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珊瑚礁海岸波流運(yùn)動(dòng)特性整體物理模型實(shí)驗(yàn)研究

2021-07-22 06:41:06陳樹彬陳松貴姚宇陳漢寶
海洋學(xué)報(bào) 2021年5期
關(guān)鍵詞:坪上裂口沿程

陳樹彬,陳松貴,*,姚宇,陳漢寶

( 1. 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)),江蘇 南京 210098;2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院,天津300456;3. 湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 引言

珊瑚礁地形上波浪傳播變形和波生流系統(tǒng)對(duì)生態(tài)、環(huán)境、地貌和工程建設(shè)有著深遠(yuǎn)影響。波浪引起的增水和驅(qū)動(dòng)的環(huán)流使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過珊瑚礁,并清除造礁生物的代謝廢物,有助于珊瑚蟲的生存,對(duì)維持珊瑚生態(tài)平衡起到重要作用[1],波浪能同樣影響著珊瑚礁系統(tǒng)中的沉積物運(yùn)移,改變著珊瑚礁生物的分布、珊瑚礁地貌的形成以及海岸線的穩(wěn)定性[2]。

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[3-7]表明,波浪從遠(yuǎn)海傳播到珊瑚礁礁緣處發(fā)生破碎后,從破波點(diǎn)開始產(chǎn)生增水直到破碎帶結(jié)束增水達(dá)到最大,隨后波浪增水沿礁下降,到達(dá)潟湖中近似為0。海水在增水正壓力的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了垂直和平行于海岸方向的波生流。珊瑚礁礁坪通常是不連續(xù)的,間隔有一些連通外海的口門,因此沿岸方向不均勻分布的增水驅(qū)動(dòng)了潟湖內(nèi)的沿岸流,并通過口門處的離岸流返回到外海。

珊瑚礁海岸水動(dòng)力的室內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn)主要是利用波流水槽開展波浪傳播變形、破碎、增水以及波生流的研究。例如,Gourlay[8]通過一系列水槽物理模型實(shí)驗(yàn)研究了規(guī)則波作用下礁坪上的波生流問題,并給出了波生流經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。Demirbilek 等[9]在風(fēng)浪水槽中研究了風(fēng)和不規(guī)則波作用下礁坪上的增水和岸灘波浪爬高,證實(shí)了珊瑚礁的存在對(duì)波浪爬高的削減作用。梅弢和高峰[10]通過概化的珊瑚礁模型,模擬了常年平均波浪和重現(xiàn)期為50 a 的兩種波浪條件,研究了外海波浪傳至礁坪破碎后的傳播規(guī)律。Yao 等[11]采用物理模型系統(tǒng)地研究了破波類型、破波位置和破碎帶寬度等破碎波的特征隨礁盤水深和礁前斜坡坡度的變化規(guī)律,并給出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。柳淑學(xué)等[12]基于物理模型試驗(yàn)結(jié)果,分析了波高變化對(duì)波浪破碎位置的影響,同時(shí)給出了其地形條件下波浪破碎指標(biāo)以及礁坪段破碎后沿程波高的計(jì)算公式。Buckley等[13]對(duì)比了光滑礁床和粗糙礁床條件下的波浪增水規(guī)律。姚宇等[14]利用水槽實(shí)驗(yàn),研究了珊瑚礁破碎帶附近波浪演化和垂向海底回流。陳松貴等[15-18]對(duì)建有防浪堤的珊瑚礁陡變地形上波浪傳播變形、越浪規(guī)律和波浪力特征進(jìn)行了一系列研究。

珊瑚礁-潟湖-裂口海岸波致環(huán)流系統(tǒng)的研究非常少見,僅有Yao 等[19]通過動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程建立了近似理論模型,Zheng 等[20]在珊瑚礁-潟湖-裂口系統(tǒng)中分析了波浪增水和波生流的向岸和沿岸變化,并改進(jìn)一個(gè)準(zhǔn)二維分析模型以重現(xiàn)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。為了更好地了解這類復(fù)雜海岸地區(qū)的波浪傳播變形和環(huán)流分布規(guī)律,本文建立了波浪港池整體物理模型,利用波高儀、流速儀和表面流場(chǎng)測(cè)速系統(tǒng)對(duì)珊瑚礁-潟湖-裂口海岸不同位置的波高分布、流速大小、流場(chǎng)變化進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量,探討波流運(yùn)動(dòng)特性。

