规则波作用下沙质岸滩剖面演变研究*

吉 立，冯 曦，冯卫兵，江晨辉

(1.海岸灾害及防护教育部重点实验室(河海大学)，江苏 南京 210098；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

沙质海岸约为全球海岸线总长度的13%，在全球范围内分布广泛[1]。波浪作用会对沙质岸滩形态造成影响。近年来，全球70%的沙质岸滩处于不同程度的蚀退状态，随着岸滩蚀退进程的加快，我国沿海地区的社会经济与生态环境受到威胁。沙坝的存在会使波浪在离岸较远的地方破碎，具有保护海岸的作用，沙坝运动是海岸泥沙运动的主要表现形式[2]。海岸经过长时间的波浪作用和沙坝运动后，与波浪形成相对稳定的平衡状态，即为平衡剖面[3]。研究沙坝运动和平衡剖面有助于认识海岸的形态变化，对于了解海岸长期的动力稳定状态具有重要的指导意义。

沙坝运动是海岸形态变化的表现形式，平衡剖面是海岸形态变化的最终归宿，研究沙坝运动有助于认识海岸达到平衡状态前的运动形式。对于沙坝运动，目前存在2种理论，即强迫响应理论[4]和自组织理论[5]。强迫响应理论认为，沙坝的形成是流体动力强制作用的被动响应，波浪破碎会影响沙坝的离岸位置和高度；而自组织理论则认为，海岸剖面形态本身具有不稳定性，任意微小的扰动都会对其造成影响，其自身不断发展最终形成沙坝剖面。

国内外学者对海岸形态开展了深入研究:Hsu[6]提出任意角度的波浪均可以使海岸形成平衡剖面，总结出离岸沙坝运动的计算公式；Günaydin[7]在此基础上研究沙坝在波浪作用下的运动规律，系统考虑不同类型的波浪对沙坝运动和平衡剖面的影响。随着对沙坝运动认识的提高，许多学者提出海岸平衡剖面模型，主要包括有Dean模型[8]、Bodge模型[9]、Lee模型[10]、Larson-Kraus模型[11]。国内学者也对海岸形态的变化进行了研究：苟大旬等[12-13]对沙坝的产生和运动规律进行研究，同时对海岸剖面的恢复展开讨论；蒋昌波[14]对不同的波浪动力因素下沙质岸滩的演变规律进行深入研究。

本文对沙质岸滩的形态变化展开研究，综合考虑水深、周期以及海岸植被对沙质岸滩剖面演变的影响，旨在探究沙质岸滩在不同情况下的演变规律，得出最大冲刷深度、最大淤积深度、冲刷面积和淤积面积的变化情况。

1 试验概况

1.1 试验设备与布置

试验在河海大学海工实验室波浪水槽中进行，试验水槽全长80 m，宽0.5 m，高1.2 m，水槽配有造波系统。试验布置如图1所示，设斜坡的起点为原点，波浪传播方向设为x轴正方向，竖直向上为z轴正方向，建立平面二维坐标系。试验中采用DJ800型波高采集系统测量沿程波高值，采用武汉大学开发的URI-IIU型高精度河床模型地形测量仪进行地形剖面测量。

图1 试验布置

试验采用概化模型，以1:10的单一沙质斜坡为岸滩地形，斜坡起点为设定原点，使用中值粒径0.34 mm、密度2.65 t/m3的天然沙，沙子的不均匀系数Cu=d60/d10，为1.173，曲率系数Cc=d30/(d60/d10)，为0.995。

本次试验设定水深h=30、45和60 cm，周期T=1和2 s，波高H=10 cm，采用光滩和有植被覆盖2种形式，有植被覆盖的覆盖率为9.43%。植被覆盖方法采用刚性小木杆模拟刚性植物，木杆半径为0.5 cm，在每100 cm2分布有12根木杆。植被覆盖实物与计算如图2所示。

图2 植被覆盖(单位：mm)

试验组次命名方式如下，以水深h=30 cm，周期T=1 s，波高H=10 cm的光滩为例，试验组次命名为GT-h30T1，GT代表光滩，h30代表水深为30 cm，T1代表周期为1 s，因波高均为10 cm，故在此命名方式中不体现波高的大小，植被覆盖率9.43%的前缀则为ZB，后缀数字与前面命名方式相同。不同组次试验工况均以此方式命名。需要注意的是，有植被覆盖时水深不取h=30 cm条件，因为在有植被覆盖的情况下，h=30 cm时的试验效果不明显。试验工况如表1所示。

