沙质海岸岸滩长期演变基本规律研究综述

2019-09-20宋丽佳孙林云张继生王宁舸

中国港湾建设 2019年9期

宋丽佳，孙林云，张继生，王宁舸

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；3.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029）

0 引言

波浪是沙质海岸泥沙运动的主要动力条件，随着波浪向近岸传播变形，会驱动泥沙形成向岸-离岸的横向泥沙运动和沿岸输沙。一般而言，横向泥沙运动主要引起岸滩短期演变或称季节性变化，从较长时间看对海岸线平均位置影响不大。沿岸输沙是引起岸滩长期演变的主要因素，表现为海岸线长期前进或后退，历时可达数年、数十年乃至百年以上。不同海区的波浪特征存在一些差异，故其沙滩演变规律也会有所不同。对于岬湾型海岸，近岸波浪入射方向往往与岸线平行，沿岸输沙相对较弱，岸滩演变多以横向输沙作用为主。对于相对平直沙滩，斜向波出现频率较多，从而形成较明显的沿岸输沙，影响着岸滩长期变化。

在海岸带资源的开发利用中，岸滩长期演变趋势是需要重点研究的科学问题。海岸工程建设通常会破坏沙质海岸-本的沿岸输沙平衡状态，长期作用下会造成上下游岸滩较大冲淤变化，甚至影响海岸工程自身的安全和正常使用。近年来，海岸防护、人工育滩等岸滩修复研究和工程应用逐渐兴起，修复手段的确定也与岸滩长期演变密切相关。因此，研究沙质海岸岸滩长期演变基本规律既是对泥沙运动理论现有成果的进一步丰富和发展，也是指导沙质海岸工程建设的实际应用需要。

本文分别从沿岸泥沙运动、岸线演变和岸滩演变3个方面，对沙质海岸岸滩长期演变基本规律研究作简要的综述，对未来可继续深化研究的一些方面作出展望。

1 沿岸泥沙运动

沙质海岸沿岸输沙的作用机理可简述为“波浪掀沙、沿岸流输沙”。准确判断破波带沿岸输沙率是预测不同风浪天气或海岸工程环境下岸滩冲淤变化的先决条件之一。

目前，获取某海岸沿岸输沙率的方法通常有现场调查和计算公式两种。现场调查手段包括水深地形法、人工输沙法、示踪沙测定法、水文断面法和推移质取样法等[1]。现场调查是开展沿岸输沙研究的重要基础，但其往往存在一些客观要求和局限。在实际应用中，现场环境多样复杂，沿岸输沙率计算公式能够更快速有效地预测研究区域沿岸输沙能力，因而得到重视和较快发展。下文重点对基于波能流法和沿岸流法的沿岸输沙率计算公式进行介绍。

1.1 波能流法

20世纪30年代丹麦工程师Munch-Peterson指出，可以通过测定单位波峰线长度上波能流的沿岸分量近似预报沿岸输沙率的方向和总量[2]，从而最早将沿岸输沙与波能建立联系。波能流法沿岸输沙率公式起初是纯经验公式，将体积输沙率与波能流沿岸分量建立经验关系但该关系在量纲上并不和谐，造成物理意义不明确。Inmam和Bagnold[3]建议用浮容重输沙率代替体积输沙率，从而使公式量纲达到一致。1970年，Komar和Inman[4]进一步建立了浮容重沿岸输沙率与波能流的关系式，从理论上证明了以往纯经验公式的合理性，使波能流法有了坚实的理论基础。该公式即著名的CERC公式（式（1））。

式中：Il为浮容重沿岸输沙率；K为综合系数；（Ecn）b为破波波能流；琢b为破波角。

CERC公式将沿岸输沙率与波能流之间通过综合系数K建立关系，Komar和Inman[4]最初确立该公式时采用的K值为0.77，之后通过不断扩充可靠的现场实测资料，将K值减小到0.57。许多学者在应用CERC公式时，依据自身获取的数据资料也对K值进行了修正，各家取值差异较大，取值范围在0.05~0.92[5]。由于CERC公式仅明确了沿岸输沙率与波浪动力之间的关系，还未反映出泥沙粒径、岸滩坡度等多种海岸环境因素的影响，因此K值不是一个简单的定常值。

