珠海三角岛沙滩修复工程岸滩演变数值模拟研究

张慈珩，信书，赵鹏，郭泉，耿宝磊*

（1.交通运输部天津水运工程科学研究院，港口水工建筑技术国家工程实验室&工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；4.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

0 引言

海滩是一种宝贵的天然资源，因具有海岸防护、旅游休闲和生态服务等多种重要功能，在沿海社会经济发展和生态文明建设中发挥着不可替代的作用[1]。随着我国经济的发展及海岸资源的开发，人造沙滩工程成为建设热点，岸滩演变问题也随之成为工程界的重点研究方向[2]。相关工程中，潍坊滨海旅游度假区人工沙滩工程经过1 a 的运行，沙滩破坏严重，被海水完全侵蚀[3]；天津港人工沙滩环抱水域也曾出现泥沙回淤的问题[4]，因此为保证人造沙滩稳定性，进行相应的数值模拟预测很有必要。目前对于沙滩岸线的数值模拟预测主要有两种手段：1）Pelnard-Considere[5]提出的一线以及后来发展出的多线模型理论；2）Lesser[6]、Roelvink[7]等人探讨的基于水沙动力过程的模拟理论。

三角岛隶属珠海市，位于万山群岛西北部，在香洲区东南部20 km 珠江口外，西为临青洲水道，东为赤滩门水道，南为三角门水道。三角岛全岛岸线长约5 km，面积约0.87 km2。由于原生沙滩是三角岛上的稀缺资源，具有较高的旅游观光和生态价值，为配合三角岛相关规划及开发需求，要求对其进行相关修复保护工作。

本文通过现场实测水文和历史地形资料，分析该工程海域的水文特征、泥沙环境等，在此基础上利用MIKE21 软件对沙滩演化进行计算分析，模拟出不同设计方案实施后岸滩的冲淤变化情况，最终确定最佳工程设计方案。

1 工程区域水动力泥沙特性

1.1 水动力特性

珠江口潮型形态系数（HK1+HO1）/HM2 为0.94～1.77，潮汐属于不正规半日潮，每日两涨两落，相邻两高潮或低潮的潮高不等，落潮历时大于涨潮历时，落潮流速大于涨潮流速；北部内伶仃岛站最大潮差为2.51 m，平均潮差为1.52 m；南部桂山岛站最大潮差为2.17 m，平均潮差为1.21 m；大万山岛站最大潮差为2.02 m，平均潮差为1.12 m；属于弱潮型河口。

本文依据相应水文测站，采用海流计进行表、中、底3 层定点观测取得相关实测资料。各站层的流速值过程线多起伏，实测海流以潮流为主。总体而言，大潮期大部分站位的实测海流在涨潮时段流向以北向为主，在落潮时段则以南向为主；流速随涨落潮变化而变化，各测站表、中、底层的流向也比较接近。实测涨潮流表、中、底层的最大流速依次为0.98 m/s、0.98 m/s、0.90 m/s；实测落潮流表、中、底层的最大流速依次为1.27 m/s、1.12 m/s、0.99 m/s；在表层，落潮流速的平均值和最大值均大于涨潮流速的平均值和最大值。

三角岛附近海域无波浪实测资料，本文采用《海湾志》[8]中赤湾站、大万山站波浪历史统计资料及澳门海洋站1986—2001 年波浪实测资料作为参考。根据澳门海洋站1986—2001 年波浪资料统计，该工程区域常浪向是SE 向，频率为41.2%，次常浪向是S 向，频率为19.69%。波高较大的浪向多出现在E 向、SSE 向和ESE 向。

1.2 泥沙特征

根据2009 年进行的大小潮水文测验统计结果，施测区附近平均含沙量约为0.044 kg/m3，其中涨潮时，各站平均含沙量介于0.026～0.057 kg/m3，平均值约为0.042 kg/m3，落潮时平均含沙量介于0.024～0.131 kg/m3，平均值约为 0.049 kg/m3。另外根据2015 年8 月水文测验所得数据，最大含沙量的垂向分布中，基本表现为底层最大，最大浓度出现在三角岛西侧海域。该海域表层沉积物的平均粒径分布范围为 φ=1.48～7.73（0.005～0.358 mm），平均值φ=6.54（0.011 mm），总体泥沙颗粒较细，沉积动力弱；在泥沙来源上，该区域海域来沙的占比较少，主要为径流输沙和近岸浅滩再搬运的泥沙。

