宋麗佳，孫林云，張繼生，王寧舸

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

0 引言

波浪是沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿l件，隨著波浪向近岸傳播變形，會(huì)驅(qū)動(dòng)泥沙形成向岸-離岸的橫向泥沙運(yùn)動(dòng)和沿岸輸沙。一般而言，橫向泥沙運(yùn)動(dòng)主要引起岸灘短期演變或稱(chēng)季節(jié)性變化，從較長(zhǎng)時(shí)間看對(duì)海岸線平均位置影響不大。沿岸輸沙是引起岸灘長(zhǎng)期演變的主要因素，表現(xiàn)為海岸線長(zhǎng)期前進(jìn)或后退，歷時(shí)可達(dá)數(shù)年、數(shù)十年乃至百年以上。不同海區(qū)的波浪特征存在一些差異，故其沙灘演變規(guī)律也會(huì)有所不同。對(duì)于岬灣型海岸，近岸波浪入射方向往往與岸線平行，沿岸輸沙相對(duì)較弱，岸灘演變多以橫向輸沙作用為主。對(duì)于相對(duì)平直沙灘，斜向波出現(xiàn)頻率較多，從而形成較明顯的沿岸輸沙，影響著岸灘長(zhǎng)期變化。

在海岸帶資源的開(kāi)發(fā)利用中，岸灘長(zhǎng)期演變趨勢(shì)是需要重點(diǎn)研究的科學(xué)問(wèn)題。海岸工程建設(shè)通常會(huì)破壞沙質(zhì)海岸-本的沿岸輸沙平衡狀態(tài)，長(zhǎng)期作用下會(huì)造成上下游岸灘較大沖淤變化，甚至影響海岸工程自身的安全和正常使用。近年來(lái)，海岸防護(hù)、人工育灘等岸灘修復(fù)研究和工程應(yīng)用逐漸興起，修復(fù)手段的確定也與岸灘長(zhǎng)期演變密切相關(guān)。因此，研究沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變基本規(guī)律既是對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)理論現(xiàn)有成果的進(jìn)一步豐富和發(fā)展，也是指導(dǎo)沙質(zhì)海岸工程建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用需要。

本文分別從沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)、岸線演變和岸灘演變3個(gè)方面，對(duì)沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變基本規(guī)律研究作簡(jiǎn)要的綜述，對(duì)未來(lái)可繼續(xù)深化研究的一些方面作出展望。

1 沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)

沙質(zhì)海岸沿岸輸沙的作用機(jī)理可簡(jiǎn)述為“波浪掀沙、沿岸流輸沙”。準(zhǔn)確判斷破波帶沿岸輸沙率是預(yù)測(cè)不同風(fēng)浪天氣或海岸工程環(huán)境下岸灘沖淤變化的先決條件之一。

目前，獲取某海岸沿岸輸沙率的方法通常有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和計(jì)算公式兩種?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查手段包括水深地形法、人工輸沙法、示蹤沙測(cè)定法、水文斷面法和推移質(zhì)取樣法等[1]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是開(kāi)展沿岸輸沙研究的重要基礎(chǔ)，但其往往存在一些客觀要求和局限。在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多樣復(fù)雜，沿岸輸沙率計(jì)算公式能夠更快速有效地預(yù)測(cè)研究區(qū)域沿岸輸沙能力，因而得到重視和較快發(fā)展。下文重點(diǎn)對(duì)基于波能流法和沿岸流法的沿岸輸沙率計(jì)算公式進(jìn)行介紹。

1.1 波能流法

20世紀(jì)30年代丹麥工程師Munch-Peterson指出，可以通過(guò)測(cè)定單位波峰線長(zhǎng)度上波能流的沿岸分量近似預(yù)報(bào)沿岸輸沙率的方向和總量[2]，從而最早將沿岸輸沙與波能建立聯(lián)系。波能流法沿岸輸沙率公式起初是純經(jīng)驗(yàn)公式，將體積輸沙率與波能流沿岸分量建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系但該關(guān)系在量綱上并不和諧，造成物理意義不明確。Inmam和Bagnold[3]建議用浮容重輸沙率代替體積輸沙率，從而使公式量綱達(dá)到一致。1970年，Komar和Inman[4]進(jìn)一步建立了浮容重沿岸輸沙率與波能流的關(guān)系式，從理論上證明了以往純經(jīng)驗(yàn)公式的合理性，使波能流法有了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。該公式即著名的CERC公式（式（1））。

