滨州双层牡蛎礁消浪效果的实验研究

洪 新,程建婷 ,李庆杰,武 双,燕 杰,石洪源

(1.国家海洋局烟台海洋环境监测中心站,山东 烟台 264006;2.鲁东大学水利工程学院,山东 烟台 264025)

引 言

为响应“开展蓝色海湾整治行动”等国家战略,生态环境部、自然资源部与财政部联合实施了“海洋生态保护修复”专项支持,目前已在全国多个沿海城市取得积极成效。滨州市作为环渤海经济圈的重要节点,于 2021 年获得了“海洋生态保护修复”的专项支持,主体为套尔河河口至潮河河口之间海域的生态环境保护修复,其中包括牡蛎礁修复等内容。

牡蛎礁指由大量牡蛎固着生长于硬底物表面所形成的一种生物礁系统,它广泛分布于温带河口和滨海区。牡蛎礁的修复主要通过结合防浪堤设置专用礁体以及利用牡蛎壳礁体两种方式实现。牡蛎礁水动力学属于近岸水动力学研究的一部分,国内在近岸水动力学的研究上,主要集中在波浪传播中的变形与破碎问题上[1-2]。因我国南海造岛工程的实施,珊瑚礁与波浪的相互作用研究较多,例如陈洪洲等[3]基于数值模型,研究了珊瑚岸礁礁坪上的波浪变形问题;姚宇等[4]基于水槽试验,研究了潮汐流影响下的珊瑚岛礁附近的波浪变形和增水。贾美军等[5]通过测试一系列不规则波工况研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低频长波和增水的变化规律,并对比了防浪建筑物的不同位置情况。Gourlay[6]基于一系列的珊瑚礁模型试验,系统地研究了规则波的传播变形、增水和波生流问题。丁军等[7]通过水池模型试验对岛礁附近波浪沿程变化、横剖面波高变化和礁坪上波浪变化特征进行了分析。任冰等[8]通过物理模型试验研究了规则波在岛礁地形上的传播、变形和破碎变化特性。陈松贵等[9]基于大比尺波浪水槽模型试验,研究了不规则波在建有防浪堤的珊瑚礁上波浪传播-破碎-壅水的过程,结果表明,波浪由深海传至筑堤珊瑚礁,越靠近防浪建筑物,低频能量越大,水位壅高越大。

珊瑚礁和牡蛎礁消浪原理一致,即增加海底粗糙度及减低水深,造成波浪能量的衰亡。通过文献查阅,牡蛎礁消浪效果基本无人研究。因此,本文依托滨州市蓝色海湾牡蛎礁修复项目,通过物理模型实验,研究了牡蛎礁设计方案的消浪效果,为相关研究提供参考。

1 牡蛎礁概况及水文条件

1.1 水位条件

根据实测资料统计,以国家1985高程为基准面(以下涉及高程的数据均以此为基准面),工程区极端高水位为3.13 m,设计高水位为1.57 m。

1.2 波浪条件

因研究区域无长期波浪资料,因此本研究利用欧洲中期预报中心发布的ERA52001—2020年波浪数据获取工程区域外 -13.0 m 等深线处波浪要素,以此作为波浪数值模型SWAN的边界条件,模型计算区域为117.9°～118.5° E,38.1°～38.5° N,共有 154 048 个,网格节点共有 48 053 个,空间尺度为5 m～1 km,计算间隔为20 min,输出间隔为1 h。根据波浪要素,分波向分别推算了工程区域50年一遇的波浪大小。模型计算中的水深来自海图,各高程之间的关系见图 2,经模型推算得到牡蛎礁-1.0 m和-1.3 m水深处波浪要素,其推算点见图 1,考虑到工程区域左侧堤坝的阻碍作用,因此波浪推算仅仅考虑了7个方向,分别为:NW、NNW、N、NNE、NE、ENE和E。得到的波浪要素值见表1～表4。

表1 极端高水位下双层镂空块牡蛎礁消浪实验结果

图1 波浪推算点(W1、W2)位置示意图

图2 不同高程之间的关系

1.3 牡蛎礁设置方案

本研究聚焦双层牡蛎礁消浪效果,牡蛎礁分别布设于1.0 m和1.3 m等深线处,顶标高分别为0 m和1.0 m,牡蛎礁横剖面为梯形,顶宽为20 m,长度分别为80 m(外层)和40 m(内层),两侧坡度约为45°,可用材质为石块和镂空块,两层之间垂直距离为20 m。牡蛎礁摆放平面布局见图3。

图3 牡蛎礁摆放平面图(单位:m)

1.4 验设置

1.4.1 模型尺度

根据《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234—2019),在本模型设计中,综合考虑实验水槽尺寸及牡蛎礁尺度、波浪及实验仪器设备精度情况,采用正态比尺进行模型设计,断面模型实验的长度比尺(λl)和垂向比尺(λD)定为λl=λD=10,采用重力相似准则设计实验模型,则

时间比尺:

(1)

重量比尺:

