人工砾石海滩变化及输移率研究

于 跃，蔡 锋，张 挺，戚洪帅，刘建辉

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116; 2.国家海洋局 海岛研究中心，福建 平潭 350400; 3.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

人工砾石海滩变化及输移率研究

于 跃1，蔡 锋2，张 挺1，戚洪帅3，刘建辉2

(1.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350116; 2.国家海洋局 海岛研究中心，福建 平潭 350400; 3.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门 361005)

在我国采用砾石海滩在某些强动力区域进行海滩养护是一种新的尝试，具有很好的适用性。以厦门天泉湾人工砾石滩为研究对象，对2015年至2016年间10条海滩剖面开展了5次周期性监测，通过综合分析，得出在人工砾石滩竣工完成后的一年时间内，滩肩外沿线、岸线及滩面底角的砂砾分界线大幅度后退，滩肩宽度变窄；滩肩外沿线明显隆起，形成滩肩脊线；滩面坡度变大，且上游侧海滩的滩面普遍比下游侧海滩的滩面陡，一年后，岸滩整体变化趋于稳定。针对砾石滩不断向西南方向运移的现状，采用Leo C.van Rijn输移率公式计算砾石滩年平均输移率，并通过测量断面法、体积变化量法对Leo C.van Rijn公式计算结果进行验证，得出砾石滩年平均输移率的范围约为1 015.66～2 392.5 m3/a。

人工砾石滩；形态演化；输移率；厦门天泉湾

随着全球气候变化、海平面上升、入海河流输沙减少、近岸工程建设等自然过程和人类活动的加剧，海岸侵蚀日益严重[1]。海滩养护作为生态型的一种软质海岸工程手段日益成为缓解海岸侵蚀问题和保护海岸的重要选择，是目前国际上较为流行的方法[2-6]。海滩养护不仅能够有效地解决海岸侵蚀问题，而且通过自身的动态调整使周围海岸泥沙冲淤达到自然平衡状态，可极大地改善海岸环境和生态环境[2-6]。

可靠地估算沉积物沿岸输移率在维护海滩长期稳定性与海滩养护工程的建设具有极大的重要性。目前，应用最广泛的输移率公式是CERC公式，但是此公式只应用于砂质海滩[7]。Kamphuis[8]系统地研究了颗粒粒径与滩面坡度的影响，得出了更为精确的沿岸沉积物输运方程，但也仅适用于沙滩。Mil-Homens等[9]基于大量的野外调查数据对Kamphuis公式进行了修正，大多数数据点是砂质地区，没有采用砾石海滩。Tomasicchio等[10]基于大量数据拟合出一套适用于不同粒径的沉积物沿岸输移方程组，但此公式未进行独立验证。Leo C.van Rijn[11]综合考虑沉积物粒度、波周期、剖面形状对沿岸输移的影响，运用CROSMOR模型计算砂质、砾石海滩的沿岸输移速率，并将计算结果参数化，得出一个修正公式，适用于0.1～100 mm粒径范围内的沉积物，并对修正公式进行了独立验证，但并未应用于强潮强动力海岸。厦门天泉湾人工砾石滩是我国首个人工建造的砾石海滩，有关砾石滩的沿岸输移数据鲜见报道。鉴于我国在这方面的工作存在明显不足，通过对天泉湾人工砾石滩养护后剖面形态变化分析，总结砾石海滩的演变模式，并根据砾石海滩的输移速率提出海滩养护周期，希冀为我国未来的类似海岸防护与海滩养护提供参考与指导。

1 研究区概况

研究区位于厦门岛东南海岸天泉湾岸段，西起水上运动中心东侧，东至白石炮台西侧，岸线长度632 m，坐标范围：24°25′05.78″N～24°25′31.14″N，118°07′20.39″E～118°07′42.69″E(图1)。天泉湾人工砾石滩于2014年5月竣工，结合本区域现状，为有利于养护区域海滩的稳定性，实施养护全长为632 m，滩肩设计高程为4.0 m的砾石滩。铺设剖面分三层，表层为500 mm厚5～10 cm鹅卵石，次层为800 mm厚无级配鹅卵石，底层为二片石，坡度为1∶5。回填5～10 cm卵石约11 116 m3，无级配卵石约21 490 m3，二片石约24 524 m3，共计57 130 m3石料。

