姚 宇, 唐政江, 杜睿超, 蔣昌波

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珊瑚礁破碎帶附近波浪演化和波生流實(shí)驗(yàn)研究

姚 宇1, 2, 唐政江1, 杜睿超1, 蔣昌波1, 2

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410004; 2. 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(zhǎng)沙 410004)

為了研究珊瑚岸礁破碎帶附近波浪演化和波生流特性, 通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)規(guī)則波浪作用下珊瑚岸礁上沿礁分布的水位和流速進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量。在典型卷破波條件下, 測(cè)試了礁冠存在與不存在的兩種情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 多重波浪反射作用引起岸礁上形成不完全駐波, 而破碎帶附近的淺化作用則產(chǎn)生高次諧波, 波浪破碎所耗散的波能主要來(lái)源于主頻波, 礁坪上透射波成分中二次諧波與主頻波的能量相當(dāng); 礁冠的存在引起破碎帶寬度減小、礁坪上增水變大以及礁坪上各次諧波變小; 礁冠不存在時(shí), 岸礁上波生流的沿礁分布與平直海岸相似, 而礁冠的存在一定程度上阻礙了礁坪上水體向外海的回流。研究成果將豐富和發(fā)展珊瑚礁水動(dòng)力學(xué)理論, 并為島礁工程的建設(shè)和維護(hù)提供一定的理論參考。

高次諧波; 波生流; 破碎帶; 珊瑚岸礁

珊瑚礁(coral reef)是由碳酸鈣組成的珊瑚蟲(chóng)骨骼沉積形成的巖體, 廣泛分布于熱帶和亞熱帶淺海地區(qū)。我國(guó)擁有豐富的珊瑚礁資源, 主要分布于西沙、南沙、臺(tái)灣島和海南島沿岸。近年來(lái), 我國(guó)在南海地區(qū)珊瑚島礁周?chē)M(jìn)行填礁造陸的活動(dòng)日益增多, 建設(shè)了諸如機(jī)場(chǎng)、碼頭、燈塔、通信、氣象等相關(guān)設(shè)施。這些設(shè)施在復(fù)雜的遠(yuǎn)海海洋動(dòng)力環(huán)境下的穩(wěn)定性問(wèn)題日益受到學(xué)者們的關(guān)注, 其中由于臺(tái)風(fēng)暴潮引起的波浪作用是最重要的海洋動(dòng)力因素之一, 因此研究珊瑚礁附近與波浪相關(guān)的水動(dòng)力問(wèn)題對(duì)于珊瑚島礁工程設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

