潛式與離岸式人工岬頭護灘作用和水交換特征比較

陳淑敏，潘 毅，陳永平，楊耀中

(1. 河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098; 2. 江蘇省水利廳，江蘇 南京 210029)

在海岸演變過程中，天然岬角或人工岬頭掩蔽的海灘通常存在一個平衡狀態[1]，此時海岸達到最穩定形狀，沒有長期的侵蝕或淤積趨勢，即使受到大風浪侵蝕，風暴過后也能在自然作用下恢復原有形狀。因此，在海灘養護工程中，建設岬灣海岸是穩定侵蝕海岸線的理想方法[2]。

人工岬頭廣泛用于沙質海岸的養灘工程中[3-5]，通常在天然岬頭的基礎上進行延長。眾多學者對人工岬頭的結構、可行性以及技術現狀進行了研究討論，指出建造人工岬頭對保護和修復海灘具有重要作用[5-7]。然而，岬頭對岸灘的掩護減弱了海灣與外海之間的水交換，易導致岬灣水質惡化，海藻和海草大量繁殖[8]，這一現象在岬頭后的水域中尤為明顯。

為避免人工岬灣的水質惡化，改善岬灣的水交換，文中提出了兩種改良式人工岬頭，分別為離岸式人工岬頭(detached artificial headland，簡稱DAH)和潛式人工岬頭(submerged artificial headland，簡稱SAH)。離岸式岬頭是指在向岸端預留潮流通道的人工岬頭，如圖1(a)所示。離岸式岬頭可以阻擋很大一部分波浪，同時又允許潮流通過預留的潮流通道進出岬灣，改善岬頭后方的水交換情況。潛式岬頭是一種低水頭構筑物，其頂部高程低于平均海平面，如圖1(b)所示。潛式岬頭能夠耗散波浪能，同時允許潮流從其頂端通過，改善岬頭后方的水交換情況。

Pan等[9]提出了在人工岬頭中預留潮流通道的方法(離岸式人工岬頭的雛形)，并對其進行數值研究，就保護岸灘和改善水交換的效果進行了討論。結果表明，加入潮流通道后，岬灣的水交換得到了極大改善，而岬頭對岸灘的保護效果只是稍有減弱，不影響對岸灘的整體保護效果。但是，在某些情況下，預留的潮流通道可能帶來較大的流速，從而引起岸灘局部沖刷。從保護岸灘和改善水交換的角度出發，提出了離岸式岬頭和潛式岬頭的概念，并就它們對岸灘的保護效果進行了比較。通過建立岸線演變模型和物質運輸模型，研究了潛式岬頭和離岸式岬頭在秦皇島北戴河西海灘養灘工程中的護灘效果，并結合實地調查數據驗證了模型的正確性。模擬了不同的工程方案，比較潛式岬頭和離岸式岬頭在保護岸灘和改善水交換方面的效果。

圖1 離岸式人工岬頭和潛式人工岬頭示意Fig. 1 The definition sketches of detached artificial headland and submerged artificial headland

1 研究區域

西海灘位于秦皇島市北戴河區，全長3.2 km，是兩端有短岬角的岬灣海灘，如圖2所示。海灘的西端修建了一個丁壩，用來給一小港口的航道導流，海灘的東端有一個天然岬角。西海灘為低能沙質海灘，波高較小。2011年至2014年的波浪測量分析表明，波浪主要來向為S向至ESE向。主導波向為SE方向，占波浪總數的21.72%。大部分記錄的有效波高Hs(約占全部數據的91.23%)小于0.6 m，僅有1.01%記錄的有效波高大于0.9 m。平均波周期Ts為4.5 s。西海灘位于無潮點附近，多年平均潮差僅為0.74 m。

圖2 西海灘和養灘工程兩個階段Fig. 2 The West Beach and two phases of the beach nourishment project

