（自然地理学专业论文）波控岬间海湾近岸地形动力过程研究——以粤东后江湾为例.pdf

中山大学博士学位论文波控岬问海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 波控岬问海湾近岸地形动力过程研究 以粤东后江湾为例 专业：自然地理学 博士生：李志强 指导教师：陈子粲 摘要 本文以粤东后江湾一个典型的岬间海湾为例，在对近岸浪、流、潮汐， 泥沙、地形等进行现场观测的基础上，结合数值模拟分析，从地形动力学角度对 近岸过程的各个主要要素进行研究，探讨了海滩近岸过程不同时间、空间尺度的 现象和规律、各个要素的多方式、多层次耦合作用。 用抛物线型缓坡方程对后江湾的波浪场进行了模拟，并在此基础上计算了沿 岸的波能流和输沙作用。结果表明近岸岛礁对后江湾波浪传播有重要的影i 蜘，特 别是金屿有明显的遮挡作用。底摩擦耗能对波浪近岸过程有显著影响。e 向波能 流最强，中部岸段破波波能流大于两端。后江湾沿岸泥沙具有向中部输运的趋势。 沿岸泥沙输运过程伴随有横向输沙过程，泥沙沿岸运动通过海滩碎波带之l - 日j 的“ ”形或“z ”形路线进行。 分析了碎波带内外的波浪统计特征的差异。碎波带内波的频谱多峰特征显著， 峰频两侧均存在着显著能量峰值。碎波带波频谱较碎波带外频谱存在有显著的长 重力谱峰，表明波浪经过破碎后，约束长波能量被释放出来。波浪向岸过程中谱 宽度参量e 变大，同时谱尖度q 。减小，显著波陡s 。增大，峰值周期增大。对后江 湾一个潮汐循环过程中，碎波带内外的水动力要素进行了分析。碎波带内的潮汐 变化具有明显的不对称性。无维水深( x = d d ) 和无维波高( y 一圩h ) 有很 强的线性关系：y - 1 1 0 1 2 7 x 一0 0 1 2 7 。碎波带外波面的铅直不对称性参数a v ，随水 深变化明显，水深减小，不对称性加强。 对海滩剖面进行拟合表明，后江湾的海滩剖面符合b o d g e 和l e e 的指数型模 型。l e e 平衡剖面模型中波数参数k 2 ，与当地的波候条件很吻合。b o d g e 模型中 的剖面渐近深度b ，也包含有波浪信息在里面，相当于半波长。d e a n 模型得到 的爿与m 值，具有很强地上述指数关系：爿一6 7 8 6 2 e _ 6 。3 蛇“。l e e 模型中的两 个参数的拟合关系式为： 4 = 3 4 4 0 e 1 5 ”7 “。d e a n 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 模型中的m 与b o d g e 模型中k l 都是反映海滩剖面曲率的参数，呈明显的线性关 系：k ，= 0 0 0 2 8 m 一0 0 0 0 5 。d e a n 模型中a 与l e e 模型中a l ，反映泥沙性质，两 个参数具有线性相关性：a ，= 8 2 9 4 1 a 一7 2 4 8 5 。 滩面高频振动下部比上部活跃，潍角脊部比凹部活跃。观测期问，滩面出现 滩角脊部分流现象，泥沙从脊部向凹部转移，观测的滩角处于自我维持和自我调 整过程中。通过经验模态分解( e m d ) 方法揭示波高变化与滩面的高频振动密 切相关，存在多个频带( 周期) 的显著作用。初步分析，特别是与波群特性和长 重力波有直接关系。 对滩角成因和地形动力过程进行了研究，并应用元胞自动机模型对潍角地形 的形成、发育进行了模拟。参数e ( s x ) 2 能比较好地描述滩角的地形动力情况。 滩角形成发育的数值模拟表明，海滩的堆积过程对滩角形成有重要的作用。从模 拟结果来看，可以认为滩角是通过海滩泥沙、地形与波、流的自组织过程形成。 关键词：岬间海湾，近岸过程，地形动力，滩角，碎波带 i l l 巾山大学博士学位沧文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 t h em o r p h o d y n a m i c p r o c e s s e so fa w a v e d o m i n a t e d h e a d l a n db a y ：a ne x a m p l ef r o mh o u j i a n gb a y ，e a s t e r n g u a n g d o n g m a j o r ：p h y s i c a lg e o g r a p h y n a m e ：l iz h i q i a n g s u p e r v i s o r ：c h e nz i s h e n a b s t r a c t s e l e c t i n gt h eh o u j i a n gb a y , at y p i c a lh e a d l a n db a y , a sa ne x a m p l e ，a n db a s e do n t h eal o to ff i e l dm e a s u r e dw a v e s ，c u r r e n t s ，t i d e s ，s e d i m e n t sa n dm o r p h o l o g i e s ，t h e n e a r s h o r ep r o c e s s e sa g es t u d i e dj nt h i s p a p e r , w h i c hi n c l u d ed i f f e r e n ts c a l eo f t e m p o r a l a n d s p a t i a lp h e n o m e n aa n dr u l e s o f n e a r s h o r ep r o c e s s e s ，a n dt h e n e a r s h o r ep r o c e s s e se l e m e n t sc o u p l i n g a p p l y i n gp a r a b o l a t y p em i l ds l o p ee q u a t i o n ，t h ew a v ef i e l d s ，l o n g s h o r ew a v e e n e r g yf l u x e sa n dl o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r tr a t e sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a ti s l a n d sa n dr e e f sh a v ei m p o r t a n te f f e c t st ot h ew a v ea c r o s st ot h es h o r e l i n e ，a n d j i n y ui s l a n dh a st h ee v i d e n ts h i e l d i n ge f f e c te s p e c i a l l y b o t t o mf r i c t i o nh a se v i d e n t e f f e c to nt h ew a v en e a r s h o r ep r o c e s s e se i t h e r t h eb r e a k i n gw a v ee n e r g yf l u x e sa t m i d d l es e c t i o ni sl a r g e rt h a nt h eo t h e rs e c t i o n sa n di ti sl a r g e s tw h e nt h ew a v ec o m e f r o me a s t t h es e d i m e n t sh a v eat r a n s p o r tt r e n dt ot h em i d d l eo ft h eb e a c h l o n g s h o r e s e d i m e n tt r a n s p o r tp r o c e s sa c c o m p a n yw i t hc r o s s s h o r es e d i m e n t t r a n s p o r t a t i o n ， w h i c h m e a n st h el o n g s h o r es e d i m e n tt r a n s p o r ta l o n ga “ ”o r z s h a p er o u t e t h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c si n s i d ea n do u t s i d et h es u r fz o n ea r ed i s c u s s e di nt h e p a p e r i nt h es u r fz o n e ，t h ee n e r g ys p e c t r ao fw a v eh a v em u l t i - p e a kc h a r a c t e r i s t i c s ， w h i c hh a v ee v i d e n te n e r g yp e a ka tt h eb o t hs i d e so ft h em a i ne n e r g yp e a k t h e i n g f f a g r a v i t ye n e r g ys p e c t r u mp e a l 【i sm u c hp r o m i n e n ti nt h es u r fz o n ew h i c hm e a n s t h e l o n gw a v ee n e r g y i sr e l e a s e da f t e rt h ew a v e b r e a k i n g d u r i n gt h ew a v e p r o p a g a t i n gt ot h es h o r e l i n e ，t h es p e c t r a lb r o a df a c t o rea n dw a v es t e e p n e s sf a c t o rs s i n c r e a s e ，p e a k n e s sf a c t o ro ft h es p e c t r u mq dd e c r e a s e sa n dt h ew a v ep e r i o d si n c r e a s e d i m e n s