陸聰，王寧舸，孫林云*，張繼生

（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

0 引言

根據(jù)沿岸輸沙沿程變化，將沙質(zhì)海岸分為平衡沿岸輸沙海岸和不平衡沿岸輸沙海岸。前者沿岸輸沙大小沿程變化不大，岸灘演變受泥沙的“離岸—向岸”運動的影響，表現(xiàn)為岸灘剖面形態(tài)的季節(jié)性變化。后者除橫向輸沙影響外，在海岸工程建設(shè)或外部沙源供給變化等因素的影響下，沿岸輸沙發(fā)生沿程變化，岸灘會發(fā)生累積性的沖淤變化，首先表現(xiàn)為岸線長期性的進退，其次受縱向沿岸輸沙和橫向輸沙的綜合作用，岸灘剖面形態(tài)也同步調(diào)整。

物理模型試驗是探究沙質(zhì)岸灘演變的重要手段，傳統(tǒng)用于研究沙質(zhì)海岸岸灘演變的物理模型主要以二維波浪水槽試驗為主，探究泥沙在“向岸—離岸”方向上的運動規(guī)律[1-3]，研究季節(jié)性的岸灘剖面演變趨勢[4-5]和沙壩運動規(guī)律[6]，因此一般適用于平衡沿岸輸沙海岸的岸灘演變研究，不能反映沿岸輸沙的影響。三維模型試驗對比二維模型試驗不僅能模擬泥沙橫向輸移，也能模擬沿岸流對泥沙的驅(qū)動作用。上世紀70 年代以來，南京水利科學研究院針對友誼港上游岸灘淤積、下游沖刷與防護等重點問題開展了一系列三維物理模型試驗研究，揭示了岸灘沖淤坡度變化等現(xiàn)象[7]。Bruno 等[8]開展了裂流作用下的三維岸灘演變試驗，探究了岸灘形態(tài)對裂流特性響應(yīng)規(guī)律，但其試驗波浪只有正向入射工況；Ramy 等[9]開展了近岸沙丘系統(tǒng)地貌形態(tài)對風暴條件下斜向波作用的響應(yīng)研究，探究了短期風暴過程中沿岸輸沙和岸灘演變規(guī)律。

本文以毛里塔尼亞某沙質(zhì)海岸為原型開展三維波浪泥沙物理模型試驗，研究沙質(zhì)海岸在長時間序列斜向規(guī)則波作用時不同沿岸輸沙狀態(tài)下的岸灘演變規(guī)律。

1 研究區(qū)域概況

本試驗研究區(qū)域是位于毛里塔尼亞友誼港以南175 km 的沙質(zhì)海岸，岸線大致呈 12°N～192°N走向，岸線長約10 km，研究區(qū)域的地理位置如圖1 所示。海岸面向開敞大西洋，沿岸波浪強、潮流弱，泥沙運動以波浪作用下的沿岸輸沙為主要特征。

圖1 研究區(qū)域位置——毛里塔尼亞某沙灘Fig.1 Location of study area-A beach in Mauritania

研究海域常浪向為NW 和WNW 向，強浪向為WNW 和W 向。近岸代表波向與岸線法線夾角19°，代表波高1.99 m，代表波周期10.88 s。近岸潮流較弱，不是近岸泥沙運動的主要動力。近岸坡度較陡，平均坡度約1/54，離岸坡度較緩，近岸和離岸泥沙平均中值粒徑分別為0.23 mm、0.1 mm。近岸泥沙運動形式以沿岸懸移質(zhì)輸運為主，凈輸沙方向由北至南，年均沿岸輸沙率約100×104m3。

2 模型概述

2.1 模型設(shè)計與布置

本試驗在南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室的波浪港池中進行。港池長寬為45 m×35 m，港池兩側(cè)及造波機后方布置了消能設(shè)施，可以有效地耗散波能，減少進入模型區(qū)域的反射波。造波系統(tǒng)采用搖板式造波機，長約40 m。

