崇明岛南侧盐沼潮滩消能状态研究

2021-10-27马烨贝戴志军庞文鸿马彬彬

海洋工程 2021年5期

马烨贝，戴志军，庞文鸿，马彬彬，王杰

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062)

近年来受全球气候变暖、海平面持续上升[1]以及频发风暴潮灾害等影响，沿海地区约4 000万人遭遇百年一遇的沿海洪水风险将加剧[2]。盐沼潮滩在防止岸线后退，抵御台风大浪对沿岸地区造成灾险具有重要作用。因而，作为沿海地区天然的消浪缓冲区，探究波浪沿盐沼潮滩传播过程中的衰减规律，能有效提升对生态软工程对海岸带防护效果的理解，并为保障沿海城市安全提供应对策略。

盐沼潮滩的消能行为及耗能机制一直受到不少学者关注[3-6]。当前相关成果大都采用实地观测、物理模型及数值模型等研究盐沼潮滩和波浪的耦合过程，其中实地观测和物理模型研究开始相对较早[7-9]。随着科学技术的发展，数值模型的方法也被越来越多的学者使用[10-12]。有关盐沼植被对波浪的能损工作，野外实测分析由于受仪器限制，在极端天气条件下仪器易受干扰导致数据无法捕捉[13]，而室内水槽则会受到场地以及水槽模型尺寸限制[14]，因而基于实测以及室内试验的消浪观测大多建立在小波浪或中等波浪条件下进行，即室内试验或野外获得的资料中水深小于1 m且波高在10 cm到30 cm之间[15-16]，并由此对极端波高状态如风暴潮等情况下的盐沼潮滩植被消能状态进行估算。譬如，Augustin等[17]在水槽边界设置8.5 cm的波浪作为边界入射波分析小波浪情况下沿岸传播的衰减率，并结合数值模拟进一步推算在极端条件下的衰减情况，结果显示波浪衰减趋势在所有的案例中均一致，风暴潮可能会带来更强的衰减。Jadhav等[18]对美国路易斯安那州墨西哥湾海岸进行实测观察，利用能谱参数化研究时段内小波浪(平均入射波高0.24 m)衰减情况，同时确定了风暴期间波浪能量频谱变化。

此外，Phuoc等[19]以及Mei等[20]也对小波浪情况进行分析，总结了波浪沿岸传播的衰减规律，此类小波浪研究均强调盐沼植被的海岸防御功能，且为进一步研究极端条件的波浪能耗机制提供了实际参考。然而不同区域地形、植被条件等均存在差异，研究得到的盐沼潮滩消浪效应并不一致，故亟需开展对特定区域盐沼潮滩的消浪研究工作，尤其对于长江口崇明生态岛，其环岛潮滩因所处位置不同而具有较大的消浪差异，在进行环岛绿色海堤构建时需要考虑波浪自海向陆传播的盐沼消浪过程，而大潮期间波浪能量变化沿程定量化可为极端状态下波浪的能耗研究提供理论基础。

崇明岛正处于生态建设的起步阶段，已经开发的岸线主要分布在南岸鸽龙港至堡镇岸段，南侧沿岸正在建设绿色海堤大道，但沿岸防护措施尚不完善，潮滩湿地可能出现侵蚀易导致堤脚失稳。根据《崇明三岛总体规划(2010—2020年)》至2020年崇明南部城镇带将容纳非农业人口50万，其余则零星分布于中部、北部，崇明南部地区是人口活动的主要区域，南部新桥水道与北港为崇明主要通航河槽。考虑到近年来水道有向北移动的趋势[21]，新桥水道及北港和崇明南部之间分布的盐沼潮滩又相对狭窄，即崇明东南侧盐沼潮滩的特性，很可能影响其消浪效果，进而直接关联到绿色海堤建设及南部地区的人口生命安全。故选取位于长江入海口的上海崇明岛东南侧盐沼潮滩，通过分析波浪沿盐沼潮滩的向岸传播及衰减特征，为推算台风及风暴潮引起的波浪沿盐沼传递能耗提供依据，并为南侧岸线开发与绿色海堤建设提供科技支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

