陸聰，王寧舸，孫林云*，張繼生

（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)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jì)70 年代以來，南京水利科學(xué)研究院針對友誼港上游岸灘淤積、下游沖刷與防護(hù)等重點(diǎn)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(fēng)暴條件下斜向波作用的響應(yīng)研究，探究了短期風(fēng)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(qiáng)、潮流弱，泥沙運(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)動形式以沿岸懸移質(zhì)輸運(yùn)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(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室的波浪港池中進(jìn)行。港池長寬為45 m×35 m，港池兩側(cè)及造波機(jī)后方布置了消能設(shè)施，可以有效地耗散波能，減少進(jìn)入模型區(qū)域的反射波。造波系統(tǒng)采用搖板式造波機(jī)，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(yùn)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(yùn)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(dá)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(yùn)動，在固定水位+1.6 m 位置進(jìn)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(jìn)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(biāo)系，x 表示離岸方向坐標(biāo)，x=0 m 處為測量基準(zhǔn)線，大致與岸線方向平行；y 表示沿岸方向坐標(biāo)，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(dāng)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(jī)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(jìn)行量測。

式中：帶“*”腳標(biāo)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)，在初始調(diào)整階段過后，橫向方向上離岸輸沙占主導(dǎo)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(yùn)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(jìn)，-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(jìn)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??；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(jìn)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(yùn)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(yùn)動。上述現(xiàn)象表明，沖刷段剖面具有較活躍的離岸泥沙運(yùn)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(dǎo)致該段離岸和沿岸輸沙能力有所增大，岸灘進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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。