岸礁(fringing reef)是珊瑚礁的常見(jiàn)類(lèi)型, 主要由連接深海海床的礁前斜坡和延伸向海岸的水平礁坪組成, 在礁前斜坡和礁坪相接的礁緣處還有可能存在一個(gè)隆起的礁冠。與平直海岸類(lèi)似, 波浪由深海傳至岸礁, 由于礁前斜坡上水深急劇變淺, 波浪因淺化作用而變陡, 進(jìn)而在礁緣附近發(fā)生破碎, 破碎過(guò)程如圖1所示, 破碎波在礁坪上傳播一段距離消耗大量的能量后重新生成行進(jìn)波, 因此礁坪上并不存在類(lèi)似于平直海岸的沖泄區(qū)。同時(shí)波浪破碎也會(huì)引起礁坪上產(chǎn)生波浪增水和波生流[1-2], 并且部分波生流以海底回流的形式返回到外?！，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)伴隨著礁前斜坡和礁緣附近的波浪淺化和破碎作用, 礁坪上波譜顯著變寬, 產(chǎn)成高頻波[3-4]和低頻波[5]。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)于岸礁上波浪演化的物理模型實(shí)驗(yàn)研究主要集中于波浪傳播變形、破碎以及增水方面的問(wèn)題, 例如: 張慶河等[6]對(duì)規(guī)則波在臺(tái)階地形上的破碎規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Yao等[7]用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了岸礁對(duì)于波浪傳播的影響,驗(yàn)證了礁頂水深是控制波浪破碎和增水產(chǎn)生的決定性參數(shù)。Yao等[8]采用物理模型系統(tǒng)地研究了破波類(lèi)型、破波位置和破碎帶寬度等破碎波的特征隨礁盤(pán)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。梅弢和高峰[9]實(shí)驗(yàn)?zāi)M了常年平均波浪和重現(xiàn)期為50 a的兩種波浪條件, 研究了波浪在珊瑚礁上的傳播規(guī)律。柳淑學(xué)等[10]通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)對(duì)規(guī)則波和不規(guī)則波在珊瑚礁作用下的波浪破碎及波高變化進(jìn)行了研究, 并給出波浪破碎指標(biāo)。姚宇等[11-12]通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)分別研究了珊瑚礁破碎帶附近的波浪反射、透射以及能量衰減規(guī)律和礁冠的存在對(duì)于珊瑚礁上波浪傳播變形以及增水產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究幾乎沒(méi)有涉及破碎帶附近波浪的詳細(xì)演化過(guò)程, 對(duì)波生流問(wèn)題也研究甚少。Gourlay[13]通過(guò)一系列物理模型實(shí)驗(yàn)首次研究了規(guī)則波作用下礁坪上的波生流問(wèn)題, 然而其僅在礁坪上單點(diǎn)位置對(duì)岸礁上的波生流進(jìn)行測(cè)量, 無(wú)法分析流速的垂向分布和沿礁變化。

因此, 本文通過(guò)波浪水槽物理模型實(shí)驗(yàn), 對(duì)珊瑚岸礁破碎帶附近沿礁分布的波和流在空間上進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量, 以此研究波浪演化和波生流特性。具體來(lái)說(shuō), 以某一典型的卷破波工況為例, 分別探討兩種礁形(存在和不存在礁冠)破碎帶附近波高的變化、高頻波的產(chǎn)生和波生流的分布。研究成果將豐富和發(fā)展珊瑚礁水動(dòng)力學(xué)理論, 為島礁工程的建設(shè)和維護(hù)提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

物理模型實(shí)驗(yàn)在新加坡南洋理工大學(xué)的長(zhǎng)36 m, 寬0.55 m, 高0.6 m的波浪水槽中進(jìn)行, 實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖2a所示, 水槽左端為一臺(tái)具備主動(dòng)吸收功能的推板式造波機(jī), 另一端距造波機(jī)約32 m處設(shè)置坡度為1︰8的斜面模擬礁后岸灘。物理模型按照弗洛伊德相似定律, 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的原型礁冠[14]按 1︰20制作, 對(duì)應(yīng)的時(shí)間比尺為1︰4.5。在距造波機(jī)16.35 m處設(shè)置坡度為1︰6的斜坡模擬礁前斜面, 斜面后接長(zhǎng)度為7 m的水平平臺(tái)模擬礁坪。礁冠寬50 cm, 高5 cm, 長(zhǎng)55 cm, 長(zhǎng)度與水槽寬度相匹配, 礁冠固定于礁坪平臺(tái)上, 與礁坪邊緣對(duì)齊。實(shí)驗(yàn)中沿礁布置12個(gè)浪高儀(G1~G12)來(lái)測(cè)量自由液面的變化。對(duì)于礁冠存在和不存在的情況, 實(shí)驗(yàn)均測(cè)試了礁坪水深范圍為0.05~0.10 m、波浪周期范圍為1~2 s、深水波高范圍為0.04~0.12 m的組合規(guī)則波工況, 據(jù)上述模型比尺對(duì)應(yīng)的原型波浪條件為礁坪水深1~2 m、波浪周期4.5~9 s、深水波高0.8~2.4 m, 符合Hench等[14]的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況, 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)姚宇等[12]。

