วิศวกรรมชายฝั่งเป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมโยธาที่เกี่ยวข้องกับความต้องการเฉพาะในการก่อสร้างบริเวณชายฝั่ง หรือใกล้ชายฝั่ง รวมถึงการพัฒนาชายฝั่งเองด้วย

ผล กระทบ ทางอุทกพลศาสตร์โดยเฉพาะคลื่นน้ำขึ้นน้ำลง พายุซัดฝั่งและสึนามิและ(บ่อยครั้ง) สภาพแวดล้อมที่รุนแรงของน้ำทะเล เค็ม เป็นความท้าทายทั่วไปสำหรับวิศวกรชายฝั่ง เช่นเดียวกับ การเปลี่ยนแปลง ทางสัณฐานวิทยาของภูมิประเทศชายฝั่ง ซึ่งเกิดจากการพัฒนาตามธรรมชาติของระบบและการเปลี่ยนแปลงที่มนุษย์สร้างขึ้น พื้นที่ที่น่าสนใจในวิศวกรรมชายฝั่ง ได้แก่ ชายฝั่งมหาสมุทรทะเลทะเลชายขอบ ปากแม่น้ำและทะเลสาบขนาดใหญ่

นอกจากงานออกแบบ ก่อสร้าง และบำรุงรักษาโครงสร้างชายฝั่งแล้ว วิศวกรชายฝั่งมักมีส่วนร่วมในงานบริหารจัดการชายฝั่งแบบบูรณาการ ในหลายสาขา เนื่องจากมีความรู้เฉพาะด้านเกี่ยวกับอุทกพลศาสตร์และสัณฐานวิทยาของระบบชายฝั่ง ซึ่งอาจรวมถึงการให้ข้อมูลและเทคโนโลยีสำหรับการประเมินผลกระทบสิ่งแวดล้อมการ พัฒนา ท่าเรือกลยุทธ์การป้องกันชายฝั่งการถมทะเลการสร้างฟาร์มกังหันลมในทะเลและโรงงานผลิตพลังงานอื่นๆ เป็นต้น

ประวัติศาสตร์

ประวัติศาสตร์ของวิศวกรรมชายฝั่งสามารถย้อนกลับไปได้ถึงต้นศตวรรษที่ 1 ด้วยการพัฒนาท่าเรือโบราณในกรุงโรม เช่น ท่าเรือ Ostia และ Portus หลักฐานจากการหาอายุด้วยคาร์บอนในการขุดค้นทางโบราณคดีแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทั่วไปของความพยายามของมนุษย์ในการสร้างหรือเปลี่ยนแปลงพื้นที่ทั้งสองแห่งสำหรับท่าเรือ โดยทำการวิเคราะห์ปริมาณคาร์บอนกัมมันตรังสีที่พบในตะกอนต่างๆ กลุ่มวิจัยสามารถวิเคราะห์ตะกอนเพื่อประมาณขั้นตอนการขุดลอกต่างๆ ที่เคยดำเนินการ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ดูเหมือนว่าจะมีการวางแผนสำหรับท่าเทียบเรือและคลองที่มีอยู่ในท่าเรือทั้งสองแห่งนี้ รวมถึงความพยายามในการขุดลอกหลายครั้งในหลายช่วงเวลา^{[ 1 ]}

แม้ว่าจะไม่สามารถระบุวันที่ได้อย่างแน่ชัด แต่โครงสร้างดังกล่าวที่สะท้อนถึงเขื่อนกันคลื่นและโครงสร้างพื้นฐานท่าเรือสมัยใหม่นั้นถูกค้นพบในกรีซโดย Pausinias นักภูมิศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ในปี ค.ศ. 122 ในเมือง Aegina ริมอ่าว Saronic โครงสร้างเหล่านี้ถูกใช้เพื่อป้องกันและควบคุมทางเข้าสู่ท่าเรือโบราณ ท่าเรือใหม่ใน Aegina ถูกสร้างขึ้นบนโครงสร้างพื้นฐานเก่าที่ชาวกรีกโบราณวางไว้^{[ 2 ]}

สภาพแวดล้อมชายฝั่งก่อให้เกิดความท้าทายเฉพาะสำหรับสาขาวิศวกรรมนี้ ได้แก่ คลื่น พายุซัดฝั่ง น้ำขึ้นน้ำลง สึนามิการเปลี่ยนแปลงระดับน้ำทะเล น้ำทะเลและระบบนิเวศทางทะเล

