关于美国长岛海岸地区的沉积物输移与海岸响应的地区模型(共9页)

1、美国(mi u)长岛潮汐通道附近的泥沙输移与岸线响应的区域模型摘要(zhiyo)：人们用一种基于一维线性理论和水库类比于海岛浅滩的形态变化的新型数学模型来描述潮汐通道处的地区性泥沙(n sh)输移和海岸响应。这种模型考虑了海岸上的泥沙移动和入口处的障碍物和浅滩对于海浪运动的遮挡作用。此模型被用于分析美国长岛南部（包括入口开放与闭合处）海岸特定区域的数据。分析的区域是从Montauk Point 到Fire Island Inlet 的区域，包括Shinnecock 和Moriches Inlets 。三个观测点的20年系列波浪数据用作此模型的数据输入。人们用交叉组合的入口处的数据以及入口附近的

2、综合调查数据来估测入口处浅滩和阻碍物对海岸泥沙的容纳量。不同种类的泥沙来源和低洼地被纳入考虑，包括海滩装填物、丁坝系统、防波堤的阻碍作用、潮汐通道进入、水流对浅滩的冲击和退潮时的浅滩补给。此模型用来验证文献中的年度净沿岸流输移率、测定海岸线、记录洪水和退潮时的浅滩复合体的泥沙容量。至今，模型数据和实际测定数据吻合得很好。引论潮汐通道附近地区的海岸形态变化和海岸线响应受动力学和静力学因素控制。其中动力学因素包含净沿岸输移率、潮水棱数、以及波浪形态；静力学因素有：结构的性质、当地海岸线与退潮射流的夹角、近岸和离岸处的整体海床形态、后方海湾的大小和形状、泥沙的粒径分布、以及人工海岸建筑物等（Carr

3、 and Kraus，2001）。动力学因素在整个地区的海岸变迁过程中起作用，而静态因素只在局部范围内发挥作用。基于潮汐通道的工程活动，比如航道的建造和维护，需要对于整体和局部的海岸进程以及它们的关系有综合性的了解。目前比较缺乏的是地区的泥沙输移和包含潮流通道处的地区性变化过程的海岸变迁模型。Kraus 在类比水库研究的基础上，提出了一种潮汐通道的容积变化和泥沙移动的数学模型。这个模型里，退潮浅滩、分路障碍物、连接障碍物都被考虑在内，但是洪水浅滩和主航道被忽略了。Larson 建立了一种叫做CASCADE的数学模型，用来描述整个地区的泥沙输移和海岸变迁。这种模型用来在局部到整体的尺寸上同时描述

4、不同空间地点和不同时间的变化过程。它可以展示包含若干个潮汐通道、覆盖数百公里的整体性的泥沙输移和海岸线变迁。它也能展示通道处的自然现象包括通道的形成、退潮浅滩的形成、以及海滩和潮水通道之间的分路障碍物。CASCADE被用于纽约长岛南部海岸（包含三个潮汐通道）和Delmarva Peninsula（包含两个潮汐通道）的模型建构。后来Larson在Kraus的模型的基础上构建了入口蓄水(x shu)模型，用以考虑洪水浅滩的形成过程。新的蓄水模型被引入CASCADE，之后在长岛南岸的Shinnecock Inlet 和Moriches Inlet附近的数据模型被构建。然而，在这些估测中，通道向下漂移

5、一侧的海岸线变化没有被重新构建。理论计算和观测值之间存在差异的原因在于从关联障碍物上的泥沙向岸流，以及通道浅滩和障碍物对于波浪运动的遮挡作用。目前的任何数学模型都没有将这些因素考虑在内。所以，为了在考虑通道效应的前提下构建区域性的数学模型，关联障碍物上的向岸泥沙流以及向下漂移一侧的通道形态因素效应都要被考虑在内。在我们的研究中，我们引入了区域性的泥沙输移和海岸线变化的一种新数学模型，以及通道蓄水模型。海岸变迁模型建立于一维线性理论伴随基础方程以及Hanson提出的算法。这个预言性的沿岸输移率方程和Larson 在2002年为了在区域范围内刻画海岸特征所使用的方法一样。2001年由Gaudian