式中：Il為浮容重沿岸輸沙率；K為綜合系數(shù)；（Ecn）b為破波波能流；琢b為破波角。

CERC公式將沿岸輸沙率與波能流之間通過(guò)綜合系數(shù)K建立關(guān)系，Komar和Inman[4]最初確立該公式時(shí)采用的K值為0.77，之后通過(guò)不斷擴(kuò)充可靠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，將K值減小到0.57。許多學(xué)者在應(yīng)用CERC公式時(shí)，依據(jù)自身獲取的數(shù)據(jù)資料也對(duì)K值進(jìn)行了修正，各家取值差異較大，取值范圍在0.05~0.92[5]。由于CERC公式僅明確了沿岸輸沙率與波浪動(dòng)力之間的關(guān)系，還未反映出泥沙粒徑、岸灘坡度等多種海岸環(huán)境因素的影響，因此K值不是一個(gè)簡(jiǎn)單的定常值。

針對(duì)CERC公式廣泛適用性的問(wèn)題，許多學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了深入研究。代表性的如：Bailard等[6]認(rèn)為K值與破波角、波浪臨底流速和泥沙沉速有關(guān)，并建立了關(guān)系式；趙今聲[7]將K值考慮為深水波陡和泥沙粒徑的綜合系數(shù)，根據(jù)波能流理論建立了沿岸輸沙率計(jì)算公式，該公式收錄在我國(guó)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》；孫林云[1]將K值與波浪上爬帶、破波類(lèi)型和泥沙粒徑建立了關(guān)系，該公式先后以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)-型沙和試驗(yàn)室模型沙不同量級(jí)沿岸輸沙率的統(tǒng)一形式[8]。

波能流法沿岸輸沙率計(jì)算公式的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并有較多的現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)室資料作為支撐，可信度相對(duì)較高，目前應(yīng)用已較普遍。

1.2 沿岸流法

沿岸流法是基于“波浪掀沙、沿岸流輸沙”基本-理，將破波波能一部分視作轉(zhuǎn)化為沿岸流，另一部分起掀沙作用。該方法應(yīng)用沿岸流流速和波流共同作用下輸沙率公式，推導(dǎo)出沿岸輸沙率計(jì)算公式。

Bijker公式[9]是沿岸流法的代表公式之一，該公式基于Kalinske-Frijlink單向水流輸沙率公式，將水流作用下床面剪切應(yīng)力替換為波流共同作用形式，推導(dǎo)得到推移質(zhì)單寬沿岸輸沙率計(jì)算公式，懸移質(zhì)單寬沿岸輸沙率則根據(jù)Einstein懸沙輸運(yùn)理論計(jì)算確定。

繼Bijker之后，一些學(xué)者也作了進(jìn)一步的發(fā)展。如王尚毅等[10]在Bijker公式的基礎(chǔ)上，采用了Nielson和Green建議的床面糙度公式，重新構(gòu)建了波流共同作用下床面剪切應(yīng)力與床面摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，并引入了“床面層”概念以及床面判別方法，該公式也收錄在我國(guó)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》；Van Rijn[11]從受力分析角度，將推移質(zhì)輸沙率表達(dá)為近底含沙水層的輸移，將懸移質(zhì)含沙量描述為分層懸沙通量沿水深的積分。

上述公式所反映的泥沙運(yùn)動(dòng)物理過(guò)程細(xì)節(jié)較豐富，但公式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于直接應(yīng)用，在普及上以數(shù)值模擬居多。還有一些計(jì)算公式也基于沿岸流法，從抓主要矛盾入手，弱化過(guò)于細(xì)節(jié)的部分，公式相對(duì)簡(jiǎn)單、清晰，便于直接使用。如劉家駒公式[12]從破波帶斷面平均的角度出發(fā)，將沿岸輸沙率表達(dá)為沿岸流平均流速、破波帶平均含沙量、破波帶平均水深和破波帶寬度的乘積，通過(guò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，公式具有與波能流法相近的結(jié)構(gòu)形式。

