楊 氾，張 瑋

(1.河海大學(xué) 港口航道及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210024)

韋帕臺(tái)風(fēng)對(duì)連云港典型水域波能損耗及懸沙含沙量影響研究

楊 氾1，2，張 瑋1

(1.河海大學(xué) 港口航道及近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210024)

旨在建立淤泥質(zhì)海岸條件下波能功率沿程損耗和水體懸沙垂向懸浮功率之間的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期連云港波浪數(shù)學(xué)模型，求解了測(cè)點(diǎn)處波能功率沿程損耗的變化過(guò)程。結(jié)合實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析后認(rèn)為，該過(guò)程與波高過(guò)程存在相位差，同時(shí)與實(shí)測(cè)水體懸沙含沙量變化過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。結(jié)合以往研究成果，說(shuō)明利用波能功率衰減變化推求淤泥質(zhì)海岸風(fēng)天條件下的水體含沙量變化可以同時(shí)滿足空間和時(shí)間上對(duì)應(yīng)關(guān)系。還分析了底部摩阻損耗與底部含沙量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩者在時(shí)空分布上也較為吻合。通過(guò)韋帕臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)資料和數(shù)學(xué)模型結(jié)果，推求出波能功率沿程損耗與懸沙垂向懸浮功率之間的轉(zhuǎn)化因子為0.3。

淤泥質(zhì)海岸;臺(tái)風(fēng);波能損耗;含沙量;連云港

我國(guó)有著漫長(zhǎng)的淤泥質(zhì)海岸線。隨著觀測(cè)試驗(yàn)手段不斷提高以及理論研究成果的不斷積累，人們對(duì)于淤泥質(zhì)海岸岸灘泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐漸深入，通過(guò)現(xiàn)有實(shí)測(cè)風(fēng)、浪、流資料推求岸灘變化成為合理規(guī)劃保護(hù)、利用和開發(fā)淤泥質(zhì)海岸方案的有力手段和重要依據(jù)。在淤泥質(zhì)海岸，岸灘沖淤變化主要受到水體懸浮含沙量變化的影響。因此，研究分析水流、波浪條件與水體含沙量之間的關(guān)系對(duì)于有效預(yù)測(cè)岸灘變化很有意義。眾多學(xué)者引用挾沙力建立起其與動(dòng)力條件之間的關(guān)系，如劉家駒［1］、曹祖德［2］、竇國(guó)仁［3］等人分別提出了各自的水體挾沙力公式，其他學(xué)者也分別基于最新的觀測(cè)結(jié)果針對(duì)風(fēng)天條件下淤泥質(zhì)海岸挾沙力展開研究［4］，這些成果在以往實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果。

隨著對(duì)于泥沙回淤計(jì)算精度要求的逐漸提高，近年來(lái)廣泛受到關(guān)注的大風(fēng)浪泥沙驟淤問(wèn)題不僅需要預(yù)報(bào)驟淤量，更需要掌握大風(fēng)浪過(guò)程中的含沙量變化過(guò)程。如文獻(xiàn)［5］所述，目前基于挾沙力研究成果所計(jì)算出的平均含沙量，只能反映較長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力條件相對(duì)應(yīng)的含沙量，如年平均含沙量，難以反映出大浪期間隨時(shí)間變化的含沙量過(guò)程，難以反映實(shí)測(cè)資料中含沙量變化滯后于動(dòng)力變化的過(guò)程［6-7］。針對(duì)這一問(wèn)題，孔令雙［8］認(rèn)為泥沙運(yùn)動(dòng)受到慣性作用，因此滯后于挾沙力變化過(guò)程;吳德安［9］認(rèn)為動(dòng)力作用需要時(shí)間過(guò)程，即存在動(dòng)力的滯后性;竇國(guó)仁［3］認(rèn)為含沙量不僅受挾沙力作用，也與前期及來(lái)流方向的含沙量有關(guān)。