研究区春、夏两季以SE向风为主，秋、冬两季以NE向风为主，每年5～6月常有较强的NE或SW向风，平均风力3～4级，最大5～6级，瞬时极大风力可达7～8级。根据2008年11月～2009年11月实测波浪资料，全年的波向主要集中在SE～S向，所占频率达90.05%，其中以SSE向最多，所占频率为43.75%，为常浪向；次浪向为SE，所占频率37.15%。春、夏、秋三季常浪向均为SSE向，频率分别占45.28%、35.9%和57.99%；冬季常浪向为SE向，频率占45.89%。春、夏两季强浪向为SE向，秋季和冬季强浪向为SSE向。研究区潮汐类型为正规半日潮，多年平均潮差为4.01m，历年最大潮差达6.92 m，潮汐动力作用非常明显，属于强潮强动力海岸[12]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 资料与分析方法

2.1剖面测量

以监测期选定的典型剖面桩点作为放样起点，利用RTK进行海滩剖面形态周期性测量，从2015年3月至2016年5月共开展了5次海滩剖面测量，测量时间选择在当日最低潮，每次测量沿着放样剖面线行进，行进时左右偏差距离不大于10 cm，每条剖面测量两次。通过叠加不同时期的剖面形态进行统计分析，研究其变化特征。

2.2有效波高、波周期的计算

根据厦门海洋站1995～2005年实测潮位统计资料、厦门气象台1980～2007年风速风向统计资料，以及厦门珍珠湾2008年11月～2009年11月波浪观测资料，结合海岸地形资料通过SWAN模型模拟计算天泉湾整体波浪场分布。为更加准确地反映局部地形变化，在对该区域的地形概化和数值差分过程中，采用最大边长约10 m的小尺寸三角形网格，区域以外则采用最大边长约100 m的大网格。模型计算时，时间步长取为60 s，波浪破碎的破波参数γ=0.8，绕射系数取为1，绕射步长也取为1。折射、绕射变形后波周期保持不变。

2.3砾石滩输移率测量与计算

首先，根据计算出的有效波高、波周期及砾石滩相关特征资料，采用Leo C.van Rijn公式计算砾石滩年平均输移率；然后，对砾石滩运移区进行实地勘测，运用测量断面法与体积变化量法对Leo C.van Rijn公式计算结果进行验证，综合考虑不同方法造成误差的影响。最后，得出人工砾石滩的年平均输移率范围。

3 结 果

3.1人工砾石滩剖面形态变化

人工砾石滩的10条监测剖面位置如图1所示，本文选取其中5条作为典型剖面，对比分析不同时期TQW_P2、TQW_P3、TQW_P5、TQW_P7、TQW_P8剖面变化图，见图2，并计算得出每条剖面的滩肩宽度变化量及滩面坡度变化情况。在人工砾石滩竣工完成的一年时间内，砾石滩形态变化剧烈，整体上表现出滩肩外沿线、岸线及滩面底角的砂砾分界线大幅度后退(从图中可以清楚的看到每条剖面线在平均海平面附近存在明显的拐角，即是砂砾分界线点)；滩肩宽度明显变窄；滩肩外沿线明显隆起，形成滩肩脊线；滩面坡度变大。

2015年3月对砾石滩监测剖面进行第一次测量，与竣工时剖面相比，施工滩肩普遍向岸侵蚀，其中TQW_P2 、TQW_P3剖面滩肩宽度减少5 m左右，所处区域侵蚀最为严重，整个海滩呈现东侧侵蚀较弱，西侧侵蚀稍强的态势，见图3。相较于2015年3月，2015年8月的剖面数据显示，5条监测剖面中有4条剖面的滩肩宽度增加，仅TQW_P3剖面继续蚀退，但侵蚀速率与前一年相比较明显下降，可以看出，五个月的时间内，砾石滩剖面的滩肩宽度整体变化不大，东侧剖面滩肩宽度增长量略大于西侧剖面。2015年8月至10月，5条典型剖面全部侵蚀，滩肩宽度大幅度减小，蚀退量在8.9%～26.3%的范围内，其中砾石滩西侧TQW_P2剖面蚀退距离最大。2016年1月数据表明，5条监测剖面滩肩宽度全部增长，TQW_P2、TQW_P5剖面滩肩宽度变化量在10%左右，其余三条剖面变化较小，增长量在0～4%的范围内，在这段时间内砾石滩表现整体较稳定，滩肩宽度变化较弱。2016年5月对研究区进行最后一次测量，与2016年1月数据相比较，仅有TQW_P7剖面的滩肩宽度减小了0.8 m ，TQW_P2、TQW_P8剖面滩肩宽度增长幅度最大，涨幅在20%左右，TQW_P3、TQW_P5剖面滩肩宽度增长量在10%以内，变化相对较弱，可见砾石滩整体上还是处于缓慢调整的状态，滩肩宽度在缓慢增加。