總體上，沿岸流法沿岸輸沙率計(jì)算公式雖有一定理論基礎(chǔ)，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，應(yīng)用上不如波能流法普遍。

2 岸線演變

2.1 Bruun法則

為預(yù)測(cè)海平面上升對(duì)沙質(zhì)海岸岸線侵蝕速率的影響，Bruun[13]最早提出了一種概念模型，后被命名為“Bruun法則”。該法則基本-理是：假設(shè)海平面上升過(guò)程中，岸灘平衡剖面維持-有形態(tài)向岸和向上移動(dòng)，岸線發(fā)生侵蝕后，侵蝕物堆積在濱外淺水區(qū)，侵蝕量與堆積量保持相近，淺水區(qū)堆積與海平面上升速率保持一致。

從宏觀和定性角度看，Bruun法則可適用于快速分析全球性、區(qū)域性等較大空間尺度的沙質(zhì)海岸岸線侵蝕問(wèn)題，能夠?yàn)檎c國(guó)際組織規(guī)劃決策提供一些依據(jù)。然而，該法則基于一些比較嚴(yán)格的假定條件，針對(duì)的海岸帶類(lèi)型比較局限，在具體工程應(yīng)用方面有明顯不足。

2.2 工程案例研究

沿岸輸沙動(dòng)態(tài)平衡的沙質(zhì)海岸基本表現(xiàn)為岸線長(zhǎng)期穩(wěn)定，近岸沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)及其影響不易被察覺(jué)。在此類(lèi)海岸修建突堤、離岸堤和丁壩等建筑物時(shí)，往往會(huì)改變-有的輸沙平衡狀態(tài)，導(dǎo)致建筑物上下游岸線長(zhǎng)期變形。一般而言，建筑物上游攔沙，造成上游岸線向海淤積前進(jìn)。下游因供沙不足而就地補(bǔ)充沙源，導(dǎo)致下游岸線向岸沖刷后退，這是海岸工程建筑物引起沙質(zhì)海岸上下游岸線長(zhǎng)期變形的基本特征。典型工程案例如印度馬德拉斯港和毛里塔尼亞友誼港。

1）印度馬德拉斯港

馬德拉斯港位于印度半島東海岸上一處動(dòng)態(tài)平衡的平直岸段，凈沿岸輸沙方向自南向北，凈輸沙率約54萬(wàn)m3/a。

港口于1875年和1879年先后建設(shè)了北突堤和南突堤，在南突堤施工期間，其南側(cè)隨即發(fā)生了快速淤積，1877—1910年33年間岸線前進(jìn)了約700 m，并且沿岸輸沙逐步繞過(guò)突堤進(jìn)入港內(nèi)，導(dǎo)致航道不得不關(guān)閉，在朝北方向開(kāi)挖了新航道。北突堤北側(cè)因供沙不足而沖刷后退，岸線侵蝕段長(zhǎng)達(dá)5 km以上。為了防止岸線進(jìn)一步被沖刷，北側(cè)修建了護(hù)岸工程。隨著時(shí)間的推移，沿岸輸沙對(duì)港口南北側(cè)沖淤影響不斷加大，為此最終采用了旁通輸沙方法，通過(guò)吸泥泵將南側(cè)淤積泥沙輸送至北側(cè)沖刷區(qū)域，以人工方式恢復(fù)海岸的沿岸輸沙平衡狀態(tài)，達(dá)到了一勞永逸的效果。

2）毛里塔尼亞友誼港

毛里塔尼亞友誼港是我國(guó).非第二大工程項(xiàng)目，該港口位于首都努瓦克肖特市沿海一處動(dòng)態(tài)平衡的平直岸段，近岸沿岸輸沙方向?yàn)樽员毕蚰?，輸沙率約100萬(wàn)m3/a，屬于典型的強(qiáng)輸沙海岸。