崇明岛位于长江入海口，是目前世界上最大的河口冲积岛，东西方向约长80 km，南北方约宽13～18 km (图1(a))。周围水域潮汐类型以非正规半日潮为主，口内潮流为旋转流，口外为往复流。崇明岛环岛波浪以风浪居多，春夏两季以SSE和SE风浪为主，秋冬两季以NNE和NE风浪为主。研究区盐沼潮滩地处崇明岛东南侧，属长江北港沿岸，上部主要为芦苇生长区，长度达百米，下部为淤泥质光滩 (图1(b),(d))。

1.2 观测方法

在选定区域内，沿断面在不同潮间带设置代表性样点(图1(c))，各观测点均布设一个浪潮仪用以收集水深及波浪参数等。所用浪潮仪型号为TWR2050，量程为10 m，误差范围在±0.005%(约5 mm)，分辨率小于0.001%(约0.1 mm)，仪器采样频率为8 Hz，设置为每20 min内工作时长512 s (约8 min)，即每20 min采集4 096个数据。观测时间从2018年6月18日持续至2018年6月20日，期间为农历大潮。仪器固定在一根铝型材上，传感器压力探头距离滩面约10 cm (图1(c))。2个观测点由海侧向大堤方向布设，分别位于无植被覆盖的低潮滩区(C点：31°30′47.88″N，121°40′12.00″E)，有芦苇分布的中潮滩植被前部区(B点：31°30′46.04″N，121°40′11.67″E)，高潮滩芦苇分布区(A点：31°30′42.32″N，121°40′10.81″E)。观测点自海向陆，点C与点B间直线距离约为120 m，垂向高程差为2.1 m，点B与点A间直线距离约为60 m，垂向高程差为0.4 m。

图1 研究区域和仪器设置位置Fig. 1 Research area and instrument settings

1.3 波能衰减模型

波浪传播过程伴随着波能的传播，动能和势能是波浪能量的两大组成部分。势能是由于水质点偏离平衡位置产生的，动能由水质点运动产生，单个波长范围内单宽波峰线长的平均总波能可由式(1)计算得到[22]。

(1)

其中，E为波能，EK为波浪动能，EP为波能势能，ρ为海水密度，g为重力加速度，H为波高。

采用Battjes[23]提出的波能衰减模型来计算波浪沿盐沼潮滩横断面传播的衰减率。波浪在潮滩上呈非线性衰减[7,24-25]，该波能衰减模型将波浪传播过程中发生的折射、耗散、破碎等因素考虑在内，由此计算波能衰减量。其中波浪在传播方向上单位距离的衰减比率[13]可表示为：

(2)

其中，r为波浪衰减率，m-1；H为靠海侧站点的波高；ΔH是两个站点间波高差值；Δx为两点间距离。

1.4 阻力系数计算

阻力系数表征了流体因相对运动产生的切应力的无量纲量，其大小反映流体所受阻力的大小。Mazda等[26]在Bretschneider[27]提出浅水无植被区域波浪衰减底部摩擦公式基础上得出可应用于整个近岸水深区域的阻力系数，利用该公式估算研究区域内的阻力系数。在浅水区由底部摩擦引起的衰减可由式(3)得到：

(3)

其中，H1和H2分别是离岸观测点和靠岸观测点的波高，Δx是两个观测点之间的距离。h是两个观测点之间的平均水深，T是波浪周期，L是波长，g是重力加速度，Ks是浅水系数，CD是由于底部剪切力τ产生的阻力系数，CD与τ的关系可定义为：

(4)

其中，ρ是海水的密度，u是波浪传播方向的水流流速。

对于浅水区域波浪的传播，式(3)可近似为：

(5)

由式(5)可推导出阻力系数CD：

(6)

2 结果

2.1 盐沼潮滩基本水动力变化特征

沿断面波浪有效波高范围在0.02～0.13 m，最大波高范围在0.03～0.26 m，波能范围在0.22～11.24 J/m2(表1)，位于高潮滩的A点平均水深、有效波高、最大波高以及波能均最低，分别为0.09 m，0.03 m，0.05 m，0.79 J/m2，相对位于低潮滩的C点平均水深、有效波高、最大波高以及波能均最高，分别为1.43 m，0.07 m，0.12 m，3.38 J/m2。3个站点的波高变化与水深变化趋势一致(图2)，水深较大处，有效波高相对较高。相同时间段内，位于低潮带光滩处的C点波浪波高(有效波高、最大波高)以及波能大于位于芦苇区域的B点和A点。对比同样有芦苇生长的A、B两点，位于芦苇带前部的B点波浪强度大于位于芦苇带的A点。总体而言，3点的水动力强弱明显不同，自海向陆呈减弱趋势。