砾石滩滩面坡度变化数据图表明，剖面坡度变化量范围较大，不同阶段的变化趋势有着较大的差别，见图4。2015年10月与8月相比较，砾石滩的滩面坡度总体上变缓，仅有TQW_P5剖面变陡，坡度变化范围为-20.8%～4.4%，其中TQW_P1、TQW_P2剖面处的滩面坡度变化最大，变化量在-20%左右。2016年5月与1月相比较，砾石滩两侧剖面的滩面坡度变化有着明显的差异，东侧海滩的滩面坡度变化量多为负值，坡面变缓，而西侧海滩的滩面坡度变化量多为正值，说明坡面变陡，且总体上东侧海滩的坡度变化幅度比西侧海滩的稍大。

图2 人工砾石滩剖面形态变化Fig.2 Comparison of beach profiles

图3 砾石滩剖面滩肩宽度变化示意Fig.3 Berm width changes of beach profiles

图4 砾石滩剖面坡度变化示意Fig.4 Slope changes of beach profiles

3.2人工砾石滩输移率测量与计算

在波浪、潮汐共同因素的作用下，人工砾石滩不断地向西南方向运移，平面形态一直发生改变，运移区平面形态类似于楔形状。运移区砾石分为两部分：一部分堆积在沙滩上层；另一部分掩埋在沙滩下层，形成沙砾混合体。表层砾石面积约为4 681.26 m2，水平直线长度约为273.62 m，见图5。

图5 砾石滩运移区照片Fig.5 Photos of the transport area

3.2.1 Leo C.van Rijn公式法

Leo C.van Rijn[10]通过大量的室内实验和现场野外调查数据发现波浪周期、砾石粒径、滩面坡度等因素对卵砾石的沿岸输移率有着决定性的影响，基于CROSMOR模型的验证结果建立卵砾石沿岸输移率公式：

式中：Qt为卵砾石沿岸输移速率(m3/s)，tanβ为滩面坡度，Hs,br为破波带的有效波高(m)，θbr为破波带的波向角度，d50为卵砾石的中值粒径(m)，g为重力加速度(m/s2)。

图6 波浪场计算范围示意Fig.6 The range of wave field calculation

该区波浪以风浪为主，所以可以通过风速推求波浪有效波高。工程区域的水深变化较大，深槽、潮沟、水下沙坝、潮流浅滩相间分布，波浪在传播过程中发生了折射、绕射以及浅水变形等，波高、波向都有很大变化。为了更加精确地模拟工程区的波浪场特征，波浪场数值模拟区域包括厦门湾扩大海域和工程区局部海域[11]，见图6，同时对SWAN模型计算的有效波高结果进行了验证，见图7。

图7 有效波高验证Fig.7 The verification of Hs

波浪场数值模拟的主要方向包括E、SE、S、SW向。模型计算时，采用的初始风、波浪条件考虑了在计算主方向顺时针22.5°角度上的归并。具体采用资料见表1和表2，各方向年平均实测波浪场计算水位采用平均水位(85高程0.36 m)。

表1 采用的风条件Tab.1 The wind conditions in study area

表2 采用的初始边界处波浪条件Tab.2 The wave condition at the initial boundary

由上述确定的计算参数、计算公式及数值模式，对E(ESE)、SE(SSE)、S(SSW)向采用外海开边界波浪条件进行波浪传播变形计算，计算时对主方向顺时针22.5°范围内多方位入射计算，以寻找最不利波浪入射方向，其它影响方向按照风成浪方法计算。取水深约0.6 m的近岸破波水深点为代表点，计算结果见表3，各方向Hs波高等值线分布见图8。