友誼港于1986年竣工投產(chǎn)，其平面布置呈單突堤-島堤式，工程離岸方向投影約1 300 m。斜坡式擋沙堤建設(shè)后，近岸淤積由堤根逐步向上游發(fā)展，最大淤積位于堤身軸線上，再向上游方向淤積逐步減小，形成淤積三角體（圖1）。初期岸線淤積前進(jìn)幅度較大，隨著時(shí)間的推移，北側(cè)淤積庫(kù)容逐步減小，岸線前進(jìn)速率逐步減緩，淤積影響范圍則有所擴(kuò)大。擋沙堤工程建設(shè)保證了上游30 a的納沙庫(kù)容。

圖1 友誼港擋沙堤上游岸線淤積Fig.1 Upstream coastline siltation of Friendship Port

港口工程南側(cè)因來(lái)沙中斷而發(fā)生岸線沖刷后退，為保證南側(cè)陸域沖刷防護(hù)需要，1991年和2012年先后在南側(cè)670 m和2 670 m建設(shè)了南挑丁壩和T形丁壩。根據(jù)波浪動(dòng)力與岸線侵蝕后退速率的差異，擋沙堤下游可劃分為“掩護(hù)區(qū)”、“過(guò)渡區(qū)”和“開(kāi)敞區(qū)”3個(gè)區(qū)域[14]，見(jiàn)圖2，其中“過(guò)渡區(qū)”大致位于經(jīng)防波堤繞射后波向與岸線的交匯區(qū)域，該區(qū)域沿岸輸沙率梯度達(dá)到最大，最大沖刷點(diǎn)發(fā)生于此。與上游岸線年際變化相似，初期下游沖刷較快，隨著時(shí)間的推移逐步減緩。

圖2 友誼港下游海岸侵蝕分區(qū)示意Fig.2 Coastal erosion zones in the downstream of Friendship Port

2.3 一線理論

20世紀(jì)50年代，法國(guó)學(xué)者Pelnard-Considere[15]首先提出了“一線理論”，可用來(lái)計(jì)算波浪作用下平直沙質(zhì)海岸的岸線變化。該理論假定，岸灘在長(zhǎng)期演變過(guò)程中其剖面形態(tài)基本保持不變，即不考慮橫向泥沙運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為沿岸輸沙是控制岸線長(zhǎng)期演變的關(guān)鍵，岸灘整體平行淤積前進(jìn)或沖刷后退，故岸灘沖淤變化可用岸線進(jìn)退變化來(lái)近似表示。一線理論采用泥沙運(yùn)動(dòng)連續(xù)方程來(lái)描述岸灘演變 （式（2））：

式中：x為沿岸方向坐標(biāo)；y為岸線距離x軸的位置；Q為沿岸輸沙率；t為岸灘演變時(shí)間；d為岸灘變形高度。

因該理論高效簡(jiǎn)潔的表達(dá)方式，而得到廣泛應(yīng)用，成為計(jì)算岸線演變的有效手段之一?；谝痪€理論的岸線演變計(jì)算方法一般分為解析解法和數(shù)值模擬法。

1）解析解

解析解一般假定岸線淤積角（新岸線與初始岸線之間的夾角）較小，防波擋沙堤對(duì)上游沿岸輸沙為完全攔截，并且擋沙堤結(jié)構(gòu)形式為斜波堤，忽略堤身對(duì)波浪反射的作用[16]。在上述假定下，解析解的最終結(jié)構(gòu)形式主要與所采用的沿岸輸沙率公式有關(guān)。Pelnard-Considere[15]在求解析解時(shí)，曾假定沿岸輸沙率與深水波向角成線性關(guān)系。林柏維等[17]將沿岸輸沙率與入射角的關(guān)系進(jìn)一步作了調(diào)整。孫林云等[16]基于其沿岸輸沙率公式[1]推導(dǎo)了一線理論解析解。