i o n l e s sw a t e r d e p t h ( xtd d ) a n dd i m e n s i o n l e s sw a v e h e i g h t i v 中山大学瞎士学位论文波控岬问海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 ( y - h h ) h a v es t r o n gl i n e a rr e l a t i o n ：y 一1 0 1 2 7 x 一0 0 1 2 7 t h ew a v es u r f a c e v e r t i c a la s y m m e t r yp a r a m e t e ra yc h a n g e sw i t ht h ew a t e rd e p t h t h eb e a c hp r o f i l e so fh o u j i a n gb a yc a nb ef i t t e d b yb o d g e s a n dl e e s e q u i l i b r i u mp r o f i l em o d e l s t h ei n f o r m a t i o no fp a r a m e t e rk 2i nl e e sm o d e la n db i n b o d g e sm o d e la c c o r d sw i t ht h ew a v ec l i m a t es t a t eo fh o u j i a n gb a y p a r a m e t e r sa a n dmi nd e a n ，sm o d e lh a v ea ne x d o n e n t i a lr e l a t i o n ：a ；6 7 8 6 2 e 。6 - 3 ”“a n d p a r a m e t e r si n l e e sm o d e lh a v e ar e l a t i o n ：a ；3 4 4 0 e 一”6 7 “p a r a m e t e r smi n d e a n sm o d e la n dk li nb o d g e sm o d e li n d i c a t et h ec u r v a t u r eo ft h ep r o f i l e ，w h i c hc a n b ef i t t e db yal i n e a rf o r m u l a ：k 1 = 0 0 0 2 8 m o 0 0 0 5 ，a n dp a r a m e t e r sai nd e a n s m o d e la n da lc a nb ef i t t e db yt h ef o r m u l a ：4i8 2 9 4 1 a 一7 2 4 8 5 ，w h i c hi n d i c a t et h e s e d i m e n tc h a r a c t e r i s t i c s t h eh i g hf r e q u e n c yf l u c t u a t i o n so fh e a c h f a c ea tt h er i d g eo fb e a c hc u s p sa r e m o r ea c t i v et h a nw h i c ha tt h ee m b a y m e n to ft h eb e a c hc u s p s d u r i n gt h e m e a s u r e m e n t ，t h eh o r nd i v e r g e n tp h e n o m e n ao fs w a s hi so b s e r v e da n dt h es e d i m e n t s a r et r a n s p o r t e df r o mt h eh o r nt ot h ee m b a y m e n to ft h ec u s p ，a n di tm e a n st h eb e a c h c u s pi nas e l f - m a i n t a i na n ds e l f - a d j u s ts t a t e a p p l y i n ge m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s e ( e m d ) m e t h o d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a v eh e i g h tv a r i a t i o n s ，i n c l u d i n gw a v e g r o u pa n di n f r a g r a v i t yw a v e s ，a n db e a c h f a c eh i g hf r e q u e n c y f l u c t u a t i o n sa r e d i s c o v e r e d t h eb e a c hc u s p m o r p h o d y n a m i c s a r es t u d i e