鄭金海, 時(shí)健, 陳松貴

1. 河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京210024;

2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院, 江蘇 南京210024;

3. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院, 天津 300456

珊瑚島礁廣泛分布于“一帶一路”沿線的熱帶和亞熱帶地區(qū), 不僅擁有豐富的生物、礦物和旅游資源,也是海洋資源開發(fā)和海洋權(quán)益保障的重要支點(diǎn)。珊瑚島礁海岸的礁前地形陡變, 通過礁冠與相對(duì)平坦的礁坪相連。波浪在礁冠附近發(fā)生劇烈破碎和能量耗散,在礁坪上的淺水傳播過程中也伴隨著顯著的底床糙率摩阻能量耗散, 同時(shí)產(chǎn)生波浪增水和波生流。因此,礁冠和礁坪的存在對(duì)于保護(hù)珊瑚島礁海岸免受風(fēng)暴浪侵襲發(fā)揮了重要作用。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)增強(qiáng), 風(fēng)暴頻發(fā)、珊瑚礁退化和眾多工程建筑物的修建使得珊瑚礁的消浪減災(zāi)功能減弱, 復(fù)雜的波流運(yùn)動(dòng)對(duì)島礁海岸及其建筑物穩(wěn)定性和安全性的影響也日益受到關(guān)注。同時(shí), 珊瑚島礁海岸的波浪和波生流也是珊瑚砂和營養(yǎng)物質(zhì)輸運(yùn)的主要驅(qū)動(dòng)力, 對(duì)沉積地貌演變和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要影響。

珊瑚島礁海岸獨(dú)特的地形地貌決定了波浪傳播變形、水流分布、水位變化和建筑物響應(yīng)呈現(xiàn)與傳統(tǒng)海岸迥異的規(guī)律特性, 珊瑚島礁工程建設(shè)也帶來許多新的海岸動(dòng)力學(xué)問題。孫家文 等(2018)在介紹島礁地貌特征的基礎(chǔ)上, 總結(jié)了島礁海域近岸水動(dòng)力學(xué)中波能耗散、礁坪增水、低頻長波、波生流等方面的研究進(jìn)展。姚宇(2019)從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論模型、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模型4 個(gè)方面綜述了珊瑚礁海岸水動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展, 并討論了觀測(cè)對(duì)象、模擬方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面的不足。這些文獻(xiàn)綜述針對(duì)的是無工程防護(hù)的天然珊瑚島礁, 主要著眼于島礁局部岸段的水動(dòng)力過程, 側(cè)重于垂直于岸線方向的珊瑚礁陡變地形上的波浪傳播變形及其引起的增水和波生流運(yùn)動(dòng)特性。

近年來, 隨著珊瑚島礁港口航道與海岸工程安全保障、島礁海岸防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)保護(hù)修復(fù)需求的迅速增長, 以及解析理論和實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)的進(jìn)步, 珊瑚島礁海岸波流運(yùn)動(dòng)特性研究開始呈現(xiàn)出多空間尺度的發(fā)展趨勢(shì)。例如, 從局部岸段的波流場(chǎng)分析研究拓展到整個(gè)島礁周邊海域的大范圍海脊波浪傳導(dǎo)和沿島波浪俘獲研究(空間尺度為幾公里至幾十公里),有助于更全面認(rèn)識(shí)島礁海岸水災(zāi)害的形成演化和作用特性并制定有效的減災(zāi)措施; 從水平一維(1DH)島礁斷面地形上的水動(dòng)力過程研究拓展到水平二維(2DH)的礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)波流運(yùn)動(dòng)特性研究(空間尺度為幾百米至幾公里), 為準(zhǔn)確掌握珊瑚島礁海岸的物質(zhì)輸運(yùn)、地形演變和港口航道穩(wěn)定性提供理論支撐; 從針對(duì)天然無防護(hù)島礁的研究深入到填海造陸工程建設(shè)后的筑堤珊瑚島礁波流-建筑物相互作用研究(空間尺度為幾米至幾百米), 為島礁海岸防浪建筑物的合理設(shè)計(jì)和安全維護(hù)提供必要的科學(xué)依據(jù)。因此, 本文針對(duì)上述三種不同的空間尺度, 分別從大范圍大洋海脊導(dǎo)波與島礁波浪俘獲、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)等三個(gè)方面, 總結(jié)近年來珊瑚島礁海岸波流運(yùn)動(dòng)特性研究的新進(jìn)展。

1 大范圍大洋海脊導(dǎo)波與島礁波浪俘獲

地震、海底滑坡及火山噴發(fā)所產(chǎn)生的海嘯, 以及由氣象長波所引起的長周期波浪在珊瑚島礁周圍的分布都影響著島礁安全。到達(dá)島礁周圍的長周期波浪的大小, 不僅與其激發(fā)動(dòng)力過程有關(guān), 還與海脊對(duì)其引導(dǎo)作用密切相關(guān)。當(dāng)長周期波浪波長與珊瑚島礁尺度相近時(shí), 可形成島礁俘獲波。以往的研究通過理論分析和觀測(cè)資料證實(shí)了遠(yuǎn)海島礁海域存在著低頻長波并對(duì)島礁防護(hù)建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重影響,最近的研究則側(cè)重于對(duì)大洋海脊導(dǎo)波和島礁周圍長周期波的俘獲機(jī)理和條件。

