鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程岸線數值模擬以及模型的驗證方法

陳海洲, 謝 琳

鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程岸線數值模擬以及模型的驗證方法

陳海洲, 謝 琳

(海南省海洋與漁業科學院, 海南 ?？?571126)

以樂東鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程為例, 其完工1年后的岸線監測結果, 表明需要進一步對人工沙灘后的海灘岸線演變進行研究分析。通過GENESIS岸線演變模型模擬人工沙灘后的岸線變化, 并嘗試采用3種方法對模型進行驗證。經過驗證后, 對人工沙灘工程后1年、3年、5年岸線變化進行了模擬分析。研究結果表明: GENESIS岸線演變模型對于包圍型(攔沙堤和離岸堤結合方式)人工沙灘工程是適用的。工程完工1年后, 補沙岸線形成了侵淤變化的凹凸彎曲岸線, 侵淤幅度不大, 5年后侵淤幅度變緩, 開始逐漸趨于平衡。據此, 也為人工沙灘后期的養護、補沙防護工作起到重要的參考作用。

鶯歌海; 人工沙灘; 岸線演變; 數值模擬; 模型驗證

近年來, 我國沿海地區越來越多地以實施人工沙灘的方式來實現對侵蝕變化海灘的整治修復, 但其研究重點主要集中在人工沙灘的施工及養護方案設計方面, 而對侵蝕海灘整治修復(即人工沙灘養護)后的沙灘及岸線的演變研究較少[1]。人工沙灘工程后, 沙灘是否向預期效果變化以及沙灘養護技術的效果如何, 需要工程后定期的監測和維護, 但可以通過數學模型的計算來推算人工沙灘后海灘岸線今后的發展趨勢, 以便為工程后期的定期維護提前提供參考和依據。

數學模型(數值模擬)應用于人工養灘后海灘岸線變化的主要有一線數學模型、二線數學模型等, 而目前被國際上廣泛使用且相對合理成熟的數模系統主要是基于一線數學模型的GENESIS模型系統[2]。

Kakisina等[3]利用GENESIS(模擬海岸線的通用模型)的NEMOS建模, 對印尼安汶灣北部海岸沙灘在無保護的現有條件、攔沙堤以及攔沙堤和海堤組合三種情況下的岸灘岸線進行模擬, 結果很好地證明了北部海岸沙灘侵蝕嚴重的發展趨勢。

Young等[4]討論了模擬海岸線變化的通用模型(GENESIS)的適用性問題, 針對模型的不足也提出了更具建設性的意見和方法, 以便能更好地使得GENESIS模型進行海岸線的演變模擬。

潘毅等[5]利用NEMOS(近岸演化模型系統)中的GENESIS岸線演變模型, 預測北戴河西海灘不同養護方案下工程方案實施后10年內的岸線變化情況, 分析了模擬結果并提出最佳養護效果方案。

胥巖等[6]采用基于GENESIS模型構建了岸線演變模型, 對老虎石公園海灘養護工程后3~5 a內的岸線演變趨勢進行了預測分析, 模擬結果能夠反映老虎石及周圍海灘的水動力和地貌動力演變規律。

結合國內外數值模擬在人工養灘后的研究, 本文以海南省樂東黎族自治縣鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程為例, 通過GENESIS岸線演變模型來模擬人工沙灘后的岸線變化, 并嘗試采用了3種方法對模型進行驗證。經過驗證后, 對人工沙灘工程后1年、3年、5年岸線變化進行了模擬分析, 進一步對該人工沙灘的養灘效果進行了評價, 并為該工程后期定期維護提出了意見和建議。

