姚宇, 何天城, 唐政江, 蔣昌波, 3

?

珊瑚礁礁坪寬度對波浪傳播變形及增水影響的實(shí)驗(yàn)研究

姚宇1, 2, 何天城2, 唐政江2, 蔣昌波2, 3

1. 河海大學(xué), 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098; 2. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院, 湖南 長沙 410004; 3. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410004

通過在波浪水槽中進(jìn)行一系列物理模型實(shí)驗(yàn), 研究珊瑚礁礁坪寬度變化對珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形及礁坪上波浪增水的影響。物理實(shí)驗(yàn)采用理想化的珊瑚礁模型, 測試了3種礁坪寬度下的一系列不規(guī)則波工況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明: 波浪沿礁傳播過程中, 短波持續(xù)衰減; 低頻長波波高沿礁逐漸增大, 直到海岸線附近達(dá)到最大; 隨著礁坪寬度的增加, 海岸線附近的短波波高呈下降趨勢, 低頻長波波高的變化規(guī)律不顯著; 礁坪上的波浪增水受礁坪寬度變化的影響不明顯; 通過對海岸線附近的波浪進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn), 礁坪上低頻長波的運(yùn)動(dòng)存在著一階共振模式, 且共振放大效應(yīng)強(qiáng)度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪寬度共同影響。

低頻長波; 波浪增水; 礁坪寬度; 礁坪共振

近年來, 我國在南中國海的珊瑚島礁周圍進(jìn)行了填礁造島工程, 并修建了諸如燈塔、碼頭、機(jī)場、油氣開采平臺(tái)等設(shè)施。此類工程設(shè)施常處于遠(yuǎn)海地區(qū), 海況惡劣, 周圍海底地形變化劇烈(姚宇等, 2017)。如何保障已建成的島礁建筑物在風(fēng)暴潮等極端氣候下的安全, 降低因洪澇災(zāi)害造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。典型的珊瑚礁地形主要由礁前斜坡與礁坪組成, 礁前斜坡與礁坪的連接處稱為礁緣。在常浪條件下, 波浪作用于礁前斜坡, 通過礁緣處的破碎和礁坪上的摩擦損耗后, 到達(dá)礁后岸灘用于波浪爬高的能量幾乎可以忽略不計(jì)。波浪爬高是珊瑚礁海岸地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生的主要因素, 主要由短波(頻率區(qū)段為0.04~0.4Hz)、低頻長波(頻率區(qū)段為0.001~0.04Hz)和波浪增水共同組成(Merrifield et al, 2014)。其中低頻長波成分在某些情況下特別是由風(fēng)暴潮引起的高潮位時(shí), 易于在半封閉礁坪上發(fā)生共振現(xiàn)象引起海岸線附近波浪的放大效應(yīng), 加劇波浪海岸爬高即發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)(Péquignet et al, 2009)。

物理模型實(shí)驗(yàn)是國內(nèi)外研究波浪沿礁演變規(guī)律的手段之一。例如Gourlay (1996)進(jìn)行了一系列的模型實(shí)驗(yàn), 較為全面地研究了規(guī)則波在概化珊瑚礁物理模型上的傳播, 增水和波生流問題。梅弢等(2013)通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了常年平均波浪和重現(xiàn)期為50a兩種波浪條件, 研究了波浪在珊瑚礁上的傳播規(guī)律。丁軍等(2015)通過港池實(shí)驗(yàn)?zāi)M某典型島礁附近的真實(shí)地形, 研究了島礁地形上波浪的傳播變形規(guī)律。姚宇等(2017)通過開展波流水槽實(shí)驗(yàn), 研究了潮汐流影響下規(guī)則波在珊瑚礁海岸地形上的傳播變形和增水規(guī)律。上述物理模型實(shí)驗(yàn)研究均未考慮礁形變化等因素對波浪在珊瑚礁地形上傳播變形的影響。

