砾石海滩形态演变的物理模型实验研究

《Ocean Engineering》：Physical model experimental study on profile evolution of gravel beaches

　　

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  该界面位于SWL曲线与岸向距离±0.1米的范围内。
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  由上冲流主导的流动不对称性（1.19–1.42）推动了砾石向岸边输送。
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  水位上升使侵蚀区和沉积区向岸边移动；沙堤被水淹没后会引发溢流现象。

引言

沿海地区在支撑人类密集活动的同时，还承担着生态保护、空间开发以及灾害防范等功能。海平面上升以及极端天气事件的频发，暴露出传统硬质防护措施，如海堤和混凝土护岸，在生态保护和可持续性方面的局限性。砾石海滩提供了一种基于自然的替代方案，因其粗粒沉积物、高孔隙率以及较强的渗透性，能够有效消耗波浪能量并抵御侵蚀（Buscombe和Masselink，2006）。McCall等人（2015）进一步表明，砾石海滩可通过自我调整海滩形态以及消耗入射波浪能量，成为高效且可持续的沿海防御手段。与沙滩不同，砾石海滩对风暴的反应受到波高和静水位的共同影响，而涌浪成分则可能对其形态变化产生额外调控作用（Ions等人，2023）。因此，深入理解复杂水动力作用下砾石海滩形态的调整机制，对于设计基于自然的沿海防护系统具有重要意义。

砾石海滩动力学中的一个核心问题在于渗透作用、波浪-水流不对称性以及沉积物输运之间的相互作用。Masselink和Li（2001）指出，冲刷区的渗透作用会改变上冲流与回冲流之间的不对称性，进而影响向岸方向的沉积物输运。Delisle等人（2023）证明，海滩的渗透性以及地下水交换会显著改变冲刷水动力状况；结合专门的砾石输运研究，这些发现表明渗透-渗出过程能够影响沉积物的净输运方向。Austin和Masselink（2006）通过长期实地观测，总结了砾石沙堤的四种变化模式：退缩、沉积、移除以及重建，这为实验室研究与实地观测之间的对比提供了重要依据。Pedrozo-Acu?a等人（2006）将波浪模拟与沉积物输运模型相结合，并通过对岸向剖面变化的实证分析，强调了冲刷渗透作用以及上冲流-回冲流不对称性的重要作用。此外，van Rijn（2007）提出了一个适用于粗粒海岸的沉积物生成与输运统一框架。综上，这些研究为解读砾石海滩的形态动态提供了理论基础。

随着计算水动力学的进步，基于过程的数值模型已成为研究砾石海滩演变的重要工具。Roelvink等人（2009）开发了一个用于模拟海滩、沙丘及防护结构在风暴作用下的水动力响应与形态变化的框架。McCall等人（2014、2015）随后通过引入非静水波求解器以及地下水过程，发展出了XBeach-G模型，显著提升了对砾石海滩风暴响应的模拟精度。更一般而言，近岸地形能够调控波浪的传播与能量分布。Gao等人（2020）利用布辛涅斯克模型研究了复杂海底地形上瞬态波群的传播、变形以及能量聚焦现象。Gao等人（2021、2024）发现周期性起伏地形可通过布拉格反射降低入射波能量，而Hou和Gao（2026）则证明布拉格型结构能够减轻不规则波浪作用下港口共振带来的局部能量放大现象。Gao等人（2023）进一步阐明了周期性地形改变波浪响应的物理机制。这些研究凸显了波浪传播与近岸地形之间的紧密耦合关系，这一关系对于理解不同水深条件下的沿海响应具有重要的参考价值。

物理建模对于揭示砾石海滩形态演变的机制依然至关重要。López de San Román-Blanco等人（2006）在德国汉诺威的GWK波浪水槽中开展了大规模的砾石海滩及混合海滩实验，获得了关于剖面变化、波高、孔隙水压力以及流速的全面数据集。Kobayashi等人（2011）研究了初始海滩坡度对砾石侵蚀与沉积的影响，而Hicks等人（2011）则结合实验室实验与数值模型，分析了岸向方向的砾石输运规律。Williams等人（2012）开展的原型尺度“屏障动力学实验”（BARDEX）进一步揭示了砾石屏障在波浪作用下的动态调整机制。高分辨率测量技术的进步使得人们对水动力与形态动力学的耦合关系能够进行更为细致的研究。Yi等人（2025a）将80米长波浪水槽中的实验与OpenFOAM模拟相结合，量化了透水底床对冲刷过程变化以及沉积物运动的影响。Yi等人（2025b）研究了规则波浪条件下波浪非线性以及上冲流-回冲流不对称性对向岸砾石输运的影响。Fang等人（2026）利用粒子图像测速技术，展示了平衡剖面如何调控冲刷流结构与波浪非线性，并为不同类型的平衡剖面提出了经验拟合公式。McCarron等人（2025）进一步比较了由沙子、砾石以及沙砾混合物构成的移动床体的形态动态响应差异。