2 工程概况

三角岛沙滩修复工程沙滩位置见图1，其中沙滩一位于三角岛西侧，沙滩二和沙滩三分布于三角岛东南侧。沙滩一平均水面线（0.5 m）以上沙滩坡度为1 ∶20，平均水面线以下坡度为1 ∶8；沙滩二平均水面线以上沙滩坡度为1 ∶12.5，平均水面线以下坡度为1 ∶8；沙滩三平均水面线上下坡度与沙滩一相同。

图1 沙滩位置图Fig.1 Beach location map

3 处沙滩平均水面线以上回填砂中值粒径约为0.5 mm，平均水面线以下回填砂中值粒径为1.5 mm。沙滩坡脚均采用格宾石笼潜堤护脚。3处沙滩坡脚高程均为-2.0 m，格宾石笼护脚顶高程分别为-1.7 m、-1.0 m 及-1.7 m。该沙滩修复工程初定平面布置方案见表1。

表1 平面布置方案Table 1 Floor plan form

3 数学模型

岸滩演变数学模型组成包括HD 水动力模块、SW 波浪模块和ST 泥沙模块，其中水动力模块为波浪模块提供水位等要素，同时水动力模块和波浪模块又可为泥沙模块提供水动力场。模型计算范围包括整个珠江口，东西方向长约210 km，南北方向长约211 km。计算域大范围水深提取自MIKE C-map 电子海图数据库，拟建工程附近海域水深参考2015 年5 月珠海市测绘院实测数据修正，工程海域岸线根据Google Earth 2016 年9 月份卫片提取。计算中在外海给定潮位开边界，水位过程由MIKE Global Tide Model 推算得到。

计算中波流共同作用下底床高程变化由式（1）求得：

式中：z 为底床高程；n 为底质孔隙率；qx为x 方向输沙率；qy为y 方向输沙率。

采用2015 年8 月大潮期V1—V6测站的垂向平均流速流向资料及短期潮位观测站的潮位资料、实测含沙量对模型进行率定和验证。2015 年8 月大潮期潮位、流速和含沙量的验证（以V1点为例）见图2，符合TJS/T 231-2—2010《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[9]中的规定和要求。

4 岸滩冲淤分析

4.1 常浪作用

常浪作用下，沙滩一方案一～方案四年冲淤变化主要是浅水部分发生冲刷，近岸高滩部分发生堆积，基本以-1.5 m 等深线为界，冲刷带和淤积带均平行于岸线，各宽约20 m。由于潜堤和防波堤对人工沙滩北段掩护作用较弱，冲淤幅度大致相同，最大冲刷深度为0.70 m，最大淤积高度为0.74 m。方案一南段岸线最大冲刷深度为0.50 m，最大淤积高度为0.20 m；方案二潜堤对岸线掩护作用并不明显，南段岸线最大冲刷深度为0.60 m，最大淤积高度为0.50 m；方案三设置连岛防波堤后，使得南段岸线冲淤幅度明显减小，尤其是最大冲刷深度仅为0.32 m。方案四设置离岸防波堤后，对沙滩一的掩护效果与方案三大致相同。故从对保持沙滩一稳定性的角度来说，设置连岛防波堤的方案三为最佳推荐方案，该方案下沙滩一冲淤分布及工程1 a 后等深线分布见图3 和图4。

图3 常浪作用下沙滩一冲淤分布（方案三）Fig.3 Distribution of erosion and deposition of the first beach under regular waves action(scheme 3)

图4 常浪作用下沙滩一1 a 后等深线分布（方案三）Fig.4 Isobath distribution of the first beach after 1 year under regular waves action(scheme 3)

常浪作用下，沙滩二的两方案年冲淤分布及幅度基本相同，说明方案二潜堤对人工沙滩的掩护效果与方案一大致相同。两方案在滩面上淤积高度在0.22～0.27 m 之间，冲刷深度小于0.1 m。防波堤外侧发生较为明显的淤积，淤积高度最大为0.65 m。沙滩三的年冲淤分布也大致以-1.5 m等深线为界，浅水区域出现冲刷，近岸高滩区域出现堆积。其中最大冲刷深度为0.72 m，最大淤积高度为0.68 m。