海灘養護前，由于附近河流上游建有攔河壩以及河口的采沙活動，西海灘遭受了侵蝕[10]。因此，為保護和拓展西海灘，決定實施海灘養護工程。圖2展示了分為兩階段進行的養灘工程[4]。一期工程于2008年5至6月進行，養護部分西海灘，包括修建近岸沙壩和水下防波堤。一期工程完成后，沿圖2所示的8個剖面進行海灘剖面監測，以提供驗證模型所需的數據。二期工程于2010年11至12月進行，范圍覆蓋整個西海灘，養灘范圍達50 m。該養灘工程中，客沙的中值粒徑在0.42 ～ 0.61 mm之間，原海灘沙的中值粒徑為0.34 mm。人工海灘低水位以上坡度為1∶10，低水位以下坡度為1∶8。根據《海岸工程手冊》[11]計算，設計灘肩頂標高為3 m，填沙體積為2.567×106m3，超填系數為1.12。在海灘的兩端修建三個獨立的離岸潛堤和兩個人工岬角。離岸潛堤建于水深4 m處(離岸約450 m)，長約250 m，堤頂高程為平均海平面以下1.2 m。

2 岸線演變

通過建立岸線演變模型來研究潛式岬頭和離岸式岬頭對工程后的岸線變化的影響。使用驗證后的岸線演變模型，模擬不同岬頭條件下的岸線演變過程，并在此基礎上對潛式岬頭和離岸式岬頭的作用進行討論。

2.1 模型的建立與驗證

基于一線模型建立岸線演變模型。GENESIS模型是CERC開發的并且廣泛使用的一線模型之一[12]，能較好地再現沿海建筑物引起的岸線演變[13]，用于世界各地的養灘工程中[14]。Gravens等[15]提供了有關GENESIS模型應用的詳細信息。控制方程：

(1)

式中：x為沿岸距離，y為離岸距離，DB為堤高，DC為截流深度，Q為沿岸輸沙率，由式(2)給出

(2)

其中，Hs是有效波高，Cg是由線性波理論得出的波群速度，下標b表示破波條件，θbs是局部岸線對應的破波角，無因次參數a1和a2分別由校準參數K1和K2計算得出[13]。

計算區域覆蓋整個西海灘，詳細模型設置為：基于剖面測量得到灘肩高度為2 m；根據對該區域輸沙情況的前期研究得到封閉水深為7 m，由模型敏感度研究[16]得K1=2K2=0.76。初始岸線及人工岬頭、潛堤的布置如圖2所示。客沙和當地沙均采用中值粒徑D50=0.40 mm。

圖3 一期工程后岸線演變模型的驗證Fig. 3 Verification of the shoreline model: the comparison between simulated and measured shoreline changes after phase I of the project

首先模擬一期工程后8個月內岸線的變化，并與實測數據進行對比驗證。實測數據為沿圖2所示8個剖面測量獲得的岸線位置。在監測剖面中，兩相鄰測點之間的距離小于5 m。水深小于1.5 m的區域采用全站儀(GTS-102N)測量高程，其余區域用回聲測深儀(HD30)測量高程。一期工程結束后，每個月測量兩次。根據對8個監測剖面的測量得到實測岸線位置。工程竣工后4個月和8個月的模擬結果與實測岸線變化的對比如圖3所示。x軸的原點在P8剖面處(如圖2所示)，從左至右的8個測點分別表示從P8至P1剖面的海岸線位置。該模型與實測數據吻合良好，可以應用于西海灘二期工程后的模擬。模型驗證的更多細節見文獻[17]。

2.2 模擬方案

通過驗證后的岸線演變模型，設計不同岬頭條件下的模擬方案，并對二期工程后10年的岸線變化進行模擬。

影響潛式岬頭的岸灘防護效果的關鍵參數是波浪透射系數(Kt)，其定義為防波堤岸側直接入射波高與海側直接入射波高之比。例如，傳統人工岬頭(traditonal artificial headlands，簡稱TAH)的Kt為0，無人工岬頭(non artificial headland，簡稱NAH)時，Kt=1。透射系數可用經驗公式估計[18-22]。這些經驗公式取得的結果近似，本研究中取其平均值。