1.1 大洋海脊導(dǎo)波

由于海底山脊的引導(dǎo)和放大作用而形成的沿著海脊傳播的波浪通常稱為大洋導(dǎo)波(ocean guided waves)或俘獲波(trapped waves)。Longuet-Higgins(1968)最早提出海脊俘獲的問題, 并討論了臺(tái)階型海脊上俘獲波的解析理論。隨后Buchwald(1969)進(jìn)一步研究了臺(tái)階兩側(cè)水深不等的情況。Shaw 等(1981)將該理論拓展為階梯型海脊, 從理論上給出了自由水面、頻散關(guān)系及截?cái)囝l率等。然而這些研究針對(duì)不連續(xù)地形上的俘獲波, 其產(chǎn)生是由于波浪折射所致, 而實(shí)際海嘯波由于波長較長, 海脊地形的變化相對(duì)于波長來說是緩慢變化的, 因而當(dāng)這些俘獲波理論應(yīng)用于實(shí)際海嘯傳播過程時(shí), 會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。

Wang 等(2021) 將實(shí)際海脊剖面簡(jiǎn)化為h(x)=h0cosh2(λx), 其中x 為海脊截面方向, 且x=0 為脊頂處, h0為脊頂水深, 參數(shù)λ 為決定海脊剖面陡度的因子。在該理想海脊上存在著的海脊俘獲波波面的時(shí)空變化可以表示為其中η 是俘獲波波面, ky是頻率為ω 的俘獲波的波數(shù),A 為與波幅相關(guān)的參數(shù), P 和Q 分別為第一和二類連帶勒讓德函數(shù), g 表示重力加速度, μ表示連帶勒讓德函數(shù)階數(shù), t 為時(shí)間。該俘獲波有相對(duì)于海脊中線的奇偶對(duì)稱形狀, 其對(duì)應(yīng)的頻散關(guān)系分別為

其中m=0,1,2, ……對(duì)應(yīng)不同的模態(tài)。

雙曲余弦平方型海脊奇偶俘獲波的波幅ζ沿海脊剖面分布如圖1 所示。對(duì)于偶對(duì)稱的俘獲波, 其海脊頂端波幅最大, 并向海脊外逐漸減小, 其中模態(tài)數(shù)m 與海脊每側(cè)的波節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)一致。對(duì)于奇模態(tài),脊頂處波幅始終為零, 在脊頂兩側(cè)一定距離分別達(dá)到最大值并向海脊外逐漸減小, 其模態(tài)數(shù)m 與海脊每側(cè)的波節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)仍然一致。如圖2 所示, 由于海脊俘獲波是一種地形強(qiáng)制波, 這從理論上證明了俘獲波群速度或能量速度會(huì)隨角頻率的增加而增加,即周期長的波其群速度或能量速度反而小, 這一發(fā)現(xiàn)有別于傳統(tǒng)的Airy 波或Stokes 波理論。

圖1 周期T=300s、地形參數(shù)λ=0.00009m-1、脊頂水深h0=80m 對(duì)應(yīng)的前四個(gè)模態(tài)奇偶俘獲波波幅沿海脊剖面分布Fig. 1 Normalized wave profiles corresponding to T = 300 s, λ = 0.00009 m-1, and h0 = 80 m for the first four modes over the ridge

圖2 奇偶海脊俘獲波的相位速度與群速度隨頻率變化過程Fig. 2 Variations of phase speed and group speed for trapped waves over odd and even ridges

1.2 島礁波浪俘獲

海嘯和氣壓擾動(dòng)激發(fā)的長周期波浪, 傳播至珊瑚島礁時(shí), 一部分波浪可能會(huì)因反射或折射作用被限制在島礁附近形成俘獲波, 嚴(yán)重威脅近岸居民生命財(cái)產(chǎn)安全。島礁俘獲波的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在其攜帶的能量集中在岸線附近, 使得岸線處出現(xiàn)波高較大的溯升。這些俘獲波常會(huì)危及島上人員的安全, 也會(huì)對(duì)近岸基礎(chǔ)設(shè)施造成不同程度的破壞(Yeh et al, 1994; Imamura et al, 1995; Newman et al, 2011; Hill et al, 2012)。