各家推算結(jié)果表明，不論采用哪種輸沙率計(jì)算公式，入射波向角均是其中的關(guān)鍵參數(shù)。以往許多學(xué)者曾建議采用深水波向角或初始時(shí)刻破波波向角作為入射波向角。林柏維和孫林云等通過(guò)分析研究，均認(rèn)為應(yīng)選擇泥沙淤積深度起算點(diǎn)處的波向角，該角度位于深水波和破碎波之間[16-17]。由于實(shí)際海岸環(huán)境中波浪方向往往分布較廣，采用能夠反映波浪年均情況的代表波是一種有效的方法。林柏維等[17]以友誼港為例，提出采用年頻率加權(quán)平均的波向角作為平均淤積角。孫林云等[16]則從沿岸波能流合成出發(fā)，采用能量加權(quán)平均方法計(jì)算代表波向角，在-理上與波能流法沿岸輸沙率計(jì)算保持一致，預(yù)測(cè)得到的友誼港上游多年岸線變化與實(shí)測(cè)吻合良好。孫林云等[16]推導(dǎo)的一線理論解析解及相關(guān)參數(shù)確定方法已被收錄在我國(guó)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》，作為沙質(zhì)海岸突堤式建筑物上游岸線演變預(yù)報(bào)的計(jì)算方法進(jìn)行推薦。

一線理論解析解具有公式簡(jiǎn)潔、計(jì)算方便的突出優(yōu)勢(shì)，在具有足夠現(xiàn)場(chǎng)資料的情況下，計(jì)算參數(shù)經(jīng)合理確定后，可以獲得較好的預(yù)報(bào)成果。由于基本假定的限制，解析解對(duì)入射波向角較大、擋沙堤堤頭繞沙、下游岸線變化等方面的求解仍存在許多局限。

2）數(shù)值模擬

為彌補(bǔ)解析解在計(jì)算岸線變形方面的一些不足，基于一線理論的岸線演變數(shù)值模擬手段得到較快發(fā)展。

自20世紀(jì)70—80年代，隨著我國(guó)對(duì)毛里塔尼亞友誼港的.建，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量岸線模型開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究工作，以盡可能突破解析解基本假定、真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)水沙物理過(guò)程。如徐嘯[18]考慮了擋沙堤完全攔沙和部分?jǐn)r沙對(duì)岸線形態(tài)的影響。孫林云等[19]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析，指出擋沙堤上游“淤積型岸灘”坡度變陡，下游“侵蝕型岸灘”坡度趨緩，在岸線變形連續(xù)方程中引入了岸灘剖面形態(tài)因子琢，構(gòu)建了一線理論的改進(jìn)形式（式（3）），對(duì)解析解“岸灘剖面形態(tài)不變”假定進(jìn)行了修正與突破，此外還針對(duì)下游岸灘沖刷考慮了波浪折射、繞射、反射聯(lián)合分布，提高了波浪計(jì)算精度。張長(zhǎng)寬等[20]突破了以往研究采用單一代表波的束縛，提出了基于長(zhǎng)時(shí)段波浪序列的岸線變形模型。

國(guó)外學(xué)者在岸線模型開(kāi)發(fā)方面也有豐富成果，目前已形成許多軟件系統(tǒng)，因其比較強(qiáng)大的模擬能力和友好的用戶(hù)界面而被廣泛使用。當(dāng)前最常用的、開(kāi)發(fā)已較成熟的岸線模型系統(tǒng)主要包括GENESIS、LITPACK和UNIBEST等。GENESIS采用CERC公式改進(jìn)形式計(jì)算沿岸輸沙率，在岸線變形連續(xù)方程中加入了源匯項(xiàng)，用以模擬諸如風(fēng)吹沙、河口來(lái)沙、沙丘侵蝕等其他泥沙運(yùn)動(dòng)影響。LITPACK由丹麥水工研究所DHI設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，可計(jì)算波流共同作用下非黏性沙輸沙率、近岸漂流、海岸線變化以及岸灘剖面變化。UNIBEST由荷蘭Delft水力研究所開(kāi)發(fā)，輸沙率計(jì)算提供了多種公式選擇。