针对CERC公式广泛适用性的问题，许多学者陆续开展了深入研究。代表性的如：Bailard等[6]认为K值与破波角、波浪临底流速和泥沙沉速有关，并建立了关系式；赵今声[7]将K值考虑为深水波陡和泥沙粒径的综合系数，根据波能流理论建立了沿岸输沙率计算公式，该公式收录在我国JTS 145—2015《港口与航道水文规范》；孙林云[1]将K值与波浪上爬带、破波类型和泥沙粒径建立了关系，该公式先后以现场和室内试验资料进行率定和验证，实现了计算现场-型沙和试验室模型沙不同量级沿岸输沙率的统一形式[8]。

波能流法沿岸输沙率计算公式的结构相对简单，并有较多的现场和试验室资料作为支撑，可信度相对较高，目前应用已较普遍。

1.2 沿岸流法

沿岸流法是基于“波浪掀沙、沿岸流输沙”基本-理，将破波波能一部分视作转化为沿岸流，另一部分起掀沙作用。该方法应用沿岸流流速和波流共同作用下输沙率公式，推导出沿岸输沙率计算公式。

Bijker公式[9]是沿岸流法的代表公式之一，该公式基于Kalinske-Frijlink单向水流输沙率公式，将水流作用下床面剪切应力替换为波流共同作用形式，推导得到推移质单宽沿岸输沙率计算公式，悬移质单宽沿岸输沙率则根据Einstein悬沙输运理论计算确定。

继Bijker之后，一些学者也作了进一步的发展。如王尚毅等[10]在Bijker公式的基础上，采用了Nielson和Green建议的床面糙度公式，重新构建了波流共同作用下床面剪切应力与床面摩擦系数之间的关系，并引入了“床面层”概念以及床面判别方法，该公式也收录在我国JTS 145—2015《港口与航道水文规范》；Van Rijn[11]从受力分析角度，将推移质输沙率表达为近底含沙水层的输移，将悬移质含沙量描述为分层悬沙通量沿水深的积分。

上述公式所反映的泥沙运动物理过程细节较丰富，但公式结构复杂，不便于直接应用，在普及上以数值模拟居多。还有一些计算公式也基于沿岸流法，从抓主要矛盾入手，弱化过于细节的部分，公式相对简单、清晰，便于直接使用。如刘家驹公式[12]从破波带断面平均的角度出发，将沿岸输沙率表达为沿岸流平均流速、破波带平均含沙量、破波带平均水深和破波带宽度的乘积，通过结构转变，公式具有与波能流法相近的结构形式。

总体上，沿岸流法沿岸输沙率计算公式虽有一定理论基础，但大多结构复杂，使用不便，应用上不如波能流法普遍。

2 岸线演变

2.1 Bruun法则

为预测海平面上升对沙质海岸岸线侵蚀速率的影响，Bruun[13]最早提出了一种概念模型，后被命名为“Bruun法则”。该法则基本-理是：假设海平面上升过程中，岸滩平衡剖面维持-有形态向岸和向上移动，岸线发生侵蚀后，侵蚀物堆积在滨外浅水区，侵蚀量与堆积量保持相近，浅水区堆积与海平面上升速率保持一致。

从宏观和定性角度看，Bruun法则可适用于快速分析全球性、区域性等较大空间尺度的沙质海岸岸线侵蚀问题，能够为政府与国际组织规划决策提供一些依据。然而，该法则基于一些比较严格的假定条件，针对的海岸带类型比较局限，在具体工程应用方面有明显不足。

2.2 工程案例研究

沿岸输沙动态平衡的沙质海岸基本表现为岸线长期稳定，近岸沿岸泥沙运动及其影响不易被察觉。在此类海岸修建突堤、离岸堤和丁坝等建筑物时，往往会改变-有的输沙平衡状态，导致建筑物上下游岸线长期变形。一般而言，建筑物上游拦沙，造成上游岸线向海淤积前进。下游因供沙不足而就地补充沙源，导致下游岸线向岸冲刷后退，这是海岸工程建筑物引起沙质海岸上下游岸线长期变形的基本特征。典型工程案例如印度马德拉斯港和毛里塔尼亚友谊港。

