宋麗佳，孫林云，張繼生，王寧舸

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029）

0 引言

波浪是沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動的主要動力條件，隨著波浪向近岸傳播變形，會驅(qū)動泥沙形成向岸-離岸的橫向泥沙運(yùn)動和沿岸輸沙。一般而言，橫向泥沙運(yùn)動主要引起岸灘短期演變或稱季節(jié)性變化，從較長時間看對海岸線平均位置影響不大。沿岸輸沙是引起岸灘長期演變的主要因素，表現(xiàn)為海岸線長期前進(jìn)或后退，歷時可達(dá)數(shù)年、數(shù)十年乃至百年以上。不同海區(qū)的波浪特征存在一些差異，故其沙灘演變規(guī)律也會有所不同。對于岬灣型海岸，近岸波浪入射方向往往與岸線平行，沿岸輸沙相對較弱，岸灘演變多以橫向輸沙作用為主。對于相對平直沙灘，斜向波出現(xiàn)頻率較多，從而形成較明顯的沿岸輸沙，影響著岸灘長期變化。

在海岸帶資源的開發(fā)利用中，岸灘長期演變趨勢是需要重點研究的科學(xué)問題。海岸工程建設(shè)通常會破壞沙質(zhì)海岸-本的沿岸輸沙平衡狀態(tài)，長期作用下會造成上下游岸灘較大沖淤變化，甚至影響海岸工程自身的安全和正常使用。近年來，海岸防護(hù)、人工育灘等岸灘修復(fù)研究和工程應(yīng)用逐漸興起，修復(fù)手段的確定也與岸灘長期演變密切相關(guān)。因此，研究沙質(zhì)海岸岸灘長期演變基本規(guī)律既是對泥沙運(yùn)動理論現(xiàn)有成果的進(jìn)一步豐富和發(fā)展，也是指導(dǎo)沙質(zhì)海岸工程建設(shè)的實際應(yīng)用需要。

本文分別從沿岸泥沙運(yùn)動、岸線演變和岸灘演變3個方面，對沙質(zhì)海岸岸灘長期演變基本規(guī)律研究作簡要的綜述，對未來可繼續(xù)深化研究的一些方面作出展望。

1 沿岸泥沙運(yùn)動

沙質(zhì)海岸沿岸輸沙的作用機(jī)理可簡述為“波浪掀沙、沿岸流輸沙”。準(zhǔn)確判斷破波帶沿岸輸沙率是預(yù)測不同風(fēng)浪天氣或海岸工程環(huán)境下岸灘沖淤變化的先決條件之一。

目前，獲取某海岸沿岸輸沙率的方法通常有現(xiàn)場調(diào)查和計算公式兩種。現(xiàn)場調(diào)查手段包括水深地形法、人工輸沙法、示蹤沙測定法、水文斷面法和推移質(zhì)取樣法等[1]?，F(xiàn)場調(diào)查是開展沿岸輸沙研究的重要基礎(chǔ)，但其往往存在一些客觀要求和局限。在實際應(yīng)用中，現(xiàn)場環(huán)境多樣復(fù)雜，沿岸輸沙率計算公式能夠更快速有效地預(yù)測研究區(qū)域沿岸輸沙能力，因而得到重視和較快發(fā)展。下文重點對基于波能流法和沿岸流法的沿岸輸沙率計算公式進(jìn)行介紹。

1.1 波能流法

20世紀(jì)30年代丹麥工程師Munch-Peterson指出，可以通過測定單位波峰線長度上波能流的沿岸分量近似預(yù)報沿岸輸沙率的方向和總量[2]，從而最早將沿岸輸沙與波能建立聯(lián)系。波能流法沿岸輸沙率公式起初是純經(jīng)驗公式，將體積輸沙率與波能流沿岸分量建立經(jīng)驗關(guān)系但該關(guān)系在量綱上并不和諧，造成物理意義不明確。Inmam和Bagnold[3]建議用浮容重輸沙率代替體積輸沙率，從而使公式量綱達(dá)到一致。1970年，Komar和Inman[4]進(jìn)一步建立了浮容重沿岸輸沙率與波能流的關(guān)系式，從理論上證明了以往純經(jīng)驗公式的合理性，使波能流法有了堅實的理論基礎(chǔ)。該公式即著名的CERC公式（式（1））。