近年來, 此領(lǐng)域的學(xué)者們主要通過數(shù)值模擬對礁形變化影響下波浪的傳播變形規(guī)律進(jìn)行研究, 例如Shimozono等(2015)以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海燕”過境為背景, 基于Boussinesq方程對太平洋Eastern Samar島珊瑚礁海岸的波浪爬高進(jìn)行了研究, 結(jié)果顯示低頻長波和短波是岸灘爬高的主要成分且二者所占的比重受到礁坪寬度和岸灘坡度的影響。Quataert等(2015)在馬紹爾群島Roi-Namur礁采集現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 基于XBeach模型研究了礁前斜坡坡度、礁坪寬度和礁面糙率等礁形變化對海岸洪澇災(zāi)害的影響。

目前文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)有開展礁坪寬度變化對波浪傳播變形影響的物理模型實(shí)驗(yàn)工作。本文通過波浪水槽物理模型實(shí)驗(yàn), 研究珊瑚礁礁坪寬度變化對波浪傳播變形和礁坪上波浪增水的影響, 并通過波譜分析了海岸線附近低頻長波能量的變化規(guī)律。研究結(jié)果將為評估風(fēng)暴潮極端波浪條件下珊瑚礁對島礁工程建設(shè)的保護(hù)作用提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1為物理模型實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖。實(shí)驗(yàn)在長沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心長40m, 寬0.5m, 高0.8m的波浪水槽中進(jìn)行。水槽左端為一臺(tái)推板式造波機(jī), 在距造波機(jī)27.3m處采用坡度為1 : 6的斜面模擬礁前斜坡, 斜坡后接一定長度的水平平臺(tái)模擬礁坪, 礁坪距水槽底高度為0.35m, 礁坪后接坡度為1 : 3.3的斜面模擬礁后岸灘。整個(gè)礁體物理模型由PVC材料制作, 并通過固定支架懸掛于水槽壁上, PVC板寬度與水槽寬度一致。使用玻璃膠填充模型與水槽壁之間、礁坪相接處及礁前斜坡與水槽底部之間的縫隙。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置圖

圖中0為遠(yuǎn)海水深;r為礁坪水深

Fig. 1 Experimental setup.0donates the offshore water depth;rdonatesthe reef-flat water depth

實(shí)驗(yàn)采用8個(gè)電容式浪高儀(G1~G8)測量自由液面高程的變化, 布置方式如圖1所示。在外海側(cè)設(shè)置浪高儀G1、G2和G3用以測量分離入射波和反射波, G4被放置于礁坪斜坡中部測量波浪的淺水變形。G5、G7和G8分別布置于礁緣附近(礁緣向岸側(cè)0.2m)、礁坪中部和海岸線附近(岸灘斜坡坡腳向海側(cè)0.2m), 用來監(jiān)測從礁緣向海岸線波浪的傳播變形過程。G6放置于G5和G7浪高儀的正中間位置。在實(shí)驗(yàn)過程中, 所有浪高儀通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集, 采樣頻率為50Hz, 采樣時(shí)長為自造波機(jī)啟動(dòng)后的1200s。

實(shí)驗(yàn)中的物理模型尺寸參照Becker等(2014)對馬紹爾群島進(jìn)行現(xiàn)場觀測的資料, 按照弗如德相似準(zhǔn)則確立, 幾何比尺為1 : 20。實(shí)驗(yàn)測試了4個(gè)深水有效波高S0(0.04m、0.06m、0.08m、0.10m)、2個(gè)礁坪水深r(0.05m、0.10m)和3個(gè)峰周期p(1.0s、1.5s、2.0s)組合下的一系列不規(guī)則波工況。在上述所有波況下, 分別測試3個(gè)礁坪寬度r(4.8m、8m、11.2m)對波浪傳播變形的影響, 對應(yīng)的原型礁坪寬度尺寸分別為96m、160m、224m。為了消除初始數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性的影響, 本文選取實(shí)驗(yàn)測量的200~ 1200s時(shí)間段的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。不規(guī)則波的波浪頻譜根據(jù)浪高儀所測得的自由液面時(shí)間序列通過快速傅立葉變化(FFT)的方法分析得到。對于短波波高與低頻長波波高的計(jì)算, 由于物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場觀測有所區(qū)別, 因此本文采用Buckley等(2016)對低頻長波和短波頻段的劃分方法, 將入射波的譜峰頻率的二分之一作為低頻長波和短波頻段劃分的界限。短波波高和低頻長波波高的具體計(jì)算公式如下:

式中:SS為短波波高(單位: m);IG為低頻長波波高(單位: m);p是入射波的譜峰頻率(單位: Hz);()為波浪譜(單位: m2×s)。

2 結(jié)果分析

2.1 礁坪寬度對沿礁波高變化的影響

2.1.1 波高的沿礁變化

圖2展示了典型波浪工況S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m時(shí)的短波波高(SS)和低頻長波波高(IG)在不同礁坪寬度(r)情況下的沿礁變化規(guī)律。圖2表明: 波浪以群波的包絡(luò)形式由遠(yuǎn)海向近岸傳播時(shí), 遠(yuǎn)海處(G1~G3)存在少量的低頻長波, 這可能是由于在包絡(luò)線中束縛著一定的低頻長波(van Dongerenet al, 2013)。到達(dá)礁前斜坡附近(G4)時(shí), 由于淺水作用導(dǎo)致SS值增大, 隨后波浪在礁緣附近(G5)發(fā)生破碎,SS值迅速減小, 而IG值則增加顯著, 這是由于群波效應(yīng)造成的破碎點(diǎn)的移動(dòng)產(chǎn)生的(Pomeroy et al, 2012)。波浪到達(dá)礁坪中部(G7)時(shí), 破碎過程結(jié)束, 繼續(xù)向海岸線附近(G8)傳播時(shí), 由于礁面摩擦導(dǎo)致SS值沿礁持續(xù)減小并在G8時(shí)達(dá)到最小值, 而IG值沿礁持續(xù)增大并在G8達(dá)到最大, 這是由于低頻長波在礁坪上存在一階共振放大效應(yīng)(詳見2.4節(jié))。對于總波高T, 波浪在破碎前(G1~G4), 其成分主要是SS; 隨著波浪從G5傳播到G7,SS成分逐漸減小,IG成分逐漸增大; 當(dāng)波浪傳播至G8, 其成分主要為IG。

圖2 不同礁坪寬度()下短波波高(HSS)、低頻長波波高(HIG)和總波高(HT)的沿礁變化(波況: HS0=0.08m, Tp=1.5s, hr=0.05m)

2.1.2 海岸線附近波高的變化

為研究礁坪寬度的變化對海岸線附近(G8)波高變化的影響, 圖3展示了S0=0.08m時(shí)G8的短波波高(SS)和低頻長波波高(IG)隨礁坪寬度(r)的變化規(guī)律。圖3a表明:SS隨礁坪水深的減小而減小, 這是由于水深較小時(shí)將會(huì)增大波浪破碎強(qiáng)度;SS隨入射波峰周期的增大而增大; 同時(shí)SS隨著礁坪寬度的增大而減小, 這是由于礁坪寬度的增大導(dǎo)致礁面摩阻損耗增加。圖3b表明:IG隨礁坪水深的增大而減小, 這可能是由于水深的增大限制波浪在礁緣附近的破碎強(qiáng)度, 從而減少了上述由于破碎點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生的IG; 同時(shí)入射波峰周期越大, G8附近的IG值越大, 這是由于峰周期的增大減小了頻譜的帶寬, 增加了包絡(luò)線中低頻長波的能量(Yao et al, 2016);IG隨著礁坪寬度的增長變化規(guī)律不明確, 這與礁坪寬度的變化改變了珊瑚礁地形固有共振頻率, 因此在不同的波浪條件下會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的共振響應(yīng)有關(guān)。

圖3 海岸線附近(G8)短波波高(HSS)和低頻長波波高(HIG)隨礁坪寬度(Wr)的變化(HS0=0.08m)

圖中圓形表示p=1.0s; 方形表示p=1.5s; 三角形表示p=2.0s; 實(shí)心表示r=0.05m; 空心表示r=0.1m

Fig. 3 Variations of swell height (SS) and infragravity wave height (IG) with reef-flat width (r) near the coastline at G8 (S0=0.08m). Circles denotep=1.5s; Squares denotep=1.5s; Triangles denotep=2.0s; Solid markers denoter=0.05m; Open markers denoter=0.1m

