王旭，屈科，2，3，門佳

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；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(zhǎng)沙 410114）

在全球氣候變化和海平面持續(xù)上升的背景下，地處熱帶和亞熱帶地區(qū)的珊瑚海岸，特別是地勢(shì)較低的環(huán)礁島嶼，極易受到颶風(fēng)和海嘯所引起的極端波浪的影響。典型的珊瑚礁地形主要包括陡峭的礁前斜坡和相對(duì)平坦的礁坪[1-2]。以往的研究結(jié)果表明，大部分的入射波能可以通過(guò)礁緣或礁冠附近的波浪破碎以及礁坪底部的摩擦被耗散掉[3-6]，因此珊瑚礁對(duì)極端波浪具有天然的緩沖作用，可以有效地保護(hù)礁后人口密集城鎮(zhèn)的安全[7-8]。近些年來(lái)，為促進(jìn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，環(huán)礁群島國(guó)家計(jì)劃修建眾多的公路、港口、機(jī)場(chǎng)和其他基礎(chǔ)設(shè)施（如馬紹爾群島）[9]，這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要大量的建筑原材料[10]。為滿足基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，在礁坪上進(jìn)行挖掘逐漸成為建筑材料的主要來(lái)源。傳統(tǒng)沙質(zhì)海岸的疏?？梢灾鸩竭m應(yīng)海岸地貌及水動(dòng)力的變化，而礁坪上的采掘通常會(huì)對(duì)珊瑚礁的海岸環(huán)境帶來(lái)永久性的影響[11]。礁坪上的人工采掘不僅會(huì)對(duì)珊瑚群落的生態(tài)平衡產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，更會(huì)在一定程度上影響珊瑚礁的波浪水動(dòng)力特性[12]。因此，系統(tǒng)開(kāi)展人工采砂坑對(duì)珊瑚礁海岸波浪水動(dòng)力特性影響的研究工作具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)波浪在珊瑚礁上傳播演變規(guī)律開(kāi)展了大量的研究工作，Kench等進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)[13-15]，Gourlay 等進(jìn)行了相關(guān)的理論分析[16-17]；Liu等開(kāi)展了許多實(shí)驗(yàn)研究，研究各種波浪與珊瑚礁之間復(fù)雜的水動(dòng)力特性[18-21]；許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了珊瑚礁與各種波浪之間的復(fù)雜相互作用（規(guī)則波[22-23]、非規(guī)則波[24-26]、海嘯波[27]和畸形波[28]）。這些研究的主要內(nèi)容是波浪在不同珊瑚礁上傳播過(guò)程中發(fā)生的波浪破碎和波浪的增水效應(yīng)[29-30]、低頻長(zhǎng)波的變化規(guī)律[31-32]，以及波能的耗散。雖然這些研究對(duì)于正確理解不同波浪作用下珊瑚礁水動(dòng)力特性具有重要意義，但對(duì)人為活動(dòng)影響下采砂坑的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[33]。近年來(lái)，少數(shù)學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方面對(duì)存在采砂坑的沿礁波浪特性進(jìn)行了研究。Ford等[9-10]通過(guò)對(duì)馬紹爾群島Majuro 環(huán)礁進(jìn)行的實(shí)地觀測(cè)，研究了波浪在有采砂坑和無(wú)采砂坑的礁坪上傳播變形與破碎的過(guò)程，研究結(jié)果表明，采砂坑的存在對(duì)低頻長(zhǎng)波的影響較大，導(dǎo)致有采砂坑附近的海岸線附近波高減?。籝ao等[34]]和曠敏等[35]利用波浪水槽進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，分別研究了采砂坑的寬度，采砂坑的位置變化對(duì)短波波高，低頻長(zhǎng)波和波浪增水的影響，并分析了采砂坑的寬度，采砂坑的位置變化對(duì)礁坪上低頻長(zhǎng)波的形成及其共振機(jī)理的影響；Klaver 等運(yùn)用XBeach 非靜壓模塊數(shù)值模擬了采砂坑的寬度和位置的變化對(duì)局部波高及波浪爬高的影響[11-12]；張善舉[36]對(duì)非靜壓模型NHWAVE、FUNWAVE-TVD、Coulwave 等3 個(gè)波浪數(shù)值模型進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)NHWAVE 能準(zhǔn)確地模擬不同破碎波類型波浪在珊瑚礁礁坪上的波浪增減水，并且計(jì)算效率最快。因此本文選用NHWAVE來(lái)數(shù)值計(jì)算。