1）印度马德拉斯港

马德拉斯港位于印度半岛东海岸上一处动态平衡的平直岸段，净沿岸输沙方向自南向北，净输沙率约54万m3/a。

港口于1875年和1879年先后建设了北突堤和南突堤，在南突堤施工期间，其南侧随即发生了快速淤积，1877—1910年33年间岸线前进了约700 m，并且沿岸输沙逐步绕过突堤进入港内，导致航道不得不关闭，在朝北方向开挖了新航道。北突堤北侧因供沙不足而冲刷后退，岸线侵蚀段长达5 km以上。为了防止岸线进一步被冲刷，北侧修建了护岸工程。随着时间的推移，沿岸输沙对港口南北侧冲淤影响不断加大，为此最终采用了旁通输沙方法，通过吸泥泵将南侧淤积泥沙输送至北侧冲刷区域，以人工方式恢复海岸的沿岸输沙平衡状态，达到了一劳永逸的效果。

2）毛里塔尼亚友谊港

毛里塔尼亚友谊港是我国.非第二大工程项目，该港口位于首都努瓦克肖特市沿海一处动态平衡的平直岸段，近岸沿岸输沙方向为自北向南，输沙率约100万m3/a，属于典型的强输沙海岸。

友谊港于1986年竣工投产，其平面布置呈单突堤-岛堤式，工程离岸方向投影约1 300 m。斜坡式挡沙堤建设后，近岸淤积由堤根逐步向上游发展，最大淤积位于堤身轴线上，再向上游方向淤积逐步减小，形成淤积三角体（图1）。初期岸线淤积前进幅度较大，随着时间的推移，北侧淤积库容逐步减小，岸线前进速率逐步减缓，淤积影响范围则有所扩大。挡沙堤工程建设保证了上游30 a的纳沙库容。

图1 友谊港挡沙堤上游岸线淤积Fig.1 Upstream coastline siltation of Friendship Port

港口工程南侧因来沙中断而发生岸线冲刷后退，为保证南侧陆域冲刷防护需要，1991年和2012年先后在南侧670 m和2 670 m建设了南挑丁坝和T形丁坝。根据波浪动力与岸线侵蚀后退速率的差异，挡沙堤下游可划分为“掩护区”、“过渡区”和“开敞区”3个区域[14]，见图2，其中“过渡区”大致位于经防波堤绕射后波向与岸线的交汇区域，该区域沿岸输沙率梯度达到最大，最大冲刷点发生于此。与上游岸线年际变化相似，初期下游冲刷较快，随着时间的推移逐步减缓。

图2 友谊港下游海岸侵蚀分区示意Fig.2 Coastal erosion zones in the downstream of Friendship Port

2.3 一线理论

20世纪50年代，法国学者Pelnard-Considere[15]首先提出了“一线理论”，可用来计算波浪作用下平直沙质海岸的岸线变化。该理论假定，岸滩在长期演变过程中其剖面形态基本保持不变，即不考虑横向泥沙运动的影响，认为沿岸输沙是控制岸线长期演变的关键，岸滩整体平行淤积前进或冲刷后退，故岸滩冲淤变化可用岸线进退变化来近似表示。一线理论采用泥沙运动连续方程来描述岸滩演变（式（2））：

式中：x为沿岸方向坐标；y为岸线距离x轴的位置；Q为沿岸输沙率；t为岸滩演变时间；d为岸滩变形高度。

因该理论高效简洁的表达方式，而得到广泛应用，成为计算岸线演变的有效手段之一。基于一线理论的岸线演变计算方法一般分为解析解法和数值模拟法。

1）解析解

解析解一般假定岸线淤积角（新岸线与初始岸线之间的夹角）较小，防波挡沙堤对上游沿岸输沙为完全拦截，并且挡沙堤结构形式为斜波堤，忽略堤身对波浪反射的作用[16]。在上述假定下，解析解的最终结构形式主要与所采用的沿岸输沙率公式有关。Pelnard-Considere[15]在求解析解时，曾假定沿岸输沙率与深水波向角成线性关系。林柏维等[17]将沿岸输沙率与入射角的关系进一步作了调整。孙林云等[16]基于其沿岸输沙率公式[1]推导了一线理论解析解。