6、o 和Kana 测量得到的数据被用来构建连接型障碍物体量的一部分向岸运动的模型。通道浅滩和障碍物对海浪的遮挡作用被表示为一个(y )衰减的系数，使得被遮挡地区的破波高度发生变化。航道中心线和障碍物的距离由Carr和Kraus 共同提出的经验方程计算。此模型用以刻画长岛南部包含Shinnecock和Moriches地点的海岸变化情况。验证此模型所使用的数据有1983年测量的海岸线数据、1999年由Rosati 估算的净沿岸泥沙输移率、测量的洪水水量数据和退潮浅滩复合体（包括退潮浅滩、分路障碍物和关联障碍物）。数学分析(sh xu fn x)此模型主要用于预测计算在潮汐通道邻近地区的区域性的泥沙输

7、移和小地区范围内的海岸响应，以及潮汐浅滩体量的发展变化。也应用了建立于Kraus提出的水库类比方法上的通道蓄水模型。其中，潮汐形态单元和泥沙输移路径的关系必须精确刻画。区域性的泥沙输移和海岸线变化由Hanson1987年提出的海岸线变化模型进行预计运算。模型中的关键要素在下面列出，其中一些要素在本次研究中讨论，其余一些建立于前人理论基础之上。2、1 潮汐棱数 和退潮浅滩复合体的体量方程Jarrett 1976年总结了有关美国潮汐通道交叉部分地区和潮汐棱数的关系的知识。大西洋、墨西哥湾和太平洋的海岸被分别根据每个通道拥有2个、1个或没有伸出部而描述。带有2个伸出部的大西洋潮汐通道中的海岸关系表达

8、式为：Ac=14.7410(-5）p(-0.95) 1其中，Ac是平均海平面以下的通道入口处的交叉部分的最小面积，单位是立方米；p是涌动潮汐棱数。Walton和Adams1976年提出了退潮浅滩的体量守恒的预测性经验方程，方程根据潮汐棱数和海岸的海浪数量，将海岸分成了高、中、低的裸露型海岸。长岛南部海岸适用于中等裸露型海岸的方程，所以将其用于我们的研究。Ve=6.4410(-3)p(1.23) 2其中Ve是平衡(pnghng)时刻的退潮浅滩体量。2、2 通道(tngdo)蓄水模型Larson在2006年利用引入洪水浅滩和协同作用率完善(wnshn)了Kraus 2002年提出的理论，得以精确地

9、描述形态单元之间的泥沙输移。在图中所示，潮汐通道的形态被分为一些更细小的单元，为退潮浅滩、支路障碍物、连结障碍物以及洪水浅滩。每一种单元都有一种特定的水动力和泥沙特征，使其体量方程各不相同。为了解释目前所用的潮汐通道模型，人们引入了左岸向右岸移动泥沙的简易案例，其中Qin是伸出部附近的泥沙输入率。Qin被分为两部分，一部分进入了退潮浅滩，记为Qe1，一部分进入海峡，记为Qc。进入海峡之后，泥沙也可能被退潮浅滩吸收，记为Qe2，或被洪水浅滩吸收，记为Qf。Qb是泥沙从退潮浅滩上剥离，进入支路沙洲的输移率。特定时刻的退潮浅滩和洪水浅滩体量记为Ve和Vf，类似的，在最大值（即平衡值）的方程中记为Ve