島礁周圍波浪分布特性與地形, 如坡度、形狀、尺寸等密切相關(guān), 不同地形參數(shù)下, 其波動(dòng)特性截然不同。基于射線理論, Zheng 等(2017)對(duì)指數(shù)型圓島礁周圍波浪的傳播路徑進(jìn)行理論分析。研究發(fā)現(xiàn),島礁周圍海域波幅的變化是由各方向的波向線交匯作用的結(jié)果(圖3), 揭示了不同島礁地形上大范圍波浪的泄露與俘獲模式以及波浪完全俘獲條件, 建立了島礁俘獲波能量分布與俘獲效率定量關(guān)系。傅丹娟(2017)針對(duì)實(shí)際海洋中存在大量群島的現(xiàn)象, 采用多重散射法, 推導(dǎo)了兩個(gè)指數(shù)型圓島周圍波浪傳播的解析解。探討了不同俘獲模態(tài)下, 島礁對(duì)長波的掩護(hù)效果。

其中α 為地形參數(shù), r 為整個(gè)島礁區(qū)域半徑, r0為島礁出水部分半徑。這些研究可用于辨識(shí)海洋災(zāi)害條件下珊瑚島礁的受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及最嚴(yán)重的受災(zāi)位置, 為防災(zāi)減災(zāi)措施的制定提供依據(jù)。

圖3 不同島礁半徑的射線路徑分布圖與波振幅分布(Zheng et al, 2017)Fig. 3 The wave rays and amplitude around the islands and reefs with different coastal radius. After Zheng et al (2017)

2 中等尺度的礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性

波浪在珊瑚礁地形上的傳播過程有別于傳統(tǒng)的平直海岸。波浪從遠(yuǎn)海傳播到礁緣處發(fā)生破碎并產(chǎn)生增水(Yao et al, 2013), 平均水位先增大后減小,水位梯度驅(qū)動(dòng)水體產(chǎn)生波生流(Hench et al, 2008)。當(dāng)珊瑚礁連續(xù)時(shí), 向岸的波生流與離岸的海底回流相互平衡, 形成水平一維1DH 環(huán)流; 當(dāng)珊瑚礁不連續(xù), 即出現(xiàn)裂口時(shí), 部分波生流流入潟湖經(jīng)過裂口流向深海, 形成了礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)中的水平二維2DH 環(huán)流(Hench et al, 2008; Lowe et al,2009, 2010; Symonds et al, 2011; Taebi et al, 2011,2012)(圖4)。珊瑚礁地形上的水平二維環(huán)流對(duì)沉積物的移動(dòng)、營養(yǎng)物質(zhì)的輸送和珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要意義(Hearn et al, 2001; Presto et al, 2006)。由于珊瑚島礁港口航道通常選址在潟湖和裂口中,研究礁坪-潟湖-裂口2DH 系統(tǒng)的波流特性也具有重要的工程價(jià)值。

已有的礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性的試驗(yàn)研究, 絕大多數(shù)是將珊瑚礁地形概化為由平底斜面和水平平臺(tái)組成的水平一維斷面模型。由于模型比尺的限制, 較少考慮潟湖和裂口的影響, 即忽略了沿岸流和裂流, 使得水流只能通過海底回流的方式回到深海, 這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波浪增水偏大而波生流偏小。

圖4 珊瑚礁海岸的近岸環(huán)流(Lowe et al, 2015)msl 為平均海平面; qr 為礁坪向岸流; qc 為裂口離岸流; η(x)指波浪增水Fig. 4 Nearshore circulation around the coral reef. After Lowe et al (2015)

2.1 礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性試驗(yàn)研究

一些學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量對(duì)礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)的波浪傳播變形和波生流進(jìn)行了研究(Hench et al,2008; Taebi et al, 2011)。但由于珊瑚礁地形的特殊性和復(fù)雜性, 環(huán)流與礁坪寬度、裂口尺寸、位置和礁面粗糙度的響應(yīng)關(guān)系尚不明晰。Gourlay(1996a, b)通過水槽試驗(yàn)研究了理想珊瑚礁地形上波浪增減水和波生流與來波條件和水位的變化規(guī)律。Demirbilek等(2007)通過水槽試驗(yàn)研究了風(fēng)和入射波浪條件對(duì)珊瑚礁地形上波浪增水和爬高的影響。物理模型可以通過控制變量, 研究環(huán)流與不同因素的響應(yīng), 但目前珊瑚礁海岸波生環(huán)流的物理模型試驗(yàn)較少, 且大多基于一維水槽, 難以闡明礁坪-潟湖-裂口海岸復(fù)雜的二維環(huán)流。