2.2 礁坪波浪增水的變化規(guī)律

圖4 礁坪波浪增水()隨入射有效波高(a)和礁坪寬度(b)的變化

圖中圓形表示p=1.0s; 方形表示p=1.5s; 三角形表示p=2.0s; 實(shí)心表示r=0.05m; 空心表示r=0.1m

2.3 波浪頻譜分析

為了揭示波浪能量的沿礁變化, 圖5展示了典型入射波況S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m時(shí), 3種礁坪寬度(r)影響下4個(gè)代表性測點(diǎn)G1 (遠(yuǎn)海處)、G5 (礁緣附近)、G7 (礁坪中部)和G8 (海岸線附近)的波浪頻譜圖。觀察圖5波浪頻譜圖, 可以發(fā)現(xiàn): G1附近存在少量的低頻長波能量(= 0~ 0.33Hz), 這是波群向岸傳播時(shí), 存在少量束縛在包絡(luò)線中的低頻長波(van Dongerenet al, 2013)。在G5附近, 波浪發(fā)生破碎, 短波區(qū)間(> 0.33Hz)能量衰減劇烈, 同時(shí)與圖2對應(yīng), G5處低頻長波區(qū)間能量有較大的增長, 這同樣是由于群波效應(yīng)引起的破碎點(diǎn)移動(dòng)產(chǎn)生的低頻長波(Pomeroy et al, 2012)。波浪在礁坪上繼續(xù)向岸傳播時(shí), 短波能量由于礁坪摩擦繼續(xù)減少, 低頻長波能量由于共振放大效應(yīng)沿礁增大。波浪傳播到達(dá)G8時(shí), 短波能量已大幅削弱, 而低頻長波能量則達(dá)到最大值。

對比3種不同礁坪寬度情況, 發(fā)現(xiàn)海岸線G8附近波浪在短波頻段的能量隨著礁坪寬度的增大而減小; 而在礁坪寬度r=8m時(shí)低頻長波頻段的能量明顯高于r為4.8m和11.2m時(shí)的能量, 具體原因分析見2.4節(jié)。

圖5 不同礁坪寬度(Wr)條件下波浪譜的沿礁變化(HS0=0.08m, Tp=1.5s, hr=0.05m)

Fig. 5 Variation of wave spectra with different reef-flat widths (r) across the reef profile (S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m).The dashed line denotes the splitting frequency between the swell wave and the infragravity wave frequency bands

2.4 有關(guān)礁坪共振的討論

礁緣到海岸線附近低頻長波能量的放大可以利用礁坪共振理論進(jìn)行分析。珊瑚島礁地形近似于半開放盆地港灣, 理論上礁坪共振周期可參照開放盆地的共振模式(Nwogu et al, 2010)進(jìn)行分析, 其形式如下:

為了進(jìn)一步研究礁坪水深(r)、波浪峰周期(p)和礁坪寬度(r)對海岸線附近波浪低頻長波頻段頻譜以及可能存在的共振的影響, 圖6展示了2種礁坪水深、3種波浪峰周期和3種礁坪寬度情況下G8位置(海岸線附近)低頻長波頻段的波浪頻譜圖。

觀察圖6可發(fā)現(xiàn)波浪頻譜中的峰值頻率基本集中在一階礁坪共振頻率附近, 可見珊瑚礁礁坪上低頻長波的運(yùn)動(dòng)存在著一階共振模式。對比圖6a和6b可知:r=0.05m時(shí)較r=0.1m到達(dá)海岸線的低頻長波具有更大的能量, 這與Quataert等(2015)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)的礁坪水深越大, 海岸低頻長波能量越大的結(jié)論并不一致, 這是因?yàn)榇斯r(S0=0.08m,p=1.5s,r=8m)在r=0.05m時(shí)更接近于一階理論共振頻率從而在海岸線激發(fā)了更大的低頻長波共振放大效應(yīng)。