10、q和Vfq。潮汐浅滩的泥沙方程为： 3洪水浅滩的为： 4T是时间，流失与退潮浅滩的输移率为 5不同因素中的输移率之间由协同因数确定。 6，7和是由下面公式决定的协同因数 8泥沙以Qa的速率离开支路沙洲进入连结沙洲。特定时刻的支路沙洲和连结沙洲的体量记为Vb和Va，同样的，平衡值记为Vbq和Vaq。支路沙洲的泥沙方程为 9支路沙洲损失泥沙的输移率为 10连结沙洲和海岸损失泥沙的输移率为 11在支路沙洲和连结沙洲的区域，特殊大浪的能量要比退潮的潮汐能量多出很多，使在此情况下的退潮沙洲的一部分体量会向岸移动。所以，沿岸浅滩成为海岸补充的一个自然途径。人们认为这一过程部分促成了在潮汐通道的海岸处常见的

11、突出沙滩。为了用数学模型描述连结沙洲中的泥沙(n sh)向岸流动，人们使用了一种宏观方法，在其中每个计算时间单元中一定比列的泥沙输移至海岸上。这样，从连结沙洲向海岸线输移的泥沙量Qbeach，辅助以一个因数，就可以(ky)用于计算特定时间连结沙洲的净泥沙输移率。 12连结沙洲的泥沙(n sh)方程为 13Larson在2002年提出了潮汐通道交叉区域在缩小或完全闭合时的退潮浅滩流失泥沙的非线性关系。这样，以上的5、10、11、12方程要被改写为非线性形式。Qout=Qin（V/Vq）n，其中Qout和Qin是离开和进入一个形态单元的泥沙输移率，V和Vq是某时刻以及平衡时刻的单元体积，n是经验系

12、数。当n小于1时，若泥沙是向岸运移，则其运移速率会比线性方程中降低。Larson估测n的值在浅滩体积变小时候为介于0.1和0.2之间。2、3 连结沙洲的距离根据Hicks和Hume提出理论，潮汐棱数决定了退潮浅滩的尺寸和位置。Carr和Kraus在2001年在研究了美国的108个潮汐通道的基础上，提出了潮汐棱数和连结沙洲与潮汐通道中心线距离的经验关系。根据潮汐通道拥有2个或1个或没有突出部而将其分类。对于有两个突出部分的潮汐通道，连结沙洲距离的经验公式是对于向下游漂移的连结沙洲，Wd=0.50p0.451 14对于向上游漂移的连结沙洲，Wu=0.16p0.495 15其中Wd和Wu是潮汐通道中

13、心线和两种沙洲连接点（退潮浅滩复合体与海岸线相连的点）的距离。退潮射流与海岸线的夹角影响三角洲的尺寸和形状；于是，引入射流夹角可以提高上面公式的精确度。如果射流与海岸线走向正交，形态上的不对称就取决于净沿岸输移的方向和数量，以及海浪反射和退潮浅滩和海槽上的diffration。这样，顺直海峡有利于形态上的对称和向下游漂移的连结沙洲的距离缩短。然而，当退潮射流的角度变得尖锐，潮汐和海浪的能量会相互碰撞导致损失。退潮射流越平行于海浪波峰线，则海浪会越容易从退潮射流中将泥沙运移至海岸，但是泥沙会到达一个更靠近下游的地方。一个更加尖锐的退潮射流角度会使更多的泥沙输移至下游海滩，并使潮汐通道和连结沙洲的

14、距离更远。在退潮浅滩和上游海滩相连处接近突出部而远离下游连结沙洲的Shinnecock Inlet和Moriches Inlet的地点，这一结论显然适用。等式14和15通过引入退潮射流与海岸线夹角，得以改进。对于向下漂移连结(lin ji)沙洲：Wd=0.50p0.451(1+cos) 16对于向上(xingshng)漂移连结沙洲：Wd=0.16p0.495(1-cos) 17对于退潮射流(shli)垂直于海岸线的情况，取值为90度，得到对称性。2、4 连结沙洲对于海浪的遮挡作用连结沙洲的两侧都会发生典型的海岸侵蚀，而在其荫庇处会发生海岸的扩展。沙洲后面的被遮蔽区域逐渐被填满，最后浅滩和海岸相

