姬泓宇，陈沈良，雷亚平，郭晓娟，朱正涛

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.中山大学 河口海岸研究所，广东 广州 510007)

粤东靖海湾海岸地貌动力演变及其工程影响

姬泓宇1，陈沈良1，雷亚平2，郭晓娟2，朱正涛1

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.中山大学 河口海岸研究所，广东 广州 510007)

受人为工程的影响，相对稳定的岬湾海岸地貌常经历显著的动态调整。本文以粤东靖海湾典型岬湾海岸为例，运用McLaren模型、波浪动力场数值模拟、等深线对比、冲淤计算等多种方法，从海岸地貌动力学角度，对人为岬角工程前后岬湾海岸地貌动力过程和冲淤演变进行综合分析。结果表明：1)海岸地貌动力系统内常存在负反馈机制以维持系统的稳定。岬角工程后上岬角防波堤沿SSW延伸，ESE和E向浪经过防波堤时发生绕射，波能削减，湾顶动力减弱，海滩沉积物从下岬角向湾顶反向运移；2)海滩的蚀积状态在工程前后发生了转换，工程前遮蔽段侵蚀、开敞段堆积；工程后遮蔽段堆积、开敞段侵蚀；3)海湾水下地形对岬角工程的响应敏感，工程后海湾水下地形冲淤剧烈。

岬湾海岸；海滩状态；海湾冲淤；海岸工程；靖海湾

Abstract：Significant dynamic adjustments occur constantly on headland-bay coasts after artificial engineering.In this study,McLaren model,morphodynamic simulations (CMS-Wave),bathymetric comparison and erosion-accretion calculation were used to study beach morphodynamic behavior and morphological evolution of Jinghai Bay (Southern China),a typical headland-bay coast influenced by an artificial headland.Results indicate that: 1) Morphodynamic system has negative feedback mechanism to maintain a stable bay.The upper headland extends in the direction of SSW after the breakwater construction,leading to wave diffraction and reflection,with lower wave energy in the shadow zone than in the open sector.The headland-bay beach follows a general sediment transport trend from the open sector on the down coast to the shadow sector on the upper coast in accordance with wave conditions and energy regimes.2) The headland bay beach presents a slight erosion state before the engineering,with erosion in the shadow sector and accretion in the open sector.After the engineering,the beach comes to a deposition state,with accretion in the open sector and erosion in the shadow sector.3) The nearshore emerged a sensitive response to the headland engineering,and there is increased erosion-accretion after the engineering.

Keywords：headland-bay coast; beach state; erosion/accretion; artificial engineering; Jinghai Bay

受岬角控制的岬湾海岸是全球最普遍的一种海岸类型[1]。岬湾海岸在不同的时间尺度上呈现不同的形态变化特点[2]，长时间尺度的海岸平衡形态受岬角形状、近岸环流、波向角的控制[3]。在岬角人为工程的影响下，由于岬角形态的改变，岬湾海岸的动力与地貌过程随之发生相应的调整。

岬湾海岸也称为半心形海湾[4]、锯齿状海湾[5]、ζ形海湾或袋状海滩[6]等。一直以来岬湾海岸的平衡状态受到广泛的关注[7]，包括平面平衡形态的拟合(对数螺线型公式[8]、双曲线型公式[9]、抛物线型公式[10])、平面形态的影响因素等[3,4,11]。波浪是砂质海岸的主要动力，波高、周期等波候要素对海岸形态具有显著影响[12]，风暴浪等极端事件也是塑造海岸地貌的重要动力，常用模型方法探讨波浪对海岸塑造的影响[13]。波浪作用引起的海滩沉积物运移机制是研究海岸动力和地貌过程不可忽视的问题，采用EOF[14]、海滩演变预测模型[15]等方法可分析预测海岸泥沙的运移模式，海滩旋转的提出及有关的物理过程完善了海滩沉积物在自然条件下的运移机制[16]。

