海岸裂流的研究进展及其展望

王彦，邹志利

（1.大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024）

1 引言

波浪传至近岸地区，受地形的影响发生变形、折射与破碎，不仅其尺度改变了，同时还形成一定水体流——近岸波生流。波生流有两种形态：一种是斜向入射波引起的沿岸流，另一种是裂流及其伴生的沿岸流共同组成的环流系统。裂流的概念首先由Shepard［1］于1936年引进，而裂流的第一次现场观测是由Shepard等［2］于1941年在加里福利亚南部海滩实现的。此后，裂流逐渐得到更多现场观测的验证［3—4］，一些学者还通过实验研究了裂流［5—6］。裂流是指一股强而窄的离岸水流，它从破碎区一直延伸到破波带以外。裂流流速很大，有时高达2m/s，延伸的离岸距离可达500m以上。它能在风暴时期将大量的泥沙输送到离岸较远的地方，引起岸线的后退［7］。它较强的流速也会把游泳者推离近岸而造成人身危害，美国救生联合会十年的调查显示在众多由天气引发人身事故的原因中，裂流高居第二位。同时，裂流对近岸水体的交换和污染物的输移扩散也有重要作用［8］。

裂流对近岸地形的变化有重要的意义。在砂质或淤泥质海滩上，可以从一条穿过破波带的黑色的充满悬浮物的水带判断裂流的位置。裂流具有以下一些地形特点：（1）通与海滩上的沟槽有关，表明裂流能延伸到水柱的底部并能对水底泥沙形成冲刷；（2）许多裂流出现在呈锯齿形的海岸线上，当没有持续的沿岸流存在时裂流会从锯齿的中央向外移动；（3）裂流能从海岸的突出部分产生，包括岬角和人造建筑物（如突堤、丁坝等）［2］。

2 实验室研究和现场测量

测量技术的进步决定了实验室与现场观测的发展。随着光学测量技术和GPS影像技术的大力发展，一些更先进的测量仪器应用在近岸水动力观测中，获得了更精细的观测结果。

早期的裂流实验都是在非沙坝海滩上进行的。Bowen和Inman利用边缘波与入射波的相互作用生成了裂流，发现裂流出现在边缘波的节点上，使得裂流之间的距离刚好等于边缘波的波长。Wind和Vreugdenhil［9］分析了一个利用边墙将沿岸流转向离岸方向所形成的裂流。

2.1 实验室实验研究

目前关于裂流最全面的实验研究来源于在Delaware大学海洋工程实验室进行的裂流实验。在一个有沿岸沙坝和两个裂流槽海滩上，Haller等［10—12］详细测量了流速、波高以及水面高程。他们发现流场中存在第一和第二的两个环流系统。第一环流是沿岸方向的补偿流转向穿过裂流槽后，一部分越过沙坝回到补偿流中。第二环流系统则是位于沙坝以内，并且与第一环流方向相反。同时他们也发现这两个环流的驱动力是由水面高程所引起的压力梯度。Haas等［13］进一步测量了裂流的垂向变化。在实验室中用3个沿水深布置的流速仪测量了裂流的垂向分布，发现破波带以内的流动沿水深基本一致，在破波带以外裂流逐渐发展成表层流。Kennedy和Thomas［14］以及Haas等［15］分别利用浮子测量研究了裂流的形态，发现环流的不稳定运动，时间和空间尺度都发生变化。Kenndey等［16］研究了不同的裂流槽宽度对裂流形态的影响。

目前在实验室中大多通过强加地形的变化来产生裂流，而利用波浪相互作用产生裂流的研究相对很少。由于裂流通常是以环流的形式存在，且伴随着涡，用定点测量的方法往往难以得到裂流的详细速度分布，浮子示踪法恰好能弥补这一缺点。彭石和邹志利［17］在实验室利用浮子示踪法测量了海岸由波浪破碎引起的裂流，该方法能够显示大范围流场的详细流速分布，可以克服采用流速仪仅能对有限固定点的流速进行测量的缺点，特别适用于测量旋涡流场以及海岸裂流等的速度场，也可适用海岸波浪破碎所产生的复杂流动。该测量方法所得到的表层流速与ADV流速仪的测量结果接近。Haller和 Dalrymple［18］用Bickley射流理论分析，发现不稳定模型能够预测实验室观察到的裂流波动。

