大糙率礁面影響下珊瑚礁海岸附近規(guī)則波演化及爬高試驗研究*

賈美軍 姚 宇, 2 何天城 郭輝群

大糙率礁面影響下珊瑚礁海岸附近規(guī)則波演化及爬高試驗研究*

賈美軍1姚 宇1, 2①何天城1郭輝群1

(1. 長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院 長沙 410114; 2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實驗室 長沙 410114)

本文通過波浪水槽試驗研究了大糙率礁面影響下波浪沿礁的演化和爬高規(guī)律, 測試了一系列規(guī)則波工況并對比了光滑礁面和粗糙礁面的情況。結(jié)果分析表明: 二次諧波是礁坪上透射波的重要組成成分, 粗糙礁面使主頻波和二次諧波減小, 對更高階波的影響不顯著; 相對礁坪水深是描述礁坪上波浪透射的關(guān)鍵參數(shù), 礁面從光滑變?yōu)榇植跁r海岸附近透射系數(shù)顯著減小, 能量衰減系數(shù)平均增大了8%, 但礁前反射系數(shù)與礁面糙率之間無明顯關(guān)系; 礁后岸灘爬高隨著透射波高的增大而增長, 最后擬合了本文試驗條件下珊瑚礁大糙率礁面預(yù)測規(guī)則波爬高的關(guān)系式。

糙率; 高次諧波; 波浪爬高; 規(guī)則波; 珊瑚礁

珊瑚礁作為一種獨(dú)特的生物海岸地貌形態(tài), 主要由靠近外海的礁前斜坡和與海岸相連的水平礁坪組成。當(dāng)波浪由遠(yuǎn)海傳播至珊瑚礁面, 由于礁前斜坡處地形的急劇變化, 波浪發(fā)生淺水變形作用, 波形變陡, 波高增大, 在礁緣附近發(fā)生波浪破碎, 破碎在礁坪上持續(xù)一段距離后重新生成穩(wěn)定的波浪向海岸傳播(姚宇, 2019)。珊瑚礁礁面糙率比沙質(zhì)岸灘高出1—2個數(shù)量級(Lowe, 2005), 重新生成的波浪由于摩擦而持續(xù)衰減, 到達(dá)海岸線附近的波浪幾乎可以忽略不計, 因此珊瑚礁是保護(hù)海岸線的天然屏障。同時, 相關(guān)研究表明, 波浪在珊瑚礁地形上發(fā)生淺化作用和破碎的同時, 波浪能量分別向高頻和低頻區(qū)間轉(zhuǎn)移, 導(dǎo)致礁坪上的波譜變寬, (Brander, 2004)。

目前, 國內(nèi)外有關(guān)波浪與珊瑚礁地形相互作用問題的物理模型試驗研究中, 珊瑚礁礁面大多采用概化的光滑材料制成。文獻(xiàn)中僅有Quiroga等(2013)通過在概化的珊瑚礁光滑表面添加均勻長方體木條來模擬粗糙工況, 研究了礁面糙率對孤立波沿礁的傳播、破碎、能量衰減以及在礁坪上產(chǎn)生涌波的影響。Buckley等(2016)在物理模型試驗中采用在礁面上布置均勻小方塊體的方法來模擬礁面粗糙度, 探討了粗糙礁面對波浪增水的影響。陳洪洲等(2018)通過在礁坪上涂抹粗化劑來模擬粗糙的珊瑚礁面, 研究了珊瑚礁粗糙表面對波浪非線性特征的影響。Yao等(2018)和姚宇等(2019)采用不同排列和密度的圓柱體陣列來模擬不同礁面粗糙度, 分別研究了礁面糙率影響下珊瑚礁海岸附近孤立波和不規(guī)則波的傳播變形以及在礁后岸灘上爬高的變化規(guī)律。

從目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可知, 以往的試驗研究中并沒有分析粗糙礁面存在下珊瑚礁海岸附近規(guī)則波的運(yùn)動和礁后岸灘爬高的規(guī)律。因此本文擬通過波浪水槽試驗, 采用Yao等(2018)使用的圓柱體陣列來模擬礁面的粗糙度, 重點(diǎn)探討大糙率礁面影響下高頻波的產(chǎn)生以及波浪的反射、透射以及能量的衰減規(guī)律。本文的成果可為進(jìn)一步研究珊瑚礁海岸附近基礎(chǔ)設(shè)施的防災(zāi)減災(zāi)問題提供一定的理論參考。

1 試驗設(shè)置

圖1 試驗設(shè)置

本試驗共采用18個電阻式浪高儀(G1—G18)來測量自由液面的沿礁變化, 具體位置如圖1所示。其中, G1—G2設(shè)置在礁前斜坡離岸一側(cè), 用于分離珊瑚礁模型前的入射波和由礁體造成的向外海傳播的反射波; G3—G6設(shè)在礁前斜坡上, 用來記錄由于斜坡上的淺水效應(yīng)引起的波形變化過程; G7—G18布置在礁坪上, 用于監(jiān)測波浪從礁緣到海岸線的傳播變形過程。在試驗過程中, 所有浪高儀同步采集數(shù)據(jù), 采樣頻率設(shè)為50Hz。為保證水槽中的波浪場達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài), 采樣時長為自造波機(jī)啟動后連續(xù)8min。同時, 在岸灘上方布置1個高速相機(jī)記錄波浪爬坡的全過程, 波浪在礁后岸灘上的爬高由斜坡上帶有刻度的薄片來測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 高頻波的沿礁變化

