海灘修復工程影響下的低能海岸波浪能量時空分布特征研究*

溫昌麒 朱 君 蔡 鋒 ① 王立輝 戚洪帥 劉建輝 雷 剛 趙紹華

(1. 自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005; 2. 福建省海洋生態(tài)保護與修復重點實驗室 廈門 361005; 3. 福州大學 土木工程學院 福州 350108)

波浪是塑造海岸地貌的主要動力因素, 波浪能量分布變化將導致海岸地形地貌發(fā)生顯著變化。目前關于波浪能量的研究主要通過數(shù)值模擬分析其時空變化特征。Rusu 等(2009)應用WAM(WAve Modelling project)和 SWAN(Simulating Wave Nearshore)數(shù)學模型對葡萄牙近岸海域波浪場進行了數(shù)值模擬, 分析了該海域波浪能量分布狀況; 劉勁等(2012)基于SWAN 建立了鐵山灣海域風浪數(shù)學模型, 研究了不同風要素組合作用下該海域波浪特征; Mirzaei 等(2014)利用 WAVEWATCH III 模型模擬并分析了1979—2009 年馬來西亞半島東海域波浪能季節(jié)變化與空間分布特點; 朱君等(2017)利用SWAN 模擬并分析了廈門灣波浪能量的時空變化特征; 邱文博等(2019)基于SWAN 和WAVEWATCH III 兩個模型對廣東珠江口海域波浪場進行了嵌套數(shù)值模擬, 分析了該海域波浪要素的時空變化特征。以上關于波浪能量時空變化特征的研究大多針對中能或高能海域, 而聚焦于低能海域的波浪能量分析研究匱乏。此外關于波浪能量人為干預再分配的研究亦有不少, 但主要集中在波浪能量的削弱上(趙桂俠等, 2017; Pranzini et al, 2018; Wang et al, 2018), Daly 等(2014)發(fā)現(xiàn)對于岬灣型海岸波浪折射使得波浪能量輻散, 致使近岸波浪能量將被削弱; Zhu 等(2019)研究了防波堤對于波浪能量的削減作用。對于通過人為干預增加局部海域波浪能量的研究較為少見, 通過合理的海灘修復設計來提高低能海岸波浪能量的研究更為匱乏。

本文以欽州灣茅尾海為例, 基于 SWAN 模型對該海域波浪場進行了周年數(shù)值模擬, 詳細分析了茅尾海低能海灘波浪能量的時空分布特征。在此基礎上探討了該海域主要的波浪能量輸入與耗散過程, 以及海灘修復前后波浪能量的分布變化差異, 研究成果可為弱動力環(huán)境下進行的海灘修復工程提供一定的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

茅尾海位于廣西壯族自治區(qū)欽州市, 東靠北海市, 西側(cè)與防城港市相鄰(圖1)(吳良, 2013)。該海域位于欽州灣頂部的一個內(nèi)灣, 東、西、北三面由陸地環(huán)繞, 南側(cè)與欽州灣相通, 是一個半封閉天然海灣(郭雅瓊等, 2016)。為便于描述, 將茅尾海所在的海域稱為“灣內(nèi)”, 茅尾海口門之外的海域稱為“灣外”。研究區(qū)灣內(nèi)以風浪為主, 灣外涌浪難以傳入, 水動力條件較弱。茅尾海平均有效波高不足 0.2 m, 當風速達8 m/s 時, 有效波高僅0.35 m(李樹華等, 1993), 符合Jackson 等(2002)中關于低能海岸的定義(正常天氣條件下有效波高＜0.25 m; 風速為8.0 m/s 時有效波高＜0.5 m)。

茅尾海由于波浪動力較弱, 泥質(zhì)顆粒易沉積, 砂泥分界線高程較高, 因此該海域海灘修復難度較大,修復后的海灘易發(fā)生泥化。提高修復岸段波浪能量成為在該海域保障修復海灘質(zhì)量的關鍵。茅尾海沙井島人工海灘位于茅尾海東北部, 其修復過程中采取了人工岬頭設計和水深疏浚措施來提高修復岸段的波浪能量, 海灘修復后岸線形態(tài)由尖角型變?yōu)獒殿^型,長度約 1.2 km, 干灘平均寬度為 95 m, 灘肩高程(平均海平面, Mean Sea Level, MSL)為3.26 m, 施工灘面坡度為1:20。海灘前沿清淤面積約10 km2, 平均清淤深度為2.5 m 左右(圖2)。為便于標識, 圖2 及后續(xù)空間分布圖像采用轉(zhuǎn)換后的平面坐標。