對比圖6a、6c和6d可知: G8附近低頻長波的能量隨著波浪峰周期的增大而增大, 這是由于峰周期的增大減小了頻譜的帶寬, 增加了包絡(luò)線中低頻長波的能量所造成(Yao et al, 2016)。對比圖6a、6e和6f可知:r=8m時(shí)低頻長波能量明顯大于r為11.2m和4.8m時(shí)的能量值, 且可以發(fā)現(xiàn)r=8m時(shí)低頻長波頻段的峰值頻率最接近一階礁坪理論共振頻率, 表明在入射波條件相同時(shí),r=8m相較于r為4.8m和11.2m, 更有利于激發(fā)珊瑚礁坪的一階共振模式。這與圖3b中對應(yīng)工況(S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m)在不同礁坪寬度情況下, 低頻長波波高出現(xiàn)的先增大后減小規(guī)律相對應(yīng)。通過上述分析, 可知共振放大效應(yīng)強(qiáng)度由礁坪水深、入射波峰周期和礁坪寬度共同決定。

圖6 海岸線附近(G8)低頻波浪頻譜(f = 0~0.33Hz)隨礁坪水深(hr), 波浪周期(Tp)和礁坪寬度(Wr)的變化

a.S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m,r=8m; b.S0=0.08m,p=1.5s,r=0.1m,r=8m; c.S0=0.08m,p=1.0s,r=0.05m,r=8m; d.S0=0.08m,p=2.0s,r=0.05m,r=8m; e.S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m,r=4.8m; f.S0=0.08m,p=1.5s,r=0.05m,r=11.2m。各子圖中左虛線為一階共振頻率, 右邊虛線為二階共振頻率

3 結(jié)論

本文通過物理模型實(shí)驗(yàn)研究礁坪寬度變化影響下珊瑚礁海岸附近波浪傳播變形。主要結(jié)論如下: 1) 不規(guī)則波通過礁坪向岸傳播過程中, 短波波高由于波浪破碎以及礁面摩阻損耗逐漸衰減, 低頻長波則由波浪破碎點(diǎn)的移動(dòng)產(chǎn)生并在礁坪上發(fā)生共振效應(yīng)逐漸增大; 2) 礁坪寬度的增大能顯著降低波浪在岸線附近的短波波高, 而低頻長波隨礁坪寬度變化的規(guī)律不顯著; 3) 礁坪寬度變化時(shí)礁坪波浪增水值趨于一致; 4) 波譜分析進(jìn)一步表明, 珊瑚礁坪上低頻長波的運(yùn)動(dòng)存在著一階共振模式, 且共振放大效應(yīng)強(qiáng)度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪寬度共同影響。

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Laboratory study on the effect of varying reef-flat width on wave transformation and wave-induced setup

YAO Yu1, 2, HE Tiancheng2, TANG Zhengjiang2, JIANG Changbo2, 3

1. Key Laboratory of Coastal Disasters and Defense of Ministry of Education,Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China; 3. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410004, China

A series of laboratory experiments were carried out in a wave flume to study the influences of different reef-flat widths on wave transformation over reef coasts as well as wave-induced setup on reef flats. A series of incident irregular wave conditions were tested based on the idealized reef model with three reef-flat widths. Results show that as waves propagate across the reef, the swell height decays all the way, whereas the infragravity wave height increases gradually along the reef and reaches the maximum at the shoreline. Near the shoreline, the swell height decreases with increasing reef-flat width, but the variation of infragravity wave height with the reef-flat width is not obvious. The effect of varying reef-flat width on wave-induced setup over the reef flat is insignificant. The first resonant mode is identified on reef flat for the infragravity waves, and the level of resonant amplification near the shoreline is determined by the combined effect of reef-flat water depth, incident peak wave period and reef-flat width.

infragravity wave; wave-induced setup; reef-flat width; reef-flat resonance

2018-07-29;

2018-11-05. Editor: YIN Bo

National Natural Science Foundation of China (51679014);Hunan Science and Technology Plan Program (2017RS3035); Open Foundation of Key Laboratory of Coastal Disasters and Defense of Ministry of Education (201602)

YAO Yu. E-mail: yaoyu821101@163.com

P731.22; P731.3; P754.2; P737.11; P714.13

A

1009-5470(2019)02-0013-07

2018-07-29;

2018-11-05。殷波編輯

國家自然科學(xué)基金(51679014); 湖南省科技計(jì)劃(2017RS3035); 河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(201602)

姚宇(1982—), 男, 湖南省湘潭市人, 副教授, 從事近海水動(dòng)力學(xué)研究。E-mail: yaoyu821101@l163.com

10.11978/2018079