15、交导致沙洲从其与海岸相交处向两个方向烟海岸伸展。有两种力学机制导致了泥沙逐渐填充沙洲后面的区域。第一种是连结沙洲中的泥沙在向岸流和海浪的作用下向岸流动；第二种是沙洲遮挡海浪后产生了一个低能量区域，导致沿岸流向其中运输泥沙。泥沙向岸输移过程由协同系数来描述，它代表了连结沙洲结构向海岸输移的泥沙的一部分。沙洲遮挡区的海浪能量降低值由破波高度的减小表达。数学模型中引入了一种标度系数来描述沙洲遮挡区的破波高度降低值。原则上，这一系数取决于沙洲的尺寸和形状，由于潮汐通道形态的不对称导致通道向上游和向下游两侧的不同。沙洲遮挡区的破波高度由一个受空间限制的协同系数来表示，这样公式19中的Hb改写为Hb，的值

16、介于0和1之间。在沙洲后面的值比1要小，在被遮挡地区以外等于1,。理论上，在被遮挡区域的中心处取得它的最小值，向沙洲两侧的值都逐渐增大。研究总结，的值根据线性差值法计算，介于被遮挡区域中心处的最小值和无遮挡海面的1.0之间。通过比较潮汐通道附近的模拟值和海岸响应测量值得到的校准程序可以用来计算中心点的最小值。2、5海岸线变化模型海岸线变化模型建立在Pelnard在1956年提出的一维模型的基础上，同时借鉴了Hanson1987年提出的算法数学解。泥沙体积的守恒规律使描述海岸线变化的基础方程得以解决。我们构建一个坐标系，其中y轴指向离岸方向，x轴平行于海岸线，则次方程可以如下表达 18其中，x是

17、沿岸坐标，y是离岸坐标值，Db是平均berm海拔高度，Dc是终止点的深度，Q是沿岸泥沙输移率，q是泥沙来源或泥沙流失值。我们利用了Hanson在2006年提出的总泥沙沿岸输移的经验预测公式。 19其中a1=,a2=其中H是波高，h是水深，Cg是波组速率，b是表示破波处的下标，K1,K2是经验系数，是泥沙的密度，是水的密度，p是海床上泥沙孔隙度，是沉降速度，是潮汐或风导致的破浪带表面平均沿岸流密度，A是形状因子，是破波指数，g是重力加速度，Cf是与尺寸无关的底层摩擦系数，是波浪容纳悬浮状态泥沙的运移指数，可以通过物理数据进行估算，,是破碎波浪和当地海岸线的夹角， 20Larson在2002年通过

18、引入整体(zhngt)海岸数据在方程20中，得到了的新的表达式 21其中(qzhng)，表示整体的海岸线，在时间上认为(rnwi)是不会变化的。研究与模型的建构纽约长岛南部海岸线是一个研究此模型在区域性的泥沙输移和潮汐通道浅滩体积方面适用性的合适样本。此项目的研究范围包括从Fire Island Inlet到Montauk Point的海岸，这段海岸的数据资料最为详细。这一范围包括很多特征海岸和变迁进程如区域范围中的泥沙输移和变化潮汐通道中交叉地点随时间的变化，包括通道的张开和闭合通道突出部分附近的海岸线物质响应若干地点存在的大量海滩填充物质人工建筑的用于保护海岸的丁坝系统在这一研究领域我们应

19、用了两种估测方法来构建数学模型估测年度净泥沙输移率和整体性的海岸变迁联系不同的交叉通道地区，估测潮汐通道附近的海岸响应和潮汐通道浅滩的发展估测的结果用来在联系整体性沿岸泥沙输移和海岸线响应基础上，刻画模型在预测潮汐通道附近以及当地潮汐通道浅滩发展的适用性。长岛海岸线大约长135千米，沿着东北方67.5度伸展。X轴方向建立了与海岸并列的坐标轴。海岸线的边界条件是综合1830年到1995年的海岸线测量数据，满足海岸线不变的模型。满足海岸边界条件的点是位于Montauk Point西方10千米和Fire Island Inlet以东15千米的两个点。模型输入的数据是1976年到1995年间20年的每