1 人工沙灘工程概述

海南省樂東黎族自治縣鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程整治修復總長度1 200 m, 形成沙灘面積約6.28 hm2, 人工補沙干灘寬度40~90 m?？偲矫娌贾冒?個北攔沙堤和3個離岸堤, 如圖1。其中北攔沙堤根部與岸線相連, 長281.4 m, 堤身距離岸線116 m; 離岸堤由北向南依次布置離岸堤1、離岸堤2和離岸堤3: 其中離岸堤1北端與攔沙堤堤頭斜坡底相距54.5 m, 南端與離岸堤2相距79.7 m, 距離岸線224 m; 離岸堤2南端與離岸堤3北端相距77.3 m, 堤身與岸線相距273 m; 離岸堤3堤身與岸線相距210 m。北攔沙堤和離岸堤頂高程均為3.8 m。

圖1 2017年鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程航拍圖

該人工沙灘工程于2016年竣工[7], 于工程完工1年后即2017年第一次對其定期的岸線監測, 監測結果顯示了補沙岸線的變化, 但工程鄰近岸線顯示了更大的變化。鑒于此, 考慮通過GENESIS岸線演變模型來計算推演該人工沙灘工程后5年內岸線的變化, 以便工程后期更好地進行定期維護。

2 GENESIS岸線演變模型

GENESIS(generalized model for simulating shore-line change)是基于一線理論所開發的模擬海岸長期變化的系統, 目前, 主要是應用于預測岸線的長期演變及岸線對海岸建筑物和人工養灘的響應等[2, 5, 6]。

根據潘毅等[2]研究, GENESIS模型主要機理有以下4個方面的假設: (1)海灘的剖面必須維持一個平衡不變的情況, 長時間里其剖面假設保持不變。在這海灘剖面不變的原則下, 使用一條線, 即海岸線。以代表海岸的前進與后退。即為一線模型。(2)沿岸輸沙必須介于兩個明顯易定的控制剖面水深點。岸側控制點位于海水能到達的最高點, 以灘肩高程來計算; 而海側的控制點是無輸沙運動的最淺深度, 稱為閉水深度。在這兩個控制點之間海灘剖面平行移動, 提供了最簡單的方法來說明海岸在離岸方向的體積變化, 使岸線的改變量易于計算。(3)在一個開放的海域里, 沿岸輸沙率是一個與破碎波波高和方向有關的函數。(4)海岸線長時間演變的趨勢受波浪所產生的沿岸漂沙及邊界條件控制, 不包括風暴潮、季節性波浪和潮位變化等因素的影響。

本文就是利用近岸演化模型NEMOS(nearshore evolution modeling system)中的岸線演變模型GENESIS及其配套的波浪模型STWAVE對鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程后岸線的演變進行模擬和預測。其具體控制方程如下:

GENESIS模型控制方程為[6]:

式中:代表沿海岸線方向;代表垂直海岸線方向;B為波浪所能達到陸側的最大高程(即灘肩高度);C為海側無顯著輸沙運動的封閉水深(閉水深度);s為離岸輸沙率0為向岸輸沙率,=s+0為橫向輸沙率;為沿岸輸沙率, 通過下式計算:

式中:為有效波波高;g為群波波速; 下標 b 表示波浪破碎時的各種波浪條件(參數);bs為破波角(破碎波波峰與當地海岸線之間的夾角);1和2為無量綱參數, 定義如下:

, (4)

式中:表示海水密度;s為沙的密度;為海灘的孔隙率; tan為在沿岸輸沙作用下的海灘平均坡度; 常數1.416為有效波高向均方根波高的轉化系數;1、2為控制沿岸輸沙率大小的調整參數, 具體可根據模擬結果來調整。

STWAVE是一個基于波作用平衡方程的有限差分模型, 控制方程為:

式中:a為波速;g為群波波速;為波浪正交方向;為波向線方向(能量傳播的方向);ω為相對角頻率;ω為絕對角頻率;為波能密度;為能量的源、匯項[6, 8-9]。

3 模型的建立和參數設置

模型模擬區域采用的是矩形網格, 見圖2。圖中白色點為人工沙灘竣工后岸線點, 藍色點為水深測站, 右側為陸地, 左側為海洋, 沿岸縱向代表模型的軸, 橫向代表模型的軸。模擬區域計算網格的軸大致垂直于岸線方向(軸與正北方向夾角72°), 長度為1 300 m, 且向海側的水深取16 m;軸與軸垂直, 長度為2 350 m, 其網格間距設定為25 m。