式中：Il為浮容重沿岸輸沙率；K為綜合系數(shù)；（Ecn）b為破波波能流；琢b為破波角。

CERC公式將沿岸輸沙率與波能流之間通過綜合系數(shù)K建立關(guān)系，Komar和Inman[4]最初確立該公式時采用的K值為0.77，之后通過不斷擴(kuò)充可靠的現(xiàn)場實測資料，將K值減小到0.57。許多學(xué)者在應(yīng)用CERC公式時，依據(jù)自身獲取的數(shù)據(jù)資料也對K值進(jìn)行了修正，各家取值差異較大，取值范圍在0.05~0.92[5]。由于CERC公式僅明確了沿岸輸沙率與波浪動力之間的關(guān)系，還未反映出泥沙粒徑、岸灘坡度等多種海岸環(huán)境因素的影響，因此K值不是一個簡單的定常值。

針對CERC公式廣泛適用性的問題，許多學(xué)者陸續(xù)開展了深入研究。代表性的如：Bailard等[6]認(rèn)為K值與破波角、波浪臨底流速和泥沙沉速有關(guān)，并建立了關(guān)系式；趙今聲[7]將K值考慮為深水波陡和泥沙粒徑的綜合系數(shù)，根據(jù)波能流理論建立了沿岸輸沙率計算公式，該公式收錄在我國JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》；孫林云[1]將K值與波浪上爬帶、破波類型和泥沙粒徑建立了關(guān)系，該公式先后以現(xiàn)場和室內(nèi)試驗資料進(jìn)行率定和驗證，實現(xiàn)了計算現(xiàn)場-型沙和試驗室模型沙不同量級沿岸輸沙率的統(tǒng)一形式[8]。

波能流法沿岸輸沙率計算公式的結(jié)構(gòu)相對簡單，并有較多的現(xiàn)場和試驗室資料作為支撐，可信度相對較高，目前應(yīng)用已較普遍。

1.2 沿岸流法

沿岸流法是基于“波浪掀沙、沿岸流輸沙”基本-理，將破波波能一部分視作轉(zhuǎn)化為沿岸流，另一部分起掀沙作用。該方法應(yīng)用沿岸流流速和波流共同作用下輸沙率公式，推導(dǎo)出沿岸輸沙率計算公式。

Bijker公式[9]是沿岸流法的代表公式之一，該公式基于Kalinske-Frijlink單向水流輸沙率公式，將水流作用下床面剪切應(yīng)力替換為波流共同作用形式，推導(dǎo)得到推移質(zhì)單寬沿岸輸沙率計算公式，懸移質(zhì)單寬沿岸輸沙率則根據(jù)Einstein懸沙輸運(yùn)理論計算確定。

繼Bijker之后，一些學(xué)者也作了進(jìn)一步的發(fā)展。如王尚毅等[10]在Bijker公式的基礎(chǔ)上，采用了Nielson和Green建議的床面糙度公式，重新構(gòu)建了波流共同作用下床面剪切應(yīng)力與床面摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，并引入了“床面層”概念以及床面判別方法，該公式也收錄在我國JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》；Van Rijn[11]從受力分析角度，將推移質(zhì)輸沙率表達(dá)為近底含沙水層的輸移，將懸移質(zhì)含沙量描述為分層懸沙通量沿水深的積分。

上述公式所反映的泥沙運(yùn)動物理過程細(xì)節(jié)較豐富，但公式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于直接應(yīng)用，在普及上以數(shù)值模擬居多。還有一些計算公式也基于沿岸流法，從抓主要矛盾入手，弱化過于細(xì)節(jié)的部分，公式相對簡單、清晰，便于直接使用。如劉家駒公式[12]從破波帶斷面平均的角度出發(fā)，將沿岸輸沙率表達(dá)為沿岸流平均流速、破波帶平均含沙量、破波帶平均水深和破波帶寬度的乘積，通過結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，公式具有與波能流法相近的結(jié)構(gòu)形式。

總體上，沿岸流法沿岸輸沙率計算公式雖有一定理論基礎(chǔ)，但大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，應(yīng)用上不如波能流法普遍。

2 岸線演變

2.1 Bruun法則

為預(yù)測海平面上升對沙質(zhì)海岸岸線侵蝕速率的影響，Bruun[13]最早提出了一種概念模型，后被命名為“Bruun法則”。該法則基本-理是：假設(shè)海平面上升過程中，岸灘平衡剖面維持-有形態(tài)向岸和向上移動，岸線發(fā)生侵蝕后，侵蝕物堆積在濱外淺水區(qū)，侵蝕量與堆積量保持相近，淺水區(qū)堆積與海平面上升速率保持一致。

