李張妍,姚宇,2,周寶寶,楊笑笑
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)試驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410114)
珊瑚礁廣泛分布于熱帶及亞熱帶海域,我國(guó)南海等海域也蘊(yùn)藏著非常豐富的珊瑚礁資源[1]。在珊瑚礁內(nèi)由形狀各異的珊瑚蟲骨骼構(gòu)成的粗糙珊瑚礁底部通常被稱為冠層[2],流經(jīng)冠層的水流稱之為“冠層流”。由于珊瑚具有固著生長(zhǎng)不可移動(dòng)的生物特性,因此珊瑚依靠流入和環(huán)繞它們的水流來維持諸如光合作用、呼吸作用、捕食和繁殖等關(guān)鍵生物過程。冠層與水體之間的復(fù)雜相互作用影響平均流速結(jié)構(gòu)及阻力特性,而平均流速結(jié)構(gòu)及阻力特性對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的物理過程有重要影響,如波浪衰減[2]、泥沙輸移[3-4]和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)[5]等。除了珊瑚礁的礁形因素影響外[6-7],珊瑚礁海域內(nèi)水動(dòng)力特性通常是波浪和潮汐流共同作用的結(jié)果[8-9]。因此,研究潮汐流和波浪共同影響下珊瑚礁上的平均流分布、阻力特性對(duì)于珊瑚礁海岸泥沙輸移、海岸線演變規(guī)律探討及近海珊瑚礁生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。
珊瑚礁冠層內(nèi)的平均流速分布特征已被廣泛研究。單向流作用下,珊瑚礁冠層內(nèi)部的流動(dòng)是由冠層頂部的湍流應(yīng)力以及壓力梯度所驅(qū)動(dòng),該驅(qū)動(dòng)力根據(jù)相對(duì)淹沒度(冠層高度與水深的比值)不同而有所差異[10]。冠層(粗糙度)內(nèi)的平均速度相對(duì)于冠層(粗糙度)上的速度衰減受阻力系數(shù)、冠層每單位體積的前緣面積和固形體積分?jǐn)?shù)影響[2,11],故而平均流速分布從冠層頂部附近的最大值至底部減小為零。許多研究者對(duì)波浪作用下的珊瑚礁內(nèi)平均流速進(jìn)行了研究,這些研究表明即便僅有振蕩流作用,在珊瑚礁內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生與波浪傳播方向相同的平均流[12],相較于同等大小單向流,振蕩流作用下冠層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更大的平均流[11,13],并增強(qiáng)瞬時(shí)剪切力及水體混合強(qiáng)度,但冠層上部的流速分布仍和單向流作用下相似[13]。
由底棲生物構(gòu)成的粗糙珊瑚礁所產(chǎn)生的底部阻力是大多數(shù)淺層珊瑚礁上水動(dòng)力過程的重要影響因素,對(duì)于水動(dòng)力特性具有決定性意義[8-9,14]。珊瑚礁對(duì)水流的阻力通常使用阻力系數(shù)CD進(jìn)行參數(shù)化,已有野外觀測(cè)及物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,珊瑚礁阻力系數(shù)為0.005~0.2[15-16],其大小取決于冠層的幾何形狀、流速分布以及礁體上方的水深等水流特征[17-18]。此外,有研究指出:阻力系數(shù)定義方法的差異以及所選取用于計(jì)算阻力系數(shù)的參考速度的不同也是導(dǎo)致阻力系數(shù)值變化范圍較大的原因之一[19]。