线变化整体模拟。

2.1模型理论

岸线整体模拟同时关注由于防波堤拦沙引起的上游淤积和下游冲刷综合问题，与上、下游分离计算方式相比，模型统筹考虑上游挡沙和下游冲刷防护，从岸线整体变化角度出发作探讨，这是与以往研究在模型建立上的主要差异。

模型根据波浪条件、岸线走向、岸线不同位置的岸滩剖面形态以及建筑物布置情况等要素，计算沿岸输沙率的分布，从而模拟岸线变化。模型主要控制方程如下：

1) 根据质量守恒原理，沿岸输沙平衡方程为：

式中：yc为岸线位置(以基线为准)；t为时间；Q为沿岸输沙率；x为基线上沿岸方向坐标；Qsou为沙源或汇，本模型中不考虑；hact为岸滩剖面上泥沙运动的有效水深范围，由平均海平面以上的上界高度hbeach、平均海平面以下的下界水深Dact和可能存在的沙丘高度hdune三部分组成，本模型中未考虑hdune。

2) 沿岸输沙率的计算包括推移质和悬移质运动，本模型以悬移质运动为主。主要计算方程为：

式中：Qb,Qs分别为推移质和悬移质输沙率；yact泥沙运动下界水深范围的离岸方向距离；Φb为无量纲推移质输沙率；s为泥沙相对密度；g为重力加速度；d50为泥沙中值粒径；y,z分别为基线法向和垂向方向坐标；T为波浪周期；D为水深；u为沿岸流与潮流共同作用下流速，本模型中不考虑潮流作用；c为泥沙体积含沙量。

3) 无建筑物或不受建筑物影响的较远区域，波浪场的计算考虑近岸波浪折射、浅水变形以及波浪破碎和底摩阻引起的波能损失。

波浪传递至破波点主要发生折射和浅水变形，控制方程为：

波浪破碎和底摩阻引起的波浪损失计算方程为：

式中：h为波高；α为波浪入射角；L为波长；D为水深；k为波数，下标“1”和“2”代表波浪传播计算中不同的点位；Ef为波能流；Dbr为波浪破碎引起的能力损失；Dbf为底摩阻引起的波能损失；ρ为水的密度；qb为破碎波分数；Hm为最大波高；T为平均周期；fw为波浪摩擦系数；Um为底部波浪水质点运动轨迹速度的幅值。

模型中计算波浪破碎引起的沿岸流，其主要控制方程为：

式中，Sxy沿岸方向动量通量；τb为底部切应力；E为断面方向动量交换系数；V为沿岸流流速。

4)有防波堤、丁坝等建筑物影响时，建筑物下游掩护区及掩护区外的有限范围考虑波浪绕射。绕射计算采用不同的波浪绕射系数与绕射角度之间的曲线关系，方法详见文献[9-10]。本模型对防波堤、码头等突堤式建筑物下游的波浪绕射计算即采用上述方法。

2.2模型建立与验证

友谊港岸线模型计算范围，以防波堤为起点，上游至10 km，下游至15 km，离岸方向至-15 m水深。岸线和建筑物的位置以基线为坐标轴，由垂直于基线方向的距离确定。基线呈南北向，与岸线大致平行，计算网格步长为40 m。

模型中代表波况的选取，考虑现场实际对沿岸输沙起主要贡献的波浪，采用波浪能量加权方法统计特征波要素。根据友谊港长期波浪观测资料，NNW、NW、WNW和W向的波浪在波高大小和出现频率上均占绝对优势。对这4个波向H1/10≥0.55 m的波浪进行统计，得到H1/10代表波高为1.10 m，代表波周期为10.8 s，合成波向为296°，作用频率为93.47%[11]。

根据上述泥沙运动与地形地貌条件分析，岸线计算以+3 m为上界高度。考虑到岸滩冲淤形态变化对水下泥沙运动范围的影响，下界水深取-3～-9 m。其中，上游“淤积型岸滩”取较大值，下游“冲刷型岸滩”取较小值。泥沙特性方面，中值粒径为0.25 mm，沉速为0.033 m/s。

模型计算以2000年实测地形为初始岸滩剖面和岸线位置，分别对2006年、2011年和2016年港区上下游岸线进行验证，模拟2000-2016年间岸线变化趋势。计算中，防波堤假设完全拦沙，即该断面输沙率为0；上下游较远处岸线不受防波堤工程影响，其沿岸输沙率保持在95×104m3/a左右，与以往的分析结果[4-6]基本一致。验证结果如图5所示，验证时段内，上游岸线呈累积性淤积过程，最大淤积点位于防波堤堤身处，计算得到的最大淤积幅度约243 m，多年平均淤积幅度约15 m。在不同的建筑物布置阶段，下游岸线演变趋势有所不同。至2011年，即丁坝2建设之前，下游最大冲刷点大致位于经防波堤绕射后波向与岸线的交点，2000年至2011年间计算的最大冲刷幅度约252 m，平均年冲刷幅度约23 m。丁坝2建设后，丁坝2与丁坝1间岸线冲刷速率减小，岸线趋于稳定。最大冲刷点转移至丁坝2下游，其初期冲刷较快，年平均冲刷速率约50 m。总体来看，建立的岸线模型基本复演了友谊港上下游岸线整体变化过程，实现了港区上下游整体模拟，表明了模型的可适用性与模拟的可行性，可用来预测港区岸线的未来发展趋势，为港区防护提供参照。

