近年来, 我国沿海地区越来越多地以实施人工沙滩的方式来实现对侵蚀变化海滩的整治修复, 但其研究重点主要集中在人工沙滩的施工及养护方案设计方面, 而对侵蚀海滩整治修复(即人工沙滩养护)后的沙滩及岸线的演变研究较少^[1]。人工沙滩工程后, 沙滩是否向预期效果变化以及沙滩养护技术的效果如何, 需要工程后定期的监测和维护, 但可以通过数学模型的计算来推算人工沙滩后海滩岸线今后的发展趋势, 以便为工程后期的定期维护提前提供参考和依据。

数学模型(数值模拟)应用于人工养滩后海滩岸线变化的主要有一线数学模型、二线数学模型等, 而目前被国际上广泛使用且相对合理成熟的数模系统主要是基于一线数学模型的GENESIS模型系统^[2]。

Kakisina等^[3]利用GENESIS(模拟海岸线的通用模型)的NEMOS建模, 对印尼安汶湾北部海岸沙滩在无保护的现有条件、拦沙堤以及拦沙堤和海堤组合三种情况下的岸滩岸线进行模拟, 结果很好地证明了北部海岸沙滩侵蚀严重的发展趋势。

Young等^[4]讨论了模拟海岸线变化的通用模型(GENESIS)的适用性问题, 针对模型的不足也提出了更具建设性的意见和方法, 以便能更好地使得GENESIS模型进行海岸线的演变模拟。

潘毅等^[5]利用NEMOS(近岸演化模型系统)中的GENESIS岸线演变模型, 预测北戴河西海滩不同养护方案下工程方案实施后10年内的岸线变化情况, 分析了模拟结果并提出最佳养护效果方案。

胥岩等^[6]采用基于GENESIS模型构建了岸线演变模型, 对老虎石公园海滩养护工程后3~5 a内的岸线演变趋势进行了预测分析, 模拟结果能够反映老虎石及周围海滩的水动力和地貌动力演变规律。

结合国内外数值模拟在人工养滩后的研究, 本文以海南省乐东黎族自治县莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例, 通过GENESIS岸线演变模型来模拟人工沙滩后的岸线变化, 并尝试采用了3种方法对模型进行验证。经过验证后, 对人工沙滩工程后1年、3年、5年岸线变化进行了模拟分析, 进一步对该人工沙滩的养滩效果进行了评价, 并为该工程后期定期维护提出了意见和建议。

1 人工沙滩工程概述

海南省乐东黎族自治县莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程整治修复总长度1 200 m, 形成沙滩面积约6.28 hm², 人工补沙干滩宽度40~90 m。总平面布置包括1个北拦沙堤和3个离岸堤, 如图 1。其中北拦沙堤根部与岸线相连, 长281.4 m, 堤身距离岸线116 m; 离岸堤由北向南依次布置离岸堤1、离岸堤2和离岸堤3:其中离岸堤1北端与拦沙堤堤头斜坡底相距54.5 m, 南端与离岸堤2相距79.7 m, 距离岸线224 m; 离岸堤2南端与离岸堤3北端相距77.3 m, 堤身与岸线相距273 m; 离岸堤3堤身与岸线相距210 m。北拦沙堤和离岸堤顶高程均为3.8 m。

该人工沙滩工程于2016年竣工^[7], 于工程完工1年后即2017年第一次对其定期的岸线监测, 监测结果显示了补沙岸线的变化, 但工程邻近岸线显示了更大的变化。鉴于此, 考虑通过GENESIS岸线演变模型来计算推演该人工沙滩工程后5年内岸线的变化, 以便工程后期更好地进行定期维护。

2 GENESIS岸线演变模型

GENESIS(generalized model for simulating shoreline change)是基于一线理论所开发的模拟海岸长期变化的系统, 目前, 主要是应用于预测岸线的长期演变及岸线对海岸建筑物和人工养滩的响应等^{[2, 5, 6]}。

