“海鷗”臺(tái)風(fēng)下人工島對(duì)海口灣岸灘侵蝕的影響分析

鄒凱 朱良生

摘 ? ?要：“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)?？跒吃斐闪藝?yán)重的破壞，研究“海鷗”臺(tái)風(fēng)對(duì)?？跒嘲稙┣治g的主要成因?qū)？跒嘲稙┬迯?fù)和人工島建設(shè)具有重要意義。本文通過對(duì)海南?？跒嘲稙┈F(xiàn)場踏勘、實(shí)例比較和數(shù)值計(jì)算，探討了?？跒橙斯u建成前后該處岸灘對(duì)“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明：在2014年9月“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過境期間，?？跒嘲稙┍伙@著侵蝕是發(fā)生在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)浪過程、風(fēng)暴潮和天文潮高潮疊加的情況;海口灣岸灘各段被顯著侵蝕具有風(fēng)暴剖面特征;人工島具有消波作用，減少了岸灘侵蝕。人工島建成后沿岸輸沙引起的岸灘進(jìn)退在0.6m以內(nèi)，人工島不是此次?？跒嘲稙┍伙@著侵蝕的主要原因。

關(guān)鍵詞：人工島;臺(tái)風(fēng)響應(yīng);岸灘侵蝕;?？跒?/p>

中圖分類號(hào)：P731.2 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The strong typhoon Kalmaegi caused severe damage to Haikou Bay in Hainan province. The analysis of the main causes of the severe beach erosion in Haikou Bay during the typhoon is of great significance to the beach restoration and manmade island construction in Haikou Bay. By comparing the data obtained in field investigation， example comparison and numerical simulation such as wave dynamical field， longshore transport and beach evolution， the response feature of the beach to the typhoon Kalmaegi before and after the construction of the manmade island is discussed. The results show that during the passage of typhoon Kalmaegi in September 2014， the significant beach erosion occurred in the process of typhoon strong wave and the superposition of typhoon surge and astronomic tide. The significant erosion of each section of Haikou bay bank has the characteristics of "storm profile"， and the manmade island has a decaying wave effect， reducing the beach erosion. After the construction of the manmade island， the beach retreat caused by longshore transport is within 0.6m and manmade island is not the main cause of the significant erosion of Haikou Bay beach.

Key words： Manmade island; ?Typhoon response; ?Beach erosion; ?Haikou Bay

1 ? ?前言

臺(tái)風(fēng)對(duì)岸灘侵蝕產(chǎn)生較大影響[1]。2014年9月的“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)海口灣造成了嚴(yán)重的破壞，它不僅摧毀護(hù)堤和護(hù)坡， 而且還強(qiáng)烈地沖刷岸灘沉積物， 使原有海灘剖面發(fā)生急劇變形。

田會(huì)波等基于實(shí)測資料，討論了萬寧東部海岸的侵蝕規(guī)律與特征，季節(jié)上呈現(xiàn)夏秋侵蝕、冬春淤積，年際上總體呈現(xiàn)侵蝕狀態(tài)[2];邸有鵬等基于遙感資料分析了海南博鰲灣和邦塘灣岸線的演變情況，并計(jì)算了不同岸段在各個(gè)時(shí)期的海岸侵蝕速率[3];丁瑞等以“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)為例，分析了條件變化對(duì)海口灣風(fēng)暴增水的影響[4]。張博文等通過數(shù)學(xué)模型，分析了“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下近海最大增水、波高分布特征[5];龔昊等根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，對(duì)比分析了“1409”號(hào)臺(tái)風(fēng)和“海鷗”號(hào)臺(tái)風(fēng)登陸前后海南島東北部海灘侵蝕與恢復(fù)對(duì)連續(xù)臺(tái)風(fēng)的復(fù)雜響應(yīng)[6]。上述這些研究，尚缺乏“海鷗”號(hào)臺(tái)風(fēng)對(duì)?？跒嘲稙┰斐蓢?yán)重侵蝕的主要成因分析。