從宏觀和定性角度看，Bruun法則可適用于快速分析全球性、區(qū)域性等較大空間尺度的沙質(zhì)海岸岸線侵蝕問題，能夠為政府與國際組織規(guī)劃決策提供一些依據(jù)。然而，該法則基于一些比較嚴(yán)格的假定條件，針對的海岸帶類型比較局限，在具體工程應(yīng)用方面有明顯不足。

2.2 工程案例研究

沿岸輸沙動態(tài)平衡的沙質(zhì)海岸基本表現(xiàn)為岸線長期穩(wěn)定，近岸沿岸泥沙運(yùn)動及其影響不易被察覺。在此類海岸修建突堤、離岸堤和丁壩等建筑物時，往往會改變-有的輸沙平衡狀態(tài)，導(dǎo)致建筑物上下游岸線長期變形。一般而言，建筑物上游攔沙，造成上游岸線向海淤積前進(jìn)。下游因供沙不足而就地補(bǔ)充沙源，導(dǎo)致下游岸線向岸沖刷后退，這是海岸工程建筑物引起沙質(zhì)海岸上下游岸線長期變形的基本特征。典型工程案例如印度馬德拉斯港和毛里塔尼亞友誼港。

1）印度馬德拉斯港

馬德拉斯港位于印度半島東海岸上一處動態(tài)平衡的平直岸段，凈沿岸輸沙方向自南向北，凈輸沙率約54萬m3/a。

港口于1875年和1879年先后建設(shè)了北突堤和南突堤，在南突堤施工期間，其南側(cè)隨即發(fā)生了快速淤積，1877—1910年33年間岸線前進(jìn)了約700 m，并且沿岸輸沙逐步繞過突堤進(jìn)入港內(nèi)，導(dǎo)致航道不得不關(guān)閉，在朝北方向開挖了新航道。北突堤北側(cè)因供沙不足而沖刷后退，岸線侵蝕段長達(dá)5 km以上。為了防止岸線進(jìn)一步被沖刷，北側(cè)修建了護(hù)岸工程。隨著時間的推移，沿岸輸沙對港口南北側(cè)沖淤影響不斷加大，為此最終采用了旁通輸沙方法，通過吸泥泵將南側(cè)淤積泥沙輸送至北側(cè)沖刷區(qū)域，以人工方式恢復(fù)海岸的沿岸輸沙平衡狀態(tài)，達(dá)到了一勞永逸的效果。

2）毛里塔尼亞友誼港

毛里塔尼亞友誼港是我國.非第二大工程項目，該港口位于首都努瓦克肖特市沿海一處動態(tài)平衡的平直岸段，近岸沿岸輸沙方向為自北向南，輸沙率約100萬m3/a，屬于典型的強(qiáng)輸沙海岸。

友誼港于1986年竣工投產(chǎn)，其平面布置呈單突堤-島堤式，工程離岸方向投影約1 300 m。斜坡式擋沙堤建設(shè)后，近岸淤積由堤根逐步向上游發(fā)展，最大淤積位于堤身軸線上，再向上游方向淤積逐步減小，形成淤積三角體（圖1）。初期岸線淤積前進(jìn)幅度較大，隨著時間的推移，北側(cè)淤積庫容逐步減小，岸線前進(jìn)速率逐步減緩，淤積影響范圍則有所擴(kuò)大。擋沙堤工程建設(shè)保證了上游30 a的納沙庫容。

圖1 友誼港擋沙堤上游岸線淤積Fig.1 Upstream coastline siltation of Friendship Port

港口工程南側(cè)因來沙中斷而發(fā)生岸線沖刷后退，為保證南側(cè)陸域沖刷防護(hù)需要，1991年和2012年先后在南側(cè)670 m和2 670 m建設(shè)了南挑丁壩和T形丁壩。根據(jù)波浪動力與岸線侵蝕后退速率的差異，擋沙堤下游可劃分為“掩護(hù)區(qū)”、“過渡區(qū)”和“開敞區(qū)”3個區(qū)域[14]，見圖2，其中“過渡區(qū)”大致位于經(jīng)防波堤繞射后波向與岸線的交匯區(qū)域，該區(qū)域沿岸輸沙率梯度達(dá)到最大，最大沖刷點發(fā)生于此。與上游岸線年際變化相似，初期下游沖刷較快，隨著時間的推移逐步減緩。