從能量角度上講，風(fēng)天時(shí)刻劇烈的水體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的紊動(dòng)能量是導(dǎo)致水體含沙量升高的直接原因，水體懸沙懸浮所需要的懸浮功率應(yīng)等于或小于水體紊動(dòng)功率，兩者在變化趨勢(shì)上應(yīng)保持一致。波浪在向近岸傳播過(guò)程中的能量損耗是引起水體紊動(dòng)能量升高的最大來(lái)源，也是維持水體懸沙懸浮和近底含沙量增大的主要原因?；诖?，以2007年連云港韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期觀測(cè)資料為依據(jù)，依托波浪數(shù)學(xué)模型手段，分析和研究波能功率沿程損耗隨時(shí)間變化過(guò)程的特點(diǎn)，通過(guò)其與實(shí)測(cè)水體含沙量變化過(guò)程的對(duì)比，分析兩者在時(shí)間變化上的關(guān)系;建立波能功率沿程損耗與水體泥沙懸浮功之間的理論公式，通過(guò)實(shí)測(cè)資料推求兩者之間的轉(zhuǎn)換因子系數(shù)。

1 實(shí)測(cè)資料分析

連云港地處江蘇省北部黃海海州灣西南岸，屬于我國(guó)比較典型的淤泥質(zhì)海岸之一。2007年9月16日，第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”(Wipha)在西太平洋洋面上生成，并與2007年9月19日2時(shí)20分在浙江省蒼南縣霞關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)登陸，最大風(fēng)力為14級(jí)(45 m/s)，并在登陸后不久減弱為熱帶風(fēng)暴，于9月20日凌晨5時(shí)在江蘇省灌南縣境內(nèi)離岸，最大風(fēng)力為8級(jí)(18 m/s)。臺(tái)風(fēng)離岸過(guò)程中，對(duì)于連云港海域造成了一定的影響，其中大西山海洋站實(shí)測(cè)瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到28.8 m/s，為近年來(lái)對(duì)連云港影響較大的一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)。交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院在該海域設(shè)立了2個(gè)測(cè)站，分別位于－3 m和－5 m水深處，在臺(tái)風(fēng)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄了水流、波浪及水體含沙量等資料［7］，為分析風(fēng)天條件下連云港水動(dòng)力條件及泥沙運(yùn)動(dòng)提供了基礎(chǔ)。

在淤泥質(zhì)海岸，波浪作為泥沙懸揚(yáng)主要的能量來(lái)源，在挾沙力公式中可以通過(guò)波高的平方來(lái)表示。根據(jù)觀測(cè)資料做出－3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)處波高平方與水體垂向平均含沙量及近底含沙量隨時(shí)間的變化過(guò)程(圖1)。

圖1 2007年韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期連云港實(shí)測(cè)－3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)處波能與含沙量變化過(guò)程Fig.1 The progress of the wave power and SSC at-3 m and －5 m points in Lianyungang during Typhoon Wipha，2007

圖1可以看出，兩次峰值時(shí)刻，含沙量峰值滯后于波高峰值約0.5～1.0個(gè)小時(shí)，這說(shuō)明實(shí)際含沙量過(guò)程滯后于波高及波能過(guò)程。

從圖2可以看出，同一時(shí)刻，－5 m、－3 m測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波高之間存在一定的差距，這是因?yàn)椴ɡ嗽趥鞑ミ^(guò)程中受到底部摩阻作用和破波因素影響存在波能的沿程損耗?；诰€性波理論，一個(gè)波周期內(nèi)單位寬度斷面上波能E在傳播方向上的沿程損耗率可以表示為

圖2 －3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)波高及兩測(cè)點(diǎn)間波高差距隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.2 The progress of the wave height at－3 m and －5 m point and their difference

考慮到淤泥質(zhì)海岸岸灘變化坡度較小，從實(shí)測(cè)地形上來(lái)看，在－3 m和－5 m測(cè)點(diǎn)之間，岸灘邊坡基本保持不變;此外，根據(jù)以往研究成果，緩坡條件下，隨著坡度的減小，底部摩阻損耗會(huì)逐漸取代破波損耗，稱為波浪傳播過(guò)程中的主要損耗方式。假設(shè)底部摩阻沿程損耗在邊坡不變時(shí)可以為一定值，且－5 m至－3 m測(cè)點(diǎn)之間波高沿程衰減率可近似表達(dá)為波高差與距離的比值，即:

將－3 m及－5 m測(cè)點(diǎn)處的一個(gè)周期斷面波能沿程損耗率近似表示為

上式說(shuō)明，－3 m及－5 m測(cè)點(diǎn)處的波能沿程損耗率的變化過(guò)程受該點(diǎn)處波高H及兩點(diǎn)間波高差ΔH兩者變化過(guò)程的共同影響。韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)刻徐圩海域存在兩次波浪峰值時(shí)刻，分別為20日的凌晨及上午9點(diǎn)左右。從圖2中可看出，20日凌晨1點(diǎn)左右，兩測(cè)點(diǎn)波高先后達(dá)到峰值，但波高差峰值晚于波高峰值1小時(shí)后出現(xiàn);20日上午9點(diǎn)，兩測(cè)點(diǎn)波高同時(shí)達(dá)到峰值，而測(cè)波高差峰值于晚于波高峰值2個(gè)小時(shí)出現(xiàn)。這說(shuō)明，波高變化過(guò)程與測(cè)點(diǎn)間波高差變化過(guò)程在時(shí)間上存在相位上的差距，后者滯后于前者?？紤]到兩者在數(shù)值上共同決定了波能沿程損耗的變化過(guò)程，因此可以推論，斷面波能沿程損耗?E/?x變化過(guò)程與波高H變化過(guò)程存在一定程度上的相位差距，前者滯后于后者。

當(dāng)該斷面能量以一定波速向岸傳播過(guò)程中，由于底部摩阻影響，同時(shí)也伴隨著波速的衰減。采用波能功率沿程損耗?P/?x來(lái)代替?E/?x進(jìn)行分析，可以更綜合反映出單位時(shí)間內(nèi)斷面波能衰減和波速衰減所產(chǎn)生的紊動(dòng)能量，即紊動(dòng)功率。依據(jù)線性波理論有:

即波能功率損耗應(yīng)等于斷面波能的沿程損耗和波群速度沿程損耗兩部分組成。?P/?x可以近似看做單寬波能在經(jīng)過(guò)單位長(zhǎng)度后轉(zhuǎn)化為的紊動(dòng)功率，由此可以進(jìn)一步推論，某測(cè)點(diǎn)處由波浪引起的紊動(dòng)功率的變化過(guò)程應(yīng)滯后于該點(diǎn)處的波高變化過(guò)程。

臺(tái)風(fēng)天實(shí)測(cè)資料獲取難度較大，測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少。為了進(jìn)一步說(shuō)明波能功率沿程損耗變化滯后于波高變化這一特性，擬通過(guò)建立韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期連云港數(shù)學(xué)模型，得到近岸破波區(qū)波浪功率沿程分布，進(jìn)而推求出波能功率沿程損耗隨時(shí)間變化過(guò)程，為隨后的分析奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)學(xué)模型建立

波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍西自現(xiàn)有岸線，北起日照(35°22'30″N，119°33'E)，東至(35°22'30″N，120°17'E)，南至廢黃河口附近(34°17'00″N，120°17'E)，東西寬約 99.7 km，南北長(zhǎng)約 119.3 km，模型范圍約8 648 km2(圖3)。水下地形根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定?？紤]到計(jì)算范圍較大，波浪模型采用動(dòng)譜能量守恒方程:

式中:N為動(dòng)譜能量密度;σ為相對(duì)波浪頻率(當(dāng)坐標(biāo)系隨水流運(yùn)動(dòng)時(shí)觀測(cè)到的頻率);θ為波向;Cx，Cy為波浪沿x、y方向傳播的速度;Cσ，Cθ為波浪在σ、θ坐標(biāo)下的傳播速度。S為源匯項(xiàng)，如式(7)表示

式中:Sin為風(fēng)能輸入項(xiàng);Snl為非線性波－波相互作用的能量傳輸;Sds為波浪白帽耗散造成的能量損失;Sbot為波浪底部摩阻所造成的能量損失;Ssurf為波浪破碎所導(dǎo)致的能量損失。

模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，并在連云港周邊海域加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺度100 m，最大網(wǎng)格尺度5 000 m，如圖3所示?？紤]到常風(fēng)天條件下，連云港波浪較小，而韋帕臺(tái)風(fēng)臨近連云港時(shí)處于離岸狀態(tài)，連云港附近海域波浪主要為風(fēng)浪，浪高、浪向受風(fēng)速、風(fēng)向影響較大，而外海傳波對(duì)于連云港波浪影響較小，因此東、北兩條水邊界設(shè)定為透浪邊界，允許能量傳出，西、南邊界為陸邊界。風(fēng)場(chǎng)資料和潮位資料采用大西山實(shí)測(cè)風(fēng)資料和潮位資料。