?？跒呈俏挥诤？谑斜辈凯傊莺{中段南側(cè)、向北敞開的螺線海灣，2013年在?？跒澄鱾?cè)的雙灘區(qū)域及附近海域建有南海明珠人工島。“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間，海口灣岸灘產(chǎn)生嚴(yán)重侵蝕的主要成因是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)浪過程還是人工島的影響，結(jié)論對(duì)?？跒嘲稙┬迯?fù)和人工島建設(shè)都具有重要參考意義。本文通過對(duì)?？跒超F(xiàn)場踏勘、動(dòng)力分析、數(shù)值計(jì)算及實(shí)例比較，分析“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下對(duì)海口灣岸灘侵蝕的成因和人工島的影響。

2 ? ?海口灣區(qū)域地貌特征

2.1 ? ?？跒硡^(qū)域地貌基本特征

?？跒硸|西兩側(cè)岬角分別為南渡江三角洲（海甸島）沙泥堆積體和新海玄武巖基巖岬角，使?？跒吵蔀橐粋€(gè)向陸凹進(jìn)的海灣。?？跒嘲毒€長約20.5 km、口門寬約12.5 km、水深大部分小于5 m、水下地形向北傾斜，灣內(nèi)大部分為淺灘地貌，唯海灣西端向西北方向有砂質(zhì)雙灘凸起，雙灘之上有幾個(gè)淺丘，如圖1所示。

?？跒车踪|(zhì)為東西向帶狀分布，西部海域2～5 m等深線范圍內(nèi)底質(zhì)以細(xì)、粉砂為主，呈NW-SE向延伸;雙灘以中砂為主，呈SE向?yàn)硟?nèi)舌狀分布;西部沿岸海灘以中砂為主;北部、東南海域以細(xì)、粉砂為主;同一海灘剖面在平均低潮位以上;從上部至下部由陸向海方向?yàn)┟嫖镔|(zhì)的中值粒徑增大，粗顆粒在激浪帶的上部堆積。

?？跒车恼诒味?、過渡段主要為人工岸線，分布有美麗沙圍墾區(qū)、?？谛赂邸⑿阌⒏鄣?，切線段長約8 km，沿岸均為砂質(zhì)海灘。2013年完成的南海明珠人工島一期工程地處海口灣西側(cè)的雙灘區(qū)域及附近海域，所在海域的水深大約為0.7～15 m、平均水深6.9 m。人工島最終填海造地約2.6 km2， 分兩期建設(shè)。

2.2 ? 海口灣區(qū)域水動(dòng)力基本特征

?？跒澈Ｓ虺Ｄ晔蹺至NW方向波浪影響，以東北季風(fēng)形成的波浪最為顯著，即10月至翌年3月波浪作用最強(qiáng)。全年以風(fēng)浪為主，風(fēng)浪占76%～85%、涌浪占14%～23%、波向出現(xiàn)率最多的方向?yàn)镹NE和NE，頻率分別占40.4%和12.4%;年平均波高（H 1/10）為0.5 m、平均周期小于5 s。

?？跒承阌⒏鄢毕禂?shù)F=3.92，屬非正規(guī)日潮混合潮，平均潮差1.1 m、最大潮差3.6 m。歷史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、極端高水位（50年一遇）為3.14 m、設(shè)計(jì)高水位為1.71 m。潮流為往復(fù)流形式，方向基本上呈W-E 向。潮流流速由灣頂向?yàn)晨谥饾u變大，灣口最大漲潮流速可達(dá)1.5 m/s，灣頂最大漲潮流速可達(dá)0.5 m/s。

3 ? ?？跒吃凇昂ｚt”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程中的岸灘侵蝕與波浪場

3.1 ? 海岸侵蝕現(xiàn)場踏勘與分析

“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)?？跒澈弯伹盀吃斐闪藝?yán)重的破壞，它不僅摧毀護(hù)堤和護(hù)坡， 而且還強(qiáng)烈地沖刷岸灘沉積物， 使原有海灘剖面發(fā)生急劇變形：

（1）從圖2 ?a）可以看出：在“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過后，西海岸帶狀公園片區(qū)的自然沙灘出現(xiàn)侵蝕并形成了沙壩，其具有風(fēng)暴剖面特征;沿岸沙壩形成于風(fēng)暴期破波點(diǎn)附近，卷破波是形成沿岸沙壩的主要原因，卷破波的水舌向下沖擊時(shí)形成一個(gè)深槽，在其向海一側(cè)就形成了沿岸沙壩;

