（环境科学专业论文）靖海湾港口工程前后海岸形态演变研究.pdf

a b s t r a c t a sac o a s t a ls h a p e ，a r e n a c e o u sa r c s h a p e db a yi sq u i t ec o m m o no ne x p o s e d c o a s tt h a th a sb e e ng i v e ng r e a ta t t e n t i o nt o t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea r c - s h a p e db a y i sd i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t y t h e r ea t eal o to ff a c t o r st h a tl e a dt ot h i st y p eo fb a y c o m ei n t ob e i n g , i n c l u d i n gs e d i m e n te n v i r o n m e n t ，t h ei n d i r e c t i o no ft h es h a d o w z o n e ，t h ew a v ed i r e c t i o na n di n t e n s i t y , t h el o c a t i o no ft h ed o w n c o a s th e a d l a n da n d u p c o a s th e a d l a n da n ds oo n j i n g h a ib a yi sa nt y p i c a ls t o r yo ft h i sa r c s h a p e dc o a s t o nt h eb a s eo fl o c a l i n v e s t i g a t i o n ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h ew a v ed y n a m i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n a n dt h e d i r e c t i o no fs e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o na n da n a l y s i st h ee v o l v e m e n ta n ds t a b i l i t yo ft h e b a yb e f o r e a n da f t e rt h ee n g i n e e r i n g t h e r ei ss o m ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e e x t r e m e n e s se q u i l i b r i u mc o a s t a ll i n ea n dt h ep r a c t i c a lc o a s t a ll i n e ，w h e nu s i n g l o g a r i t h m i cs p i r a ll i n et os t u d yt h ee v o l v e m e n to ft h ec o a s t a ll i n e i n t r o d u c i n ga p a r a m e t e ri su s e dt od os o m em o d i f i c a t i o no ft h es p i r a ll o g a r i t h mm e t h o d ，s ot h e l i n ew i l lt a l l yw i t ht h ef a c t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tj i r i g h a ib a yi so nt h es t a t eo fe r o s i o nh o m e o s t a s i s t h eu p s i d ep a r to ft h eb a yi so nt h es t a t eo ft h ee r o s i o nh o m e o s t a s i s ，w h i l et h e d o w n s i d ep a r ti st h a to fd e p o s i t t h ed i r e c t i o no ft h et r a n s p o r t a t i o ni sf r o mn o r t ht o s o u t h b e c a u s eo fb u i l d i n gt h es e a w a l lo nt h el o c a t i o no ft h eu p c o a s th e a d l a n d ，t h e c o n