波浪在珊瑚礁坪上传播的水槽试验研究

梅 弢，高 峰

（1.海军南海工程设计院，湛江524003；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

我国南海幅员辽阔、珊瑚岛礁众多，且水深一般在百余米至千米，而这些珊瑚岛就如同深水中的一个个凸出平台，与周边深海形成明显水深差，在这样的环境里波浪一旦从深海传至岛屿礁坪时，必然需要经过落差较大的礁坪边缘，由于该处水深的急剧变化，与在缓变地形上传播相比波浪传播规律略有不同。类似问题一般可简化为波浪在台阶式地形上的传播，波浪在礁坪地形上传播的研究也越来越受到人们的重视。迄今为止, 波浪在珊瑚礁礁盘上的传播已得到了不少现场观测和根据现场条件设计模型试验进行的观测［1］。本文即在某工程前期科研论证的背景下，开展了礁坪波浪水槽试验，以分析波浪传至珊瑚岛礁缘后破碎波传播情况，为设计波要素的确定提供参考依据。

1 模型设计

1.1 礁坪概述

工程所在岛礁属台礁类型，与周边各类礁体基底不连续，为海南大陆架基底边缘上的礁体，为近似四边形的平台礁，主轴线呈东北—西南走向［2］，礁坪中部为灰砂岛。礁坪是珊瑚礁顶处于低潮面附近的生物堆积平台，涨潮被淹没，低潮时出露，宽数十至数百米不等，礁坪表面相对平坦，接近低潮面，向海侧为礁缘斜坡［3］。自最上层的灰砂岛至-100 m 水深处，呈多级台阶状发育，水深随每一级台阶逐渐加深。越过礁缘后的礁坪为较宽的水平顶部, 其高度在平均低潮位左右。根据实测地形数据，礁坪各岸段礁前缘—沙岛岸滩坡面间的礁坪剖面形态如图1 所示。

礁坪剖面的坡度形态及分布也不均一，受所在海域风浪流长期动力条件影响，整体上表现为北岸陡、南—东北岸缓的趋势。礁坪外缘至-100 m 附近的剖面平均坡度一般在1:4～1:12 之间不等，其中东北端相对最缓、北岸最陡。同时，东北端礁坪的礁缘距离沙岛岸坡最远，礁坪宽度约为1.7 km，而西南端距离沙岛最近，仅约0.5 km。越过水深变化最大的礁坪边缘，即是向沙岛方向坡度逐渐减小的礁坪缓坡，其地形坡度很小，礁坪上平均底高程在-0.5～0.8 m 不等，南岸相对最深，礁坪各代表段平均底高程及剖面如表1 所示。

表1 礁坪各区段剖面形态及平均高程Tab.1 Profile shapes and mean elevation of typical section on reef flat

珊瑚礁海底与一般的礁石或泥沙海底结构相差较大，波浪衰减特性也有差异［4］。礁坪上的水深相对较浅，当外海入射波高较大时, 波浪首先在礁缘附近发生第一次破碎，同时较小的波浪还可穿越礁坪而不破碎，礁坪上的波浪其波高将受水深的限制，沿礁坪继续传播至近岸浅滩处再次浅水变形而破碎。

1.2 模型布置

礁坪波浪传播试验在波浪水槽内进行。模型比尺为60，试验中未采用概化的台阶来模拟礁坪，而是根据实测坡度模拟礁坪外缘剖面（平均坡度为1:8），礁前模拟水深至接近-30 m 深海，自礁坪边缘至沙岛岸滩之间的距离约为13.2 m，相当于原型约800 m。同时，考虑到相对于礁外缘的坡度，礁坪面地形坡度较为平缓，底高程-0.5～0.8 m 的变化幅度在模型中也相对较小，而礁坪上不同高程的分布也不均匀，为便于模拟，模型中将礁坪段概化为平段，即采用统一底高程，取表1 中各数的平均值约为0.1 m。

自坡脚至礁坪沿程布置7 个波高传感器（如图2 中的59#～65#），其中59#为入射波控制点，61#处于礁缘处，礁坪上分布62#～65#共4 个测点，断面试验模型布置如图2 所示。图2 中59#～65#为测波仪，其间距已转换为原型值。