（2）從圖2 ?b）可以看出：“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過后，觀海臺(tái)片區(qū)護(hù)岸前出現(xiàn)侵蝕，潮位創(chuàng)歷史新高，建筑物前水深較大形成立波，沖刷坑逐步發(fā)展而不出現(xiàn)回淤現(xiàn)象，因?yàn)榉瓷洳ㄐ纬傻幕亓魇勾裁婺嗌诚蚝］斔?，發(fā)生嚴(yán)重沖刷;

（3）從圖2 ?c）、圖2 ?d）可以看出：在“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過后，東海岸魯能開發(fā)片區(qū)的自然沙灘與護(hù)岸前沙灘受到顯著侵蝕并形成沙壩。通過推土機(jī)把沙壩的沙推回到侵蝕的岸灘，說明了該岸灘變化為隨臺(tái)風(fēng)大浪而作的短期的岸灘剖面演變，即風(fēng)暴剖面是通過泥沙橫向運(yùn)動(dòng)形成的。

3.2 ? 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)波浪特征

采用第三代海浪模式（swan）數(shù)值模擬“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)波浪過程。臺(tái)風(fēng)在瓊州海峽東南向西北方向移動(dòng)，由于工程海域距臺(tái)風(fēng)中心最近距離為4 km，風(fēng)速、風(fēng)向在時(shí)間上產(chǎn)生快速變化。人工島外出現(xiàn)最大有效波高為4.0 m、周期為6.5 s，波高超過10年1遇。

3.3 ? 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)潮位特征

歷史上查到的最高潮水位是1948年的3.30 m、極端高水位（50年一遇）為3.14 m、設(shè)計(jì)高水位為1.71 m。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮與天文大潮疊加，使潮位達(dá)到歷史最高潮位：最大風(fēng)暴增水為 2.09 m;天文大潮高潮位為 1.40 m;海口秀英港潮水位達(dá)到3.42 m，創(chuàng)歷史新高。

4 ? ?岸灘剖面侵淤計(jì)算與成因分析

4.1 ? 沿岸輸沙量計(jì)算

沿岸輸沙是波浪和波導(dǎo)沿岸流共同作用引起的縱向泥沙運(yùn)動(dòng)。在沙質(zhì)海岸上，沿岸輸沙主要發(fā)生在破波帶內(nèi)。沿岸輸沙的機(jī)理是波浪掀沙、沿岸流輸沙。

根據(jù)我國《海港水文規(guī)范》，沿岸輸沙率按下式計(jì)算：

式中：k為常數(shù);ab為破波角;Hb為破波波高;cb為破波波速;ab為破波角;D50為中值粒徑。

把?？跒撤殖?0個(gè)斷面T0～T9，采用人工島建成前后波浪場外海波要素和破碎波要素，分別計(jì)算沿岸輸沙率，見表1和表2。表1、表2中，輸沙率、輸沙量、凈沿岸輸沙量向偏東向岸線為正，向偏西向岸線為負(fù)。

從表1、表2可以看出：各斷面沿岸輸沙量均在12000 m3之內(nèi);受人工島對(duì)波浪影響，T3、T4、T5斷面凈沿岸輸沙量明顯減小，其它斷面受影響較小。

4.2 ? 岸灘變形計(jì)算

岸灘變形模型中采用比較簡單而又成熟的一線模型，取x軸平行于岸線、y軸垂直于岸線、向海為正。岸線變形一線模型方程為：

式中：Q為岸灘輸沙率，采用有限差分法數(shù)值求解。

人工島建成前后大浪過程沿岸輸沙岸線的變化量，見表3、表4。

從表3、表4可知：人工島建成前后，9段岸灘淤積、沖刷量變化分別為-558 m3、-426 m3、5184 m3、-722 m3、-2070 m3、-123 1 m3、-84 m3、-45 m3、119 m3;岸線變化分別為-0.1 m、-0.1 m、-0.6 m、-0.1 m、-0.2 m、-0.1 m、0、0、0。