圖2 友誼港下游海岸侵蝕分區(qū)示意Fig.2 Coastal erosion zones in the downstream of Friendship Port

2.3 一線理論

20世紀(jì)50年代，法國學(xué)者Pelnard-Considere[15]首先提出了“一線理論”，可用來計算波浪作用下平直沙質(zhì)海岸的岸線變化。該理論假定，岸灘在長期演變過程中其剖面形態(tài)基本保持不變，即不考慮橫向泥沙運(yùn)動的影響，認(rèn)為沿岸輸沙是控制岸線長期演變的關(guān)鍵，岸灘整體平行淤積前進(jìn)或沖刷后退，故岸灘沖淤變化可用岸線進(jìn)退變化來近似表示。一線理論采用泥沙運(yùn)動連續(xù)方程來描述岸灘演變 （式（2））：

式中：x為沿岸方向坐標(biāo)；y為岸線距離x軸的位置；Q為沿岸輸沙率；t為岸灘演變時間；d為岸灘變形高度。

因該理論高效簡潔的表達(dá)方式，而得到廣泛應(yīng)用，成為計算岸線演變的有效手段之一?；谝痪€理論的岸線演變計算方法一般分為解析解法和數(shù)值模擬法。

1）解析解

解析解一般假定岸線淤積角（新岸線與初始岸線之間的夾角）較小，防波擋沙堤對上游沿岸輸沙為完全攔截，并且擋沙堤結(jié)構(gòu)形式為斜波堤，忽略堤身對波浪反射的作用[16]。在上述假定下，解析解的最終結(jié)構(gòu)形式主要與所采用的沿岸輸沙率公式有關(guān)。Pelnard-Considere[15]在求解析解時，曾假定沿岸輸沙率與深水波向角成線性關(guān)系。林柏維等[17]將沿岸輸沙率與入射角的關(guān)系進(jìn)一步作了調(diào)整。孫林云等[16]基于其沿岸輸沙率公式[1]推導(dǎo)了一線理論解析解。

各家推算結(jié)果表明，不論采用哪種輸沙率計算公式，入射波向角均是其中的關(guān)鍵參數(shù)。以往許多學(xué)者曾建議采用深水波向角或初始時刻破波波向角作為入射波向角。林柏維和孫林云等通過分析研究，均認(rèn)為應(yīng)選擇泥沙淤積深度起算點處的波向角，該角度位于深水波和破碎波之間[16-17]。由于實際海岸環(huán)境中波浪方向往往分布較廣，采用能夠反映波浪年均情況的代表波是一種有效的方法。林柏維等[17]以友誼港為例，提出采用年頻率加權(quán)平均的波向角作為平均淤積角。孫林云等[16]則從沿岸波能流合成出發(fā)，采用能量加權(quán)平均方法計算代表波向角，在-理上與波能流法沿岸輸沙率計算保持一致，預(yù)測得到的友誼港上游多年岸線變化與實測吻合良好。孫林云等[16]推導(dǎo)的一線理論解析解及相關(guān)參數(shù)確定方法已被收錄在我國JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》，作為沙質(zhì)海岸突堤式建筑物上游岸線演變預(yù)報的計算方法進(jìn)行推薦。

一線理論解析解具有公式簡潔、計算方便的突出優(yōu)勢，在具有足夠現(xiàn)場資料的情況下，計算參數(shù)經(jīng)合理確定后，可以獲得較好的預(yù)報成果。由于基本假定的限制，解析解對入射波向角較大、擋沙堤堤頭繞沙、下游岸線變化等方面的求解仍存在許多局限。

2）數(shù)值模擬

為彌補(bǔ)解析解在計算岸線變形方面的一些不足，基于一線理論的岸線演變數(shù)值模擬手段得到較快發(fā)展。

自20世紀(jì)70—80年代，隨著我國對毛里塔尼亞友誼港的.建，國內(nèi)學(xué)者開展了大量岸線模型開發(fā)和應(yīng)用研究工作，以盡可能突破解析解基本假定、真實反映現(xiàn)場水沙物理過程。如徐嘯[18]考慮了擋沙堤完全攔沙和部分?jǐn)r沙對岸線形態(tài)的影響。孫林云等[19]根據(jù)現(xiàn)場實測資料分析，指出擋沙堤上游“淤積型岸灘”坡度變陡，下游“侵蝕型岸灘”坡度趨緩，在岸線變形連續(xù)方程中引入了岸灘剖面形態(tài)因子琢，構(gòu)建了一線理論的改進(jìn)形式（式（3）），對解析解“岸灘剖面形態(tài)不變”假定進(jìn)行了修正與突破，此外還針對下游岸灘沖刷考慮了波浪折射、繞射、反射聯(lián)合分布，提高了波浪計算精度。張長寬等[20]突破了以往研究采用單一代表波的束縛，提出了基于長時段波浪序列的岸線變形模型。