f i g u r a t i o n so ft h eb a yg e tq u i t ed i f f e r e n tf r o mb e f o r e ( t h et i po ft h eg r o y n ew i l l b e c o m et h eu p c o a s th e a d l a n di n s t e a do fn o r t he m p l a c e m e n t ) t h es y s t e mo f s e d i m e n t d y n a m i c - m o r p h o l o g ya d a p tt o t h i sc h a n g e t h ec h a n g e si n c l u d ew a v e d y n a m i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h ed i r e c t i o na n di n t e n s i t yo fs e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o n a n ds oo n t h es t a t eo fj i n g h a ib a yw i l lc h a n g ef r o me r o s i o nh o m e o s t a s i st od e p o s i t h o m e o s t a s i s ，a n dt h ed i r e c t i o nos e d i m e n tt r a n s p o r t a t i o nw i l lb e c o m ef r o ms o u t ht o n o r t h ，t h a ti st os a y , t ot h ed i r e c t i o no ft h et i po ft h eg r o y n e k e yw o r d s ：j i n g h a ib a y ；a r cb a y ；s p i r a ll o g a r i t h ml i n e ；s h a p ee v o l v e m e n t i i 1 1 研究的意义 第1 章前言 海岸是海洋与陆地的过渡地段各种过程( 物理、化学、生物和地质过程) 耦合多变，演变机制复杂，生态环境敏感脆弱，是全球变化敏感的地段，开展 海岸形态演变的研究，对寻求与社会经济发展相协调的途径来管理利用海岸带， 并使其有可持续发展的前景( 使海岸工程科学性、合理性及工程效益、经济效 益、社会效益和环境效益有机统一) ，有很大的现实意义。 靖海湾是华南典型的砂质弧形海岸，对靖海湾研究，可以深入了解弧形海 岸的环境及其陆海相互作方面有重要的学术意义；对港口和航道的开发，海岸 冲淤等问题的解决有重要的指导作用。 另外，本文注重海岸动力地貌环境特征与海岸工程结合，并应用于实际港 口建设中，可以为优化港口平面设计提供科学依据，有利于港口航道的开发、 整治与改善。 1 2 弧形海岸的研究现状与本论文研究的提出 靖海湾是华南典型的砂质弧形海岸，同样面临海岸的侵蚀、平衡及稳定问 题。有关弧形海岸的定义，w r i g h t ，ld 等【1 1 ( 1 9 8 4 ) 曾作了说明。至于海岸的 形态描述就更多了，如半心型海岸、岬湾海岸、锯齿状海岸、螺线形海岸、曲线 或钩状海岸、“”字及袋状海岸等。1 2 1 国外对弧形海岸的研究较早，主要从以下两个方面进行： ( 1 ) 研究弧形海岸形态发育影响的控制因素。 j o h n s o n ( 1 9 1 9 ) 描述了弧形海岸的岬角存在时会发生折射现象，这是对弧 形海岸的最初研究，d v i e s ( 1 9 5 8 ，1 9 6 4 ) 分别认识到折射作用及涌浪的重要性 1 1 3 j 。s i l v e s t e r 4 】( 1 9 7 2 ) 指出了海湾的侵蚀或者堆积状态的确定仅与控制线、上 下岬角的位置及优势浪向有关，s i l v e s t e r t 5 l ( 1 9 7 4 ) 指出砂质海岸普遍发育的锯 齿状海岸主要是受持续的涌浪斜向入射造成的；h s u 和e v a n s l 6 l u l l 8 l ( 1 9 8 9 ) 发 现稳定平衡海岸仅仅受控于优势浪向、波向角口及控制线r 0 ，同时强调了岬角 在海岸的稳定性中的重要性和下岬角在弧形海岸形成中的作用【9 j ；t a n 和 c h i e w 2 1 ( 1 9 9 4 ) 通过大量的试验证实了海岸岸线仅受波向角芦及控制线r 0 的 影响。g o n z a l e z 和m e d i n a i 加j 【1 1 1 ( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 则提出了绕射对海岸的影响。 ( 2 ) 利用数学方法、数值模拟及波槽试验研究岸线形态演变规律。 a 螺线型理论：自y a s s o 提出弧形海岸将向螺线形发展的理论后，至2 0 世纪末形成了螺线海岸形态要素、螺线海岸判定原则、螺线海岸控制因子等， 组成了较为完善的螺线海岸理论。