表1 试验工况

1.2 试验方法与步骤

通过预备试验，发现波浪作用60 min后岸滩剖面形态趋于稳定，形成平衡剖面。因此，每组试验均进行60 min，因波浪在试验水槽中会形成反射波，故试验中规则波采用断续造波的方式，每次造波1 min后即停止造波，待水面稳定后继续造波，重复以上步骤60次，测量每1 min造波后岸滩的形态变化。在每组试验结束后，将沙坡进行搅拌并重新铺设，恢复原始状态，再进行下一组试验。

2 试验结果

2.1 岸滩形态变化

根据地形数据，以每10 min为1个变化周期，绘制0～60 min的岸滩形态变化(图3)，以期得到岸滩形态的变化规律。在图3中，每10 min的岸滩形态变化的坡面起点均为0点，将每个时刻的沙坝峰连接，可以得到沙坝的运动轨迹，运动轨迹代表沙坝峰在x方向的运动。

图3 岸滩形态随时间变化

从图3可知，沙坝形成后并非静止不动，而是随时间变化存在离岸和向岸的往复运动，岸滩存在单一沙坝峰或双沙坝峰，沙坝峰的位置会随着水深和周期的变化而改变。对于光滩，当h=30 cm和h=45 cm时只存在单一沙坝峰，而当h=60 cm时沙坝出现了双沙坝峰，且第2个沙坝峰都位于滩肩处(距坡面起点500 cm处即为滩肩)。对于植被覆盖率为9.43%的岸滩，岸滩始终存在双沙坝峰。当植被覆盖率为9.43%、h=60 cm、T=1 s时，随着时间的增大，双沙坝峰逐渐消失，整个沙质坡面的变化最为平稳，沙质坡面达到平衡剖面状态。

2.2 影响岸滩形态变化的因素

影响岸滩形态变化的因素有水深、周期等(图4、5)。

图4 水深变化时岸滩形态变化

图5 周期变化时岸滩形态变化

从图4可知，对于光滩面，h=30 cm时只存在单一沙坝峰，沙坝峰x坐标为214 cm，在x=350 cm后沙质坡面平稳；h=45 cm时岸滩第2个沙坝峰有出现的趋势，但不明显，第1个沙坝峰高度增加，同时开始向岸运动，从x=214 cm运动到x=332 cm处，在x=520 cm后沙质坡面平稳；h=60 cm时，第1个沙坝峰高度减小，第2个沙坝峰开始凸显，两沙坝峰相对高度基本一致，在x=660 cm后沙质坡面平稳。对于植被覆盖率为9.43%的情况，h=45 cm和h=60 cm情况下均存在双沙坝峰，h=60 cm的沙质坡面更紊乱。可以发现，随着水深的增大，单一沙坝峰会演变成双沙坝峰，整个沙质坡面越来越紊乱，且对岸滩的影响也越来越靠岸。

从图5可知：对于光滩，周期的改变对整个沙质坡面基本无影响，沙坝峰位置基本不变；对于植被覆盖率为9.43%的情况，随着周期的增大，整个沙质坡面变得紊乱，沙坝峰高度增加，对沙质坡面的影响略微靠岸。

3 植被对岸滩形态变化的影响

为了更清晰地反映植被对岸滩形态变化的影响，取滩面相对变化量Y0=Y最终-Y原始，Y0为正时代表岸滩淤积，Y0为负时代表岸滩冲刷。图6为光滩和植被覆盖率9.43%岸滩形态相对变化的比较。

图6 光滩和植被覆盖率9.43%时岸滩形态相对变化

从图6可知，在h=45 cm、T=1s时，有植被覆盖情况下岸滩的淤积和冲刷都明显减小，岸滩淤积的相对高度从42 cm减小到35 cm，岸滩冲刷的相对高度从63 cm减小到31 cm，在x=200 cm之前，岸滩整体淤积向离岸方向运动。h=45 cm、T=2 s时，对比光滩，有植被情况下岸滩在x=350 cm前基本无明显变化，但是x=350 cm后岸滩的淤积显著增大，岸滩的冲刷略微增大，岸滩淤积的相对高度从39 cm增大到94 cm，岸滩冲刷的相对高度的绝对值从41 cm增大到63 cm。h=60 cm、T=1 s和T=2 s时，在有植被覆盖的情况下，岸滩的淤积和冲刷均减小，但是减小程度不大。