2 波浪數(shù)學模型構建

2.1 模型介紹

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Map of study area

圖2 海灘修復前后岸線(紫色實線)及水深變化對比Fig.2 Comparison of shoreline and water depth changes before and after beach restoration

SWAN 模型是基于第三代海浪模式開發(fā)的波浪模型(Booij et al, 1999; Ris et al, 1999), 可全面模擬近岸波浪傳播過程中的折射、繞射、白帽、淺化、底摩擦等物理過程。目前, 該模型在近海海域波浪數(shù)值模擬研究中得到廣泛的運用(張宏偉等, 2008; 滕陳軻敏等, 2019), 本次采用的SWAN 版本為41.01A 版。

SWAN 模型中以作用量密度N 建立平衡方程。作用量密度的變化率可以用作用量平衡方程(SWAN Team, 2006)表示為:

式中, N 為作用量密度, t 為時間, x、 y 為平面坐標;σ 、θ 分別為頻率和方向; 方程左邊第一項表示作用量密度隨時間的變化率; 第二項和第三項表示作用量密度在幾何空間的傳播變化率( Cx和 Cy); 第四項表示流和水深引起的頻移(Cσ); 第五項表示由流和水深引起的折射和變淺作用(Cθ); 方程右邊S 表示波能的源匯項, 其具體描述為:

式中, Sin代表風輸入的能量, Snl代表波與波之間的非線性相互作用引起的能量損耗, Sds代表白帽引起的能量損耗, Sbot代表底摩擦引起的能量損耗, Ssurf代表由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗。

2.2 模型設置

模型周年波浪計算起止時間為2015 年1 月1 日0:00—2015 年 12 月 31 日 23:00, 模型波浪驗證計算時間為 2019 年 1 月 10 日 0:00—2019 年 1 月 23 日 23:00;模型采用非結構網(wǎng)格(三角形), 網(wǎng)格數(shù)為 57326 個,網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為30787 個; 網(wǎng)格間距從外海向近岸逐漸減小(圖 3a), 最大網(wǎng)格間距為 1744.3 m, 最小網(wǎng)格間距為 7.2 m; 模型使用的水深數(shù)據(jù)采用的是近岸實測與大范圍海圖資料, 所有水深數(shù)據(jù)統(tǒng)一至當?shù)仄骄Ｆ矫妗Ｃ┪埠Ｆ骄罴s為 4.1 m, 最大水深位于口門航道處約為39.5 m(圖3b)。

模型中主要參數(shù)設置包括: (1)波浪開邊界采用JONSWAP 譜, 譜峰升高因子取3.3; (2)第三代海浪模式選用風生浪指數(shù)型增長的KOMEN 公式; (3)底摩擦計算選用 Hasselmann 的經(jīng)驗公式; (4)開啟三波相互作用, 關閉白帽破碎和波浪反射; (5)其余參數(shù)均采用SWAN 模型默認設置。

2.2.1 風場數(shù)據(jù) 本研究將美國氣象環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析風場作為SWAN 模型的驅(qū)動場, NCEP再分析風場(Kanamitsu et al, 2002)是由NCEP 和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)聯(lián)合制作的, 空間分辨率為 2.5°×2.5°,時間分辨率為6 h。NCEP 風場具有很高的精度和時空分辨率, 被廣泛用作模擬風浪過程的驅(qū)動場(聞斌等, 2008; 鄭崇偉等, 2011)。選取的風場位置見圖1,研究區(qū)常風向為N 向、出現(xiàn)頻率為20%; 次常風向為偏SW 向、出現(xiàn)頻率為8.5%(圖4a)。風場資料為海平面 10 m 處的風場數(shù)據(jù), 因模型區(qū)域較小, 模型中使用空間一致的風場資料, 并插值成時間間隔為1 h 的數(shù)據(jù)。

圖3 模型計算網(wǎng)格(a)和水深(b)Fig.3 The computation grid (a) and water depth (b)

圖4 研究區(qū)風場(a)和邊界波浪玫瑰(b)圖Fig.4 Wind field (a) and wave rose illustration (b) of the study area