國外學(xué)者在岸線模型開發(fā)方面也有豐富成果，目前已形成許多軟件系統(tǒng)，因其比較強(qiáng)大的模擬能力和友好的用戶界面而被廣泛使用。當(dāng)前最常用的、開發(fā)已較成熟的岸線模型系統(tǒng)主要包括GENESIS、LITPACK和UNIBEST等。GENESIS采用CERC公式改進(jìn)形式計算沿岸輸沙率，在岸線變形連續(xù)方程中加入了源匯項，用以模擬諸如風(fēng)吹沙、河口來沙、沙丘侵蝕等其他泥沙運(yùn)動影響。LITPACK由丹麥水工研究所DHI設(shè)計開發(fā)，可計算波流共同作用下非黏性沙輸沙率、近岸漂流、海岸線變化以及岸灘剖面變化。UNIBEST由荷蘭Delft水力研究所開發(fā)，輸沙率計算提供了多種公式選擇。

基于一線理論的岸線演變數(shù)學(xué)模型彌補(bǔ)了解析解的一些不足，但岸線模型對泥沙運(yùn)動和水下地形演變的處理過于概化，無法解決諸如堤頭繞沙及其對港池航道回淤影響、下游反向輸沙影響等細(xì)節(jié)問題，在實際應(yīng)用中可以基本滿足工程規(guī)劃的要求，在涉及水下泥沙運(yùn)動規(guī)律研究或服務(wù)于工程詳細(xì)設(shè)計時存在明顯局限。

3 岸灘演變

3.1 工程案例研究

沙質(zhì)海岸岸灘演變不僅是岸線進(jìn)退變化，還包括水下地形等深線的變化。我國.建友誼港時積累了大量的現(xiàn)場調(diào)查資料，在此主要以友誼港為案例，通過實測資料分析，介紹沙質(zhì)海岸港口工程建設(shè)后上下游岸灘演變的一些基本規(guī)律。

1）岸灘變形高度

如圖3所示，岸灘變形高度d憶為泥沙運(yùn)動上界高度駐和下界水深d之和。

圖3 岸灘剖面變形高度示意圖Fig.3 The deformation height of the beach profile

我國科研人員通過友誼港海岸實測地形、底質(zhì)采樣和理論分析，研究了沙質(zhì)海岸岸灘變形高度的確定方法[16]。上界高度可通過現(xiàn)場實測淤積高程和高潮期間波浪爬高進(jìn)行綜合判斷。孫林云[1]在研究沿岸輸沙率公式時，考慮了波浪上爬帶對沿岸輸沙的貢獻(xiàn)，這在-理上與上界高度概念是相似的。下界水深可通過實測地形、底質(zhì)取樣和泥沙起動公式進(jìn)行綜合判斷。以友誼港海岸為例，水下地形分析表明，岸灘在-8 m以淺范圍坡度較陡，-8 m以深坡度明顯趨緩，這是波浪對不同水深海床影響的結(jié)果。底質(zhì)取樣結(jié)果顯示，-8 m以深海床大都由貝殼礫巖構(gòu)成，泥質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭，泥沙一般不易起動。通過劉家駒波浪作用下泥沙起動公式計算，得到友誼港海域泥沙起動水深大致在-8.5 m。最終綜合確定下界水深約-8 m。

2）岸灘剖面變化

在沿岸輸沙平衡的自然海岸，岸灘剖面多年大致保持穩(wěn)定，剖面形態(tài)一般具有明顯的沙壩-深槽。當(dāng)海岸工程建設(shè)后，沿岸輸沙和橫向輸沙對岸灘剖面的影響程度會有所調(diào)整，剖面往往發(fā)生累積性沖淤變形。