影響離岸式岬頭的岸灘防護性能的關鍵參數是潮流通道比值(Ptc)，其定義為潮汐水道的長度與潛式岬頭總長度(包括潮汐水道本身)之比。例如，傳統岬頭的Ptc為0，無岬頭時Ptc為1。

設置不同的關鍵參數，來研究潛式岬頭和離岸式岬頭的岸灘保護效果。表1中列出了這些方案。對照方案為1和6，用來研究傳統岬頭和無岬頭時的岸線變化，方案2、3用來研究潛式岬頭的作用；方案4、5用來研究離岸式岬頭的作用。

表1 岸線演變模型模擬方案Tab. 1 Simulated cases of shoreline change model

2.3 結果與討論

不同方案的岸線變化模擬結果如圖4所示。岸線變化指岸線當前位置與養護前位置的相對變化。正值表示海灘寬度的增加。潛式岬頭方案的模擬結果如圖4(a)所示，離岸式岬頭方案的模擬結果如圖4(b)所示，同時繪制傳統岬頭和無岬頭的模擬結果以供比較。

圖4 傳統岬頭、潛式岬頭、離岸式岬頭和無岬頭時岸線變化模擬結果(x軸的起點位于海灘東端，且x軸大致與岸線平行)Fig. 4 Simulated results of shoreline change in cases with TAH, SAH, DAH and NAH

模擬結果中均有五處明顯的岸線凸起，其中海灘中部的三處凸起為近海潛堤引起，這里不作討論。海灘兩端的兩個岸線凸起是在人工岬頭的作用下形成的，其尺度受人工岬頭的結構型式和其關鍵參數的影響。

潛式和離岸式岬頭對岸灘的保護效果都很好。如圖4所示，Kt或Ptc等于0.3時，岸線變化與傳統岬頭方案十分接近。隨著Kt或Ptc增加到0.5，人工岬頭后的海灘仍明顯比無岬頭時更寬。因此，采用潛式岬頭或離岸式岬頭代替傳統岬頭來保護岸灘是可行的。

通過對比圖4(a)和(b)可以發現，在離岸式岬頭的潮流通道后面，岸線后退明顯，而在潛式岬頭后面，岸線的形狀則更平滑，而較平滑的岸線更有利于旅游景觀的形成。

通過對比還可以發現，在海灘的東端和西端，岸線對Kt和Ptc變化的敏感度不同，這可以用養護前海灘狀態來解釋。Kuang等[16]指出，海灘沿岸輸沙方向為自東向西，因此盡管海灘整體處于侵蝕狀態，但海灘西端仍有所淤積。在侵蝕的情況下，海灘東端的岸線演變對Kt和Ptc的變化十分敏感。隨著Kt和Ptc的增加，海灘寬度不斷減小。海灘西端處于淤積狀況，灘寬對Kt和Ptc表現出不同的敏感性。在潛式岬頭方案中，海灘西端在Kt為0和0.3時岸線變化十分接近，在Kt等于0.5時，岬頭后的海灘比Kt等于0和0.3的情況下更窄，但仍比無岬頭時更寬。岸線演變這種不同可能是因為波浪局部透射對淤積岸灘的影響很小，可以忽略不計。因此，淤積條件下，使用較小Kt的潛式岬頭，海灘的保護效果的損失較小。在離岸式岬頭方案中，Ptc等于0.3和0.5時海灘西端的岸線變化十分接近，且介于傳統岬頭和無岬頭方案之間。一種可能的解釋是，在淤積條件下，人工潛堤的向陸末端發揮的主要作用是阻礙沿岸輸沙，離岸式岬頭中預留的潮流通道使得沿岸輸沙仍然存在。因此，如果潮流通道足夠長，使沿岸輸沙的大部分保留，那么潮流通道長度(或Ptc的值)對其后岸線形狀影響及其微弱。