基于一線理論的岸線演變數(shù)學(xué)模型彌補(bǔ)了解析解的一些不足，但岸線模型對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)和水下地形演變的處理過(guò)于概化，無(wú)法解決諸如堤頭繞沙及其對(duì)港池航道回淤影響、下游反向輸沙影響等細(xì)節(jié)問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中可以基本滿(mǎn)足工程規(guī)劃的要求，在涉及水下泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究或服務(wù)于工程詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)存在明顯局限。

3 岸灘演變

3.1 工程案例研究

沙質(zhì)海岸岸灘演變不僅是岸線進(jìn)退變化，還包括水下地形等深線的變化。我國(guó).建友誼港時(shí)積累了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，在此主要以友誼港為案例，通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析，介紹沙質(zhì)海岸港口工程建設(shè)后上下游岸灘演變的一些基本規(guī)律。

1）岸灘變形高度

如圖3所示，岸灘變形高度d憶為泥沙運(yùn)動(dòng)上界高度駐和下界水深d之和。

圖3 岸灘剖面變形高度示意圖Fig.3 The deformation height of the beach profile

我國(guó)科研人員通過(guò)友誼港海岸實(shí)測(cè)地形、底質(zhì)采樣和理論分析，研究了沙質(zhì)海岸岸灘變形高度的確定方法[16]。上界高度可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)淤積高程和高潮期間波浪爬高進(jìn)行綜合判斷。孫林云[1]在研究沿岸輸沙率公式時(shí)，考慮了波浪上爬帶對(duì)沿岸輸沙的貢獻(xiàn)，這在-理上與上界高度概念是相似的。下界水深可通過(guò)實(shí)測(cè)地形、底質(zhì)取樣和泥沙起動(dòng)公式進(jìn)行綜合判斷。以友誼港海岸為例，水下地形分析表明，岸灘在-8 m以淺范圍坡度較陡，-8 m以深坡度明顯趨緩，這是波浪對(duì)不同水深海床影響的結(jié)果。底質(zhì)取樣結(jié)果顯示，-8 m以深海床大都由貝殼礫巖構(gòu)成，泥質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭，泥沙一般不易起動(dòng)。通過(guò)劉家駒波浪作用下泥沙起動(dòng)公式計(jì)算，得到友誼港海域泥沙起動(dòng)水深大致在-8.5 m。最終綜合確定下界水深約-8 m。

2）岸灘剖面變化

在沿岸輸沙平衡的自然海岸，岸灘剖面多年大致保持穩(wěn)定，剖面形態(tài)一般具有明顯的沙壩-深槽。當(dāng)海岸工程建設(shè)后，沿岸輸沙和橫向輸沙對(duì)岸灘剖面的影響程度會(huì)有所調(diào)整，剖面往往發(fā)生累積性沖淤變形。

友誼港上下游實(shí)測(cè)地形對(duì)比結(jié)果表明[1，16]，因沿岸輸沙主要發(fā)生在淺水破波區(qū)，防波擋沙堤工程建設(shè)后，上游源源不斷的沿岸輸沙在近岸淤積，橫向泥沙運(yùn)動(dòng)來(lái)不及調(diào)整，導(dǎo)致上游淤積剖面坡度變陡，并且距離堤身越近，近岸淤積越大，岸灘剖面坡度也越大。下游則以近岸沖刷居多，侵蝕剖面呈坡度趨緩的現(xiàn)象，并且離最大沖刷區(qū)愈近，剖面變緩程度愈大。此外，淤積型和侵蝕型岸灘剖面均無(wú)明顯沙壩-深槽特征。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)海岸工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，也涌現(xiàn)出了一些成果。突出成果如唐山市京唐港海域[21]，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，該海域?qū)儆诩?xì)沙粉沙質(zhì)海岸，具有沙質(zhì)海岸沿岸輸沙的泥沙運(yùn)動(dòng)特征，尤其在風(fēng)暴潮期間易形成強(qiáng)輸沙，對(duì)航道淤積影響較大。