友誼港上下游實測地形對比結(jié)果表明[1，16]，因沿岸輸沙主要發(fā)生在淺水破波區(qū)，防波擋沙堤工程建設(shè)后，上游源源不斷的沿岸輸沙在近岸淤積，橫向泥沙運(yùn)動來不及調(diào)整，導(dǎo)致上游淤積剖面坡度變陡，并且距離堤身越近，近岸淤積越大，岸灘剖面坡度也越大。下游則以近岸沖刷居多，侵蝕剖面呈坡度趨緩的現(xiàn)象，并且離最大沖刷區(qū)愈近，剖面變緩程度愈大。此外，淤積型和侵蝕型岸灘剖面均無明顯沙壩-深槽特征。

近年來，隨著國內(nèi)海岸工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，也涌現(xiàn)出了一些成果。突出成果如唐山市京唐港海域[21]，嚴(yán)格來說，該海域?qū)儆诩?xì)沙粉沙質(zhì)海岸，具有沙質(zhì)海岸沿岸輸沙的泥沙運(yùn)動特征，尤其在風(fēng)暴潮期間易形成強(qiáng)輸沙，對航道淤積影響較大。

3.2 數(shù)值模擬

近數(shù)十年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提高，基于水動力和泥沙運(yùn)動物理過程的泥沙輸運(yùn)及地貌更新數(shù)值模擬手段得到快速發(fā)展。該手段彌補(bǔ)了一線理論的一些不足，模擬的泥沙運(yùn)動過程更加全面。但仍需要耗費(fèi)相對較長的計算時間。以下主要針對平面二維模型和三維模型的沙質(zhì)海岸岸灘演變研究成果進(jìn)行介紹。

1）平面二維模型

對較大范圍海域的水動力與泥沙數(shù)值模擬，其水平尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度，可將復(fù)雜的三維問題沿水深平均得到平面二維淺水方程組，在經(jīng)過良好驗證的基礎(chǔ)上，簡化對問題的研究。

由于平面二維數(shù)值模擬基于水動力和泥沙運(yùn)動物理過程，其計算耗時相對較長，許多學(xué)者多從水沙變化或岸灘短期演變角度探討泥沙沖淤的一些基本規(guī)律。如張海文等[22]以毛里塔尼亞友誼港北側(cè)沉船附近的岸灘演變?yōu)槔紤]了波浪及波生流的計算方法，對友誼港北側(cè)沉船附近海岸岸灘演變進(jìn)行了60 d的數(shù)值模擬，得到了沉船后連島沙壩的形成趨勢。Tang等[23]在模型驗證的基礎(chǔ)上，研究了離岸堤與直形丁壩對岸灘沖淤的影響，給出了波生流及短歷時泥沙沖淤分布特征，揭示了一些客觀規(guī)律。因部分研究或工程設(shè)計的需要，也有一些基于過程的沙質(zhì)海岸岸灘長期演變模擬的相關(guān)成果。如Stive等[24]介紹了人工養(yǎng)灘新方式“補(bǔ)沙引擎”，預(yù)測了沙源投放后20 a的岸灘演變過程。Kaji等[25]進(jìn)一步研究了波浪、潮流、風(fēng)和風(fēng)暴潮增水對補(bǔ)沙引擎供沙能力的貢獻(xiàn)。

2）三維模型

與平面二維模型相比，三維模型能夠反映垂向水流結(jié)構(gòu)，可以模擬沙質(zhì)海岸海底回流及其對輸沙的影響。由于三維模型計算效率更低，對其使用多側(cè)重于研究，在解決具體工程應(yīng)用問題時仍受到較大制約。

Lesser等[26]采用DELFT3D軟件建立了非黏性沙泥沙輸運(yùn)及岸灘演變?nèi)S數(shù)學(xué)模型，指出垂向各分層水流的差異性對泥沙沖淤分布存在一些影響，與平面二維模擬結(jié)果相比趨勢相近，沖淤量值稍有不同。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)[27]在其海岸工程課程教學(xué)當(dāng)中，介紹了直形丁壩和T形丁壩布置下岸灘演變的一些模擬方法，指出三維模型能更好地模擬“沙壩-深槽”岸灘剖面形態(tài)。另外，因二維模型無法模擬海底回流，相同波能情況下，其模擬得到的沿岸流流速相對較大，三維模型相對較小。

總體看來，基于過程的沙質(zhì)海岸岸灘長期演變模擬成果較少，并且研究對象多集中在離岸堤布置下的岸灘沖淤變化，研究范圍仍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.3 物理模型試驗