โดยส่วนใหญ่แล้ว ในโครงการวิศวกรรมชายฝั่ง มักมีความจำเป็นต้องใช้ข้อมูลสภาพอากาศและสภาพทะเลเช่น สภาพลมและคลื่นในท้องถิ่น รวมถึงสถิติและข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณทางอุทกพลศาสตร์ อื่นๆ ที่น่าสนใจ นอกจากนี้ความลึกของน้ำและการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาเป็นสิ่งที่น่าสนใจโดยตรง ในกรณีของการศึกษาการเคลื่อนย้ายตะกอนและการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยา จำเป็นต้องใช้คุณสมบัติที่เกี่ยวข้องของตะกอนใต้ทะเล น้ำ และคุณสมบัติของระบบนิเวศ

ปรากฏการณ์คลื่นต่างๆ เช่น คลื่นทะเล คลื่นซัดฝั่ง น้ำขึ้นน้ำลง และสึนามิ จำเป็นต้องอาศัยความรู้ทางวิศวกรรมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของปรากฏการณ์เหล่านั้น รวมถึงแบบจำลอง ทั้งแบบจำลองเชิงตัวเลขและแบบจำลองทางกายภาพแนวทางปฏิบัติในวิศวกรรมชายฝั่งในปัจจุบันนั้นอาศัยแบบจำลองที่ได้รับการตรวจสอบและรับรองโดยข้อมูลจากการทดลอง มากขึ้นเรื่อยๆ

นอกเหนือจากการเปลี่ยนแปลงของคลื่นเองแล้ว สำหรับคลื่นที่พัดมาจากน้ำลึกเข้าสู่บริเวณน้ำตื้นชายฝั่งและเขตคลื่นซัดฝั่งผลกระทบจากคลื่นก็มีความสำคัญเช่นกัน ผลกระทบเหล่านี้ได้แก่:

• แรงคลื่นที่กระทำต่อโครงสร้างชายฝั่ง เช่นเขื่อนกันคลื่นกำแพงกันคลื่นท่าเทียบเรือและคันกั้นน้ำ
• กระแสน้ำที่เกิดจากคลื่น เช่นกระแสน้ำเลียบชายฝั่งในเขตคลื่นซัด กระแสน้ำวนและกระแสน้ำสโตกส์มีผลต่อการเคลื่อนย้ายตะกอนและพลวัตของสัณฐานวิทยา
• คลื่นที่ปั่นป่วนในท่าเรือ อาจส่งผลให้ท่าเรือต้องปิดทำการชั่วคราว
• คลื่นซัดท่วมกำแพงกันคลื่นและคันกั้นน้ำ ซึ่งอาจคุกคามเสถียรภาพของคันกั้นน้ำได้

วิศวกรรมชายฝั่งเกิดขึ้นที่หรือใกล้กับรอยต่อระหว่างแผ่นดินและน้ำ ดังนั้นส่วนสำคัญของวิศวกรรมชายฝั่งจึงเกี่ยวข้องกับการก่อสร้างใต้น้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งฐานราก เขื่อนกันคลื่น กำแพงกันคลื่น โครงสร้างท่าเรือ เช่น ท่าเทียบเรือ ท่าจอดเรือ และสะพาน อุโมงค์ ทางระบายน้ำ และทางเชื่อม มักเกี่ยวข้องกับงานใต้น้ำ

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วิศวกรชายฝั่งนิยมใช้แนวทางแก้ไขที่ไม่เน้นโครงสร้าง ซึ่งหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบที่มักเกิดจากโครงสร้างต่างๆ เช่น กำแพงกันคลื่น เขื่อนกันคลื่น ท่าเทียบเรือ เป็นต้น แนวทางแก้ไขเหล่านี้รวมถึงการ เติม ทรายชายหาดการฟื้นฟู/สร้างพื้นที่ชุ่มน้ำ และการฟื้นฟูแหล่งที่อยู่อาศัย ล่าสุดมีการใช้ประโยชน์จากวัสดุที่ขุดลอกอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งนำวัสดุที่ขุดลอกเพื่อการบำรุงรักษาการเดินเรือมาเติมทรายชายหาดและฟื้นฟูพื้นที่ชุ่มน้ำนอกจากนี้ยังมีการใช้ประโยชน์จากวัสดุที่ขุดลอกอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเพิ่มระดับความสูงของพื้นที่ชุ่มน้ำเพื่อปรับตัวให้เข้ากับการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำทะเล

การจัดการตะกอนในระดับภูมิภาคได้กลายเป็นกลยุทธ์สำคัญสำหรับผู้ปฏิบัติงานด้านชายฝั่งเช่นกัน โดยหลักแล้วจะใช้แหล่งตะกอนใกล้ชายฝั่งและความรู้เกี่ยวกับลักษณะทางธรณีวิทยาของชายฝั่งเพื่อระบุว่าลักษณะการสะสมตัวใดบ้างที่สามารถนำมาใช้เสริมพื้นที่ที่ถูกกัดเซาะได้ โดยเข้าใจว่าวัสดุที่นำมาใช้จะยังคงสะสมต่อไป วิธีการจัดการตะกอนในระดับภูมิภาคที่พบได้ทั่วไปคือการขุดลอกสันดอนน้ำขึ้นน้ำลงเพื่อบำรุงชายหาด

ทั้งการใช้ประโยชน์อย่างคุ้มค่าและการจัดการตะกอนในระดับภูมิภาคต่างตระหนักถึงความขาดแคลนทรัพยากรวัสดุทั้งในทะเลและบนบกการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

อีกแง่มุมที่เกี่ยวข้องที่วิศวกรชายฝั่งจำเป็นต้องวางแผนคือผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ไม่ว่าจะเป็นระดับน้ำที่สูงขึ้นหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในน้ำ การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศก่อให้เกิดความไม่แน่นอนมากมายที่วิศวกรต้องรับมือ^{[ 4 ]}นักวิทยาศาสตร์ (Karvetski, Lambert, Keisler และ Linkov) ได้ตระหนักและพัฒนาวิธีการที่วิศวกรชายฝั่งสามารถใช้เพื่อระบุสถานการณ์ต่างๆ และวิธีการจัดการกับปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในเชิงเศรษฐกิจ วิศวกรรม และจริยธรรม วิธีการนี้พิจารณาปัญหาที่เกิดขึ้น เช่น ระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้นหรือความถี่ของพายุที่เพิ่มขึ้น และวิเคราะห์วิธีการแก้ปัญหาที่คำนึงถึงผู้มีส่วนได้ส่วนเสียต่างๆ การวิเคราะห์การตัดสินใจนี้พบกลยุทธ์มากมายสำหรับวิศวกรชายฝั่งในการตัดสินใจอย่างรอบรู้เกี่ยวกับโครงสร้างพื้นฐานที่จะนำไปใช้^{[ 5 ]}

กลุ่มอื่นได้กำหนดกลยุทธ์ที่ผสมผสานการอนุรักษ์ธรรมชาติและการจัดการชายฝั่ง กลยุทธ์นี้ประกอบด้วยตัวอย่างของการสร้างพื้นที่ชุ่มน้ำที่กระจายพลังงานคลื่น ในขณะเดียวกันก็จัดหาระบบนิเวศสำหรับสัตว์ป่าชายฝั่ง แนวคิดอีกประการหนึ่งที่กลุ่มนี้ได้หารือกันคือ แนวปะการังเป็นกำแพงกันคลื่นตามธรรมชาติที่กำลังถูกทำลายอย่างช้าๆ เนื่องจากความเป็นกรดของมหาสมุทรจากภาวะโลกร้อน แนวปะการังธรรมชาติและแนวปะการังเทียมสามารถใช้เพื่อลดความสูงของคลื่นได้โดยเฉลี่ย 70% ลดพลังงานคลื่นที่กระจายไปยังชายฝั่ง^{[ 6 ]}

