規(guī)則波作用下沙質(zhì)岸灘剖面演變研究*

吉 立，馮 曦，馮衛(wèi)兵，江晨輝

(1.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室(河海大學(xué))，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

沙質(zhì)海岸約為全球海岸線總長度的13%，在全球范圍內(nèi)分布廣泛[1]。波浪作用會對沙質(zhì)岸灘形態(tài)造成影響。近年來，全球70%的沙質(zhì)岸灘處于不同程度的蝕退狀態(tài)，隨著岸灘蝕退進(jìn)程的加快，我國沿海地區(qū)的社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境受到威脅。沙壩的存在會使波浪在離岸較遠(yuǎn)的地方破碎，具有保護(hù)海岸的作用，沙壩運動是海岸泥沙運動的主要表現(xiàn)形式[2]。海岸經(jīng)過長時間的波浪作用和沙壩運動后，與波浪形成相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即為平衡剖面[3]。研究沙壩運動和平衡剖面有助于認(rèn)識海岸的形態(tài)變化，對于了解海岸長期的動力穩(wěn)定狀態(tài)具有重要的指導(dǎo)意義。

沙壩運動是海岸形態(tài)變化的表現(xiàn)形式，平衡剖面是海岸形態(tài)變化的最終歸宿，研究沙壩運動有助于認(rèn)識海岸達(dá)到平衡狀態(tài)前的運動形式。對于沙壩運動，目前存在2種理論，即強迫響應(yīng)理論[4]和自組織理論[5]。強迫響應(yīng)理論認(rèn)為，沙壩的形成是流體動力強制作用的被動響應(yīng)，波浪破碎會影響沙壩的離岸位置和高度；而自組織理論則認(rèn)為，海岸剖面形態(tài)本身具有不穩(wěn)定性，任意微小的擾動都會對其造成影響，其自身不斷發(fā)展最終形成沙壩剖面。

國內(nèi)外學(xué)者對海岸形態(tài)開展了深入研究:Hsu[6]提出任意角度的波浪均可以使海岸形成平衡剖面，總結(jié)出離岸沙壩運動的計算公式；Günaydin[7]在此基礎(chǔ)上研究沙壩在波浪作用下的運動規(guī)律，系統(tǒng)考慮不同類型的波浪對沙壩運動和平衡剖面的影響。隨著對沙壩運動認(rèn)識的提高，許多學(xué)者提出海岸平衡剖面模型，主要包括有Dean模型[8]、Bodge模型[9]、Lee模型[10]、Larson-Kraus模型[11]。國內(nèi)學(xué)者也對海岸形態(tài)的變化進(jìn)行了研究：茍大旬等[12-13]對沙壩的產(chǎn)生和運動規(guī)律進(jìn)行研究，同時對海岸剖面的恢復(fù)展開討論；蔣昌波[14]對不同的波浪動力因素下沙質(zhì)岸灘的演變規(guī)律進(jìn)行深入研究。

本文對沙質(zhì)岸灘的形態(tài)變化展開研究，綜合考慮水深、周期以及海岸植被對沙質(zhì)岸灘剖面演變的影響，旨在探究沙質(zhì)岸灘在不同情況下的演變規(guī)律，得出最大沖刷深度、最大淤積深度、沖刷面積和淤積面積的變化情況。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)備與布置

試驗在河海大學(xué)海工實驗室波浪水槽中進(jìn)行，試驗水槽全長80 m，寬0.5 m，高1.2 m，水槽配有造波系統(tǒng)。試驗布置如圖1所示，設(shè)斜坡的起點為原點，波浪傳播方向設(shè)為x軸正方向，豎直向上為z軸正方向，建立平面二維坐標(biāo)系。試驗中采用DJ800型波高采集系統(tǒng)測量沿程波高值，采用武漢大學(xué)開發(fā)的URI-IIU型高精度河床模型地形測量儀進(jìn)行地形剖面測量。