(2)

牡蛎礁模型按照几何比尺制作,采用石块、预制块等配重,尽量满足质量和重心位置相似,保证模型的准确性。

1.4.2 实验场地及仪器

实验场所选在鲁东大学港口航道与海岸工程实验室大型波流水槽(图4左)。该水槽长60.0 m,宽2.0 m,高1.8 m,最大工作水深1.5 m,采用伺服电机驱动的推板式造波机,推波板宽2.0 m。该造波机能够用于模拟波高0.05 m至0.6 m、周期0.5 s至5 s的规则波、不规则波(国内外规范常用频谱),且具有吸收式造波功能。水槽末端配备消浪石(图4右),用于吸收波浪(消浪石为底边长6.2 m、高1.5 m),实验时应在消浪石上方再铺上2～3层消浪网,尽可能减少水槽后端波浪反射带来的影响。

图4 鲁东大学大型波流水槽(左);水槽末端消浪石(右)

1.4.3 实验仪器与材料

本次实验采用DS30型64通道电容式浪高测量系统采集数据,系统会分别显示每个传感器在采集时间内的周期、平均波高、最大波高、三分之一大波和有效波高,还可以呈现数据的图像。在模型断面的中心轴线处放置浪高仪,调整水槽中的水位至实验水深,对浪高仪进行率定后开始造波实验,实验时应当波面稳定(出现3～4 个稳定波高)后开始采集波高数据和运动图像。每次测量时间为120 s,频率为100 Hz。每组工况采集两次,当两组数据之间满足实验要求(误差小于5%)时方可进行下一组实验。

1.4.4 模型布置

物理模型实验的实验水槽首端具备主动吸波功能的造波设备。模型布置在水槽中部,与造波设备相隔一定距离。在模型区后,经过一段距离后设置消波设备。实验室通常采用数字波高仪测量波浪在礁区的传播衰减,可将波高仪布置在礁区及其前后,波高仪测点为4个(礁体的前、后边缘各1个,礁体面2个)。经缩放,实验布置见图5。为消除海底地形的影响,本实验利用黄河口原位沙(粒径大小类似)铺设地形,并采用不规则波作用5个小时至滩面稳定,形成自然的海底过渡区,经高程验证,水槽地形与牡蛎礁实际海域基本一致,并根据缩放原理,在相应高度处布设实验礁体(见图 6)。

图5 礁体消浪效果实验示意图

图6 滩面稳定后的地形(左)及双层镂空块(右)

2 实验结果

2.1 极端高水位实验结果

在极端高水位为3.13 m情况下,镂空块和石块对50年一遇波浪的消浪结果分别见表1和表2,可知:(1)镂空块牡蛎礁最佳消浪率在39.19%～41.85%之间;(2)石块牡蛎礁最佳消浪率在38.49%～44.42%之间。(3)牡蛎礁的消浪效果主要集中在第一层消浪过程,第二层消浪率较小。(4)在极端高水位条件下,两层牡蛎礁之间因水深逐渐变浅,因浅水效应造成波高降低,浅水效应造成的波浪衰减率不高,介于2.23%～6.46%之间。

表2 极端高水位下双层石块牡蛎礁消浪实验结果

2.2 设计高水位实验结果

在设计高水位为1.57 m情况下,镂空块和石块对50年一遇波浪的消浪结果分别见表3和表4,可知:(1)镂空块牡蛎礁最佳消浪率在74.24%～75.30% 之间;(2)石块牡蛎礁最佳消浪率在73.91%～76.24% 之间。(3)牡蛎礁的消浪效果主要集中在第一层消浪过程,第二层消浪率较小。(4)在设计高水位条件下,两层牡蛎礁之间因水深逐渐变浅,因浅水效应造成波高降低,且浅水引起的消浪率大于极端高水位条件下,介于5.29%～8.98% 之间。

表3 设计高水位下双层石块牡蛎礁消浪实验结果

表4 设计高水位下双层镂空体牡蛎礁消浪实验结果

3 结论

利用鲁东大学大型水槽研究了不同牡蛎礁组成成分及布放水深下的直面消浪效果,经实验和计算得到:

(1)在极端高水位50年一遇波高情况下,1 m等深线和1.3 m等深线分别布设顶高层为0 m和1 m的牡蛎礁最佳消浪效果如下:石块消浪率为 38.49%～44.42% 之间;镂空块消浪率为39.19%～41.85%。

(2)在设计高水位50 年一遇波高情况下,1 m 等深线和 1.3 m 等深线分别布设顶高层为0 m 和1 m 的牡蛎礁最佳消浪效果如下:石块消浪率为73.91%～76.24% 之间; 镂空块消浪率为74.24%～75.30%。

(3)对于双层牡蛎礁,第一层消浪效果远好于第二层,其消浪率占总消浪率的60%以上。

(4)在两层牡蛎礁之间,随着波浪传播方向,水深变浅,波高将减小,但是幅度并不大,不足10%,尤其在极端高水位情况下效果更不显著。