1.   引言

近岸人工沙坝养滩是海滩养护的一种典型方式^[1-4]，通过将泥沙抛填形成人工沙坝，削减波能并依靠自然波浪作用下的向岸输沙来养护海滩。人工沙坝具有养滩成本低、施工效率高、养滩周期长、对海滩活动和自然景观影响小等优点^[5-9]，是逐渐兴起和极具发展潜力的海滩养护方式^{[2-3, 7, 10-17]}。人工沙坝的养滩功能主要体现在“遮蔽效应”和“喂养效应”两个方面。“遮蔽效应”是指人工沙坝可引起波浪破碎和能量耗散，减弱后方的输沙能力，抑制海滩侵蚀^{[3, 18-20]}。“喂养效应”是指人工沙坝在自然波浪作用下向岸迁移并填补在滩面上，形成对海滩的养护^[21]。

人工沙坝可视为天然地形上的人为扰动，与当地的水动力条件并不匹配。因此，人工沙坝往往会经历剧烈的地形变化，其中涉及的水沙运动过程较为复杂^[22]。在波浪演化层面上，人工沙坝引起的地形突变将对波浪传播变形规律产生显著的影响。在泥沙运动层面上，人工沙坝作为泥沙“源”，间接改变了海滩剖面上的泥沙输运特征^[23-26]。在地形演变层面上，现有的天然沙坝形成与演变理论将不再适用于人工沙坝。深入研究人工沙坝的剖面演变规律和泥沙输运机制不仅是海岸工程学科的前沿研究热点^[27-42]，也是海岸带保护修复工程建设的实际需求^[43-46]。

本文从波浪作用下人工沙坝剖面演变规律入手，总结了不同动力条件下的人工沙坝横向迁移、形态演变和地貌耦合规律，探讨了人工沙坝平衡剖面形态特征与动力适应性，介绍了人工沙坝演变过程中的泥沙输运机制与数值模拟方法的主要研究进展，最后提出未来的研究展望。

2.   波浪作用下人工沙坝剖面演变规律

2.1   人工沙坝横向迁移规律

海岸沙坝横向迁移是海滩地貌响应的主要表现形式之一。国内外学者对天然沙坝的横向迁移开展了大量研究^[47]，发现天然沙坝的迁移趋势往往与海滩波浪动力条件相匹配，如天然沙坝在弱动力条件下向岸迁移并促进滩肩剖面的形成，在强动力条件下离岸迁移并促进沙坝剖面的形成。然而，人工沙坝的地貌形态比天然沙坝更加显著，主要体现在更浅的坝顶水深和更陡的两侧边坡，因此也表现出更为复杂的横向迁移规律。

已有的人工沙坝横向迁移规律认识主要来自于对原型海岸的现场观测研究。此类现场观测研究的重点在于考察人工沙坝在平常波浪作用下是否能够向岸迁移并喂养海滩，观测时间尺度通常在数月至数年不等，侧重于人工沙坝的中长期演变规律。Brutsché等^[48]基于3年现场观测数据，发现美国Fort Myers海岸上的人工沙坝在当地较弱的波浪作用下缓慢向岸迁移并填补干滩。荷兰Terschelling海岸上的人工沙坝填充在两个天然沙坝之间的深槽中，填沙量为200×10⁴ m³，在建成后10年内有较明显的向岸迁移趋势^[49]。Ojeda等^[50]基于6年的观测资料，发现荷兰Noordwijk海岸上的人工沙坝在建成后4年内向岸迁移了300 m。我国秦皇岛海岸上的人工沙坝在建成后的3年内也表现出稳定向岸迁移的趋势^{[8, 51]}。