GENESIS模型需要的波浪由外海傳到近岸區的波浪參數通過STWAVE模型來確定, STWAVE模型根據實測波浪數據將模擬結果表示為不同波高、周期、波向的波浪事件組合共同作用于模擬區域, STWAVE模擬后得到處理校正的波浪條件, 并輸入GENESIS模型。

波浪數據采用鶯歌海海洋站長期的統計波浪數據, 該海域波浪以風浪為主, 風浪常浪向是SE, 其頻率為19%, 次常浪向是SSE, 其頻率是12%, 涌浪的常浪向是S, 其頻率為14%, 次常涌浪向是SSW, 其頻率為7%。全年波浪常浪向為S向, 其頻率為18%, 次常浪向是SE向, 頻率為15%。強浪向是SE, 最大波高值9.0 m, 次強浪向是S和SSW, 它們的最大波高都是7.0 m。N和NE向的平均波高值最大, 為1.0 m, NNE和WSW向平均波高值次之, 為0.9 m[7]。波浪玫瑰圖見圖3。

圖3 波浪玫瑰圖

根據上述鶯歌海海洋站長期(1967—2006年)的統計波浪數據, 利用軟件統計波浪有效平均數據, 輸入GENESIS模型, 建立波浪模擬區域邊界, 并對有效波浪數據進行篩選, 形成模擬研究區域的波浪場, 最后輸入STWAVE模型進行模擬計算。

圖4是通過STWAVE模型模擬后所展示的是波高1.0 m, 周期4.11 s, 波向61.71°的常浪向的波場事件, 輪廓線為等波高線, 箭頭表示波矢。

根據工程方案及相關資料數據[3], 確定GENESIS模型參數: 閉合水深C=4 m, 灘肩高度B=3 m, 中值粒徑50=0.5 mm, 經驗參數1=0.6, 經驗參數2=0.5。

同時為了使數值模擬能盡可能更好地還原實際情況, 在GENESIS模型中對項目現狀海灘情況進行了必要的處理: 項目南側施工通道、北攔沙堤、漁港防波堤擬化為海堤、防波堤, 離岸堤1、離岸堤2、離岸堤3擬化為離岸堤。圖5所展示的為最終確定并建立好的GENESIS模型。

圖4 STWAVE模擬波浪場

Fig. 4 STWAVE wave field simulation

4 項目GENESIS模型的驗證

為了能有效地驗證GENESIS模型對鶯歌海人工沙灘項目方案的適用性以及模型結果的可靠性, 本文首先使用模型模擬了人工沙灘工程后1年的岸線變化情況, 其次分別采用了實測岸線對比、實測地形對比、現狀沿岸輸沙趨勢模擬三種方法進行了對比驗證。

4.1 實測岸線對比驗證

鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程于2016年一年時間施工完成, 在2017年對工程竣工后的岸線和岸灘地形進行了監測。因此使用2017年鶯歌海三鶯村岸段實測岸線對GENESIS模型驗證。圖6可以看出, 模型模擬工程后1年的岸線變化趨勢與實測岸線基本是一致的。區別較大的岸線段主要集中在施工通道南側岸線, 這是因為施工通道南側岸線段存在人為堆積施工砂, 由此顯示該岸線段岸線淤積幅度較大。

圖5 鶯歌海人工沙灘工程后GENESIS模型

4.2 實測地形對比驗證

使用鶯歌海三鶯村岸段2015年(施工前)水下地形測量數據與2017年(竣工第一年)水下地形測量數據進行對比驗證, 即將鶯歌海人工沙灘工程施工前后的水下地形進行疊加對比。圖7顯示的是人工沙灘工程施工完成一年后, 其所在的區域岸灘地形的沖淤變化。通過疊加模擬岸線, 可以看出模擬岸線的發展趨勢與實測地形展示的侵淤變化趨勢是基本一致的, 其侵蝕、淤積幅度與實測侵淤變化圖顯示的侵淤幅度能較好地擬合, 局部存在偏差。主要原因是施工通道南側存在施工后人為堆放的施工砂, 由此顯示了偏大的淤積幅度。