根据潘毅等^[2]研究, GENESIS模型主要机理有以下4个方面的假设: (1)海滩的剖面必须维持一个平衡不变的情况, 长时间里其剖面假设保持不变。在这海滩剖面不变的原则下, 使用一条线, 即海岸线。以代表海岸的前进与后退。即为一线模型。(2)沿岸输沙必须介于两个明显易定的控制剖面水深点。岸侧控制点位于海水能到达的最高点, 以滩肩高程来计算; 而海侧的控制点是无输沙运动的最浅深度, 称为闭水深度。在这两个控制点之间海滩剖面平行移动, 提供了最简单的方法来说明海岸在离岸方向的体积变化, 使岸线的改变量易于计算。(3)在一个开放的海域里, 沿岸输沙率是一个与破碎波波高和方向有关的函数。(4)海岸线长时间演变的趋势受波浪所产生的沿岸漂沙及边界条件控制, 不包括风暴潮、季节性波浪和潮位变化等因素的影响。

本文就是利用近岸演化模型NEMOS(nearshore evolution modeling system)中的岸线演变模型GENESIS及其配套的波浪模型STWAVE对莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程后岸线的演变进行模拟和预测。其具体控制方程如下:

GENESIS模型控制方程为^[6]:

$ \frac{{{\rm{d}}y}}{{{\rm{d}}x}} + \frac{1}{{{D_{\rm{B}}} + {D_{\rm{C}}}}}\left( {\frac{{\partial Q}}{{\partial x}} - q} \right) = 0, $

(1)

式中: x代表沿海岸线方向; y代表垂直海岸线方向; D_B为波浪所能达到陆侧的最大高程(即滩肩高度); D_C为海侧无显著输沙运动的封闭水深(闭水深度); q_s 为离岸输沙率; q₀为向岸输沙率, q = q_s + q₀为横向输沙率; Q为沿岸输沙率, 通过下式计算:

$ Q = {\left( {{H^2}{C_g}} \right)_{\rm{b}}}{\left[ {{a_1}\sin 2{\theta _{{\rm{bs}}}} - {a_2}\cos {\theta _{{\rm{bs}}}}\left( {\frac{{\partial H}}{{\partial x}}} \right)} \right]_{\rm{b}}}, $

(2)

式中: H为有效波波高; C_g为群波波速; 下标b表示波浪破碎时的各种波浪条件(参数); θ_bs为破波角(破碎波波峰与当地海岸线之间的夹角); a₁和a₂为无量纲参数, 定义如下:

$ {a_1} = \frac{{{K_1}}}{{16\left( {\frac{{{p_{\rm{s}}}}}{p} - 1} \right)\left( {1 - p} \right){{1.416}^{5/2}}}}, $

(3)

$ {a_2} = \frac{{{K_2}}}{{8\tan \beta \left( {\frac{{{p_{\rm{s}}}}}{p} - 1} \right)\left( {1 - p} \right){{1.416}^{7/2}}}}, $

(4)

式中: ρ表示海水密度; ρ_s为沙的密度; p为海滩的孔隙率; tanβ为在沿岸输沙作用下的海滩平均坡度; 常数1.416为有效波高向均方根波高的转化系数; K₁、K₂为控制沿岸输沙率大小的调整参数, 具体可根据模拟结果来调整。

STWAVE是一个基于波作用平衡方程的有限差分模型, 控制方程为:

$ {\left( {{C_{\rm{g}}}} \right)_i}\frac{\partial }{{\partial {x_i}}}\frac{{{C_{\rm{a}}}{C_{{\rm{ga}}}}\cos \left( {\mu - a} \right)E\left( {{\omega _a},a} \right)}}{{{\omega _r}}} = \sum {\frac{s}{{{\omega _r}}},} $

(5)

式中: C_a为波速; C_g为群波波速; α为波浪正交方向; μ为波向线方向(能量传播的方向); ω_r为相对角频率; ω_α为绝对角频率; E为波能密度; S为能量的源、汇项^{[6, 8-9]}。

3 模型的建立和参数设置

模型模拟区域采用的是矩形网格, 见图 2。图中白色点为人工沙滩竣工后岸线点, 蓝色点为水深测站, 右侧为陆地, 左侧为海洋, 沿岸纵向代表模型的x轴, 横向代表模型的y轴。模拟区域计算网格的x轴大致垂直于岸线方向(x轴与正北方向夹角72°), 长度为1 300 m, 且向海侧的水深取16 m; y轴与x轴垂直, 长度为2 350 m, 其网格间距设定为25 m。

GENESIS模型需要的波浪由外海传到近岸区的波浪参数通过STWAVE模型来确定, STWAVE模型根据实测波浪数据将模拟结果表示为不同波高、周期、波向的波浪事件组合共同作用于模拟区域, STWAVE模拟后得到处理校正的波浪条件, 并输入GENESIS模型。