以往的研究常认为，海岸地貌演变主要是动力驱动的结果，即海岸动力地貌；但近年来的研究表明，动力与地貌之间存在相互作用与反馈，水流泥沙运动和地形变化的耦合作用引起地貌形态的改变[17]，即海岸地貌动力学(coastal morphodynamics)。鉴此，本文运用McLaren模型、波浪动力场数值模拟、水下等深线对比、冲淤变化计算等多种方法，从地貌动力学的角度，探讨靖海湾人为岬角工程前后海岸的地貌动力过程，为科学评估人为岬角工程对岬湾海岸地貌演变的影响提供借鉴。

1 区域概况

靖海湾位于粤东揭阳市惠来县，是华南地区典型的岬湾海岸，湾口宽约3.31 km，海湾最大凹入长度1.76 km，海岸走向大致为NE-SW方向，海湾向偏东方向开敞(图1)。上岬角是海岸东北部的北炮台，下岬角是西南部的资深角。研究区潮汐和河流作用较弱，波浪是影响靖海湾地貌演变的主要动力因素。华南地区多台风和风暴潮，靖海湾海岸作为华南典型砂质海岸，其岸滩地貌变化与台风大浪密切相关[18-19]。

图1 研究区概况及海滩沉积物取样断面Fig.1 Sketch of study area and transects of beach sediment sampling

图2 靖海湾20 m水深波向玫瑰图Fig.2 Wave rose of the Jinghai Bay

靖海湾海岸由遮蔽段和开敞段以及之间的过渡段组成。遮蔽段近岸坡度较缓，外海入射波能弱；开敞段近岸坡度较陡，入射波能较强，波浪传至岸线附近才破碎。经现场观察，在碎波带附近存在水下沙坝或脊-槽体系。沉积物粒度从遮蔽段到开敞段变化规律为先变细后变粗。滩肩和水边线附近沉积物平均粒径分别为1.44 Ф和0.78 Ф，分选系数均为0.76。据靖海湾20 m水深处的波浪观测(1975年3月～9月和1993年9月～1994年3月)，常浪向为SE，次常浪向为NE和E，强浪向为NE，年平均波高1.5～2.0 m，周期6.2～6.5 s(图2)。海区潮汐为不正规日潮，平均潮差小于1 m，属弱潮浪控制海岸。

由于丰富的风力资源和较开阔的海域条件，在海岸开敞段建有风力发电机组和高位海水养殖场。2005年启动2008年建成的惠来电厂一期防波堤工程使靖海湾海岸平面形态发生巨大变化：填海92.44 hm2，在背靠上岬角建设惠来电厂主厂区；围海18.99 hm2，建立防波堤和码头。防波堤沿SSW方向延伸1200 m，海岸凹入度较工程前大大增加。岬角人为工程后，湾顶泥沙大量堆积，阻碍船只通行；海岸开敞段侵蚀后退，高位养殖场和风力发电机组受到威胁。

2 资料与方法

2.1基本资料

1) 根据现场观察确定取样位置，在滩肩和低潮水边线附近分别取得19组沉积物样品(在图1测量断面取样并在每两个断面之间加密采样)。在实验室进行粒度筛分实验，并计算各样品的平均粒径、分选度、偏度。2) 波浪资料为1994年靖海湾20 m深水区波浪统计资料。3) 地形数据分别是靖海湾至神泉港1966年、2003年、2008年和2011年海图资料，比尺均为1：30 000。

2.2研究方法

2.2.1 McLaren模型

沉积物粒度参数受物源和动力条件的制约，能反映沉积物和沉积环境之间的动力学关系，粒度参数变化可用于推断沉积物的运移方向。沉积物运移趋势模型最早由McLaren提出[20]，McLaren和Bowles进一步发展[21]。根据McLaren模型，在理想条件下(动力条件单一，沉积物来源单一，细颗粒更易被侵蚀，粗颗粒更易沉积)，粒度参数随沉积物的侵蚀、搬运、堆积过程按照这样一种方式改变：侵蚀残留的沉积物比原来的沉积物更粗、更加正偏(事件A)，沿运移方向相继沉积下来的沉积物将更细、更加负偏(事件 B)或更粗、更加正偏(事件 C)，沉积物分选性沿运移方向越来越好[20-22]。