Dean和On［19］在波浪水槽中进行了动床和定床的三维裂流测量。Castelle等［20］通过在底床铺设细沙，结合浮子示踪法得到了裂流及其不稳定现象，发现裂流的强度随着裂流槽的深度增加而增加。Droson等［21］在波浪水槽中实验了裂流槽地形下的裂流，并研究了裂流的垂向分布。他们发现裂流槽内的流动沿水深趋于一致，而在沙坝顶上的流动方向则随水深变化大。

2.2 现场实验

国外学者进行了很多现场观测试验的研究。最初采用电子式流速传感器局部测量与浮子流动的目测观测结合的方法。后来出现了多普勒式流速剖面仪大大提高了对速度场的仪器定量测量。随着全球定位系统（GPS）应用在浮子定位上，可以减轻笨重的实验设备，应用拉格朗日测量法来更好的跟踪裂流细部的流场［22—24］。为获得大范围的流场大多数学者采用浮子和空中摄像技术来分析裂流流场。Shepard等［1—3］通过现场的观测（目测、潮汐记录器、浮子、压力计）与测量得到了裂流的经典描述，对裂流做了定性的阐述。Inman等［25］通过浮标测量定性的描述了裂流垂向和水平流场结构。Huntley等［26］通过染料示踪法对裂流流动形态做了定性描述。

裂流通常会将细砂带到离岸，而把粗砂留在近岸。Reimintz等［27］在一处高能海滩发现延伸至水深30m的裂流，表明在风暴条件下发生海岸侵蚀时，裂流可能是将泥沙输送到远离近岸的大陆架上的重要途径。Brander等［28—30］使用并置管式流速仪的现场测量得到了裂流对地形变化描述和对泥沙通量的影响，建立了基于波浪参数及质量输移的地貌动力学模型。Short［31］详细解释了裂流的加强和减弱对泥沙输运的量以及输运方向的影响，并将裂流分成了侵蚀裂流、沉积裂流和巨型裂流3类。裂流的存在也会改变岸线的形状。Komar［32］研究了裂流及其相关的沿岸流在大型海滩嘴形成中的作用。他在实验室和野外观察到海滩嘴最终形成于裂流的根部。许多现场观测发现裂流存在不稳定波动。Sonu［33］在Seagrove海滩上利用浮子和空中摄像记录了裂流的蜿蜒和脉动，他认为这种不稳定与破波带内的重力驻波有关。另外有学者提出裂流的低频波动可能是由剪切不稳定引起的［34］。Macmahan等［35］在美国的 Monterey Bay进行的现场实验中，发现在波谷以下裂流流速趋于一致，而在波峰与波谷之间存在很强的垂向剪切。

3 理论分析及形成机理

3.1 裂流的类型及其形成机理

Dalrymple等［36］按形成机理将裂流分为地形受迫裂流和波浪受迫裂流。产生裂流的机理是多种多样的，Dalrymple模型大致分为两类：结构相互作用模型与波浪相互作用模型。前者包括了海底地形，岸线边界以及韵律型地形的影响；后者包括了入射波与边缘波相互作用，相互交叉的波列和波流相互作用。本文中将裂流模型分为两类来描述：一类是受迫环流模型，另一类是自由环流模型。

3.1.1 受迫环流模型

受迫环流是指由边界影响（如非平直海岸或海底隆起）或波列的叠加引起的沿岸波高变化而引起的环流。

Zyseman等［37］提出将裂流生成归因与沿岸水深变化对原来波浪场的影响。Bowen和Inman［38—39］研究认为由海底峡谷引起的波向线分散与汇聚是产生波高沿岸变化的主要原因。他们还进一步指出同步边缘波的存在可以类似地改变波浪场，并通过水槽实验中演示了与入射单色波同步的固定边缘波将产生稳定的裂流。

波浪破碎沿岸不一致也会引起近岸环流。Mei和Liu［40］及 Noda［41］发现了周期性水深变化引起的强制环流。一种常见的产生裂流的地形是被裂流槽间断的沿岸沙坝，许多的裂流实验研究集中在这种地形。除水底边界以外，流场与海滩的侧面边界的相互作用也能产生裂流。裂流经常在海岬处延伸向海，尤其是在波浪斜向入射时。Dalrymple等［42］及Visser［43］通过实验研究了由侧向边界影响生成的裂流。