波浪数据采用莺歌海海洋站长期的统计波浪数据, 该海域波浪以风浪为主, 风浪常浪向是SE, 其频率为19%, 次常浪向是SSE, 其频率是12%, 涌浪的常浪向是S, 其频率为14%, 次常涌浪向是SSW, 其频率为7%。全年波浪常浪向为S向, 其频率为18%, 次常浪向是SE向, 频率为15%。强浪向是SE, 最大波高值9.0 m, 次强浪向是S和SSW, 它们的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大, 为1.0 m, NNE和WSW向平均波高值次之, 为0.9 m^[7]。波浪玫瑰图见图 3。

根据上述莺歌海海洋站长期(1967—2006年)的统计波浪数据, 利用软件统计波浪有效平均数据, 输入GENESIS模型, 建立波浪模拟区域边界, 并对有效波浪数据进行筛选, 形成模拟研究区域的波浪场, 最后输入STWAVE模型进行模拟计算。

图 4是通过STWAVE模型模拟后所展示的是波高1.0 m, 周期4.11 s, 波向61.71°的常浪向的波场事件, 轮廓线为等波高线, 箭头表示波矢。

根据工程方案及相关资料数据^[3], 确定GENESIS模型参数:闭合水深D_C=4 m, 滩肩高度D_B=3 m, 中值粒径D₅₀=0.5 mm, 经验参数K₁=0.6, 经验参数K₂=0.5。

同时为了使数值模拟能尽可能更好地还原实际情况, 在GENESIS模型中对项目现状海滩情况进行了必要的处理:项目南侧施工通道、北拦沙堤、渔港防波堤拟化为海堤、防波堤, 离岸堤1、离岸堤2、离岸堤3拟化为离岸堤。图 5所展示的为最终确定并建立好的GENESIS模型。

4 项目GENESIS模型的验证

为了能有效地验证GENESIS模型对莺歌海人工沙滩项目方案的适用性以及模型结果的可靠性, 本文首先使用模型模拟了人工沙滩工程后1年的岸线变化情况, 其次分别采用了实测岸线对比、实测地形对比、现状沿岸输沙趋势模拟三种方法进行了对比验证。

4.1 实测岸线对比验证

莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程于2016年一年时间施工完成, 在2017年对工程竣工后的岸线和岸滩地形进行了监测。因此使用2017年莺歌海三莺村岸段实测岸线对GENESIS模型验证。图 6可以看出, 模型模拟工程后1年的岸线变化趋势与实测岸线基本是一致的。区别较大的岸线段主要集中在施工通道南侧岸线, 这是因为施工通道南侧岸线段存在人为堆积施工砂, 由此显示该岸线段岸线淤积幅度较大。

4.2 实测地形对比验证

使用莺歌海三莺村岸段2015年(施工前)水下地形测量数据与2017年(竣工第一年)水下地形测量数据进行对比验证, 即将莺歌海人工沙滩工程施工前后的水下地形进行叠加对比。图 7显示的是人工沙滩工程施工完成一年后, 其所在的区域岸滩地形的冲淤变化。通过叠加模拟岸线, 可以看出模拟岸线的发展趋势与实测地形展示的侵淤变化趋势是基本一致的, 其侵蚀、淤积幅度与实测侵淤变化图显示的侵淤幅度能较好地拟合, 局部存在偏差。主要原因是施工通道南侧存在施工后人为堆放的施工砂, 由此显示了偏大的淤积幅度。

4.3 工程后沿岸输沙模拟验证

通过软件模拟分析人工沙滩工程后现状沿岸输沙、侵淤变化规律, 再对比验证模拟岸线变化趋势。本文使用SMC(coastal modelling system)软件^[10-12], 对莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程后的现状波浪场、沿岸流场、沿岸输沙场进行模拟。本次模拟采用的波浪条件为一典型的常浪, 波向S15W, 波高0.7 m, 周期4.1 s, 由莺歌海海洋站波浪统计资料得出。模拟未考虑风场和潮流因素。图 8、图 9、图 10所示, 在SW向波浪条件作用下, 工程后人工沙滩沿岸区域沿岸流在遇到离岸堤、拦沙堤、渔港防波堤时受阻形成回旋流, 显示了较为强烈的沿岸流, 北拦沙堤与渔港防波堤之间的沿岸流表现最为明显, 这也证明了实测地形中该岸段岸线冲淤变化最大。沿岸流大小和方向决定了沿岸输沙强度和方向, 图中沿岸输沙强度和方向与沿岸流的一致, 各离岸堤、拦沙堤之间口门处向陆侧岸滩显示了明显的沿岸输沙变化, 而北拦沙堤与渔港防波堤的岸线段表现了更为强烈的沿岸输沙变化。对比工程后的沿岸流、沿岸输沙变化与模拟岸线, 可以看出模拟岸线的变化和起伏趋势与沿岸流、沿岸输沙变化的方向和趋势基本是一致的。