在时间尺度较短的风暴过程中，人工沙坝的短期演变尤为剧烈，并且对海滩恢复有至关重要的影响^[52-54]。但受制于极端天气下的观测技术局限，风暴波浪作用下的人工沙坝横向迁移过程往往较难捕捉。Elko和Wang^[53]测量了美国Upham海岸上的人工沙坝在飓风“Frances”过境前后的地形变化，发现典型监测断面上的人工沙坝有明显的离岸迁移趋势。荷兰Egmond海岸是侵蚀热点，人工沙坝在波浪作用下没有发生明显的迁移，但坝槽形态逐渐消失^[55]。最近，Li等^[56-57]基于物理模型试验，发现向海侧坡度较陡的人工沙坝在大浪作用下可引起局部向岸输沙和人工沙坝向岸迁移现象，有别于风暴条件下海滩剖面离岸输沙和天然沙坝离岸迁移的传统认识。因此，在时间尺度较短的风暴过程中，人工沙坝的地貌响应和剖面演变规律更为复杂，目前尚未达成统一的认识。

2.2   人工沙坝剖面形态演变模式

在横向迁移过程中，人工沙坝的剖面形态也在不断变化，其“遮蔽”和“喂养”的能力也随之改变，进而影响干滩宽度和岸滩泥沙收支。因此，研究人工沙坝剖面形态演变模式对于评估其养滩效果具有重要意义。描述人工沙坝剖面形态的主要参数通常包括垂向上的显著程度（坝高和坝顶水深）和横向上的不对称度（两侧坡度的相对大小）。

对已有现场观测和物理模型试验结果的初步总结分析发现，人工沙坝在垂向显著程度上呈现出两种典型的形态演变模式：（1）“增长”模式。如图1a所示，人工沙坝向岸迁移的过程中坝槽形态不断增长。在荷兰Terschelling海岸^{[49, 58]}、美国Fort Myers海岸^[48]，新西兰Tairua海岸^[59]以及近期李元^[60]开展的波浪水槽试验中都曾观测到这种模式。若波浪作用时间足够长，沙坝最终将填补在岸滩上并拓宽滩肩；（2）“衰减”模式。如图1b所示，人工沙坝的坝槽形态逐渐衰减，人工沙坝的泥沙最终将填补在较长范围的深槽中。在前文提及的荷兰Egmond海岸以及Smith等^[61]开展的波流港池试验中都曾观测到人工沙坝剖面形态衰减模式。

图  1  人工沙坝剖面形态演变模式示意图

数据来源于文献[60]

Figure  1.  Schematic of modes for profile evolution of artificial sandbar

Data are obtained from reference [60]

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在横向不对称度上，Cheng和Wang^[62]基于佛罗里达中西部海岸的4年观测数据，认为沙坝形态不对称度与沙坝迁移方向有关。例如，当天然沙坝向岸迁移，其向岸侧坡度变陡而向海侧坡度变缓，在向岸方向上不对称度增大，反之则反。然而，这一规律并不总是适用于人工沙坝。拾兵等^[6]开展的物理模型试验中，梯形人工沙坝的两侧坡度在演变过程中均变缓，沙坝不对称度没有明显变化。马悦等^[63]的数值模拟结果显示人工沙坝向岸侧坡度变陡，向海侧坡度保持不变。最近，Pan等^[64]初步总结了弱动力海滩上规则波作用下人工沙坝形态不对称度与波高、波周期的定性关系，发现大波高、小周期的条件下更容易形成不对称度较大的人工沙坝。

2.3   人工沙坝与天然地貌的耦合规律

天然海滩上往往存在沙坝或滩肩等初始地貌形态^[65-72]。从地貌系统响应的角度看，人工沙坝喂养海滩的过程也是人工沙坝与天然地貌通过水动力互馈和泥沙交换，发生相互作用并重新适应的过程。一方面，人工沙坝和天然沙坝的位置关系影响了人工沙坝两侧的水深变化特征，改变了波流传播历史、输沙路径和地形条件，可能引起人工沙坝与天然沙坝的地貌形态耦合；另一方面，人工沙坝向岸迁移喂养滩肩的过程势必伴随着沙坝泥沙的流失和滩肩泥沙的淤长，且人工沙坝与天然滩肩的初始距离影响该过程的强度和时间周期，随着两者逐渐靠近，滩肩前沿的水动力变化也会反馈到人工沙坝上方的动力条件。