各家推算结果表明，不论采用哪种输沙率计算公式，入射波向角均是其中的关键参数。以往许多学者曾建议采用深水波向角或初始时刻破波波向角作为入射波向角。林柏维和孙林云等通过分析研究，均认为应选择泥沙淤积深度起算点处的波向角，该角度位于深水波和破碎波之间[16-17]。由于实际海岸环境中波浪方向往往分布较广，采用能够反映波浪年均情况的代表波是一种有效的方法。林柏维等[17]以友谊港为例，提出采用年频率加权平均的波向角作为平均淤积角。孙林云等[16]则从沿岸波能流合成出发，采用能量加权平均方法计算代表波向角，在-理上与波能流法沿岸输沙率计算保持一致，预测得到的友谊港上游多年岸线变化与实测吻合良好。孙林云等[16]推导的一线理论解析解及相关参数确定方法已被收录在我国JTS 145—2015《港口与航道水文规范》，作为沙质海岸突堤式建筑物上游岸线演变预报的计算方法进行推荐。

一线理论解析解具有公式简洁、计算方便的突出优势，在具有足够现场资料的情况下，计算参数经合理确定后，可以获得较好的预报成果。由于基本假定的限制，解析解对入射波向角较大、挡沙堤堤头绕沙、下游岸线变化等方面的求解仍存在许多局限。

2）数值模拟

为弥补解析解在计算岸线变形方面的一些不足，基于一线理论的岸线演变数值模拟手段得到较快发展。

自20世纪70—80年代，随着我国对毛里塔尼亚友谊港的.建，国内学者开展了大量岸线模型开发和应用研究工作，以尽可能突破解析解基本假定、真实反映现场水沙物理过程。如徐啸[18]考虑了挡沙堤完全拦沙和部分拦沙对岸线形态的影响。孙林云等[19]根据现场实测资料分析，指出挡沙堤上游“淤积型岸滩”坡度变陡，下游“侵蚀型岸滩”坡度趋缓，在岸线变形连续方程中引入了岸滩剖面形态因子琢，构建了一线理论的改进形式（式（3）），对解析解“岸滩剖面形态不变”假定进行了修正与突破，此外还针对下游岸滩冲刷考虑了波浪折射、绕射、反射联合分布，提高了波浪计算精度。张长宽等[20]突破了以往研究采用单一代表波的束缚，提出了基于长时段波浪序列的岸线变形模型。

国外学者在岸线模型开发方面也有丰富成果，目前已形成许多软件系统，因其比较强大的模拟能力和友好的用户界面而被广泛使用。当前最常用的、开发已较成熟的岸线模型系统主要包括GENESIS、LITPACK和UNIBEST等。GENESIS采用CERC公式改进形式计算沿岸输沙率，在岸线变形连续方程中加入了源汇项，用以模拟诸如风吹沙、河口来沙、沙丘侵蚀等其他泥沙运动影响。LITPACK由丹麦水工研究所DHI设计开发，可计算波流共同作用下非黏性沙输沙率、近岸漂流、海岸线变化以及岸滩剖面变化。UNIBEST由荷兰Delft水力研究所开发，输沙率计算提供了多种公式选择。

基于一线理论的岸线演变数学模型弥补了解析解的一些不足，但岸线模型对泥沙运动和水下地形演变的处理过于概化，无法解决诸如堤头绕沙及其对港池航道回淤影响、下游反向输沙影响等细节问题，在实际应用中可以基本满足工程规划的要求，在涉及水下泥沙运动规律研究或服务于工程详细设计时存在明显局限。

