《Coastal Engineering》：Experimental Investigation on Profile Evolution of Beach-Dune System Exposed to Irregular Waves
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沙洲形态对波浪作用响应及近岸能量衰减研究：通过波浪水槽实验模拟中国南部典型海滩-沙洲系统，分析不同沙洲高度下浪涌与漫顶主导机制的差异。结果显示高沙洲整体侵蚀，低沙洲前缘侵蚀顶部沉积，近岸低频能量占比达69%。
李元|张驰|何彦宇|陈伟秋|刘建辉|崔婷婷|池善航|郑金海
中国南京210024，河海大学教育部海岸灾害与防护重点实验室
摘要
了解沙丘对波浪的响应对于评估海岸韧性及设计可持续的沙丘修复策略至关重要。实验方案基于中国南部海岸典型的海滩-沙丘地貌特征制定。实验中采用了相对较大的波高和中高水位，以确保波浪能够直接作用于沙丘。结果表明，高沙丘情况下沙丘整体发生侵蚀，而低峰沙丘情况下沙平面向海侧发生侵蚀，但沙丘顶部则有沉积作用。这种差异由总水位与沙丘顶部之间的相对高度决定，这决定了冲刷还是漫滩作用占主导。最大沉积物输运速率朝向海洋方向，随波高增加而增加，随波周期增加而减少。在低峰沙丘情况下，沙丘表面的向岸沉积作用导致沙丘前端的侵蚀物质沉积在顶部。沙平面上的大部分沉积物被输送到海洋，而非直接供给沙丘。然而，海滩通过调节沙丘脚部的波浪间接影响沙丘演变。尽管整个海滩的波高基本保持不变，但短波能量衰减，低频能量向沙丘脚部增加，在本研究中占总波能量的69%。
引言
海岸沙丘是沙质海岸的关键地貌和生态组成部分，作为抵御风暴潮、波浪溢出和海岸洪水的第一道防线（Nienhuis等人，2021年）。作为天然缓冲区，它们提供多种生态系统服务，包括海岸线稳定、栖息地提供和碳储存（Andriolo & Gon?alves，2022年；Hesp，1989年；Keijsers等人，2015年；Moore等人，2025年；Nield & Baas，2008年）。近年来，“基于自然的解决方案”概念强调了自然和人工养护的海岸沙丘作为可持续海岸保护的重要组成部分。海滩-沙丘系统连接了水下岸面、潮间带沙平和潮上沙丘，在沉积物交换和海岸线稳定性中起着关键作用。该系统的韧性，即沙丘在侵蚀事件后维持或恢复其形态和功能的能力，取决于水动力作用、沉积物供给和地貌反馈之间的动态相互作用。近几十年来，人类活动的增加和海平面上升加剧了波浪对海岸沙丘的影响，因此理解波浪驱动的沙丘演变对于海岸灾害缓解和可持续海岸线管理至关重要。
许多物理建模研究探讨了海岸沙丘在波浪作用下的形态动力学响应。Liang等人（2023年）通过水槽实验研究了严重风暴条件下的沙丘演变，并提出了四种不同的响应机制：冲刷、碰撞、漫滩和淹没，以描述沙丘在逐渐增加的水动力强度下的变化。Fulgus等人（2011年）研究了初始沙丘几何形状对侵蚀和漫滩过程的影响，发现从轻微漫滩到严重漫滩的转变发生得很快，而沙丘对破坏的抵抗力很大程度上取决于其风暴前的形态。这些实验室研究提供了宝贵的过程洞察，但它们通常代表的是波浪主导的微潮汐海岸，其中沙丘脚部与水下坡面之间的波程相对较短（Fulgus等人2011年的实验是一个显著的例外，该实验使用了可视为简化沙平面的凸形水下剖面）。相比之下，中国南部的沙质海岸属于宏观潮汐环境，低潮时会出现广阔的沙平面。在沙质海岸，沙平面是指从沙丘前端延伸到水下岸面的缓坡海滩部分。这一区域相对于沙丘表面和海洋侧的海滩剖面具有较平缓的横向坡度。在低潮条件下，沙平面通常露出水面，表现为干燥或间歇性湿润的海滩表面；而在高潮条件下，它通常被淹没，成为近岸水动力系统的活跃部分（Fu等人，2025年；Galiforni-Silva等人，2020年；He, Liu等人，2022年）。沙平面不仅改变了近岸水动力和沉积物交换，还在低水位条件下为风成运输和沙丘发育提供了较大的波程。尽管沙平面在地貌和生态上具有重要意义，但在能量较大的波浪作用下其与沙丘的耦合行为很少通过受控物理实验进行探讨。