2 實(shí)驗(yàn)布置

2.1 實(shí)驗(yàn)地形

在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院60.2 m(長(zhǎng))×36 m(寬)×1 m(深)的波浪港池中建立整體物理模型(圖1)。造波系統(tǒng)是由9 臺(tái)造波機(jī)組成的推板式造波機(jī)和微機(jī)控制組成。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則以法屬玻利尼亞泡泡灣珊瑚礁原型制作(圖2),該珊瑚礁具有典型特征,由礁坪、潟湖、裂口3 個(gè)部分組成,文獻(xiàn)[3,7]中詳細(xì)報(bào)道了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料,適于研究珊瑚礁海岸波生環(huán)流系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)P捅瘸邽?∶50,在距造波機(jī)34 m 處設(shè)置坡度為1∶8 的斜坡模擬礁前斜面,斜面后接長(zhǎng)度為14 m 的水平平臺(tái)模擬礁坪,在礁坪中間存在寬度為6 m 的裂口,礁坪后存在寬度為5 m 的潟湖,最后在潟湖后設(shè)置坡度為1∶3.3 的礁后斜坡。物理模型用砂石填充,表面進(jìn)行水泥抹面,如圖3 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig. 1 Experimental set-up

圖2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)原型Fig. 2 Field observation prototype

圖3 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地Fig. 3 Experimental area

2.2 測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)中的46 個(gè)浪高儀和6 個(gè)流速儀的布置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)使用的浪高儀測(cè)量波高的量程為60 cm,絕對(duì)誤差小于1 mm,流速儀量程為100 cm/s,絕對(duì)誤差小于3 cm/s。對(duì)于兩側(cè)邊壁以及礁后斜坡的反射,根據(jù)浪高儀的測(cè)量結(jié)果采用Goda 兩點(diǎn)分波法得到本實(shí)驗(yàn)中的反射系數(shù)均小于5%。表面流場(chǎng)測(cè)速系統(tǒng)SVM 測(cè)定表面流速,該方法能夠詳細(xì)測(cè)量大范圍的流場(chǎng)分布,克服了流速儀僅能對(duì)有限固定點(diǎn)測(cè)量的缺點(diǎn)。SVM 通過追蹤拋灑在水面上浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡間接測(cè)量表面流速,浮子直徑為2 cm,浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡由在水池上方13 m 處的一個(gè)高分辨率工業(yè)相機(jī)來記錄,分辨率為2 000 萬像素。相機(jī)的采集頻率為10 幀/s,攝像范圍為36 m×42 m,拍攝圖像如圖4 所示。為了將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到真實(shí)的空間坐標(biāo),采用兩步法確定圖像平面坐標(biāo)和真實(shí)空間坐標(biāo)的關(guān)系,即首先確定鏡頭畸變系數(shù),之后將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到真實(shí)的空間坐標(biāo)。采用畸變系數(shù)校正后的圖像坐標(biāo)與空間坐標(biāo)之間的關(guān)系為

圖4 工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像Fig. 4 Images taken by industrial camera

式中,(Xc,Yc)為相機(jī)拍到的圖像坐標(biāo);(Xw,Yw)為真實(shí)二維空間坐標(biāo)。L1~L8為8 個(gè)待定的DLT 系數(shù),本實(shí)驗(yàn)通過全站儀測(cè)量4 個(gè)已知空間點(diǎn),將其(Xw,Yw)坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)代入方程(1)來確定。確定DLT系數(shù)后,可通過方程(1)由任意像素點(diǎn)坐標(biāo)(Xc,Yc)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的二維空間物理坐標(biāo)(Xw,Yw)。

測(cè)量得到的流場(chǎng)圖像采用FPTM(Fluid Pattern Tracking Master)軟件平臺(tái)進(jìn)行處理,通過對(duì)鄰近幀的圖像中的粒子位置進(jìn)行識(shí)別,可以得出網(wǎng)格形式的流場(chǎng)數(shù)據(jù),并輸出dat 格式的數(shù)據(jù)文件,通過該軟件得到的多個(gè)瞬時(shí)的流速數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理可以獲得時(shí)均流速,下文分析的流速均為時(shí)均流速。在實(shí)驗(yàn)開始時(shí),同步采集波高、流速和表面流場(chǎng)。

為了驗(yàn)證使用表面流場(chǎng)測(cè)速(SVM)系統(tǒng)得到的流速分布的精度,采用與流速儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖5 給出了入射波高分別為4 cm、6 cm、8 cm、10 cm 的測(cè)量流速值對(duì)比,通過該結(jié)果可以看到兩者整體差異不大,作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的可信度,使用SVM方法測(cè)量表面流速是可行的,測(cè)得的結(jié)果是合理的。