人工沙坝与岸线、天然沙坝及滩肩之间的地貌形态耦合效应在现场观测、物理模型试验与数值模拟研究中多有体现。例如，Hoekstra等^[73]发现Terschelling海岸在实施人工沙坝养滩后的前2.5年里，人工沙坝喂养效果明显，使该海岸的岸线由原先每年后退3 m的侵蚀状态转变为每年前进7 m的淤积状态。Atkinson和Baldock^[74]发现了在海平面上升的背景下，人工沙坝具有减缓岸线后退的功能。Marinho等^[75]建立了经验模型来描述人工沙坝与滩肩之间的泥沙交换。Ojeda等^[50]分析了Noordwijk双沙坝海岸对人工沙坝养滩的响应，发现人工沙坝降低了天然沙坝离岸迁移的速率。潘毅等^[76]探讨了人工沙坝对天然沙坝的扰动作用，以及天然沙坝对人工沙坝养滩工程寿命的影响。Li等^{[56, 77]}基于水槽试验，发现人工沙坝会引起滩肩风暴响应的时间滞后现象，并提出了考虑人工沙坝形态参数的破波相似系数ζ_A与表征滩肩形态变化的无量纲参数$ \psi $之间的定量关系：

式中，A、B、C均是常数，与可调节的参数α有关（取值范围为0～1）。如图2所示，当考虑人工沙坝形态参数的破波相似系数ζ_A较大时，人工沙坝形态显著，对后方滩肩的“遮蔽效应”较明显。此时，对应的滩肩形态变化参数$ \psi $较大，说明风暴条件下滩肩的侵蚀较小，甚至出现淤积的现象（$ \psi $>1）。这些研究表明人工沙坝可以增强海滩的韧性，在大浪条件下通过改变波能耗散在整个海滩剖面上的分布格局，进而影响海滩系统中各个地貌单元的动力条件和剖面演变规律^[60]。

图  2  滩肩形态变化参数$ \psi $与考虑人工沙坝形态的破波相似参数ζ_A的关系（修改自文献[56]）

Figure  2.  Relationship between berm shape parameter $ \psi $ and surf similarity parameter considering the morphology of the artificial sandbar ζ_A (modified from reference [56])

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总而言之，上述研究证实了在合理设计的前提下，近岸人工沙坝能发挥喂养海滩的作用。然而，不同地区人工沙坝的迁移趋势、剖面形态演变和养滩效果却存在较大的差异。这些差异主要与初始海岸地形、波浪条件、输沙特性和人工沙坝设计形式等众多因素相关。因此，需要更广泛积累原型海岸观测数据和开展更系统深入的试验研究，以进一步厘清复杂环境下的人工沙坝剖面演变规律。

3.   人工沙坝平衡剖面形态特征与波能耗散规律

人工沙坝剖面的动态平衡常见于弱动力海岸，在长期波浪作用下沙坝具有较稳定的形态，此类剖面被称为人工沙坝平衡剖面。平衡剖面是波浪、波生流等动力因素与海底地形和泥沙特性在长时间尺度上的非线性耦合互馈的结果。人工沙坝平衡剖面与养滩效果、工程稳定性和工程寿命等问题尤其相关。研究人工沙坝平衡剖面有助于优化养滩工程设计（尤其是补沙位置和补沙粒径的选择），提高养滩工程的效率，降低养滩工程的成本^[78]。