圖1 試驗布置

試驗采用概化模型，以1:10的單一沙質(zhì)斜坡為岸灘地形，斜坡起點為設(shè)定原點，使用中值粒徑0.34 mm、密度2.65 t/m3的天然沙，沙子的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10，為1.173，曲率系數(shù)Cc=d30/(d60/d10)，為0.995。

本次試驗設(shè)定水深h=30、45和60 cm，周期T=1和2 s，波高H=10 cm，采用光灘和有植被覆蓋2種形式，有植被覆蓋的覆蓋率為9.43%。植被覆蓋方法采用剛性小木桿模擬剛性植物，木桿半徑為0.5 cm，在每100 cm2分布有12根木桿。植被覆蓋實物與計算如圖2所示。

圖2 植被覆蓋(單位：mm)

試驗組次命名方式如下，以水深h=30 cm，周期T=1 s，波高H=10 cm的光灘為例，試驗組次命名為GT-h30T1，GT代表光灘，h30代表水深為30 cm，T1代表周期為1 s，因波高均為10 cm，故在此命名方式中不體現(xiàn)波高的大小，植被覆蓋率9.43%的前綴則為ZB，后綴數(shù)字與前面命名方式相同。不同組次試驗工況均以此方式命名。需要注意的是，有植被覆蓋時水深不取h=30 cm條件，因為在有植被覆蓋的情況下，h=30 cm時的試驗效果不明顯。試驗工況如表1所示。

表1 試驗工況

1.2 試驗方法與步驟

通過預(yù)備試驗，發(fā)現(xiàn)波浪作用60 min后岸灘剖面形態(tài)趨于穩(wěn)定，形成平衡剖面。因此，每組試驗均進(jìn)行60 min，因波浪在試驗水槽中會形成反射波，故試驗中規(guī)則波采用斷續(xù)造波的方式，每次造波1 min后即停止造波，待水面穩(wěn)定后繼續(xù)造波，重復(fù)以上步驟60次，測量每1 min造波后岸灘的形態(tài)變化。在每組試驗結(jié)束后，將沙坡進(jìn)行攪拌并重新鋪設(shè)，恢復(fù)原始狀態(tài)，再進(jìn)行下一組試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 岸灘形態(tài)變化

根據(jù)地形數(shù)據(jù)，以每10 min為1個變化周期，繪制0～60 min的岸灘形態(tài)變化(圖3)，以期得到岸灘形態(tài)的變化規(guī)律。在圖3中，每10 min的岸灘形態(tài)變化的坡面起點均為0點，將每個時刻的沙壩峰連接，可以得到沙壩的運動軌跡，運動軌跡代表沙壩峰在x方向的運動。

圖3 岸灘形態(tài)隨時間變化

從圖3可知，沙壩形成后并非靜止不動，而是隨時間變化存在離岸和向岸的往復(fù)運動，岸灘存在單一沙壩峰或雙沙壩峰，沙壩峰的位置會隨著水深和周期的變化而改變。對于光灘，當(dāng)h=30 cm和h=45 cm時只存在單一沙壩峰，而當(dāng)h=60 cm時沙壩出現(xiàn)了雙沙壩峰，且第2個沙壩峰都位于灘肩處(距坡面起點500 cm處即為灘肩)。對于植被覆蓋率為9.43%的岸灘，岸灘始終存在雙沙壩峰。當(dāng)植被覆蓋率為9.43%、h=60 cm、T=1 s時，隨著時間的增大，雙沙壩峰逐漸消失，整個沙質(zhì)坡面的變化最為平穩(wěn)，沙質(zhì)坡面達(dá)到平衡剖面狀態(tài)。