图5 友谊港上下游岸线演变验证Fig. 5 Integrated validation of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port

2.3友谊港岸线未来发展趋势及冲刷防护措施

在港区现有建筑物的布置情况下，沿用验证模型中的计算参数和边界条件，进一步预测上下游岸线整体发展趋势。2016-2036年间岸线演变过程如图6所示，由图可知，上游岸线逐步淤积至挡沙堤附近，预测时段内最大淤积点年平均淤积速率约13 m。由于岸线淤积进一步向上游发展，其淤积速率较之前有所减缓。与此同时，友谊港以北的老港码头处岸线进一步向海淤长，码头的运营环境将受到明显的淤积影响。下游岸线演变方面，随着时间的推移，丁坝1与丁坝2间岸线很快趋于稳定，丁坝的冲刷防护效果较好。丁坝2下游则呈累积性冲刷后退趋势，预测时段内最大冲刷点年平均冲刷速率约26 m，较初期演变有所减缓。至大约2036年，下游岸线将后退至土堤附近，危及陆域建筑物的安全。因此，预测时段内上游岸线淤积仍大致处在防波挡沙堤的堤身范围内，而丁坝2下游的持续冲刷所带来的安全隐患仍将是友谊港未来一段时期的主要问题。为减小下游岸线冲刷、保证后方土堤的安全，可以考虑在丁坝2工作一定年限并充分发挥岸线冲刷防护作用后，于下游继续增建丁坝工程，作为后续防护措施。

图6 友谊港上下游岸线演变整体预测示意(现有建筑物布置条件)Fig. 6 Integrated prediction of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port (existing structures layout)

在港区现有建筑物布置基础上，若考虑当丁坝2工作至2026年，再于下游2 km新建丁坝3，即形成下游丁坝群工程，2016-2036年间岸线演变过程如图7所示。上游淤积趋势同上述现有建筑物布置情况的预测结果基本一致。2026年之前，即丁坝3建设前，下游最大冲刷点仍处于丁坝2下游附近，岸线不断冲刷后退。此后随着丁坝3的建设，丁坝2与丁坝3间的岸线很快趋于稳定，最大冲刷点则转移至丁坝3下游附近。至2036年，由于丁坝群的掩护，下游岸线的防护范围延长至4 km，岸线整体后退幅度较现有建筑物布置条件明显减小，岸线距离土堤仍有一定富余，对陆域建筑物的威胁有所减轻。因此，对友谊港下游岸线的防护，可以每隔一定年限新建丁坝工程，形成多条丁坝间隔布置的形式，以延长岸线的防护范围，甚至将较大冲刷区隔离在陆域工程之外，从而起到对后方陆域及建筑物的保护作用。

图7 友谊港上下游岸线演变整体预测示意(新建丁坝布置条件)Fig. 7 Integrated prediction of upstream and downstream coastline changes at Friendship Port (newly built groins layout)

3 结 语

以岸线整体变化为侧重，建立了基于“一线理论”的港口工程上下游岸线演变模型。模型基本复演了近年来友谊港上下游岸线的整体演变过程，实现了上下游的整体模拟，与上下游分离式或单独模拟相比，有利于综合分析港口工程对上下游岸线冲淤变化的影响，进而指导上游防淤减淤和下游冲刷防护等工程问题。因此，建立的友谊港上下游岸线整体演变模型是可适用的，模拟是可行的。

在友谊港港区现有建筑物布置条件下，未来20年内，上游岸线缓慢淤长，岸线淤积仍处在防波挡沙堤堤身范围内，因此上游淤积并非未来一段时期内港口运营的主要问题。下游冲刷防护范围仅为丁坝1与丁坝2间的2 km岸线，最大冲刷点位于丁坝2下游附近，其随着时间推移而不断冲刷后退，威胁土堤的安全。

若在丁坝2工作一定年限后再于下游2 km处新建丁坝3，即形成丁坝群布置形式，丁坝间岸线的冲刷幅度将受到限制并逐步趋于稳定，岸线冲刷防护范围扩大至4 km。最大冲刷点转移至新建丁坝3下游附近，即进一步远离港区，下游岸线整体冲刷后退幅度减小，提高了后方陆域和土堤的安全性。因此，对于友谊港或处在强沿岸输沙海域的类似港口工程的下游岸线防护，可以每隔一定年限新建丁坝工程，形成多条丁坝间隔布置的形式，延长岸线的防护范围，使较大冲刷区远离陆域工程，起到对后方陆域及建筑物的保护。