4.3 ? 岸灘侵蝕分析

（1）岸灘變形是在臺(tái)風(fēng)大浪波動(dòng)力和潮位暴漲的雙重作用下造成的

“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮與天文大潮疊加，達(dá)到歷史最高潮位，而波高也超過10年一遇，且最大波高和最高潮位出現(xiàn)時(shí)間幾乎同步，反映了岸灘變形是在臺(tái)風(fēng)大浪波動(dòng)力和潮位暴漲的雙重作用下造成的。

（2）波浪沿岸輸沙不是岸灘侵蝕的主要原因

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，人工島建成后9段岸段岸線進(jìn)退量分別為-0.8 m、-0.1 m、-0.1 m、0.3 m、-0.2 m、0.1 m、0.0 m、0.0 m、0.7 m，表明波浪沿岸輸沙不是此次?？跒嘲稙┣治g的主要原因。

（3）臺(tái)風(fēng)大浪的向岸-離岸方向泥沙搬運(yùn)的橫向運(yùn)動(dòng)是岸灘侵蝕的主要原因

“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過后，在現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)海口灣岸各段具有風(fēng)暴剖面特征，向岸-離岸方向泥沙搬運(yùn)的橫向運(yùn)動(dòng)是造成海灘剖面短期變化的主要因素。文獻(xiàn)[8， 9]給出了9914號(hào)和8616號(hào)2個(gè)臺(tái)風(fēng)分別在廈門島、廣東水東灣侵蝕實(shí)例，海灘變形是在臺(tái)風(fēng)大浪波動(dòng)力和潮位暴漲的雙重作用下造成的。

（4）人工島不是?？跒嘲稙┣治g的主要原因

人工島對(duì)海口灣波浪具有消波作用，在人工島波影區(qū)波浪顯著減小，其它岸線波浪不變或略有減小。波浪沿岸輸沙與岸灘變形計(jì)算表明，人工島在波影區(qū)外岸灘引起的岸線后退在0.2 m之內(nèi)。

?？跂|部岸灘魯能開發(fā)區(qū)，該處附近沒有人工島，而在“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下自然沙灘、護(hù)岸前沙灘侵蝕顯著并形成沙壩，說明臺(tái)風(fēng)下自然沙灘、護(hù)岸前沙灘顯著侵蝕與人工島存在與否沒有直接關(guān)系。

5 ? ?結(jié)語

本文通過對(duì)海南?？跒嘲稙┈F(xiàn)場踏勘、實(shí)例比較和數(shù)值計(jì)算波浪動(dòng)力場、沿岸輸沙和岸灘演變，探討了人工島建成前后該處岸灘對(duì)“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)特征。

研究結(jié)果表明：在2014年9月“海鷗”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過境期間，?？跒嘲稙╋@著侵蝕發(fā)生在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)浪過程、風(fēng)暴潮和天文潮高潮疊加情況，波浪達(dá)到10年一遇，水位超過歷史記錄;?？跒嘲陡鞫物@著侵蝕具有風(fēng)暴剖面特征;向岸-離岸方向泥沙搬運(yùn)是海口灣岸灘顯著侵蝕的主要原因;人工島對(duì)?？跒尘哂邢āp少岸灘侵蝕作用。

臺(tái)風(fēng)過程各斷面沿岸輸沙量均在12 000 m3之內(nèi)，在受人工島掩護(hù)影響的斷面凈沿岸輸沙量明顯減小，其它斷面影響較小;人工島建成后受掩護(hù)影響的岸灘減小岸線后退0.6 m，其它各段岸灘增加岸線后退在0.2 m之內(nèi);人工島對(duì)?？跒嘲稙╋@著侵蝕的影響是次要的。

臺(tái)風(fēng)波浪作用下岸灘演變過程是復(fù)雜的，向岸-離岸方向泥沙搬運(yùn)的橫向運(yùn)動(dòng)計(jì)算存在相當(dāng)?shù)睦щy，風(fēng)暴剖面的計(jì)算尚有待于進(jìn)一步研究，但該定性結(jié)論是合理、可靠的。

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