然而，目前國(guó)內(nèi)外尚未有學(xué)者研究人工采砂坑對(duì)規(guī)則波岸礁水動(dòng)力特性影響。因此，為了補(bǔ)充以往學(xué)者在人工采砂坑岸礁波浪傳播演變特性的研究工作，本研究基于非靜壓?jiǎn)蜗嗔髂Ｐ停∟HWAVE），系統(tǒng)研究人工采砂坑對(duì)珊瑚礁坪上規(guī)則波的傳播變形和爬高的影響。詳細(xì)討論了入射波高、礁坪水深、波浪周期、采砂坑寬度和采砂坑深度，以及采砂坑的位置等幾個(gè)主要因素的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

NHWAVE 是Ma 等[37]開(kāi)發(fā)的非靜壓波浪數(shù)值模型。此模型以守恒形式的不可壓的Navier-stoke方程作為控制方程，為了精確表達(dá)水底和自由表面的形狀，Ma 采用了σ 坐標(biāo)系對(duì)控制方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，表達(dá)式中：D 為x、y、t的函數(shù)，h 是靜止水深，η為自由液面高程。

1.2 湍流模型

本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型來(lái)計(jì)算湍流黏性系數(shù)，其控制方程如下所示：

1.3 離散格式

應(yīng)用有限體積∕有限差分組合法求解了NHWAVE 的控制方程。動(dòng)量方程中的通量項(xiàng)用激波捕獲的HLL-TVD 格式離散化。應(yīng)用二階混合線性∕拋物線近似（HLPA）方案離散了k-ε湍流模型控制方程中的對(duì)流通量項(xiàng)。采用二級(jí)二階非線性強(qiáng)穩(wěn)定性保持（SSP）Runge-Kutta 方案進(jìn)行時(shí)間行進(jìn)，獲得二階時(shí)間精度。計(jì)算時(shí)間步采用自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)，將CFL 數(shù)設(shè)為0.25，以滿足數(shù)值穩(wěn)定性的要求。關(guān)于數(shù)值計(jì)算模型NHWAVE 算法的詳細(xì)描述可參考文獻(xiàn)[39]。

2 模型驗(yàn)證

2.1 波浪在島礁地形上傳播演變的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Yao 等[40]在南洋理工大學(xué)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的岸礁地形下規(guī)則波增減水的物理實(shí)驗(yàn)。二維數(shù)值波浪水槽計(jì)算域與實(shí)驗(yàn)保持一致，如圖1 所示。數(shù)值計(jì)算域?yàn)?6 m，左側(cè)為造波邊界，岸礁模型礁前斜坡坡度為1∶6，礁前斜坡坡腳離造波區(qū)21 m，斜坡長(zhǎng)度b = 2.1 m，礁坪長(zhǎng)度L3= 8.9 m，模型高度為0.35 m，沿程布置12 個(gè)測(cè)點(diǎn)，水槽右側(cè)設(shè)置海綿消波層。x 方向?yàn)橐?guī)則波傳播方向，網(wǎng)格大小dx= 0.02 m；z 方向?yàn)樗罘较?，共劃?0層網(wǎng)格。數(shù)值模型驗(yàn)證工況如表1所示。波高儀放置的位置與實(shí)驗(yàn)相同，表2給出了驗(yàn)證工況波高儀的確切位置（以斜坡坡腳為參考點(diǎn)）。

表1 驗(yàn)證工況

表2 實(shí)驗(yàn)的波規(guī)（G1-G12）距斜坡坡腳的距離 單位：m

圖1 計(jì)算區(qū)域布置

圖2－圖5 展示了數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。為了更為直觀地判斷數(shù)值模型的計(jì)算精度，本文引用Warner 等[41]建議的skill 數(shù)，skill 數(shù)的定義采用Wilmott[42]的方法，式（8）中：Xmodel和Xobs分別表示數(shù)值計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值，上劃線表示取平均值，skill數(shù)越接近于1表示模型計(jì)算精度越高，skill數(shù)越接近于0表示模型計(jì)算精度越低。