首先采用多年波浪實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和參數(shù)率定。底部摩阻系數(shù)采用龔崇準(zhǔn)推薦值kn=0.01，波浪破碎指標(biāo)采用Ruessink推薦計(jì)算公式，波浪譜采用JOSWAP譜。根據(jù)連云港大西山海洋站(34°47'N、119°26'E)1962 至2003 年實(shí)測(cè)波浪資料統(tǒng)計(jì)［10］，連云港常浪向?yàn)镹E向。強(qiáng)浪向?yàn)镹NE向，NE次之。因此綜合考慮后，采用50年、25年、10年、2年一遇NE向波浪資料，并結(jié)合文獻(xiàn)［11］推求－20 m等深線深水波要素，進(jìn)行模型的驗(yàn)證和率定，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示?？梢钥闯鏊⒉ɡ藬?shù)學(xué)模型基本符合實(shí)際，可用于進(jìn)一步計(jì)算韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期的波浪情況。

圖3 波浪模型范圍及網(wǎng)格(北京54座標(biāo)120°E)Fig.3 The range and the mesh of wave model

表1 連云港大西山及深水波要素驗(yàn)證Tab.1 The verification of the wave at Daxishan，Lianyungang and the deep water

計(jì)算參數(shù)中，時(shí)間步長(zhǎng)Δt=30 s。模型計(jì)算時(shí)間從2007年9月15日12點(diǎn)開始，至9月21日0點(diǎn)結(jié)束，重點(diǎn)關(guān)注18日18時(shí)至20日12時(shí)的波浪過(guò)程。風(fēng)場(chǎng)采用整點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)速資料，潮位采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)潮位結(jié)果，暫不考慮潮流對(duì)于波浪的作用。

韋帕臺(tái)風(fēng)浪模型采用－3 m和－5 m測(cè)站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算波高和實(shí)測(cè)值基本符合，變化過(guò)程趨于一致，較好的反映出兩次峰值期間的波浪變化過(guò)程，由此可以認(rèn)為建立的臺(tái)風(fēng)浪模型能較好的模擬韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期連云港周邊波浪隨時(shí)間的變化過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步研究分析波能功率沿程損耗情況。

圖4 －3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)處波高驗(yàn)證Fig.4 The verification of wave height at－3 m and －5 m points

3 波能功率損耗的計(jì)算分析

上文依據(jù)實(shí)測(cè)資料得到波能功率沿程損耗?P/?x變化滯后于波高H變化這一推論。受到折射效應(yīng)的影響，在向近岸傳播過(guò)程中，波向接近于橫向斷面?zhèn)鞑?，此時(shí)可以認(rèn)為橫向斷面上波能功率沿程損耗?P/?x最大。由于實(shí)測(cè)資料中兩測(cè)點(diǎn)連線與橫向斷面線有較大的夾角，為較為真實(shí)的反應(yīng)出實(shí)際波浪傳播過(guò)程中的波能沿程損耗，需分別經(jīng)過(guò)這兩點(diǎn)建立橫向斷面(圖5)。

通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果提取處各點(diǎn)的波能功率，可得到起橫向斷面分布(圖6，以2007年9月20日9時(shí)為例)?？梢钥闯觯吰略酱螅芄β恃爻虛p耗率亦增大;當(dāng)邊坡保持基本不變時(shí)，波能功率沿程衰減率在較短距離內(nèi)亦可認(rèn)為保持不變。因此提取各測(cè)點(diǎn)附近橫向斷面內(nèi)波能功率值，認(rèn)為其沿程線性衰減，從而得到該點(diǎn)處?P/?x的變化過(guò)程。

圖5 測(cè)點(diǎn)及斷面布置示意Fig.5 The sketch diagram of the point and profile

圖6 2007年9月20日9時(shí)左右大浪時(shí)刻波能功率橫向斷面分布Fig.6 The cross-profile of wave power at 9pm，Sept.20，2007