20、三个小时测量一次的海浪数据，由海岸线沿岸的三个WIS站测得。输入单元设置为100米，以此为准利用三个观测站的数据按照线性插值方法计算得到海浪数据。时间单元设置为3个小时，符合海浪观测值的要求。根据Rosati和Larson的研究，将闭合地区的相对于平均海平面的水深设置为8米，泥沙的中值粒径为0.3mm。整体海岸线利用1870年的数据，实际上海岸线一直在变化，而此时以7km为长度标准，此地还不存在潮汐通道。潮汐通道的长度并没有严格要求，但是不能太小以至于特殊地形的影响过于显著，也不能太大以致不能维持其形态特征。Shinnecock 和Moriches地区的潮汐通道测量工作在1931到1998年之

21、间进行过多次，包括Moriches通道的收缩(shu su)口和随后的扩张口门在50年代的测量工作。这些数据用来计算平衡时的退潮浅滩复合体的体积，它们已经被Larson用来用来计算潮汐通道中的单个形态单元体平衡体积。根据Larson等人的研究，洪水浅滩的平衡体积被设定为4。模型中还应考虑一些人工结构的影响。文献中可以查找到通道两侧防波堤的长度和修筑时间(shjin)。Moriches东侧和西侧的防波堤分别长258m和445m，他们修建于1953年。Shinnecock东西两侧的防波堤分别长280m和450m，也修建于1953年。模型中忽略防波堤长度的变化，但是它们在整个观测时段长度基本没有改变

22、。组成Westhampton 的15个丁坝分三期施工完毕，分别为1965年3月到66年10月,1969到1970，和1998年。这些丁坝名义上长度为146m，实际包含间隔长为366m。它们将根据这些资料在不同的时刻和地点被引入模型中。疏浚物质曾经被放置于潮汐通道东西两侧海岸线附近以及附近的海滩上。这些物质的体积作为泥沙容积方程中随着(su zhe)时间地点变化的泥沙来源量用于此模型。在1949年到1983年之间，有80万立方米的物质被放置于Shinnecock西侧，1983年到1995年有111万6千被置于此地。1955年到1969年，66万1千立方米被放置在东侧。Moriches在1953到

23、1996年之间被放置了大约250万立方米的疏浚物质，其中130万放置在了东侧，75万置于西侧。其他地点也有更少的物质被放置，但是我们的模型中忽略了这些。为了利用16和17的方程，必须精确测量退潮射流和当地海岸的夹角。在Shinnecock，潮水离开后，通道出口方向发生了旋转使其处于南北走向以与退潮射流方向相一致。退潮射流的方向大致与防波堤的方向平行。通过观察卫星照片，Shinnecock和Moriches处的退潮流和海岸线夹角设定为60到67度之间。方程3到13中的每个形态单元体的平衡体积也需要确定。蓄水模型中描述的每个单个单元体的平衡体积值不够精确详细。为了做简化，这些单元被认为是退潮浅滩复

24、合体中的一个恒定不变的部分，同时起到潮汐棱数的作用。Militello和Kraus估测Shinnecock地区每年去向连结沙洲的的泥沙输移为19000立方米。退潮浅滩增长估计为117000立方米每年，说明连结沙洲和退潮浅滩的增长比为0.16。根据Larson的研究，支路沙洲和退潮浅滩的体积比大约为0.25。我们的模型中认为两处潮汐通道的比率值一样。在方程12和13中，某一时刻导致连结沙洲上发生侵蚀泥沙向岸流动的运移分数也必须测算。Gaudiano和Kana在2001年分析了大西洋沿岸的南卡罗来纳州的九个潮汐通道，结果表明整个退潮浅滩复合体中只有一小部分被转移到海岸上。平结的体积百分比是3.1.

