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岬湾海滩平衡岸线应用研究分析卜瑜辉

发表时间：2021/7/19 来源：《基层建设》2021年第12期作者：卜瑜辉

[导读] 本文介绍了MEPBAY软件工具，通过抛物线模型来理解和解决岬湾海滩平面形态及岸线平衡的问题

        华北水利水电大学水利学院河南郑州 450046
        摘要：本文介绍了MEPBAY软件工具，通过抛物线模型来理解和解决岬湾海滩平面形态及岸线平衡的问题。岬间海岸根据海滩稳定性特征可以分为静态平衡海岸、动态平衡海岸和不稳定海岸。静态平衡岬湾海岸状态是最稳定的，所以其结构被当作成一种稳定岸线形式，这对于海岸带的开发与保护具有重要的意义。
        关键词：岬湾海滩；抛物线模型；静态平衡海岸；MEPBAY

        1.岬湾海滩研究进展
        在自然界中，海滩两端被岬角或人工建筑物所限，因岬角不易被侵蚀，可以减少或者阻断泥沙供应，这种独立的海岸地貌系统往往会形成一个浅弧形海湾。近年来由于不当的人类活动以及全球气候变化加剧了海岸侵蚀现象，使得海岸侵蚀在区域或局部地区已经成为一种自然灾害，许多国家的海滩侵蚀问题日益严重，由此提出相应防止或减弱海岸侵蚀措施。就海滩稳定性而言，岬湾海滩可分为静态平衡海滩、动态平衡海滩和不稳定海滩。当入射主向波在整个海湾周边同时破碎时，达到静态平衡。在这个阶段，除风暴潮、台风等极端自然灾害影响外，弯曲海滩基本趋于稳定，无长期侵蚀或沉积。对于动态平衡状态海湾来说，泥沙平衡是保持岸线现有位置的关键因素。然而，动态平衡下的海岸线会随着上游或湾内河流输沙量的减少而后退，如果输沙量完全减少，甚至后退到静态平衡的极限位置。另一方面，不稳定状态海湾通常是因为海滩上的结构物阻挡波浪造成的，弯曲海岸线在结构物背风面处发生堆积，并伴随海滩自然重塑过程向下侵蚀。静态平衡状态的岬湾海滩是最稳定的地形，不需要额外泥沙补给，因此建议在静态平衡状态下建造海滩，作为减弱海岸线侵蚀的一种手段。
        2001年，Gonzalez和Medina完善此理论，引入“平衡海滩”概念，将静态平衡平面图和剖面图结合起来用于海滩长期稳定性分析，这对于海岸带的开发与保护具有重要的意义。同时弯曲海滩具有特殊的形态意义，前人学者已提出多种基于平衡公式的经验长期模型，通过特定数学函数去拟合海湾岸线，其平面形态模型主要有对数螺线型、双曲线正切型、椭圆型模型、抛物线型。值得注意的是，抛物线、对数螺线和双曲切线提供预测海滩海岸线的特定区域经验数学表达式。其中，抛物形海湾形状模型是最受关注的模型之一。基于这些模型，可构建不同类型的应用，例如识别海滩稳定性，预测人造建筑后的形态变化，建造人工海滩和许多其他工程应用。
        2.抛物线模型
        一般情况下，波浪会以一定角度对岬角海湾的砂质海岸进行岸线塑造，最终将其塑造成形状不对称的弧形海岸，其特征是弯曲的阴影区、轻微弯曲的过渡区和下向风末端为相对直的切线段（图1）。

        图1 抛物线模型示意图
        抛物线平面形态模型最初由Hsu和Evans（1989）结合13个物理模型实验和14个原型观测海湾数据，在上游没有来沙进入与湾内及没有河流输沙的条件下，通过回归分析方法整理得二阶多项式（即抛物线模型）。用于静态平衡状态岬湾海滩的抛物线海湾形状方程。方程形式如下：
                    （2-1）
        式（2-1）有两个主要物理参数，即参照波向倾角β和长度为Rβ的控制线（图1）。前者表示波浪绕射点处入射波峰与控制线之间的波浪倾角，后者为上衍射点(Xo,Yo)与下控制点(X1,Y1)间的距离，如图1所示。此外三个系数C0、C1、C2是关于β的函数。在数值模拟上，这些系数可以用四阶多项式表示，如下所示：

（2-2）

                                   （2-3）
                                 （2-4）
        在一些海湾形状上，Silvester 和 Hsu对该方程进行了验证。虽然岬角尖端与其下边界间有各种各样尺寸，但可以应用抛物线海湾形状模型定性评估湾滩稳定性。为便于实际应用，必须先根据地图或航拍图确定β值和Rβ值，然后手动计算范围对应的半径。已知β和Rβ的海滩，在现有地图上用预测静态海湾形状曲线标出成对和的位置。最后，与相同波形倾斜角β的静态平衡形状进行比较，直观验证现有海滩稳定性。
        3.MEPBAY软件
        3.1软件介绍
        岬湾海岸平衡静态模型（MEPBAY）是Klein（2003）以Hsu和Evans提出的抛物线模型为基础上开发的可视化应用软件。MEPBAY软件不仅有助于理解海岸形态变化过程，也是海岸工程师在岸线保护及海岸管理实践中的有力辅助工具。MEPBAY最初是由巴西大学研究人员研发。MEPBAY是帮助学生学习不同海滩抛物线形模型的应用开发而来。其主要设计目标是以最小工作量创建可用界面。通过运用抛物线模型计算的平衡岸线与实际岸线对比，便可达到预测岸线侵蚀或淤积目的。
        3.2软件步骤
        抛物线模型应用中，利用海滩地图，地形图，航拍图或卫星图像获得模型两个主要参数（β和Rβ）。结合波浪常入射方向，1972年，Silvester观察到处于或接近静态平衡的海滩，海湾下极限处的波峰几乎与下切线平行，而从上波衍射点开始的波峰线也是如此（图l）。基于此观察，应用抛物线模型的一般步骤如下:
        （1）选择一条Rβ长度的控制线：绘制一条直线，连接上衍射点与直线段下端的适当控制点。
        （2）确定主波方向和参照角β：下控制点处绘制下切线。这作为波峰线，波峰线垂直海滩上衍射点处的入射波。波峰线与控制线间的角度记为β。
        （3）计算到海滩的射线长度：下边界θ=β处开始，用式（2-1）计算间隔10°的β度的射线，最大值为150°或180°。计算值（）值表示理想静态平衡海湾形状的上衍射点向外辐射的海岸线位置。
        （4）绘制静态平衡的海岸线平面形状：最后，将所有（）连接起来，在现有地图或航拍图上绘制静态平衡的曲线平面形状，定性评估海滩稳定性。
        3.3软件应用
        MEPBAY使用通过现有海岸线与静态平衡预测的海岸线的接近程度，检验海滩稳定性。海滩如果跟它们彼此重合或非常接近，则现有海滩正处于或接近静态平衡状态。如果现有海岸线边缘是预测的向陆地，则海滩处于动态平衡状态，由于各来源泥沙保持平衡，海岸线边缘保持不变。然而，泥沙净供给增加或减少时，动态平衡状态的海岸线可能会前进或后退。第三种海滩稳定性被称为不稳定，由于建筑物遮挡波浪，在海滩自然重塑时发生。然而，当结构改变岬角顶端或波浪接近方向随季节变化时，海滩侵