1.1 波浪的測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中觀察到, 當(dāng)水深增大時(shí), 破碎點(diǎn)由礁前斜坡移向礁緣, 大部分波況下波浪以卷破的形式破碎。破碎帶寬度定義為從破碎帶起點(diǎn)(破碎點(diǎn))到破碎帶終點(diǎn)(破碎停止并重新生成行進(jìn)波)之間的水平距離[11], 由內(nèi)破碎帶和外破碎帶組成, 如圖1所示。為研究波流的沿礁分布, 本文選擇一個(gè)代表性波況(遠(yuǎn)海靜水深0=0.45 m, 深水波高0=0.095 m, 波周期=1.25 s)沿礁進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量, 此工況下波浪破碎為典型的卷破波, 所觀測(cè)到的破碎帶的特征位置如表1所示。在此工況下選擇破碎帶附近60個(gè)測(cè)點(diǎn)位置對(duì)礁冠存在和不存在的情況均進(jìn)行詳細(xì)的波浪測(cè)量, 如圖2b所示: 測(cè)量區(qū)域始于礁前斜坡上的淺化帶(距離礁緣外海側(cè)0.75 m), 終于破碎帶后再生波帶(距離礁緣向岸側(cè)3.675 m), 相鄰測(cè)點(diǎn)間距75 mm。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)在同次運(yùn)行中沿水槽移動(dòng)浪高儀G4對(duì)60個(gè)位置的自由液面依次進(jìn)行測(cè)量, 每個(gè)測(cè)點(diǎn)的采樣時(shí)間為3 min, 浪高儀采樣頻率為50 Hz。由于卷破波沖擊點(diǎn)附近存在強(qiáng)烈的摻氣作用, 測(cè)量誤差較大, 因此沖擊點(diǎn)附近的測(cè)點(diǎn)在本文中不作分析。

1.2 水流的測(cè)量

本文采用二維電磁流速儀測(cè)量波浪作用下沿礁水流的分布, 流速儀直徑為5 mm, L形探頭正對(duì)波浪傳播方向放置以測(cè)量瞬時(shí)水平流速和垂向流速。

測(cè)量時(shí)須保證流速儀探頭始終位于水面以下, 故波谷以上的流速未能測(cè)量。如圖2b所示, 實(shí)驗(yàn)中沿水槽中軸線選取13條垂向測(cè)線(1~3位于淺化帶,4~11位于破碎帶,12~13位于破碎帶后再生波帶, 具體位置見(jiàn)表2), 詳細(xì)測(cè)量每條垂線上槽底上方到波谷下方之間每隔5 mm的流速分布。破碎帶內(nèi)測(cè)線的具體位置根據(jù)有無(wú)礁冠兩種情形時(shí)破碎點(diǎn)、沖擊點(diǎn)、濺波點(diǎn)位置以及破碎帶寬度的差異(見(jiàn)表1)略有不同。由于礁緣或礁冠附近的流速變化較大, 對(duì)此區(qū)域測(cè)線進(jìn)行了局部加密, 同樣由于卷破波的沖擊點(diǎn)和濺波點(diǎn)之間的區(qū)域存在強(qiáng)烈的摻氣作用, 故此區(qū)域不進(jìn)行測(cè)量。

表1 觀測(cè)的破碎帶特征位置(規(guī)則波工況h0=0.45 m, H0=0.095 m, T=1.25 s, 圖3、圖4同)

a: 原點(diǎn)為礁緣位置, 礁緣向岸側(cè)為正向(表2同)

實(shí)驗(yàn)中電磁流速儀自造波機(jī)啟動(dòng)10 min后開(kāi)始采樣, 以保證波浪和水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 采樣頻率為30 Hz。每條垂線上的流速分布在同一次運(yùn)行中進(jìn)行測(cè)量, 而后在新的運(yùn)行中測(cè)量下一條垂線, 各采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間設(shè)為5 min, 相鄰兩次運(yùn)行至少間隔30 min以消除可能存在的余流影響。