di nt h e p a p e rf i n a l l y t h e m o r p h o d y n a m i cp r o c e s s e so ft h eb e a c hc u s p sc a nb ew e l ld e s c r i b e db yap a r a m e t e re ( s a ) 2 ac e l l u l a ra u t o m a t am o d e li su s e dt om o d e lt h eb e a c hc u s p s f o r m a t i o na n d e v o l u t i o n ，a n dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e l f - o r g a n i z e dt h e o r yc a ne x p l a i nt h eb e a c h c u s pf o r m a t i o nv e r yw e l l k e yw o r d s ：h e a d l a n db a y , n e a r s h o r ep r o c e s s e s ，m o r p h o r d y n a m i c s ，b e a c h c u s p s ，s u r fz o n e v i j 山大学博士学位论文波控岬问海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 第1 章概述 有史以来，人类就在海岸带进行着大量的生产生活活动，海岸因其优良的环 境资源条件已经成为人类的宝贵财富。海岸的变化，经常会给经济造成重大的经 济损失，给生态环境造成盏害，甚至是毁灭性的灾害( 如：w i l l i a m s ，1 9 9 3 、1 9 9 9 ； s t o n e 和m c b r i d e ，1 9 9 8 ；d a y ，1 9 9 9 ) 。随着全球变暖及出此引起的海平面上升， 海岸资源面临的困境f 1 益严峻。因而各国政府和研究人员对海岸带的变化一盥 畦 重视。早在1 9 0 6 年，英国就成立了专门负责治理海岸侵蚀的皂家委员会，1 9 4 9 年制定了英国海岸保护法：1 9 7 2 年国际地理学会成立了“海洋侵蚀动态r 作组”，对海岸侵蚀进行国际合作研究( 夏东兴，1 9 9 3 ) 。 海岸的工程建设、海岸防护与保护、海岸资源的合理开发与有效管理等，都 必须建立在对海岸环境有清楚的认识之上。对海滩近岸过程进行研究，将有助我 们更全面地了解海岸状态，为海岸带开发管理利用提供理论依据，为海岸防护提 供理论和技术支持，为解决海岸环境面临的困境提供思路。 1 1 近岸带与近岸过程 首先要指出的是，近岸带和近岸过程是对砂质海岸而言的个概念。 目前，对近岸带( n e a r s 1 0 r ez o n e ) 还没有一个统一严格的定义，不同领域的 研究者对其定义有一定的差别。比较有代表性的有以下几种： 澳大利亚新南威尔士岸线管理手册( n s wc o a s t l i n em a n a g e m e n tm a n u a l ) 把 近岸带定义为从外沙坝到6 0 m 等深线间的海岸水域。并描述为涌浪在其间尚未 破碎，但受到底床的影响1 。这显然与当地的风区长，波浪波高大，周期长有关， 否则定义到6 0 m 水深是难以理解的。 美国国家海洋和大气局( n o a a ) 下属的海岸服务中心( c o a s t a ls e r v i c e s c e n t e r ) 对近岸带给出了两个含义： ( 1 ) 作为海滩术语，是指从岸线到恰好跨过 破波带之间的一个不固定地带；( 2 ) 指从冲流带到海侧滨外带起始的位置之间的 地带，外侧界线的代表水深一般为2 0 m 2 。 美国陆军工程兵团( u s a c e ) 定义近岸带为从岸线到恰好超过破波带之间 一个宽度不定的地带。该定义与n o a a 的第一个定义是相同的。荷兰海岸研究 小组( g r o u p ) 根据荷兰的波况指出外侧的水深一般为5 一l o m 3 。 本文所研究的近岸带范围是从波浪的地形动力( m o r p h o d y n a m i c ) 作用来划 h t t p ：w w w d e hg o v a u o o a s t s p u b l i e a t i o n s n s w m a n u a l g l o s s a r y h t m l 2 0 0 4 h t t p 一w , , v w c s c n o a a g o v t e x t g l o s s a r y h t m l # g l c s s a r y , 2 0 0 4 。h t t p ：w w ，c o a s t a l r e s e a r c h h i g l o s s a r y , h l m # n e a r s h o r e 加0 4 中山大学障士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 分，综合考虑波浪、泥沙二者的行为，将其定义为海滩从波浪开始变形到冲流作 用最大极限之间的地带。它包括冲流带、碎波带、破波带以及滨外陆侧的一部分。 