潜式与离岸式人工岬头护滩作用和水交换特征比较

陈淑敏，潘 毅，陈永平，杨耀中

(1. 河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098; 2. 江苏省水利厅，江苏 南京 210029)

在海岸演变过程中，天然岬角或人工岬头掩蔽的海滩通常存在一个平衡状态[1]，此时海岸达到最稳定形状，没有长期的侵蚀或淤积趋势，即使受到大风浪侵蚀，风暴过后也能在自然作用下恢复原有形状。因此，在海滩养护工程中，建设岬湾海岸是稳定侵蚀海岸线的理想方法[2]。

人工岬头广泛用于沙质海岸的养滩工程中[3-5]，通常在天然岬头的基础上进行延长。众多学者对人工岬头的结构、可行性以及技术现状进行了研究讨论，指出建造人工岬头对保护和修复海滩具有重要作用[5-7]。然而，岬头对岸滩的掩护减弱了海湾与外海之间的水交换，易导致岬湾水质恶化，海藻和海草大量繁殖[8]，这一现象在岬头后的水域中尤为明显。

为避免人工岬湾的水质恶化，改善岬湾的水交换，文中提出了两种改良式人工岬头，分别为离岸式人工岬头(detached artificial headland，简称DAH)和潜式人工岬头(submerged artificial headland，简称SAH)。离岸式岬头是指在向岸端预留潮流通道的人工岬头，如图1(a)所示。离岸式岬头可以阻挡很大一部分波浪，同时又允许潮流通过预留的潮流通道进出岬湾，改善岬头后方的水交换情况。潜式岬头是一种低水头构筑物，其顶部高程低于平均海平面，如图1(b)所示。潜式岬头能够耗散波浪能，同时允许潮流从其顶端通过，改善岬头后方的水交换情况。

Pan等[9]提出了在人工岬头中预留潮流通道的方法(离岸式人工岬头的雏形)，并对其进行数值研究，就保护岸滩和改善水交换的效果进行了讨论。结果表明，加入潮流通道后，岬湾的水交换得到了极大改善，而岬头对岸滩的保护效果只是稍有减弱，不影响对岸滩的整体保护效果。但是，在某些情况下，预留的潮流通道可能带来较大的流速，从而引起岸滩局部冲刷。从保护岸滩和改善水交换的角度出发，提出了离岸式岬头和潜式岬头的概念，并就它们对岸滩的保护效果进行了比较。通过建立岸线演变模型和物质运输模型，研究了潜式岬头和离岸式岬头在秦皇岛北戴河西海滩养滩工程中的护滩效果，并结合实地调查数据验证了模型的正确性。模拟了不同的工程方案，比较潜式岬头和离岸式岬头在保护岸滩和改善水交换方面的效果。

图1 离岸式人工岬头和潜式人工岬头示意Fig. 1 The definition sketches of detached artificial headland and submerged artificial headland

1 研究区域

西海滩位于秦皇岛市北戴河区，全长3.2 km，是两端有短岬角的岬湾海滩，如图2所示。海滩的西端修建了一个丁坝，用来给一小港口的航道导流，海滩的东端有一个天然岬角。西海滩为低能沙质海滩，波高较小。2011年至2014年的波浪测量分析表明，波浪主要来向为S向至ESE向。主导波向为SE方向，占波浪总数的21.72%。大部分记录的有效波高Hs(约占全部数据的91.23%)小于0.6 m，仅有1.01%记录的有效波高大于0.9 m。平均波周期Ts为4.5 s。西海滩位于无潮点附近，多年平均潮差仅为0.74 m。

图2 西海滩和养滩工程两个阶段Fig. 2 The West Beach and two phases of the beach nourishment project

海滩养护前，由于附近河流上游建有拦河坝以及河口的采沙活动，西海滩遭受了侵蚀[10]。因此，为保护和拓展西海滩，决定实施海滩养护工程。图2展示了分为两阶段进行的养滩工程[4]。一期工程于2008年5至6月进行，养护部分西海滩，包括修建近岸沙坝和水下防波堤。一期工程完成后，沿图2所示的8个剖面进行海滩剖面监测，以提供验证模型所需的数据。二期工程于2010年11至12月进行，范围覆盖整个西海滩，养滩范围达50 m。该养滩工程中，客沙的中值粒径在0.42 ～ 0.61 mm之间，原海滩沙的中值粒径为0.34 mm。人工海滩低水位以上坡度为1∶10，低水位以下坡度为1∶8。根据《海岸工程手册》[11]计算，设计滩肩顶标高为3 m，填沙体积为2.567×106m3，超填系数为1.12。在海滩的两端修建三个独立的离岸潜堤和两个人工岬角。离岸潜堤建于水深4 m处(离岸约450 m)，长约250 m，堤顶高程为平均海平面以下1.2 m。