圖5 SVM 系統(tǒng)與流速儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig. 5 Comparison of measurement results between SVM system and current meter

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況根據(jù)實(shí)測(cè)資料[3,7]按模型比尺計(jì)算后確定,Hench 等[3]于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采集到的波高為0.85~2.6 m,譜峰周期為8~22 s,礁坪水深為0~2 m,Monismith等[7]現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的波高為0.5~2 m,譜峰周期為5~15 s,礁坪水深為0~2.5 m。按照比例將實(shí)驗(yàn)工況確定為:礁前水深h為44 cm,礁坪上水深hr為4 cm,入射波高H為0.08 m,周期T為2 s。實(shí)驗(yàn)中保證至少測(cè)量3 次,每次造波時(shí)間20 min,在波浪穩(wěn)定后的5 min 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。浪高儀和流速儀采集頻率為50 Hz,SVM系統(tǒng)采集頻率為10 Hz,采樣時(shí)長(zhǎng)為20 s(10 個(gè)周期)。圖6 分別對(duì)比了幾個(gè)不同位置的兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的波面和流速時(shí)間序列,可以看到實(shí)驗(yàn)具有良好的重復(fù)性。

圖6 兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)波面和流速時(shí)間序列對(duì)比Fig. 6 Time series comparison of two repeated wave surface and velocity

3 波高與增水分布特征

圖7 是礁坪向岸方向的平均波高和平均水位沿程變化情況。波浪從遠(yuǎn)海傳播到珊瑚礁,由于波浪的非線性產(chǎn)生質(zhì)量輸移流,作用在礁前斜坡時(shí)受淺化作用影響,波高在淺水區(qū)隨水深減小而增大,并在礁緣發(fā)生破碎并損耗大量能量,隨后從破波點(diǎn)x=20 m 處迅速下降,而在礁坪上傳播過程中變化較小,總減小幅度為86.7%。在深水區(qū)傳播時(shí),波浪的增減水值趨近于0。傳播到礁前斜坡附近(y=17~20 m)時(shí),波浪尚未破碎,處于破波帶外的淺水區(qū),可以觀察到波浪整體呈減水情況,平均水位為負(fù)值。隨著水深繼續(xù)減小,波浪發(fā)生破碎,由減水迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樵鏊?,于y=23 m附近達(dá)到最大增水1.23 cm,隨后沿礁坪下降,下降幅度為65.9%。

圖7 y = 8.7 m 向岸剖面礁坪波高和平均水位分布Fig. 7 Cross-reef variation of wave height and mean water level with y = 8.7 m

圖8 為x=37 m 剖面潟湖沿岸方向上的波高和平均水位分布,其中潟湖中波高靠近裂口處較大,兩側(cè)波高較小,中部最大值約為兩側(cè)最小值的2.8 倍。原因是由于波浪在兩側(cè)礁坪上發(fā)生破碎而裂口中未發(fā)生破碎,使得傳播到裂口中的波浪能損耗較小,在潟湖中部產(chǎn)生較大的波高。潟湖中的增水則呈現(xiàn)出兩側(cè)大中間小的趨勢(shì),中部增水相比兩側(cè)最大值下降了25.5%,是由于裂口中的離岸出流使得潟湖中間靠近裂口部位平均水位下降。

圖8 x=37 m 潟湖沿岸剖面波高和平均水位分布Fig. 8 Longshore variation of wave height and mean water level in the lagoon with x=37 m

圖9 是裂口中向岸方向的平均波高和平均水位沿程變化情況。本實(shí)驗(yàn)中的波高并未引起裂口中發(fā)生波浪破碎,因此可以觀察到裂口中的波高變化不大,在入射波高8 cm 上下浮動(dòng)。受礁坪上波浪破碎影響,在x=20 m 前波高略有增大,在裂口傳播過程中沿程減小,末端因岸灘斜坡反射波疊加略微增大??梢钥吹搅芽陔x岸流末端x=14 m 處出現(xiàn)波浪增水,達(dá)到0.08 cm,為礁坪上該位置增水的47.6%。而在裂口傳播過程中平均水位接近于0。末端靠近潟湖測(cè)點(diǎn)(x=34.5 m)的平均水位較大,是由于潟湖中兩側(cè)補(bǔ)償流的匯集而產(chǎn)生了較為明顯的增水現(xiàn)象。