與數(shù)值模擬手段相比，物理模型試驗具有直觀性好的特點。此外，物理模型憑借其自適應(yīng)特點可以彌補(bǔ)數(shù)學(xué)模型的一些不足，更好地反映諸如波流耦合、波浪與建筑物相互作用等一些物理現(xiàn)象，是模擬沙質(zhì)海岸岸灘演變的重要手段。

當(dāng)前，沙質(zhì)海岸岸灘演變物理模型試驗研究成果較多集中在離岸堤及堤后連島沙壩的研究，港口工程建設(shè)后大范圍岸灘沖淤變化及港池航道回淤研究成果尚不多見，這一方面可能與試驗對場地要求較高有關(guān)，另一方面可能由于試驗對模型沙選取、沙源供給方式、試驗波要素選取等有較高的要求，而解決這些問題往往需要基于對沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動基本規(guī)律的認(rèn)識和一定的實踐經(jīng)驗。

20世紀(jì)70—80年代，為服務(wù)于友誼港建設(shè)，南京水利科學(xué)研究院（以下簡稱“南科院”）多次開展了港口工程上下游岸灘長期演變物理模型試驗研究，積累了豐富的研究成果和試驗經(jīng)驗。自1976年以來，南科院在國內(nèi)首次開展了波浪作用下沙質(zhì)海岸動床泥沙物理模型試驗，先后進(jìn)行了突堤式建筑物上游岸灘淤積與工程建設(shè)時序試驗[28-29]、下游岸灘沖刷與防護(hù)試驗[30]、上下游岸灘沖淤演變與泥沙綜合治理整體試驗[1]，為港口工程建設(shè)提供了技術(shù)支撐。在各個試驗階段過程中，試驗方法和模擬技術(shù)得到逐步完善。根據(jù)波能流法沿岸輸沙機(jī)理，首次提出采用波能頻率加權(quán)平均的代表波統(tǒng)計方法來解決試驗中的波要素選擇問題。經(jīng)過比選，確定采用輕質(zhì)沙作為模型沙能夠達(dá)到模擬沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動的目的。這兩個模擬技術(shù)現(xiàn)已分別納入我國JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》和JTS/T 231-2—2010《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》，作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以推薦。隨著模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，還實現(xiàn)了計算現(xiàn)場-型沙和試驗室模型沙不同量級沿岸輸沙率的統(tǒng)一形式[1]，彌補(bǔ)了CERC公式僅適用于現(xiàn)場-型的局限，進(jìn)一步發(fā)展了波浪作用下沿岸泥沙運(yùn)動相似理論。在岸灘演變基本規(guī)律方面，物模試驗揭示了岸灘沖淤剖面坡度變化、離岸島堤碼頭波影區(qū)淤積沙咀形成過程等現(xiàn)象，具體內(nèi)容前已述及，這里不再贅述。

因物理模型的試驗成本及對試驗場地要求較高，目前泥沙物模的使用頻率有所下降，但它能夠較好地實現(xiàn)沙質(zhì)海岸岸灘長期演變模擬，在服務(wù)于實際工程應(yīng)用方面仍具優(yōu)勢。

4 展望

通過上述研究的回顧，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前針對沙質(zhì)海岸岸灘演變規(guī)律的認(rèn)識尚不充分，模擬技術(shù)手段仍有進(jìn)一步發(fā)展的余地。在此作出幾點展望：

1）進(jìn)一步深化沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動基本理論研究，如沿岸懸沙和底沙運(yùn)動的斷面分布規(guī)律。

2）進(jìn)一步深化沙質(zhì)海岸岸灘長期演變基本規(guī)律及海岸工程沖淤防護(hù)等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。如防波堤、離岸堤等海岸工程建設(shè)后，上下游快速沖淤變化規(guī)律及其對工程安全的影響，研究保障工程安全的沖淤防護(hù)措施。

3）進(jìn)一步提升沙質(zhì)海岸泥沙運(yùn)動與岸灘演變模擬技術(shù)。如針對基于過程的泥沙沖淤數(shù)值模擬，加強(qiáng)對地貌加速因子、模型計算范圍、邊界條件組合、泥沙擴(kuò)散系數(shù)等計算要素的敏感性分析；針對動床泥沙物理模型試驗，探討規(guī)則波與不規(guī)則波作用對模擬效果差異。