25、。考虑到连结沙洲和退潮浅滩复合体的比率，向海岸输移的泥沙比率为20.0.。这样方程12和13中的系数设定为0.20.。当构建连结沙洲的向岸泥沙输移在沿岸方向的分配(fnpi)时，我们需要连结沙洲的准确长度。潮汐通道到连结沙洲的距离可用于代替其长度，这种估测建立于“连结沙洲(shzhu)的长度是其中心线与潮汐通道距离的一半”的理论(lln)上的。泥沙质底床的现场勘测数据显示，在破浪区海浪和水流的综合作用下，砂质底床的摩擦因数是1之间。我们选择摩擦因数的平均值来代表整体的摩擦因数。我们的研究中取摩擦因数为。结果与数据分析4、1海岸线变化最开始测试了1933年到1983年的数据，将结果与1983年实

26、际测得的海岸线进行对比。图表5中列出了最初的海岸线、计算得到的海岸线和实际的海岸线，其中5a图示整体展示而5b和5c是Shinnecock和Moriches两地的细节展示。海岸线坐标是人站在海岸线上面朝大海，左侧为Montauk Point右侧是Fire Inlet。泥沙输移的协同系数在满足计算值和实测值尽量吻合得条件下取k1=0.15，k2=0.04.。整个研究中两个协同系数的值不改变。在潮汐通道附近海岸响应的理论值和实测值最吻合的条件下选定了海浪波高衰减系数。衰减系数的最优值为=0.85，说明连结沙洲遮挡区域的中心点的破波高度和正当区域之外相比降低了15%。整个研究中这一比率不变。事实上，

27、的值随着连结沙洲的大小形状、特殊大浪能量与潮汐能量的比率以及沙洲周围的海浪反射和折射而发生改变。由于潮汐通道形态上的不对称性，退潮浅滩的体积也随时间变化，而两岸也有不同。由于我们研究的是长期变化，所以也认为这一系数是不变的。理论计算的海岸线和测量的海岸线吻合得很好，在防波堤的上游侧和突出特征明显的下游侧尤其吻合。然而，在Shinnecock处，海岸线的变化的模型估计值比实测偏大，而在Moriches的南侧的连结沙洲处，海岸线变化估测值又比实测值偏小。误差出现的原因有很多，可能是愿意模型中没有考虑过的整体性和地区性的其他因素。风暴波浪的冲刷可能导致海岸向岸的推进，正如Moriches处发生的一样

28、；风暴期间，海浪高于岛屿，会冲刷泥沙。在岛屿后方被侵蚀的泥沙可能消失于海岸系统中或者以一种很低的速率被风运回海滩。大型的风暴对于塑造Fire Island 海岸线的种种特征有很大作用。这些风暴大致下可以造成海滩的大规模侵蚀、沙丘的损失以及近海增水。此模型中没有提及的另一种区域性输移过程，是泥沙在潮汐通道附近移动，经过浅滩和沙洲时候产生的输移系统的一部分。这一系统中，因为退潮浅滩附近的潮汐流和波浪反射作用，一部分被卷起的泥沙通过循环回到潮汐通道中。这一过程会在防波堤附近的区域内产生侵蚀作用，而且，还有很多没有考虑到的因素可能会造成模型计算值和测量的海岸线之间存在误差，例如风对泥沙的作用，潮汐通道的疏浚以及海平面上升等。4、2沿岸输移率图表6中列举了Rosati在1999年推导得到的输移数据和估测的净泥沙输移率。估测的年平均净泥沙输移率和理论数据吻合得很好，只有在Montauk处这一数值被低估。这一地点的数据包含了几个模型里没有考虑到的重要(zhngyo)的泥沙来源和沉积盆，例如由于海平面的上升会导致每年向海中损失的泥沙达到76000立方米，每年放置的海岸填充物有零至170000立方米，以及断崖的侵蚀每年有33000至203000立方米。这些