通过对许多海岸的综合分析，y a s s o l l 2 1 ( 1 9 6 5 ) d 得出了经验公式：詈= e x p ( a o - c t g a ) ( 其中r 1 、r 2 为圆弧半径，a o 是两圆 “l 弧半径的夹角，a 为曲率( 螺线的切线与射线之间的夹角，其值为常数，与口值 有关) 。该公式显示了对数螺线形海岸的特征，但是当海湾的入射波向角越大， 对数螺线常数口就越小，c t g a 的值越大， 生r 1 的值也越大，从而得到岬湾的内 凹越小的结论，这与实际情况相反，因而对数螺线理论有严重的缺陷。k b o n d l l 3 】【1 4 1 ( 1 9 7 2 ，1 9 7 9 ) 结合沿岸输沙研究和应用的简单模型，发现在斜向波 浪的作用下海岸线最终形成钩状海岸，后又通过计算到达遮蔽区的海浪的绕射 时间更加确认了在上岬角的遮蔽段能够形成对数螺线海岸这一观点。h s u 和 s i l v e s t e r 6 1 ( 1 9 8 9 ) 指出当沿岸输沙停止时，海岸达到稳定平衡；有泥沙输 运时为动态平衡。根据所模拟的试验，得出了确定稳定岸线的公式： 昙一。8 1 第0 万8 3 ( r 为圆弧半径，r 0 为控制线的长度，卢为波峰线与控制线的 夹角，0 为波峰线与圆弧半径的夹角) 。 2 b 抛物线形理论：h s u 和e v a n s 1 5 1 ( 1 9 8 9 ) 指出弧形海岸仅受主波向及控 制线影响，并提出了基于海岸物质及波浪特征的抛物线型海岸线： n-c。+c(告)no+ c ：( 鲁) c c o ，c ，q 为与。有关的参数，。和c n ；e w 【2 】 ( 1 9 9 4 ) 通过试验认可了这一观点，并对其所作的公式做了修饰，把未知参数 由三个减至小惫啦脚( 阱小 b c o 盼2 a 盼a 麒中口 是系数，由卢的值决定) 。s i l v e s t e r 等【1 6 1 ( 1 9 8 0 ) 、h s u 等【6 】【7 】( 1 9 8 9 ) 通过利用 经验抛物线形模型，提出了一种检验海岸稳定性的方法，但是上述两种模型必 须应用于完全发育的海岸。h s u l 8 】( 1 9 8 9 ) 在多个岬控海湾，应用该模型来分析 海岸侵蚀的程度。g o n z a l e z ”l ( 1 9 9 5 ) 应用该抛物线形模型检验了数个稳定平 衡海岸，发现其适宜于任何海岸，包括潮汐海岸( 可用高潮及低潮表示的海岸) ， 并指出应用此方法有如下难点：一是下岬角的位置有时难以确定( s i l v e s t e r 1 6 i ( 1 9 8 0 ) 亦指出此问题) ；其次，同一地区相同的波浪条件下不得不采用不同的 波向来进行平衡稳定岸险段的检验计算；此外，在不完全发育的海岸，控制点 波峰向不易判定。g o n z 6 1 e z 和m e d i n a l l 8 】( 2 0 0 2 ) 基于h s u 和e v e n s l l 5 1 ( 1 9 8 9 ) 年提出的抛物线形海岸线模型，认为可通过关系式a 。；f ( y l l 。) 来确定a 。， 提出了一种新的方法来检验不完全发育的海岸的稳定性或设计新的平衡锯齿状 海岸。 国内研究起步比较晚。王文介【1 9 】( 1 9 8 5 ) 研究了粤东锯齿状海岸弧形砂质 海滩的发育。李绍宁【2 0 】( 1 9 8 8 ) 从动力地貌的角度分析泥沙运动机理，总结归 纳岬湾砂质海岸的发育演变模式，并对该类砂质海岸的建港位置和治理措施提 出了一些看法。夏益民1 2 1 1 ( 1 9 9 1 ) 通过对模型试验资料的研究和大量现场岬湾 形态资料的归纳分析研究，获得了和试验海湾及自然海湾相符的双曲螺线公式： ( 惫九詈) = ，或者r “口一t c 其中m 一jc 对于非极端平衡的岸线，mc 压， 3 k 是常数) 。对于动态平衡海岸，此公式中的m 值远小于极端平衡海岸的m 值 2 ，沿岸输沙量越大，m 值就越小，也就是说，沿岸输沙量越大的动态平衡 海岸的平面形态曲线的曲率就越小，越顺直。常瑞芳【2 2 】( 1 9 9 4 ) 通过波槽实验， 认为弧形海湾的平面形态，除与波浪特性有关外，人工岬的岬向和岬距也是控 制因素之一。围绕毛里塔尼亚友谊港工程的岸线演变问题国内除物理模型试验 外，曾开展了不少岸线演变数学模型的工程应用和学术研究工作【2 3 】【2 4 】【矧，孙林 云等【2 6 i ( 2 0 0 1 ) 提出了一种改进砂质海岸岸滩演变的“一线理论”数学模型， 该模型中考虑了岸滩演变过程中岸滩坡度变化的影响，并采用波浪折射、绕射 和反射联合计算数学模型模拟掩护区的波浪场，提高了波浪计算的精度。包四 林，虞志英，刘苍字，张国安【2 7 1 ( 2 0 0 3 ) 在分析山东南部海岸几十年来的地形 观测资料的基础上，运用砂质海岸等深线变化预测理论，建立该区的岸滩侵蚀 演变预测模型，研究了该区域岸滩演变规律。孙毛明，邱建立，楼章华【2 8 i ( 2 0 0 4 ) 对堆积海岸平衡岸线轮廓的三个表达式进行了分析和对比，其中平衡岸线轮廓 表达式在一定程度上包含了潮流作用对岸线塑造的影响，适用于对凹岸和砂质 海岸岸线轮廓的分析，同时也适用于对凸岸和淤泥质海岸岸线轮廓的分析，应 用范围较广。