人工礫石海灘變化及輸移率研究

于 躍，蔡 鋒，張 挺，戚洪帥，劉建輝

(1.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116; 2.國家海洋局 海島研究中心，福建 平潭 350400; 3.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

人工礫石海灘變化及輸移率研究

于 躍1，蔡 鋒2，張 挺1，戚洪帥3，劉建輝2

(1.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116; 2.國家海洋局 海島研究中心，福建 平潭 350400; 3.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

在我國采用礫石海灘在某些強動力區域進行海灘養護是一種新的嘗試，具有很好的適用性。以廈門天泉灣人工礫石灘為研究對象，對2015年至2016年間10條海灘剖面開展了5次周期性監測，通過綜合分析，得出在人工礫石灘竣工完成后的一年時間內，灘肩外沿線、岸線及灘面底角的砂礫分界線大幅度后退，灘肩寬度變窄；灘肩外沿線明顯隆起，形成灘肩脊線；灘面坡度變大，且上游側海灘的灘面普遍比下游側海灘的灘面陡，一年后，岸灘整體變化趨于穩定。針對礫石灘不斷向西南方向運移的現狀，采用Leo C.van Rijn輸移率公式計算礫石灘年平均輸移率，并通過測量斷面法、體積變化量法對Leo C.van Rijn公式計算結果進行驗證，得出礫石灘年平均輸移率的范圍約為1 015.66～2 392.5 m3/a。

人工礫石灘；形態演化；輸移率；廈門天泉灣

隨著全球氣候變化、海平面上升、入海河流輸沙減少、近岸工程建設等自然過程和人類活動的加劇，海岸侵蝕日益嚴重[1]。海灘養護作為生態型的一種軟質海岸工程手段日益成為緩解海岸侵蝕問題和保護海岸的重要選擇，是目前國際上較為流行的方法[2-6]。海灘養護不僅能夠有效地解決海岸侵蝕問題，而且通過自身的動態調整使周圍海岸泥沙沖淤達到自然平衡狀態，可極大地改善海岸環境和生態環境[2-6]。

可靠地估算沉積物沿岸輸移率在維護海灘長期穩定性與海灘養護工程的建設具有極大的重要性。目前，應用最廣泛的輸移率公式是CERC公式，但是此公式只應用于砂質海灘[7]。Kamphuis[8]系統地研究了顆粒粒徑與灘面坡度的影響，得出了更為精確的沿岸沉積物輸運方程，但也僅適用于沙灘。Mil-Homens等[9]基于大量的野外調查數據對Kamphuis公式進行了修正，大多數數據點是砂質地區，沒有采用礫石海灘。Tomasicchio等[10]基于大量數據擬合出一套適用于不同粒徑的沉積物沿岸輸移方程組，但此公式未進行獨立驗證。Leo C.van Rijn[11]綜合考慮沉積物粒度、波周期、剖面形狀對沿岸輸移的影響，運用CROSMOR模型計算砂質、礫石海灘的沿岸輸移速率，并將計算結果參數化，得出一個修正公式，適用于0.1～100 mm粒徑范圍內的沉積物，并對修正公式進行了獨立驗證，但并未應用于強潮強動力海岸。廈門天泉灣人工礫石灘是我國首個人工建造的礫石海灘，有關礫石灘的沿岸輸移數據鮮見報道。鑒于我國在這方面的工作存在明顯不足，通過對天泉灣人工礫石灘養護后剖面形態變化分析，總結礫石海灘的演變模式，并根據礫石海灘的輸移速率提出海灘養護周期，希冀為我國未來的類似海岸防護與海灘養護提供參考與指導。

1 研究區概況

研究區位于廈門島東南海岸天泉灣岸段，西起水上運動中心東側，東至白石炮臺西側，岸線長度632 m，坐標范圍：24°25′05.78″N～24°25′31.14″N，118°07′20.39″E～118°07′42.69″E(圖1)。天泉灣人工礫石灘于2014年5月竣工，結合本區域現狀，為有利于養護區域海灘的穩定性，實施養護全長為632 m，灘肩設計高程為4.0 m的礫石灘。鋪設剖面分三層，表層為500 mm厚5～10 cm鵝卵石，次層為800 mm厚無級配鵝卵石，底層為二片石，坡度為1∶5。回填5～10 cm卵石約11 116 m3，無級配卵石約21 490 m3，二片石約24 524 m3，共計57 130 m3石料。

