“海鸥”台风下人工岛对海口湾岸滩侵蚀的影响分析

邹凯 朱良生

摘    要：“海鸥”强台风对海口湾造成了严重的破坏，研究“海鸥”台风对海口湾岸滩侵蚀的主要成因对海口湾岸滩修复和人工岛建设具有重要意义。本文通过对海南海口湾岸滩现场踏勘、实例比较和数值计算，探讨了海口湾人工岛建成前后该处岸滩对“海鸥”强台风的响应特征。研究结果表明：在2014年9月“海鸥”强台风过境期间，海口湾岸滩被显著侵蚀是发生在台风强浪过程、风暴潮和天文潮高潮叠加的情况;海口湾岸滩各段被显著侵蚀具有风暴剖面特征;人工岛具有消波作用，减少了岸滩侵蚀。人工岛建成后沿岸输沙引起的岸滩进退在0.6m以内，人工岛不是此次海口湾岸滩被显著侵蚀的主要原因。

关键词：人工岛;台风响应;岸滩侵蚀;海口湾

中图分类号：P731.2                              文献标识码：A

Abstract： The strong typhoon Kalmaegi caused severe damage to Haikou Bay in Hainan province. The analysis of the main causes of the severe beach erosion in Haikou Bay during the typhoon is of great significance to the beach restoration and manmade island construction in Haikou Bay. By comparing the data obtained in field investigation， example comparison and numerical simulation such as wave dynamical field， longshore transport and beach evolution， the response feature of the beach to the typhoon Kalmaegi before and after the construction of the manmade island is discussed. The results show that during the passage of typhoon Kalmaegi in September 2014， the significant beach erosion occurred in the process of typhoon strong wave and the superposition of typhoon surge and astronomic tide. The significant erosion of each section of Haikou bay bank has the characteristics of "storm profile"， and the manmade island has a decaying wave effect， reducing the beach erosion. After the construction of the manmade island， the beach retreat caused by longshore transport is within 0.6m and manmade island is not the main cause of the significant erosion of Haikou Bay beach.

Key words： Manmade island;  Typhoon response;  Beach erosion;  Haikou Bay

1    前言

臺风对岸滩侵蚀产生较大影响[1]。2014年9月的“海鸥”强台风对海口湾造成了严重的破坏，它不仅摧毁护堤和护坡， 而且还强烈地冲刷岸滩沉积物， 使原有海滩剖面发生急剧变形。

田会波等基于实测资料，讨论了万宁东部海岸的侵蚀规律与特征，季节上呈现夏秋侵蚀、冬春淤积，年际上总体呈现侵蚀状态[2];邸有鹏等基于遥感资料分析了海南博鳌湾和邦塘湾岸线的演变情况，并计算了不同岸段在各个时期的海岸侵蚀速率[3];丁瑞等以“海鸥”强台风为例，分析了条件变化对海口湾风暴增水的影响[4]。张博文等通过数学模型，分析了“海鸥”强台风作用下近海最大增水、波高分布特征[5];龚昊等根据现场调查，对比分析了“1409”号台风和“海鸥”号台风登陆前后海南岛东北部海滩侵蚀与恢复对连续台风的复杂响应[6]。上述这些研究，尚缺乏“海鸥”号台风对海口湾岸滩造成严重侵蚀的主要成因分析。

海口湾是位于海口市北部琼州海峡中段南侧、向北敞开的螺线海湾，2013年在海口湾西侧的双滩区域及附近海域建有南海明珠人工岛。“海鸥”强台风期间，海口湾岸滩产生严重侵蚀的主要成因是台风强浪过程还是人工岛的影响，结论对海口湾岸滩修复和人工岛建设都具有重要参考意义。本文通过对海口湾现场踏勘、动力分析、数值计算及实例比较，分析“海鸥”强台风下对海口湾岸滩侵蚀的成因和人工岛的影响。

2    海口湾区域地貌特征

2.1   海口湾区域地貌基本特征

海口湾东西两侧岬角分别为南渡江三角洲（海甸岛）沙泥堆积体和新海玄武岩基岩岬角，使海口湾成为一个向陆凹进的海湾。海口湾岸线长约20.5 km、口门宽约12.5 km、水深大部分小于5 m、水下地形向北倾斜，湾内大部分为浅滩地貌，唯海湾西端向西北方向有砂质双滩凸起，双滩之上有几个浅丘，如图1所示。

海口湾底质为东西向带状分布，西部海域2～5 m等深线范围内底质以细、粉砂为主，呈NW-SE向延伸;双滩以中砂为主，呈SE向湾内舌状分布;西部沿岸海滩以中砂为主;北部、东南海域以细、粉砂为主;同一海滩剖面在平均低潮位以上;从上部至下部由陆向海方向滩面物质的中值粒径增大，粗颗粒在激浪带的上部堆积。