以往研究致力于使用基于统计学规律的经验性数学表达式或函数曲线描述剖面的几何形态。一些经典的平衡剖面理论，包括Bruun^[79]与Dean^[80]提出的幂函数剖面，Bodge^[81]、Lee^[82]提出的指数函数剖面以及Dai等^[83]在华南砂质海岸上的改进形式，都只适用于没有沙坝的单调剖面形态，因而不适用于描述人工沙坝平衡剖面形态。针对这一局限性，Holman等^[84]复合了一个余弦函数形状的沙坝，用以描述沙坝型的海滩平衡剖面。该方法不仅能描述沙坝−坝槽形态，而且能表征沙坝形态的平滑过渡，在人工沙坝平衡剖面的描述与预测中具有较大的应用潜力。Pan等^[51]基于北戴河低能砂质海岸观测数据，提出了考虑剖面泥沙粒径差异的复合平衡剖面公式，预测均方根误差仅为0.14～0.23 m。最近，匡翠萍等^[85]基于最大信息熵原理，考虑近岸剖面和离岸剖面的差异，采用3～4个参数以抛物线形式分段描述沙坝剖面，能较好预测单一沙坝的剖面形态。

平衡剖面的形成与其上方的波能耗散规律具有一定的内在联系。Dean^[80]提出了平衡剖面上单位水体内波浪破碎能量耗散率为均匀分布的假定，这一假定得到了大量研究的验证^[86-87]。然而，由于较陡的向海侧坡度和较浅的坝顶水深，人工沙坝上方的强非线性波浪破碎会使能量耗散率在此处出现一个峰值。近期一些研究致力于量化人工沙坝上方的波浪非线性演化^[88]、波高变化^[18]和波能耗散率^[89]。Li等^[89]开展了常浪条件下的人工沙坝养滩水槽试验，证实了人工沙坝平衡剖面上的单位水体波能耗散率比初始时刻更为均匀，尤其体现在人工沙坝上方的波能耗散率为初始时刻的1/6。Pan等^[51]也发现在北戴河海滩地形剖面趋于平衡的过程中，波能耗散率趋于均匀。因此，单位水体波能耗散率沿程分布的均匀程度可在一定程度上反映人工沙坝剖面的平衡程度。

然而，波能耗散率的均匀程度缺乏统一的度量标准。通常的做法是计算特定时刻各个波浪测点处的波能耗散率并与理论值比较，判断波能耗散率分布的均匀程度。实测的波能耗散率一般采用Wang等^[87]提出的采用相邻两个浪高仪的实测波能流与中间水深的插值算法。这种做法本质上是采用一段距离内的平均波能耗散率表示某一位置的波能耗散率，所得到的分布均匀程度与实际情况存在偏差。最近，Li等^[90]提出了采用“波能熵”无量纲参数来衡量海滩剖面平衡程度的方法，可直接建立海滩剖面响应（冲淤变化）与波浪驱动力（波能耗散率）之间的定量关系，从而简化对复杂水沙过程的描述，具有一定的工程应用前景。

4.   人工沙坝输沙机制与数值模拟方法

4.1   人工沙坝演变过程中的输沙机制

波浪作用下，人工沙坝上方的泥沙输运是一个多时空尺度并存和多动力因素耦合作用下的复杂过程。Grasso等^[91]发现大浪条件下，海滩剖面上以离岸输沙为主，主要受底部离岸流驱动，人工沙坝减弱了泥沙从上部滩面离岸输运的强度；在常浪条件下海滩剖面上以向岸输沙为主，主要受波浪非线性驱动，向岸输沙率随人工沙坝上方的波浪近底水质点速度不对称性和加速度不对称性的增大而增大。Atkinson和Baldock^[74]发现水位变化也会对输沙方向造成一定的影响，当海平面上升时，人工沙坝的输沙方向趋于离岸。Li等^[56]发现一定形状的人工沙坝可以在大浪条件下引起局部的向岸输沙，并将此现象归因于卷破波引起的泥沙悬扬事件与波峰时刻的相位耦合作用，这与前人提出的卷破波促进向岸输沙和崩破波促进离岸输沙的观点相吻合^[92-94]。