研究區春、夏兩季以SE向風為主，秋、冬兩季以NE向風為主，每年5～6月常有較強的NE或SW向風，平均風力3～4級，最大5～6級，瞬時極大風力可達7～8級。根據2008年11月～2009年11月實測波浪資料，全年的波向主要集中在SE～S向，所占頻率達90.05%，其中以SSE向最多，所占頻率為43.75%，為常浪向；次浪向為SE，所占頻率37.15%。春、夏、秋三季常浪向均為SSE向，頻率分別占45.28%、35.9%和57.99%；冬季常浪向為SE向，頻率占45.89%。春、夏兩季強浪向為SE向，秋季和冬季強浪向為SSE向。研究區潮汐類型為正規半日潮，多年平均潮差為4.01m，歷年最大潮差達6.92 m，潮汐動力作用非常明顯，屬于強潮強動力海岸[12]。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of the study area

2 資料與分析方法

2.1剖面測量

以監測期選定的典型剖面樁點作為放樣起點，利用RTK進行海灘剖面形態周期性測量，從2015年3月至2016年5月共開展了5次海灘剖面測量，測量時間選擇在當日最低潮，每次測量沿著放樣剖面線行進，行進時左右偏差距離不大于10 cm，每條剖面測量兩次。通過疊加不同時期的剖面形態進行統計分析，研究其變化特征。

2.2有效波高、波周期的計算

根據廈門海洋站1995～2005年實測潮位統計資料、廈門氣象臺1980～2007年風速風向統計資料，以及廈門珍珠灣2008年11月～2009年11月波浪觀測資料，結合海岸地形資料通過SWAN模型模擬計算天泉灣整體波浪場分布。為更加準確地反映局部地形變化，在對該區域的地形概化和數值差分過程中，采用最大邊長約10 m的小尺寸三角形網格，區域以外則采用最大邊長約100 m的大網格。模型計算時，時間步長取為60 s，波浪破碎的破波參數γ=0.8，繞射系數取為1，繞射步長也取為1。折射、繞射變形后波周期保持不變。

2.3礫石灘輸移率測量與計算

首先，根據計算出的有效波高、波周期及礫石灘相關特征資料，采用Leo C.van Rijn公式計算礫石灘年平均輸移率；然后，對礫石灘運移區進行實地勘測，運用測量斷面法與體積變化量法對Leo C.van Rijn公式計算結果進行驗證，綜合考慮不同方法造成誤差的影響。最后，得出人工礫石灘的年平均輸移率范圍。

3 結 果

3.1人工礫石灘剖面形態變化

人工礫石灘的10條監測剖面位置如圖1所示，本文選取其中5條作為典型剖面，對比分析不同時期TQW_P2、TQW_P3、TQW_P5、TQW_P7、TQW_P8剖面變化圖，見圖2，并計算得出每條剖面的灘肩寬度變化量及灘面坡度變化情況。在人工礫石灘竣工完成的一年時間內，礫石灘形態變化劇烈，整體上表現出灘肩外沿線、岸線及灘面底角的砂礫分界線大幅度后退(從圖中可以清楚的看到每條剖面線在平均海平面附近存在明顯的拐角，即是砂礫分界線點)；灘肩寬度明顯變窄；灘肩外沿線明顯隆起，形成灘肩脊線；灘面坡度變大。

2015年3月對礫石灘監測剖面進行第一次測量，與竣工時剖面相比，施工灘肩普遍向岸侵蝕，其中TQW_P2 、TQW_P3剖面灘肩寬度減少5 m左右，所處區域侵蝕最為嚴重，整個海灘呈現東側侵蝕較弱，西側侵蝕稍強的態勢，見圖3。相較于2015年3月，2015年8月的剖面數據顯示，5條監測剖面中有4條剖面的灘肩寬度增加，僅TQW_P3剖面繼續蝕退，但侵蝕速率與前一年相比較明顯下降，可以看出，五個月的時間內，礫石灘剖面的灘肩寬度整體變化不大，東側剖面灘肩寬度增長量略大于西側剖面。2015年8月至10月，5條典型剖面全部侵蝕，灘肩寬度大幅度減小，蝕退量在8.9%～26.3%的范圍內，其中礫石灘西側TQW_P2剖面蝕退距離最大。2016年1月數據表明，5條監測剖面灘肩寬度全部增長，TQW_P2、TQW_P5剖面灘肩寬度變化量在10%左右，其余三條剖面變化較小，增長量在0～4%的范圍內，在這段時間內礫石灘表現整體較穩定，灘肩寬度變化較弱。2016年5月對研究區進行最后一次測量，與2016年1月數據相比較，僅有TQW_P7剖面的灘肩寬度減小了0.8 m ，TQW_P2、TQW_P8剖面灘肩寬度增長幅度最大，漲幅在20%左右，TQW_P3、TQW_P5剖面灘肩寬度增長量在10%以內，變化相對較弱，可見礫石灘整體上還是處于緩慢調整的狀態，灘肩寬度在緩慢增加。