2 結(jié)果分析

2.1 波浪演化

類(lèi)似于臺(tái)階式地形(如潛堤、沙壩等), 波浪作用于岸礁的礁前斜坡和礁冠時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波, 以往的物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究(如Brossard等[15])表明, 超過(guò)60%的入射波能可通過(guò)高頻波傳遞到結(jié)構(gòu)物下游。本文擬通過(guò)傅里葉變換對(duì)測(cè)得的自由液面時(shí)間序列進(jìn)行諧波分析來(lái)研究能量從主頻波到高頻波的轉(zhuǎn)移。圖3和圖4分別展示了代表性工況0=0.45 m,0=0.095 m,=1.25 s下礁冠不存在與存在時(shí)總波幅(t)、各次(精確到五次)諧波波幅(t~5)以及平均水位(MWL)的沿礁變化, 圖中MWL通過(guò)對(duì)所測(cè)各點(diǎn)自由液面的時(shí)間序列求平均獲得。

表2 流速測(cè)量位置

圖3a和圖4a中波幅t的沿礁變化表明: 波浪破碎點(diǎn)均位于礁緣離岸一側(cè)(此時(shí)波幅達(dá)到最大); 在礁前斜坡上, 由于波浪反射, 波幅在空間上存在起伏(形成了不完全駐波), 當(dāng)礁冠存在時(shí)波浪反射更強(qiáng), 故駐波現(xiàn)象更為明顯; 相較于礁冠不存在的情況, 礁冠的存在使局部水深變淺, 破碎帶變窄, 隨之造成波幅沿礁衰減加快; 在礁坪上破碎帶后的再生波帶, 雖然兩種礁形下礁坪靜水深相同(h=0.1 m), 但礁冠存在時(shí)再生波的波幅仍略小; 由于礁坪兩端和礁后岸灘造成的多重波浪反射的影響, 礁坪上的波幅亦出現(xiàn)空間上的起伏。理論上駐波波長(zhǎng)為相同條件下行進(jìn)波波長(zhǎng)的一半, 對(duì)于上述工況, 礁坪上淺水透射波波長(zhǎng), 則礁坪上不完全駐波的波長(zhǎng)估算為0.63 m, 與圖中觀測(cè)到的駐波波長(zhǎng)(礁坪上起伏的波幅相鄰峰值間的距離)比較接近。

圖3a和圖4a中各次諧波振幅(1~5)的沿礁分布表明: 在淺化帶, 由于波浪的淺化作用, 波能由主頻波向高頻波轉(zhuǎn)移, 高頻波波幅沿礁逐漸增大, 在破碎點(diǎn)附近達(dá)到峰值, 此時(shí)二次諧波波幅(2≈0.02 m)達(dá)到入射波幅(t≈0.06 m)的33%, 三次諧波波幅(3≈0.01 m)大約為t的17%, 而四到五次諧波則相對(duì)較小, 由于斜坡的強(qiáng)反射作用, 主頻波1在礁前斜坡上產(chǎn)生駐波現(xiàn)象(尤其是礁冠存在時(shí)); 在破碎帶內(nèi), 由于波浪破碎耗能, 主頻波1迅速減小, 而高次諧波2~5僅略微減小; 在破碎帶后礁坪上的再生波帶, 透射波能量中高次諧波的能量所占據(jù)了相當(dāng)?shù)牟糠? 其中二次諧波與主頻波能量接近, 而三次到五次諧波則幾乎可以忽略, 特別是第五次諧波僅表現(xiàn)為入射波幅的2%, 所以本文不再分析更高次的諧波。同時(shí)各次諧波的幅值仍和上述波高一樣出現(xiàn)空間上的波動(dòng)(即駐波現(xiàn)象)。礁冠的存在對(duì)于諧波沿礁變化有一定的影響, 由于礁冠一定程度上增強(qiáng)了破碎波能量的消耗, 因此礁冠存在時(shí)礁坪上各次諧波的能量略有減小。