Smith 等(2012)采用2DH 港池實(shí)驗(yàn)研究了島礁地形上波浪的傳播、增水和爬高過程, 但其實(shí)驗(yàn)裂口尺度較小, 也沒有潟湖的存在, 未能很好復(fù)演礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)的波流特性。Zheng 等(2020)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形在綜合波流港池中建立了珊瑚礁海岸礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)的整體物理模型(圖5), 研究了珊瑚礁海岸的波生環(huán)流分布特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最大增水出現(xiàn)在礁坪中部, 向潟湖降低(圖6), 該水位梯度是向岸波生流的驅(qū)動(dòng)力。在礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)中存在水平二維的波生環(huán)流(圖7), 其中, 礁坪和裂口的水位梯度引發(fā)的沿岸流量占裂口離岸總流量的20%～40%, 這構(gòu)成了考慮礁坪-裂口之間的水體交換的新型波生環(huán)流模式。采用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),Yao 等(2020)分析了珊瑚礁海岸礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)中的波浪傳播變形特征, 發(fā)現(xiàn)由于自裂口向礁坪-潟湖的波浪折射引起局部波浪聚集, 顯著增大了礁坪后方短波爬高。次重力波頻帶中存在接近共振頻率的峰值, 共振隨周期增大而更為顯著。長波共振是導(dǎo)致次重力波最大波高出現(xiàn)在礁坪后中部的原因之一。目前已開展過的礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)波流特性的研究還較為有限, 不同的三維地貌形態(tài)、礁坪糙率和波浪入射方向等因素的影響仍然需要借助港池實(shí)驗(yàn)或先進(jìn)的數(shù)值模型進(jìn)一步研究。

圖5 礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)的整體物理模型試驗(yàn)布置圖Fig. 5 Sketch of the 2DH reef-lagoon-channel system in the wave-current basin

2.2 珊瑚島礁海岸波浪傳播的非靜壓數(shù)值模擬

珊瑚島礁海岸礁前通常為陡峭的斜坡且礁面粗糙, 波浪在礁前斜坡的非線性演化比平直海岸明顯增強(qiáng)。礁前斜坡上水深急劇變化, 波浪淺化、破碎、增水、高低頻波能轉(zhuǎn)移等物理過程集中發(fā)生, 使得波浪水動(dòng)力過程異常復(fù)雜。珊瑚島礁海岸水動(dòng)力過程的研究需要數(shù)值模型具備模擬從深水至淺水的波浪傳播變形全過程和近岸精細(xì)水流結(jié)構(gòu)的能力。

圖6 礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)中的波高和增水分布(Zheng et al, 2020)H0 為入射波高, T 為入射波浪周期, hr 為礁坪水深Fig. 6 Variations of wave height and mean sea level in the reef-lagoon-channel system. After Zheng et al (2020)

圖7 礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)中的波生流分布(Zheng et al,2020)Fig. 7 Wave-driven horizonal currents in the reef-lagoonchannel system. After Zheng et al (2020)

水深劇烈變化的珊瑚島礁海岸動(dòng)力過程的精確模擬存在三個(gè)主要挑戰(zhàn)。一是島礁區(qū)域水動(dòng)力過程復(fù)雜, 數(shù)值模擬存在困難。島礁海岸水深急劇變化、不同尺度波流共存、波浪破碎劇烈、波浪非線性強(qiáng)等特點(diǎn), 需要模型具備模擬任意水深波浪在陡坡地形上傳播的能力, 目前仍尚無一套數(shù)值模型可完整描述。二是島礁海岸底部粗糙度大, 尚無合理數(shù)值表達(dá)式。數(shù)學(xué)模型中一般是在動(dòng)量方程中添加阻力項(xiàng), 通過底摩阻系數(shù)體現(xiàn)底部糙率對(duì)水流和波浪的影響。但珊瑚礁海岸底部糙率大、可滲透的特性, 使得阻力公式表達(dá)式和系數(shù)選擇都與傳統(tǒng)海岸存在明顯差異, 目前尚無統(tǒng)一的計(jì)算公式。三是多數(shù)模型都是針對(duì)傳統(tǒng)海岸開發(fā), 模型本身的假定和計(jì)算效率限制了在島礁海岸的應(yīng)用。如淺水波方程采用靜壓假定, 無法描述波浪在陡變地形上的劇烈運(yùn)動(dòng)過程; Boussinesq 模型由于理論限制仍然無法適用于深水波浪的高效模擬; 傳統(tǒng)基于Naiver-Stokes(N-S)方程的三維數(shù)值模型雖然可以精確描述大多數(shù)波動(dòng)現(xiàn)象, 但其計(jì)算效率較低, 因而無法應(yīng)用于大范圍模擬(時(shí)健 等, 2017)。

非靜壓模型是一類直接求解N-S 方程的模型,具備全頻散波浪模擬能力, 適合從深水至淺水波浪傳播變形的全過程模擬。而且非靜壓模型假設(shè)自由表面為單值函數(shù), 自由表面可以通過連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件垂向積分得到, 比傳統(tǒng)的N-S 方程模型計(jì)算效率高, 適用于島礁海岸水動(dòng)力過程模擬。