潛式岬頭事實上為一種低水頭建筑物，雖然上部留出了水流通過的空間，但其仍發揮著重要的消浪作用，對于造成顯著沿岸輸沙的大波高來說這種消浪效果尤為明顯。離岸式人工岬頭的潮流通道預留在靠岸端，其水深較淺，波浪傳入后的傳播范圍也較小，故放棄掉這一部分的消波作用對海灘保護的整體影響也較小。總體來說，潛式岬頭和離岸式岬頭雖然通過降低堤頂高程或預留潮流通道的方法來提供潮流通路，但二者仍能發揮重要的消波作用，其海灘保護效果要顯著高于無岬頭工況，僅比傳統岬頭工況略有減弱。

3 水體交換

為了研究潛式岬頭和離岸式岬頭對岬灣內水交換情況的影響，基于Delft3D模型建立了物質輸運模型，設置了6種人工岬頭，4種潮汐流場，對2個區域進行數值模擬，進行了共計48種情況下的物質輸運模擬。根據物質輸運模型的模擬結果，計算岬頭后區域的沖淡時間。然后討論潛式岬頭和離岸式岬頭對水交換的影響。

3.1 模型設置及驗證

物質輸運模型包括兩部分——潮流模型和輸運模型。如圖5所示，建立四級正交曲線網格系統。一級網格覆蓋整個渤海區域，確保潮流場正確；兩個四級網格分別覆蓋海灘的西端和東端，分辨率達到10 m，用以精細刻畫岬頭地形；第二、三級網格分辨率介于第一、四級網格之間，作為二者之間的過渡。網格之間的連接采用區域分解邊界技術(domain decomposition boundary)[23]，參數可通過內邊界光滑傳播。一、二、三級網格和東、西端兩個四級網格大小分別為253×145、118×73、181×85、31×31、64×55。考慮到岬灣水深相對較淺(小于4 m)且外海水深小于6 m，根據流量和濃度的垂向分布將垂向(σ坐標)分為5層。離岸水深由渤海測深圖測得，近岸水深(三級網格范圍內)采用測深數據。需要說明的是，在本模型的計算中并未考慮波浪對于物質輸運的影響。這是由于研究區域的波浪能非常小，如第1節所述，99%的波浪小于0.9 m，且其影響范圍僅限于近岸，故影響當地物質輸運的主要因素為潮流。

圖5 潮流模型的模型網格系統和開放邊界位置以及現場數據觀測點Fig. 5 The model grid system and open boundary locations of the flow model, and the field data observation points

模型驗證采用從2011年5月20日11∶00至5月21日11∶00內的流場資料，包括西海岸附近海域的5個監測站每小時的流速和流向數據。5個站點(Ob1～Ob5)位置如圖5所示。在Ob1～Ob4處，分別在總水深的3/10和7/10處測量流速和流向；在Ob5處，僅在中間水深處測量流速和流向。近岸WL站(如圖5所示)在5月16至17日和5月20至21日內測得的水位數據也用于模型驗證。潮流模型的模擬時間為2011年5月11日至25日，采用此期間的現場測量數據對模型進行驗證，時間步長設置為15 s。開邊界為大連水文站和煙臺水文站連線，邊界動力條件由中國國家海洋數據服務中心提供的兩個水文站的潮位數據插值得到。北戴河流量由多年平均流量給定。圖6(a)和圖6(b)分別為Ob3站和Ob5站模擬流速、流向與實測流速、流向的對比圖。圖6(c)為WL站的模擬水位與實測水位的比較。從圖中可以看出，模擬與實測結果在流速、流向、水位等方面均吻合較好，說明該模型對模擬區域內潮流場的描述較為符合。

圖6 潮流模型驗證：模擬值和測量值的比較Fig. 6 Verification of the flow model: the comparisons between model simulations and field observations