根据上述计算结果及基础数据，可知式(1)各参数取值：滩面坡度tanβ=0.2；重力加速度g=9.8 m/s2；砾石中值粒径d50=0.06 m；将SE和SW向的有效波高分别带入式(1)中计算不同方向上的砾石年输移率(表4)，从而得到砾石滩的年净输移率为Qnet=1 349.7m3/a。

表3 天泉湾代表点波浪计算结果Tab.3 The wave calculation results of the representative points

表4 不同方向上砾石年输移率统计表 m3/aTab.4 The annual transport rate of gravels in different directions m3/a

图8 Hs波高等值线分布Fig.8 Wave height distribution in study area

3.2.2 测量断面法

2016年5月对砾石滩运移区进行了实地勘测。勘测过程中用6条剖面线将砾石滩运移区大致平均分成7个区域，每条剖面线间隔约为40 m(图9)。

图9 砾石滩运移区勘测剖面Fig.9 Survey profiles in migration area

沿着每条剖面线，每隔5 m作为一个测量点，用铁铲向下挖取沙滩掩埋的砾石，直至挖到没有砾石出现，用标尺测量其深度，然后画出6条剖面线上掩埋在沙滩下面的砾石断面图，得到的断面面积即为每条剖面下掩埋砾石的单宽体积量，P1至P6剖面的单宽体积量分别为：8.2、7.15、5.35、3.69、2.45及1.86 m3/m。考虑砂砾混合时，砾石统计所占体积比例约为0.75，则掩埋在沙滩下砾石的体积量为861 m3。通过测量得到沙滩上层砾石堆积平均厚度为25 cm，则沙滩上层砾石体积量为1 170.32 m3。综上可得，砾石滩运移区砾石总体积量为2 031.32 m3，则年输移率为1 015.66 m3/a。

3.2.3 体积变化量法

根据测量基础数据，绘制竣工时及2016年5月砾石滩地形图，见图10，图中X、Y轴分别表示大地坐标的经度、纬度方向，Z轴表示高程。在同一基准面上计算两个时期砾石滩的总体积差值，即为人工砾石滩的总侵蚀量，从而得到砾石滩年平均侵蚀量为2 392.5 m3/a。

图10 人工砾石滩不同时期地形Fig.10 Topographic maps in different periods

4 讨 论

4.1形态演变

通过对比分析10条典型剖面形态演化图，总结强潮强动力作用下人工砾石滩的剖面形态演化模式，见图11。砾石滩竣工后，砾石呈较为松散的堆积体状态，在经过一年时间的波浪、潮汐等水动力推动作用下，砾石不断地被挤压，空隙率减小，导致滩肩外沿线、岸线及滩面底角的砂砾分界线大幅度后退，滩肩宽度明显变窄，滩面坡度变大；当波浪拍击砾石滩面时，可带动较多的卵砾石向上翻滚至滩肩顶部区域，而在回流过程中，由于渗流、消能等因素，波浪能量减弱不足以从滩肩区域将砾石带回，导致在滩肩区域发生隆起形成滩脊。竣工两年后，砾石滩与外界动力环境的动态平衡状态基本形成，砾石呈挤压态，滩肩宽度基本保持不变，但在滩脊区域存在明显的侵蚀区，滩脊砾石减少，滩底角区域也有所侵蚀，这表明在沿岸流的作用下，砾石滩存在较大的输移量。

图11 人工砾石滩剖面形态变化模式Fig.11 The morphological change of beach profile

4.2输移率计算

在波浪、潮汐、人类活动等因素的共同作用下，砾石滩不断地向西侧岸段输移，已形成明显的运移区域。本文首先采用Leo C.van Rijn公式进行理论计算砾石滩年平均输移率，然后利用实地勘测法、体积变化量法对理论计算结果进行验证，见表5。