3 岸滩演变

3.1 工程案例研究

沙质海岸岸滩演变不仅是岸线进退变化，还包括水下地形等深线的变化。我国.建友谊港时积累了大量的现场调查资料，在此主要以友谊港为案例，通过实测资料分析，介绍沙质海岸港口工程建设后上下游岸滩演变的一些基本规律。

1）岸滩变形高度

如图3所示，岸滩变形高度d忆为泥沙运动上界高度驻和下界水深d之和。

图3 岸滩剖面变形高度示意图Fig.3 The deformation height of the beach profile

我国科研人员通过友谊港海岸实测地形、底质采样和理论分析，研究了沙质海岸岸滩变形高度的确定方法[16]。上界高度可通过现场实测淤积高程和高潮期间波浪爬高进行综合判断。孙林云[1]在研究沿岸输沙率公式时，考虑了波浪上爬带对沿岸输沙的贡献，这在-理上与上界高度概念是相似的。下界水深可通过实测地形、底质取样和泥沙起动公式进行综合判断。以友谊港海岸为例，水下地形分析表明，岸滩在-8 m以浅范围坡度较陡，-8 m以深坡度明显趋缓，这是波浪对不同水深海床影响的结果。底质取样结果显示，-8 m以深海床大都由贝壳砾岩构成，泥质发黑发臭，泥沙一般不易起动。通过刘家驹波浪作用下泥沙起动公式计算，得到友谊港海域泥沙起动水深大致在-8.5 m。最终综合确定下界水深约-8 m。

2）岸滩剖面变化

在沿岸输沙平衡的自然海岸，岸滩剖面多年大致保持稳定，剖面形态一般具有明显的沙坝-深槽。当海岸工程建设后，沿岸输沙和横向输沙对岸滩剖面的影响程度会有所调整，剖面往往发生累积性冲淤变形。

友谊港上下游实测地形对比结果表明[1，16]，因沿岸输沙主要发生在浅水破波区，防波挡沙堤工程建设后，上游源源不断的沿岸输沙在近岸淤积，横向泥沙运动来不及调整，导致上游淤积剖面坡度变陡，并且距离堤身越近，近岸淤积越大，岸滩剖面坡度也越大。下游则以近岸冲刷居多，侵蚀剖面呈坡度趋缓的现象，并且离最大冲刷区愈近，剖面变缓程度愈大。此外，淤积型和侵蚀型岸滩剖面均无明显沙坝-深槽特征。

近年来，随着国内海岸工程领域的不断发展，也涌现出了一些成果。突出成果如唐山市京唐港海域[21]，严格来说，该海域属于细沙粉沙质海岸，具有沙质海岸沿岸输沙的泥沙运动特征，尤其在风暴潮期间易形成强输沙，对航道淤积影响较大。

3.2 数值模拟

近数十年来，随着计算机运算能力的不断提高，基于水动力和泥沙运动物理过程的泥沙输运及地貌更新数值模拟手段得到快速发展。该手段弥补了一线理论的一些不足，模拟的泥沙运动过程更加全面。但仍需要耗费相对较长的计算时间。以下主要针对平面二维模型和三维模型的沙质海岸岸滩演变研究成果进行介绍。

1）平面二维模型

对较大范围海域的水动力与泥沙数值模拟，其水平尺度远大于垂向尺度，可将复杂的三维问题沿水深平均得到平面二维浅水方程组，在经过良好验证的基础上，简化对问题的研究。

由于平面二维数值模拟基于水动力和泥沙运动物理过程，其计算耗时相对较长，许多学者多从水沙变化或岸滩短期演变角度探讨泥沙冲淤的一些基本规律。如张海文等[22]以毛里塔尼亚友谊港北侧沉船附近的岸滩演变为例，考虑了波浪及波生流的计算方法，对友谊港北侧沉船附近海岸岸滩演变进行了60 d的数值模拟，得到了沉船后连岛沙坝的形成趋势。Tang等[23]在模型验证的基础上，研究了离岸堤与直形丁坝对岸滩冲淤的影响，给出了波生流及短历时泥沙冲淤分布特征，揭示了一些客观规律。因部分研究或工程设计的需要，也有一些基于过程的沙质海岸岸滩长期演变模拟的相关成果。如Stive等[24]介绍了人工养滩新方式“补沙引擎”，预测了沙源投放后20 a的岸滩演变过程。Kaji等[25]进一步研究了波浪、潮流、风和风暴潮增水对补沙引擎供沙能力的贡献。