戴志军，李春初【2 9 】( 2 0 0 4 ) 通过研究华南3 4 个典型的弧形海岸 岸线形态指标，分析其动力、沉积和地貌特征，指出海湾的开口和波浪强度是 海岸形态发生变化的重要因子。 关于这类海岸的成因，李春初1 3 0 l ( 1 9 8 6 ) 指出了如下看法：华南沙坝海岸 在冰后期海侵高峰过后供沙曾较充足，沙坝淤积前展，岸线亦较平直，但是随 着以后海面较长期的稳定，陆架供沙逐渐减弱和终止，为了适应这种供沙条件 的变化并维持平衡，两岬角间的沙坝海岸线，最终要侵蚀后退并趋于向对数螺 线海岸形态发展。李从先和张挂甲1 3 1 】( 1 9 9 6 ) 则认为，中国沿海地区构造升降 的不同及其引起的入海河流沉积物的分配不均是产生海岸线变化不同的主要原 因。 国内对靖海湾海岸的研究较少，王文介【1 9 】( 1 9 8 5 ) 、陈子粲【3 4 】( 1 9 9 6 ) 、 4 戴志军1 3 i1 2 9 1 ( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 从海湾的发育，平衡剖面特征，平衡稳定性等不同的 角度对靖海湾进行了探讨。然这些工作都是基于天然环境状态下的自然演变，为 了港口工程建设中的需要，必须对靖海湾海滩的泥沙运动状态作进一步的分析研 究，尤其是防波堤修筑后，在新的环境下，海岸形态的变形趋势和新的岸线形态 与位置的预测与计算。 5 第2 章靖海湾的自然环境概况 2 1 地理位置及地貌形态 靖海湾位于揭阳市惠来县靖海镇，地理位置为2 3 。n 、1 1 6 。e 左右。海岸地 质地貌基础属于中生代燕山期花岗岩低丘台地，平面形态呈向东南敞开的小弧 形海岸。该海湾为两端由基岩岬角控制的砂质海岸，上岬角为北炮台，下岬角 为资琛角，海岸线长约6 2 k m ，在平面上已略具螺线形态的雏形( 图2 1 ) 。 图2 1 靖海湾的地理位置示意图 粤东沿海经多次构造运动的影响，区域性褶皱断裂十分发育，在n e - - s w 向和n w s e 向两组主要构造线的控制下，沿海由各类花岗岩和变质岩组成的 山地丘陵，除呈n e s w 方向分布之外，其近岸部分多自西北向东南延伸，它 6 们与海岸正交，向南海突出形成大大小小的半岛和岬角，资琛角就属于此类岬 角。 2 2 气候 靖海湾属南亚热带季风性湿润气候，日照充足，年均温度2 1 c 2 2 。c ，终 年无霜冻，为台风频发i 埘地区，雨量丰沛，多年平均降水量为1 9 4 2 4 m m ，其 中4 9 月降水量占全年的8 0 - - 8 5 ，降水集中。地表径流量的变化与降水量 基本一致。 2 3 海岸动力环境 靖海湾附近无较大的河流入海，石狮湖的径流影响仅限于东部局部岸段， 影响该海岸发育的动力环境条件主要为波浪动力和潮流动力。 2 3 1 波浪 波浪作用是塑造海区近岸带地形的主要动力因素，本区波浪以风浪为主， 波向、波能及频率具有明显的季节性。 根据1 9 9 3 9 1 9 9 4 3 现场2 0 m 水深处的实测波浪统计分析结果【3 6 1 ( 表2 - - 1 ) 及从南京水利科学研究院根据南海海洋研究所提供的相当于年的波浪原始 资料进行的本港波浪特征统计分析计算结果( 表2 2 ) ，得知靖海湾外2 0 m 深 水区的波向基本上集中在e n e s s w 之间，海区常浪向为e ，e s e ，s e 向。 冬半年以n n e - - e n e 向风浪为主，夏半年以s e 、s s e 和e 向浪占优势，其中 尤以e n e i 2 s e 区问的频率为高( 占全年的2 7 5 5 ) 。计算得出的e n e 1 2 s e 波向区间的平均h l ，1 0 波高为1 6 4 m ，波周期( t ) 为6 2 s ，合成波向8 7 7 。， 为偏e 向。 7 表2 1 靖海湾各级波能流( 1 9 9 3 9 1 9 9 4 _ 3 ) 周期s 波高m 2 1 3 03 1 4 04 1 5 05 1 6 06 1 7 07 1 8 0 2 6 3 0 2 9 61 0 2 2 1 2 51 0 82 7 8 82 8 2 1 6 - - 2 01 4 4 93 1 1 05 6 43 7 1 1 1 53 01 4 8 11 3 2 91 2 6 94 3 0 6 1 014 63 6 72 2 23 0 o 0 0 5144 ( 注：由广州交通部第四航务局上程勘察设计研究院提供，表中数值为波功率与该级 频率的乘积，单位为w m 1 ) 表2 2 靖海湾深水波波浪特征 h 1 1 0 1 0 mh 1 1 0 1 5 m e n e l 陀s el 2 s e s s we n e s s we n e s s w 平均h 1 1 0 ( m ) 1 6 41 4 91 5 82 0 0 周期t ( s )6 26 56 36 4 ，i 全年的频率( ) 2 7 5 51 6 5 54 4 7 1 5 8 占该方向范围总频率比( )7 0 9 14 7 2 56 0 02 1 0 占该方向范围总能量比( )9 l _ 77 6 78 6 14 8 9 8 7 7 。1 5 7 5 。 1 1 1 2 。 