非靜壓模型通過增加垂向分層的方式提高模型色散性和非線性模擬能力, 多采用并行技術(shù)MPI(Message Passing Interface)提高計(jì)算效率, 但在運(yùn)行大范圍三維算例時(shí), 網(wǎng)格數(shù)還是較多, 計(jì)算較為耗時(shí)。非靜壓模型計(jì)算效率低的主要原因是在模型計(jì)算過程中, 求解泊松方程占用機(jī)時(shí)較多, 可達(dá)總時(shí)間的 30%～50%。為提高非靜壓模型的計(jì)算效率, 主要從提高非靜壓模型計(jì)算精度和簡(jiǎn)化模型求解泊松方程求解兩個(gè)方面開展研究。王崗 等(2015)通過泰勒展開歐拉方程, 建立了水平方向空間導(dǎo)數(shù)最高為二階的新型非靜壓波浪模型。新非靜壓波浪模型在空間垂向一層即可應(yīng)用于kd≤π(k 為波數(shù), d為水深)的范圍, 空間兩層可達(dá)到kd≤4π的范圍,而空間三層可達(dá)到kd≤10π的范圍(圖8), 從而使模型采用較少的垂向分層即可模擬深水高頻波浪的運(yùn)動(dòng), 減少了模型計(jì)算量。Shi 等(2015)提出了PDI(Pressure Decimation and Interpolation method)方法提高非靜壓模型計(jì)算效率, 并將PDI 方法應(yīng)用于駐波及密度流的模擬中, 發(fā)現(xiàn)該方法可在不影響計(jì)算精度的前提下, 顯著提高非靜壓模型的計(jì)算效率。當(dāng)計(jì)算泊松方程的垂向網(wǎng)格數(shù)減少為動(dòng)量方程網(wǎng)格數(shù)的1/10 時(shí), 計(jì)算結(jié)果與全網(wǎng)格模型計(jì)算結(jié)果一致, 計(jì)算時(shí)間可減少80%以上。

圖8 不同模型相位速度與理論值對(duì)比(Wang et al, 2019)綠色線為新非靜壓波浪模型Fig. 8 Comparison of phase speed values from different models and wave theory. The green line is the result given by the new non-hydrostatic model. After Wang et al (2019)

Shi 等(2018)應(yīng)用非靜壓模型NHWAVE 模擬了有無礁冠兩種情況下波浪在島礁地形上的傳播變形過程, 結(jié)果顯示礁冠的存在使礁坪上的波浪增水顯著增大, 并減小了破波帶范圍。分析紊動(dòng)強(qiáng)度(圖9)和能量耗散結(jié)果, 表明礁冠的存在顯著增加了波浪破碎時(shí)的紊動(dòng)強(qiáng)度和能量耗散, 最大能量耗散率受礁冠影響提高了4.5 倍。Ma 等(2014)模擬了南海太平島礁坪次重力波的產(chǎn)生, 認(rèn)為珊瑚的退化加劇了次重力波的產(chǎn)生。Lashley 等(2018)采用XBeach 模型研究了島礁海岸剖面波浪增水, 但由于模型中未考慮破碎水滾機(jī)制, 結(jié)果低估了波浪爬高。

總的來說, 非靜壓模型已經(jīng)證明可以較好地模擬珊瑚島礁海岸的主要水動(dòng)力過程, 而面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的模型計(jì)算效率改進(jìn)和底床大粗糙度影響的數(shù)學(xué)描述將是下一階段模型發(fā)展的重點(diǎn)。

3 建筑物前沿的局部波流特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

島礁防浪建筑物所處的地理環(huán)境與近岸緩坡地形十分不同, 波浪未經(jīng)過淺水的變形和衰減直接作用在礁緣的陡坡上, 現(xiàn)行規(guī)范中建筑物前沿的水深與波高的關(guān)系、底坡坡度等適用條件均不滿足。因此, 最近的研究集中于陡變平臺(tái)地形上的局部波流特性以及建筑物的影響。

圖9 珊瑚礁地形上波浪破碎紊動(dòng)動(dòng)能的非靜壓模擬結(jié)果(Shi et al, 2018)Fig. 9 Snapshots of instantaneous turbulent intensity for wave breaking on reef flat simulated by NHWAVE model. After Shi et al (2018)

3.1 珊瑚礁海岸防浪建筑物前沿的波浪傳播變形

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)珊瑚礁海岸波浪的傳播變形規(guī)律開展了大量研究, 水槽實(shí)驗(yàn)是常用的研究手段。Gourlay(1996a, b)研究了不同水位對(duì)規(guī)則波增水和波生流的影響, 發(fā)現(xiàn)不同水位條件下礁坪水動(dòng)力的控制因素并不相同: 當(dāng)礁坪水深較大時(shí), 礁坪增水和波生流主要受底摩阻控制; 當(dāng)平均水位等于或低于礁坪時(shí), 礁坪水動(dòng)力受礁緣波浪破碎的控制。張慶河 等(1999)將珊瑚礁地形簡(jiǎn)化為臺(tái)階地形, 研究了規(guī)則波在臺(tái)階地形上的破碎規(guī)律, 建立了判斷波浪破碎、破碎帶寬度及波能衰減規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式。Demirbilek 等(2007)研究了風(fēng)和不規(guī)則波耦合作用下礁坪增水特征和礁后斜坡的波浪爬高特性。Yao等(2012)利用物理模型實(shí)驗(yàn)研究了礁坪水深和礁前斜坡坡度對(duì)波浪破碎特征的影響。梅等(2013)根據(jù)實(shí)測(cè)坡度模擬礁前斜坡, 分析了礁坪上的波浪沿程傳播變形規(guī)律。姚宇 等(2015)在物理模型實(shí)驗(yàn)中考慮礁冠的影響, 研究了礁冠的存在對(duì)礁坪上波浪沿程分布和增水的影響。

