大糙率礁面影响下珊瑚礁海岸附近规则波演化及爬高试验研究*

贾美军 姚 宇, 2 何天城 郭辉群

大糙率礁面影响下珊瑚礁海岸附近规则波演化及爬高试验研究*

贾美军1姚 宇1, 2①何天城1郭辉群1

(1. 长沙理工大学 水利工程学院 长沙 410114; 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室 长沙 410114)

本文通过波浪水槽试验研究了大糙率礁面影响下波浪沿礁的演化和爬高规律, 测试了一系列规则波工况并对比了光滑礁面和粗糙礁面的情况。结果分析表明: 二次谐波是礁坪上透射波的重要组成成分, 粗糙礁面使主频波和二次谐波减小, 对更高阶波的影响不显著; 相对礁坪水深是描述礁坪上波浪透射的关键参数, 礁面从光滑变为粗糙时海岸附近透射系数显著减小, 能量衰减系数平均增大了8%, 但礁前反射系数与礁面糙率之间无明显关系; 礁后岸滩爬高随着透射波高的增大而增长, 最后拟合了本文试验条件下珊瑚礁大糙率礁面预测规则波爬高的关系式。

糙率; 高次谐波; 波浪爬高; 规则波; 珊瑚礁

珊瑚礁作为一种独特的生物海岸地貌形态, 主要由靠近外海的礁前斜坡和与海岸相连的水平礁坪组成。当波浪由远海传播至珊瑚礁面, 由于礁前斜坡处地形的急剧变化, 波浪发生浅水变形作用, 波形变陡, 波高增大, 在礁缘附近发生波浪破碎, 破碎在礁坪上持续一段距离后重新生成稳定的波浪向海岸传播(姚宇, 2019)。珊瑚礁礁面糙率比沙质岸滩高出1—2个数量级(Lowe, 2005), 重新生成的波浪由于摩擦而持续衰减, 到达海岸线附近的波浪几乎可以忽略不计, 因此珊瑚礁是保护海岸线的天然屏障。同时, 相关研究表明, 波浪在珊瑚礁地形上发生浅化作用和破碎的同时, 波浪能量分别向高频和低频区间转移, 导致礁坪上的波谱变宽, (Brander, 2004)。

目前, 国内外有关波浪与珊瑚礁地形相互作用问题的物理模型试验研究中, 珊瑚礁礁面大多采用概化的光滑材料制成。文献中仅有Quiroga等(2013)通过在概化的珊瑚礁光滑表面添加均匀长方体木条来模拟粗糙工况, 研究了礁面糙率对孤立波沿礁的传播、破碎、能量衰减以及在礁坪上产生涌波的影响。Buckley等(2016)在物理模型试验中采用在礁面上布置均匀小方块体的方法来模拟礁面粗糙度, 探讨了粗糙礁面对波浪增水的影响。陈洪洲等(2018)通过在礁坪上涂抹粗化剂来模拟粗糙的珊瑚礁面, 研究了珊瑚礁粗糙表面对波浪非线性特征的影响。Yao等(2018)和姚宇等(2019)采用不同排列和密度的圆柱体阵列来模拟不同礁面粗糙度, 分别研究了礁面糙率影响下珊瑚礁海岸附近孤立波和不规则波的传播变形以及在礁后岸滩上爬高的变化规律。

从目前国内外的研究现状可知, 以往的试验研究中并没有分析粗糙礁面存在下珊瑚礁海岸附近规则波的运动和礁后岸滩爬高的规律。因此本文拟通过波浪水槽试验, 采用Yao等(2018)使用的圆柱体阵列来模拟礁面的粗糙度, 重点探讨大糙率礁面影响下高频波的产生以及波浪的反射、透射以及能量的衰减规律。本文的成果可为进一步研究珊瑚礁海岸附近基础设施的防灾减灾问题提供一定的理论参考。

1 试验设置

图1 试验设置

本试验共采用18个电阻式浪高仪(G1—G18)来测量自由液面的沿礁变化, 具体位置如图1所示。其中, G1—G2设置在礁前斜坡离岸一侧, 用于分离珊瑚礁模型前的入射波和由礁体造成的向外海传播的反射波; G3—G6设在礁前斜坡上, 用来记录由于斜坡上的浅水效应引起的波形变化过程; G7—G18布置在礁坪上, 用于监测波浪从礁缘到海岸线的传播变形过程。在试验过程中, 所有浪高仪同步采集数据, 采样频率设为50Hz。为保证水槽中的波浪场达到相对稳定的状态, 采样时长为自造波机启动后连续8min。同时, 在岸滩上方布置1个高速相机记录波浪爬坡的全过程, 波浪在礁后岸滩上的爬高由斜坡上带有刻度的薄片来测定。

2 结果与分析

2.1 高频波的沿礁变化

图2 光滑和粗糙礁面存在下礁坪水深, 入射波高, 波浪周期时谐波振幅的沿礁变化

图3 光滑和粗糙礁面存在下, , 时谐波振幅的沿礁变化

2.2 透射系数、反射系数和能量耗散系数

2.2.1 计算方法

2.2.2 透射系数、反射系数和能量耗散系数随礁坪相对水深的变化

2.3 波浪爬高

对于传统的平底海岸, 美国海岸工程手册采用经验公式(4)预测发生破碎的规则波爬高

图4 反射系数(, a)、透射系数(, b)和能量耗散系数(, c)随礁坪相对水深()的变化

Fig.4 Variations of reflection coefficient (, a), transmission coefficient (, b), and energy dissipation coefficient (, c) with relative reef-flat submergence ()