海口湾的遮蔽段、过渡段主要为人工岸线，分布有美丽沙围垦区、海口新港、秀英港等，切线段长约8 km，沿岸均为砂质海滩。2013年完成的南海明珠人工岛一期工程地处海口湾西侧的双滩区域及附近海域，所在海域的水深大约为0.7～15 m、平均水深6.9 m。人工岛最终填海造地约2.6 km2， 分两期建设。

2.2   海口湾区域水动力基本特征

海口湾海域常年受E至NW方向波浪影响，以东北季风形成的波浪最为显著，即10月至翌年3月波浪作用最强。全年以风浪为主，风浪占76%～85%、涌浪占14%～23%、波向出现率最多的方向为NNE和NE，频率分别占40.4%和12.4%;年平均波高（H 1/10）为0.5 m、平均周期小于5 s。

海口湾秀英港潮汐系数F=3.92，属非正规日潮混合潮，平均潮差1.1 m、最大潮差3.6 m。历史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、极端高水位（50年一遇）为3.14 m、设计高水位为1.71 m。潮流为往复流形式，方向基本上呈W-E 向。潮流流速由湾顶向湾口逐渐变大，湾口最大涨潮流速可达1.5 m/s，湾顶最大涨潮流速可达0.5 m/s。

3   海口湾在“海鸥”强台风过程中的岸滩侵蚀与波浪场

3.1   海岸侵蚀现场踏勘与分析

“海鸥”强台风对海口湾和铺前湾造成了严重的破坏，它不仅摧毁护堤和护坡， 而且还强烈地冲刷岸滩沉积物， 使原有海滩剖面发生急剧变形：

（1）从图2  a）可以看出：在“海鸥”强台风过后，西海岸带状公园片区的自然沙滩出现侵蚀并形成了沙坝，其具有风暴剖面特征;沿岸沙坝形成于风暴期破波点附近，卷破波是形成沿岸沙坝的主要原因，卷破波的水舌向下冲击时形成一个深槽，在其向海一侧就形成了沿岸沙坝;

（2）从圖2  b）可以看出：“海鸥”强台风过后，观海台片区护岸前出现侵蚀，潮位创历史新高，建筑物前水深较大形成立波，冲刷坑逐步发展而不出现回淤现象，因为反射波形成的回流使床面泥沙向海输送，发生严重冲刷;

（3）从图2  c）、图2  d）可以看出：在“海鸥”强台风过后，东海岸鲁能开发片区的自然沙滩与护岸前沙滩受到显著侵蚀并形成沙坝。通过推土机把沙坝的沙推回到侵蚀的岸滩，说明了该岸滩变化为随台风大浪而作的短期的岸滩剖面演变，即风暴剖面是通过泥沙横向运动形成的。

3.2   强台风波浪特征

采用第三代海浪模式（swan）数值模拟“海鸥”强台风波浪过程。台风在琼州海峡东南向西北方向移动，由于工程海域距台风中心最近距离为4 km，风速、风向在时间上产生快速变化。人工岛外出现最大有效波高为4.0 m、周期为6.5 s，波高超过10年1遇。

3.3   强台风潮位特征

历史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、极端高水位（50年一遇）为3.14 m、设计高水位为1.71 m。根据文献[5]，“海鸥”强台风引起的风暴潮与天文大潮叠加，使潮位达到历史最高潮位：最大风暴增水为 2.09 m;天文大潮高潮位为 1.40 m;海口秀英港潮水位达到3.42 m，创历史新高。

4    岸滩剖面侵淤计算与成因分析

4.1   沿岸输沙量计算

沿岸输沙是波浪和波导沿岸流共同作用引起的纵向泥沙运动。在沙质海岸上，沿岸输沙主要发生在破波带内。沿岸输沙的机理是波浪掀沙、沿岸流输沙。

根据我国《海港水文规范》，沿岸输沙率按下式计算：

式中：k为常数;ab为破波角;Hb为破波波高;cb为破波波速;ab为破波角;D50为中值粒径。

把海口湾分成10个断面T0～T9，采用人工岛建成前后波浪场外海波要素和破碎波要素，分别计算沿岸输沙率，见表1和表2。表1、表2中，输沙率、输沙量、净沿岸输沙量向偏东向岸线为正，向偏西向岸线为负。

从表1、表2可以看出：各断面沿岸输沙量均在12000 m3之内;受人工岛对波浪影响，T3、T4、T5断面净沿岸输沙量明显减小，其它断面受影响较小。

4.2   岸滩变形计算

岸滩变形模型中采用比较简单而又成熟的一线模型，取x轴平行于岸线、y轴垂直于岸线、向海为正。岸线变形一线模型方程为：

式中：Q为岸滩输沙率，采用有限差分法数值求解。

人工岛建成前后大浪过程沿岸输沙岸线的变化量，见表3、表4。

从表3、表4可知：人工岛建成前后，9段岸滩淤积、冲刷量变化分别为-558 m3、-426 m3、5184 m3、-722 m3、-2070 m3、-123 1 m3、-84 m3、-45 m3、119 m3;岸线变化分别为-0.1 m、-0.1 m、-0.6 m、-0.1 m、-0.2 m、-0.1 m、0、0、0。