圖2 光滑和粗糙礁面存在下礁坪水深, 入射波高, 波浪周期時諧波振幅的沿礁變化

圖3 光滑和粗糙礁面存在下, , 時諧波振幅的沿礁變化

2.2 透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量耗散系數(shù)

2.2.1 計算方法

2.2.2 透射系數(shù)、反射系數(shù)和能量耗散系數(shù)隨礁坪相對水深的變化

2.3 波浪爬高

對于傳統(tǒng)的平底海岸, 美國海岸工程手冊采用經(jīng)驗公式(4)預(yù)測發(fā)生破碎的規(guī)則波爬高

圖4 反射系數(shù)(, a)、透射系數(shù)(, b)和能量耗散系數(shù)(, c)隨礁坪相對水深()的變化

Fig.4 Variations of reflection coefficient (, a), transmission coefficient (, b), and energy dissipation coefficient (, c) with relative reef-flat submergence ()

基于本試驗數(shù)據(jù)通過回歸分析得到公式(5)中的參數(shù), , , ,, 擬合精度為, 表明式(5)可以較好地預(yù)測本試驗中規(guī)則波在不同礁面粗糙度影響下岸灘的爬高。值得說明的是公式(5)根據(jù)本試驗的測試僅考慮了入射波特征參數(shù)和礁面糙率的影響, 進(jìn)一步對其的改進(jìn)可以加入其他的礁形參數(shù)(礁坪寬度, 礁前斜坡坡度)的影響以及考慮瀉湖和/或防浪建筑物的存在, 其在更極端的波況下的適用性問題, 也待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本文通過在波浪水槽中進(jìn)行一系列物理模型試驗研究了大糙率礁面下珊瑚礁海岸附近波浪演化和爬高的變化規(guī)律。實驗測試了一系列的規(guī)則波工況, 采用了圓柱體陣列來模擬礁面的粗糙度。結(jié)果分析表明: 波浪在礁前斜坡處因淺化作用產(chǎn)生高次諧波, 且二次諧波是礁坪透射波的重要成分, 粗糙礁面削弱了礁坪上的主頻波和二次諧波, 而對更高階波的影響不顯著。相對礁坪水深是表征礁坪上波浪透射的重要參數(shù), 海岸附近的透射波因礁面糙率的存在而顯著減小, 而礁前反射波則與礁面糙率無明顯關(guān)系, 在測試的范圍內(nèi)粗糙礁面使入射波浪能沿礁的衰減相對于礁面光滑平均增加8%。礁后岸灘爬高隨著透射波高的增大而增長并受到波浪周期和礁坪水深的影響, 最后擬合了本文試驗條件下珊瑚礁大糙率礁面預(yù)測規(guī)則波爬高的關(guān)系式。

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姚 宇, 2019. 珊瑚礁海岸水動力學(xué)問題研究綜述. 水科學(xué)進(jìn)展, 30(1): 139—152

姚 宇, 張起銘, 蔣昌波, 2019. 礁面糙率變化下珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形試驗. 科學(xué)通報, 64(9): 977—985

姚 宇, 唐政江, 杜睿超, 等, 2017. 潮汐流影響下珊瑚島礁附近波浪傳播變形和增水試驗. 水科學(xué)進(jìn)展, 28(4): 614—621

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A FLUME STUDY OF REGULAR WAVE TRANSFORMATION AND RUN-UP AROUND REEF COASTS WITH LARGE SURFACE ROUGHNESS

JIA Mei-Jun1, YAO Yu1,2, HE Tian-Cheng1, GUO Hui-Qun1

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China)

To investigate the regular wave transformation and run-up across reef profile under the effect of reef surface roughness, a series of laboratory experiments were carried out in a wave flume, and both the smooth and the rough reef surfaces were tested. The results show that the 2ndharmonic waves are important components of transmitted waves on reef flat. The rough reef surface damps the 1stand the 2ndharmonics, and its impact on the higher harmonics is insignificant. The relative reef-flat submergence is a key parameter to describe the wave transmission. Wave transmission coefficient dropped significantly but energy dissipation coefficient increased by 8% on average in all scenarios when reef surface became rough. However, wave reflection from the reef seemed independent of surface roughness. Wave run-up on the back-reef beach increased with the increasing transmitted wave height. Finally, an empirical formula was proposed with which regular wave run-up on the back-reef beach could be predicted in large surface roughness in the tested scenarios.

roughness; higher harmonics; wave run-up; regular wave; coral reef

* 國家自然科學(xué)基金項目, 51979013號, 51679014號; 湖南省教育廳項目, 18A116號。賈美軍, 碩士研究生, E-mail: jiameijun0818@163.com

姚 宇, 碩士生導(dǎo)師,副教授, E-mail: yaoyu821101@163.com

2020-01-16,

2020-05-12

TV139.2

10.11693/hyhz20200100022