1.3 试验组次

试验主要模拟外海波浪传至礁坪破碎后的传播规律，因此试验波浪条件考虑常年平均波浪和重现期50 a两种情况，水深考虑30～50 m，主要研究内容包括：（1）分析研究波浪经过礁坪边缘后沿礁坪面传播衰减特性；（2）不同波浪条件下礁坪上的破波水深比。

波要素根据周边海域实测资料统计（1988～2007 年），年均波高取值1.3 m、平均周期4.5 s，重现期50 a波浪实测最大波高9.0 m（H1%），平均周期约为11.0 s。具体试验工况组次安排如表2 所示。

2 试验结果与分析

波浪自深水传至礁坪处，由于礁坪上水深的明显变浅，并且水深较浅的礁坪却相对较长，较大的入射波浪沿传播方向在礁坪边缘附近破碎后继续向坪内传播，并达到波面稳定状态，礁坪上的波浪传播特性表现为礁缘处波浪易破碎和礁坪上波浪衰减较快。

2.1 波浪破碎情况

表2 试验模拟原型条件（工况组合）Tab.2 Condition of simulation（load combination）in prototype

（1）年均波浪条件。常年条件下，由风作用生成的风浪在南海中传播并形成涌浪，到达岛礁附近时水深变浅，变为破波［5］。在这样传至礁缘的过程中（即自59#传至61#），沿礁缘外坡面传播时受浅水变形影响已有所衰减，因此在波浪传至礁缘附近（位于-1.0 m 等深线附近）时除低潮位外均未发生破碎，还可继续向礁坪内传播，而平均低潮位（0.86 m）时由于礁坪面上水深相对很浅，波浪在礁缘附近发生破碎，破碎点介于61#、62#传感器，破碎波高水深比（Hb/d）约为0.5，破碎后波能明显减弱。进入礁坪段的波浪其波高将受礁坪上水深的限制，此时不同水位时礁坪上水深为0.76～1.54 m，先前在礁缘附近未发生破碎的平均水位（1.26 m）对应的波浪在礁坪面上传播的过程中发生了破碎，破碎点位于礁坪边缘与沙岛之间，试验中破碎点附近的破碎波高水深比（Hb/d）在0.5～0.6，根据《海港水文规范》（JTJ213-98）进行计算的破碎波高水深比（Hb/d）为0.61，两者相差不大，但试验条件下更易破碎。平均高潮位（1.64 m）时，礁坪上的水深相对较大，波浪可经过礁缘后继续向内一直传播至沙岛岸滩前沿而不发生破碎，但无论何种水位和波浪在礁坪上传播过程中均是逐渐衰减的。

（2）重现期50 a 波浪条件。此时入射波在传至礁缘的过程中，虽受沿程浅水变形影响已有所衰减，但由于入射波高较大，波浪传至礁坪边缘附近时发生了显著的破碎现象，礁缘破碎点附近的破碎波高水深比（Hb/d）约0.76，由规范计算的破碎波高水深比（Hb/d）为0.70，此时试验结果比计算值略大一些，这可能与波周期相对较长有一定关系，对此还值得深入探讨。破碎波越过礁缘后沿礁坪继续传播，破碎后礁坪上波能明显衰减，由于对应高潮位（+1.92 m），因此礁坪上水深相对较深（1.82 m），波浪未再发生破碎，其波高受礁坪上水深的限制，在向沙岛岸滩传播的过程中，呈衰减趋势并逐渐恢复稳定的周期性波浪形态。

2.2 波浪变化

外海波浪经过礁坪传播的过程，即是波列通过逐渐变浅的礁坪浅水区域接近沙岛近岸的变化过程，该过程中由于底床摩擦及浅水变形影响将使波浪发生变化，且由于礁坪地形变化的形态与一般缓坡型的近岸海床有所不同，波浪衰减特性也有所差异。如前文所述，入射波浪传至礁坪后，由于受水深逐渐变浅影响，大浪或低潮位时波浪会在礁缘或礁坪上浅水区时发生破碎，一旦发生破碎，由于水体的剧烈紊动，波能衰减明显，礁缘处未发生破碎的波浪在传至水平礁坪后也有所减弱。在沿礁坪向沙岛方向传播过程中，随着传播距离的增加，波高有逐渐衰减趋势，传至沙岛前波高明显降低。试验结果见表3 所示，波高沿程变化如图3 所示。