礫石灘灘面坡度變化數據圖表明，剖面坡度變化量范圍較大，不同階段的變化趨勢有著較大的差別，見圖4。2015年10月與8月相比較，礫石灘的灘面坡度總體上變緩，僅有TQW_P5剖面變陡，坡度變化范圍為-20.8%～4.4%，其中TQW_P1、TQW_P2剖面處的灘面坡度變化最大，變化量在-20%左右。2016年5月與1月相比較，礫石灘兩側剖面的灘面坡度變化有著明顯的差異，東側海灘的灘面坡度變化量多為負值，坡面變緩，而西側海灘的灘面坡度變化量多為正值，說明坡面變陡，且總體上東側海灘的坡度變化幅度比西側海灘的稍大。

圖2 人工礫石灘剖面形態變化Fig.2 Comparison of beach profiles

圖3 礫石灘剖面灘肩寬度變化示意Fig.3 Berm width changes of beach profiles

圖4 礫石灘剖面坡度變化示意Fig.4 Slope changes of beach profiles

3.2人工礫石灘輸移率測量與計算

在波浪、潮汐共同因素的作用下，人工礫石灘不斷地向西南方向運移，平面形態一直發生改變，運移區平面形態類似于楔形狀。運移區礫石分為兩部分：一部分堆積在沙灘上層；另一部分掩埋在沙灘下層，形成沙礫混合體。表層礫石面積約為4 681.26 m2，水平直線長度約為273.62 m，見圖5。

圖5 礫石灘運移區照片Fig.5 Photos of the transport area

3.2.1 Leo C.van Rijn公式法

Leo C.van Rijn[10]通過大量的室內實驗和現場野外調查數據發現波浪周期、礫石粒徑、灘面坡度等因素對卵礫石的沿岸輸移率有著決定性的影響，基于CROSMOR模型的驗證結果建立卵礫石沿岸輸移率公式：

式中：Qt為卵礫石沿岸輸移速率(m3/s)，tanβ為灘面坡度，Hs,br為破波帶的有效波高(m)，θbr為破波帶的波向角度，d50為卵礫石的中值粒徑(m)，g為重力加速度(m/s2)。

圖6 波浪場計算范圍示意Fig.6 The range of wave field calculation

該區波浪以風浪為主，所以可以通過風速推求波浪有效波高。工程區域的水深變化較大，深槽、潮溝、水下沙壩、潮流淺灘相間分布，波浪在傳播過程中發生了折射、繞射以及淺水變形等，波高、波向都有很大變化。為了更加精確地模擬工程區的波浪場特征，波浪場數值模擬區域包括廈門灣擴大海域和工程區局部海域[11]，見圖6，同時對SWAN模型計算的有效波高結果進行了驗證，見圖7。

圖7 有效波高驗證Fig.7 The verification of Hs

波浪場數值模擬的主要方向包括E、SE、S、SW向。模型計算時，采用的初始風、波浪條件考慮了在計算主方向順時針22.5°角度上的歸并。具體采用資料見表1和表2，各方向年平均實測波浪場計算水位采用平均水位(85高程0.36 m)。

表1 采用的風條件Tab.1 The wind conditions in study area

表2 采用的初始邊界處波浪條件Tab.2 The wave condition at the initial boundary

由上述確定的計算參數、計算公式及數值模式，對E(ESE)、SE(SSE)、S(SSW)向采用外海開邊界波浪條件進行波浪傳播變形計算，計算時對主方向順時針22.5°范圍內多方位入射計算，以尋找最不利波浪入射方向，其它影響方向按照風成浪方法計算。取水深約0.6 m的近岸破波水深點為代表點，計算結果見表3，各方向Hs波高等值線分布見圖8。