2.2 影響岸灘形態(tài)變化的因素

影響岸灘形態(tài)變化的因素有水深、周期等(圖4、5)。

圖4 水深變化時岸灘形態(tài)變化

圖5 周期變化時岸灘形態(tài)變化

從圖4可知，對于光灘面，h=30 cm時只存在單一沙壩峰，沙壩峰x坐標(biāo)為214 cm，在x=350 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn)；h=45 cm時岸灘第2個沙壩峰有出現(xiàn)的趨勢，但不明顯，第1個沙壩峰高度增加，同時開始向岸運動，從x=214 cm運動到x=332 cm處，在x=520 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn)；h=60 cm時，第1個沙壩峰高度減小，第2個沙壩峰開始凸顯，兩沙壩峰相對高度基本一致，在x=660 cm后沙質(zhì)坡面平穩(wěn)。對于植被覆蓋率為9.43%的情況，h=45 cm和h=60 cm情況下均存在雙沙壩峰，h=60 cm的沙質(zhì)坡面更紊亂。可以發(fā)現(xiàn)，隨著水深的增大，單一沙壩峰會演變成雙沙壩峰，整個沙質(zhì)坡面越來越紊亂，且對岸灘的影響也越來越靠岸。

從圖5可知：對于光灘，周期的改變對整個沙質(zhì)坡面基本無影響，沙壩峰位置基本不變；對于植被覆蓋率為9.43%的情況，隨著周期的增大，整個沙質(zhì)坡面變得紊亂，沙壩峰高度增加，對沙質(zhì)坡面的影響略微靠岸。

3 植被對岸灘形態(tài)變化的影響

為了更清晰地反映植被對岸灘形態(tài)變化的影響，取灘面相對變化量Y0=Y最終-Y原始，Y0為正時代表岸灘淤積，Y0為負(fù)時代表岸灘沖刷。圖6為光灘和植被覆蓋率9.43%岸灘形態(tài)相對變化的比較。

圖6 光灘和植被覆蓋率9.43%時岸灘形態(tài)相對變化

從圖6可知，在h=45 cm、T=1s時，有植被覆蓋情況下岸灘的淤積和沖刷都明顯減小，岸灘淤積的相對高度從42 cm減小到35 cm，岸灘沖刷的相對高度從63 cm減小到31 cm，在x=200 cm之前，岸灘整體淤積向離岸方向運動。h=45 cm、T=2 s時，對比光灘，有植被情況下岸灘在x=350 cm前基本無明顯變化，但是x=350 cm后岸灘的淤積顯著增大，岸灘的沖刷略微增大，岸灘淤積的相對高度從39 cm增大到94 cm，岸灘沖刷的相對高度的絕對值從41 cm增大到63 cm。h=60 cm、T=1 s和T=2 s時，在有植被覆蓋的情況下，岸灘的淤積和沖刷均減小，但是減小程度不大。

4 岸灘沖刷與淤積的變化規(guī)律

根據(jù)岸灘形態(tài)的測量結(jié)果，通過matlab計算分析得出最大沖刷深度、最大淤積深度、沖刷面積和淤積面積。表2為不同工況下沖刷與淤積參數(shù)的最終值。

表2 不同工況下沖刷與淤積參數(shù)最終值

4.1 最大沖刷深度和最大淤積深度

圖7為光灘時0～60 min最大沖刷深度和最大淤積高度的變化，圖8為植被覆蓋率9.43%時0～60 min最大沖刷深度和最大淤積高度的變化。

當(dāng)岸灘為光灘時，對于最大沖刷深度，水深為45 cm、周期為1 s(GT-h45T1)的最大沖刷深度最大，最終值為6.269 cm；水深為60 cm、周期為1 s(GT-h60T1)的最大沖刷深度在前20 min達(dá)到6 cm以上，但隨著時間的增加，最大沖刷深度逐漸減小，在60 min時為2.687 cm。其他試驗工況下最大沖刷深度呈波動狀態(tài)，最大沖刷深度的最終值始終在1.8～3.8 cm之間，相差不超過2 cm。