3.2 沖淡時間

沖淡時間表示的是某水體中水交換的時間尺度，廣泛用于河口[24]、港灣[25]和其他水體[26]的水質評價。沖淡時間定義為保守物質在某水體中減少至初始質量的給定百分比時所需的時間。該給定百分比稱為截斷百分比，Huang等[27]取為10%，Abdelrhman[25]取1/e。考慮到本研究區域為相對開闊的海灣，岬頭較短，水交換相對較快，因此取10%作為截斷百分比。為計算沖淡時間，首先在計算區域內設置單位濃度的示蹤劑，然后開始模擬，在模擬過程中追蹤計算區域內示蹤劑質量(M(t))的實時變化。將計算區域內示蹤劑質量(M(t))降低至初始質量(M0)10%時所用的時間定義為沖淡時間。

3.3 模擬方案

為探討不同條件下潛式岬頭和離岸式岬頭對沖淡時間的影響，選取2個計算區域(如圖7所示)，均設置6種不同岬頭下方案，加上4種潮汐條件，共48種物質輸運方案。

所有方案的運行時間均為2011年5月11日至25日，包含一次大潮和小潮。模型設置了傳統岬頭和無岬頭，Kt為0.3和0.5的潛式岬頭，Ptc為0.3和0.5的離岸式岬頭這6種岬頭，在潮流模型模擬結果的驅動下，運用輸運模型對48種方案進行模擬，研究在不同區域，不同岬頭和不同潮汐條件下的水交換效果。選取岬頭后的2個區域(區域1和區域2)計算沖淡時間。選取4種潮汐條件，研究潮汐條件對水交換的影響，包括大潮漲潮(從2011年5月19日11∶00開始)、大潮落潮(從2011年5月20日3∶30開始)、小潮漲潮(從2011年5月14日5∶00開始)和小潮落潮(從2011年5月15日00∶00開始)。每次模擬首先在計算區域內(區域1或區域2)設置單位示蹤劑濃度，然后在模擬中跟蹤計算示蹤劑質量的實時變化。

圖7 沖淡時間的計算域Fig. 7 The selected areas for the calculation of flushing time

3.4 結果與討論

不同方案的示蹤劑質量降低曲線分別如圖8和圖9所示，圖8為區域1，圖9為區域2。曲線表示計算區域內示蹤劑質量分數平均值在不同潮汐條件(大潮漲潮、大潮落潮、小潮漲潮和小潮落潮)下的下降過程，不同的符號表示不同的人工岬頭，曲線上的豎線表示示蹤劑質量分數的分布范圍。從圖8和圖9可以看出，在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，示蹤劑質量的下降范圍基本介于傳統人工岬頭和無人工岬頭方案之間。在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，示蹤劑濃度的下降速率分別隨著Kt和Ptc的增大而增大。當Kt=Ptc時，潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中示蹤劑質量下降過程基本相同，差異很小。潮汐條件對示蹤劑質量的減少也有一定的影響，如圖8和圖9中的豎線所示不同潮汐條件下造成的示蹤劑質量分數的變化范圍。

圖8 傳統人工岬頭、潛式人工岬頭、離岸式人工岬頭和無人工岬頭方案中示蹤劑質量下降曲線(區域1)Fig. 8 The tracer mass reduction curves of area 1 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

圖9 傳統人工岬頭、潛式人工岬頭、離岸式人工岬頭和無人工岬頭方案中示蹤劑質量下降曲線(區域2)Fig. 9 The tracer mass reduction curves of area 2 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

傳統式人工岬頭完全的將岸灘兩端遮蔽起來，形成了較為封閉的海灣的形態，潮流和波浪都無法進入，岬后水體難以更新，而改良式人工岬頭預留了不同形式的潮流通道，漲退潮時，潮流可以經潮流通道進出岬后海灣，與灣內水體進行摻混，灣內水體始終與外海保持流通的狀態，因而岬后水交換將會得到改善，而改善的效果與岬頭形式、參數設置以及潮流類型等相關。雖然改良式人工岬頭仍會對水交換有一定程度的阻礙，但相比于傳統人工岬頭其水交換效率有大約50%的提高。