表1 各观测点水深、波高、波能参数统计Tab. 1 Statistics of water depth,wave height and wave parameters at each observation point

图2 各观测点有效波高、最大波高、水深时间分布序列Fig. 2 Time distribution series of effective wave height,maximum wave height,water depth at each observation point

2.2 波能沿盐沼潮滩的衰减特性

沿断面波浪由低潮滩C点经光滩、芦苇等区域传播至高潮滩A点，波浪的波高、波能出现明显下降。对比波浪经不同区域的衰减情况(图3)，C点(光滩)到达B点(中潮滩芦苇前部)，有效波高降低范围在16.97%±7.55%，平均降低13.25%，最大波高降低范围在20.78%±13.53%，平均降低23.19%。而经B点(中潮滩芦苇前部)传至A点(高潮滩芦苇区)，波浪有效波高平均降低范围在49.00%±10.18%，平均降低46.78%，为C-B(光滩—芦苇前部)区域的2.9倍，最大波高平均降低范围在49.96%±13.53%，平均降低60.69%，为C-B(光滩—芦苇前部)区域的2.4倍。同时，波能在B-A及C-B区域的衰减情况与波高变化趋势一致，波能在B-A区域(芦苇丛生带)平均下降71.05%，为C-B区域(光滩—芦苇前部)的3.7倍，芦苇带对波能的衰减率亦高于光滩区域。但芦苇带对波能的衰减较波高更为明显，波能降低百分比最高可达90%。C点与B点直线距离约120 m(光滩约占2/3)，B点与A点直线距离约60 m，B-A区域长度仅有C-B区域的1/2，而波高以及波能的降低百分比却为C-B区域的2～4倍，可见芦苇丛生带相比光滩区域对波浪衰减作用更为显著。

2.3 盐沼潮滩消浪宽度

此前研究表明，在天文潮作用下芦苇带在崇明东滩区域将近岸波高以及波能耗散至尽一般约需60 m的植被覆盖长度[28]，而文中研究区内60 m芦苇带内波浪有效波高耗散49%，这意味着影响波浪向岸传播的耗散因素极其复杂，不同区域完全消浪的最低芦苇带宽度因当地环境而有所差异，并不能沿袭前人类似研究成果。基于此，以研究时段内波浪变化特征为参考，依据每百米芦苇覆盖区波浪的波高平均降低率为81.7%，现有状态下波浪从A点继续向岸传播60 m后波高几近衰减为0。简而言之，研究区域断面所在区域内波浪由C点传入，衰减至0将共经历约240 m的盐沼潮滩。

实际上，若假定研究区域内120 m的裸滩均为植被覆盖而地形、入射波高、水位等保持不变，则波浪全部耗散所需芦苇带平均宽度约为148 m。然而处于目前裸滩与盐沼组合状态下的波能全部耗散时，潮滩宽度需为240 m。这意味着裸滩进行生态修复后，可腾出宽度为92 m的盐沼空间留作他用。基于此，在南岸进行生态海堤建设的同时应充分考虑盐沼潮滩的生态防护作用，合理规划潮滩植被在盐沼潮滩的覆盖度，充分发挥盐沼植被的消浪作用。