根據(jù)試驗場地大小和研究區(qū)域范圍，選取模型平面比尺λl=250，出于試驗效率的考慮，模型變率取2，垂直比尺λh=125，模型波高、波長比尺λH、λL均與垂直比尺相等，以滿足波浪運動相似。按以往模型試驗經(jīng)驗，選擇密度ρs= 1 270～1 400 kg/m3、干密度為870 kg/m3的輕質(zhì)煤粉作為模型沙。根據(jù)波浪作用下的泥沙沉降比尺：λω=和泥沙起動比尺計算得泥沙粒徑比尺在0.58～0.82 之間，原型岸灘泥沙中值粒徑約為0.23 mm，綜合分析選擇泥沙比尺為0.58，模型沙中值粒徑約為0.4 mm。

為模擬斜向波作用下的岸灘演變過程，模型岸線走向與造波板夾角布置成約19°。研究區(qū)域的海岸泥沙運動和岸灘演變主要限于天然水深為-12 m 以淺區(qū)域，因此本物理模型采用局部動床處理方法，經(jīng)模型垂直比尺換算后以-9.6 cm等深線為界，-9.6 cm 以深為定床，-9.6 cm 以淺為動床，模型動床范圍在沿岸方向長約39 m，離岸方向?qū)捈s5 m。模型地形采用2016 年研究海域1 ∶1 000 實測地形來制作模型地形，初始岸灘坡度在 1/30～1/25 左右。

模型上游不設(shè)置加沙系統(tǒng)，通過保留足夠長岸線，利用波浪對上游岸灘沖刷，使沿岸輸沙逐漸發(fā)育至平衡輸沙狀態(tài)。通過這種方式，達到模擬不同沿岸輸沙狀態(tài)下岸灘演變過程的目的。在模型動床下游邊界設(shè)置集沙池以收集沿岸輸移的泥沙。

本試驗不考慮潮汐、潮流運動，在固定水位+1.6 m 位置進行模擬試驗。水位通過潛水泵調(diào)節(jié)、自記式水位儀測量進行控制。模型中沿岸選取了5 條斷面，共布置16 臺波高儀，用以試驗過程中波浪率定。動床區(qū)域建立局部坐標系，x 表示離岸方向坐標，x=0 m 處為測量基準線，大致與岸線方向平行；y 表示沿岸方向坐標，y=0 m 處位于模型動床中間部位。模型布置見圖2。

圖2 物理模型試驗布置圖Fig.2 Experimental layout of the physical model

2.2 試驗內(nèi)容

本模型的試驗主要內(nèi)容是利用規(guī)則波對岸灘持續(xù)作用，研究斜向入射波作用下不同沿岸輸沙狀態(tài)下沙質(zhì)岸灘較長時間序列的演變規(guī)律和沿岸輸沙橫向分布規(guī)律。當原型海岸波高在2～2.4 m時，泥沙起動水深在-10～-12 m 處，經(jīng)比尺換算，模型波高1.6～1.92 cm，經(jīng)過劉家駒波浪下泥沙起動公式（1）校驗，該波高范圍滿足模型沙起動相似。且以往試驗結(jié)果表明，在采用類似模型沙的條件下，模型波高小于2 cm 的試驗結(jié)果也有代表性[10]?；诖耍Ｐ鸵?guī)則波波要素選取為平均波高周期T=0.9 s。造波機前水深h=0.55 m，岸灘演變試驗共持續(xù)30 h，每隔5 h 對試驗后地形等深線和下游收沙量進行量測。

式中：帶“*”腳標的為泥沙起動波要素；ρs、ρ 為泥沙和水密度；D 為泥沙中值粒徑。

3 結(jié)果分析

3.1 岸灘地形變化

圖3 所示的岸灘高程等深線圖展示了規(guī)則波作用下岸灘地貌形態(tài)變化。隨著規(guī)則波作用時間的增加，近岸地形等深線變密集，岸灘坡度變陡，這是近岸剖面在波浪作用下形成與入射波條件相適應(yīng)剖面形態(tài)的結(jié)果。隨著時間的推移，岸灘近岸沖淤變化表現(xiàn)出明顯的沿岸特異性，這主要受沿岸輸沙狀態(tài)平衡與否的影響。根據(jù)其近岸沿程沖淤變化可將試驗岸灘分為3 個區(qū)域：在y=0～18 m 的上游岸灘呈現(xiàn)侵蝕狀態(tài)，為上游沖刷段；在y=0～-7 m 間岸灘沖淤變化不明顯，為沖淤平衡段；在y=-7～-19 m 的下游岸灘呈現(xiàn)沖刷侵蝕狀態(tài)，為下游沖刷段。