3.2 數(shù)值模擬

近數(shù)十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，基于水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)物理過(guò)程的泥沙輸運(yùn)及地貌更新數(shù)值模擬手段得到快速發(fā)展。該手段彌補(bǔ)了一線理論的一些不足，模擬的泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加全面。但仍需要耗費(fèi)相對(duì)較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。以下主要針對(duì)平面二維模型和三維模型的沙質(zhì)海岸岸灘演變研究成果進(jìn)行介紹。

1）平面二維模型

對(duì)較大范圍海域的水動(dòng)力與泥沙數(shù)值模擬，其水平尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度，可將復(fù)雜的三維問(wèn)題沿水深平均得到平面二維淺水方程組，在經(jīng)過(guò)良好驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化對(duì)問(wèn)題的研究。

由于平面二維數(shù)值模擬基于水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)物理過(guò)程，其計(jì)算耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，許多學(xué)者多從水沙變化或岸灘短期演變角度探討泥沙沖淤的一些基本規(guī)律。如張海文等[22]以毛里塔尼亞友誼港北側(cè)沉船附近的岸灘演變?yōu)槔?，考慮了波浪及波生流的計(jì)算方法，對(duì)友誼港北側(cè)沉船附近海岸岸灘演變進(jìn)行了60 d的數(shù)值模擬，得到了沉船后連島沙壩的形成趨勢(shì)。Tang等[23]在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究了離岸堤與直形丁壩對(duì)岸灘沖淤的影響，給出了波生流及短歷時(shí)泥沙沖淤分布特征，揭示了一些客觀規(guī)律。因部分研究或工程設(shè)計(jì)的需要，也有一些基于過(guò)程的沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變模擬的相關(guān)成果。如Stive等[24]介紹了人工養(yǎng)灘新方式“補(bǔ)沙引擎”，預(yù)測(cè)了沙源投放后20 a的岸灘演變過(guò)程。Kaji等[25]進(jìn)一步研究了波浪、潮流、風(fēng)和風(fēng)暴潮增水對(duì)補(bǔ)沙引擎供沙能力的貢獻(xiàn)。

2）三維模型

與平面二維模型相比，三維模型能夠反映垂向水流結(jié)構(gòu)，可以模擬沙質(zhì)海岸海底回流及其對(duì)輸沙的影響。由于三維模型計(jì)算效率更低，對(duì)其使用多側(cè)重于研究，在解決具體工程應(yīng)用問(wèn)題時(shí)仍受到較大制約。

Lesser等[26]采用DELFT3D軟件建立了非黏性沙泥沙輸運(yùn)及岸灘演變?nèi)S數(shù)學(xué)模型，指出垂向各分層水流的差異性對(duì)泥沙沖淤分布存在一些影響，與平面二維模擬結(jié)果相比趨勢(shì)相近，沖淤量值稍有不同。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[27]在其海岸工程課程教學(xué)當(dāng)中，介紹了直形丁壩和T形丁壩布置下岸灘演變的一些模擬方法，指出三維模型能更好地模擬“沙壩-深槽”岸灘剖面形態(tài)。另外，因二維模型無(wú)法模擬海底回流，相同波能情況下，其模擬得到的沿岸流流速相對(duì)較大，三維模型相對(duì)較小。

總體看來(lái)，基于過(guò)程的沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變模擬成果較少，并且研究對(duì)象多集中在離岸堤布置下的岸灘沖淤變化，研究范圍仍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.3 物理模型試驗(yàn)

與數(shù)值模擬手段相比，物理模型試驗(yàn)具有直觀性好的特點(diǎn)。此外，物理模型憑借其自適應(yīng)特點(diǎn)可以彌補(bǔ)數(shù)學(xué)模型的一些不足，更好地反映諸如波流耦合、波浪與建筑物相互作用等一些物理現(xiàn)象，是模擬沙質(zhì)海岸岸灘演變的重要手段。