3 讨论

3.1 水深对波浪衰减的影响

不同水深条件对应的波浪衰减效应有所不同[29-30]，近岸潮滩水深对波浪衰减程度的影响与植被在水中的高度密切相关。前人研究表明，植被高度高于水深即植被未被潮水完全淹没时，水深增加会导致波浪的衰减效应降低[31]。研究区域芦苇较为高大，大潮涨潮时芦苇亦不被完全淹没，由波浪衰减率与局地水深的关系分析发现(图4)，波浪衰减率和水深呈现负相关关系，即随水深减小，波浪衰减率随之增大。波浪自C点向B点传播过程中，随涨落潮水位的变化，B-C区域内平均水深相对增加1 m，单位距离波浪的衰减率下降3×10-3(R=0.67,p<0.01)。C点到B点大部分区域为无植被覆盖区域，水深的增加能减少波浪触底破碎形变的能量消耗，从而降低波能的衰减率。继续向前传播，进入芦苇完全覆盖区(B-A区域)，B-A区域内平均水深相对增加1 m，单位距离波浪的衰减率下降9.3×10-3(R=0.77，p<0.01)，水深增大会减弱植被与水流之间的相互作用，导致波浪的衰减率逐步降低。因而，随着水深增大，地形、芦苇植被对波浪破碎的影响逐渐减弱，导致波能衰减效应随着水深增加而减少，与前人研究基本一致[13]。由于水深改变对植被覆盖区阻力系数也会产生影响，因此将进一步讨论阻力系数对波浪衰减率的作用。

图4 水深与波浪衰减率关系Fig. 4 The relations between water depth and wave attenuation rate

3.2 入射波高强弱对波浪衰减的影响

当初始水深一致时，自海横向向陆进入滩涂的初始波浪高度的增减会影响滩涂衰减波浪的效率[32]。当波浪向岸传播过程中，因地形坡度与相对水深的变化，相对波高较大的波浪首先发生触底破碎，波浪破碎会耗散较多的能量，且波浪表明形成一个强紊动水体，向前传递过程中波能不断耗散[33]。当波浪传入有植被生长的水域时亦会与植被产生相互作用，入射波高的增加使得波浪与植被的接触面积增加，增强水体的湍流作用，导致波能衰减加快。

不同入射波高的波浪衰减效应在水槽试验[34]以及数值模型[6]中趋势相同，即波浪衰减率随入射波高增强而增大。由研究区域入射波高导致的波浪衰减率的变化表明(图5)，无论是从C点到B点区域亦或是从B点到A点区域，两者表现为正相关且相关程度较高，都通过显著性检验，这就意味着区域内的入射波高增强会导致波浪衰减效应加大。此外，大于10 cm的波浪经过光滩C点到芦苇前部B点衰减率在2×10-3～3×10-3m-1之间，而芦苇覆盖区域B-A区域衰减率在8×10-3～12×10-3m-1之间，可见芦苇覆盖区域波浪与植被的相互作用更强，随入射波高的加强对沿程的波浪衰减效应影响更大。

图5 入射波高与波浪衰减率关系Fig. 5 The relations between incident wave height and wave attenuation rate

3.3 植被阻力对波浪衰减的影响

在波浪沿岸向岸传播过程中，阻力对波浪传播的影响一直存在，滩涂湿地大部分为浅水区域，波浪进入发生触底，能量开始损耗。由滩底对波浪水流的摩阻力引起的能量耗散即摩阻损失，在浅水区摩阻力对波浪衰减的效果较为显著。同时，Morison方程指出在水流经过植被地区时，波浪的能量消耗主要是由植被产生的阻力所致[35]。由公式(6)计算得到水域的阻力系数CD，拟合得到水深与阻力系数间的线性关系(图6)，水深较深处对应的阻力较小，水深对阻力系数的影响极为显著。

图6 水深与阻力系数关系Fig. 6 The relations between water depth and drag coefficient

C-B区域阻力系数平均值为0.96，B-A区域平均值为2.02，为C-B区域的2.1倍。结合断面的植被覆盖情况，C-B区域的2/3(约90 m)为无植被覆盖的光滩，剩余1/3(约30 m)为芦苇覆盖区域，其中泥滩阻力系数约为0.005[36]，远小于植被区域的阻力系数[26,37]，而B-A地区(约60 m)位于芦苇带内，由植被产生的阻力系数明显高于C-B区域，阻力系数增大会加强对波浪的耗散作用，有效降低波浪的波高，故平均阻力系数较大的B-A区域对波浪波高以及波能的衰减作用更为明显。由此可见，植被覆盖区域对波浪阻碍作用更加明显，经植被区域后，波能将出现大幅度降低。因而，合理的增加植被区域在滩涂中的覆盖率能增强盐沼潮滩的消浪作用。