這些物理模型實(shí)驗(yàn)均針對(duì)天然島礁地形進(jìn)行簡(jiǎn)化, 未考慮防浪建筑物等筑堤珊瑚島礁的人工設(shè)施的影響。由于波浪水槽尺度的限制, 常規(guī)水槽往往只能模擬實(shí)際20～30m 的礁前水深, 難以模擬波浪從上百米的深水區(qū)經(jīng)礁前斜坡傳播至礁坪淺水區(qū)的過程。陳松貴 等(2019a)在長456m、寬5m、高12m的大比尺波浪水槽中開展試驗(yàn), 模擬了珊瑚礁海岸波浪從深水至礁坪淺水的傳播變形過程。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)珊瑚礁海岸的淺水變形系數(shù)與現(xiàn)行《海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)》的計(jì)算值存在明顯不同。陡變地形上的淺水變形系數(shù)小于規(guī)范計(jì)算值, 在一定范圍內(nèi), 淺水變形系數(shù)與相對(duì)水深正相關(guān), 這與規(guī)范中其隨相對(duì)水深減小而增大的趨勢(shì)相反。此外, 當(dāng)相對(duì)水深相同時(shí), 絕對(duì)水深越小, 淺水變形系數(shù)的量值越大(圖10)。

圖10 珊瑚礁海岸波浪淺水變形系數(shù)Ks(H′/H0)與相對(duì)水深(d/L0)的關(guān)系(陳松貴 等, 2018)H′、H0 分別為測(cè)點(diǎn)波高與入射波高; d 為水位值, L0 為入射波長Fig. 10 Relationship between wave deformation coefficient Ks in shallow water and relative water depth.After Chen et al (2018)

大比尺水槽實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn), 當(dāng)礁坪水深較大, 入射波波高和周期較小時(shí), 波浪在礁坪上以卷破波的形式破碎; 隨著礁坪水深減小, 入射波波高和周期增大時(shí), 波浪逐漸從卷破波的破碎形式轉(zhuǎn)變成激破波的形式在礁緣處發(fā)生破碎。在很多組次中, 計(jì)算得到的Irribarren 碎波指標(biāo)小于0.5 表示為崩破波,但實(shí)際觀測(cè)到的是卷破波。這表明傳統(tǒng)基于緩坡地形的Irribarren 碎波指標(biāo)無法描述礁前陡變地形上的波浪破碎, 需要進(jìn)一步改進(jìn)。波浪在礁緣破碎后,波浪能量從高頻向低頻轉(zhuǎn)移(圖11)。波群中不同波浪組分破碎位置的變化, 在礁坪上產(chǎn)生周期大于10倍入射波周期的長周期的波動(dòng), 越靠近防波堤, 水位的壅高越顯著, 長波波幅越大。與以往的小水槽實(shí)驗(yàn)不同, 大比尺波浪水槽實(shí)驗(yàn)可以最大程度上減小比尺效應(yīng)的影響, 因而得到的結(jié)果應(yīng)與實(shí)際更為接近。已有的觀測(cè)結(jié)果也表明, 珊瑚礁海岸防浪建筑物前沿的波浪傳播變形與基于其他海岸類型的現(xiàn)行規(guī)范存在諸多差異, 進(jìn)一步比較不同尺度水槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和量化珊瑚礁海岸波浪運(yùn)動(dòng)的比尺效應(yīng)可為今后的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

圖11 珊瑚礁地形上不同位置的波譜 (陳松貴 等, 2018)Fig. 11 Wave spectrum at different locations of a coral reef. After Chen et al (2018)

3.2 珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量

珊瑚島礁工程建設(shè)帶來了珊瑚礁海岸波流動(dòng)力與島礁防浪建筑物相互作用問題。從整體上看, 島礁防浪建筑物改變了岸線邊界、減小了礁坪面積、束窄了過水通道寬度, 這會(huì)顯著影響波浪和水流的輸移路徑, 降低潟湖納潮量和水體交換率, 引起礁坪-潟湖-裂口動(dòng)力地貌系統(tǒng)的劇烈響應(yīng)。同時(shí), 由于防浪建筑物的阻擋, 減少了礁坪上波流傳播與能量耗散距離, 使得波流動(dòng)能在建筑物前沿轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,產(chǎn)生阻水效應(yīng), 這顯著增加了建筑物前沿水位, 對(duì)工程安全產(chǎn)生了不利影響(Chen et al, 2017)。已有的防浪建筑物與波流動(dòng)力相互作用研究適用于緩坡地形, 而珊瑚礁海岸地形陡變(i=1/8～1/0.5, 其中i 為底坡坡度)、礁坪水深極淺(h＜0.5H, 其中h 和H 分別為礁坪上的水深和波高), 均超出《海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)》的適用范圍。