4.3   岸滩侵蚀分析

（1）岸滩变形是在台风大浪波动力和潮位暴涨的双重作用下造成的

“海鸥”强台风引起的风暴潮与天文大潮叠加，达到历史最高潮位，而波高也超过10年一遇，且最大波高和最高潮位出现时间几乎同步，反映了岸滩变形是在台风大浪波动力和潮位暴涨的双重作用下造成的。

（2）波浪沿岸输沙不是岸滩侵蚀的主要原因

根据上述计算结果，人工岛建成后9段岸段岸线进退量分别为-0.8 m、-0.1 m、-0.1 m、0.3 m、-0.2 m、0.1 m、0.0 m、0.0 m、0.7 m，表明波浪沿岸输沙不是此次海口湾岸滩侵蚀的主要原因。

（3）台风大浪的向岸-离岸方向泥沙搬运的横向运动是岸滩侵蚀的主要原因

“海鸥”强台风过后，在现场勘查发现海口湾岸各段具有风暴剖面特征，向岸-离岸方向泥沙搬运的横向运动是造成海滩剖面短期变化的主要因素。文献[8， 9]给出了9914号和8616号2个台风分别在厦门岛、广东水东湾侵蚀实例，海滩变形是在台风大浪波动力和潮位暴涨的双重作用下造成的。

（4）人工岛不是海口湾岸滩侵蚀的主要原因

人工岛对海口湾波浪具有消波作用，在人工岛波影区波浪显著减小，其它岸线波浪不变或略有减小。波浪沿岸输沙与岸滩变形计算表明，人工岛在波影区外岸滩引起的岸线后退在0.2 m之内。

海口东部岸滩鲁能开发区，该处附近没有人工岛，而在“海鸥”强台风作用下自然沙滩、护岸前沙滩侵蚀显著并形成沙坝，说明台风下自然沙滩、护岸前沙滩显著侵蚀与人工岛存在与否没有直接关系。

5    结语

本文通过对海南海口湾岸滩现场踏勘、实例比较和数值计算波浪动力场、沿岸输沙和岸滩演变，探讨了人工岛建成前后该处岸滩对“海鸥”强台风的响应特征。

研究结果表明：在2014年9月“海鸥”强台风过境期间，海口湾岸滩显著侵蚀发生在台风强浪过程、风暴潮和天文潮高潮叠加情况，波浪达到10年一遇，水位超过历史记录;海口湾岸各段显著侵蚀具有风暴剖面特征;向岸-离岸方向泥沙搬运是海口湾岸滩显著侵蚀的主要原因;人工岛对海口湾具有消波、减少岸滩侵蚀作用。

台风过程各断面沿岸输沙量均在12 000 m3之内，在受人工岛掩护影响的断面净沿岸输沙量明显减小，其它断面影响较小;人工岛建成后受掩护影响的岸滩减小岸线后退0.6 m，其它各段岸滩增加岸线后退在0.2 m之内;人工岛对海口湾岸滩显著侵蚀的影响是次要的。

台风波浪作用下岸滩演变过程是复杂的，向岸-离岸方向泥沙搬运的横向运动计算存在相当的困难，风暴剖面的计算尚有待于进一步研究，但该定性结论是合理、可靠的。

参考文献

[1]王文海，吴桑云，陈雪英.山东省9216号强热带气旋风暴期间的海岸     侵蚀灾害[J].海洋地质与第四纪地质，1994 （04）：71-78.

[2]田會波，印萍，阳凡林. 海南省万宁东部砂质海岸侵蚀特征分析[J]. 海      洋地质与第四纪地质， 2018 （04）： 44-55.

[3]邸有鹏，王全勇，孙乐川. 海南岛邦塘湾海岸侵蚀演变及原因分析[J].       工程与建设， 2019 （02）： 155-156+172.

[4]丁瑞，朱良生. 条件变化对海口湾风暴增水的影响分析——以海鸥台      风为例[J]. 海洋工程， 2018 （04）： 147-154.

[5]张博文，朱良生. “海鸥”台风作用下近海最大增水、波高分布特征      分析[J]. 广东造船， 2019 （02）： 46-50.

[6]龚昊，陈沈良，钟小菁， 等. 海南岛东北部海滩侵蚀与恢复对连续台     风的复杂响应[J]. 海洋学报， 2017 （05）： 68-77.

[7]陈则实，吴桑云，王文海. 中国海湾引论[M]. 北京： 海洋出版社， 2007.

[8]蔡锋，苏贤泽，杨顺良， 等. 厦门岛海滩剖面对9914号台风大浪波动     力的快速响应[J]. 海洋工程， 2002 （02）： 85-90.

[9]陈子燊，李志强，王扬圣. 台风作用下海滩剖面地形动力与侵蚀机制     分析[A]. In 第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会[C]， 中国江苏南     京， 2007; 6.