圖9 y = 19.1 m 裂口向岸剖面波高和平均水位分布Fig. 9 Cross-shore variation of wave height and mean water level in the channel with y = 19.1 m

4 水平環(huán)流分布特征

4.1 整體環(huán)流系統(tǒng)分布

圖10 為平均流速的矢量圖,定義向岸方向?yàn)閤方向,流速記為u,沿岸方向?yàn)閥方向,流速記為v(后同)。部分位置的流速由于儀器等遮擋未采集到,在后處理中可利用插值獲得這些區(qū)域的流速。從整體上看,礁前斜坡處以向岸流為主,強(qiáng)度較小,靠近裂口處由于裂口的影響產(chǎn)生對(duì)稱的環(huán)流;礁坪上的向岸流強(qiáng)度較大,沿岸流流速很?。粷暫锌拷叡谔帪橄虬读?,同時(shí)產(chǎn)生從兩側(cè)向裂口方向的沿岸流,并在裂口附近產(chǎn)生環(huán)流系統(tǒng)的補(bǔ)償?shù)搅芽?;裂口中主要為離岸流,該離岸流會(huì)延伸到礁前斜坡以外的一定距離,并發(fā)生方向旋轉(zhuǎn)。因此,產(chǎn)生了外海-礁坪-潟湖-裂口-外海的水平環(huán)流系統(tǒng)。

圖10 流速矢量Fig. 10 Velocity vector

4.2 礁坪上流速分布

圖11 展示了垂直岸線方向上(定義為橫剖面,后同)流速在礁坪上的沿程變化。在垂直岸線方向,u隨著往礁坪內(nèi)部傳播表現(xiàn)出先增大后變小規(guī)律,即在波浪破碎后,u迅速增大,在礁坪前部達(dá)到最大,并保持穩(wěn)定,而在礁坪后部,流速又迅速減小,在剖面y=29.6 m 上可達(dá)到最大值0.42 m/s。此外,在沿岸3 個(gè)不同位置的剖面上,流速也存在著差異,其中靠近裂口(y=24 m)和礁坪中線上(y=29.6 m)的流速大小相近,而靠近邊壁剖面上(y=34.4 m)的流速在礁坪中央小于其他兩個(gè)位置的流速,而在礁坪前后則與這兩個(gè)位置的流速相近。引起該現(xiàn)象的原因是平均水位在礁坪中央變化較快,而在邊壁變化不大,使得不同位置波生流的驅(qū)動(dòng)力、輻射應(yīng)力和波浪壓力梯度存在差異,從而導(dǎo)致流速不同。在平行岸線方向,v無論在任何位置均非常小,說明礁坪上的流向以向岸流為主,無明顯沿岸流存在。

圖11 礁坪向岸剖面流速沿程變化Fig. 11 Cross-shore variation of velocity on the reef

圖12 為沿岸方向上(定義為縱剖面,后同)流速在礁坪上的沿程變化。在沿岸方向,u在礁坪3 個(gè)位置均表現(xiàn)出從裂口到邊壁先增加后減小的趨勢(shì)。此外,在平行岸線3 個(gè)不同位置的剖面上,流速也存在著差異,其中,在礁坪中部(x=25.6 m)剖面上的流速相比礁前斜坡波浪破碎點(diǎn)附近(x=21.6 m)以及礁坪后部(x=29.6 m)略大,在y=31.1 m 處達(dá)到最大值0.46 m/s。

圖12 礁坪沿岸剖面流速沿程變化Fig. 12 Longshore variation of velocity on the reef

4.3 潟湖內(nèi)流速分布

圖13 是潟湖中3 個(gè)不同縱剖面(x=35.2 m,x=36.8 m,x=38.4 m)的流速空間分布情況。在垂直岸線方向,離岸較近處(x=38.4 m)的u較小,而在距離礁坪最近的剖面上,u在裂口兩側(cè)的位置(y=16.1 m 和y=21.7 m)由向岸方向轉(zhuǎn)為離岸方向,最大達(dá)到0.1 m/s。在平行岸線方向,v從邊緣到裂口呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,方向上為向裂口匯集,進(jìn)而為裂口中的離岸出流提供補(bǔ)償流,并形成兩個(gè)環(huán)繞礁坪的大范圍環(huán)流的一部分。沿岸流速在潟湖剖面x=38.4 m 處可達(dá)到最大值0.091 m/s。