圖3b和圖4b表明, 波浪在礁前斜坡由于變淺作用造成MWL下降產(chǎn)生減水(即MWL小于靜水位), 其直至波浪破碎點(diǎn)達(dá)到最低值(此為破碎帶起點(diǎn)), 此時(shí)減水值分別是–0.7 cm(無(wú)礁冠)和–2.3 cm(有礁冠), 隨后MWL開(kāi)始沿破碎帶上升, 直到破碎停止重新生成行進(jìn)波時(shí)(此為破碎帶終點(diǎn)), MWL表現(xiàn)為增水(MWL大于靜水位0), 這與上述波幅的變化趨勢(shì)恰好相反, 符合Longuet-Higgins和Stewart[16]的輻射應(yīng)力理論的描述; 隨后由于破碎過(guò)程結(jié)束, 在礁坪上的再生波帶增水趨于常值, 其中無(wú)礁冠時(shí)波浪破碎導(dǎo)致的增水為0.6 cm, 對(duì)應(yīng)的相對(duì)增水值(礁坪增水最大值與礁坪靜水深的比值)為6%, 有礁冠時(shí)的增水為1.7 cm, 對(duì)應(yīng)的相對(duì)增水值為17%; 值得注意的是, MWL的沿礁分布以及增水的產(chǎn)生并未受到駐波的影響而出現(xiàn)起伏。對(duì)比有無(wú)礁冠兩種礁形下MWL的變化特征, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)礁冠存在時(shí)破碎點(diǎn)附近平均水位的變化同樣更為劇烈。根據(jù)圖中MWL變化特征, 估算有無(wú)礁冠時(shí)的破碎帶寬度(即圖3b和圖4b中箭頭所示的破碎點(diǎn)和破碎帶終點(diǎn)之間的距離)分別為1.2 m和2.7 m, 與實(shí)驗(yàn)中的觀測(cè)值1.38 m和2.92 m (由表1計(jì)算)基本一致。

2.2 波生流

珊瑚岸礁波浪破碎帶內(nèi)垂向水流結(jié)構(gòu)特征對(duì)于珊瑚沙輸運(yùn)等海岸動(dòng)力過(guò)程具有重要影響。本文通過(guò)對(duì)沿波浪傳播方向的水流在垂向上的分布進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量, 來(lái)分析岸礁上波生流的變化規(guī)律。以選取的工況為例, 圖5對(duì)比了礁冠存在與不存在時(shí)若干有代表性的垂線上中間水深處水平沿礁流速(調(diào)整到相位一致)的時(shí)間序列。在淺化帶(1), 實(shí)測(cè)流速呈現(xiàn)明顯的周期性變化, 且振幅在有無(wú)礁冠兩種情況下基本相同; 在外破碎帶的破碎波沖擊點(diǎn)附近(5), 瞬時(shí)流速呈鋸齒狀不對(duì)稱(chēng)分布, 具有典型的非線性波特征; 在內(nèi)破碎帶的濺波點(diǎn)附近(9), 流速則不甚規(guī)則, 一方面是由于波浪破碎引起的紊流和摻氣作用對(duì)流速測(cè)量產(chǎn)生了影響, 另一方面是由于高頻波的產(chǎn)生; 相較于1和5, 由于礁冠的阻水作用,9位置在礁冠存在時(shí)的流速幅值較礁冠不存在時(shí)小; 在破碎帶后的再生波帶(13), 流速變化傾向有序, 由于高頻波的影響存在次波峰, 而流速幅值幾乎與9處相同。

圖6和圖7分別展示了礁冠不存在和存在時(shí)沿礁平均水平流速()隨水深的變化規(guī)律。本文通過(guò)集合平均法求得平均流速, 即先對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)所測(cè)的流速在幾十個(gè)波周期內(nèi)取相位平均, 然后求一個(gè)波周期內(nèi)相位平均流速的平均值得到總時(shí)均流速, 圖6和圖7中采用誤差條表示各測(cè)點(diǎn)時(shí)均流速的測(cè)量誤差, 誤差通過(guò)相位平均流速的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算。測(cè)點(diǎn)的位置由離礁緣的距離(礁緣向岸側(cè)為正向)和相對(duì)高程/確定(為測(cè)點(diǎn)高程,=0為靜水面,為當(dāng)?shù)仂o水深), 時(shí)均流速由當(dāng)?shù)販\水波波速進(jìn)行無(wú)量綱化。由于破碎波的摻氣作用, 在濺波點(diǎn)附近流速測(cè)量誤差較大(如圖6和圖7中的6~9)。