2 岸线演变

通过建立岸线演变模型来研究潜式岬头和离岸式岬头对工程后的岸线变化的影响。使用验证后的岸线演变模型，模拟不同岬头条件下的岸线演变过程，并在此基础上对潜式岬头和离岸式岬头的作用进行讨论。

2.1 模型的建立与验证

基于一线模型建立岸线演变模型。GENESIS模型是CERC开发的并且广泛使用的一线模型之一[12]，能较好地再现沿海建筑物引起的岸线演变[13]，用于世界各地的养滩工程中[14]。Gravens等[15]提供了有关GENESIS模型应用的详细信息。控制方程：

(1)

式中：x为沿岸距离，y为离岸距离，DB为堤高，DC为截流深度，Q为沿岸输沙率，由式(2)给出

(2)

其中，Hs是有效波高，Cg是由线性波理论得出的波群速度，下标b表示破波条件，θbs是局部岸线对应的破波角，无因次参数a1和a2分别由校准参数K1和K2计算得出[13]。

计算区域覆盖整个西海滩，详细模型设置为：基于剖面测量得到滩肩高度为2 m；根据对该区域输沙情况的前期研究得到封闭水深为7 m，由模型敏感度研究[16]得K1=2K2=0.76。初始岸线及人工岬头、潜堤的布置如图2所示。客沙和当地沙均采用中值粒径D50=0.40 mm。

图3 一期工程后岸线演变模型的验证Fig. 3 Verification of the shoreline model: the comparison between simulated and measured shoreline changes after phase I of the project

首先模拟一期工程后8个月内岸线的变化，并与实测数据进行对比验证。实测数据为沿图2所示8个剖面测量获得的岸线位置。在监测剖面中，两相邻测点之间的距离小于5 m。水深小于1.5 m的区域采用全站仪(GTS-102N)测量高程，其余区域用回声测深仪(HD30)测量高程。一期工程结束后，每个月测量两次。根据对8个监测剖面的测量得到实测岸线位置。工程竣工后4个月和8个月的模拟结果与实测岸线变化的对比如图3所示。x轴的原点在P8剖面处(如图2所示)，从左至右的8个测点分别表示从P8至P1剖面的海岸线位置。该模型与实测数据吻合良好，可以应用于西海滩二期工程后的模拟。模型验证的更多细节见文献[17]。

2.2 模拟方案

通过验证后的岸线演变模型，设计不同岬头条件下的模拟方案，并对二期工程后10年的岸线变化进行模拟。

影响潜式岬头的岸滩防护效果的关键参数是波浪透射系数(Kt)，其定义为防波堤岸侧直接入射波高与海侧直接入射波高之比。例如，传统人工岬头(traditonal artificial headlands，简称TAH)的Kt为0，无人工岬头(non artificial headland，简称NAH)时，Kt=1。透射系数可用经验公式估计[18-22]。这些经验公式取得的结果近似，本研究中取其平均值。

影响离岸式岬头的岸滩防护性能的关键参数是潮流通道比值(Ptc)，其定义为潮汐水道的长度与潜式岬头总长度(包括潮汐水道本身)之比。例如，传统岬头的Ptc为0，无岬头时Ptc为1。

设置不同的关键参数，来研究潜式岬头和离岸式岬头的岸滩保护效果。表1中列出了这些方案。对照方案为1和6，用来研究传统岬头和无岬头时的岸线变化，方案2、3用来研究潜式岬头的作用；方案4、5用来研究离岸式岬头的作用。

表1 岸线演变模型模拟方案Tab. 1 Simulated cases of shoreline change model

2.3 结果与讨论

不同方案的岸线变化模拟结果如图4所示。岸线变化指岸线当前位置与养护前位置的相对变化。正值表示海滩宽度的增加。潜式岬头方案的模拟结果如图4(a)所示，离岸式岬头方案的模拟结果如图4(b)所示，同时绘制传统岬头和无岬头的模拟结果以供比较。

图4 传统岬头、潜式岬头、离岸式岬头和无岬头时岸线变化模拟结果(x轴的起点位于海滩东端，且x轴大致与岸线平行)Fig. 4 Simulated results of shoreline change in cases with TAH, SAH, DAH and NAH

模拟结果中均有五处明显的岸线凸起，其中海滩中部的三处凸起为近海潜堤引起，这里不作讨论。海滩两端的两个岸线凸起是在人工岬头的作用下形成的，其尺度受人工岬头的结构型式和其关键参数的影响。

