砂质海岸岸滩侵蚀演变模式探讨_以山东南部海岸侵蚀岸段的岸滩演变为例

2023-04-19 来源：钮旅网

第21卷第3期2003年8月

文章编号:100529865(2003)0320094206　　

海洋工程

THEOCEANENGINEERINGVol121No13Aug.2003

砂质海岸岸滩侵蚀演变模式探讨

———以山东南部海岸侵蚀岸段的岸滩演变为例

包四林,虞志英,刘苍字,张国安

(华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海　200062)

摘　要:在分析山东南部海岸几十年来的地形观测资料的基础上,运用砂质海岸等深线变化预测理论,建立该区的岸滩侵蚀演变预测模型,研究了该区域岸滩演变规律。实测资料验证表明:预测结果合理,基本反映了本区岸滩演变的特征。关键词:砂质海岸;岸滩演变预测模型;波浪沿岸输沙;输沙量分布中图分类号:P751　　　文献标识码:A

Approachtotheevolutionmodelofsandcoasterosion

———AcasestudyoferodedcoastinsouthShandongofChina

BAOSi2lin,YUZhi2ying,LIUCang2zi,ZHANGGuo2an

(TheNationalKeyLabofEstuarineAndCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Abstract:Inrecentyears,becauseoftheextractionofthesandandtheconstructionofreservoirsatupperreachesoftheriver,thebeachero2sionalongthecoastofsouthShandongProvinceinChinaturnstobemoreandmoreobvious.Theerosionissoseriousthattheratioofcoastre2treatisashighas1.3～3.4mperyearinsomeplaces.Eventhegovernmentdepartmentsconcernedbeguntopayattentiontothephe2nomenon.Onthebasisoftheanalysisonthelandformobservationsforscoresofyearsinthisarea,wetriedinthispapertoapplytheequal2depth2lineforecastingtheorytothestudyontheruleofcoastalshoalevolvementinthisarea.Wehaveestablishedaforecastingmodel,whichhastheadvantagesofboththecoastallinechangemodelandthethree2dimensionallandformevolutionone.

Keywords:sandcoast;forecastmodelofcoastalbeachevolvement;silttransportbythewavealongcoast;siltdischargedistribution

随着计算技术的进步,运用数值模型对海岸岸滩变化进行预测目前已成为海岸研究领域的发展趋势。

根据预测对象的不同,预测模型可分岸线变化模型和三维地形变化模型二种。岸线变化模型,在预测岸线长时间变化时目前国际上运用较广的有onelinemodel[1]。这一理论的基本思路是,岸滩断面呈平衡状态移动的,岸线的进退是由沿岸输沙量的空间分布不均匀所引起的。因此该方法通过解出建立在整个岸滩上的输沙量公式和泥沙连续方程来预测岸线变化的。显然,这一方法不能计算岸海方向岸滩断面的变化。日本的宇多高明通过对现场水下地形的测量数据进行分析,并在论证了岸线变化与其近旁的等深线相关性的基础上,将onelinemodel扩展到各不同水深上而建立了可预测三维地形变化的等深线变化模型。在实施实际问题计算时,该方法必须首先解决输沙量的沿水深方向分布的问题。为此,宇多高明等在进行了各种不同条件下的试验和解析后得出了沿岸输沙量的分布函数。

三维等深线变化模型具有计算方法简明、计算速度快、并具可以计算岸滩断面形态的优点。本文试运用文献[2]方法建立本研究区域的三维岸滩变化模型。为此,以山东南部岸滩为研究对象,通过对该区实际地形测量数据的解析,修改了文献[2]的沿岸输沙量的分布函数以反映出潮汐影响的地形变化特征。最后,我

收稿日期:2002205230

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40071014);华师大青年创新基金(53200115)作者简介:包四林(1959-),男,副教授,主要从事河口海岸岸滩演变预测技术的研究。

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们对该区岸滩演变进行了预测计算,取得了较为满意的效果。

1　三维岸线演变模式的基础方程

根据Savage公式,沿岸漂沙量Q由式(1)给出。

αααQ=(f/8)ρgHb(cg)bsinαbcosb=F0sinbcosb

(1)

式中:f为系数,ρ为海水密度,g为重力加速度,Hb为破波波高,(cg)b为破波处的群速度,αb为破波处的入

射角。其中系数f值通常是根据实际的海岸变形状况而加以选定的系数。当αb十分小的时候,有:5y(2)