陳松貴 等(2019b)利用大比尺波浪水槽, 開展了比尺1∶15 的珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量實(shí)驗(yàn)(圖 12), 發(fā)現(xiàn)防浪建筑物越浪量除受建筑物類型、設(shè)計(jì)波浪要素、設(shè)計(jì)水位和底坡影響外, 受礁緣與建筑物之間的距離的影響也很明顯?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果得到越浪量隨波浪要素、礁坪水深和建筑物位置的指數(shù)型變化規(guī)律(圖 13), 建立了考慮了周期、礁坪水深和防波堤與礁緣之間距離的無量綱越浪量公式:

其中qT,S,h表示無量綱越浪量, Q 表示越浪量,cR 表示干舷高度, Hi表示入射波高, T 表示周期, s 表示礁緣與胸墻的距離, he表示礁緣水深。公式(5)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比滿足95%置信區(qū)間, 鑒于《海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)》給出的計(jì)算公式只適用于傳統(tǒng)海岸的緩坡地形, 公式(5)可為珊瑚礁海岸的防浪建筑物設(shè)計(jì)提供可靠方法。

3.3 珊瑚礁海岸防浪建筑物胸墻波浪力

防浪建筑物胸墻波浪力的分布特征及其對(duì)建筑物穩(wěn)定性的影響是工程設(shè)計(jì)的重要考慮因素, 許多學(xué)者研究了不同護(hù)面形式的波浪力計(jì)算方法。Chu(1989)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)有沖擊性破碎波作用時(shí), 合田公式得到的結(jié)果有時(shí)偏低。琚烈紅(2004)通過物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直立式胸墻上的波壓力為非均勻分布,波浪沖擊位置波壓力為最大值, 且在一定范圍內(nèi),波壓力量值變化較小, 超過這一范圍, 波壓力逐漸減小。王穎 等(2007)對(duì)比了試驗(yàn)測(cè)量的胸墻波浪力和《海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)》計(jì)算結(jié)果的差異, 發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果。柳玉良 等(2010)研究了護(hù)面塊體掩護(hù)下斜坡堤胸墻波浪力的折減情況, 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范中相關(guān)公式的計(jì)算結(jié)果存在較大差異, 當(dāng)采用扭王字塊掩護(hù)時(shí)折減系數(shù)大于規(guī)范計(jì)算值。

圖12 珊瑚礁地形上直立式防浪堤越浪大水槽實(shí)驗(yàn)Fig. 12 Experiment on wave overtopping of a vertical seawall on coral reefs in large wave flume

圖13 相對(duì)干舷高度對(duì)考慮了距離、周期和水深的無量綱平均越浪量的影響(陳松貴 等, 2019b)Fig. 13 Effect of relative freeboard height on dimensionless mean overtopping discharge considering the influences of distance, period and water depth. After Chen et al (2019b)

這些研究成果已在近岸緩坡地形上防浪建筑物的胸墻波浪力計(jì)算中廣泛應(yīng)用, 但島礁防浪建筑物所處波流環(huán)境明顯不同, 規(guī)范公式中建筑物前沿水深與波高的關(guān)系、底坡坡度等適用條件均不滿足。陳松貴 等(2019c)利用大比尺波浪水槽實(shí)驗(yàn), 研究了島礁防浪建筑物上波壓力的時(shí)空分布。如圖14 所示, 與傳統(tǒng)海岸防波堤所受三角形分布水平波壓力不同, 珊瑚礁海岸直立堤所受波壓力呈現(xiàn)近似矩形分布。這是由于礁坪上水深較淺, 波浪破碎后難以維持波浪形態(tài), 而是轉(zhuǎn)化成一股紊動(dòng)強(qiáng)烈、速度很快的破波水流, 對(duì)防浪建筑物產(chǎn)生巨大沖擊力, 使得波壓力垂向分布更為均勻。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)由于波浪在珊瑚礁地形上的破碎能量耗散較強(qiáng), 實(shí)測(cè)水平力和浮托力均小于采用外海入射波要素得到的計(jì)算值。據(jù)此, 對(duì)現(xiàn)行規(guī)范的胸墻波浪力計(jì)算公式進(jìn)行了修正, 提出與建筑物和礁緣距離和礁坪相對(duì)水深有關(guān)的修正系數(shù):