合成方向1 0 1 6 4 ( 约e 向) ( 约s s e 向)( 约e s e 向) 2 3 2 潮汐类型 ( 注：由中山大学河口海岸研究所提供) 按潮汐性质分类法，靖海湾属于不规则半日潮。根据靖海湾东北3 7 k i n 处 8 表角站1 9 5 5 1 9 9 0 年的资料统计( 表2 3 ) ，平均潮差小于l m ，大潮平均潮 差小于1 5 m ，属于弱潮海岸。潮汐动力对岸滩地形演变和泥沙运动的影响作用 较小。 表2 3 表角站潮汐理论特征值( 1 9 5 5 1 9 9 0 ) 间隙0 1 4 4 平均高潮 高度1 8 0 间隙0 6 2 7 平均低潮 高度9 3 间隙1 4 3 1 平均高高潮 高度 1 9 9 间隙 0 6 4 5 平均低低潮 高度 4 8 、r 日潮龄3 d 2 h 日潮潮龄l d 8 h 平均潮差( c m )9 2 平均大潮差( c m )1 0 8 回归潮大潮著( c m )1 5 1 深度基准面( c m )1 4 0 ( 注：来源于中国海湾志( 第九分册) 汕头港分册。上表是用潮汐调和常数计算的各站的 潮汐特征值，表中的潮高均从深度基准面算起) 9 第3 章靖海湾海岸类型及沿岸泥沙运动 3 1 靖海湾海岸地貌发育模式 李绍宁【加1 ( 1 9 8 8 ) 指出岬湾砂质海岸的发育模式主要与初始地貌形态、优 势浪向、沿岸输沙、岬间距、径流及潮流等因素有关，把海岸地貌发育模式分 为三类： ( 1 ) 单螺线形海岸发育模式波浪斜向入射，两端有岬角控制，岸线逐 渐与绕射和折射后的波向线垂直，这类海岸主要受制于优势浪向、卢及a r 。的 值，其最终岸线形态可由对数螺线海岸形态理论来描述。 1 2 ) 双螺线形海岸发育模式岬角间距较大，或者有离岸障碍物，波浪 垂直入射后于两侧发生绕射、折射，可形成左右两个螺线形地貌形态。 ( 3 ) 潮汐通道对岬湾地貌的影响有径流流入的海湾，岸线形态易受径 流供沙的影响，两侧有沙坝相向发育，最终形成沙坝漏湖海岸。 靖海湾海区，波浪斜向入射，两端有岬角( 北炮台和资琛角) 控制，径流 影响甚小，故其发育模式为单螺线形海岸发育模式。 戴志军【2 9 】( 2 0 0 4 ) 按上、下岬角位置及湾顶的朝向不同，将广东省的弧 形海岸划分为以下四类地貌模式： ( 1 ) 海湾偏e 型：即上岬角偏北、下岬角偏南的弧形海岸，其湾顶朝向 偏东，优势浪向为偏e 向，即e s e 向。陆架供沙相对丰富，湾项弧形岸线多呈 正动态平衡状态( 湾顶堆积) ，没有顺向沙嘴的存在，直线岸段滩肩面宽阔，滩 肩高度大，冬季受向岸风影响较大，风成沙丘最为发育。 ( 2 ) 海湾偏s 型：即上、下岬角基本上在同一纬度水平上的弧形海岸， 湾顶朝向偏南，优势浪向为s e 向。陆架供沙相对适中，直线岸段滩肩明显， 冬季受向岸风的吹扬，风成沙丘明显。 1 0 ( 3 ) 海湾偏w 型：即上岬角偏南、下岬角偏北的弧形海岸，湾顶朝向偏 西，优势浪向为s s w 向。海底供沙相对最弱，因而有反向沙嘴的存在；直线 岸段滩肩窄且高度不大，风成沙丘不发育。 ( 4 ) 偏n 型：这类弧形海岸主要受偏北向浪的影响，沙丘一般遍及沿岸。 图3 1 华南弧形海岸的四类发育模式( 由戴志军绘) 靖海湾上岬角( 北炮台) 位于下岬角( 资琛角) 的东侧，上岬角偏北，下 岬角偏南，湾顶开口朝南，开口约1 3 5 e ，优势浪向为9 5 n ，偏e ，故靖海湾属于 浚模式中的偏e 型海岸。 3 2 平衡稳定岸线及对数螺线海滩的概念 3 2 1 平衡稳定岸线的概念 锯齿状海岸两个岬角间的海湾内，一般都有砂质湾滩的发育。砂质海滩的 岸线形态呈不对称的弧形，当达到稳定的状态时( 沿岸输沙接近零时) ，岸线的 主要轮廓由上游的对数螺线( 遮蔽段) 和下游的与波向线相切的直线段组成。 其地貌形态如图： 图3 2 弧形海岸海湾平衡时的地貌形态 其地貌形态要素为： o ：原点( 上岬角) r j ：从原点开始的圆弧半径，i = 1 ，2 ， r o 上、下岬角之间的距离，即弧形海岸的弦长( 控制线) 。 芦：优势浪的波峰线与控制线之间的夹角。 口：圆弧半径与其切线的夹角。 0 ：圆弧半径与波峰线之问的夹角。 a ：最大凹入距离。 遮蔽段，即上岬角背后的掩护区，也就是盛行波浪的波影区，此段岸线呈 对数螺线形状，盛行方向的波浪经过岬角的绕射和折射，垂直逼近滨线，波峰 线一起破碎：切线段，即靠近海湾下岬角处的直线段，波浪可直接入射，它与 盛行波浪垂直，沉积物只作横向运动。平衡稳定岸线在实际中并不存在，只是 人们所假想的一种理想状态，因此，如果某地的海滩轮廓能很好地和对数螺线 及其相连接的切线相吻合，一般可以认为这种海滩处于平衡状态。 3 2 2 平衡稳定岸线的状态分类 海湾或处予不稳定状态( 沿岸有泥沙输运，海岸表现为侵蚀或堆积) ；或是 稳定状态( 沿岸无漂沙或者净输沙为零) ，这两种形态，前者称之为动态平衡， 后者为稳定平衡【1 5 】( h s u ，1 9 8 9 ) 。 戴志军将广东弧形海岸的平衡形式或状态分为以下三类f 3 】( 图3 3 ) ： ( 1 ) 侵蚀型动态平衡岸线 湾顶向陆凹入较小，现湾顶螺线处于极端平衡线向海一侧位置。此类海岸 将以侵蚀遮蔽段的方式逼近极终平衡状态。 ( 2 ) 极端平衡岸线 湾顶弧形岸线的切线方向与优势浪经绕、折射后形成的入射波向相垂直， 遮蔽段符合对数螺线理论形态，此时的沿岸净输沙率为零或者输沙甚少。然自 然界极少有此种状态存在，实际上它不过是弧形海岸达到平衡时的一种理想状 态。 ( 3 ) 堆积型动态平衡岸线 湾顶向陆凹入很大，极端平衡线处于现湾顶岸线的向陆一侧位置，此类海 岸的泥沙将以向上游遮蔽段堆积的方式向极端平衡状态发展。 图3 3 平衡稳定岸线的状态分类图( 由戴志军绘) 3 2 3 对数螺线海滩的概念 砂质弧形岸线达到平衡时有两部分组成：上岬角的遮蔽段和近下岬角的 切线段。切线段与优势浪的浪向相垂直。遮蔽段的形成主要是由于波浪的绕射 和折射作用。y a s s o l l 2 】( 1 9 6 5 ) 用对数螺线来拟台这种岸线的形态，得到的对数 螺线方程为：警；e x p ( 口c 信口) 。 其中r i + 1 及r j 为相邻的两条弦长；口为两条弦的夹角；c t 为曲率( 螺线 的切线与螺线半径的夹角，为常数) 。d 与口的关系如下图3 - 4 ： 1 4 图3 4a 与卢的关系示意图1 4 1 ( s i l v e s t e r ，1 9 7 2 ) 3 3 靖海湾海岸发育现状及沿岸泥沙运动 3 3 1 海滩的剖面特征 2 0 0 4 年5 月，我们对靖海湾进行了实地踏查，由东向西测量了1 9 条海滩 剖面( 图3 5 ) 。从现场的观察及对比横剖面来看，靖海湾的地貌主要有以下 特点： ( 1 ) 靖海湾的上部地段，即湾顶海滩剖面呈现下凹形，断面长度比较短， 坡度较陡，并且有陡坎出现( 图3 - - 6 中的2 号剖面) 。 ( 2 ) 靖海湾的中部地段，横剖面呈现上凸形，断面长度较大，坡度平缓， 相对高差介于上、下两地段之间( 图3 - - 6 中的9 号剖面) 。 ( 3 ) 靖海湾的下部地段，其横剖面呈现上凸形，断面长度大于中部地段， 有较高的滩肩地貌( 图3 - - 6 中的1 6 号断面) 。 图3 5 靖海湾海滩剖面的测量位置示意图 图3 6 靖海湾横剖面图( 图中数字为横剖面的编号) 3 3 2 海湾的实际表现及泥沙输移特征 根据上述分析和现场调查结果，得知靖海湾海岸的发育正处于侵蚀型动态 平衡状态，主要表现在： ( 1 ) 遮蔽段以侵蚀为主。 现场调查发现，在上岬角附近的突堤( 1 9 7 1 年为澳仔湾新开渭湖入海口门 而建) 根部，没有发生泥沙淤积，而是需要不断地加固和防护，说明遮蔽段处 1 6 于侵蚀状态。 另外，修堤时在堤根处留下大量的碎石，这些碎石经过波浪的搬运，沿着 海岸线向s w 方向迁移，而且碎石向下游方逐渐变小、变圆( 图片3 - 7 ) ，由 此可见沿岸泥沙向s w 方向输移。 ( 2 ) 切线段以堆积为主。 遮蔽段侵蚀产生的泥沙主要向f 波侧方向移动，致使切线段的泥沙堆积现 象明显，且泥沙主要以横向搬运为主，激浪时可发生较强的冲越沉积作用，形 成较高、较宽的滩肩地形。 ( 3 ) 湾顶的实际表现及海滩的横剖面特征中，都反映了湾顶部分泥沙横向 搬运较弱，而切线段部分的泥沙横向搬运较强。泥沙的搬运的总体趋势：s w 方 向。 1 7 女匪蠼尽珏蝗嚣嫦辫hin函 第4 章靖海湾海岸自然条件下的发育演变 4 1 靖海湾海岸目前的供沙条件 华南沙坝漏湖海岸的锯齿状海湾，其两端都有基岩岬角与临近海湾相间 隔，因此，沙坝漏湖港湾一般都自成一独立体系，不与l 临近的海岸体系发生联 系，包括彼此不发生泥沙交换等p o l ( 李春初，1 9 8 6 ) 。 对华南弧形海岸来说，它的发育形成一般与岬角或半岛相依，由于岬角或 半岛的岩性致密，而沿海的平均波高又不大，故海侵结束后的近数千年内，岬 角基岩侵蚀的幅度较小，仅数米或1 0 2 0 m | 3 3 1 ( 曾昭漩和黄律峰，2 0 0 1 ) ，由此 产生的碎屑物质与巨厚的堡岛海岸相比，数量亦更为有限，因此通过基岩供沙 以影响现代弧形堡岛的形成更没有多大的意义f 3 】( 戴志军，2 0 0 3 ) 。 岬湾砂质海岸的发育，其供沙条件与冰后期海侵过程以来陆架和碎波带之 间的泥沙交换有关，其发育过程受波浪和水流的共同作用所支配，泥沙运动和 沉积分布主要取决于湾内的波能分布，其次取决于潮流和径流的作用。靖海湾 上岬角处有潮汐通道入海，因而有少量的陆域泥沙给海湾的发育带来一定的影 响，但相对波浪作用而言，影响很小。 可见，靖海湾受上、下基岩岬角的保护，基本上无岬外泥沙进入海湾，湾 内沉积物大部分属当地海岸岩石风化破坏的产物或者来自内陆架【1 9 】，但这种来 向的泥沙数量有限。 4 2 工程前海湾的波浪动力场 在自然条件下，优势浪进入靖海湾后，受地形等因素的影响而发生变形。 波浪经北炮台进入遮蔽段发生折射、绕射，波向逐渐向偏n 方向偏转，最终波 浪与岸线走向呈锐角相交；在南部切线岸段，波向则基本上与岸线相垂直( 如 1 9 图4 1 工程前优势浪的波动力场 4 3 靖海湾自然条件下的演变趋势及稳定平衡时之岸线形态 对于海湾的稳定性判断，前人已经作了大量的相关研究。h s u 6 j ( 1 9 8 9 ) 源 于数据分析公式：a 。