Rosman 等[18]基于三維空間平均動(dòng)量方程,證明了阻力系數(shù)和水動(dòng)力粗糙度是冠層幾何以及速度剖面分布的函數(shù),并提出了一個(gè)關(guān)于阻力系數(shù)的理想化雙層模型。Asher 等[20]通過對(duì)單向流作用下珊瑚礁垂向阻力變化的研究提出了包含標(biāo)準(zhǔn)彌散應(yīng)力項(xiàng)修正的阻力系數(shù)公式,并通過引入附加系數(shù)以減小阻力系數(shù)的變化范圍。
上述研究?jī)H考慮了單向流或波浪單一作用下珊瑚礁冠層內(nèi)外的平均流分布,并未考慮波浪和潮汐流的共同作用對(duì)具有大底部粗糙度的礁面上平均流分布的影響。同時(shí),對(duì)阻力系數(shù)的研究局限于個(gè)別位置的測(cè)量,其測(cè)試范圍為單個(gè)珊瑚礁生物個(gè)體或種群內(nèi),未能擴(kuò)及整個(gè)珊瑚礁地形范圍,此外,類似于平均流相關(guān)研究,阻力系數(shù)的研究也側(cè)重于單向流或波浪單一水動(dòng)力條件的影響?;诖耍疚膮⒖糦ao 等[21]使用圓柱體陣列概化礁面粗糙度,并利用造流泵在水槽內(nèi)產(chǎn)生與波浪傳播方向同向/反向水流,以模擬潮汐漲/落過程的方法[22],通過試驗(yàn)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)對(duì)潮汐流和波浪共同作用下珊瑚礁海岸平均流及阻力特性進(jìn)行測(cè)量分析研究。
物理模型實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心的波流水槽(長(zhǎng)40 m,寬0.5 m,高0.8 m)內(nèi)開展。試驗(yàn)設(shè)置如圖1 所示,水槽左端為活塞式造波機(jī),在距造波機(jī)約34 m 的右端設(shè)有斜坡模擬礁后岸灘,斜坡上覆蓋多孔吸波材料,以減少波浪反射。珊瑚礁物理模型參照Quataert等[23]文獻(xiàn)中列舉的世界不同地點(diǎn)有代表性的珊瑚礁礁形特征值范圍,按照弗勞德相似準(zhǔn)則以1∶20 的幾何比例尺設(shè)定礁前斜坡以及礁坪尺寸、礁坪水深和波高。如圖1(a)所示,礁前斜坡坡度為1∶6,其坡腳距造波機(jī)20.75 m,坡后與長(zhǎng)為8 m的水平礁坪相接,礁坪距水槽底部0.35 m,礁坪右側(cè)末端通過坡度為1∶1 的斜坡連接至槽底。同時(shí)在水槽右端設(shè)置礁后岸灘(坡度為1∶8),礁坪與礁后岸灘間形成的底寬為3 m 的區(qū)域即為“潟湖”。潟湖底部和造波機(jī)附近的槽底由直徑為240 mm 的圓管互相連通,圓管中部安裝有變頻造流泵和電磁流量計(jì),利用造流泵在管道內(nèi)產(chǎn)生與水槽中波浪傳播方向相同或相反的循環(huán)流模擬礁坪上的潮汐流。當(dāng)測(cè)試無潮汐的純波浪情況時(shí),不同于以往試驗(yàn)研究中潟湖封閉或無潟湖情況,礁坪波生流僅以海底回流的形式回到外海[24],本實(shí)驗(yàn)過程中部分波生流可通過連通管道回流到造波機(jī)附近使?jié)暫3珠_放狀態(tài),以模擬珊瑚礁上裂口的存在。
圖1 試驗(yàn)設(shè)置
試驗(yàn)利用垂向放置的圓柱陣列模擬生長(zhǎng)有鹿角類珊瑚的粗糙礁面[25],即在整個(gè)礁前斜坡至礁坪右側(cè)末端區(qū)域上均勻布置圓柱體(圖1(b))。該圓柱體單元直徑10 mm,高35 mm,嵌入模型底部10 mm 深的預(yù)鉆孔中,露出礁面部分高25 mm,圓柱體分布密度為?= 0.126(圖1(c)、(d)),珊瑚礁表面粗糙度由圓柱體的分布密度表示,即控制體中圓柱體木條總體積Vs占控制體總體積的V的比例,?=Vs/V,實(shí)驗(yàn)取?= 0.126。