潜式和离岸式岬头对岸滩的保护效果都很好。如图4所示，Kt或Ptc等于0.3时，岸线变化与传统岬头方案十分接近。随着Kt或Ptc增加到0.5，人工岬头后的海滩仍明显比无岬头时更宽。因此，采用潜式岬头或离岸式岬头代替传统岬头来保护岸滩是可行的。

通过对比图4(a)和(b)可以发现，在离岸式岬头的潮流通道后面，岸线后退明显，而在潜式岬头后面，岸线的形状则更平滑，而较平滑的岸线更有利于旅游景观的形成。

通过对比还可以发现，在海滩的东端和西端，岸线对Kt和Ptc变化的敏感度不同，这可以用养护前海滩状态来解释。Kuang等[16]指出，海滩沿岸输沙方向为自东向西，因此尽管海滩整体处于侵蚀状态，但海滩西端仍有所淤积。在侵蚀的情况下，海滩东端的岸线演变对Kt和Ptc的变化十分敏感。随着Kt和Ptc的增加，海滩宽度不断减小。海滩西端处于淤积状况，滩宽对Kt和Ptc表现出不同的敏感性。在潜式岬头方案中，海滩西端在Kt为0和0.3时岸线变化十分接近，在Kt等于0.5时，岬头后的海滩比Kt等于0和0.3的情况下更窄，但仍比无岬头时更宽。岸线演变这种不同可能是因为波浪局部透射对淤积岸滩的影响很小，可以忽略不计。因此，淤积条件下，使用较小Kt的潜式岬头，海滩的保护效果的损失较小。在离岸式岬头方案中，Ptc等于0.3和0.5时海滩西端的岸线变化十分接近，且介于传统岬头和无岬头方案之间。一种可能的解释是，在淤积条件下，人工潜堤的向陆末端发挥的主要作用是阻碍沿岸输沙，离岸式岬头中预留的潮流通道使得沿岸输沙仍然存在。因此，如果潮流通道足够长，使沿岸输沙的大部分保留，那么潮流通道长度(或Ptc的值)对其后岸线形状影响及其微弱。

潜式岬头事实上为一种低水头建筑物，虽然上部留出了水流通过的空间，但其仍发挥着重要的消浪作用，对于造成显著沿岸输沙的大波高来说这种消浪效果尤为明显。离岸式人工岬头的潮流通道预留在靠岸端，其水深较浅，波浪传入后的传播范围也较小，故放弃掉这一部分的消波作用对海滩保护的整体影响也较小。总体来说，潜式岬头和离岸式岬头虽然通过降低堤顶高程或预留潮流通道的方法来提供潮流通路，但二者仍能发挥重要的消波作用，其海滩保护效果要显著高于无岬头工况，仅比传统岬头工况略有减弱。

3 水体交换

为了研究潜式岬头和离岸式岬头对岬湾内水交换情况的影响，基于Delft3D模型建立了物质输运模型，设置了6种人工岬头，4种潮汐流场，对2个区域进行数值模拟，进行了共计48种情况下的物质输运模拟。根据物质输运模型的模拟结果，计算岬头后区域的冲淡时间。然后讨论潜式岬头和离岸式岬头对水交换的影响。

3.1 模型设置及验证

物质输运模型包括两部分——潮流模型和输运模型。如图5所示，建立四级正交曲线网格系统。一级网格覆盖整个渤海区域，确保潮流场正确；两个四级网格分别覆盖海滩的西端和东端，分辨率达到10 m，用以精细刻画岬头地形；第二、三级网格分辨率介于第一、四级网格之间，作为二者之间的过渡。网格之间的连接采用区域分解边界技术(domain decomposition boundary)[23]，参数可通过内边界光滑传播。一、二、三级网格和东、西端两个四级网格大小分别为253×145、118×73、181×85、31×31、64×55。考虑到岬湾水深相对较浅(小于4 m)且外海水深小于6 m，根据流量和浓度的垂向分布将垂向(σ坐标)分为5层。离岸水深由渤海测深图测得，近岸水深(三级网格范围内)采用测深数据。需要说明的是，在本模型的计算中并未考虑波浪对于物质输运的影响。这是由于研究区域的波浪能非常小，如第1节所述，99%的波浪小于0.9 m，且其影响范围仅限于近岸，故影响当地物质输运的主要因素为潮流。

图5 潮流模型的模型网格系统和开放边界位置以及现场数据观测点Fig. 5 The model grid system and open boundary locations of the flow model, and the field data observation points