考慮到在崩破波條件下，波浪的底部摩阻損耗對(duì)于底部泥沙的掀起作用遠(yuǎn)大于破波。為了分析底部含沙量的變化過(guò)程，有必要單獨(dú)計(jì)算底部摩阻損耗。通過(guò)提取測(cè)點(diǎn)處波高H、周期T、水深h、底床質(zhì)點(diǎn)水平速度ub，根據(jù)線性波理論和Jonsson［12］可以求解得到底部摩阻損耗功率Pbot。由此可以臺(tái)風(fēng)過(guò)程期間各測(cè)點(diǎn)處的波能功率沿程損耗以及底部摩阻損耗隨時(shí)間變化的過(guò)程(圖7)。從中可以看出:

1)各測(cè)點(diǎn)波能功率沿程損耗隨時(shí)間的變化與波高變化第一次峰值時(shí)刻存在一個(gè)小時(shí)的相位差，前者晚于后者;第二次峰值時(shí)刻滯后半個(gè)小時(shí)。

2)各測(cè)點(diǎn)底部摩阻波能功率損耗隨時(shí)間變化與波高變化在第一次峰值時(shí)刻存在一個(gè)小時(shí)的相位差，前者晚于后者;第二次峰值時(shí)基本吻合。

3)在淤泥質(zhì)海岸，底部摩阻損耗是波能損耗的主要形式。隨著水深減小，底部摩阻損耗越大，同時(shí)其在波能功率損耗中所占的比重也越大，占總損耗的一半以上。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是實(shí)測(cè)資料還是數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果都表明，在臺(tái)風(fēng)條件下，淤泥質(zhì)海岸某一點(diǎn)處波能損耗(波能功率損耗)變化過(guò)程滯后于波高變化過(guò)程。此處需說(shuō)明，模型結(jié)果中滯后時(shí)間比實(shí)測(cè)資料略小，原因在于模型計(jì)算斷面為岸灘橫向斷面，而實(shí)測(cè)資料斷面與岸線并不垂直。后者不僅存在橫向岸灘損耗，同時(shí)也存在沿岸向岸灘損耗，因此兩者結(jié)果在數(shù)量上并不完全一致，但特性相同，均表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。

圖7 －3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)處波能功率損耗、底部摩阻損耗隨時(shí)間變化過(guò)程Fig.7 The progress of the loss of wave power and its bottom friction loss at－3 m and －5 m points

4 波能功率損耗與泥沙含量關(guān)系分析

引起水體含沙量增大的主要?jiǎng)恿?lái)源為波浪的底部切應(yīng)力作用以及破波所造成的水體紊動(dòng)，因此將波能功率損耗與近底水體含沙量以及垂線泥沙懸浮功率Pssc進(jìn)行對(duì)比分析。Pssc如下式定義:

式中:ω為泥沙沉速;S為垂向平均含沙量;ρs，ρ分別為泥沙顆粒密度和水密度;h表示水深。通過(guò)對(duì)結(jié)果(圖8)進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論:

1)淤泥質(zhì)岸灘上，波能功率沿程損耗變化能體現(xiàn)出與水體含沙量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。波能功率衰減峰值、谷值時(shí)刻時(shí)垂向整體懸浮功都有明顯的對(duì)應(yīng)峰值、谷值出現(xiàn)，且兩者增減變化基本無(wú)相位差距。

2)各點(diǎn)摩阻損耗變化與底部含沙量變化對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯，突出表現(xiàn)在底部含沙量峰值時(shí)刻前后，當(dāng)波能功率底部摩阻損耗發(fā)生變化時(shí)，底部含沙量亦發(fā)生變化，變化趨勢(shì)相同。兩者峰值、谷值時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系亦十分明顯。