根據上述計算結果及基礎數據，可知式(1)各參數取值：灘面坡度tanβ=0.2；重力加速度g=9.8 m/s2；礫石中值粒徑d50=0.06 m；將SE和SW向的有效波高分別帶入式(1)中計算不同方向上的礫石年輸移率(表4)，從而得到礫石灘的年凈輸移率為Qnet=1 349.7m3/a。

表3 天泉灣代表點波浪計算結果Tab.3 The wave calculation results of the representative points

表4 不同方向上礫石年輸移率統計表 m3/aTab.4 The annual transport rate of gravels in different directions m3/a

圖8 Hs波高等值線分布Fig.8 Wave height distribution in study area

3.2.2 測量斷面法

2016年5月對礫石灘運移區進行了實地勘測。勘測過程中用6條剖面線將礫石灘運移區大致平均分成7個區域，每條剖面線間隔約為40 m(圖9)。

圖9 礫石灘運移區勘測剖面Fig.9 Survey profiles in migration area

沿著每條剖面線，每隔5 m作為一個測量點，用鐵鏟向下挖取沙灘掩埋的礫石，直至挖到沒有礫石出現，用標尺測量其深度，然后畫出6條剖面線上掩埋在沙灘下面的礫石斷面圖，得到的斷面面積即為每條剖面下掩埋礫石的單寬體積量，P1至P6剖面的單寬體積量分別為：8.2、7.15、5.35、3.69、2.45及1.86 m3/m。考慮砂礫混合時，礫石統計所占體積比例約為0.75，則掩埋在沙灘下礫石的體積量為861 m3。通過測量得到沙灘上層礫石堆積平均厚度為25 cm，則沙灘上層礫石體積量為1 170.32 m3。綜上可得，礫石灘運移區礫石總體積量為2 031.32 m3，則年輸移率為1 015.66 m3/a。

3.2.3 體積變化量法

根據測量基礎數據，繪制竣工時及2016年5月礫石灘地形圖，見圖10，圖中X、Y軸分別表示大地坐標的經度、緯度方向，Z軸表示高程。在同一基準面上計算兩個時期礫石灘的總體積差值，即為人工礫石灘的總侵蝕量，從而得到礫石灘年平均侵蝕量為2 392.5 m3/a。

圖10 人工礫石灘不同時期地形Fig.10 Topographic maps in different periods

4 討 論

4.1形態演變

通過對比分析10條典型剖面形態演化圖，總結強潮強動力作用下人工礫石灘的剖面形態演化模式，見圖11。礫石灘竣工后，礫石呈較為松散的堆積體狀態，在經過一年時間的波浪、潮汐等水動力推動作用下，礫石不斷地被擠壓，空隙率減小，導致灘肩外沿線、岸線及灘面底角的砂礫分界線大幅度后退，灘肩寬度明顯變窄，灘面坡度變大；當波浪拍擊礫石灘面時，可帶動較多的卵礫石向上翻滾至灘肩頂部區域，而在回流過程中，由于滲流、消能等因素，波浪能量減弱不足以從灘肩區域將礫石帶回，導致在灘肩區域發生隆起形成灘脊。竣工兩年后，礫石灘與外界動力環境的動態平衡狀態基本形成，礫石呈擠壓態，灘肩寬度基本保持不變，但在灘脊區域存在明顯的侵蝕區，灘脊礫石減少，灘底角區域也有所侵蝕，這表明在沿岸流的作用下，礫石灘存在較大的輸移量。

圖11 人工礫石灘剖面形態變化模式Fig.11 The morphological change of beach profile

4.2輸移率計算

在波浪、潮汐、人類活動等因素的共同作用下，礫石灘不斷地向西側岸段輸移，已形成明顯的運移區域。本文首先采用Leo C.van Rijn公式進行理論計算礫石灘年平均輸移率，然后利用實地勘測法、體積變化量法對理論計算結果進行驗證，見表5。