試驗(yàn)使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)測(cè)量沿水槽中心線處共14 條測(cè)線的波生流,各測(cè)線分布及間距見圖1,其中L1-L3位于礁前斜坡,L4位于礁緣,L5-L14位于礁坪,因波浪與水流在礁緣附近運(yùn)動(dòng)變化劇烈,故對(duì)該區(qū)域測(cè)線進(jìn)行局部加密。測(cè)流線位置為距礁緣(L4)的距離,取礁緣向岸方向?yàn)檎?,離岸方向?yàn)樨?fù)?;谔筋^的四個(gè)測(cè)爪建立空間直角坐標(biāo)系,探頭與地面垂直方向?yàn)閆 軸,向上為正;沿礁方向?yàn)閄 軸,波浪傳播方向?yàn)檎?;展向(沿岸線方向)為Y 軸。ADCP在該坐標(biāo)系下(X、Y、Z)測(cè)得的瞬時(shí)流速數(shù)據(jù)分別記為u、v、w。測(cè)量礁坪底部至自由波面間的流速分布時(shí),每條測(cè)線上測(cè)量點(diǎn)間隔為1 mm,采樣頻率為50 Hz,采樣時(shí)長(zhǎng)為120 s。當(dāng)水槽內(nèi)水流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行采樣測(cè)量,在測(cè)流期間,測(cè)量探頭始終與水槽底部垂直,帶紅色標(biāo)記的探頭與波浪傳播方向一致。
由于波流共存時(shí)實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間較長(zhǎng),試驗(yàn)僅測(cè)試了礁坪水深hr= 0.10 m,深水入射波高H0= 0.14m,波周期T= 1.5s的代表性規(guī)則波工況,礁坪上分別存在代表漲潮的正向恒定流(單寬流量 ||q= 80 m2/h)和代表落潮的反向恒定流,同時(shí)測(cè)試了無潮流時(shí)的波浪運(yùn)動(dòng)情況,并與前二者進(jìn)行對(duì)比分析。幾何比例尺為1∶20 時(shí),對(duì)應(yīng)的時(shí)間和速度比例因子均為1∶4.5,因此,本研究的島礁原型的跨岸礁坪寬度為160 m,礁坪淹沒水深為2.0 m,入射波高為2.8 m,波周期為6.75 s,潮流流速為0.125 m/s。
為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在正式實(shí)驗(yàn)前對(duì)ADCP 進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證。在水槽中軸線處中間水深位置測(cè)試ADCP 性能,沿礁面選取6 個(gè)測(cè)點(diǎn),分別為礁前斜坡處L1、礁緣附近L3、L5及礁坪上L7、L11、L14。在相同參數(shù)情形下對(duì)同一位置的速度反復(fù)測(cè)量3 次,并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄各時(shí)刻速度值,所得重復(fù)性驗(yàn)證結(jié)果如圖2 所示,各測(cè)點(diǎn)三次重復(fù)測(cè)量對(duì)應(yīng)的u、v、w流速值相對(duì)誤差均小于5%,說明本實(shí)驗(yàn)所用的ADCP 具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,滿足實(shí)驗(yàn)要求。
圖2 流速測(cè)量重復(fù)性驗(yàn)證