根据后面的分析，海侧的位置在水深1 7 m 左右。 通常，我们还经常碰到以下两个比较类似的概念( k o m a r , 1 9 7 6 ) ： “沿岸带”( 1 i t t o r a l ) ：这是地质学家常用的概念，主要从沉积的角度来考虑， 指越过海滩而延展到沉积物很少能被表面波搬运的某一水深范围。这个概念在生 态学家那则定义为平均高潮位与平均低潮位之间的潮问带。 “海岸带”( c o a s t a l z o n e ) ：这是一个更加广泛的概念，因为它向陆的界线是 很不固定的，离岸线距离常可以用公里计算。 近岸过程( n e a r s h o r ep r o c e s s ) 是指近岸带内各个要素之间，在不同时间和宅i u j 尺度上的相互作用和响应。依照近岸带时间和空间尺度的不同，对其研究大体可 以划分为小尺度过程研究、中尺度过程研究和大尺度过程研究等( 图1 一1 ) 4 。小 尺度近岸过程的空间尺度为0 1 m m 1 0 m ，时间尺度在0 1 秒一1 天之间。小尺度 过程主要对近岸带水体小尺度运动、海滩底形变化、泥沙输运、底边界层、气 海相互作用等问题展开研究，这是近岸研究的基础。但由于小尺度过程的物理机 制还很不明确，研究的观测手段、实验技术都有待提高和完善，研究的难度还很 大。中尺度近岸过程是指空间尺度为lr r r l o k m ，时间尺度为1 秒一1 年的过程， 这是目前近岸过程研究的一个重点领域。主要研究近岸表面波、冲流带地形与动 力、近岸环流、碎波带地形与动力等。大尺度近岸过程的空间尺度为l 一1 0 0 k m ， 时间尺度从几个月到几十年。大尺度近岸过程研究是政府进行海岸管理( 海岸带 管理、岸线管理等) 和海岸带开发利用的基础。主要研究岸线变化与防护、海滩 平衡剖面形态、沿岸流等。 研究已经表明，近岸的波浪变形、环流生消、地形变化，是多个时间尺度和 空间尺度的耦合过程( 图1 - 2 ) 。以碎波带为例，深水波和海滩剖面形念决定了碎 波带波流的总体特征。同时，小尺度过程通过碎波带内的破波湍流弥散、边界层 和底形控制着碎波带内的局地泥沙输运通量。这种波、流、地形在垂岸和沿岸方 向上的差异引起的泥沙输运梯度就会导致大尺度的地形变化，进而近岸波流也发 生变化。 过去，研究者通常对近岸小尺度过程积分的办法来解决中尺度过程问题( 即 所谓自下而上的方法) ，并且比较有效( b o c z a r k a r a k i e w i c z 等，1 9 9 5 ；h o l m a na n d b o w e n , 1 9 8 2 ：h u n t l e y ，1 9 9 3 ) ，但遇到大尺度过程就往往难以奏效。因为各种 4 t h o r n t o ne d a l r y m p l ct ，d r a k ctg a l l a g h e re ，g u z ab ，h a ya ，h o l m a nr ，k 丑i j l a t i ij ，“p p m a n nt o z k h a i l e rt ，n c a r s h o r cp r o c e s s e sr e s e a r c h ，r e p o r tb a s e d t h en e a r s h o r ar e s e a r c h w o r k s h o p s t p e t c r s b u r g , f l o r i d a , s e p t e m b e r , 1 9 9 8 , t e c h n i c a lr e p o r tn p s - o c - 0 0 - 0 0 1 ，n a lp o s t g r a d u a t es c h 0 0 1 m o n t e r e y , c a l i f b r i l i a 2 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 时间和空间尺度的近岸过程是相互通过非线性的关系耦合在一起的( r o e l v i n k a n db r o k e r ，1 9 9 3 ) 。近岸大尺度过程受中、小尺度过程影响，但并非中小尺度 过程结果简单的迭加。对大尺度近岸过程的研究和预测存在很大的不确定性。定 性分析的基础上，再加以定量研究仍然是大尺度研究的主要方法f 即自上而下的 方法、。 近岸带研究的长期目标4 ，即是要了解表面重力波穿过陆架传入到海滩过程 中的变形，以及由此产生的碎波带波生环流，及其导致了碎波带和滩面的地形变 化，最终建立动力( 泥沙) 地形系统模型。这也是现在中、大尺度的研 究足一个重点和热点。本文也主要在中、大尺度上对近岸过程进行研究，同时考 虑小尺度过程。 3 中山大学博士学位论文波控岬阐海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 l o n g s h o r ew a v e n u m b e r 图卜1 近岸过程时间和空间尺度( 据t h o r n t o n 等，1 9 9 8 ) f i g 1 - 1 s p a c e t i m es c a l e so f n e a r s h o r ep r o c e s s e s ( t h o r n t o ne ta l ，1 9 9 8 ) 4 中山大学蹲士学位论文波控岬问海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 l 0 。