5x式中:α0破波点的入射波向与y轴所成的交角,沿岸方向取x轴,与它垂直方向取y轴。以PerlinandDean

Q=F0tanα0-

的方法为参考,分别在为等深线所分割的各区域范围内应用式(2)。各范围由k=1,2,…,n的n根等深线作代表,并设与此对应的水深处的输沙量为qk。显然等深线距离yk与qk间同样存在式(2)的关系,因而可推测下面的关系:

5yk(3)qk=F0ktanα0-5xμk,μk为各水深处所给的输沙量的比例系数,∑μk=1。μk可根据沿岸输沙量的水深方向分其中,F0k=F0・布由式(4)计算。

μk=∫zk

zk+1ξ(z)dz/

ξ(z)dz

∫

-hc

(4)

其中,ξ(z)表示各水深处的输沙量函数,z以基准水面为垂直上方距离为正,hr为陆地侧接受波浪作用而产生的泥沙漂移的上限,hc为海底部受波浪作用而产生的泥沙漂移的下限水深。由输沙量连续方程得出:

5qk5yk(5)+hk=0　(k=1,…,n)

5x5t

其中,hk以各等深线为代表的引起海滨变化的漂沙的移动范围,由式(6)给出。

(6)hk=zk-zk-1

(5)的联立求解而计算　　即,只要给出ξ(z)的函数分布形式,式(4)的μk就可计算出来。这样通过式(3)、

出各水深的等深线的变化量。

2　研究区域岸滩演变概况

2.1　地形和沉积特征

地形测量范围,在沿岸方向上,选取韩家营子向南的3km岸段,在横向上,由陆向海6km,至水深-7～-9.7m。其地理坐标为119°22′36″E～119°27′E和35°9′26″N～35°10′50″N(图1中的小方框)。测线间距为100m。地形测量结果见图2。

由图可知本区域水深6m以内的岸滩坡度较陡,测区水下地形自西北向东南缓倾,等深线大体与岸平行,呈现NNE～SSW向。据对测区范围内的沉积物采样分析,沉积物分布有一定的规律。一般在前滨地带以中粗砂和中细砂为主,中值粒径0.

Φ,在0～5m范围内以粉砂质砂、10～1.90砂质粉砂和粘土—粉砂—砂为主,中值

Φ。在-5m以深的沉积物以中粗砂和中细砂为主,中值粒径0.70粒径4.0～4.9

Φ,局部为粘土—图1　研究区域位置示意～2.10粉砂—砂的混合沉积。2.2　岸滩侵蚀演变概况

Fig.1　Sketchmapoftheregion

understudy根据对研究区地貌、动力和沉积特征的综合分析,可以认为日照海岸泥沙主

要由北向南运移,即有一个稳定的由北往南输移的泥沙流,这是制约研究区域内岸滩演变特征的最重要因素[3,4]。沿海主要入海河流有付疃河、巨峰河、结庄河及龙王河等,其中以付疃河径流量最大,平均每年径流

量3.67亿m3,其次为巨峰河,平均年径流量0.706亿m3,成为滨岸带沉积物的主要来源。

波浪是产生沿岸流,使泥沙纵向运移的主要动力。据统计,本区偏北海风的风向频率、平均风速和最大

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风速均大于偏南海风,特别是灾害性天气条件下的

大浪,以E～NE～NNE最为集中。近岸带常年风浪合力方向和灾害性大浪方向均可形成泥沙沿岸向南的分量,从而导致自北往南的沿岸流。

为了掌握该区域的岸滩冲淤变化的季节变化特征,我们对区域内的韩家营子附近1981年2月至1997年8月的测量资料分别按不同季节进行了平均,结果如图3所示。由此可推知研究区域的断面特征及季节变化的特征如下:各季平均剖面从平均潮位(0m)为界,平均潮位以上部分的岸滩坡面坡度较陡,

图2　研究区域水深分布(黄海基准面)

Fig.2　Distributionofwaterdepthoftheregionunderstudy

约为4°;平均潮位以下的部分较缓,约为1°。冬季平(YellowSeaBaseLevel)

均剖面-1m～1m间遭受侵蚀明显,其上部分愈趋

陡峻,而下部愈趋平缓。由此推知,冬季时,东北风波浪作用较强时,引起平均潮位处的岸滩侵蚀,并在其外侧进行堆积。平均潮位附近的侵蚀后退使其后浜部分形成陡崖以致崩落后退。春夏季节的平均剖面比起冬季剖面,冬季时平均潮位附近的明显的侵蚀陡坡地段消失,代之而起的是外侧(前浜)部分出现侵蚀而变低,因而,这一时期的剖面整体上较平缓,趋向接*衡状态的剖面。图4是1981年、1990年和1997年的年平均断面图。图中较明显地看出该处的侵蚀过程,1981年～1990年间及1990年～1997年间的等深线年平均后退分别为-1.29m/a、-1.03m/a。