McLaren模型具体计算方法：对n个具有一定空间序列的样品进行两两比较，则共存在N=(n2-n)/2组可能揭示沉积物运移方向的总样品对数。对任意一组样品d1,d2的平均粒径、分选度和偏度进行比较，共可能存在8种趋势：①[F(更细)，B(分选更好)，-(更加负偏)]；②[C(更粗)，P(分选更差)，+(更加正偏)]；③[C，B，-]；④[F，P，-]；⑤[C，P，-]；⑥[F，B，+]；⑦[C，B，+]；⑧[F，P，+]。在这些趋势中，只有两种趋势具有指向意义：[F，B，-](事件B)和[C，B，+](事件C)。每种结果出现的概率是p=0.125。进行运移趋势判断时作两种假设：H0≤0.125：模型没有明确的指向；H1>0.125，模型有明确且唯一的指向。运用单尾边Z得分检验，如果

(1)

则H1>0.125成立，即沉积物有沿此方向运移的趋势。其中，X是某一特定方向事件 B(或C)的数量，q=1-0.125=0.875，一般要求N≥30，即最少有8至9个样品参与计算。

2.2.2 CMS-Wave模拟波浪场

CMS-Wave是美国陆军工程兵团研发中心(ERDC)联合海岸和水力学实验室(CHL)开发的预测近岸波浪传播的模型[23]，重点分析海岸工程影响下波浪的传播过程[24]。CMS-Wave是CMS(Coastal Modeling System)的重要模块，与Delft3D相比，CMS在预测近岸水体运动和泥沙运移时具有较高的准确性[25]。模型是相位平均的，即忽略了计算波浪和其他近岸过程的相位变化，并通过二维波浪能谱的转换，模拟波浪向岸传播过程。以往的相位平均模型极少考虑波浪的绕射和反射作用，而这对于预测海岸工程的影响是极其重要的。模型还考虑了风的形成和发展，底摩擦引起的能量耗散，波浪破碎和波流相互作用。此外，近年来波浪上冲、漫溢以及波浪之间的相互作用也参与到模型计算中[24]。CMS-Wave波浪绕射平衡方程如下：

(2)

(3)

式中：E(σ,θ) 是波能密度，表示单位水体表面单位频率间隔的波能；C和Cg分别代表波速和群速；x，y为水平坐标；Cx，Cy，Cθ分别是相对于x，y，θ的特征速度；Ny和Nyy分别是N关于y的一阶和二阶导数；k是经验参数，反映波浪绕射的强度，模型允许的最大绕射参数是4，对于一般防波堤工程模型建议取值为3[23]；εb是衡量波浪破碎时能量耗散的指标；S表示风、底摩擦损耗和非线性波的作用。

3 结果与讨论

3.1海滩沉积物输运

采用McLaren模型进行沉积物运移趋势分析，首先需要确定其适用性。研究区主要为波浪作用，可认为动力作用单一；人为岬角工程后，岬湾海岸平面形态调整主要通过区内沉积物的再分配，因而可认为沉积物来源单一；靖海湾沉积物组成以砂为主，颗粒间基本不存在粘性力，特定粒径沉积物的搬运可认为独立于其它粒径搬运之外，且满足细粒易运移、粗粒易沉积的规律。因此，运用McLaren模型研究靖海湾工程后沉积物的沿岸运移是可行的。

图3 海滩沉积物输移趋势Fig.3 Trends of beach sediment transport

计算相邻采样点的沉积物运移趋势(图3)，发现相邻采样点沉积物对比反映的运移趋势并不明显，可能原因是仅一组沉积物样品的比较反映出的运移趋势具有偶然性，因此McLaren模型建议对所有沉积物样品进行一一比较。运用McLaren模型对滩肩和水边线沉积物运移趋势进行计算，结果显示，滩肩和水边线沉积物运移趋势相同，均由SW向NE方向运移。具体过程以滩肩沉积物SW向NE运移为例：假设存在此方向的运移趋势，沉积物两两对比后统计事件B共有45件，事件C有25件，根据单尾边Z得分检验，事件B中Z=5.46>2.326，事件B成立，滩肩沉积物有从SW向NE的运移趋势；事件C中Z=0.84<1.645，事件C不成立(表1)。