圖6表明, 當(dāng)礁冠不存在時(shí), 淺化帶(1~3)平均水流流向離岸方向, 即海底回流(波谷以上未能測(cè)到區(qū)域的平均水流為向岸流), 且隨著水深增大呈線性增大, 這是非破碎波的典型特征; 在外破碎帶的沖擊點(diǎn)離岸側(cè)(4~6), 流速呈非線性分布, 床面附近接近于0, 在破碎波波谷附近最大, 其中在5位置, 波谷附近的最大流速達(dá)到0.15; 在內(nèi)破碎帶(濺波區(qū)向岸側(cè))(6~11), 破碎波完全發(fā)展為涌波(bore), 大部分測(cè)點(diǎn)的流速為負(fù)值, 即流向離岸方向, 僅在7和8處的波谷附近流速為正值, 即流向海岸方向。實(shí)驗(yàn)中觀察到, 從6到11波浪破碎強(qiáng)度逐漸減小, 涌波尺度逐漸減小, 由于向岸的質(zhì)量輸移主要由行進(jìn)的涌波產(chǎn)生, 故觀察到的平均流的強(qiáng)度也在沿礁減小; 在破碎帶后的再生波帶(12和13), 垂向平均流速基本為零, 表明破碎帶后近岸區(qū)的波生流幾乎可以忽略不計(jì)。

圖7表明, 當(dāng)礁冠存在時(shí),1和2處垂向水流分布與礁冠不存在時(shí)相似; 但在3處, 波浪臨近破碎, 礁冠附近的垂向水流結(jié)構(gòu)明顯改變; 在礁冠頂部(4~6), 同樣存在離岸方向的平均流(海底回流), 但強(qiáng)度約為無(wú)礁冠時(shí)的兩倍(0.3), 最大海底回流出現(xiàn)在礁緣附近, 約為0.45; 在濺波點(diǎn)附近(7), 流速分布與6處相似, 但是幅值明顯較小; 在內(nèi)破碎帶(8~11), 波生流在底床附近流向離岸方向, 波谷附近則流向海岸方向, 同時(shí)強(qiáng)度逐漸減小; 在破碎帶后的再生波帶(12和13), 海底回流的強(qiáng)度幾乎可以忽略。綜上所述, 相較于無(wú)礁冠的情況, 當(dāng)礁冠存在時(shí)海底回流在礁冠附近明顯較大, 而在礁冠后隨著破碎帶的變窄而出現(xiàn)海底回流的范圍變小。這表明, 類(lèi)似于明渠流中寬頂堰的阻水作用, 礁冠能夠阻礙近岸側(cè)水體向外海側(cè)的回流, 從而影響礁坪和遠(yuǎn)海之間長(zhǎng)期的水體交換, 這對(duì)礁坪上珊瑚沙的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