當(dāng)前，沙質(zhì)海岸岸灘演變物理模型試驗(yàn)研究成果較多集中在離岸堤及堤后連島沙壩的研究，港口工程建設(shè)后大范圍岸灘沖淤變化及港池航道回淤研究成果尚不多見(jiàn)，這一方面可能與試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地要求較高有關(guān)，另一方面可能由于試驗(yàn)對(duì)模型沙選取、沙源供給方式、試驗(yàn)波要素選取等有較高的要求，而解決這些問(wèn)題往往需要基于對(duì)沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)和一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

20世紀(jì)70—80年代，為服務(wù)于友誼港建設(shè)，南京水利科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“南科院”）多次開(kāi)展了港口工程上下游岸灘長(zhǎng)期演變物理模型試驗(yàn)研究，積累了豐富的研究成果和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。自1976年以來(lái)，南科院在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了波浪作用下沙質(zhì)海岸動(dòng)床泥沙物理模型試驗(yàn)，先后進(jìn)行了突堤式建筑物上游岸灘淤積與工程建設(shè)時(shí)序試驗(yàn)[28-29]、下游岸灘沖刷與防護(hù)試驗(yàn)[30]、上下游岸灘沖淤演變與泥沙綜合治理整體試驗(yàn)[1]，為港口工程建設(shè)提供了技術(shù)支撐。在各個(gè)試驗(yàn)階段過(guò)程中，試驗(yàn)方法和模擬技術(shù)得到逐步完善。根據(jù)波能流法沿岸輸沙機(jī)理，首次提出采用波能頻率加權(quán)平均的代表波統(tǒng)計(jì)方法來(lái)解決試驗(yàn)中的波要素選擇問(wèn)題。經(jīng)過(guò)比選，確定采用輕質(zhì)沙作為模型沙能夠達(dá)到模擬沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的目的。這兩個(gè)模擬技術(shù)現(xiàn)已分別納入我國(guó)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》和JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以推薦。隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，還實(shí)現(xiàn)了計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)-型沙和試驗(yàn)室模型沙不同量級(jí)沿岸輸沙率的統(tǒng)一形式[1]，彌補(bǔ)了CERC公式僅適用于現(xiàn)場(chǎng)-型的局限，進(jìn)一步發(fā)展了波浪作用下沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)相似理論。在岸灘演變基本規(guī)律方面，物模試驗(yàn)揭示了岸灘沖淤剖面坡度變化、離岸島堤碼頭波影區(qū)淤積沙咀形成過(guò)程等現(xiàn)象，具體內(nèi)容前已述及，這里不再贅述。

因物理模型的試驗(yàn)成本及對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地要求較高，目前泥沙物模的使用頻率有所下降，但它能夠較好地實(shí)現(xiàn)沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變模擬，在服務(wù)于實(shí)際工程應(yīng)用方面仍具優(yōu)勢(shì)。

4 展望

通過(guò)上述研究的回顧，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前針對(duì)沙質(zhì)海岸岸灘演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)尚不充分，模擬技術(shù)手段仍有進(jìn)一步發(fā)展的余地。在此作出幾點(diǎn)展望：

1）進(jìn)一步深化沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論研究，如沿岸懸沙和底沙運(yùn)動(dòng)的斷面分布規(guī)律。

2）進(jìn)一步深化沙質(zhì)海岸岸灘長(zhǎng)期演變基本規(guī)律及海岸工程沖淤防護(hù)等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。如防波堤、離岸堤等海岸工程建設(shè)后，上下游快速?zèng)_淤變化規(guī)律及其對(duì)工程安全的影響，研究保障工程安全的沖淤防護(hù)措施。

3）進(jìn)一步提升沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動(dòng)與岸灘演變模擬技術(shù)。如針對(duì)基于過(guò)程的泥沙沖淤數(shù)值模擬，加強(qiáng)對(duì)地貌加速因子、模型計(jì)算范圍、邊界條件組合、泥沙擴(kuò)散系數(shù)等計(jì)算要素的敏感性分析；針對(duì)動(dòng)床泥沙物理模型試驗(yàn)，探討規(guī)則波與不規(guī)則波作用對(duì)模擬效果差異。