圖2 case1不同位置表面高程的時(shí)間序列

圖3 case1沿礁平均波高和平均水位對(duì)比圖

圖4 case2不同位置表面高程的時(shí)間序列

圖5 case2沿礁平均波高和平均水位對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比可以看出：計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度較高。Case1 中G5 和G7 處的波面計(jì)算值要大于實(shí)測(cè)值，以及平均水位計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值這和Yao 等[40]采用一維Boussinesq 模型計(jì)算的結(jié)果相近，其給出的解釋是，這個(gè)誤差可能是由于破碎帶內(nèi)夾帶的氣泡造成的。所以該模型有能力模擬規(guī)則波與島礁地形的復(fù)雜水動(dòng)力過(guò)程。

2.2 波浪在采砂坑岸礁地形上傳播演變的驗(yàn)證

本節(jié)數(shù)值計(jì)算了非規(guī)則波浪在島礁地形上傳播演變的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程，將計(jì)算結(jié)果與Yao 等[34]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證非靜壓模型NHWAVE計(jì)算波浪在采砂坑岸礁上傳播變形的能力。二維數(shù)值波浪水槽計(jì)算域與實(shí)驗(yàn)保持一致，如圖6 所示。數(shù)值計(jì)算域?yàn)?6 m，左側(cè)為造波邊界，岸礁模型礁前斜坡坡度為1∶6，礁前斜坡坡腳離造波區(qū)27.3 m，斜坡長(zhǎng)度為2.1 m，礁坪長(zhǎng)度為3.6 m，模型高度為0.35 m，采砂坑位于礁坪中間處，采砂坑寬度Wp= 0.80m，采砂坑深度為0.20 m，沿程布置18 個(gè)測(cè)點(diǎn)，水槽右側(cè)設(shè)置海綿消波層。x方向?yàn)橐?guī)則波傳播方向，網(wǎng)格大小dx= 0.02 m；z方向?yàn)樗罘较颍矂澐?0 層網(wǎng)格。數(shù)值模型驗(yàn)證工況有效波高Hs= 0.08m、譜峰周期Tp= 1.5s、礁坪水深hr= 0.05m。波高儀放置的位置與實(shí)驗(yàn)相同。圖7 展示了數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以看出：計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合較好。所以該模型有能力模擬波浪在采砂坑岸礁地形上傳播演變，可進(jìn)一步研究規(guī)則波在帶有人工采砂坑岸礁上的傳播演變。

圖6 計(jì)算區(qū)域布置

圖7 低頻長(zhǎng)波波高、短波波高、平均水位的空間分布

3 工況設(shè)置

本文數(shù)值研究了人工采砂坑對(duì)規(guī)則波在岸礁地形上傳播變形和爬高過(guò)程的影響。系統(tǒng)研究了入射波高H、礁坪水深hr、波浪周期T、采砂坑中心位置xp、采砂坑深度Hp、采砂坑寬度Wp等因素的影響，布置如圖8 所示。岸礁模型參考Yao 等[40]的物理模型試驗(yàn)，礁前斜坡坡腳位于造波區(qū)下游21.0 m 處，珊瑚礁坪的高度為0.35 m。采砂坑的尺寸根據(jù)Ford 等[10，34]對(duì)馬紹爾群島某地開(kāi)展的原型觀測(cè)作為參考依據(jù)，并采用弗勞德相似定律以1∶20 的幾何比尺構(gòu)建。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)工況，采砂坑中心位置xp= 25.6 m，采砂坑深度Hp= 0.2 m，采砂坑寬度Wp= 0.8 m，dw= 0.08 m，礁坪長(zhǎng)度Lp=5.0 m，礁前斜坡tan α =1∶6，礁后斜坡tan β = 1∶12，沿計(jì)算域布置90 個(gè)波高儀，記錄水面高程和波浪上升高度的時(shí)間演變，如圖8 所示。x 方向?yàn)橐?guī)則波傳播方向，網(wǎng)格大小dx= 0.02 m；z 方向?yàn)樗罘较?，共劃?0 層網(wǎng)格。無(wú)采砂坑的計(jì)算區(qū)域?yàn)樵诓缮翱拥幕A(chǔ)上Hp= 0.0 m。詳細(xì)的工況設(shè)置參照表3，共38個(gè)工況。