3.1.2 自由环流模型

自由环流模型是由入射波浪与近岸环境之间的共振反应引起的。Authur［44］首先提出了波流相互作用能通过折射作用加强裂流。随后，Harris［45］在他的实验中发现正向入射的波浪速度被向外流动的裂流减缓而导致波浪前端的弯曲。Hino［46］利用水动力不稳定方程研究了平直海滩上裂流的形成。Deiggard等［47］研究了沙坝海岸上裂流槽的产生，他发现裂流的间距和沙坝与海岸线之间的距离是同一量级的。

波浪之间的相互作用也可以产生裂流。Dalrymple［48］通过实验表明，在沿岸一致的海滩上，相互交叉的单色波能引起波高变化并产生近岸环流。Dalrymple和Laman在实验中利用交叉波浪产生的裂流，并在岸线发现海滩嘴，验证了相交波浪产生海滩嘴的理论。接着，Fower和Dalrymple［49］将这个模型发展为稍微不同步的波浪将产生沿岸传播的波高变化。他们进行的实验也显示传播波浪的调制能引起移动的裂流。Tang和Dalrymple［50］从现场观测数据中得出这样的波浪调制能在流场中产生。

3.2 裂流的特征及影响因素

裂流存在的范围比较窄，在沿岸方向的宽度一般在10～20m之间。Giger等［51］，通过浅水裂流实验发现裂流是不稳定的，并以蜿蜒且反向的漩涡为特征。Sonu认为这种蜿蜒的不稳定性与破波带内的重力驻波有关。Haller和Dalrymple指出裂流的不稳定性与流的喷射不稳定性相关，并用Bickley射流理论分析，发现不稳定模型能够预测实验室观察到的裂流波动。Cooke［34］提出裂流的低频波动可能是由剪切不稳定引起的。20世纪60年代初，Longuest－Higgins和Stewart［52］提出了辐射应力，即将作用于单位面积水柱体的总动量流时均值减去没有波浪作用时的静水压力定义为波浪剩余动量流，这个概念为解释近岸波流体系、增减水等水动力学现象奠定了理论基础，迄今为止仍被众多学者用来研究波浪引起的近岸水流。当波浪在近岸发生破碎会造成波高衰减和破波带以内的增水现象，引起向岸的辐射应力梯度和向海的水位压力梯度。一个公认的观点是，破波带内的向岸辐射应力梯度与增水产生的向海水位压力梯度相互平衡。

Bowen［38］和Sonu［53］首次指出近岸地形和辐射应力是驱动沿岸流和裂流的主要因素。并提出了基于运动方程和质量守恒定律的近岸浅水方程。这些方程都是沿垂向水深平均和时间平均，并在动量方程中加入了辐射应力项的作用。

Jamie等［54］通过对现有的实验室和现场试验数据总结，裂流的强度受到波高和水深的影响，随着波高的增大和水深的减小，裂流强度明显增大。波浪条件不仅影响裂流的强度，还会影响裂流的分布。当波高增大时，向岸输送的水量增多，裂流在尺度和强度上都增大，此时有一些裂流会消失，同时另一些裂流会在沿岸方向移动，形成更宽更强的裂流，裂流的间距也增大［55］。裂流会随入射波浪周期增大而增强，而波浪的入射角度也会影响裂流的形成［3］。

除入射波浪以外，裂流还受到其他因素的影响。Haas等［56］在澳大利亚的Moreton岛观察到波浪破碎位置在落潮时发生改变而使裂流加强。裂流的位置还与波浪的汇聚和分散点的位置有关。边缘波与入射波的相互影响被认为决定了平坡海滩上裂流之间的间距。此外，地形的几何尺度也会影响裂流的形态。Brander［57］指出裂流会在裂流槽的横截面减少时增强。

4 数值模拟

国内外学者对裂流系统采用数值模型进行研究。在诸多波浪模型中，适用于模拟裂流的主要有两类［58］，一类是波浪时均模型，另一类是波浪时域模型。波浪时均这类模型将流体运动方程在波浪周期上进行平均，求解方程直接得到时均水流，而波浪的作用则通过辐射应力来考虑。学者通过对能量耗散的改进，比如“水跃”或者“表面水滚”来考虑波流相互作用、波波相互作用，并应用于裂流地形的演变模拟中。Van Dongeren等［59］发展了准三维的波浪时均模型，这类模型包含了三维的短波平均的流速场。Svendsen等［60］通过数值模拟对裂流的垂向分布进行了验证。Haas等［61］利用准三维水流模型SHORECIRC对Haller的实验进行了验证，通过模型计算结果和实测数据的比较验证了时间平均水流特性，并分析了裂流的垂向特性以及三维模型对环流形式的影响。Slinn等［62］考虑了波流的相互作用，发现裂流对波浪会产生一个负反馈，从而降低水流向外的强度和范围。Reniers和 Battjes［63］，Ruessink等［64］发现在波浪中包含水滚模型导致的空间滞后将沿岸流最大流速向岸移动。Kristen等［65］又发展了三维的近岸流数学模型。这类模型计算速度较快但不能充分考虑近岸波生流场的一些显著特征，如时域内波浪非线性的影响、非线性波浪－波浪及波浪－水流的相互作用等。