0 0 1 4 f l 一0 0 0 0 0 9 4 f l ：，通过对模型的试验资料及大量的 风 现场岬湾形态资料分析研究，归纳出的有关a r o 的值与口角的关系图，该图与 s i l v e s t e r 与h o 4 l ( 1 9 7 2 ) 所作的结论相似，只是将芦推广到声 6 0 。 在偏e 方向的盛行波浪作用下，靖海湾海岸线在平面上已经略具螺线的雏 形，据2 0 0 4 年1 ：1 0 0 0 0 地形图量算得知，海湾两端的岬角距离( 控制线r o ) 为4 3 k m ，最大凹入距离( a ) 为1 6 k i n ，海湾的凹入深度a 与控制线r o 之间的 比值a r 0 为0 3 7 。海岸线的长度为5 9 5 k m ，海湾湾顶开口为1 3 5 0 ，南部切线 岸段( 直线段) 的岸线走向为( 5 。一1 8 5 。) ，推知本海湾的优势浪向是9 5 。( 与 波浪资料统计分析相吻合) ，由此，控制线与波峰线的夹角为卢= 4 0 。 图4 2a r o 和1 3 关系图 依据s i l v e s t e r ( 1 9 7 2 ) 的判断方法( 如图4 - - 2 ) ，曲线下方为侵蚀状态；反 之，则为堆积状态。将靖海湾的相关数据( 4 0 0 ，o 3 7 ) 点在图上( 图中a 点) ， 该点落在曲线的下方，表示靖海湾目前处于侵蚀动态平衡中，岸线将继续向内 凹入，即侵蚀后退，直至a r o 的值达到0 4 2 左右为止，此时的口角接近于盛行 波峰线与控制线之间的夹角。 h s u l l 5 l ( 1 9 8 9 ) 指出砂质弧形海岸的发育与优势浪( 特别是涌浪，它直接 影响到海湾的向陆凹入的程度) 的浪向和控制线r 0 有密切关系，并提出了岸线 预测的方法及极端平衡岸线的静态平衡方程：风r ；0 8 1 告芸。按照上述公式， 推算出靖海湾岸线在平衡时的最终形态如图4 3 所示。 2 1 图4 3 工程前靖海湾最终平衡岸线示意图( 初始a ) 最终的平衡岸线( 图4 - 3 中的虚线) 反映了岸线发育演变的未来趋势，即： 上岬角遮蔽段为侵蚀状态，下岬角切线段为堆积状态。但若按照此图，上岬角 遮蔽段将侵蚀强烈，平衡时整个上岬角将被侵蚀掉，上岬角的位置亦由北炮台 移至东侧的海区，这与实际情况相差较大。 又依据y a s s 0 【1 2 】( 1 9 6 5 ) 的对数螺线方程：警= e x p ( 口c t g 口) ，式中r i + 1 及r i 为相邻的两条弦长，o 为相邻两条弦的夹角，a 为曲率( 螺线的切线与螺 线半径的夹角，为常数) ，由卢= 4 0 。查g t 与卢的关系图( 图3 - 4 ) ，得到对应的 c t 值为4 8 5 。，以此计算出靖海湾岸线在平衡时的最终形态如图4 - - 4 所示。 图4 4 工程前靖海湾最终平衡岸线示意图( 初始b ) 最终的平衡岸线( 图4 - - 4 中的虚线) 同样预示着上岬角遮蔽段将发生侵蚀， 下岬角切线段则发生堆积。对比图4 - 3 和图4 - 4 ，明显对数螺线的拟合效果 要好一些，但仍有其不足，因为根据海湾波浪动力场( 图4 1 ) ，海湾北部岸 段的波向线与岸线的夹角为锐角，表示该岸段处于侵蚀状态，这已为现场地貌 调查所证实，而图4 - 4 却显示为堆积状态，可见与实际状况不相符。 为了更好地预测未来岸线的演变，须对对数螺线方程进行修正调整，具体 做法如下： ( 1 ) 以上岬角的位置为原点，取波浪入射方向的反方向为极轴，建立极坐 标系。 ( 2 ) 引进变参数。从图4 - 4 可以看出，靠近上岬角处的圆弧半径过大， 而其后的圆弧半径又过小。为调整圆弧半径的长度，引入参数k ，0 ，将对数螺 线方程修酰等珀鲥唧俐。 ( 3 ) 调节m 与k 的取值，直至满足以下两个条件：一是a r o 的值达到平 衡时的值o 4 2 ( 图4 - - 2 ) ；其次是从原点至下岬角的弦长恰好等于上岬角至下 岬角的距离。 ( 4 ) 经过试算，k 、m 的值分别为0 8 2 和2 。由此得到修正后的对数螺线 方酰等姐s z 阿唧c 。 经修正后的对数螺线方程计算，靖海湾最终平衡岸线形态见图4 - - 5 。 图4 5 靖海湾岸线在自然条件下的演变图( 修正后) 据图4 5 所示，在自然条件下，靖海湾上岬角至北部岸段处于“侵蚀型动 态平衡”状态，岸滩发生侵蚀后退；而南部切线段则处于堆积状态，即上波侧 岸段侵蚀下来的泥沙逐渐向下波侧岸段段输移( 这与靖海湾现场调查和波浪分 析结果相吻合) 。可见修正后的对数螺线方程比原对数螺线方程和静态平衡方程 对岸线演变的模拟具有更好的效果。 第5 章工程后海湾形态变化分析 5 1 实施工程概况 工程规模：包括1 2 k i n 防波堤、3 0 0 0 吨级综合码头及其护岸。初期拟设计的防波堤 修建在上岬角( 北炮台) 处，以s s w 方向伸于海中( 图5 1 ) 。 图5 1 靖淘蒋工藕 示意图 5 2 工程后波浪动力场的近岸变化 惠来电厂煤码头防波堤的修建，将改变靖海湾的边界地形条件，尤其是上岬角位置 的变动( 从原来的北炮台角移至未来防波堤的堤头处) ，丽海湾形态要素的改变，将会导 致湾内波动力场发生较大的变化。 工程后的波动力场( 图5 2 ) 所示，下岬角附近岸段的浪向仍与岸线之切线相垂直； 而遮蔽段与工程前相比则发生了很大的变化。