海岸地貌动力系统为维持稳定内部存在负反馈机制。岬角人为工程前，靖海湾沿岸输沙方向由NE向SW，海岸为略微侵蚀型的动态平衡海岸。工程后，为平衡海岸平面凹入度增大的变化，岸滩泥沙有向湾顶方向的运移趋势，海岸转变为不稳定型海岸。

表1 McLaren模型计算靖海湾沉积物运移方向Tab.1 Calculative trends of longshore sediment transport in Jinghai Bay

3.2波浪动力场

运用CMS-Wave模型对工程前(2003年)和工程后(2011年)靖海湾波浪场进行模拟。所用资料为1994年靖海湾20 m水深波浪的统计结果(表2)，模拟范围为20 m水深以内的波浪传播过程，网格大小设为10 m。按照深水波浪方向分类，计算2003和2011年的ESE、E向的波浪场，并计算湾内波浪的波高和波向(图4)。

图4 工程前后靖海湾波浪场模拟Fig.4 Wave field simulation of Jinghai Bay before and after engineering

防波堤工程前，波浪直接入射冲击海岸。人为岬角工程改变了海岸的固定边界，导致湾内波浪动力重新分布。ESE和E向浪经防波堤时发生绕射，波能衰减，难以对防波堤掩护下的海岸遮蔽段有足够的冲击作用。此外，工程后海岸遮蔽段位置改变，遮蔽段相对延长，弱动力区域范围增加，因而沉积物更易在遮蔽段沉积。海岸开敞段波浪能量强，ESE向浪和E向浪对海岸有较强的冲击，沉积物易被侵蚀并沿岸运移，在海湾动力较弱的上岬角一侧沉积下来。湾内波浪场的模拟分析与沿岸输沙方向相一致。

表2 靖海湾20 m水深波浪特征Tab.2 Statistic characteristics of 20-m deep waves in Jinghai Bay

3.3水下地形与冲淤变化

3.3.1 岸线、等深线对比

根据1966年、2003年、2008年和2011年各年份2 m、5 m等深线数据，参照海滩剖面实测位置，绘制各年份靖海湾等深线对比图(图5)。其中，1、2号剖面代表的是遮蔽段剖面测量位置，5、6号剖面代表过渡段剖面测量位置，9、10号代表开敞段剖面测量位置。

图5 靖海湾海岸1966年、2003年、2008年和2011年水下2 m、5 m等深线对比Fig.5 Comparison of 2-m and 5-m isobath between 1966 and 2011

在人为岬角工程前，据1966年和2003年等深线对比发现，遮蔽段1、2号剖面2 m等深线向陆后退，可认为常态下海岸遮蔽段呈略侵蚀状态；开敞段9、10号剖面岸线和等深线均向海前展，速率分别为2.65和2.73 m/a；以5、6号剖面代表的海岸过渡段，2 m等深线向海前展，5 m等深线向陆后退，过渡段蚀积变化不定，且进退速度缓慢。通过2 m、5 m等深线综合比较发现，在工程前几十年的时间内海岸遮蔽段岸线向陆后退，开敞段岸线向海前展，海岸呈动态平衡状态。

在2005年人为岬角工程启动后，比较2003年和2008年等深线，遮蔽段1、2号剖面2 m、5 m等深线均向外海前展，速率为13.84和24.29 m/a；开敞段岸线明显向陆后退，9、10号剖面后退平均速率分别为7.20和9.48 m/a；在过渡段5号剖面等深线向海前展，6号剖面向陆后退，过渡段部分侵蚀部分堆积。可见，工程后较短时间内海岸对上岬角的变化迅速作出反馈：遮蔽段岸线向海前展，过渡段和开敞段向陆后退。

进一步比较2008年和2011年的等深线变化发现，遮蔽段1、2号剖面各等深线均向海前展，表明此处工程后为堆积状态，平均推进速度为11.80和21.67 m/a；开敞段表现出明显的向陆后退，9、10号剖面后退速率分别为14.77和11.62 m/a；过渡段5号剖面等深线向海前展，6号剖面有进有退，因此过渡段蚀积变化速率小，呈动态稳定。