2.2.2 波浪數(shù)據(jù) 波浪模擬開邊界采用 MIKE 全球波浪模型再分析波浪數(shù)據(jù)(https://www.metoceanon-demand.com/), 該波浪數(shù)據(jù)覆蓋了全球大部分海域, 時間從1980 年至今, 時間間隔為1 h。提取對應邊界位置波浪要素(圖 1), 研究區(qū)外海主波向為SSW向, 出現(xiàn)頻率為 25%。次波向為 N 向, 出現(xiàn)頻率約10%(圖 4b)。

2.3 模型驗證

為驗證研究區(qū)海域波浪模型的有效性, 本文利用自然資源部第三海洋研究所的實測資料進行驗證,觀測位置為 21.78°N, 108.55°E(圖 1), 驗證段時間為2019 年 1 月 15 日 13:00—2019 年 1 月 20 日 14:00, 時間間隔為1 h。驗證結果表明(圖5), 實測有效波高與模擬有效波高的相關系數(shù)為 85.59%, 均方根誤差為6.06%。總體上看, 模擬結果與觀測結果較為一致, 兩者吻合性較好。僅在2019 年1 月19—20 日, 由于實測有效波高較小(小于0.1 m), 波向較為雜亂, 導致該時間段模型難以驗證。

3 結果

為進一步分析茅尾海海域波浪分布情況, 本節(jié)基于上述驗證后的模型, 對研究區(qū)海域進行了為期1 a 波浪數(shù)值模擬, 對模擬結果進行統(tǒng)計并繪制了該海域年平均、夏季平均和冬季平均有效波高分布圖(圖 6)。總體來看, 受口門眾多島嶼的阻隔, 灣外波浪僅能傳播至茅尾海口門處, 波浪在向灣內(nèi)傳播過程中顯著減小, 使得茅尾海內(nèi)的有效波高整體相對較小。

圖5 實測波浪與模擬波浪對比Fig.5 Comparison of measured and simulated waves

圖6 茅尾海海域有效波高分布Fig.6 Distribution of significant wave height in the Maowei Sea

研究區(qū)海域全年平均浪向主要集中在偏S 向, 年平均波高分布整體上由灣外向灣內(nèi)依次遞減; 灣外由于水深較大且面向開闊的北部灣海域, 受到來自南海的涌浪影響, 有效波高相對較大, 年平均有效波高最高可達 0.3 m 左右(圖 6a); 波浪傳播過程中受地形起伏影響, 至茅尾海口門處, 有效波高衰減至 0.15—0.2 m, 由于口門狹窄且兩側(cè)島嶼眾多, 只有有限的波浪能夠通過口門傳進茅尾海內(nèi); 灣內(nèi)水深較淺且水道較多, 受底摩擦影響, 波高繼續(xù)減小至 0.1 m以下; 海灘前沿波浪以當?shù)仫L生浪為主, 但由于風區(qū)較短產(chǎn)生的波浪能量有限, 因此灘面前沿海域年平均有效波高相對較小, 約0.05 m。

由于茅尾海海域波浪具有季節(jié)性變化特點, 故本文選取夏、冬兩季有效波高進行對比, 分析茅尾海海域的波浪季節(jié)性變化特征。夏季受 SW 季風影響,該海域波浪主要來自偏SW 向, 灣外平均有效波高約0.4 m(圖

6b)。波浪從外海傳播至口門外側(cè)由于受到折射、繞射及底摩擦等因素的影響, 有效波高逐漸衰減,入射波向發(fā)生偏轉(zhuǎn), 斜向射入茅尾海內(nèi), 至口門內(nèi)側(cè)有效波高僅有0.15 m 左右。但是由于夏季風速較大,灣內(nèi)將產(chǎn)生較大風浪, 灘面前沿海域平均有效波高約0.1 m。冬季該海域風向為偏N 向, 但風力較弱(圖4)。灣外依舊主要受外海波浪影響(圖 6c), 有效波高最大約 0.25 m; 相較于夏季, 灣內(nèi)波浪明顯減小, 平均有效波高不足0.05 m, 波向較為雜亂。

4 討論

4.1 茅尾海海域波浪能量輸入耗散過程

波浪在近岸傳播過程中, 波能的主要輸入項為風能輸入, 主要的耗散項為底摩擦耗散、水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的耗散、白帽引起的耗散以及波與波之間的非線性相互作用引起的能量耗散(SWAN Team, 2006)。波浪能量的輸入和耗散過程決定了海域有效波高的時空分布, 本節(jié)將通過分析茅尾海波浪能量的輸入和耗散過程來探討茅尾海有效波高分布時空分布差異的機理。本研究區(qū)由于水深較淺, 故可忽略四波相互作用引起的能量耗散, 同時由于常年波高較小, 白帽破碎引起的能量損失也較小, 因此本文暫不討論這兩項。