　　　　图3　不同季节的断面形态　　　　　　　　　　　　图4　不同年份间的断面形态比较　　　

　　　　　Fig.3　Thesectionformsindifferentseasons　　　　　Fig.4　Comparisonofthesectionformsindifferent

(thecaseofHanjiayingzisection)

years(thecaseofHanjiayingzisection)

3　岸滩演变预测计算

3.1　气象条件及深水波推算

根据对本研究区域附近的连云港气象站自1960年至1973年的连续观测记录所作的统计分析,我们得出本区的年平均风速为6.2m/s,方向为E。

采用Wilson的公式对研究区域的深水波进行推测必须事先确定出风区长度F。关于各方向上的风区长度,这里引用阎俊岳等的结果[5]。根据上述条件,最后我们得到了本区各方向有效深水波的推测结果(图5)。波高、周期的多年平均值分别为H1/3=0.70m,周期T1/3=3.2s,方向为常浪方向即E方向。合田良实

对风浪统计性质进行研究的结果表明平均波高与有效波高之间的关系如下[6]:

H1/3≈116H0,T1/3≈(019～114)T0

(7)(8)

据此可推算研究区域多年平均深水波高为:H0=0144m,周期T0=2178s3.2　破波要素计算

鉴于缺少波浪观测数据,本文采用波浪平面变形数值计算的方法,给出破波处波浪要素的计算结果。关于波动场数值方法,根据研究区域的岸滩地形特征,认为采用波向线法数值计算方法比较合适。

计算区域为矩形(图2),南北沿岸方向(x)长为2600m,东西离岸方向(y)为6600m。由地形水深分布(图3)可知,该区域海底坡床较缓。为满足深水波的入射条件,故有必要将计算区域的入射边界延伸到水深

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较深处。计算网格采用正方形Δx=Δy=100m。区域内的水深数据离岸较远处直接从海图上读取,近岸处的地形数据采用1997年的测量结果,平均水位0m线以上的部分根据韩家营子断面数据进行内插补足。

图5　研究区域的多年平均深水波的推算结果

Fig.5　Calculatingresultsofmulti2yearaveragedeepwaterwaveintheinvestigationarea本文计算采用的是多年平均波浪作为波浪入射条件,波高和周期分别为H0=0.44m,T0=2.78s。波

浪场的计算采用波向线法,计算结果输出各波向线上的破波位置、波高、波长及破波水深等,然后将此内插到各网格上,作岸滩演变预测计算的输入条件。3.3　沿岸输沙量的沿水深分布由上述的模型可以知道,确定沿岸输沙分布qk是求解和预测三维岸滩变化的关键之一。为此,宇多高明根据动床物理模型的试验得出了以下关系式,即:

(9)当-hc≤z≤hr时,ξ(z3)=2/hc33(hc3/2-z3)(z3+hc3)2

当z<-hc及z>hr时,ξ(z3)=0

(10)

其中,垂直轴是以破波波高进行无量纲的高度,Z3=Z/Hb,hc3=hc/Hb是以破波波高进行无量纲后的波浪

作用引起的泥沙移动下限。上式表达了波浪作用产生的陆地侧的上限hr和水下下限水深hc之间的沿岸泥沙输沙量的变化关系。

确定潮汐变动下的波浪作用引起的沿岸漂沙量沿水深分布有二种方法:一种是通过实验的办法;另一种通过实际计算区域的地形资料分析整理。波浪潮汐共存下的动床实验,因存在相似法则问题上技术上有很大困难,因此本文通过对实际区域积累的地形资料的分析整理而求出沿岸输沙量的分布。

根据山东南部日照海区的韩家营子断面各等深线的水平位移的多年平均的分析结果,对该地区的沿岸漂沙量分布进行评价,得出下式:

ξ(z3)=2/hc32(hc3-z3)(z3+hc3)2(11)　　在本区域,根据地形变化特征取hc3=-3,当地的波高取Hb=1153m。将上述数据值代入式(11)计算