模型验证采用从2011年5月20日11∶00至5月21日11∶00内的流场资料，包括西海岸附近海域的5个监测站每小时的流速和流向数据。5个站点(Ob1～Ob5)位置如图5所示。在Ob1～Ob4处，分别在总水深的3/10和7/10处测量流速和流向；在Ob5处，仅在中间水深处测量流速和流向。近岸WL站(如图5所示)在5月16至17日和5月20至21日内测得的水位数据也用于模型验证。潮流模型的模拟时间为2011年5月11日至25日，采用此期间的现场测量数据对模型进行验证，时间步长设置为15 s。开边界为大连水文站和烟台水文站连线，边界动力条件由中国国家海洋数据服务中心提供的两个水文站的潮位数据插值得到。北戴河流量由多年平均流量给定。图6(a)和图6(b)分别为Ob3站和Ob5站模拟流速、流向与实测流速、流向的对比图。图6(c)为WL站的模拟水位与实测水位的比较。从图中可以看出，模拟与实测结果在流速、流向、水位等方面均吻合较好，说明该模型对模拟区域内潮流场的描述较为符合。

图6 潮流模型验证：模拟值和测量值的比较Fig. 6 Verification of the flow model: the comparisons between model simulations and field observations

3.2 冲淡时间

冲淡时间表示的是某水体中水交换的时间尺度，广泛用于河口[24]、港湾[25]和其他水体[26]的水质评价。冲淡时间定义为保守物质在某水体中减少至初始质量的给定百分比时所需的时间。该给定百分比称为截断百分比，Huang等[27]取为10%，Abdelrhman[25]取1/e。考虑到本研究区域为相对开阔的海湾，岬头较短，水交换相对较快，因此取10%作为截断百分比。为计算冲淡时间，首先在计算区域内设置单位浓度的示踪剂，然后开始模拟，在模拟过程中追踪计算区域内示踪剂质量(M(t))的实时变化。将计算区域内示踪剂质量(M(t))降低至初始质量(M0)10%时所用的时间定义为冲淡时间。

3.3 模拟方案

为探讨不同条件下潜式岬头和离岸式岬头对冲淡时间的影响，选取2个计算区域(如图7所示)，均设置6种不同岬头下方案，加上4种潮汐条件，共48种物质输运方案。

所有方案的运行时间均为2011年5月11日至25日，包含一次大潮和小潮。模型设置了传统岬头和无岬头，Kt为0.3和0.5的潜式岬头，Ptc为0.3和0.5的离岸式岬头这6种岬头，在潮流模型模拟结果的驱动下，运用输运模型对48种方案进行模拟，研究在不同区域，不同岬头和不同潮汐条件下的水交换效果。选取岬头后的2个区域(区域1和区域2)计算冲淡时间。选取4种潮汐条件，研究潮汐条件对水交换的影响，包括大潮涨潮(从2011年5月19日11∶00开始)、大潮落潮(从2011年5月20日3∶30开始)、小潮涨潮(从2011年5月14日5∶00开始)和小潮落潮(从2011年5月15日00∶00开始)。每次模拟首先在计算区域内(区域1或区域2)设置单位示踪剂浓度，然后在模拟中跟踪计算示踪剂质量的实时变化。

图7 冲淡时间的计算域Fig. 7 The selected areas for the calculation of flushing time

3.4 结果与讨论

不同方案的示踪剂质量降低曲线分别如图8和图9所示，图8为区域1，图9为区域2。曲线表示计算区域内示踪剂质量分数平均值在不同潮汐条件(大潮涨潮、大潮落潮、小潮涨潮和小潮落潮)下的下降过程，不同的符号表示不同的人工岬头，曲线上的竖线表示示踪剂质量分数的分布范围。从图8和图9可以看出，在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中，示踪剂质量的下降范围基本介于传统人工岬头和无人工岬头方案之间。在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中，示踪剂浓度的下降速率分别随着Kt和Ptc的增大而增大。当Kt=Ptc时，潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中示踪剂质量下降过程基本相同，差异很小。潮汐条件对示踪剂质量的减少也有一定的影响，如图8和图9中的竖线所示不同潮汐条件下造成的示踪剂质量分数的变化范围。

图8 传统人工岬头、潜式人工岬头、离岸式人工岬头和无人工岬头方案中示踪剂质量下降曲线(区域1)Fig. 8 The tracer mass reduction curves of area 1 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

图9 传统人工岬头、潜式人工岬头、离岸式人工岬头和无人工岬头方案中示踪剂质量下降曲线(区域2)Fig. 9 The tracer mass reduction curves of area 2 in cases of TAH, SAH, DAH and NAH