试验结果表明，波浪自礁前深水（约30 m）传至珊瑚礁边缘-1.0 m 左右水深附近处，波高可衰减26%～45%，而50 a 一遇大浪时衰减可达88%；当波浪经过礁缘或礁坪发生破碎、并沿礁坪向岛内传播时，波高进一步衰减，传至礁坪末端800 m 附近（接近沙岛岸滩）处衰减82%～93%，而50 a 一遇大浪时可达98%。其中，大浪由于破碎点相对靠前，礁坪面上的波高衰减程度更为显著。波能大部分在礁缘以上300～400 m 范围内损耗，内礁坪面上的波能有限。

计算结果（表3）中列出了入射波高（深水波高）与礁坪水深之比，其结果也反映出当该比值大于1 时，波浪均会发生破碎，而在该比值大于1.5 时，波浪将在礁坪边缘及附近发生破碎。

表3 不同条件下各测点比波高值（起波点为59#）Tab.3 Hb/d of each measuring point under different conditions（the wave point is 59#）

另外，受限于水槽长度未能模拟更长距离的礁坪，但可根据波高的衰减趋势推算，若波浪传至礁坪上约1 km 时，各水位波高将进一步衰减至0.06～0.20 m（年均波浪条件）和0.09 m（重现期50 a 波浪）；若传至礁坪最远的沙岛东北端（约1.7 km），各水位波高将进一步衰减至0.01～0.08 m（年均波浪条件）和0.02 m（重现期50 a 波浪）。

对于礁坪上波浪的传播衰减，由于模型中礁坪采用水平面概化模拟，因此参考相关经验公式进行了与试验值的对比研究，计算中考虑波浪破碎（坡度1/1 000 以下）、浅水变形（Ks）以及波浪在浅水中传播的水底摩擦减损（Kf）等因素，即到达传播距离末端的波高可表示为

由此得到礁坪上不同传播距离的计算结果与试验值对比如图4 所示。结果可见，除重现期50 a 的试验值与计算值相差略大外，其余各结果均较好，但结果均表明礁坪上波浪在经过礁缘及附近后再经水平面传播过程中的衰减趋势是一致的。而重现期50 a 时由于受计算条件限制（Kf已接近极限），按其计算所得各条件下的结果基本相差不大，这是造成与试验值差异的主要原因。

2.3 存在问题

同时，通过对现场礁坪波浪传播的观察，值得注意的是珊瑚礁构成的礁坪底床比较特殊，往往凹凸不平，且礁岩、珊瑚丛、礁坑遍布，其主要为造礁珊瑚碎屑组成，这些物质磨圆度差、形状各异、棱角分明且空隙较多［6］，其浅水系数、底摩擦等均与一般的平缓沙质海滩有较大的差异，根据国外相关研究资料［7-9］，礁坪上的底摩擦系数将比一般沙质海滩大至少10 倍，由此可见实际上珊瑚礁平面的底摩擦也是波能损耗的另一主要因素，水槽试验由于采用水泥底床面，因此摩阻的衰减暂未考虑。另外，试验水槽中的礁坪由于采用二维模型，由于沙岛存在致使礁坪上的水并不是贯通的，这与珊瑚岛四周环海的实际不符，因此水槽试验中礁坪模型上会出现一定波浪增水，试验中测得增水（62#、63#处）为0.2～0.8 cm，该幅度为入射波高（59#）的5%～11%。

3 结语

（1）由于本礁坪呈1/4～1/12 的缓坡，可不简化为单一的台阶地形，礁坪波浪传播的过程是浅水折射变形的过程，波浪破碎表现为行进波破碎，且小于波浪在一般缓坡地形上的破碎指标，破碎波高水深比（Hb/d）约为0.5 附近，重现期50 a 大浪时礁缘处最大可达0.76。

（2）波浪自礁前传至礁坪末端时衰减82%～93%，50 a 一遇大浪时衰减可达88%～98%，波能大部分在礁缘以上300～400 m 范围内损耗。

（3）普通石英沙与珊瑚沙不同，波浪在其滩面上的能量交换很少，而珊瑚礁则摩阻较大，一定程度上试验波浪的传播衰减慢于实际，同时岛礁四周过水的特征也难以在波浪水槽中得到复演，因此可在今后的深入研究中采用局部整体波浪物模加以验证和补充。

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