通过4个时期海图的对比发现，工程前海岸上岬角一侧微侵蚀，下岬角一侧微堆积，海湾平面形态基本稳定。而工程后，2003年至2011年2 m、5 m等深线进退速率显示，上岬角一侧遮蔽段快速淤积，岸线向海前展速率17.9 m/a；下岬角一侧直线段侵蚀后退严重，岸线后退速率10.8 m/a。通过等深线变化速率对比发现，2008年至2011年与2003年至2008年相比有减缓趋势。岸滩冲淤变化总体为南冲北淤。

3.3.2 海湾冲淤变化

为进一步比较靖海湾工程前后水下地形变化和冲淤调整过程，对1966年、2003年、2008年和2011年4个年份水下地形进行冲淤对比计算，见图6。

图6 靖海湾水下冲淤变化Fig.6 Variations of erosion and accretion in the Jinghai Bay

靖海湾各岸段对人为岬角工程响应和调整快速。岬角工程前，偏E向浪主导泥沙从遮蔽段运移到开敞段，海滩为上岬角一侧侵蚀、下岬角一侧堆积的微蚀型状态。近岸泥沙淤积量为230.53万m3，冲刷量为52.07万m3，淤积量大于冲刷量的原因是下岬角一侧有外来输沙，研究区域内淤积总量大。岬角工程后，下岬角一侧侵蚀严重，侵蚀的泥沙作为物源向湾顶运移，海滩总体呈堆积状态，见图6(b)、6(c)。工程后的两个时段2003年～2008年和2008年～2011年近岸淤积总量分别为128.88和162.67万m3，淤积总量虽不及工程前37年淤积总量，但淤积速率均大于20万m3/a，远大于工程前的淤积速率；冲刷总量分别为139.95和114.73万m3，远大于工程前的冲刷总量。

表3 靖海湾2 m和5 m等深线以内冲淤量和冲淤速率Tab.3 Volume and rate of erosion/accretion within Jinghai 2-m and 5-m isobath

5 m等深线以浅的近岸常认为与波浪强烈变形、破碎和泥沙运动有关。以不同年份靖海湾5 m等深线以内冲淤量对比揭示了海岸水下地形演化趋势(表3)。工程前淤积速率为6.23万m3/a，工程后淤积速率分别增加至42.96和54.22万m3/a，平均48.59万m3/a；工程前冲刷速率为1.41万m3/a，工程后冲刷速率分别为27.99和38.24万m3/a，平均33.12万m3/a。可见，工程后海湾水下地形变化剧烈。

4 结 语

本文以靖海湾为例，根据海滩沉积物运移趋势、海湾波浪场模拟、水下等深线对比和冲淤计算，探讨了人为岬角工程前后岬湾海岸的地貌动力过程和冲淤演变。得到以下结论：

1)运用McLaren模型分析结果显示，工程后海滩沉积物从下岬角向湾顶运移，与工程前相比运移趋势相反。

2)岬角工程改变了海湾的边界，运用CMS-Wave模型较好地揭示了海岸地形对波浪传播和沿岸能量分布的影响：ESE向浪和E向浪经防波堤的绕射作用，波能减弱，使动力较弱的遮蔽段易于堆积。

3)海滩蚀积状态在工程前后发生显著变化。工程前海滩呈遮蔽段略微侵蚀、开敞段堆积的相对稳定型；工程后开敞段侵蚀严重，沉积物向遮蔽段运移，造成湾顶淤积，海滩出现了显著的动态调整。

4)海岸地貌动力学分析认为，地貌与动力之间存在相互作用和反馈。人为岬角工程改变了海湾的平面形态，使湾内波浪动力重新分布，海岸系统为适应动力而快速调整，进而改变海滩蚀积过程和水下地形冲淤，最终形成新的平衡状态。

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Effects of engineering on coastal morphodynamic evolution of Jinghai Bay in Southern China

JI Hongyu1,CHEN Shenliang1,LEI Yaping2,GUO Xiaojuan2,ZHU Zhengtao1

(1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Institute of Estuarine and Coastal Research,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510007,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.007

陈沈良。E-mail：slchen@sklec.ecnu.edu.cn

1005-9865(2016)05-0057-08

2016-01-31

海洋公益性行业科研专项经费项目资助(201405037)

姬泓宇(1992-)，男，博士研究生。研究方向为海岸过程与地貌动力。