目前对具有发育良好的海滩-沙丘系统的海岸沉积物预算的理解主要来自长期野外观测。这些研究通常跨越季节到年度的时间尺度，为水下和陆上区域的耦合水动力和地貌演变提供了宝贵见解（Anthony，2013年；De Vries等人，2012年）。在低能量波浪条件和相对较低的水位下（通常在春季和夏季），广阔的沙平面暴露出来，为风成运输提供了足够的波程。在这些时期，沙平面可以向陆地输送沉积物以滋养沙丘，从而促进沙丘生长。在这种条件下的野外研究主要集中在两个方面：一是沙平面上的风成运输过程，包括表面湿度、临界剪切速度的测量以及微地形在启动和维持沉积物运动中的作用（Bauer等人，2009年，2012年；Davidson-Arnott等人，2008年；De Vries等人，2014年；Hallin等人，2023年；He, Liu等人，2022年；Hoonhout & De Vries，2017年）；二是沙平面内部的波浪驱动沉积物交换，量化其沉积物预算并评估其作为沙丘沉积物的潜力（Galiforni-Silva等人，2020年，2022年）。一些研究还建立了沙丘形态与海滩侵蚀和沉积状态之间的经验关系（Tian等人，2025年）。相比之下，在高能量和高水位条件下（如冬季风暴或风暴潮期间），波浪可以直接作用于沙丘前端。关于这一机制的研究仍然有限。Cohn等人（2018年）的一项特别值得注意的贡献是对高能量耗散海滩的现场测量进行分析，发现碰撞机制下的总水位可以导致沙丘沉积，波浪诱导的过程解释了年沙丘增长的9%到38%。这一发现挑战了波浪作用必然导致沙丘侵蚀的传统观点。尽管野外观测提供了有价值的原型尺度证据，但它们往往受到沿岸变异、特定地点的强迫作用以及难以分离关键物理驱动因素的限制（Anthony等人，2006年）。由此产生的形态动力学响应整合了多个难以控制或复制的过程。因此，在高能量条件下控制沙丘韧性的横向沉积物交换和水动力反馈仍然知之甚少，需要在受控实验室环境中进行系统研究。
为了解决这些不足，本研究旨在在相对较大的波浪条件和中高水位下，通过实验研究具有宽阔沙平面的海滩-沙丘系统的形态动力学响应，这些条件允许波浪直接作用于沙丘前端。实验在波浪水槽中进行，使用了一个理想化的剖面，代表了中国南部沙质海岸的典型地貌。该配置包括一个缓坡的水下岸面、广阔的沙平面和一个前沙丘，共同构成了一个连续的海滩-沙丘系统。
本文的其余部分安排如下：第2节描述了实验设置，包括水槽实验的设计、几何缩放关系、剖面设计的基础和数据处理方法。第3节展示了实验结果，重点关注形态变化的横向变化、沉积物输运速率、波高分布和光谱演变。第4节讨论了研究结果的意义，强调了沙丘高度对沙丘韧性的影响以及海滩-沙丘系统内沉积物的重新分布。第5节总结了主要结论。
实验设置
实验在河海大学教育部海岸灾害与防护重点实验室的波浪水槽中进行（长50米，宽1米，高1.3米）。水槽配备了计算机控制的桨式波浪发生器和伺服系统，能够根据常用的光谱公式生成规则和不规则的波浪。重复校准测试显示，波高和周期的可重复性误差在2-5%范围内。
如图所示
海滩-沙丘系统的剖面演变
如图3所示，在高沙丘条件下，整体地貌在波浪作用下保持相对稳定，仅观察到轻微的地形调整。这种总体稳定性与类似海滩-沙丘海岸的野外观测结果一致。形态变化主要局限于沙平面的海侧边缘和靠近海岸线的冲刷区，尽管后者的变化较小。整个海滩-沙丘系统经历了净
沙丘高度对沙丘韧性的影响：冲刷和漫滩机制之间的转变
该实验重点研究了整个海滩和沙丘系统在中间到高水位条件下的剖面演变，包括岸面、沙平面和沙丘。水槽中施加的入射波浪略大于原型海岸通常观察到的波浪，无量纲Dean数约为2到3，这通常被认为是海滩剖面演变实验中的大波浪条件（Eichentopf等人，2020年；
结论
本研究在波浪水槽中进行了一系列物理模型实验，以研究海滩-沙丘系统的横向形态演变。实验海滩剖面基于中国南部沙质海岸的典型地貌设计。采用大波浪条件和中高水位，以确保波浪能够直接作用于沙丘。通过分析床面高程变化、沉积物输运速率、波高等的横向变化
作者贡献声明
李元：写作——审稿与编辑，原始草稿撰写，可视化，方法论，研究设计，资金获取，数据管理，概念化。崔婷婷：可视化。池善航：可视化，软件。郑金海：监督，项目管理。张驰：写作——审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，资金获取。何彦宇：资源管理，方法论。陈伟秋：可视化，方法论。刘建辉：监督，资源管理，
未引用参考文献
陈等人，2026年；何等人，2022年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢研究生郭先泽、尹文明、蔡英英和文子翔在实验水槽实验中的宝贵帮助以及他们在实验期间的辛勤工作。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52525109和52571287）、教育部海岸灾害与防护重点实验室（项目编号：J202506）的支持