通過計算結果可以得出：實地勘測的計算結果與Leo C.van Rijn公式計算結果相差不大，誤差在可控范圍內；采用Surf軟件的體積變化量法與前面兩種方法相比較，誤差較大。由于在進行實地勘測時，無法對所有掩埋在沙灘下面的礫石進行測量，所以其結果一定比實際值偏小。體積變化量法造成較大誤差的原因主要有兩個：第一，計算出的侵蝕量是整個礫石灘的累積侵蝕量，包括礫石灘西側運移區域與礫石灘下部被沙灘掩埋區域兩個部分，計算值比實際值偏大很多；第二，礫石灘竣工后，卵礫石處于自然堆積狀態，孔隙率較大，經過兩年時間的波浪、潮汐及人類活動等外界動力不斷作用，卵礫石堆積體孔隙率逐漸減小，導致兩次體積量差值變大。結合上述分析，Leo C.van Rijn公式法計算值介于測量斷面法、體積變化量法計算結果之間，所以本文認為該人工礫石灘的年平均輸移率范圍為1 015.66～2 392.5 m3/a。

表5 礫石灘年平均輸移率 m3/aTab.5 The annual average transport rate of gravel beach m3/a

4.3養護周期

廈門天泉灣人工礫石灘鋪設各種卵礫石共計57 130 m3。從人工海灘養護周期的角度出發，養灘壽命是指當沉積物流失量占養護總量的50%時所用的時間[2]，當沉積物流失量占一定比例時應及時進行養護，以避免海灘遭受較為嚴重的侵蝕。假設礫石灘年平均輸移率(可能最大值)為2 392.5 m3/a，則本研究區礫石灘的養灘壽命為11年，但是為了更加有效保護海灘及研究區的景觀效果，可提前對礫石灘進行養護，及時對運移區礫石進行回收利用，重新鋪設到礫石灘侵蝕量較強的區域，以確保海灘的長期穩定性。

5 結 語

1) 從剖面形態來看，整體上表現出如下特征：灘肩外沿線、岸線及灘面底角的砂礫分界線大幅度后退，灘肩寬度明顯變窄，灘肩外沿線明顯隆起，形成灘肩脊線，灘面坡度變大；從坡度變化來看，東側海灘的灘面普遍比西側海灘的灘面陡，且變化幅度相對較大。

2) 礫石灘竣工一年后灘肩寬度大幅后退，在灘肩區域隆起形成灘脊，底角區域向海延伸，形成比較平緩的剖面形態；竣工兩年后，灘肩寬度基本保持不變，但是在灘脊區域存在明顯的侵蝕區，灘脊礫石減少，灘底角區域也有所侵蝕，這表明礫石灘存在較大的運移量。

3) 采用Leo C.van Rijn公式法、測量斷面法、體積變化量法計算礫石灘年平均輸移率，計算結果分別為1 349.7、1 015.66及2 392.5 m3/a。Leo C.van Rijn公式法計算值介于測量斷面法、體積變化量法計算結果之間，得出該人工礫石灘的年平均輸移率范圍為1 015.66～2 392.5 m3/a。根據礫石灘的年輸移率，預測人工礫石海灘的壽命超過10年。

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Study on evolution and transport rate of artificial gravel beach

YU Yue1,CAI Feng2,ZHANG Ting1,QI Hongshuai3,LIU Jianhui2

(1.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China; 2.Island Research Center,SOA,Pingtan 350400,China; 3.Third Institute of Oceanography,SOA,Xiamen 361005,China)

The adoption of the artificial gravel beach in macro-tide and strong hydrodynamic coast is a new attempt of beach protection in China.During the period between 2015 and 2016,ten beach profiles were measured and five regular monitoring activities were conducted along the beach in Tianquan Bay,Xiamen.The results indicate that the edge of beach berm,shoreline and the boundary of gravel and sand changed obviously one year after the completion of the artificial gravel beach project.The width of beach berm became narrower,the elevation of berm crest increased with a dome formation,and the beach slope became steeper and showed a variation that the beach slope in the upstream became steeper than it in the downstream.After one year’s evolution,the beach morphology tended to be stable.To study the gravel transportation of the artificial gravel beach,the Leo C.van Rijn formula was used to calculate the average annual transport rate,and the result was verified by beach profile measurement and volume change.The result shows that the annual average transport rate of gravel beach is about 1 015.66～2 392.5 m3/a.

artificial gravel beach; beach morphological evolution; transport rate; Tianquan Bay

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.009

1005-9865(2017)05-0079-09

2016-04-22

國家海洋公益性行業科研專項資助項目(200905008，201405037)；國家自然科學基金青年科學基金項目(41406070)

于 躍(1990-)，男，吉林白城人，碩士研究生，主要從事海岸動力地貌過程研究。E-mail：hdyjzx861656@163.com

蔡 鋒。E-mail：fcai800@126.com