其中Ks、Kh為胸墻波浪力計(jì)算的無量綱參數(shù), s 表示礁緣與胸墻的距離, L0和H0表示深水波長和波高,h 表示礁坪水深。修正后波浪平均水平力和前趾浮托力計(jì)算結(jié)果較現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算值更為準(zhǔn)確, 平均水平力偏差在5%以內(nèi), 前趾浮托力偏差在10%以內(nèi),可用于珊瑚礁海岸防浪建筑物的波浪力精確計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)維護(hù)。

圖14 不同組次的珊瑚礁海岸防浪建筑物胸墻最大波壓強(qiáng)(單位: kPa)分布 (陳松貴 等, 2019c)Fig. 14 Distribution of maximum wave pressure (units: kPa) on the seawall over a coral reef coast. After Chen et al (2019c)

4 結(jié)語及討論

波流運(yùn)動(dòng)特性研究對(duì)于珊瑚島礁海岸利用與保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)和基礎(chǔ)設(shè)施安全具有重要意義。近年來, 大范圍大洋海脊導(dǎo)波與島礁波浪俘獲、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系統(tǒng)波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)等不同空間尺度中的過程和機(jī)制等方面的研究都取得了進(jìn)展,今后需要深入研究的重點(diǎn)內(nèi)容包括:

1) 礁坪-潟湖-裂口海岸的水動(dòng)力-珊瑚砂-生物過程耦合效應(yīng)。已有研究大多集中在礁坪-潟湖-裂口海岸的水動(dòng)力過程, 而對(duì)于水動(dòng)力所驅(qū)動(dòng)的珊瑚砂輸運(yùn)、海床地形演變、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、海水溫度鹽度和水質(zhì)變化及其生態(tài)環(huán)境影響的研究仍十分欠缺。探索珊瑚島礁海岸的水動(dòng)力-珊瑚砂-生物過程耦合效應(yīng), 特別是研究波流共同作用下和大粗糙度礁床形態(tài)影響下的珊瑚砂運(yùn)動(dòng)特性、潟湖和裂口的珊瑚砂交換機(jī)制與港口航道沖淤規(guī)律、流場(chǎng)溫度鹽度和懸沙濃度對(duì)珊瑚群落的營養(yǎng)鹽吸收和生長健康狀態(tài)的影響及其閾值、天然珊瑚礁發(fā)育/退化和人工珊瑚礁體穩(wěn)定與水沙運(yùn)動(dòng)的相互作用機(jī)理等, 對(duì)于珊瑚島礁海岸的港口航道維護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、珊瑚人工移植和礁體修復(fù)等都具有重要意義。

2) 珊瑚島礁海岸災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)制與建筑物防護(hù)。已有研究針對(duì)理想條件下海脊和島礁對(duì)長周期波的引導(dǎo)和俘獲機(jī)理方面取得了一些理論成果, 也建立了島礁防浪建筑物前沿波浪變形、越浪量和波浪力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法, 但對(duì)于全球氣候變化下多源水災(zāi)害對(duì)島礁海岸及建筑物的作用機(jī)制和防護(hù)方法研究仍存在不足。今后需要在進(jìn)一步了解海平面上升背景下大洋海嘯、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)變化的基礎(chǔ)上, 深入研究大范圍俘獲波與礁坪、潟湖或港池的水體共振機(jī)制, 探討極端風(fēng)暴條件下長波-短波-增水的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律及其對(duì)島礁淹沒和建筑物穩(wěn)定的耦合作用機(jī)理, 研究新型防浪建筑物的護(hù)岸型式及其水動(dòng)力響應(yīng)和基礎(chǔ)沖刷機(jī)理, 探索珊瑚礁生態(tài)修復(fù)和防災(zāi)減災(zāi)協(xié)同增效的柔性消浪工法, 為珊瑚島礁海岸防災(zāi)減災(zāi)和基礎(chǔ)設(shè)施安全保障提供更充分的科學(xué)依據(jù)。

3) 珊瑚礁海岸動(dòng)力的多學(xué)科融合的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和模擬技術(shù)。珊瑚島礁海岸多尺度復(fù)雜水動(dòng)力過程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù)都提出了更高要求。由于礁坪水深較淺, 傳統(tǒng)的波浪浮標(biāo)等觀測(cè)手段難以施測(cè), 需要發(fā)展如數(shù)字影像系統(tǒng)、激光雷達(dá)、高精度衛(wèi)星遙感等非接觸式技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。物理模型中未來應(yīng)考慮更符合珊瑚島礁地形特性的制模方法, 如3D 打印制作珊瑚島礁地形和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜礁床粗糙度的仿真,同時(shí)需要采用大型波浪水槽和港池實(shí)驗(yàn)減弱比尺效應(yīng)。數(shù)值模型的選擇應(yīng)充分考慮效率和精度的平衡, 以期采用更優(yōu)的計(jì)算機(jī)時(shí)獲得更大范圍的精細(xì)化模擬結(jié)果。