表3 數(shù)值模擬工況設(shè)置表

圖8 帶有采砂坑的珊瑚礁的計(jì)算布置

4 數(shù)值分析與討論

4.1 水動(dòng)力分析

本節(jié)對(duì)規(guī)則波在有無(wú)采砂坑的岸礁上傳播的水動(dòng)力過(guò)程展開(kāi)分析。對(duì)于無(wú)采砂坑的岸礁采用A3工況，有采砂坑的岸礁采用B3工況。圖9 為具有代表性時(shí)刻的水體速度云圖，由圖可知，當(dāng)波浪傳播至采砂坑附近時(shí)，采砂坑的存在對(duì)其周圍的流場(chǎng)影響相對(duì)較大（圖9（c）、圖9（g）），但對(duì)距離采砂坑較遠(yuǎn)處的流場(chǎng)幾乎無(wú)影響。且由圖9（g）、圖9（h）可以觀察到規(guī)則波與采砂坑之間復(fù)雜的相互作用現(xiàn)象，即當(dāng)波浪傳播至采砂坑時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的波浪與采砂坑中靜止的水體之間發(fā)生強(qiáng)烈的質(zhì)量和動(dòng)量交換（波浪運(yùn)動(dòng)的能量一部分向前繼續(xù)傳播、一部分流向采砂坑內(nèi)，采砂坑中部分水體也會(huì)向上涌出），使得波浪在采砂坑上向岸繼續(xù)傳播的速度減小。圖10 為具有代表性測(cè)點(diǎn)的自由液面高程的時(shí)間序列，由圖可知，當(dāng)規(guī)則波在采砂坑之前的位置傳播時(shí)（x = 20.0 m、x = 21.0 m、x = 22.6 m、x = 23.1 m），測(cè)點(diǎn)處的自由液面的時(shí)間演變受采砂坑存在的影響較小；然而，采砂坑之前（x = 25.2 m）的局部波高會(huì)由于坑壁的反射和水體的阻礙相對(duì)增加；采砂坑里（x = 25.6 m、x = 25.9 m）的測(cè)點(diǎn)自由液面最大高程相對(duì)減小，采砂坑中心處的自由液面最大高程減少了26.76%，采砂坑末端減少了13.7%，采砂坑中心處的自由液面最大高程減少得相對(duì)較多；采砂坑的存在對(duì)岸線附近（x = 28.1 m）自由液面的影響較小。由（x = 25.2 m、x = 25.6 m、x = 25.9 m、x =28.1 m）處的自由液面的時(shí)間序列圖可知，由于采砂坑的存在，會(huì)阻礙涌浪向岸的傳播。圖11（a）為有無(wú)人工采砂坑時(shí)岸礁上局部波高的空間分布對(duì)比圖，從圖可以看出，采砂坑的存在分別升高和降低了坑前和坑內(nèi)的波高，這分別是由坑內(nèi)水柱的能量守恒和坑壁的反射造成的，但對(duì)岸線附近的波高影響較小。圖11（b）展示了有無(wú)人工采砂坑時(shí)局部平均水位的空間分布對(duì)比圖，由圖可知，波浪在礁前斜坡爬坡過(guò)程中產(chǎn)生減水效應(yīng)（MWL ＜0），隨后波浪破碎MWL 顯著增大，轉(zhuǎn)變?yōu)樵鏊∕WL ＞0），并在岸線附近達(dá)到最大，定義在礁坪上的最大平均水位為波浪增水值（ηr），采砂坑的存在對(duì)礁坪上的平均水位幾乎沒(méi)有影響，這主要是因?yàn)椴ɡ说钠扑橹饕l(fā)生在礁前斜坡附近，位于礁坪中央的采砂坑對(duì)波浪的破碎的影響已不再顯著。圖12（a）、12（b）分別是最大水深平均速度的空間分布對(duì)比圖和波浪爬高時(shí)間序列的對(duì)比圖，由圖12（a）可知采砂坑的存在降低了坑內(nèi)的水深平均速度，由于坑內(nèi)壁的反射使得礁緣處的最大水深平均速度增大，但降低了在岸線附近的水體速度，這點(diǎn)結(jié)合圖9 也可知；圖12（b）表明了采砂坑對(duì)礁后斜坡上的最大爬高有顯著影響，這可能是因?yàn)椴缮翱拥拇嬖诮档土嗽诎毒€附近的水體速度，因此降低了涌浪的最大爬高（最大爬高為：在波浪傳播穩(wěn)定后20 個(gè)波浪周期內(nèi)，每個(gè)周期內(nèi)最大爬高值相加的平均值）。