圖3 高程等值線圖Fig.3 Contour maps of elevation

對于上游沖刷段，由于邊界無額外沙源供給，波浪挾沙能力大于沿岸輸沙量，岸灘呈侵蝕狀態(tài)。上游沖刷段等深線分布不均，近岸處-0.8～+1.6 cm水位等深線分布較密，離岸處-7.2～-3.2 cm 水位等深線分布較密集，岸灘坡度較陡；其余等深線分布稀疏，岸灘坡度相對較緩，地形相對平坦。-3.2 cm 以上等深線不平順，抖動頻繁，說明該處泥沙運動劇烈，岸灘演變顯著。通過不同時段的地形高程差，可以分析岸灘沖淤變化趨勢。上游沖刷段離岸方向沖淤變化呈“淤積—沖刷—淤積”的特征。近岸以淤積為主，最大淤積深度接近1 cm，在x=4～5 m 處的岸灘區(qū)域以沖刷為主，從上游至下游沿程沖刷深度不同，位于y=14 m、10 m、3 m 左右的岸灘侵蝕較多，最大沖深約1.5 cm，且最大沖刷點位置有向上游移動的趨勢。在x=2～4 m 處的外海部分岸灘出現(xiàn)泥沙沉積，最大淤積深度略大于1 cm。離岸處岸灘淤積說明泥沙在規(guī)則波作用下發(fā)生持續(xù)的離岸輸運，在初始調(diào)整階段過后，橫向方向上離岸輸沙占主導地位。對比t=0 h 和30 h 岸灘高程變化可以發(fā)現(xiàn)，上游沖刷段呈近岸侵蝕，離岸淤積的狀態(tài)，在y＞3 m 處的岸灘最大沖刷深度約為3 cm，最大沉積高度略小于2 cm；在0＜y＜3 m 處的岸灘處于過渡段，沖淤變化逐漸減小。

沖淤平衡段在經(jīng)過初始岸灘調(diào)整后，岸灘地貌形態(tài)相對穩(wěn)定。平衡段等深線均比較順直，等深線分布比較均勻。在5～30 h 時間段內(nèi)的岸灘雖仍有局部沖淤變化，但整體沖淤深度的變化小于0.3 cm，岸灘整體處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

下游沖刷段的地形等深線分布、形態(tài)以及沖淤變化與上游沖刷段類似。在0～10 h 階段岸灘沖淤變化劇烈，在y＜-13 m 范圍內(nèi)的岸灘近岸最大沖刷深度接近3 cm，離岸處呈淤積狀態(tài)，總體看來越向下游泥沙運動越劇烈。

岸灘不同位置的岸線變化速率大小如表1 所示，+值表示岸線淤積前進，-值表示岸線侵蝕后退。在試驗開始后的前5 h，岸線呈向海淤積前進的趨勢，受沿岸輸沙侵蝕影響，岸灘上游沖刷段淤積速率略小。隨著波浪作用時間的增長，沖刷段岸線侵蝕后退，上游岸線蝕退距離沿程交替變化，在y=12 m、6 m 處的岸線蝕退距離最大，在y=0～6 m 處的岸灘岸線蝕退距離逐漸減小；下游沖刷段岸線蝕退距離在y＜-15 m 后沿程增大。上、下游沖刷段的岸線平均蝕退速率為接近。沖淤平衡段岸線在經(jīng)過試驗初期的岸線調(diào)整后，岸線平均蝕退速率很小，岸線位置相對穩(wěn)定。

表1 不同位置岸線進退速率Table 1 Advance and retreat rate of shoreline at different regions cm/h

沙灘各段典型岸灘剖面形態(tài)變化如圖 4 所示。圖4（a）位于沖刷段，岸灘剖面以持續(xù)的沖刷為特征。隨著規(guī)則波作用時間的增長，高程-2 cm之上的岸灘不斷被侵蝕。在x=4～5 m 處的岸灘的中部坡度較緩，形成岸灘平臺。在x=3～4 m 處，岸灘坡度變陡，出現(xiàn)離岸泥沙堆積，部分泥沙從近岸侵蝕搬運至此處并沉積，且泥沙堆積體隨著規(guī)則波作用時長的增加有逐漸向外海移動的趨勢。-9.6 cm 等深線相對于初始地形向外海移動，在小于等深線-9.6 cm 的外海處，仍然有少量的泥沙運動。上述現(xiàn)象表明，沖刷段剖面具有較活躍的離岸泥沙運動。圖4（b）位于沖淤平衡段，岸灘剖面形態(tài)與沖刷段有所不同，離岸處沒有泥沙堆積，-3 cm 等深線以下岸灘坡度變化較??；在不同波浪作用時段的岸灘剖面輪廓及位置變化也不大。