對于波浪能量的輸入而言, 風能輸入能量時空分布不均, 研究區(qū)海域夏季風能輸入能量遠遠大于冬季(圖 7)。灣內(nèi)和灣外能量分布差異較大, 灣外面向開闊海域, 水深較大, 風生浪的過程中風成長受阻較小, 年平均風能輸入為 7×10-7W/m2, 夏季和冬季平均風能輸入分別為 9.2×10-7W/m2和 5.5×10-7W/m2。灣內(nèi)形狀似布袋, 內(nèi)寬外窄, 水深不足 4 m, 該環(huán)境不利于風能的輸入, 年平均風能輸入僅為3.5×10-7W/m2,夏季和冬季平均風能輸入分別為 7×10-7W/m2和1×10-7W/m2。無論灣內(nèi)還是灣外, 夏季平均風能輸入都要比冬季大的多, 因此夏季的平均有效波高要明顯高于冬季(圖6)。

就波浪能量耗散項來說, 研究區(qū)海域總能量耗散分布呈灣外密集, 灣內(nèi)稀疏的特點(圖8), 其中以底摩擦耗散為主, 該耗散項占比 95%以上, 其余兩項不足 5%。這是因為在淺水海域中, 底摩擦引起的耗散占主導, 水深越淺處底摩阻系數(shù)越大, 波浪傳播過程中波浪能量就越容易受其影響而發(fā)生衰減。灣外水深變化較大, 航道兩側(cè)存在相對淺水區(qū), 波浪從外海深水區(qū)傳播至此處因底摩擦突增而發(fā)生嚴重耗散, 從而形成能量耗散密集區(qū)。深水航道至灣內(nèi)口門處屬于深水區(qū), 底摩擦耗散對于波浪能量影響較小, 為能量耗散稀疏區(qū)。造成上述差異的主要原因是由于水深變化導致的(王道龍等,2010)。由于灣內(nèi)波浪能量遠低于灣外, 灣內(nèi)各耗散項所能引起的波浪耗散量相應降低, 主要集中在水深變化顯著區(qū)域。海灘前沿海域因水深變化不大, 底摩擦耗散較小, 年平均總耗散能量僅1×10-7W/m2(圖 9)。其余兩能量耗散項(淺水變形和三波相互作用)占比極小, 分布零星, 主要發(fā)生在灣內(nèi)外水深變淺區(qū)域(圖10—11)。同時可以看出夏季的各耗散量均大于冬季, 底摩擦引起的耗散尤為突出, 這主要是因為該海域夏季能量輸入遠大于冬季, 使得波浪傳播過程中更容易受到底摩擦的影響, 由此引起的耗散量也就相應增多。

圖7 風能輸入能量分布Fig.7 Distribution of wind input energy

圖8 總耗散能量分布Fig.8 Distribution of total energy dissipation

圖9 底摩擦耗散能量分布Fig.9 Distribution of bottom friction dissipation

圖10 淺水變形耗散能量分布Fig.10 Distribution of surf breaking dissipation

4.2 海灘修復前后波浪能量變化分析

茅尾海海灘修復后, 岸線形態(tài)和臨近水深均發(fā)生了顯著變化, 本文采用海灘修復前的岸線水深進一步模擬了海灘修復前的波浪場分布(海灘修復前的岸線水深見圖 2a), 通過對比海灘修復前后灘面前沿波浪能量分布變化來研究弱動力環(huán)境下的海灘修復工程對低能海灘波浪能量再分配的影響。

圖11 三波相互作用引起的耗散能量分布Fig.11 Distribution of dissipation due to triads

沿縱向斷面, 海灘修復前, 有效波高在海灘前沿同一軸線上分布不均(圖 13), 海灘西側(cè)略大于東部,其中西側(cè) L1 點波高為 0.0430 m, 而東側(cè) L5 點為0.0389 m, 呈西向東遞減趨勢, 這主要是因為該海域常風向為 SW 向, 西側(cè)的風區(qū)更長, 輸入能量更多。海灘修復后, 波高依然為西側(cè)大, 東側(cè)小, 但該軸線上的波高均有所增加, L1—L5 各點年平均有效波高為0.050 m。有效波高在海灘修復后平均增加23.7%,波能增加百分比平均高達63.0%(表1)。