值得注意的是, 本文測(cè)得的礁冠不存在時(shí)典型卷破波作用下沿礁的波生流垂向分布規(guī)律與已有文獻(xiàn)[17]中報(bào)道的在平直海岸情況下的測(cè)量結(jié)果比較一致, 表明典型的一維珊瑚岸礁和平直海岸上波浪破碎、增水和波生流的產(chǎn)生機(jī)理具有一致性。由于實(shí)驗(yàn)中的波浪水槽為封閉容器, 向岸方向的質(zhì)量輸移流必須由離岸方向的海底回流補(bǔ)償, 以保證水槽任一截面凈質(zhì)量輸移為零。實(shí)際的珊瑚礁系統(tǒng)可能在沿岸方向分布并不均勻, 往往存在著某些裂口, 近似于沙質(zhì)海岸的裂流系統(tǒng), 從而形成近岸水平環(huán)流。當(dāng)此類(lèi)環(huán)流存在時(shí), 向岸流主要是通過(guò)裂流回到外海而海底回流會(huì)顯著減小, 甚至有實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中發(fā)現(xiàn), 垂向水流僅表現(xiàn)為向岸流而不存在海底回流的情況[18], 因此本文的結(jié)論適用于沿岸方向分布較均勻的大片岸礁(不存在裂口)或遠(yuǎn)離裂口的區(qū)域。

3 結(jié)論

本文通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)對(duì)岸礁破碎帶附近沿礁分布的波浪和水流進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)在典型卷破波條件下測(cè)試了礁冠存在與不存在時(shí)的兩種礁形。分析表明, 在珊瑚岸礁上由于存在多重的波浪反射作用形成了不完全駐波, 但沿礁平均水位以及增水的產(chǎn)生并未受到駐波的影響; 破碎帶附近由于淺化作用產(chǎn)生高次諧波, 波浪破碎所耗散的能量主要由主頻波提供, 造成礁坪上透射波的組成中二次諧波與主頻波的能量相當(dāng); 礁冠的存在使破碎帶寬度減小、礁坪上增水變大以及礁坪上各次諧波變小; 在典型的卷破波條件下, 礁冠不存在時(shí)岸礁上波生流的沿礁分布特征與已有文獻(xiàn)中報(bào)道的平直海岸的情況相似, 而礁冠存在的作用類(lèi)似于明渠中寬頂堰, 一定程度上阻礙了靠岸側(cè)水體向離岸側(cè)的回流, 進(jìn)而影響礁坪和遠(yuǎn)海之間的水體交換。研究成果有助于進(jìn)一步研究珊瑚礁附近的水動(dòng)力過(guò)程和珊瑚沙的輸運(yùn)機(jī)理, 并為島礁工程的建設(shè)和維護(hù)提供一定的理論參考, 也可用于校核與波浪破碎相關(guān)的數(shù)值模型。

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Experimental study of wave transformation and wave-driven current around the surf zone over coral reefs

YAO Yu1, 2, TANG Zheng-jiang1, DU Rui-chao1, JIANG Chang-bo1, 2

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China; 2. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410004, China)

To investigate the wave transformation and wave-driven current around the surf zone over fringing reefs, a series of laboratory experiments are performed in a wave flume to measure the cross-reef water lever and flow in details. Experimental results are reported for two reef profiles with and without the reef crest under a typical plunging breaker condition. Data analysis shows that partial standing waves across the reef are formed due to multiple wave reflection, and higher harmonics around the surf zone are generated through wave shoaling. The energy dissipation in the surf zone results primarily from the dissipation of fundamental harmonics, and the resultant second harmonic waves are comparable to the fundamental harmonics on the reef flat. The presence of the reef crest reduces the surf zone width, increases the wave-induced setup, and decreases the harmonic wave amplitudes on the reef flat. The variation of the wave-driven current across the fringing reef without the reef crest is similar to that for the plane beaches. The existence of the reef crest causes the retention of the mean-flow on the leeside of the crest to some extent.

higher harmonic waves; wave-driven current; surf zone; fringing reef

TV139.2

A

1000-3096(2017)02-0012-08

10.11759/hykx20160313001

2016-03-13;

2016-05-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309035,51239001);水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金(2014491011);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研基金新教師類(lèi)(20134316120004)

姚宇 (1982-), 男, 湖南湘潭人, 副教授, 博士, 主要從事近海水動(dòng)力學(xué)和環(huán)境流體力學(xué)研究, E-mail: yaoyu821101@163.com

Mar. 13, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.51309035, No.51239001; the Open Foundation of State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, No.2014491011; the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20134316120004]

(本文編輯: 李曉燕)