圖9 不同時(shí)間情況下水體的速度云圖

圖10 不同測(cè)點(diǎn)處自由液面高程的時(shí)間序列對(duì)比圖

圖11 局部波高與平均水位的空間分布對(duì)比圖

圖12 最大水深平均速度的空間分布與爬高的時(shí)間演化對(duì)比圖

4.2 入射波高的影響

本節(jié)通過(guò)計(jì)算A1、A2、A3、A4、A5，B1、B2、B3、B4、B5這10 個(gè)工況，研究了不同入射波高度下采砂坑的存在對(duì)規(guī)則波傳播演變水動(dòng)力特性和爬高過(guò)程的影響。圖13 展示了不同入射波高條件下局部波高沿計(jì)算域的空間分布，結(jié)果表明：當(dāng)波高增大時(shí)，波浪開(kāi)始的破碎位置會(huì)略微提前，但采砂坑的存在對(duì)波浪破碎位置仍沒(méi)有影響；隨著入射波高的逐漸增加，采砂坑后一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍無(wú)明顯變化，局部波高最大降低幅度減小，對(duì)于入射波高Hs/h=0.10 時(shí)最大降低幅度為27.2%，Hs/h= 0.30 時(shí)降低幅度為20.9%。圖14 為有無(wú)采砂坑波浪增水隨入射波高變化對(duì)比圖，由圖可知，隨著入射波高的增大，波浪的破碎程度也增大，波浪破碎帶的輻射應(yīng)力梯度增加，因此波浪增水也會(huì)顯著增加，但礁坪上的波浪增水并沒(méi)有因采砂坑的存在而明顯改變。圖15 展示了有無(wú)采砂坑的情況下反射系數(shù)隨入射波高的變化，當(dāng)入射波高增大時(shí)波浪的反射系數(shù)也會(huì)增大，采砂坑的存在雖然對(duì)礁前斜坡之前的流動(dòng)過(guò)程和流場(chǎng)影響很小，但會(huì)增加波浪的反射系數(shù)。圖16 為規(guī)則波的最大爬坡高度隨入射波高的變化對(duì)比圖，由圖可以看出，岸線附近規(guī)則波的最大爬升高度隨入射波高單調(diào)增加，由于采砂坑內(nèi)復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)消散更多的動(dòng)能，使岸線附近的流速較弱，因此有采砂坑的岸礁最大波浪上升高度低于沒(méi)有采砂坑的岸礁，平均低11.7%。

