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1、淮海工学院二八届毕业设计（论文） 第1页 共31页1 引言海岸带是陆地与海洋的连接地带，由陆地、滩涂和浅海三部分组成。虽然全球海岸带的面积仅占陆地面积的1/10，但生活在海岸带区域的人口却占世界总人口的6/10.随着人口的增长、经济的发展及人民的生活水平的提高，人类对海岸带的开发强度加大，进行了不同规模的围海工程以及海岸工程建设。海滩是海陆边界汇聚的一动力敏感地带，波浪、水流驱动泥沙运动导致海滩地形处于不断变化过程。由于海岸环境时空变化的复杂性，受泥沙特性、入射能量及其浅水变形、线性与非线性耦合机制，海滩地形不同时间尺度的响应等海滩等过程与形态之间的互反馈作用，海滩作为一物质与能量开放系统不断
2、调整并力图达到一最佳或平衡状态。在这种状态中，海滩过程和形态都达到最大稳定性。海滩作为泥沙再分布形成的堆积地形，其地形组合演变本质上是三维地形的时空变化过程。由于海滩系统的复杂性，研究人员采用了不同研究方法来探讨海滩二维剖面地形动态特征，早期的研究是侧重于对海滩剖面形态及其控制因素的定性描述。70年代以来，伴随着科学的发展、测验技术进步、计算机的广泛应用和海岸工程建设的需要，对海滩剖面的研究取得了长足的进展。从本质上看，海滩过程是三维地形演变的地貌形态学和泥沙动力学问题。而从工程应用角度看，把三维问题简化为二维剖面地形问题只适用于岸线和水下等深线相对平直海岸，而实际海岸环境难以满足此特定条件。
3、我国沙质海岸多基岩岬间，由于湾内岸线弯曲，不同岸段向海的开敞程度不同，开展此类海滩平衡剖面形态研究从理论上与应用上都具有重要的实际意义。海滩位于海陆之间的动力敏感地带，海滩剖面形态是近岸过程的一个重要研究内容。海滩剖面形态受波浪、泥沙、沿岸流、地质等诸多因素的影响，使得海滩剖面时空变化极为复杂，对其研究具有重要的理论意义。另一方面，海滩作为海岸带资源的重要组成部分，与人们的生产关系极为密切，因而具有实际应用价值。海滩剖面重塑后的季节性变化的研究对海岸的工程建设有着指导性的意义，有利与国民经济的发展和海洋资源环境的保护。1.1 国内外研究现状着眼于国际研究，针对关于海岸工程以及建设前后对海域工程
4、环境的影响的研究，欧美等发达国家早在上世纪就投入了大量的现场实测和理论研究，发表了许多有关的论文和报告。国内近些年来也加强了这方面的研究工作. 目前，在国外海岸工程环境领域的研究进展与发展趋势主要集中在如下几个方面。（1）海岸形态动力学研究，其主要是研究物理现象的机理，发展海岸形态动力学的数学模型。研究包括近岸波、流、泥沙运动的基本规律及其相互作用，从而研究海岸岸线数学模型和海岸区域数学模型。目前，欧盟中各国主要水力研究所（大学）都建立了自己独特的海岸形态动力学的数学模型，这些模型经过了实验室和现场大量资料的验证，已投入使用。（2）近岸浅水波、破碎波研究。目前的研究主要包括两大类数学模型：一类
5、是以缓坡方程和波浪能量守恒为主，方程的求解可直接扩张到破波带内，波浪破碎的影响通过在方程中加入能量耗散项来考虑，能量耗散一般类比于水跃能量耗散；另一类是以Boussinesq方程为主，该模型可直接包括与波浪非线性有关的流动，如辐射应力和近岸环流以及低频波浪。1887 年，意大利学者P.Cornaglia在研究浅水区域波浪的不对称性对海滩泥沙的作用时，提出了海滩泥沙运动的中立线假说，他认为由于浅水波变形，海滩上存在中立线(点)。在中立线（点）岸侧方向上，底部物质向岸运动，中立线（点）海侧方向上，底部物质向海运动，中立线（点）上的物质只在中立线（点）附近来回摆动。这一论点提出来以后，引起了研究人员
6、的极大兴趣。曾科维奇（Zenkevich，1946）根据中立线理论，将影响海滩斜坡的几个因素简化，首先提出了海滩平衡剖面的塑造模式。20 世纪80年代以来，随着计算机技术、测量技术、水下探测技术等的进步和发展，对海滩剖面的研究也越来越深入。研究工作主要围绕几个方面进行：(1)形成平衡剖面的机制是什么；(2)为什么平衡剖面是平滑上凹的；(3)为什么到一定水深后剖面趋于水平；(4)是否可用一个含有波浪条件的方程来描述剖面。在这些研究成果中，提出了许多的平衡剖面形态模式。在过去几十年间，海滩研究己经从试验研究和现场测量中收集了许多有关海滩剖面的形态变化以及引起海滩剖面变化的各种物理因素的大量资料信息
7、。根据许多波浪槽试验以及现场观测来看，一般公认的有两种代表性的海滩剖面沙坝型和滩肩型或阶梯型(见图1)。阶梯型海滩是没有沿岸沙坝的海滩剖面，Johnson(1952)给这种海滩取名为正常海滩或夏季海滩;沙坝型海滩是有沿岸沙坝的海滩剖面，Johnson给这种海滩取名为风暴海滩或冬季海滩。冬季海滩以较缓的前滨坡度和近海沿岸沙坝为特征;夏季海滩是淤积的，而且有较陡的前滨坡度和近海阶梯代替沙坝。图1滩肩型和沙坝型海滩剖面示意图海滩剖面形态是波浪、潮流以及风等动力因素和海滩地形相互作用过程的产物，是海滩力图建立物质组成、动力作用和坡面形态三者之间长时段平衡状态的结果。当入射波发生变化时，与之对应的平衡剖