對于最大淤積高度，水深為60 cm、周期為2 s(GT-h60T2)的最大淤積高度初始達(dá)到最大，即10 min時達(dá)到6.368 cm，但是隨著時間的增加，最大淤積高度逐漸減小，最終值為4.179 cm。對于光灘時的6種試驗工況，最大淤積高度的最終值始終在3.0～4.2 cm之間，相差不超過1.2 cm。

圖7 光灘最大沖刷深度和最大淤積高度

圖8 植被覆蓋率9.43%時最大沖刷深度和最大淤積高度

總結(jié)得出，除水深為45 cm、周期為1 s(GT-h45T1)的最大沖刷深度達(dá)到6.269 cm，其余試驗工況的最大沖刷深度的最終值相差始終不超過2 cm，最大淤積高度的最終值始終相差不到1.2 cm。

當(dāng)植被覆蓋率為9.43%時，其變化較大，尤其是水深為45 cm、周期為2 s(ZB-h45T2)試驗工況，最大沖刷深度和最大淤積高度的初始值均較小，分別為4.378 cm和3.134 cm。隨著時間的增加，其最終值分別達(dá)到6.269 cm和9.353 cm。其他試驗工況下最大沖刷深度和最大淤積高度變化較小，最終值相差均不超過2 cm。

4.2 沖刷面積和淤積面積

圖9為光灘時0～60 min淤積面積和沖刷面積的變化，圖10為植被覆蓋率9.43%時0～60 min淤積面積和沖刷面積的變化。

光灘的沖刷面積和淤積面積隨時間的變化不大，整體呈波動狀態(tài)，無明顯的上升或下降。對于沖刷面積，GT-h45T1試驗工況時最大，GT-h30T1試驗工況時最小，分別為481.35和109.75 cm2。

圖9 光灘沖刷面積和淤積面積

圖10 植被覆蓋率9.43%時沖刷面積和淤積面積

對于淤積面積，GT-h45T2試驗工況時最大，GT-h30T1試驗工況時最小，分別為539.19和149.96 cm2?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是沖刷面積還是淤積面積，GT-h30T1試驗工況均為最小值。

當(dāng)植被覆蓋率為9.43%時，ZB-h45T2試驗工況時沖刷面積和淤積面積變化較大，其初始值較小，分別為373.84和364.18 cm2。但是隨著時間的變化，其最終值均達(dá)到最大，分別為571.73和659.40 cm2,均超過570 cm2。ZB-h45T1試驗工況的沖刷面積和淤積面積均為最小，分別為115.43和277.53 cm2。

當(dāng)水深最小且周期T=1 s時，沖刷面積和淤積面積始終最??；而在周期T=2 s試驗工況時，沖刷面積和淤積面積總是較大，除光灘時水深45 cm、周期1 s(GT-h45T1)試驗工況的沖刷面積為最大，其余沖刷面積和淤積面積最大和較大的情況均為周期T=2 s時。

5 結(jié)論

1)在規(guī)則波作用下，沙質(zhì)岸灘會出現(xiàn)沙壩峰，為單一沙壩峰和雙沙壩峰2種存在形式。隨著水深的增加，沙壩峰從單一沙壩峰變化為雙沙壩峰，整個沙質(zhì)坡面越來越紊亂，且沙壩峰發(fā)生向岸運動。周期的增大會使沙質(zhì)坡面變得紊亂，但整體影響不大。

2)當(dāng)植被覆蓋時，岸灘的淤積和沖刷均減小，但當(dāng)水深為60 cm時，植被對岸灘基本無影響。原因如下：①水深過大時，波浪的作用太明顯，已達(dá)到風(fēng)暴潮的效果，植被的影響微乎其微；②植被覆蓋率過小，達(dá)不到維持岸灘平穩(wěn)的效果。

3)當(dāng)植被覆蓋率為9.43%、水深h=60 cm、T=1 s、H=10 cm時(ZB-h60T1)，隨著時間的變化，雙沙壩峰逐漸消失，整個沙質(zhì)坡面的變化最為平穩(wěn)，沙質(zhì)岸灘達(dá)到平衡剖面狀態(tài)。