圖13 潟湖沿岸剖面流速沿程變化Fig. 13 Longshore variation of velocity in the lagoon

4.4 裂口中流速分布

圖14 為裂口中3 個(gè)不同橫剖面(y=16.8 m,y=19.2 m,y=20.8 m)上的流速沿程變化。在離岸流方向,裂口中間剖面(y=19.2 m)的離岸流速u最大,于距離潟湖較近處(x=29.5 m)達(dá)到最大值0.24 m/s,隨后沿程下降,裂口水流流出距離可達(dá)到x=10 m 附近,之后u接近0,轉(zhuǎn)為向岸方向的環(huán)流。此外,在向岸不同的3 個(gè)剖面上,越靠近礁坪,離岸流流速越小。在沿岸流方向,在裂口靠近礁緣前后的位置,存在從裂口指向礁坪的沿岸流,該沿岸流導(dǎo)致了外礁緣次環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生。在裂口兩側(cè)剖面(y=16.8 m,y=20.8 m)上,沿岸流v均在x=31 m 附近改變方向,形成潟湖內(nèi)環(huán)繞礁坪的水平環(huán)流模式。

圖14 裂口向岸剖面流速沿程變化Fig. 14 Cross-shore variation of velocity in the channel

圖15 是裂口中3 個(gè)不同縱剖面(x=19.2 m,x=26.4 m,x=32.8 m)上的流速變化,顯然裂口中離岸流u在3 個(gè)位置都呈現(xiàn)中間大,兩側(cè)小的趨勢(shì),而左側(cè)靠近礁坪3 個(gè)位置上的流速u最大差值可達(dá)到0.079 m/s。對(duì)于沿岸流v,位于最靠近潟湖的剖面x=32.8 m 處的剖面上流速在裂口中心附近(x=18.5 m)處改變方向,即潟湖中的沿岸流在此處交匯形成離岸出流。

圖15 裂口沿岸剖面流速沿程變化Fig. 15 Longshore variation of velocity in the channel

4.5 水平環(huán)流驅(qū)動(dòng)力分析

對(duì)于礁坪和裂口處穩(wěn)定的向岸流和離岸流,忽略湍流影響的動(dòng)量控制方程如下:

式中, ρ為水體密度;S xx和S xy為輻射應(yīng)力;D=h+為水深,h為靜水位, ηˉ為增水值;為底摩阻,相對(duì)較小可以忽略[21]。此外,由流速分布可知,礁坪和裂口中的沿岸流v均很小,式(2)中左邊第二項(xiàng)可暫不考慮,因此,向岸流的驅(qū)動(dòng)力主要為波浪破碎后的增減水壓力梯度和輻射應(yīng)力梯度之和,可以寫作

需要注意的是,F(xiàn)x與控制方程中的右側(cè)項(xiàng)符號(hào)相反,即Fx為負(fù)會(huì)使向岸方向流速增加,F(xiàn)x為正會(huì)使向岸方向流速減小。由線性波理論,向岸方向的S xx為

式中

k=2π/L為波數(shù),由色散關(guān)系得到,θ為波浪入射角。由于本實(shí)驗(yàn)中波浪為正向入射,此處θ=0。對(duì)于式(2)中的?Syx/?y項(xiàng),由于波浪正向入射此處忽略。這一項(xiàng)只在接近裂口處由于波浪繞射可能不為0,盡管如此它相對(duì)于其他項(xiàng)也非常小,故不予考慮[21]。

將式(4)和式(5)代入式(3),有

經(jīng)由浪高儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,可以得到礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)的平均波高Hmean和平均水位的空間分布,如圖16 所示。先將各斷面平均波高Hmean和平均水位的向岸方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3 次樣條擬合得到向岸的連續(xù)數(shù)據(jù),再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行向岸驅(qū)動(dòng)力運(yùn)算即可得到不同位置的波面壓力梯度、輻射應(yīng)力梯度,如圖17所示。

圖16 平均波高和平均水位分布Fig. 16 Contours of wave height and mean water level

在礁坪上(y=8.7 m),波浪增減水引起的壓力梯度與輻射應(yīng)力梯度在破碎點(diǎn)附近方向相反,在破碎點(diǎn)以前,波高增加,水面出現(xiàn)減水,總驅(qū)動(dòng)力為離岸方向,波浪破碎以后,輻射應(yīng)力梯度迅速減小,且變?yōu)樨?fù)值,與增水的平均水位梯度共同驅(qū)動(dòng)了向岸流的產(chǎn)生。隨著向礁坪傳播,到達(dá)礁坪后方,增水梯度變?yōu)檎担此嬷饾u升高,抵消了輻射應(yīng)力梯度的影響,最終總驅(qū)動(dòng)力變?yōu)殡x岸方向,進(jìn)而阻礙了向岸流的傳播。驅(qū)動(dòng)力的變化導(dǎo)致了礁坪上向岸流流速先增加后減小趨勢(shì)(圖17)。