根據示蹤劑質量降低曲線圖，判斷示蹤劑質量(M(t))降至初始質量(M0)10%所用的時間，即沖淡時間。計算得到的沖淡時間如圖10所示。由圖可知，潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，沖淡時間明顯小于傳統人工岬頭方案，Kt和Ptc值越小，沖淡時間越長，例如當Kt和Ptc值為0.3時的沖淡時間大于Kt和Ptc值為0.5時。潮汐特征對沖淡時間也有明顯的影響。由圖可見，區域1在漲潮時沖淡時間較長，而區域2在落潮時沖淡時間較長。在潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭方案中，區域2在落潮時的沖淡時間明顯長于漲潮沖淡時間，這一結果可以通過潮流方向得到解釋。西側的潮流方向大致與海岸線平行，低潮時為自西向東，高潮時為自東向西。退潮時，雖然潮流方向朝向區域2的開闊面，但由于退潮時潮汐水位較低，通過潮流通道的出流減弱，在人工岬頭后形成了一個小于0.01 m/s的低流速區域。而漲潮時，盡管水流方向為自東向西，并朝向區域1的開闊處，但高潮位保證了水流有較強的能力經潮流通道向外流，這就解釋了在區域1為什么漲潮時的沖淡時間較長，而落潮時的沖淡時間較短。

圖10 不同人工岬頭以及不同潮汐條件下的計算沖淡時間Fig. 10 Calculated flushing time under different artificial headland conditions and tidal phases

4 結 語

采用數值模型研究比較了在北戴河西海灘養灘工程中潛式人工岬頭和離岸式人工岬頭對岸線演變和水交換的影響。

當關鍵參數Kt或Ptc設為0.3或0.5時，潛式岬頭和離岸式岬頭保護岸灘的效果都較好。因此，用潛式岬頭或離岸式岬頭代替傳統岬頭來保護海灘是可行的。通過對比潛式岬頭與離岸式岬頭的岸線模擬結果，可以看出，潛式岬頭后的岸線形狀更加平滑，有利于旅游景觀的形成。海灘的侵蝕和淤積特性也對潛式岬頭和離岸式岬頭的性能有一定的影響，在侵蝕條件下，岸線對Kt和Ptc的敏感性相似，而在淤積條件下，潛式岬頭的護灘效果略好。

潛式岬頭和離岸式岬頭后方區域的水交換效果介于傳統岬頭和無岬頭情況之間，Kt和Ptc值相同時示蹤劑質量下降曲線相似。潮汐條件對某些情況的沖淡時間有一定的影響。通常，當Kt和Ptc在測試參數范圍內時，沖淡時間比采用傳統岬頭時顯著減少。例如，在西海灘區域1，潛式岬頭在Kt為0.3和0.5，離岸式岬頭在Ptc為0.3和0.5時，沖淡時間分別比傳統岬頭減少了大約45.5%、55.9%、48.2%、53.3%；在西海灘區域2，潛式岬頭在Kt為0.3和0.5，離岸式岬頭在Ptc為0.3和0.5時，沖淡時間分別比傳統岬頭減少了約27.3%、36.9%、14.8%和41.0%。

總體而言，潛式岬頭和離岸式岬頭都可以作為傳統岬頭的替代措施，雖然海灘保護效果稍有減弱，但可以明顯改善水交換情況。從岸線演變的角度看，潛式岬頭具有其后岸線形狀光滑、在淤積條件下護灘效果較好的優點。兩種改良式人工岬頭改善灣內水交換的效果相近。實際上，西海灘的養護工程中，最終采取的方案為離岸式岬頭和潛式岬頭相結合的方式，其中潛式岬頭Kt取為0.3，離岸式岬頭Ptc取為0.5。養護后的監測也顯示西海灘兩端都維持著可觀的海灘寬度。本研究所得的資料與結果可用于擬建人工岬頭的養灘工程中，在養護岸灘、改善水交換、降低水質惡化風險方面提供參考。

本結論基于對北戴河西海灘的案例研究，所得結論適用于具有波能小、潮差小等類似條件的沙灘，當應用于其他類型的海灘時，在應用前須進行可行性研究及方案比較分析。