波浪时域模型直接在时域内对流场进行计算，时均流场经时间平均波浪流体质点速度得到，受波浪尺度的限制，这类模型计算效率较低，但能弥补上述时均模型的一些不足。由于Boussinesq水波方程的迅速发展和其在近岸区域的优良性能，被广泛用于模拟近岸波生流场。Chen等［66］以及 Nwogu［67］应用二阶完全非线性Boussinesq水波方程对Haller等在Delaware大学进行的裂流实验进行了数值模拟，但模拟时间比较短，且没有考虑由于水流运动的三维特征引起的侧向掺混影响。Sorensen等［68］采用Boussinesq模型，对Hamm［69］所做的规则波作用下的裂流实验进行了数值模拟。Sancho等［70］发现，沿岸沙坝中小的裂流沟会导致沿岸的压力梯度发生变化，从而产生裂流。目前，在裂流模拟中水滚的贡献还没有合理考虑。卢吉和余锡平采用一组弱非线性Boussinesq方程针对同一个实验进行了数值模拟研究［71］，Johnson和Pattiaratchi［72］对实际海岸上裂流进行了数值模拟。房克照等［73］建立了基于二阶完全非线性Boussinesq水波方程的二维波浪破碎数学模型。将具有二阶完全非线性特征的Boussinesq水波方程进行扩展，以考虑波浪破碎、混合子网格效应以及水底摩擦引起的能量耗散。针对扩展后的方程进行了数值求解，建立了高精度数值格式，应用模型对沙坝海岸上裂流进行了数值模拟。

动力地貌模型被用于波浪作用下海岸线的变迁。这些模型包括水动力模型，泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型。张弛等［74］建立了波浪、底部离岸流、泥沙运动和沙滩剖面演变耦合数学模型，模拟了实验室中波浪作用下沙坝剖面的形成过程，讨论了各个物理参数对剖面上的水动力和地形变化的影响。Smit等［75］建立了动力地貌模型，较好的预测了裂流槽和岸线地貌的准正态分布，但地貌模拟与实际观测的比较还处于定性阶段，通过对视频影像观测和bar－shoral模型的尺度进行比较，对裂流槽的产生和演变进行定量的分析是未来裂流的研究趋势。

5 结论与展望

随着观测技术和图像处理技术的发展，实验室实验和现场观测将会获得了更精细的破波带内水流结构，同时也有力促进了理论研究和数学模型的发展。通过现有实验室试验和现场观测的结果：裂流强度随着入射波波能的增大和水深的减小而增大；裂流的最大值出现在破波带内波能耗散最大位置。海岸地形对于裂流的产生和强度起到决定性作用。在数值模拟方面，通过对相位时均模型的改进来考虑波流相互作用、波波相互作用，广泛应用于裂流的数值模拟。近年来由于Boussinesq水波方程的迅速发展和其在近岸区域的优良性能，被广泛用于模拟近岸波生流场。

在海岸裂流方面存在的不足以及今后需要进一步研究的课题：在现场观测实验中缺乏大波能波浪作用下裂流中心的波流相互作用、破碎带内的裂流垂向分布、离岸脉动程度和涡脱落和瞬变裂流的研究，应该是现场观测将来发展的重要方向。实验室实验大多通过强化地形的变化来产生裂流，缺乏利用波浪相互作用产生的裂流研究。对裂流不稳定性研究主要集中在数值计算和现场观测，可以结合流速仪测量结果和浮子示踪法定量分析裂流的不稳定运动。国外已经提出从浮子轨迹中分析波高的方法，如果在波浪变化不大的规则波浪场中，可以结合线性波浪理论和浮子的圆周运动来计算波浪场。通过动力地貌模型对砂质海岸中裂流槽的产生和演变进行定量的分析，从而预报裂流是未来裂流的研究趋势。

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