圖13 不同波高作用下局部波高的空間分布

圖14 波浪增水隨入射波高的變化

圖15 反射系數(shù)隨波高的變化

圖16 規(guī)則波的最大平均爬高隨波高的變化

4.3 礁坪水深的影響

為研究在不同礁坪水深下采砂坑的存在對(duì)規(guī)則波傳播演變和爬高過(guò)程的影響，計(jì)算并分析了C1、C2、A3、C3、C4，D1、D2、B3、D3、D4這10 個(gè)工況。圖17 展示了不同礁坪水深條件下局部波高沿計(jì)算域的空間分布，結(jié)果表明：當(dāng)礁坪水深增大時(shí)，波浪開(kāi)始的破碎位置會(huì)略微往后，但采砂坑的存在對(duì)波浪破碎位置沒(méi)有影響；隨著礁坪水深的逐漸增加，采砂坑前局部波高升高的范圍增大；采砂坑后一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍和最大降低幅度均隨之增大，當(dāng)hr= 0.10 m 時(shí)最大降低幅度為20.6%，而hr= 0.0 m 時(shí)降低幅度僅為2.6%。從圖18可知，波浪增水隨礁坪水深的增大單調(diào)遞減，這是因?yàn)樗畹脑龃鬁p弱了波浪破碎帶的輻射應(yīng)力梯度，礁坪上的波浪增水因采砂坑的存在而略微降低，這種影響在水深較小時(shí)更為明顯，這可能是因?yàn)樵诓煌慕钙核顥l件下破碎帶的寬度不同造成的。圖19 展示了有無(wú)采砂坑的情況下反射系數(shù)隨礁坪水深的變化，當(dāng)礁坪水深增大時(shí)波浪的反射系數(shù)減小，當(dāng)hr≥0.025 m 以后采砂坑的存在會(huì)增加波浪的反射系數(shù)。由圖20 最大爬高隨礁坪水深的增大單調(diào)遞減，這可能是因?yàn)樗畹脑黾訙p弱了涌浪在礁坪上的水體流速；同時(shí)岸線附近規(guī)則波的最大爬高始終低于沒(méi)有采砂坑的，平均低8.6%。

圖17 不同礁坪水深條件下局部波高的空間分布

圖18 波浪增水隨礁坪水深的變化

圖19 反射系數(shù)隨礁坪水深的變化

圖20 規(guī)則波的最大平均爬高隨礁坪水深的變化

4.4 波浪周期的影響

本節(jié)通過(guò)計(jì) 算E1、E2、A3、E3、E4，F(xiàn)1、F2、B3、F3、F4這10 個(gè)工況，研究了不同波浪周期下采砂坑的存在對(duì)規(guī)則波傳播演變水動(dòng)力特性和爬高過(guò)程的影響。圖21 展示了不同周期條件下局部波高的空間分布，結(jié)果表明：波浪周期的增大對(duì)波浪開(kāi)始的破碎位置不產(chǎn)生影響，但增大了波浪在礁前的淺水效應(yīng)，使臨界破碎波高增大，并且增加了礁坪上的破碎帶寬度；隨著波浪周期的逐漸增加，采砂坑前局部波高升高的范圍增大及采砂坑后一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍均增大，且坑內(nèi)局部波高最大降低幅度也隨之增大，當(dāng)T=2.0 s 時(shí)最大降低幅度為28.76%，T= 1.0 s 時(shí)降低幅度為15.1%。由圖22 可知，波浪增水隨波浪周期的增大單調(diào)遞增，這可能是因?yàn)楫?dāng)波浪周期增大時(shí)波能流也隨之增大，采砂坑的存在減弱了在礁坪上的波浪增水效應(yīng)，在大周期的情況下最為明顯。圖23 展示了有無(wú)采砂坑的情況下反射系數(shù)隨波浪周期的變化，當(dāng)周期增大時(shí)波浪的反射系數(shù)先增大后減小。由圖24 可以看出，波浪最大爬高隨波浪周期的增大單調(diào)遞增，這可能是因?yàn)楫?dāng)周期增大時(shí)，波浪的破碎程度降低，增加了波浪在礁坪上的透射能力；由于采砂坑的存在岸線附近規(guī)則波的最大爬升高度始終低于沒(méi)有采砂坑的最大爬升高度，平均低9.625%。