圖4 岸灘不同區(qū)域剖面形態(tài)變化Fig.4 Beach profile changes in different regions

上述現(xiàn)象表明，沖刷段屬于不平衡沿岸輸沙海岸，沖淤平衡段屬于平衡沿岸輸沙海岸。上游不平衡沿岸輸沙海岸受無外界沙源的供給的影響，岸線持續(xù)后退；同時在連續(xù)的規(guī)則波作用下，離岸輸沙在該段影響較大，岸灘近岸發(fā)生離岸侵蝕，使水下地形等深線分布不均勻，形態(tài)不平順，岸灘剖面形態(tài)發(fā)生些許變化。下游沖刷段岸灘演變規(guī)律與之類似，該段的形成可能與模型地形的沿岸不均勻性、波浪條件變化等因素有關(guān)，導致該段離岸和沿岸輸沙能力有所增大，岸灘進一步侵蝕。隨著上游沿岸輸沙的逐步發(fā)育，沖淤平衡段岸灘基本處于沿岸輸沙平衡狀態(tài)，岸線位置變化較小，岸灘沖淤不明顯；該段離岸輸沙同樣處于平衡狀態(tài)，岸灘剖面輪廓基本不變，該段岸灘剖面為平衡剖面形態(tài)。

3.2 沿岸輸沙量變化

每5 h 收集稱量集沙池中泥沙重量，離岸方向上每隔50 cm 對泥沙質(zhì)量稱重，以研究泥沙橫向分布規(guī)律。選取不同試驗組次泥沙進行烘干，稱量干沙重量，計算得到模型沙平均干濕比為0.78，由此計算每次試驗收沙的干沙質(zhì)量。

試驗中每5 h 收沙量如表 2 所示，可以發(fā)現(xiàn)不同時刻總收沙量大小變化不大，平均沿岸輸沙率為18.02 kg/h。在x=5～5.5 m 處，收沙量最大，x ＜4 m 的范圍內(nèi)，收沙量較小。在 x=5～6 m 處，隨著規(guī)則波作用時間的增加，收沙量也增加；但x=4～5 m 處呈現(xiàn)相反的規(guī)律，收沙量隨波浪作用時長的增加而減少。上述現(xiàn)象表明，沿岸輸沙主要發(fā)生在近岸破波帶，其中破波點附近輸沙最為集中，在近岸或離岸區(qū)域輸沙量明顯減小，泥沙沿岸輸沙量在離岸方向上呈先增大后減小的趨勢。

表2 沿岸輸沙量統(tǒng)計Table 2 Statistics of longshore sediment transport

4 結(jié)語

通過分析斜向規(guī)則波作用下的岸灘地貌形態(tài)及沿岸輸沙率變化，得出以下結(jié)論：

1）在斜向規(guī)則波作用下且上游邊界無沙源供給的條件下，沙質(zhì)岸灘將形成平衡沿岸輸沙海岸和不平衡沿岸輸沙海岸。不平衡沿岸輸沙海岸呈沖刷狀態(tài)，岸線持續(xù)后退，伴隨著持續(xù)的離岸輸沙，岸灘剖面形態(tài)也發(fā)生調(diào)整，離岸處泥沙持續(xù)沉積，等深線也變得曲折；平衡沿岸輸沙海岸處于沖淤平衡狀態(tài)，離岸向岸輸沙不明顯，岸線和剖面形態(tài)變化不大。

2） 沿岸輸沙在橫向方向上呈現(xiàn)近岸和外海小，中間大的規(guī)律，沿岸輸沙主要發(fā)生在近岸破波帶，且隨波浪作用時長的增加，近岸沿岸輸沙量增加。

3）規(guī)則波在一定程度上可以反映岸灘演變的一些現(xiàn)象，但由于與天然不規(guī)則波作用存在差異，尚不能完全反映出基本規(guī)律，未來可用不規(guī)則波展開對比研究。