4.2 极端波浪作用

选择10 a 一遇SW 向波浪作为极端天气的代表情况进行计算分析，分析不同方案的冲淤分布和该工程海域等深线分布。针对沙滩一，极端波浪作用下方案一～方案四的岸滩变化是浅水部分发生淤积，近岸高滩部分发生冲刷，冲刷带基本平行于岸线，回填砂被侵蚀后在近岸形成堆积体，最大冲刷深度为3.64 m，最大淤积高度为3.90 m。其中方案一南段岸线最大冲刷深度为2.60 m，最大淤积高度为3.10 m；方案二潜堤对岸线有一定掩护作用但并不明显，南段岸线最大冲刷深度为2.20 m，最大淤积高度为2.20 m；方案三设置连岛防波堤后，使得南段岸线的冲淤范围和幅值明显减小，尤其是最大冲刷深度仅为0.44 m；方案四设置的离岸防波堤对原堤根位置沙滩失去掩护作用，最大冲刷深度为1.72 m。方案三工况下沙滩一冲淤分布及工程1 a 后等深线分布见图5 和图6。

图5 极端波浪作用下沙滩一冲淤分布（方案三）Fig.5 Distribution of erosion and deposition of the first beach under extreme waves action(scheme 3)

图6 极端波浪作用下沙滩一1 a 后等深线分布（方案三）Fig.6 Isobath distribution of the first beach after 1 year under extreme waves action(scheme 3)

选择10 a 一遇的SE 向波浪作为极端天气的代表情况，对沙滩二（方案一）和沙滩三在极端波浪作用下的岸滩冲淤进行计算。结果表明，沙滩二滩面发生较大范围的冲刷，冲刷主要发生在距岸20～30 m 处，最大可达3.0 m；沙滩三的年冲淤分布大致以-2.0 m 等深线为界，近岸高滩发生冲刷，浅水部分发生堆积，最大冲刷深度为3.70 m，最大淤积高度为3.90 m，岸滩冲淤变化强烈，应在实际工程中考虑增设掩护措施。

4.3 泥化可能性分析

在淤积质海岸建造人工沙滩，由于水动力条件相对较弱，沙滩缺乏波浪淘洗作用，水体中的悬沙大量沉积于沙滩上时，人工沙滩可能会发生泥化现象。本文使用MIKE21 MT 黏性沙模块对工程海域的悬沙落淤强度进行了计算。模型选取年均动力代表条件，计算得沙滩一和沙滩三滩面上悬沙落淤强度小于0.05 m/a，沙滩二滩面上悬沙落淤强度小于0.06 m/a，由于落淤强度较小，其可被涨落潮流或破波水流带走。结合珠江口海域含沙量和现场踏勘，综合判断拟建人工沙滩泥化的风险有限。

5 结语

本文根据工程所在水域现场水文、泥沙资料，通过数值模拟分析了不同工况下岸滩的演变情况，得到主要结论如下：

1）对于沙滩一，方案一由于无掩护措施，岸线变化剧烈，且在极端波浪作用下南段岸线最大冲刷深度达到2.60 m，最大淤积高度达到3.10 m，远高于常浪作用下的冲刷淤积幅值；方案二增设潜堤但对岸线的掩护作用较小，岸滩冲淤变化在极端波浪或常浪作用下依旧明显；方案三设置了防波堤后，南段岸线冲淤幅值在常浪作用与极端波浪作用下都明显减小；方案四设置离岸防波堤后在常浪作用下和方案三的冲淤幅值大致相同，但在极端波浪作用下，离岸防波堤对原堤根位置沙滩失去掩护作用。对于沙滩二，方案一和方案二的年冲淤分布及幅值在两种波浪作用下基本相同。对于沙滩三，由于缺乏掩护措施，岸滩冲淤幅值较大。

2）对于沙滩一，从保持沙滩稳定性的角度而言，设置有连岛防波堤的方案三为最佳选择方案；对于沙滩二，方案二增设潜堤对人工沙滩掩护效果与方案一基本相同，从经济性的角度而言，方案一为最佳选择方案。

3）根据珠江口含沙量和现场踏勘，并结合数模分析综合判断拟建人工沙滩泥化的风险有限。