การขุดลอก

การขุดลอกหมายถึงการกำจัดตะกอน เช่น ทราย ตะกอนดิน หรือโคลน ออกจากพื้นมหาสมุทร แม่น้ำ หรือปากแม่น้ำด้วยวิธีการทางกลหรือทางไฮดรอลิก เพื่อรักษาร่องน้ำสำหรับเรือ ลดปริมาณตะกอนส่วนเกิน ฟื้นฟูพื้นที่ใต้น้ำ และอนุรักษ์ชายฝั่ง การใช้การขุดลอกที่พบได้ทั่วไปคือการเปลี่ยนแปลงความลึกของน้ำโดยเจตนา ซึ่งส่งผลต่อการขนส่งตะกอน ปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นและกระแสน้ำ และการฟื้นตัวของสัณฐานวิทยา การขุดลอกมีสองประเภท ได้แก่ การขุดลอกส่วนบน (topping) ซึ่งเป็นการกำจัดตะกอนออกจากยอดคลื่นทรายเพื่อลดความสูงของคลื่น และการขุดลอกส่วนล่าง (trough dredging) ซึ่งเป็นการกำจัดตะกอนออกจากร่องระหว่างคลื่น ทั้งสองวิธีนี้เปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของมหาสมุทรหลังกระบวนการขุดลอก กลยุทธ์อื่น ๆ อีกสองวิธีคือ การกำจัดอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นการสกัดตะกอนอย่างสม่ำเสมอทั่วภูมิประเทศ หรือการกำจัดแบบเลือก ซึ่งกำหนดเป้าหมายไปยังพื้นที่ที่มีความสูงชันเฉพาะ เช่น ร่องน้ำสำหรับการเดินเรือ ในขณะเดียวกันก็ลดผลกระทบทางสัณฐานวิทยาที่ไม่พึงประสงค์^{[ 7 ]}

ดาวเทียม

ภาพถ่ายดาวเทียมเชิงแสงแบบใหม่ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับวิศวกรรมชายฝั่ง ซึ่งทำให้สามารถสังเกตและวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของแนวชายฝั่ง การขนส่งตะกอน และสัณฐานวิทยาชายฝั่งในวงกว้างได้ ความก้าวหน้าในโปรแกรมต่างๆ เช่น Google Earth ทำให้วิศวกรชายฝั่งสามารถวิเคราะห์แนวชายฝั่งและความลึกของน้ำจากภาพถ่ายดาวเทียมสาธารณะได้ ในอนาคต คาดว่าภาพถ่ายและวิดีโอความละเอียดสูงจากอวกาศจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำแผนที่ชายฝั่งและข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการจัดการและการสร้างแบบจำลอง^{[ 8 ]}

โอเพ่นโฟม

OpenFOAM เป็นโปรแกรมพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) แบบโอเพนซอร์ส ซึ่งช่วยให้สามารถจำลองการไหลของน้ำ/อากาศแบบสองเฟสได้ การศึกษาที่ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ (Pablo Higuera, Javier L. Lara, Inigo J. Losada) ได้วิเคราะห์วิธีการใช้โปรแกรมในการกำหนดสูตรการไหลผ่านเขื่อนกันคลื่นที่มีรูพรุนและการปฏิสัมพันธ์แบบคลื่น โปรแกรมสามารถจำลองระดับความสูงของผิวน้ำ ระบบความดันที่แตกต่างกัน และการลดทอนของคลื่นได้อย่างแม่นยำ ซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลจากการทดลอง โปรแกรมนี้ช่วยให้วิศวกรชายฝั่งสามารถจำลองกระบวนการชายฝั่ง เช่น การก่อตัวของคลื่นได้อย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการออกแบบได้^{[ 9 ]}

AI

AI เป็นเครื่องมือที่วิศวกรชายฝั่งเริ่มนำมาใช้ในการปฏิบัติงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการสร้างแบบจำลอง โปรแกรมต่างๆ เช่น การเรียนรู้ของเครื่องจักรที่อิงตามหลักฟิสิกส์ (PIML) กำลังถูกบูรณาการเพื่อรับมือกับความท้าทายต่างๆ ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น และสภาพอากาศสุดขั้ว ระบบเหล่านี้จัดประเภทแอปพลิเคชัน AI ไว้ในโดเมนย่อยต่างๆ เช่น การสร้างแบบจำลองคลื่น การทำนายการเปลี่ยนแปลงของแนวชายฝั่ง การขนส่งตะกอน และความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ความท้าทายต่างๆ ในการใช้แบบจำลองเหล่านี้คือ ข้อมูลที่มีอยู่น้อย ความไม่สามารถตรวจจับรูปแบบใหม่ และการขาดการปรับตัวให้เข้ากับความไม่แน่นอนต่างๆ อย่างไรก็ตาม มีแนวโน้มที่ดีในทศวรรษหน้าที่จะปรับปรุงความสามารถในการทำนายและสนับสนุนการตัดสินใจในด้านวิศวกรรมชายฝั่ง^{[ 10 ]}