a is e c i m e n t f i u x p l a n f o r me v o l u t i o n s r e a l is c a l b ( b o u n d a r yl a y e r a n db e d f o r m 8 ) t u r b u l e n td l 嚣i p a l i o n b o t t o md r a g l i n t e r m e d j a t es c a l e ( s u r rz o n e ) n e a r s h o r e c i r o u l a t i o n n e a r s h o r ew a v e s f l o w p l a n t o r me v o i u t i 0 1 3 l a r g es c a l ew a v e s r o w s e c i m e n ts o u f o e s s j n k s 图1 - 2 近岸过程大、中、小尺度之间的耦合关系( 据t h o r n t o n 等，1 9 9 8 ) f i g 1 - 2 c o u p l i n go ft h es m a l l - ，i n t e r m e d i a t e 一，a n dl a r g e - s c a l ep r o c e s s e s ( t h o r n t o ne ta l ，1 9 9 8 ) 5 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 1 2 研究意义 海滩是全球海岸的一种重要类型，世界上许多海岸属于由松散沉积物组成的 海滩。海滩是陆海相互作用极为活跃的交接带。近岸带是海滩的一个重要概念和 组成部分，因为深水入射波浪从风得到的大部分能量最终都在近岸带消散，其中 发生的波浪破碎、折射、绕射、反射、底摩擦、波一波相互作用等诸多复杂的过 程。近岸带的泥沙被不断的起动、悬浮、搬运、沉积使得近岸地形变化极为活跃。 二战以来，特别是上世纪八十年代以来，研究人员对近岸带从不同的角度进行了 大量的研究，已经取得了不少的研究成果。但由于近岸带的现象与过程多为非线 性，甚至是混沌的，因而近岸带许多机理的研究还有待深入，这对于推进海岸海 洋研究和学科发展有重大的理论意义。1 9 8 9 年4 月和1 9 9 8 年9 月1 4 1 6 只，美 国数十名最著名的海岸海洋科学家和工程师先后两次在f l o r i d a 的s t p e t e r b u r g 召歼专门会议，对近岸过程研究进行讨论，分析近岸过程的研究概况和存在问题， 探讨下一个1 0 年的研究重点。 海岸也是人类生产生活的重要场所，世界上半数以上的城市、人口、经济都 集中在海岸带。人类也很早就通过自己的行为来影响海岸，例如在海岸修建港口、 防波堤、采沙、围垦、养殖等等。现在海滩又成为人类休闲旅游的重要目的地， 因而海岸的经济价值也同益突出。但不幸的是，世界上多数海岸都处于侵蚀过程 中。更严莺的是，工业化引起的全球变暖及其由此导致的海平面上升，正在加速 海岸的侵蚀，它对海岸影响的深刻性是前所未有的。保护海岸、保护人类文明的 精华成为大家的共识。对海滩近岸过程进行研究将有助我们更全面地了解海岸状 态，为海岸带开发管理利用提供理论依据，为海岸防护提供理论和技术支持。 上世纪8 0 年代以来，近岸过程研究已经成为美国、欧洲和同本等国家和地 区海岸研究的一个热点，开展了多项大型的研究项目，其中最著名的是美国在北 卡罗来纳州d u c k 建立的现场研究机构( f i e l dr e s e a r c hf a c i l i t y ，简称f r f ) ，对 海滩近岸过程进行了长达2 0 多年的现场观测和研究，并提交了大量的研究报告， 为美国的海岸带成功的管理提供许多了宝贵数据资料和重要理论依据。 我国仅大陆海岸线就达1 8 万千米，沿海地区是我国人口最密集和经济晟为 发达的地区。经济全球化的带动下，我国的经济外向型特征越来越强，海岸带亦 成了我国经济强势发展纽带，大量的货物商品进出口都要依赖沿海的港口。另外， 改革开放以来，随着居民收入水平的提高和自由支配时间的增加，海岸( 主要是 沙滩) 已经成为我国居民重要的旅游目的地。同时，近岸带研究对于我国的国防 建设都是极为重要的。但目前我国海岸大部分处于侵蚀状态，对沿海的经济发展 造成了重大的影响，也影响到海滩旅游资源的可持续利用，因此加强对我国海岸 近岸带过程研究的意义是显而易见的。 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 岬间海湾是在我国广为分布的一种海湾类型，华南沿海绝大部分为这一类 型，它们的动力和地形演化过程具有很多相同的规律。通过对本论文所选的粤东 1 j l 尾后江湾的近岸过程进行研究，可以由点及面。了解华南岬间海湾的一些基本 规律，对这类海湾的管理、丌发、利用起到促进作用。 1 3 近岸过程研究概况 出于工程应用的需要，国外对近岸带的研究起步较早。