4 岸滩冲刷与淤积的变化规律

根据岸滩形态的测量结果，通过matlab计算分析得出最大冲刷深度、最大淤积深度、冲刷面积和淤积面积。表2为不同工况下冲刷与淤积参数的最终值。

表2 不同工况下冲刷与淤积参数最终值

4.1 最大冲刷深度和最大淤积深度

图7为光滩时0～60 min最大冲刷深度和最大淤积高度的变化，图8为植被覆盖率9.43%时0～60 min最大冲刷深度和最大淤积高度的变化。

当岸滩为光滩时，对于最大冲刷深度，水深为45 cm、周期为1 s(GT-h45T1)的最大冲刷深度最大，最终值为6.269 cm；水深为60 cm、周期为1 s(GT-h60T1)的最大冲刷深度在前20 min达到6 cm以上，但随着时间的增加，最大冲刷深度逐渐减小，在60 min时为2.687 cm。其他试验工况下最大冲刷深度呈波动状态，最大冲刷深度的最终值始终在1.8～3.8 cm之间，相差不超过2 cm。

对于最大淤积高度，水深为60 cm、周期为2 s(GT-h60T2)的最大淤积高度初始达到最大，即10 min时达到6.368 cm，但是随着时间的增加，最大淤积高度逐渐减小，最终值为4.179 cm。对于光滩时的6种试验工况，最大淤积高度的最终值始终在3.0～4.2 cm之间，相差不超过1.2 cm。

图7 光滩最大冲刷深度和最大淤积高度

图8 植被覆盖率9.43%时最大冲刷深度和最大淤积高度

总结得出，除水深为45 cm、周期为1 s(GT-h45T1)的最大冲刷深度达到6.269 cm，其余试验工况的最大冲刷深度的最终值相差始终不超过2 cm，最大淤积高度的最终值始终相差不到1.2 cm。

当植被覆盖率为9.43%时，其变化较大，尤其是水深为45 cm、周期为2 s(ZB-h45T2)试验工况，最大冲刷深度和最大淤积高度的初始值均较小，分别为4.378 cm和3.134 cm。随着时间的增加，其最终值分别达到6.269 cm和9.353 cm。其他试验工况下最大冲刷深度和最大淤积高度变化较小，最终值相差均不超过2 cm。

4.2 冲刷面积和淤积面积

图9为光滩时0～60 min淤积面积和冲刷面积的变化，图10为植被覆盖率9.43%时0～60 min淤积面积和冲刷面积的变化。

光滩的冲刷面积和淤积面积随时间的变化不大，整体呈波动状态，无明显的上升或下降。对于冲刷面积，GT-h45T1试验工况时最大，GT-h30T1试验工况时最小，分别为481.35和109.75 cm2。

图9 光滩冲刷面积和淤积面积

图10 植被覆盖率9.43%时冲刷面积和淤积面积

对于淤积面积，GT-h45T2试验工况时最大，GT-h30T1试验工况时最小，分别为539.19和149.96 cm2。可以发现，无论是冲刷面积还是淤积面积，GT-h30T1试验工况均为最小值。

当植被覆盖率为9.43%时，ZB-h45T2试验工况时冲刷面积和淤积面积变化较大，其初始值较小，分别为373.84和364.18 cm2。但是随着时间的变化，其最终值均达到最大，分别为571.73和659.40 cm2,均超过570 cm2。ZB-h45T1试验工况的冲刷面积和淤积面积均为最小，分别为115.43和277.53 cm2。

当水深最小且周期T=1 s时，冲刷面积和淤积面积始终最小；而在周期T=2 s试验工况时，冲刷面积和淤积面积总是较大，除光滩时水深45 cm、周期1 s(GT-h45T1)试验工况的冲刷面积为最大，其余冲刷面积和淤积面积最大和较大的情况均为周期T=2 s时。

5 结论

1)在规则波作用下，沙质岸滩会出现沙坝峰，为单一沙坝峰和双沙坝峰2种存在形式。随着水深的增加，沙坝峰从单一沙坝峰变化为双沙坝峰，整个沙质坡面越来越紊乱，且沙坝峰发生向岸运动。周期的增大会使沙质坡面变得紊乱，但整体影响不大。

2)当植被覆盖时，岸滩的淤积和冲刷均减小，但当水深为60 cm时，植被对岸滩基本无影响。原因如下：①水深过大时，波浪的作用太明显，已达到风暴潮的效果，植被的影响微乎其微；②植被覆盖率过小，达不到维持岸滩平稳的效果。

3)当植被覆盖率为9.43%、水深h=60 cm、T=1 s、H=10 cm时(ZB-h60T1)，随着时间的变化，双沙坝峰逐渐消失，整个沙质坡面的变化最为平稳，沙质岸滩达到平衡剖面状态。