圖3 展示了正向潮流(q= 80 m2/h)、反向潮流(q= -80 m2/h)、無潮流(q= 0)分別與波浪(H0= 0.14 m,T= 1.5 s,hr= 0.10 m)共同作用的三種工況下,垂直于海岸方向平均流速()垂向分布的沿礁變化,為包含潮流流速在內(nèi)的平均流速,通過對(duì)沿波浪傳播方向流速(u)求時(shí)間平均得到。z為測(cè)流點(diǎn)高度(以測(cè)流線處礁面為零點(diǎn)),h為各測(cè)流線處的當(dāng)?shù)仂o水深。z采用h無量綱化,采用當(dāng)?shù)販\水波波速c(c=gh,g 為重力加速度)進(jìn)行無量綱化。
圖3 沿礁不同測(cè)線位置平均流速()的垂向分布
由圖3 可知,無潮流、正向潮流及反向潮流作用下冠層對(duì)水流的阻礙作用顯著降低了冠層內(nèi)部(虛線下方)的平均流速,冠層底部的平均流速幾乎為0,而由于阻力消失,冠層頂部附近平均流速沿水深方向顯著增加。如圖3 所示,無潮流(僅波浪作用)時(shí),在礁前斜坡L1處珊瑚礁冠層頂部附近存在邊界層,該邊界層內(nèi)的平均流向外海流動(dòng),邊界層以外的平均流速極其微弱,幾乎為零。在礁前斜坡上(L2、L3)水深進(jìn)一步減小,波浪發(fā)生淺化變形,邊界層隨之下移,且分布范圍有所增大。由于地形陡變,在礁緣附近波峰失穩(wěn),波浪發(fā)生破碎,波浪破碎時(shí)水體非線性運(yùn)動(dòng)急劇增強(qiáng),使得冠層內(nèi)部平均流縱向分布急劇變化。在礁緣附近L5處,波浪破碎產(chǎn)生了明顯的離岸平均流(海底回流),并在冠層中部附近達(dá)到最大值,隨后迅速減小;在破碎帶內(nèi)L6處的冠層頂部產(chǎn)生了向岸平均流,且在礁坪上(L7-L14)進(jìn)一步向海岸方向增加,同時(shí)冠層內(nèi)部向岸平均流逐漸增大,由于部分波生流可通過裂口(開放的潟湖)回到外海,在內(nèi)礁坪L11處冠層內(nèi)離岸平均流完全消失,向岸平均流充分發(fā)展。
當(dāng)波浪與潮流共同存在時(shí),對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):正向潮流作用下,在礁前斜坡(L1-L3)處的冠層頂部存在邊界層,不同于無潮流時(shí),該邊界層上方平均流向岸流動(dòng)且沿水深方向無顯著變化。當(dāng)波浪傳播至L5,冠層內(nèi)外的向岸平均流明顯增大,隨后向海岸方向沿礁持續(xù)增大。相較于無潮流,在整個(gè)礁坪上(L5-L14)珊瑚礁冠層內(nèi)外相同水深位置處的平均流均有所增加,其增幅沿水深方向增加。反向潮流作用下,在礁前斜坡(L1-L3)處邊界層上存在明顯的離岸平均流,且該流沿水深方向呈線性增加。同時(shí),珊瑚礁內(nèi)部及其上方離岸平均流向離岸方向沿礁增大,在礁緣附近L5處離岸平均流達(dá)到最大,隨后逐漸減?。ㄖ罫7),然后趨于穩(wěn)定(L7-L14),冠層內(nèi)離岸平均流有所增加,至內(nèi)礁坪L14處離岸平均流分布貫穿于整個(gè)冠層。此外,比較三種波流條件下平均流絕對(duì)值可知:在礁前斜坡及礁緣附近(L1-L6),邊界層上方相同水深處平均流絕對(duì)值大小為反向潮流>正向潮流>無潮流,而在礁坪(L8-L14)冠層頂部附近及其上方相同水深處該值為正向潮流>反向潮流>無潮流。
摩阻流速u*最初用于描述單向明渠流中底部阻力,因其具有流速的量綱,因此稱之為摩阻流速,被推廣應(yīng)用于描述波浪作用下大粗糙度珊瑚礁的底部阻力[2,5,12]。對(duì)于充分發(fā)展的湍流邊界層,平均流速分布符合對(duì)數(shù)分布[13,15]:
式中:u*為摩阻流速;κ= 0.41,κ = 0.41 為卡曼常數(shù);d為平均流速零點(diǎn)高度相對(duì)于床面的垂向偏移量,與傳遞至粗糙度內(nèi)的動(dòng)量有關(guān);z為流速點(diǎn)距離床底高度;z0為床面水力粗糙度。u*、d、z0均可通過最小二乘法對(duì)測(cè)量的流速剖面對(duì)數(shù)分布區(qū)進(jìn)行擬合求得。
對(duì)于礁坪上的不同測(cè)線位置(L6~L14),根據(jù)圖3 的平均流分布選擇冠層頂端附近的對(duì)數(shù)分布區(qū),區(qū)域上下界的選取保證擬合的決定系數(shù)R2>0.95,三種波流條件下的沿礁不同測(cè)線位置對(duì)數(shù)區(qū)的流速分布及基于公式(1)的擬合結(jié)果見圖4。
圖4 沿礁不同測(cè)線位置對(duì)數(shù)區(qū)的流速分布及其基于公式(1)的擬合結(jié)果
對(duì)于傳統(tǒng)的光滑底床,在波流共同作用下剪切應(yīng)力沿水深發(fā)生變化,一定水深處的平均流速相較于剪切應(yīng)力推導(dǎo)得出的對(duì)數(shù)分布偏大或偏小[26]。而對(duì)于存在冠層的大粗糙度底床,冠層頂部附近波流共同作用下產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)剪切層(shear layer),強(qiáng)剪切層上方的平均流速隨離床面距離的增大呈增加趨勢(shì)并符合對(duì)數(shù)分布[9]。由圖4 可知,本研究的結(jié)果與后者相符:三種波流工況下平均流速在糙率單元頂部附近存在剪切層,其上方平均流速呈對(duì)數(shù)分布。
對(duì)比圖4 中三種工況下礁坪上各測(cè)線位置的摩阻流速(u*):無潮流作用時(shí)u*為向岸方向,與波浪傳播方向相同,其值在1.15~1.92 cm/s 間小幅波動(dòng);正向潮流作用下,相同測(cè)線處u*為向岸方向,且u*在2.95~5.31 cm/s 之間大幅波動(dòng),其值明顯大于無潮流時(shí);反向潮流作用下,相同測(cè)線處u*為離岸方向,與潮流流動(dòng)方向相同,其值在2.26~6.19 cm/s 之間,同時(shí)u*沿礁呈明顯降低趨勢(shì),使得u*值在外礁坪(L6-L9)時(shí)表現(xiàn)為反向潮流>正向潮流>無潮流,而至內(nèi)礁坪(L10-L14)時(shí)正向潮流>反向潮流>無潮流。由此可見,潮流作用下礁坪上摩阻流速方向與潮流方向相同,且較純波浪條件時(shí)顯著增大,反向潮流作用下摩阻流速大小沿礁呈明顯降低趨勢(shì),而正向潮流及無潮流時(shí)無該變化規(guī)律。
對(duì)圖4 中三種工況下的水力粗糙度(z0)進(jìn)行對(duì)比分析可知,正向潮流、反向潮流作用下礁坪上相同位置處z0普遍有所增加,增加幅度不等;對(duì)比相同工況下內(nèi)外礁坪上z0發(fā)現(xiàn),外礁坪上z0明顯大于內(nèi)礁坪。整體而言,z0變化范圍為0.03~0.83 cm,其值始終顯著小于珊瑚礁物理粗糙度2.5 cm。
對(duì)比圖4 中三種工況下,平均流速零點(diǎn)高度相對(duì)于床面的垂向偏移量d:無潮流時(shí)d沿礁分布于1.19~2.18 cm 之間,其值始終小于粗糙單元高度2.5 cm,這表明平均流對(duì)數(shù)區(qū)的零點(diǎn)高度始終在冠層內(nèi)部,與圖3 中平均流的實(shí)際分布相符。對(duì)比正、反向潮流的影響發(fā)現(xiàn),礁坪上d均有不同程度的減小,這是由于波流共同作用下平均流增大并向珊瑚礁冠層內(nèi)發(fā)展所致。