4.3 工程后沿岸輸沙模擬驗證

通過軟件模擬分析人工沙灘工程后現狀沿岸輸沙、侵淤變化規律, 再對比驗證模擬岸線變化趨勢。本文使用SMC(coastal modelling system)軟件[10-12], 對鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程后的現狀波浪場、沿岸流場、沿岸輸沙場進行模擬。本次模擬采用的波浪條件為一典型的常浪, 波向S15W, 波高0.7 m, 周期4.1 s, 由鶯歌海海洋站波浪統計資料得出。模擬未考慮風場和潮流因素。圖8、圖9、圖10所示, 在SW向波浪條件作用下, 工程后人工沙灘沿岸區域沿岸流在遇到離岸堤、攔沙堤、漁港防波堤時受阻形成回旋流, 顯示了較為強烈的沿岸流, 北攔沙堤與漁港防波堤之間的沿岸流表現最為明顯, 這也證明了實測地形中該岸段岸線沖淤變化最大。沿岸流大小和方向決定了沿岸輸沙強度和方向, 圖中沿岸輸沙強度和方向與沿岸流的一致, 各離岸堤、攔沙堤之間口門處向陸側岸灘顯示了明顯的沿岸輸沙變化, 而北攔沙堤與漁港防波堤的岸線段表現了更為強烈的沿岸輸沙變化。對比工程后的沿岸流、沿岸輸沙變化與模擬岸線, 可以看出模擬岸線的變化和起伏趨勢與沿岸流、沿岸輸沙變化的方向和趨勢基本是一致的。

圖6 模擬、實測岸線對比驗證

圖7 水下地形對比驗證

5 人工沙灘工程后預測結果

經過上述驗證方法很好地驗證了GENESIS模型, 由此, 使用驗證過的GENESIS模型對鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程后3年、5年內的岸線演變再進行模擬。初始岸線以2016年工程竣工時候的補沙灘肩岸線, 依據設置的參數和實測數據對模型反復率定。圖11為人工沙灘工程后1年、3年、5年內岸線模擬結果。

圖8 波高矢量場

圖9 波生沿岸流場

圖10 沿岸輸沙場

根據工程平面的布置, 由北向南依次布設北攔沙堤、離岸堤1、離岸堤2、離岸堤3。而從現狀所知, 離岸堤3與陸域之間設有施工通道, 施工通道海域屬性為非透水性質, 使得離岸堤3與施工通道連成一體形成似一個防波攔沙堤。由此, 項目區岸段內形成了一個合圍的狀態, 經過數值模擬, 很明顯可以看出岸線今后將形成凹凸彎曲的岸線, 表明了岸線侵蝕淤漲的變化較大。從圖中看出, 在南側離岸堤3和施工通道的影響作用下, 其掩蔽區為波影區, 岸線向海推進, 形成淤積岸線。泥沙向北輸運, 至離岸堤2和離岸堤1處時, 由于離岸堤的遮蔽作用, 在其掩蔽區內岸線向海推進、突起, 從3年、5年后岸線的變化趨勢, 可以看出離岸堤2處突起區比之離岸堤1突起區相對小一些, 這也表明了泥沙主要的輸運方向是由南向北。而對于沒有遮蔽作用的岸線段, 岸線侵蝕后退, 但未達到工程前岸線位置(補沙寬度約70 m)。泥沙輸運至北側攔沙堤處時, 受到攔沙堤的遮蔽作用, 其掩蔽區同樣是波影區, 岸線向海推進淤漲, 形成淤積。受到主波向浪的作用, 岸線自北攔沙堤開始侵蝕后退, 且侵蝕幅度較大, 工程后一年內岸線侵蝕后退最大幅度約90 m。但由于漁港防波堤的遮擋作用, 在防波堤堤腳處泥沙堆積、岸線向海推進, 形成淤積區。由此, 表明鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程對于北攔沙堤與漁港防波堤之間的岸段岸線的影響是較大, 后期應注重對此岸段沙灘區的補沙工作。