圖21 不同波浪周期下局部波高的空間分布

圖22 波浪增水隨波浪周期的變化

圖23 反射系數(shù)隨波浪周期的變化

圖24 規(guī)則波的最大平均爬高隨波浪周期的變化

4.5 采砂坑位置的影響

本節(jié)通過(guò) 計(jì) 算G1、G2、B3、G3、G4這5 個(gè) 工況，研究了不同采砂坑位置對(duì)規(guī)則波傳播演變水動(dòng)力特性和爬高的影響。圖25 展示了不同采砂坑中心位置條件下局部波高的空間分布，結(jié)果表明：采砂坑位置對(duì)波浪開(kāi)始的破碎位置不產(chǎn)生影響；隨著采砂坑的位置向岸移動(dòng)，采砂坑對(duì)波浪的影響越來(lái)越弱，當(dāng)采砂坑位于礁緣附近時(shí)，由于波浪與采砂坑相互作用劇烈，甚至使得采砂坑內(nèi)的局部波高增大，而當(dāng)采砂坑靠近岸線附近時(shí)影響可以忽略。采砂坑的中心位置由xp= 24.55 m 移至xp= 27.70 m 過(guò)程中，采砂坑前局部波高升高范圍逐漸變小并且在采砂坑一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍也減小。圖26 為不同采砂坑中心位置下波浪增水的變化，由圖可知，在采砂坑從礁緣移動(dòng)至岸線附近過(guò)程中，波浪增水隨xp的增大單調(diào)遞增，這是因?yàn)椴缮翱訉?duì)波浪破碎的影響逐漸變小。圖27 展示了反射系數(shù)隨采砂坑中心位置的變化，當(dāng)采砂坑在礁緣附近時(shí)（xp= 23.50 m）波浪的反射系數(shù)最大，隨著采砂坑往岸線移動(dòng)，反射系數(shù)的變化呈現(xiàn)出非線性的規(guī)律。由圖28 可以看出，隨著采砂坑的位置向岸移動(dòng)的過(guò)程中最大爬高略有減小，當(dāng)采砂坑中心位置在25.6 m 以后，采砂坑的位置對(duì)波浪最大上升高度的影響可以忽略不計(jì)。

圖26 波浪增水隨采砂坑位置的變化

圖27 反射系數(shù)隨采砂坑位置的變化

圖28 規(guī)則波的最大平均爬高隨采砂坑位置的變化

4.6 采砂坑深度的影響

本 節(jié) 通 過(guò) 計(jì) 算H1、H2、B3、H3、H4、A3這6個(gè)工況，研究了不同采砂坑深度對(duì)規(guī)則波傳播演變水動(dòng)力特性和爬高的影響。圖29 為不同采砂坑深度下沿礁局部波高的空間分布，由圖可知，當(dāng)采砂坑深度的增大時(shí)，采砂坑前局部波高升高的范圍也會(huì)增加；采砂坑后一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍也增加，且局部波高最大降低幅度也隨之增大，當(dāng)Hp= 0.30 m 時(shí)最大降低幅度為30.4%，而Hp= 0.10 m 時(shí)降低幅度為17.6%。由圖30 可知采砂坑深度的變化對(duì)波浪增水幾乎沒(méi)有影響。圖31、圖32 分別為反射系數(shù)隨采砂坑深度的變化情況和規(guī)則波最大爬高隨采砂坑深度的變化規(guī)律，隨著采砂坑深度的增加反射系數(shù)隨之增加，最大爬高隨采砂坑深度的增加略有減小的趨勢(shì)，然而，一旦Hp＞0.20 m，采砂坑深度對(duì)反射系數(shù)和波浪最大上升高度的影響均可以忽略不計(jì)，這說(shuō)明采砂坑深度0.20 m 是一個(gè)閾值，隨著采砂坑深度從0.10 m 增加到0.20 m，反射系數(shù)和波浪最大爬高分別上升了10.1%和下降了10.6%。