从研究方法上来说， 在血、六十年代以前，近岸过程研究的对象以大尺度的地形( 或地貌) 为主，多 采用静态描述的方法，解释近岸带现象，如d a v i e s ( 1 9 5 8 ) 曾经联系海浪涌浪特 性描述了海滩的平面形态。受研究手段的限制，对机制研究较少。美国海岸工程 研究中心( c e r c ) 最早对海岸地形变化提出实证数最化方法，野外研究结合室 内实验结果，把过程和形态的耦合当作黑箱研究，提出经验方程来预测由于驱动 力的变化海滩的响应过程。七十年代以后，研究人员开始结合水动力和风动力等 角度研究近岸海岸环境演变，w r i g h t 和t h o m ( 1 9 7 7 ) 首先提出一较完整的地形 动力学( m o r p h o d y n a m i c ) 概念，即从流体动力泥沙输运地形变化之问 的相互耦合过程，来研究近岸演变。进入上世纪8 0 年代后，计算机的推广普及， 促进了近岸过程的研究，研究人员开始大量采用数值模拟的方法来研究近岸过 程。结合计算机，采用声学、光学、遥感、视频图像等来研究近岸过程，使得近 岸过程的研究向更精确、更微观或更宏观的方向发展，为近岸物理机制的研究提 供了强大的技术支持。 近岸带过程的研究涉及到波浪、潮汐、近岸流、沿岸流、泥沙、地质、地貌 等诸多的要素过程及相互作用。其内容是复杂而繁多的，但牵涉到的问题也是海 岸海洋研究和开发利用不能回避的，研究人员从理论或应用的角度作了大量的研 究，取得了众多的研究成果。下面仅对本文要涉及到的领域的新近研究进展进行 一个概述，具体的内容在相应章节作进一步的说明。其它本论文未涉及到近岸带 过程研究亦不作过多说明。 1 3 1 近岸带小尺度过程研究 小尺度过程研究主要从流体力学的角度出发，对近岸带水体运动、泥沙输运、 底边界层、气海相互作用等问题展开研究。上世纪8 0 年代以前，受研究手段 的限制，对小尺度的了解是十分有限的。新观测仪器的出现，小尺度过程的研究 才得到深入。例如，泥沙对波流的响应是很迅速的，通常仅为几分之一秒，空间 尺度也很小，仅为底床上的几个厘米，所以在单点上采样是很困难的一件事，8 0 年代利用光学反向散射测量( d o w n i n g ，e ta l ，1 9 8 1 ) 和利用声学后向散射技术解 7 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 决了这个难题( y o u n g 等，1 9 8 2 ；h a y , 1 9 8 3 ) 。h a y 和w i l s o n ( 1 9 9 4 ) 利用侧向扫 描图象系统对风暴过程中近岸带水下地形的变化进行了研究。新近研制的水下激 光视像系统可以提供2 d 悬沙图象和底床高度剖面( c r a w f o r d 和h a y , 1 9 9 8 ) 。小尺 度过程的研究是近岸过程研究的基础，对于建立中、大尺度波一流一泥沙输运模 型很重要，最近的研究继续对小尺度泥沙输运进行研究。h a n c s ( 1 9 8 8 ) 发现悬 沙浓度是间歇性变化的，显然对波高的调制作用不是一种简单的响应。b e a c h 和 s t e i n b e r g ( 1 9 9 2 ) 发现在强波浪条件下，传统的边界层理论和泥沙输运模型能很 好的吻合。h a y 和s h e n g ( 1 9 9 2 ) 发现悬沙浓度与离底高度的对数递减规律仅在 离底1 0 c m 以上存在，高度越底，越符合幂指数规律。a a g a a r d 和g r e e n w o o d ( 1 9 9 5 ) 现场观测发现碎波带内，流的远长重力频带对输沙起很大的作用。s m i t h 和m o c k e ( 2 0 0 2 ) 发现碎波带内长重力频带的输沙通量比入射波频带还大。b u t t 和r u s s e l l ( 1 9 9 9 ) 对高能冲流带的泥沙输运机制进行了研究，认为冲流带的泥沙输运与冲 流前缘的向离岸速度转换和回流速度有关。d e i g a a r d 等( 1 9 8 6 ) 提出了碎波条件 下悬浮沉积物瞬时浓度扩散方程。w r i g h t 等( 1 9 9 4 ) 研究了内陆架横向输移机制。 o s b o r n e 和g r e e n w o o d ( 1 9 9 2 ) 认为长重力振荡对于泥沙向海输移起着基本作刚。 应该指出的是，虽然现场的观测表明，向岸的净泥沙输运与水流横向加速度的不 对称有关，但水体加速度与泥沙运动之问的关系还是不清楚的( e l g a r 等，2 0 0 1 ) 。 由于小尺度过程的物理机制还很不明确，研究的观测手段、实验技术都有待 提高和完善，研究的难度还很大，特别是现场的研究还很困难。许多小尺度过程 的研究是在实验室进行的。 1 3 2 近岸带中尺度过程研究 中尺度近岸过程是指空问尺度为lr r r l o k m ，时间尺度为1 秒一1 年的过程， 这是目前近岸过程研究的一个重点领域。主要包括表面波、近岸环流、近岸地形、 海滩状态等方面的研究。 波浪由外海向近岸的传播过程中，受到复杂地形、障碍物和水流等因素的影 响，将发生浅化、折射、反射、底摩擦能量耗散等一系列复杂现象。深水线性波 理论已经无法描述近岸的波浪传播过程。为解决这些问题，研究人员提出了诸多 理论与模型，主要有射线理论、波能平衡方程、波浪绕射方程、缓坡方程、 b o u s s i n e s q 方程、n a v i e r - s t o c k e s 方程、角谱模型、a i r y 波理论方程等。