珊瑚礁形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,擁有較大的物理粗糙度,會(huì)對(duì)流經(jīng)的水流施加阻力,并且以拖曳力(形阻)為主,在水動(dòng)力學(xué)中通常使用阻力系數(shù)(CD)進(jìn)行參數(shù)化[18],其與u*的關(guān)系為:
式中:U0為參考流速,本文取0.5hr處的平均流速。根據(jù)公式(2)對(duì)沿礁阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖5 所示,可知阻力系數(shù)范圍為0.009~0.1,與Lentz 等[16]通過野外觀測(cè)的估計(jì)值范圍0.005~0.2十分吻合。
圖5 沿礁不同測(cè)線位置的阻力系數(shù)(CD)
由圖5 可見,無潮流時(shí),阻力系數(shù)在靠近礁緣L6處最大,隨后沿礁前斜坡至內(nèi)礁坪L12持續(xù)下降,這主要是U0沿礁持續(xù)增大且增幅較u*更顯著所致。在內(nèi)礁坪上L12至L14處,u*增大了52.69%,U0僅增大了19.82%,使得阻力系數(shù)略有上升。分析不同潮流的影響發(fā)現(xiàn),正向、反向潮流作用下礁坪上阻力系數(shù)均沿礁顯著下降,但其原因存在差別:正向潮流作用時(shí),主要是U0沿礁持續(xù)增大且增幅較u*更顯著所致;反向潮流作用時(shí),原因是u*沿礁減小且其變化幅度較U0更大所致。結(jié)合前述分析可知,u*值在外礁坪(L6-L9)時(shí)為反向潮流>正向潮流>無潮流,而至內(nèi)礁坪(L10-L14)時(shí)正向潮流>反向潮流>無潮流,使得正向潮流、反向潮流作用下,在相同測(cè)線處阻力系數(shù)相較于無潮流均顯著增加,外礁坪上正向潮流的增幅更大,內(nèi)礁坪上二者趨于一致。
本文通過物理模型試驗(yàn)對(duì)珊瑚礁冠層內(nèi)外波流共同作用下的平均流分布及阻力特性進(jìn)行了研究,對(duì)比分析了典型波浪工況下正向、反向潮流和無潮流作用下平均流速、摩阻流速和阻力系數(shù)的沿礁變化規(guī)律,結(jié)果表明:
(1)無潮流時(shí),礁前斜坡及外礁坪上存在海底回流,在礁緣附近海底回流最強(qiáng)且在冠層中部達(dá)到最大值;在礁坪上,冠層附近及其上方平均流表現(xiàn)為向岸流動(dòng),其沿礁向海岸方向持續(xù)增大。正向、反向潮流改變了平均流流動(dòng)方向及其沿礁的變化趨勢(shì),相較于無潮流時(shí),正向潮流作用下海底回流幾乎不存在,冠層內(nèi)外均為向岸平均流,在礁坪上冠層內(nèi)外的向岸平均流顯著增大;而反向潮流作用下冠層內(nèi)外均為離岸平均流,在礁緣上離岸平均流最大,隨后在礁坪上逐漸減小,然后趨于穩(wěn)定。
(2)無潮流時(shí),礁坪上摩阻流速沿礁存在小幅波動(dòng),正向、反向潮流影響下礁坪上摩阻流速相較于無潮流時(shí)顯著增大,其中正向潮流影響下增幅更大。無潮流時(shí),礁坪上水力粗糙度沿礁呈減小趨勢(shì),正向、反向潮流影響下礁坪上相同位置處的水力粗糙度有幅度不等的增加,但沿礁無明顯變化規(guī)律。
(3)無潮流、正向潮流、反向潮流條件下礁坪上的阻力系數(shù)均沿礁整體呈下降趨勢(shì);相較于無潮流,正向、反向潮流影響下礁坪上的阻力系數(shù)顯著增大,且正向潮流作用時(shí)增加幅度更大;此外,在外礁坪上正向潮流影響下的阻力系數(shù)顯著大于反向潮流,但在內(nèi)礁坪上二者趨于一致。
本文研究成果可為進(jìn)一步研究珊瑚礁海岸泥沙輸移、岸線演變以及珊瑚礁生態(tài)修復(fù)提供一定參考依據(jù)。