圖29 不同采砂坑深度條件下局部波高的空間分布

圖30 波浪增水隨采砂坑深度的變化

圖31 反射系數(shù)隨采砂坑深度的變化

圖32 規(guī)則波的最大平均爬高隨采砂坑深度的變化

4.7 采砂坑寬度的影響

本節(jié)通過(guò)計(jì)算I1、I2、B3、I3、I4、A3這6個(gè)工況，研究了不同采砂坑寬度對(duì)規(guī)則波傳播演變水動(dòng)力特性和爬高的影響。圖33 為不同采砂坑寬度下沿礁局部波高的空間分布，如圖33 所示，當(dāng)采砂坑寬度相對(duì)較小時(shí)，采砂坑內(nèi)表層高速涌浪與低速水體的質(zhì)量和動(dòng)量交換變?nèi)?，因此這時(shí)采砂坑的存在對(duì)局部波高的空間分布的影響略??；隨著采砂坑寬度的逐漸增大，采砂坑后一定區(qū)域內(nèi)局部波高降低的范圍也會(huì)增大，同時(shí)局部波高最大降低幅度也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，當(dāng)Wp= 1.2 m 時(shí)最大降低幅度為29.7%，而Wp= 0.4 m 時(shí)降低幅度僅為14.2%。由圖34可知隨著采砂坑寬度的增大，波浪增水減小，采砂坑寬度從0.4 m 增加到1.20 m時(shí)波浪增水降低了3.98%。圖35 為反射系數(shù)隨采砂坑寬度的變化情況，反射系數(shù)隨著采砂坑寬度的增大先增大后減小，當(dāng)Wp= 0.6 m 時(shí)反射系數(shù)最大Kr= 0.112。圖36 為波浪最大爬高隨采砂坑寬度的變化，結(jié)果表明，當(dāng)Wp＜0.8m時(shí)，最大爬高隨采砂坑寬度的增加有減小的趨勢(shì)，然而，一旦坑Wp＞0.8m，采砂坑寬度對(duì)波浪最大上升高度的影響可以忽略不計(jì)，這說(shuō)明采砂坑寬度0.8 m是一個(gè)閾值。隨著采砂坑寬度從0.4 m 增加到0.8 m，波浪最大上升高度下降了6.62%。

圖33 不同采砂坑寬度下局部波高的空間分布

圖34 波浪增水隨采砂坑寬度的變化

圖35 波浪反射系數(shù)隨采砂坑寬度的變化

圖36 規(guī)則波的最大平均爬高隨采砂坑寬度的變化

5 結(jié)論

本文采用非靜壓模型NHWAVE 系統(tǒng)計(jì)算了人工采砂坑對(duì)規(guī)則波岸礁水動(dòng)力特性的影響，并與無(wú)采砂坑的情況進(jìn)行了對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：

（1）采砂坑的存在使得坑內(nèi)的波高局部降低，坑前的波高局部升高，但對(duì)岸線附近的波高卻無(wú)顯著影響；坑的存在對(duì)波浪增水影響不顯著；采砂坑的存在對(duì)規(guī)則波的反射存在顯著影響，在一定程度上增加了波浪的反射；

（2）對(duì)具有采砂坑的礁坪而言，入射波高越大：在坑內(nèi)局部波高降低的范圍越大，但降低幅度較小；同時(shí)礁坪上的波浪增水也越大，但與無(wú)坑時(shí)相比幾乎相同。礁坪水深發(fā)生改變時(shí)，沿程波高隨著水深的增加而增加，但波浪增水卻隨著水深增加而減小，相對(duì)無(wú)坑時(shí)的增水值偏低，這種現(xiàn)象在小水深時(shí)更明顯。隨著波浪周期的增大沿程波高也隨之增大，同時(shí)波浪增水隨著周期的增大單調(diào)遞增，但與無(wú)坑時(shí)相比區(qū)別不明顯；

（3）隨著采砂坑位置往岸線移動(dòng)，采砂坑對(duì)波浪破碎影響逐漸減小，岸線附近的增水逐漸增大，采砂坑在礁緣附近影響最為明顯；采砂坑深度的改變對(duì)采砂坑附近的波高影響較大，但對(duì)波浪增水無(wú)明顯影響；當(dāng)增加采砂坑的寬度時(shí)，加大了波浪與采砂坑作用范圍，使采砂坑局部波高的變化更大，同時(shí)減弱了在岸線附近的平均水位；

（4）對(duì)于具有采砂坑的岸礁而言，采砂坑的存在降低了波浪在岸礁上的最大平均爬高，且隨著采砂坑從礁緣移動(dòng)至岸線附近，對(duì)最大平均爬高的影響越來(lái)越明顯，但采砂坑寬度與深度的變化對(duì)爬高影響相對(duì)較小。