圖11 人工沙灘工程后5年內岸線演變模擬結果

6 結語

本文以海南樂東鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程為例, 利用GENESIS模型對該人工沙灘工程后的岸線演變進行了研究分析。首次嘗試了以實測岸線對比、實測地形對比、現狀沿岸輸沙趨勢模擬三種方法對GENESIS模型進行驗證, 其驗證結果顯示基本是一致的。由此表明, GENESIS岸線演變模型對于包圍式(攔沙堤和離岸堤結合方式)人工沙灘修復工程后岸線演變研究是適用的。據此, 通過岸線演變模型(GENESIS模型)對鶯歌海三鶯村岸段人工沙灘工程后1年、3年、5年內的岸線演變進行數值模擬, 項目區岸段內的一個合圍的狀態下, 補沙岸線今后將形成凹凸彎曲的岸線, 表明了岸線侵蝕淤漲的變化。但岸線侵淤變化較大的主要是集中在北攔沙堤與漁港防波堤之間的岸線段, 這說明人工沙灘工程對于鄰近岸線的影響大于本身補沙岸線的影響。

根據模擬結果可以知道, 人工沙灘工程內的補沙岸線(灘肩岸線)后期需要定期的進行維護, 同時工程對本身岸線的影響遠小于對工程鄰近自然岸線的影響, 結合到本工程的實際情況, 建議后期在維護人工沙灘工程內沙灘時, 需要注重和加強對鄰近岸線沙灘的監測和維護工作。

通過本文研究分析, GENESIS岸線演變模型對于人工沙灘養護后期沙灘的演變研究是值得使用的研究手段, 這也為人工沙灘后的預期效果發展的認識和評估提供了科學依據。

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Shoreline numerical simulation and model verification methods of artificial beach in Sanyingcun bank, Yinggehai

CHEN Hai-zhou, XIE Lin

(Hainan Academy of Ocean and Fisheries Sciences, Haikou 571126, China)

This paper presents a case study on an artificial beach project in Sanyingcun bank, Yinggehai. According to measured shoreline results in the first year after the completion of the project, the evolution of the shoreline after the development of the artificial beach needs to be further studied and analyzed. This study uses generalized model for simulating shoreline change (GENESIS) to simulate shoreline changes after the creation of the artificial beach. Then, three methods are used to verify the model. Based on the verified model, this study analyzes the shoreline evolution one year, three years, and five years after the completion of the artificial beach project.Results show that the GENESIS model is applicable for the artificial beach project through a combination of sand-blocking dikes and offshore breakwaters. One year after the creation of the artificial beach, the nourishment shoreline takes a concave–convex form characterized by erosion and siltation changes, but not in a wide range. After five years, the rate of erosion and siltation slows down and gradually becomes balanced. Thus, this study can be an important reference for implementing beach nourishment strategies after the project completion.

Yinggehai; artificial beach nourishment; shoreline evolution; numerical simulation; model verification

Apr. 8, 2019

[Funds of the Central Treasury for the Protection of Oceanic Islands and Sea Areas, No. 612 [2016] of the State Oceanic Administration]

P753

A

1000-3096(2020)04-0044-08

10.11759/hykx20190408001

2019-04-08;

2019-11-18

中央海島和海域保護資金支持項目(國海辦字[2016]612號)

陳海洲(1982-), 男, 高級工程師, 碩士, 從事海洋工程、海洋地質研究工作, E-mail: chenhaiz@163.com; 謝琳(1980-),

, 男, 高級工程師, 碩士, 從事港口碼頭工程研究工作, E-mail: 57536385@qq.com

(本文編輯: 劉珊珊)