波浪经防波堤进入遮蔽段后，发生强烈的 折射、绕射作用，主要以绕射为主，浪向与m t m 线的切线方向成钝角相交，波能大减， 泥沙沿着波向与重力的合力方向搬运，泥沙反向输移。 2 s 图5 2 工程后优势浪的波动力场 5 3 工程后海湾形态演变趋势 防波堤修筑后，海湾形态要素发生改变( 主要改变了上岬角的位置) ，进 湾内的波 浪动力场也发生了很大变化，岸线要进行自我调整响应这种变化。 海岸形态要素中，现湾顶最大凹入距离a 的值变大为2 0 5 k m ，控制线r 0 的值变小 为3 4 k m ，抵的值将增大为0 6 ，芦值也增大到5 0 。反映靖海湾工程后岸线状态的b 点( 5 矿，0 6 ) 落在曲线的上方( 图5 3 ) ，预示岸线将处于堆积状态，直至a r o 的值 减小到0 4 7 为止。 图5 3 工程后非。与口关系图 对比图3 - 4 ，得知当芦为剐。时，岸线达到极端平衡时的t 2 对应变为4 2 5 。因考 虑到泥沙供给不足和防波堤内港池的疏浚维护，故将原点的位置选在1 2 堤头处，应用 测1 2 j ( 1 9 6 5 ) 对数螺线方程警= e x “口c 培口) ，所得岸线的平衡状态如图5 4 。 图5 - 4 显示了海岸将处于堆积状态，但堆积的幅度与供沙不足相比似乎过大，为此， 觥碱蝴线旆等_ o 8 2 附e x p ( 叭黼嘶槲 最终平衡岸线( 图5 - - 5 ) 。 明显可见，图5 - - 5 中海岸最终平衡岸线向海堆积的距离比图5 - 4 要小得多，模拟 的效果有了改进和提高，更接近于海湾供沙不足的实际情况。 上述分析表明，靖海湾港口工程的建设，将改变海湾形态要素，使得湾内的波动力 场重新分布，海湾形态从“侵蚀型动态平衡状态”转变为“堆积型动态平衡状态”。 图5 4 工程后靖海湾的极端平衡岸线示意图( 初始) 图5 5 工程后靖海湾的极端平衡岸线示意图( 修i t 后) 第6 章结论 本文从海岸动力地貌学原理出发，结合靖海湾的动力地貌特征，得出以下结论： 1 在影响靖海湾发育的诸多因素中，径流和潮流动力的影响很小，波浪作用的影响 最大。 2 在自然条件下，靖海湾处于“侵蚀动态平衡”状态。因波浪到达湾顶发生绕、折 射( 以折射为主) 后，其波向线与岸线之间的夹角为锐角，泥沙由湾项向切线段方向输 移( 由北向南) ，湾顶岸滩发生侵蚀，切线段则发生堆积。 3 未来防波堤的修建，改变了海湾的形态要素( 主要是上岬角位置从北炮台移至防 波堤堤头处) ，为了达到新的平衡，岸滩必然进行自动调整，海岸将发生变形，波浪动力 场亦将重新分布，优势浪向经防波堤堤头进入湾顶发生绕射、折射( 以绕射为主) 后， 波向线与湾顶的岸线切线方向的夹角呈钝角，泥沙的输移方向随之发生变化，变为由南 向北。靖海湾由“侵蚀型动态平衡”转为“堆积型动态平衡”。 4 对数螺线法的修正 螺线判定原则只能对海湾的极端平衡与动态平衡作简单的定性与初步的判定，应用 对数螺线理论和静态平衡方程所拟合的极端平衡岸线与实际相比仍有较大的出入。为此， 将对数螺线进行修正，从引进参数k 和变参数日”获得方程为： 等一。8 2 ( 等) 。e x p ( 日c 喀a ) ，经过对靖海湾极端平衡岸线位置与形态的计算， 其效果与实际情况更为接近。 5 海洋是个复杂的系统，海岸形态的发育受到很多因素的影响( 海岸的地理位置、 地形、地质地貌特征、波浪、风、海滩物质及其河流径流、潮流等动力作用，等等) ，仅 仅选取海岸形态的几个简单要素以判定岸线的稳定，虽简单实用，然亦有片面性，最好 能综合分析。 另外，有关修正届的公式是否适合模拟其他海湾的最终岸线形态，还有待将来进一 步的研究工作。 参考文献 【1 】 w r i g h t ，l d a n ds h o r t ，a d m o r p h o d y n e u n i cv a r i a b i li t yo fs u r fz o n e s a n db e a c h e s ：as y n t h e s is m a r i n eg e o l o g y 1 9 8 4 5 6 ：9 3 1 1 8 【2 】t a n ，s k a n dc h i e w ，y m a n a l y s i so fh a y e db e a c h e si ns t a t i ce q u i l i b r i u m j o u r n a l o f w a t e r w a y ，p o r t ， c o a s t a la n do c e a n e n g i n e e r i n g 1 9 9 4 。1 2 0 ( 2 ) ：1 5 - 1 5 3 【3 】 戴志军华南弧形海岸类型、模式与海滩过程中山大学博士学位论文2 0 0 3 【4 1s i l v e s t e r ，ra n ds l e w k o o nh o u s eo fc r e n u l a t es h a p e db a y st os t a b i l i z e c o a s t s c o a s t a le n g i n e e r i n g 1 9 7 2 ( 2 ) ：1 3 4 7 1 3 6 5 【5 】5 s il v e s t e r ，r