2）三维模型

与平面二维模型相比，三维模型能够反映垂向水流结构，可以模拟沙质海岸海底回流及其对输沙的影响。由于三维模型计算效率更低，对其使用多侧重于研究，在解决具体工程应用问题时仍受到较大制约。

Lesser等[26]采用DELFT3D软件建立了非黏性沙泥沙输运及岸滩演变三维数学模型，指出垂向各分层水流的差异性对泥沙冲淤分布存在一些影响，与平面二维模拟结果相比趋势相近，冲淤量值稍有不同。荷兰代尔夫特理工大学[27]在其海岸工程课程教学当中，介绍了直形丁坝和T形丁坝布置下岸滩演变的一些模拟方法，指出三维模型能更好地模拟“沙坝-深槽”岸滩剖面形态。另外，因二维模型无法模拟海底回流，相同波能情况下，其模拟得到的沿岸流流速相对较大，三维模型相对较小。

总体看来，基于过程的沙质海岸岸滩长期演变模拟成果较少，并且研究对象多集中在离岸堤布置下的岸滩冲淤变化，研究范围仍有待进一步扩大。

3.3 物理模型试验

与数值模拟手段相比，物理模型试验具有直观性好的特点。此外，物理模型凭借其自适应特点可以弥补数学模型的一些不足，更好地反映诸如波流耦合、波浪与建筑物相互作用等一些物理现象，是模拟沙质海岸岸滩演变的重要手段。

当前，沙质海岸岸滩演变物理模型试验研究成果较多集中在离岸堤及堤后连岛沙坝的研究，港口工程建设后大范围岸滩冲淤变化及港池航道回淤研究成果尚不多见，这一方面可能与试验对场地要求较高有关，另一方面可能由于试验对模型沙选取、沙源供给方式、试验波要素选取等有较高的要求，而解决这些问题往往需要基于对沙质海岸泥沙运动基本规律的认识和一定的实践经验。

20世纪70—80年代，为服务于友谊港建设，南京水利科学研究院（以下简称“南科院”）多次开展了港口工程上下游岸滩长期演变物理模型试验研究，积累了丰富的研究成果和试验经验。自1976年以来，南科院在国内首次开展了波浪作用下沙质海岸动床泥沙物理模型试验，先后进行了突堤式建筑物上游岸滩淤积与工程建设时序试验[28-29]、下游岸滩冲刷与防护试验[30]、上下游岸滩冲淤演变与泥沙综合治理整体试验[1]，为港口工程建设提供了技术支撑。在各个试验阶段过程中，试验方法和模拟技术得到逐步完善。根据波能流法沿岸输沙机理，首次提出采用波能频率加权平均的代表波统计方法来解决试验中的波要素选择问题。经过比选，确定采用轻质沙作为模型沙能够达到模拟沙质海岸泥沙运动的目的。这两个模拟技术现已分别纳入我国JTS 145—2015《港口与航道水文规范》和JTS/T 231-2—2010《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》，作为行业标准加以推荐。随着模拟技术的不断发展，还实现了计算现场-型沙和试验室模型沙不同量级沿岸输沙率的统一形式[1]，弥补了CERC公式仅适用于现场-型的局限，进一步发展了波浪作用下沿岸泥沙运动相似理论。在岸滩演变基本规律方面，物模试验揭示了岸滩冲淤剖面坡度变化、离岸岛堤码头波影区淤积沙咀形成过程等现象，具体内容前已述及，这里不再赘述。

因物理模型的试验成本及对试验场地要求较高，目前泥沙物模的使用频率有所下降，但它能够较好地实现沙质海岸岸滩长期演变模拟，在服务于实际工程应用方面仍具优势。