由于目前仍较缺乏人工沙坝演变过程中的近底水沙原位观测数据，无法精细分析瞬时输沙率沿水深的变化，常采用地形冲淤数据来反推水深积分的时均输沙率。另一方面，海滩剖面演变数值模型也有助于揭示人工沙坝输沙动力机制和输沙率时空分布特性。Li等^[89]在数值模型验证的基础上，借助模拟结果分析了人工沙坝演变过程中推移质输沙率和悬移质输沙率的时空分布特性。发现在常浪条件下，人工沙坝剖面上以推移质输沙为主，输沙率的量值随时间减小，输沙率的最大值出现在人工沙坝上方或者岸线附近，取决于人工沙坝的坝顶水深。随着观测和模拟技术的发展，对近底流速和含沙量垂向结构的精细复演有望进一步厘清人工沙坝演变的临界水沙条件和主导动力机制。

人工沙坝的输沙规律与天然沙坝也具有一定的区别。针对天然沙坝，一般认为沙坝上方波浪破碎引起的底部离岸流是离岸输沙和沙坝离岸迁移的主导动力机制，而沙坝向岸迁移则与近底波浪水质点运动的不对称性、波浪边界层时均余流、斯托克斯漂移以及近底泥沙的层化制紊效应引起的向岸输沙有关^[47]。与天然沙坝相比，人工沙坝的输沙规律更为复杂，主要体现在两个方面。其一，人工沙坝与当地水动力条件的不匹配程度相较于天然沙坝更大，人工沙坝的输沙过程更为剧烈，特别是风暴作用下会在较短的时间内产生大量的侵蚀。这一特性加大了人工沙坝观测的难度，特别是捕捉人工沙坝建成后的初期演变，对观测仪器的可靠性和观测的时空分辨率提出更高的要求。其二，人工沙坝输沙的主导动力机制更为复杂。原因在于人工沙坝引起的坡度和水深突变会导致波浪破碎特性、波生流强度和波浪水质点的非线性振荡运动发生剧烈变化。Zhang等^[95]发现波浪在陡坡上传播时，波浪变形速率加快，波峰面坡度角变陡。与缓坡相比，陡坡上波浪破碎的时空范围更集中，破碎强度更大^[96]。然而，人工沙坝上方波浪破碎引起的垂向掺混对整个输沙系统的贡献还不清晰。目前的研究仅局限于天然海岸破波带或岸线前方破波区的观测^[97-98]，而人工沙坝引起的破碎紊动对近底泥沙输运和沙坝迁移的影响研究尚未得到重视。上述人工沙坝地形扰动引起的剧烈输沙过程在初始时刻最明显，随着人工沙坝剖面形态逐渐适应于水动力条件，人工沙坝逐渐体现出与天然沙坝类似的输沙效应。

4.2   人工沙坝演变的数值模拟方法

近岸沙坝演变数值模型的进步建立在对水沙运动机制的认识不断深入的基础上，从最初的经验模型逐步发展到基于动力过程的数值模型。数值模型侧重于描述海滩剖面演变过程中的内在物理机制，包括波浪传播变形、波生流演化、泥沙运动与地形演变。近年来，相关的数值模型研究致力于改进水沙运动机制描述的完整度和准确度，主要包括：（1）更好地模拟波浪速度不对称性和加速度不对称性对泥沙运动的影响^[99-101]；（2）更好地刻画非线性波浪和底部离岸流共同作用下的泥沙运动特性^[102-105]；（3）更好地描述波浪破碎对近底泥沙运动的影响^[106-107]；（4）更好地模拟变化驱动条件下长时间尺度的岸滩侵蚀与恢复过程^[108-110]。

根据模型中考虑物理过程的精细程度，可以将数值模型分为波相解析的流体力学模型和波相平均模型。波相解析的流体力学模型通常求解纳维-斯托克斯方程或其简化形式，精细描述物理量在一个波周期内的变化过程。Jacobsen和Fredsoe^[111]采用基于有限体积法的自由波面追踪法，较好地模拟了波浪在人工沙坝上方传播时的波面和波高变化趋势。Pourzangbar和Brocchini^[112]采用耦合非线性浅水方程的海滩剖面演变数值模型准确复演了沙坝生成、迁移和岸线后退过程。最近，Marchesiello等^[113]在三维波相解析模型中使用弱可压缩假定和地形演变加速技术提高了模型计算效率，成功模拟了沙坝向岸迁移与风暴后岸滩恢复过程。此类波相解析数值模型侧重于描述精细和完整的物理过程，但是计算耗时很长，因而更适用于模拟短期的沙坝演变过程。