圖12 橫、縱向波高對比點位置Fig.12 The location of horizontal and vertical wave height contrast points

圖13 縱向有效波高對比Fig.13 Comparison in vertical wave height

橫向上, 海灘修復前后有效波高在灘面前沿變化差異顯著(圖14)。修復前由海向陸有效波高整體呈現(xiàn)先逐漸減小后逐漸增加的趨勢; 而海灘修復后海灘前沿水深較深且分布均一, 波浪從 C5 點傳至 C1點過程中能量損失較小, 故有效波高值近乎相同, 平均約 0.052 m。海灘修復后, 橫向上最大波高增加約13.9%, 最大波能增加約 43.8%; 隨著離岸距離的增加波浪能量增加百分比逐漸降低, 海灘修復對于波浪能量的增加效果也隨之下降(表 2)。由此可知, 海灘修復工程雖能提升波能, 但其影響范圍有限, 僅在局部有效, 越靠近海灘前沿, 作用效果越顯著。海灘修復后灘面波浪能量的增加主要有兩個原因: 一是茅尾海海灘修復采用了突出岬頭設計, 波浪在向沙灘傳播過程中, 波浪發(fā)生折射, 波向發(fā)生偏轉(zhuǎn), 逐漸向岬頭輔聚, 從而有效提升了灘面前沿波浪能量(水燕等, 2010; 吳月勇等, 2017); 二是水深疏浚降低了底摩擦對波浪的影響, 導致能量耗散減少, 傳播至灘面前沿波浪能量相對增加(夏波等, 2006; 付博新等,2016)。以上分析說明在低能海岸進行海灘修復時, 通過合理的海灘修復設計(如聚能岬頭和水深疏浚)能夠增加局部海域的波浪能量。

5 結論

本文基于 SWAN 模型對茅尾海海域波浪場進行了為期 1 a 的數(shù)值模擬, 通過與實測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了模型的可靠性。根據(jù)模型輸出結果分析了正常天氣條件下研究區(qū)海域波浪場時空分布特征, 討論了該海域波浪能量的輸入耗散過程, 以及海灘修復對波浪能量空間分布的影響。得到如下結論:

表1 縱向波浪變化對比Tab.1 Comparison in vertical wave height changes

圖14 橫向有效波高對比Fig.14 Comparison in horizontal wave height

(1)研究區(qū)海域全年平均有效波高較小且季節(jié)性變化明顯, 夏季有效波高明顯大于冬季, 夏季波浪以偏SW 向浪為主, 冬季波向分布雜亂。灣內(nèi)外波浪分布不均, 灣外波高約 0.2—0.4 m, 波浪由于受到口門處眾多島嶼的阻隔, 難以傳播進灣內(nèi), 灣內(nèi)主要以風生浪為主, 灣內(nèi)波高僅約0.05—0.15 m。

(2)研究區(qū)海域全年能量耗散過程主要以底摩擦引起的波浪能量耗散為主, 其余耗散項占比極小,可忽略不計。夏季波能輸入量和耗散量均大于冬季,波能耗散在空間上分布不均, 存在波能耗散密集區(qū)和稀疏區(qū), 造成此差異的主要原因是由于水深變化導致的。

(3)海灘修復后灘面前沿縱向軸線上分布點波高平均增加 23.7%, 波能增加 63.0%; 橫向軸線上分布點波高增加值隨離岸距離變大而逐漸減小, 最大波高增加百分比為 13.9%, 最大波能增加百分比為43.8%。波浪能量的增加與突出岬頭引起的波浪能量輔聚以及水深疏浚導致的能量耗散減少有關。由此說明在低能海岸進行海灘修復是可行的, 可通過采取清淤疏浚、設計聚能岬頭等手段來有效提升局部區(qū)域波浪能量。

表2 橫向波浪變化對比Tab.2 Comparison in horizontal wave height changes

科學的海灘修復設計對于低能海灘局部海域波浪能量有較為明顯的提升效果, 但實際海灘修復工程中波浪能量的再分配程度和多種因素有關, 如岬頭突出程度、修復海灘灘面坡度等。具體的波浪能量增強效果和各影響因素之間的非線性關系需通過理想數(shù)值模型試驗開展更深入研究。同時需要指出, 本研究模型計算時未考慮潮汐過程對波浪的影響, 雖然不影響本研究的主要結論, 但為了提高近岸波浪數(shù)值模擬的精度, 今后應進一步開展波流耦合的研究。