由于砾石海滩具有出色的波浪能量耗散能力以及良好的生态适应性，它们越来越多地被应用于人工修复工程以及环保型沿海防护项目中。设计合理的人工砾石海滩能够有效缓解沿海侵蚀现象。Yu等人（2017）运用沉积物输运速率公式，研究了厦门天泉湾人工砾石海滩上的沉积物输运规律。Xu等人（2018）对山东省昌岛的一处砾石海滩进行了实地调查，分析了其侵蚀特征，并提出了相应的修复措施。Sun等人（2019）以大连凌水湾项目为研究对象，通过物理模型实验分析了不同波浪条件与水位条件下人工砾石海滩的形态变化规律。这些实际应用研究充分展现了砾石海滩作为环保型沿海防护措施的巨大潜力。此外，López等人（2018）通过分析51处砾石海滩的平衡剖面特征，开发了一种用于海滩补沙设计的数值模型。他们的研究结果表明，若能准确预测平衡剖面形态，可大幅减少所需补沙量，从而为砾石海滩修复工程的剖面设计提供定量依据。

尽管以往的研究已经认识到水位对砾石海滩形态调整的重要性，但大多数研究要么侧重于地下水位对渗透作用及沉积物输运的影响（Masselink和Turner，2012），要么关注波浪与潮汐共同作用下的剖面演变规律（Jamal等人，2012）。目前，关于静水位作为独立控制变量，在决定侵蚀与沉积的空间分布、活跃剖面宽度以及沙堤发育程度方面所起作用的系统性定量证据仍然较为缺乏。Gao等人（2026）进一步指出，复杂的海底地形与水位变化会显著影响珠江口地区的近岸波浪传播与能量放大现象，这进一步体现了水深变化对沿海响应的重要影响。此外，入射破碎波产生的冲击压力与砾石海滩内的渗透作用之间的相互作用机制也亟待阐明，因为这一机制可能会影响颗粒的卷吸与输运过程（Ball，2013；Pedrozo-Acu?a等人，2010）。为填补这些研究空白，本研究采用了二维物理模型，在不同的静水位条件下测量波浪、流速以及剖面变化情况。研究目的包括：量化静水位对上冲流-回冲流流速不对称性以及侵蚀与沉积空间分布的影响；确定静水位是否可作为控制剖面分区的基准高度；以及量化随着水位上升，剖面调整区域向岸边迁移的程度。这些研究结果将为砾石海滩的修复设计提供实验依据，同时也有助于验证基于过程的数值模型。

章节要点

实验装置与砾石海滩模型

该实验在鲁东大学海洋工程物理模型实验室的波浪-水流水槽中进行。该水槽长60米，宽2米，高1.8米。如图1所示，水槽东端安装了主动式吸波发生器，西端则设置了消波块结构。该水槽能够在波浪与水流共同作用、仅有波浪作用或仅有水流作用的情况下，开展二维物理模型试验。

贵山的砾石海滩为

波浪传播与变形

由于水深有限以及水槽底部边界条件的存在，生成的规则波浪在传播过程中表现出明显的非线性特征，波峰高度超过了波谷幅度，且呈现出典型的斯托克斯型波形。当波浪向越来越浅的水域传播时，海底地形限制以及底部摩擦作用会进一步加剧这种非线性现象。图4展示了案例1至3中五个监测点（G1-G5）的表面高程随时间的变化情况。在近海的G1和G2监测点，波浪

研究意义

通过二维物理模型实验，系统地量化了1:10比例的砾石海滩在规则波浪以及不同静水位条件下的水动力响应与形态演变规律。侵蚀与沉积的过渡带始终靠近SWL曲线与初始海滩剖面的交点，其沿岸方向的绝对水平偏移量不超过约0.1米。这一紧密对应关系表明，静水位可作为划分海滩剖面区域的实用参考基准。受波浪影响的

结论

通过开展二维物理模型实验，研究了规则波浪作用下静水位对砾石海滩水动力响应以及平衡剖面演变的影响。主要结论如下：

• (1)
  静水位决定了侵蚀与沉积的区域分布以及活跃剖面的范围。

在所有测试条件下，侵蚀与沉积的过渡带都位于静水位与初始海滩剖面相交点的附近。其绝对

CRediT作者贡献说明

施洪远：概念构建、资金获取、研究方法设计、实验指导、论文撰写与修改。朱兴旺：数据整理、实验研究、论文初稿撰写。王正浩：实验研究、软件应用。彭立红：结果验证、论文撰写与修改。翟一林：数据整理、结果验证。游在进：概念构建、论文撰写与修改。张兆梓：论文初稿撰写、论文撰写与修改。

资金支持

作者声明，本研究在研究开展、作者身份确认以及文章发表等方面获得了财政支持。该研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2026MS0897）、山东省重点研发计划（竞争创新平台）（项目编号：2026CXPT210）、泰山产业专家计划（项目编号：tscy20251040）以及山东省实验室与人才计划（海外专家双百计划）的支持。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Hongyuan Shi|Xingwang Zhu|Zhenghao Wang|Lihong Peng|Yilin Zhai|Zaijin You|Zhaozi Zhang