除了一线模型之外，多线模型也是模拟沙质海岸泥沙运动和岸线演变的重要手段。在毛里塔尼亚类似港口工程算例中曾做过多线模型探讨，并与一线模型结果作了比较，发现了两者的不同。一线模型基于“一线理论”，简洁高效的优势突出，其主要关注岸线变化，假设岸滩演变过程中剖面形态保持不变，岸滩随岸线平行淤长或后退，岸滩演变即可用岸线变化表示，能够基本满足工程规划的要求。多线模型除了反映岸线变化外，还模拟水下地形变化，上游岸滩随着淤积而变陡，下游岸滩随着冲刷而趋缓。结合物理模型试验研究，多线模型可基本满足工程设计的需要，但计算量大且较为费时。综合两者结果，从岸线变化上看，多线模型的结果较一线模型略快；从研究和工程应用上看，两者是可以相互补充的。本文重点针对岸线整体变化作趋势性分析，采用一线模型能够满足本研究基本要求。

[1] 陈士荫,曹亚林,史建三. 海岸建筑物附近的岸线变形计算[J]. 海洋工程,1983,1(2):61-68. (CHEN Shiyin, CAO Yalin, SHI Jiansan. A numerical model for shoreline evolution near a coastal structure[J]. The Ocean Engineering, 1983,1(2):61-68. (in Chinese))

[2] 徐啸. 岸线模型在海岸工程问题中的应用[J]. 海洋工程,1992,10(4):38-49. (XU Xiao. Application of shoreline model on coastal engineering problems[J]. The Ocean Engineering, 1992,10(4):38-49. (in Chinese))

[3] 陈勇,刘家驹.沙质海岸突堤下游岸滩演变数值计算[J].水利水运科学研究，1992(3):221-230. (CHEN Yong, LIU Jiaju. A numerical model for the sand beach evalution in the downdrift of a jetty[J]. Hydro-science and Engineering, 1992(3):221-230. (in Chinese))

[4] 孙林云,潘军宁,邢复,等. 砂质海岸突堤式建筑物下游岸线变形数学模型[J]. 海洋学报,2001(5):121-129. (SUN Linyun, PAN Junning, XING Fu, et al. Numerical modeling of coastline deformation for sandy beach at downstream of a jetty[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2001(5):121-129. (in Chinese))

[5] XIE S L, LIU T F. Long-term variation of longshore sediment transport[J]. Coastal Engineering, 1987, 11(2): 131-140.

[6] SUN B, WANG X Z, SUN L Y, et al. Physical modeling oflongshore transport at Friendship Port in Mauritania[C]//Proceedings of 5th International Conference Coastlab 14. 2014: 206-211.

[7] 孙林云,潘军宁. 毛里塔尼亚友谊港南岸丁坝下游岸线变化数学模型计算[R]. 南京： 南京水利科学研究院, 2000. (SUN Linyun, PAN Junning. Numerical modeling of coastline evolution at downstream of southern groin in Mauritania Friendship Port[R]. Nanjing: Nanjing Hydraulic Research Institute, 2000. (in Chinese))

[8] PELNARD-CONSIDERE R. Essai de theorie de l' evolution des forms de rivage en plage de sable et de galets[C] // Fourth Jounees de l' Hydraulique, les Energies de la MerAnnual Congress, Question Ⅲ, Rapport1. Paris, France Societe Hydrotechnique de France, 1965: 289-298. (in France)

[9] GODA Y, TAKAYAMA T, SUZUKI Y. Diffraction diagrams for directional random waves[C]//Proceedings of the 16th Coastal Engineering Conference. ASCE, 1978: 628-650.

[10] KRAUS N C. Estimate of breaking wave height behind structures[J]. Journal of Waterway, Port Coastal and Ocean Engineering, 1984, 110(2):276-282.

[11] 孙波,王秀中,孙林云. 毛里塔尼亚友谊港岸线演变及防护工程[J]. 水利水运工程学报,2015(6): 94-100. (SUN Bo, WANG Xiuzhong, SUN Linyun. Coastline evolution and erosion control works at Friendship port in Mauritania[J]. Hydro-science and Engineering,2015(6):94-100. (in Chinese))

Integrated simulation and forecast of upstream and downstream coastline evolution at Friendship Port in Mauritania

WANG Ningge1, SUN Linyun1, SUN Bo1, 2, TANG Lei1

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.009

1005-9865(2017)04-0069-07

2017-01-16

王宁舸(1990-)，男，江苏南京人，助理工程师，硕士，主要从事海岸泥沙运动研究。E-mail：ngwang@nhri.cn