5 人工沙滩工程后预测结果

经过上述验证方法很好地验证了GENESIS模型, 由此, 使用验证过的GENESIS模型对莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程后3年、5年内的岸线演变再进行模拟。初始岸线以2016年工程竣工时候的补沙滩肩岸线, 依据设置的参数和实测数据对模型反复率定。图 11为人工沙滩工程后1年、3年、5年内岸线模拟结果。

根据工程平面的布置, 由北向南依次布设北拦沙堤、离岸堤1、离岸堤2、离岸堤3。而从现状所知, 离岸堤3与陆域之间设有施工通道, 施工通道海域属性为非透水性质, 使得离岸堤3与施工通道连成一体形成似一个防波拦沙堤。由此, 项目区岸段内形成了一个合围的状态, 经过数值模拟, 很明显可以看出岸线今后将形成凹凸弯曲的岸线, 表明了岸线侵蚀淤涨的变化较大。从图中看出, 在南侧离岸堤3和施工通道的影响作用下, 其掩蔽区为波影区, 岸线向海推进, 形成淤积岸线。泥沙向北输运, 至离岸堤2和离岸堤1处时, 由于离岸堤的遮蔽作用, 在其掩蔽区内岸线向海推进、突起, 从3年、5年后岸线的变化趋势, 可以看出离岸堤2处突起区比之离岸堤1突起区相对小一些, 这也表明了泥沙主要的输运方向是由南向北。而对于没有遮蔽作用的岸线段, 岸线侵蚀后退, 但未达到工程前岸线位置(补沙宽度约70 m)。泥沙输运至北侧拦沙堤处时, 受到拦沙堤的遮蔽作用, 其掩蔽区同样是波影区, 岸线向海推进淤涨, 形成淤积。受到主波向浪的作用, 岸线自北拦沙堤开始侵蚀后退, 且侵蚀幅度较大, 工程后一年内岸线侵蚀后退最大幅度约90 m。但由于渔港防波堤的遮挡作用, 在防波堤堤脚处泥沙堆积、岸线向海推进, 形成淤积区。由此, 表明莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程对于北拦沙堤与渔港防波堤之间的岸段岸线的影响是较大, 后期应注重对此岸段沙滩区的补沙工作。

6 结语

本文以海南乐东莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程为例, 利用GENESIS模型对该人工沙滩工程后的岸线演变进行了研究分析。首次尝试了以实测岸线对比、实测地形对比、现状沿岸输沙趋势模拟三种方法对GENESIS模型进行验证, 其验证结果显示基本是一致的。由此表明, GENESIS岸线演变模型对于包围式(拦沙堤和离岸堤结合方式)人工沙滩修复工程后岸线演变研究是适用的。据此, 通过岸线演变模型(GENESIS模型)对莺歌海三莺村岸段人工沙滩工程后1年、3年、5年内的岸线演变进行数值模拟, 项目区岸段内的一个合围的状态下, 补沙岸线今后将形成凹凸弯曲的岸线, 表明了岸线侵蚀淤涨的变化。但岸线侵淤变化较大的主要是集中在北拦沙堤与渔港防波堤之间的岸线段, 这说明人工沙滩工程对于邻近岸线的影响大于本身补沙岸线的影响。

根据模拟结果可以知道, 人工沙滩工程内的补沙岸线(滩肩岸线)后期需要定期的进行维护, 同时工程对本身岸线的影响远小于对工程邻近自然岸线的影响, 结合到本工程的实际情况, 建议后期在维护人工沙滩工程内沙滩时, 需要注重和加强对邻近岸线沙滩的监测和维护工作。

通过本文研究分析, GENESIS岸线演变模型对于人工沙滩养护后期沙滩的演变研究是值得使用的研究手段, 这也为人工沙滩后的预期效果发展的认识和评估提供了科学依据。