后得到各等深线高的水平位移量与沿岸输沙量分布计算曲线的对比(图6)。由图可知,式(11)基本反映了该区域多年平均的状况。

由式(9)可知,仅存在波浪作用情况下的计算公式呈3次曲线型,在Z3=0时达到最大值,随着Z3值的增加或减小,ξ(Z3)的数值急剧减小,这说明仅存在波浪作用的情况下,引起的输沙集中在平均水位附近。而反映潮汐因素影响下的式(11)为2次曲线,曲线型式趋缓慢。波浪作用引起的沿岸输沙量,在潮汐因素的影响下,范围扩大,高峰则出现在平均水位(Z3=2)附近,比只考虑波浪作用情况来得平缓、最大输沙量出现的位置也比前者稍高。

4　岸滩演变预测计算

4.1　计算区域及网格

在本节将运用上述的原理和方法,针对研究区域实际岸滩演变趋势实施再现和预测计算。计算区域岸滩变动

图6　沿岸输沙量的水深分布

Fig.6　Distributionofsiltdischargealongcoast

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的计算对象与波浪场计算一致,但考虑到本区地形变化一般只限于近岸地区才发生,所以只要讨论近岸部分就足够了。这时的岸滩演变预测计算区域如图7所示,水深数据的输入与波浪计算时相同。本区域的计算网格是x,y方向分别为Δx=Δy=100m。

4.2　计算时间及边界条件

预测计算时间为一年,具体地说,就是设定在图2中地形条件的基础上,通过2中叙述的方法求出的多年平均波浪持续地Fig.7　Regionundercalculationanditsdivisio

(SectionNo11,X=600m)作用于本区域之上而产生的地形变化。这是考虑到计算在多年

平均的情况下,一年的计算结果基本反映出该区域的地形演变特征。计算时间步长t=300s。区域的上、下

图7　计算区域及网格划分

游泥沙输沙量的边界条件,由于没有长期的连续观测资料,本文采用固定边界。即,Qb=Qb±1。这里Qb:边界输沙量,Qb+1及Qb-1是邻接计算区域内的沿岸输沙量。区域内的泥沙粒径采用1998年有观测资料的平均值为2.65Φ,空隙率参照周围邻近的参数取0.2。4.3　计算结果及验证考察

预测结果显示,本区按沿岸方向(x)可分3个区域,各分区域存在不同的岸滩变化特征:0～800m段:图8所示的No.1断面预测结果反映了该段的岸滩演变的总体趋势。段内的各等深线的前进后退变化不明显,0m等深线以上部分稍显侵蚀(等深线后退),-1.0m等深线附近略显堆积(等深线前进)。800～1800m

段:为整个区域的主要部分,与韩家营子断面大体相当的No12(X=1000m)断面的各等深线平均侵蚀后退

预测结果如图9所示。该段内-2.0～1.0m等深线范围内的均呈侵蚀后退,后退距离约为5～20m不等。另外,该分区的1

600m附近存在的岸线突起处,有遭波浪侵蚀夷平的趋势。1800～2600m段:该分段在-0.5m等深线以上部分存在岸线呈

现内凹,从地形上判断可知,内凹处波能分散,将看到泥沙堆积从而使等深线向海前进。断面No13的预测结果(图10)大致反

图8　岸滩演变预测结果(断面No11,X=600m)映了这一过程。根据该区域的北部呈侵蚀,而南部呈淤涨,并且

Fig.8　Forecastofthecoastbeachevolution

(SectionNo11,X=600m)

根据区域内各等深线平面分布形态特征,可推知泥沙的输移方

向是由北向南的。这点也与观测结果相符合。

图10　岸滩演变预测结果(断面No13,X=600m)

图9　岸滩演变预测结果(断面No12,X=600m)

Fig.9　Forecastofthecoastalbeachevolution

(SectionNo12,X=600m)

Fig.8　Forecastofthecoastalbeachevolution

(SectionNo13,X=600m)

5　结语

本文运用三维岸滩等深线变化预测模型的原理和方法,建立了山东南部侵蚀岸段的岸滩演变预测模型。

根据对实测断面资料的解析,对宇多高明的沿岸输砂量的水深分布函数进行了修改,使模型的运用可推广到有潮汐作用影响的海域。计算结果表明,本模型具有计算原理简明合理、适用范围广及计算速度快等优点。岸滩演变的预测结果表明,研究区域中段有较明显的遭波浪侵蚀岸线后退的现象,局部可达1m/a以上,因此,对这些岸段进行加强护岸及保滩工程是有必要的。

致谢:本文得到国家海洋局第一研究所夏东兴教授的协助,并提供宝贵资料,在此表示衷心感谢!

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参考文献:

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