通过计算结果可以得出：实地勘测的计算结果与Leo C.van Rijn公式计算结果相差不大，误差在可控范围内；采用Surf软件的体积变化量法与前面两种方法相比较，误差较大。由于在进行实地勘测时，无法对所有掩埋在沙滩下面的砾石进行测量，所以其结果一定比实际值偏小。体积变化量法造成较大误差的原因主要有两个：第一，计算出的侵蚀量是整个砾石滩的累积侵蚀量，包括砾石滩西侧运移区域与砾石滩下部被沙滩掩埋区域两个部分，计算值比实际值偏大很多；第二，砾石滩竣工后，卵砾石处于自然堆积状态，孔隙率较大，经过两年时间的波浪、潮汐及人类活动等外界动力不断作用，卵砾石堆积体孔隙率逐渐减小，导致两次体积量差值变大。结合上述分析，Leo C.van Rijn公式法计算值介于测量断面法、体积变化量法计算结果之间，所以本文认为该人工砾石滩的年平均输移率范围为1 015.66～2 392.5 m3/a。

表5 砾石滩年平均输移率 m3/aTab.5 The annual average transport rate of gravel beach m3/a

4.3养护周期

厦门天泉湾人工砾石滩铺设各种卵砾石共计57 130 m3。从人工海滩养护周期的角度出发，养滩寿命是指当沉积物流失量占养护总量的50%时所用的时间[2]，当沉积物流失量占一定比例时应及时进行养护，以避免海滩遭受较为严重的侵蚀。假设砾石滩年平均输移率(可能最大值)为2 392.5 m3/a，则本研究区砾石滩的养滩寿命为11年，但是为了更加有效保护海滩及研究区的景观效果，可提前对砾石滩进行养护，及时对运移区砾石进行回收利用，重新铺设到砾石滩侵蚀量较强的区域，以确保海滩的长期稳定性。

5 结 语

1) 从剖面形态来看，整体上表现出如下特征：滩肩外沿线、岸线及滩面底角的砂砾分界线大幅度后退，滩肩宽度明显变窄，滩肩外沿线明显隆起，形成滩肩脊线，滩面坡度变大；从坡度变化来看，东侧海滩的滩面普遍比西侧海滩的滩面陡，且变化幅度相对较大。

2) 砾石滩竣工一年后滩肩宽度大幅后退，在滩肩区域隆起形成滩脊，底角区域向海延伸，形成比较平缓的剖面形态；竣工两年后，滩肩宽度基本保持不变，但是在滩脊区域存在明显的侵蚀区，滩脊砾石减少，滩底角区域也有所侵蚀，这表明砾石滩存在较大的运移量。

3) 采用Leo C.van Rijn公式法、测量断面法、体积变化量法计算砾石滩年平均输移率，计算结果分别为1 349.7、1 015.66及2 392.5 m3/a。Leo C.van Rijn公式法计算值介于测量断面法、体积变化量法计算结果之间，得出该人工砾石滩的年平均输移率范围为1 015.66～2 392.5 m3/a。根据砾石滩的年输移率，预测人工砾石海滩的寿命超过10年。

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Study on evolution and transport rate of artificial gravel beach

YU Yue1,CAI Feng2,ZHANG Ting1,QI Hongshuai3,LIU Jianhui2

(1.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China; 2.Island Research Center,SOA,Pingtan 350400,China; 3.Third Institute of Oceanography,SOA,Xiamen 361005,China)

The adoption of the artificial gravel beach in macro-tide and strong hydrodynamic coast is a new attempt of beach protection in China.During the period between 2015 and 2016,ten beach profiles were measured and five regular monitoring activities were conducted along the beach in Tianquan Bay,Xiamen.The results indicate that the edge of beach berm,shoreline and the boundary of gravel and sand changed obviously one year after the completion of the artificial gravel beach project.The width of beach berm became narrower,the elevation of berm crest increased with a dome formation,and the beach slope became steeper and showed a variation that the beach slope in the upstream became steeper than it in the downstream.After one year’s evolution,the beach morphology tended to be stable.To study the gravel transportation of the artificial gravel beach,the Leo C.van Rijn formula was used to calculate the average annual transport rate,and the result was verified by beach profile measurement and volume change.The result shows that the annual average transport rate of gravel beach is about 1 015.66～2 392.5 m3/a.

artificial gravel beach; beach morphological evolution; transport rate; Tianquan Bay

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.009

1005-9865(2017)05-0079-09

2016-04-22

国家海洋公益性行业科研专项资助项目(200905008，201405037)；国家自然科学基金青年科学基金项目(41406070)

于 跃(1990-)，男，吉林白城人，硕士研究生，主要从事海岸动力地貌过程研究。E-mail：hdyjzx861656@163.com

蔡 锋。E-mail：fcai800@126.com