各种理 论和模型都有明显的优缺点，目前以缓坡方程和b o u s s i n e s q 方程研究得最为深 入，应用也最为广泛。过去十多年，在模拟波浪浅水变形方面取得了显著的进展， 基于b o u s s i n e s q 型方程的模型可以对天然海滩上几乎正向入射的非破涌浪和风 浪进行准确预测( e l g a r 等，1 9 9 0 ；f r e i l i c h 等，1 9 9 0 ；e l g a r 等，1 9 9 3 ) 。最近b o u s s i n e s q 方程被扩展到深水和更强的非线性( w b i 等，1 9 9 5 ) 。 8 中山大学i 尊士学位论文波控岬问海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 波浪破碎是近岸最显著的现象( p e r e g r i n e ，1 9 8 3 ) ，一直就是一个重要的研 究内容。波浪破碎引起的辐射应力能使近岸地区的水面发生“增”、“减”变化， 倾斜水面的压力梯度驱使近岸水体形成近岸坏流系统。由于观测的困难，目前多 数近岸流研究都是在实验室进行的。在波浪、近岸流等作用下，近岸地形变化足 很复杂的，研究近岸地形变化有很强的应用价值。研究人员从经验统计分析、地 形动力分析、数值模拟等角度对近岸带地形变化进行了大量的研究。但涉及到碎 波带地形变化的研究还较少。碎波带地形变化仍然是近岸过程研究的一个难点。 沙坝是近岸重要的水下地形。沙坝中尺度的变化，特别是风暴条件下的地形 动力响应过程已引起了研究者的普遍兴趣。对于近岸砂坝的形成迁移，e v a n s ( 1 9 4 0 ) 、m i l l e r ( 1 9 7 6 ) 、g r e e n w o o d 和d a v i s o n a r n o t t ( 1 9 7 5 ) 都认为砂坝的形 成机制是与破波相联系的，但这些破波点砂坝机制尚无法对砂坝空间结构和 沿岸变化给予合理解释。h u n t l y ( 1 9 7 6 ) 指出砂坝的形成可能与滨外长：重力波作 用有关。b o w e n 和i n m a n ( 1 9 7 1 ) 、h o l m a n 和b o w e n ( 1 9 8 2 a ) 等野外观测、 室内实验和分析反映砂坝空问尺度和边缘波有较好的一致性。由于砂坝地形和近 岸海滩的波、流以及泥沙运动是相互响应的体系，近年来砂坝观测和研究趋向于 波、流、动力、泥沙运动和地形特征的时空变化。a a g a a r d ( 1 9 8 8 ，1 9 9 4 ) 研究 了碎波带长重力波运动的横剖面结构，o h a r e 和h u n t l y ( 1 9 9 4 ) 提出了长短波 共同作用机制。沙坝的变化包括位置、高度、长度、沿岸分布等的时空变化。在 许多海滩，沙坝的位置与高度是近岸横向地形变化的主要因子。虽然，沙坝在海 滩上可能存在数年的时间( 长时间尺度过程) ，但沙坝处于不断的变化中。对沙 坝的位置仍是研究沙坝地形状态的个有效而重要的办法，也是一个沙坝地形研 究的的重要内容( p l a n t ，1 9 9 9 ) 。通常来说，在风暴时沙坝离岸迁移，而在f 常 浪况下向岸迁移。 近岸环流与碎波带和滩面地形的耦合关系也是中尺度过程研究的一个重要 内容。碎波带裂流沟槽体系，滩面的的韵律地形对于了解中尺度的近岸过程机理 有重要意义，也吸引了众多的研究者的兴趣。这方面的研究成果比较多，k o m a r ( 1 9 9 8 ) 对此作了详细的综述，在此不再一一叙述。近年来。w e r n e r 和f i n k ( 1 9 9 3 ) ， c o c o 等( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ，2 0 0 3 ) 利用自组织理论对滩角地形成因做出了一系列的 重要研究成果。m a s s e l i n k 等( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 对滩角地形动力过程做了深 入研究，建立了滩角地形动力过程模型。 在海滩状态研究中，十分重视沉积形态、水动力过程和沉积物在分布过程 的完整组合以及它们的类型，这些组合时间变化的次序和范围，以及这些组合与 他们对环境状况时间变化之间的联系。w r i g h t 和s h o r t ( 1 9 8 4 ) 以澳大利亚不同 海岸背景的岬间海滩为例，利用碎波尺度参量e 、q 参数等，根据海滩地形动力 过程总结了反射性、耗散性和介于二者之间的中间类型海滩碎波带波流、地 9 中山大学博士学位论文波控岬间海湾近岸地形动力过程研究以粤东后江湾为例 形组合和剖面特征，提高了海滩过程研究的理论水平。l i p p m a n n 和h o l m a n ( 1 9 9 0 ) 划分出8 种海滩状态和沙坝类型，并和w r i g h t 的分类进行了对比。关于海滩侵 蚀或进积变化，有许多学者提出各种模式，s o n u ( 1 9 7 3 ) 、w r i g h t ( 1 9 8 5 ) 等曾 提出的模式，主要是有关海滩短期演变分析；l e e 等( 1 9 9 5 ) 近期提出一个在正 常海况下与风暴条件下的概念模式：a u b r e