基于本试验数据通过回归分析得到公式(5)中的参数, , , ,, 拟合精度为, 表明式(5)可以较好地预测本试验中规则波在不同礁面粗糙度影响下岸滩的爬高。值得说明的是公式(5)根据本试验的测试仅考虑了入射波特征参数和礁面糙率的影响, 进一步对其的改进可以加入其他的礁形参数(礁坪宽度, 礁前斜坡坡度)的影响以及考虑泻湖和/或防浪建筑物的存在, 其在更极端的波况下的适用性问题, 也待进一步研究。

3 结论

本文通过在波浪水槽中进行一系列物理模型试验研究了大糙率礁面下珊瑚礁海岸附近波浪演化和爬高的变化规律。实验测试了一系列的规则波工况, 采用了圆柱体阵列来模拟礁面的粗糙度。结果分析表明: 波浪在礁前斜坡处因浅化作用产生高次谐波, 且二次谐波是礁坪透射波的重要成分, 粗糙礁面削弱了礁坪上的主频波和二次谐波, 而对更高阶波的影响不显著。相对礁坪水深是表征礁坪上波浪透射的重要参数, 海岸附近的透射波因礁面糙率的存在而显著减小, 而礁前反射波则与礁面糙率无明显关系, 在测试的范围内粗糙礁面使入射波浪能沿礁的衰减相对于礁面光滑平均增加8%。礁后岸滩爬高随着透射波高的增大而增长并受到波浪周期和礁坪水深的影响, 最后拟合了本文试验条件下珊瑚礁大糙率礁面预测规则波爬高的关系式。

陈洪洲, 毕春伟, 高俊亮, 2018. 波浪在珊瑚岸礁礁坪上传播变形的数值研究. 水科学进展, 29(2): 252—259

姚 宇, 2019. 珊瑚礁海岸水动力学问题研究综述. 水科学进展, 30(1): 139—152

姚 宇, 张起铭, 蒋昌波, 2019. 礁面糙率变化下珊瑚礁海岸附近波浪传播变形试验. 科学通报, 64(9): 977—985

姚 宇, 唐政江, 杜睿超, 等, 2017. 潮汐流影响下珊瑚岛礁附近波浪传播变形和增水试验. 水科学进展, 28(4): 614—621

Brander R W, Kench P S, Hart D, 2004. Spatial and temporal variations in wave characteristics across a reef platform, Warraber Island, Torres Strait, Australia. Marine Geology, 207(1—4): 169—184

Buckley M L, Lowe R J, Hansen J E, 2016. Wave setup over a fringing reef with large bottom roughness. Journal of Physical Oceanography, 46(8): 2317—2333

Goda Y, 2000. Random Seas and Design of Maritime Structures. Singapore: World Scientific Press, 356—361

Hench J L, Leichter J J, Monismith S G, 2008. Episodic circulation and exchange in a wave-driven coral reef and lagoon system. Limnology and Oceanography, 53(6): 2681—2694

Lowe R J, Falter J L, Bandet M D, 2005. Spectral wave dissipation over a barrier reef. Journal of Geophysical Research, 110(C4): C04001, doi: 10.1029/2004JC002711

Quiroga P D, Cheung K F, 2013. Laboratory study of solitary- wave transformation over bed-form roughness on fringing reefs. Coastal Engineering, 80: 35—48

Yao Y, He F, Tang Z J, 2018. A study of tsunami-like solitary wave transformation and run-up over fringing reefs. Ocean Engineering, 149: 142—155

Yao Y, Huang Z H, Monismith S G, 2012. 1DH Boussinesq modeling of wave transformation over fringing reefs. Ocean Engineering, 47: 30—42

A FLUME STUDY OF REGULAR WAVE TRANSFORMATION AND RUN-UP AROUND REEF COASTS WITH LARGE SURFACE ROUGHNESS

JIA Mei-Jun1, YAO Yu1,2, HE Tian-Cheng1, GUO Hui-Qun1

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China)

To investigate the regular wave transformation and run-up across reef profile under the effect of reef surface roughness, a series of laboratory experiments were carried out in a wave flume, and both the smooth and the rough reef surfaces were tested. The results show that the 2ndharmonic waves are important components of transmitted waves on reef flat. The rough reef surface damps the 1stand the 2ndharmonics, and its impact on the higher harmonics is insignificant. The relative reef-flat submergence is a key parameter to describe the wave transmission. Wave transmission coefficient dropped significantly but energy dissipation coefficient increased by 8% on average in all scenarios when reef surface became rough. However, wave reflection from the reef seemed independent of surface roughness. Wave run-up on the back-reef beach increased with the increasing transmitted wave height. Finally, an empirical formula was proposed with which regular wave run-up on the back-reef beach could be predicted in large surface roughness in the tested scenarios.

roughness; higher harmonics; wave run-up; regular wave; coral reef

* 国家自然科学基金项目, 51979013号, 51679014号; 湖南省教育厅项目, 18A116号。贾美军, 硕士研究生, E-mail: jiameijun0818@163.com

姚 宇, 硕士生导师,副教授, E-mail: yaoyu821101@163.com

2020-01-16,

2020-05-12

TV139.2

10.11693/hyhz20200100022