3)從－3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)波能功率損耗隨時(shí)間變化關(guān)系上可以看出，連云港地區(qū)經(jīng)歷了兩次比較大的大浪過(guò)程，突出體現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)在灌云離岸過(guò)程中前沿風(fēng)場(chǎng)及中心風(fēng)場(chǎng)對(duì)于波浪場(chǎng)的影響。因此，波能損耗亦有明顯的兩次比較明顯的峰值，且大小接近。從觀測(cè)資料可以看出，第二次損耗峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)含沙量峰值明顯大于第一次。這一現(xiàn)象可以從挾沙能力來(lái)解釋:①第一次峰值時(shí)刻持續(xù)時(shí)間較短，此時(shí)水體實(shí)際含沙量可能并未達(dá)到水體挾沙能力含沙量，但近底的紊動(dòng)效應(yīng)已經(jīng)破壞了原有底床的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，動(dòng)力衰減后重新回落到底床上的懸沙在動(dòng)力增強(qiáng)時(shí)更容易進(jìn)入二次懸揚(yáng)狀態(tài)，突出表現(xiàn)在第一次和第二次峰值之間，當(dāng)波能功率底部摩阻沿程損耗出現(xiàn)小幅度的變化時(shí)，近底含沙量會(huì)同步出現(xiàn)較為劇烈的變化;②第二次峰值時(shí)刻持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，加之第一次峰值時(shí)刻對(duì)于底床的擾動(dòng)作用，使得底沙更加容易懸浮進(jìn)入水體。此時(shí)雖然損耗峰值比第一次要小，但水體實(shí)際含沙量可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到水體挾沙能力含沙量，突出表現(xiàn)在第二次峰值過(guò)后波能功率沿程損耗變小時(shí)，水體泥沙懸浮功及近底含沙量都表現(xiàn)出衰減趨勢(shì)，且趨勢(shì)相同，說(shuō)明在這一過(guò)程中，水體挾沙能力的減小導(dǎo)致水體含沙量減小，因此可以認(rèn)為此時(shí)水體實(shí)際含沙量已經(jīng)達(dá)到了挾沙能力含沙量。

圖8 －3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)波能功率損耗、底摩阻損耗與泥沙懸浮功、底部含沙量關(guān)系Fig.8 The relationship between the on-way wave power loss and the work of suspended sediment，and that between the bottom friction loss and the SSC at bottom

此處需指出，波能功率沿程損耗與水體挾沙力都是反映水流挾帶懸浮泥沙的能力，但兩者存在一定的區(qū)別。從目前的水體挾沙力計(jì)算公式可以看出，純波浪條件下，水體挾沙力基于現(xiàn)有水流能量，與波高的變化過(guò)程是同步的;而波能功率沿程損耗則是基于基于波浪沿程變化梯度，滯后于波高的變化。

綜上所述，波能沿程損耗能更綜合、完備地體現(xiàn)出與水體含沙量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，波能功率損耗過(guò)程與懸沙懸浮功過(guò)程吻合較好，兩者基本上無(wú)相位差距，這也反映了紊動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為泥沙懸浮運(yùn)動(dòng)能量時(shí)的即時(shí)性;波浪底部摩阻損耗過(guò)程與底部含沙量變化過(guò)程也較為吻合，基本無(wú)相位差。這說(shuō)明，在風(fēng)天條件下，從能量平衡角度利用波浪功率沿程損耗變化過(guò)程來(lái)分析和推求淤泥質(zhì)海岸破波區(qū)岸灘水體含沙量變化過(guò)程是可行的。

5 理論分析及公式建立

采用波能功率沿程損耗來(lái)代替波能沿程損耗進(jìn)行分析，因此結(jié)合文獻(xiàn)［13］的結(jié)果，通過(guò)采用波能功率替換斷面波能，基于能量守恒，可得到如下等式:

式中:Pw表示單位寬度上的波能功率;η表示波能功率損耗轉(zhuǎn)化的效率因子;ρs，ρ分別表示泥沙顆粒密度和水密度;S表示在垂向平均含沙量;ω表示沉速;h表示水深。相比文獻(xiàn)［13］，該式同時(shí)考慮了波高和波周期沿程的變化情況。公式存在兩個(gè)未知量，當(dāng)已知某一時(shí)刻波浪功率能量沿程損耗時(shí)即可推求水體平均含沙量。

所以當(dāng)已知波能功率沿程損耗?Pw/?x以及含沙量時(shí)，可推求效率系數(shù)η:

式(10)中，對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)，水深h可以通過(guò)觀測(cè)資料獲得，泥沙沉速ω根據(jù)連云港淤泥在海水中的沉速可取為ω=3 cm/s，ρs可取1.2×103kg/m3。上文中已經(jīng)由連云港韋帕臺(tái)風(fēng)波浪數(shù)學(xué)模型得到實(shí)測(cè)點(diǎn)處的?Pw/?x，結(jié)合實(shí)測(cè)含沙量，進(jìn)而可以推求出η。綜合考慮后，在排除底床擾動(dòng)影響的前提下，選取19日17時(shí)至20日6時(shí)一個(gè)完整潮位過(guò)程中－3 m、－5 m測(cè)點(diǎn)處波能損耗功率和水體含沙懸浮功通過(guò)式(10)來(lái)推求效率因子η，計(jì)算結(jié)果范圍為0.08至0.49，平均值為0.3，與文獻(xiàn)［13］計(jì)算結(jié)果相符，比文獻(xiàn)［13］結(jié)果略大。結(jié)合文獻(xiàn)［13］結(jié)論可以認(rèn)為，在已知合適的效率因子η前提下，式(9)能同時(shí)充分反映出風(fēng)天條件下淤泥質(zhì)海岸水體懸浮泥沙的空間分布和時(shí)間變化過(guò)程。

6 結(jié)語(yǔ)

1)建立韋帕臺(tái)風(fēng)時(shí)期連云港波浪數(shù)學(xué)模型，通過(guò)驗(yàn)證，與實(shí)測(cè)資料符合較好，可以反映臺(tái)風(fēng)期間波浪變化過(guò)程，為研究波能損耗與水體含沙量之間的關(guān)系提供了分析基礎(chǔ);

2)實(shí)測(cè)資料和波浪數(shù)學(xué)模型均表明，風(fēng)天條件下，淤泥質(zhì)海岸波能功率沿程損耗隨時(shí)間變化的峰值時(shí)刻晚于波高峰值，存在至少一個(gè)小時(shí)的相位差;

3)通過(guò)損耗類別分析后認(rèn)為，在淤泥質(zhì)海岸條件下，底部由于摩阻產(chǎn)生的波能功率損耗占總損耗達(dá)到一半以上，并且水深越小，比率越大;

4)在淤泥質(zhì)海岸條件下，某點(diǎn)的波能功率損耗隨時(shí)間變化過(guò)程線與該點(diǎn)處水體垂向平均含沙量隨時(shí)間變化過(guò)程吻合程度較好，可作為一個(gè)推斷后者時(shí)空分布的重要依據(jù);

5)在淤泥質(zhì)海岸條件下，某點(diǎn)波能功率的底部摩阻損耗變化過(guò)程與底部含沙量的變化過(guò)程在時(shí)間上吻合程度較好，可以作為一個(gè)推斷后者時(shí)空分布的重要依據(jù);

6)建立了波能功率損耗與泥沙懸浮功率之間的理論公式，并通過(guò)韋帕臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)資料推求出波能功率損耗與泥沙懸浮功率的轉(zhuǎn)換因子為0.3。

本次模型中暫未考慮波-流相互作用及風(fēng)吹流所造成的紊動(dòng)損耗計(jì)算。如何考慮風(fēng)天條件下水體波浪、潮流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的紊動(dòng)能量量化計(jì)算，這將在今后的工作中展開。

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The influence of Typhoon Wipha on the loss of wave power and the suspension sediment concentration during wind process on muddy coast in Lianyungang

YANG Fan1，2，ZHANG Wei1
(1.College of Port，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China)

This paper aims to establish the temporal relationship between the on-way loss of the wave power and the vertical power of the suspension sediment on the muddy coast.First，the process of the wave power on-way loss was calculated through the mathematical wave model at Lianyungang in Typhoon Wipha(2007).Both the observation data and the model result show that the process of wave power on-way loss lags behind that of wave height and is in good agreement with the process of suspension sediment concentration.The result of this paper and the existing research achievements show that the wave power on-way loss has both spatial and temporal correspondence with the vertical mean sediment concentration.This paper also analyzes the relationship between the wave power friction loss and sediment concentration at base，which also has a temporal correlation.Finally，based on both the field data in Typhoon Wipha and the result of mathematical model，the efficiency factor between wave power on-way loss and the vertical suspension power of the sediment is calculated，and it is 0.3.

muddy coast;typhoon;loss of wave power;sediment concentration;Lianyungang

TV148

A

1005-9865(2012)04-0082-08

2011-10-08

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA112509);江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(20100714-30HDKY001-2);2011年度江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CX2211-0449)

楊 氾(1987－)，男，江蘇南京人，博士生，主要從事淤泥質(zhì)海岸波浪運(yùn)動(dòng)及其影響的研究。E-mail:yf1412@hhu.edu.cn