8、面也随之变化。据相关研究，剖面的变化主要与海滩坡度、波陡、底质粒径等因素有关。海岸的侵蚀常常是在一次大的风暴后完成的，一次大风浪的侵袭，海岸可能后退几米至几十米。侵蚀下来的泥沙被搬运到离岸区，使近岸区海滩坡度变小，从而泥沙在离岸区堆积成沿岸沙坝。沿岸沙坝的形成，使波浪在离岸较远的地方破碎，传至近岸的波浪减弱，从而使海岸受到了保护。海滩剖面逐渐适应于大风浪的季节，形成了以沙坝为特征的沙坝剖面。当风暴季节过后，海面有一段相对平静时期，波浪相对减小，泥沙又从离岸区逐渐向岸边推移。泥沙向岸边堆积，逐渐形成了滩肩，滩肩不断地增长，使岸线不断地淤进。当风暴期间形成的沙坝完全消失时，泥沙全部推向岸边，形成坡
9、度较大的滩肩剖面(阶梯剖面)。一年中海滩剖面就是这样随着水文要素的季节变化在上述两种剖面之间转化。Johnson(1949)最早的实验研究认为，当波陡H。/ L。 0.03(H。为深水波高，L。为深水波长)时，形成沙坝型剖面;当波陡H。/ L。0.025时，形成滩肩型剖面。也就是说，他认为发生剖面转化的深水波陡H。/ L。的临界值为0.0250.030。由于实验条件不同，不同学者得到的临界波陡值各有差异。基于Johnson(1949)的研究工作，Rector(1954)认为海床物质的颗粒大小(中值粒径D50)对波浪大小(例如深水波长L。或深水波高H。)的比率也是一个很重要的影响因素。Iwaga
10、ki and Nod。(1963)、Nayak(1971)在试验中考虑了颗粒粒径的影响，对包括他们自己试验结果在内的大量数据进行了分析，建立了沙坝形成的判定标准。以H。/ L。与H。/(s-) D50 (s、分别为泥沙颗粒和水的密度)为坐标，绘出临界曲线(如图2所示)。曲线以上形成沙坝型剖面，曲线以下形成阶梯型剖面，这表明：:粒径大易形成滩肩，粒径小易形成沙坝，因为粒径小易发生离岸方向的悬移运动。图2海滩剖面的转化(据Nayak，1970)Dean(1973)指出：在波浪循环运动过程中，泥沙的沉降时间是影响沙坝型或阶梯型剖面产生的一个重要参数。也就是说，如果泥沙沉降的时间小于波浪周期(即泥沙沉
11、降的时间较短，沉降的速度较大)，则泥沙沉降时受到波浪向岸的轨迹速度的作用，将发生净向岸移动，产生阶梯型海滩剖面。相反，如果泥沙沉降周期大于波浪周期(即泥沙沉降的时间较长，沉降的速度较小)，则泥沙颗粒受到离岸的轨迹速度的作用而向海移动，产生沙坝型海滩剖面。因此，Dean将Rector推荐的参数和Nayak推荐的参数组合成一个新的参数()(w/T)用以区别剖面的形式： 沙坝型海滩剖面 阶梯型海滩剖面式中：深水波陡，T为波浪周期；w为泥沙沉降速度；g为重力加速度。(下同)在Dean实验的基础上，Krebel，Dally和Dean(1986)对原型(prototype)和大规模的实验数据进行研究，发现
12、划分剖面的判别公式： 沙坝型海滩剖面 阶梯型海滩剖面Kraus，Larson和Kriebel(1991)对大型造波水槽的数据进行研究，提出了沙坝形成的关系式： 或 Dalrymple(1992)认为以上两个模型可以用一个简单的剖面参数P来表达：当p10000时，形成沙坝型剖面;当p10000时形成阶梯型海滩剖面。Wright和Short(1984)率先根据海滩适应波、流等动力作用而出现的地貌时空变化的形态特征，提出海滩状态转化的连续谱；Lippmann和Holman(1990)则将海滩剖面划分为s种相对稳定状态和4种沙坝类型;Masselink和short(1993)在分析海滩泥沙与波、潮、流
13、相互作用和相互适应的基础上提出了5种海滩概念模式；Larson等(1994，2000)探讨了剖面不同变化模式及其与波浪动力的关系。Gallagher等(1998)以及Ashton等(2001)分别探讨了海滩地貌的迁移与韵律地貌状态的转换。这些研究从不同角度解释了海滩近期的时空适应变化过程。海滩平衡剖面是在当地波候、沉积物性质和物源供应、海岸与海岸地貌形态、地质基础(包括基底岩性、构造活动性）等众多海岸环境要素控制下形成的。由于这些控制要素的时间变化或空间差异性，平衡剖面只是理论上的理想形态，上述各种平衡剖面模式正是实际海岸环境复杂性和多样性的反映。不可否认，Bruun 和Dean对海滩平衡剖面做了开创性研究，尤其是后者从能量平衡角度阐述了其模式的理论基础，不但为此平衡剖面模式在海岸工程中的应用或有关研究提供了理论依据，而且成为后人提出不同海滩平衡剖面模式的基础。但也需指出的是，正是此平衡剖面模式过于简化，与实际海滩环境差别较大，而难以普遍适用。于是包括Dean在内的许多研究人员从实际剖面地形结构、泥沙组成与运动、波浪运动特征等着手加以改进。对海滩剖面分段考虑的结果，使得海滩剖面模式中参数的物理含义更加明确，从而更逼近实际剖面形态。Lee由动力平衡关系提出的