传统式人工岬头完全的将岸滩两端遮蔽起来，形成了较为封闭的海湾的形态，潮流和波浪都无法进入，岬后水体难以更新，而改良式人工岬头预留了不同形式的潮流通道，涨退潮时，潮流可以经潮流通道进出岬后海湾，与湾内水体进行掺混，湾内水体始终与外海保持流通的状态，因而岬后水交换将会得到改善，而改善的效果与岬头形式、参数设置以及潮流类型等相关。虽然改良式人工岬头仍会对水交换有一定程度的阻碍，但相比于传统人工岬头其水交换效率有大约50%的提高。

根据示踪剂质量降低曲线图，判断示踪剂质量(M(t))降至初始质量(M0)10%所用的时间，即冲淡时间。计算得到的冲淡时间如图10所示。由图可知，潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中，冲淡时间明显小于传统人工岬头方案，Kt和Ptc值越小，冲淡时间越长，例如当Kt和Ptc值为0.3时的冲淡时间大于Kt和Ptc值为0.5时。潮汐特征对冲淡时间也有明显的影响。由图可见，区域1在涨潮时冲淡时间较长，而区域2在落潮时冲淡时间较长。在潜式人工岬头和离岸式人工岬头方案中，区域2在落潮时的冲淡时间明显长于涨潮冲淡时间，这一结果可以通过潮流方向得到解释。西侧的潮流方向大致与海岸线平行，低潮时为自西向东，高潮时为自东向西。退潮时，虽然潮流方向朝向区域2的开阔面，但由于退潮时潮汐水位较低，通过潮流通道的出流减弱，在人工岬头后形成了一个小于0.01 m/s的低流速区域。而涨潮时，尽管水流方向为自东向西，并朝向区域1的开阔处，但高潮位保证了水流有较强的能力经潮流通道向外流，这就解释了在区域1为什么涨潮时的冲淡时间较长，而落潮时的冲淡时间较短。

图10 不同人工岬头以及不同潮汐条件下的计算冲淡时间Fig. 10 Calculated flushing time under different artificial headland conditions and tidal phases

4 结 语

采用数值模型研究比较了在北戴河西海滩养滩工程中潜式人工岬头和离岸式人工岬头对岸线演变和水交换的影响。

当关键参数Kt或Ptc设为0.3或0.5时，潜式岬头和离岸式岬头保护岸滩的效果都较好。因此，用潜式岬头或离岸式岬头代替传统岬头来保护海滩是可行的。通过对比潜式岬头与离岸式岬头的岸线模拟结果，可以看出，潜式岬头后的岸线形状更加平滑，有利于旅游景观的形成。海滩的侵蚀和淤积特性也对潜式岬头和离岸式岬头的性能有一定的影响，在侵蚀条件下，岸线对Kt和Ptc的敏感性相似，而在淤积条件下，潜式岬头的护滩效果略好。

潜式岬头和离岸式岬头后方区域的水交换效果介于传统岬头和无岬头情况之间，Kt和Ptc值相同时示踪剂质量下降曲线相似。潮汐条件对某些情况的冲淡时间有一定的影响。通常，当Kt和Ptc在测试参数范围内时，冲淡时间比采用传统岬头时显著减少。例如，在西海滩区域1，潜式岬头在Kt为0.3和0.5，离岸式岬头在Ptc为0.3和0.5时，冲淡时间分别比传统岬头减少了大约45.5%、55.9%、48.2%、53.3%；在西海滩区域2，潜式岬头在Kt为0.3和0.5，离岸式岬头在Ptc为0.3和0.5时，冲淡时间分别比传统岬头减少了约27.3%、36.9%、14.8%和41.0%。

总体而言，潜式岬头和离岸式岬头都可以作为传统岬头的替代措施，虽然海滩保护效果稍有减弱，但可以明显改善水交换情况。从岸线演变的角度看，潜式岬头具有其后岸线形状光滑、在淤积条件下护滩效果较好的优点。两种改良式人工岬头改善湾内水交换的效果相近。实际上，西海滩的养护工程中，最终采取的方案为离岸式岬头和潜式岬头相结合的方式，其中潜式岬头Kt取为0.3，离岸式岬头Ptc取为0.5。养护后的监测也显示西海滩两端都维持着可观的海滩宽度。本研究所得的资料与结果可用于拟建人工岬头的养滩工程中，在养护岸滩、改善水交换、降低水质恶化风险方面提供参考。

本结论基于对北戴河西海滩的案例研究，所得结论适用于具有波能小、潮差小等类似条件的沙滩，当应用于其他类型的海滩时，在应用前须进行可行性研究及方案比较分析。