圖17 礁坪和潟湖中的波面壓力梯度()、輻射應(yīng)力梯度()和總驅(qū)動(dòng)力()向岸變化Fig. 17 Cross-shore variation of the pressure gradient (), radiation stress gradient () and their joint forces () on the reef

在裂口中(y=19.1 m),由于波浪未發(fā)生波浪破碎,裂口中平均水位變化較小,波面壓力梯度影響有限,因此離岸流的驅(qū)動(dòng)力主要為輻射應(yīng)力梯度。在靠近潟湖的裂口附近,總驅(qū)動(dòng)力為離岸方向,使得離岸流流速增大,隨著向外海傳播,波浪輻射應(yīng)力梯度逐漸減小,在靠近礁緣的位置,變?yōu)橄虬斗较?,進(jìn)而阻礙了離岸流的發(fā)展。正是這種驅(qū)動(dòng)力的變化也導(dǎo)致了裂口中流速沿離岸方向呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

對(duì)于穩(wěn)定的沿岸流,忽略湍流影響的動(dòng)量控制方程如下:

同理,由流速分布可知,潟湖中的向岸流u很小,式(1)中左邊第二項(xiàng)可暫不考慮,同樣不考慮?Syx/?y和底摩阻的影響,沿岸流的驅(qū)動(dòng)力主要為波浪破碎后的增減水壓力梯度和輻射應(yīng)力梯度F之和,可以寫作

式中

將式(5)和式(9)代入式(8)得

圖18 為潟湖中沿岸剖面(x=37 m)上的波面壓力梯度、輻射應(yīng)力梯度以及總驅(qū)動(dòng)力的沿程變化??梢姖暫械尿?qū)動(dòng)力主要由平均水位梯度主導(dǎo),輻射應(yīng)力梯度遠(yuǎn)小于波面壓力梯度,即沿岸補(bǔ)償流的驅(qū)動(dòng)力主要為平均水位壓力梯度??傭?qū)動(dòng)力以裂口中心(y=19 m)對(duì)稱分布,且從兩側(cè)到裂口呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),也導(dǎo)致了潟湖中沿岸流先增大后減小的變化趨勢(shì)。

5 結(jié)論

根據(jù)法屬玻利尼亞泡泡灣珊瑚礁海岸實(shí)測(cè)資料,建立了1∶50 的珊瑚礁-潟湖-裂口海岸整體物理模型,采用波高儀、流速儀和表面流場(chǎng)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量分析了不同位置的波高和流場(chǎng)分布特征。

波高在礁坪向岸方向沿程逐漸減小,總減小幅度為86.7%,增水先增大后減小,沿礁坪下降幅度為65.9%;波高在潟湖沿岸方向裂口處最大,向兩側(cè)逐漸減小,中部最大值約為兩側(cè)最小值的2.8 倍,增水則靠近裂口處最小,相比兩側(cè)最大值下降了25.5%;波高在裂口中變化不大,增水則在靠近潟湖處增大較多,為礁坪上增水的47.6%。

波浪到達(dá)礁坪后發(fā)生破碎,礁坪上水流以向岸流為主,存在著先增大后減小的趨勢(shì)。水流到達(dá)潟湖后方向發(fā)生第1 次接近90°的旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱地指向裂口的沿岸流,流速從兩側(cè)到裂口先增大后減小。沿岸流在裂口附近匯聚,方向發(fā)生第2 次旋轉(zhuǎn),進(jìn)而形成了裂口中的離岸流,流速同樣是先增大后減小。離岸流到達(dá)礁緣后繼續(xù)向外海傳播一段距離同時(shí)發(fā)生第3 次方向旋轉(zhuǎn),形成從裂口指向兩側(cè)的沿岸流。礁坪上向岸流變化是平均水位梯度和輻射應(yīng)力相互作用的結(jié)果,在裂口中的離岸流驅(qū)動(dòng)力主要為輻射應(yīng)力,而潟湖中的沿岸流變化由平均水位梯度決定。

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