基于波相平均的海滩剖面演变数值模型通常采用波能守恒方程或波作用量守恒方程描述波浪传播变形，采用泥沙对流扩散方程模拟悬移质输沙，采用参数化公式来简化计算波浪破碎和推移质输沙等部分复杂的物理过程。波相平均模型计算方便，考虑了物理过程完整性和工程适用性的折衷，因而常被应用于实际工程中人工沙坝剖面形态演变的模拟^[58-59]和不同人工沙坝填沙方案的养滩效果评估^{[13, 63, 114]}。匡翠萍等^[115]采用Delft3D模型模拟分析了北戴河中海滩浴场水下人工沙坝引起的水动力环境变化。范文彰^[116]采用XBeach模型模拟分析了潍坊人工沙滩的冲淤演变规律，探讨了风暴群、人工取砂和人工沙坝等因素的影响。李元^[60]应用CROSPE海滩剖面演变数值模型复演了人工沙坝“增长型”和“衰减型”演变模式，揭示了底部离岸流增强人工沙坝向岸侧的总输沙率变化梯度，是控制人工沙坝形态稳定性的重要机制。然而，波相平均模型在模拟人工沙坝演变中还存在两个难题。其一是模型无法描述人工沙坝上方波浪破碎紊动的垂向掺混与波浪相位之间的关系，从而导致对大浪条件下人工沙坝上方卷破波引起的向岸净输沙率的计算出现偏差^[56]。其二是由于冲泻区内水沙运动机制较为复杂^[117-119]，此类模型尚无法考虑周期性淹没/露出的冲泻区波流动力对泥沙运动的影响，采用经验公式计算冲泻区内的输沙率也无法精确描述冲泻区与人工沙坝的泥沙交换和人工沙坝喂养滩肩的过程。

5.   结论与展望

近岸人工沙坝的剖面演变规律和泥沙输运机制研究不仅是海岸工程学科的前沿研究热点，对于进一步加强海岸带保护修复工程的基础理论和关键技术创新也具有重要意义。近年来，这方面的国内外研究取得了较大的进展，在不同动力条件下的人工沙坝横向迁移规律、水沙运动机制、形态演变模式及其与滩肩等天然地貌的耦合规律等方面得到了一些新的认识，建立了人工沙坝平衡剖面形态的描述方法和平衡程度的衡量方法，发展了海滩剖面演变数值模型进一步提升了人工沙坝演变特性和养滩效果的模拟评估能力。针对该研究方向中尚未解决的一些关键问题，今后的研究重点包括以下几个方面：

（1）极端动力条件下人工沙坝地貌响应规律的深化研究。开展更多的现场观测和室内试验，弥补人工沙坝上方近底水沙结构数据的不足，进一步深入研究大浪与风暴潮耦合作用下的人工沙坝演变过程，厘清极端动力条件下的人工沙坝演变规律及其在不同海岸地区中的差异性成因。

（2）人工沙坝演变模拟预测方法的进一步改进。在现有的数值模型中考虑人工沙坝上方破波紊动的垂向掺混与波浪相位之间的关系，完善冲泻区水沙运动过程和人工沙坝−滩肩泥沙交换的定量表征，综合提升人工沙坝演变及其与天然地貌耦合过程模拟的精细度、准确度和效率。

（3）人工沙坝养滩工程的效果评估与优化设计。面向实际工程应用，定量分析不同海岸类型、初始地形、动力环境、泥沙特性和人工沙坝设计形式下的人工沙坝“遮蔽效应”与“喂养效应”，评估不同环境下的人工沙坝养滩效果及其主控因子，探讨人工沙坝参数的优化设计方法。