曠敏, 姚宇,2 , 陳仙金, 張起銘, 蔣昌波,2
1. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114;
2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410114
在全球氣候變暖和海平面上升的大環(huán)境影響下,地處熱帶和亞熱帶的一些人口密集、占地面積小并被珊瑚環(huán)繞的低海拔島嶼國家, 在諸如風(fēng)暴潮等極端條件下面臨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險日益增加。與此同時,這些島嶼國家沿岸地區(qū)的建筑材料供需問題也日益緊張, 因此存在開采珊瑚礁作為建筑骨料的問題,并由此而在礁坪上形成了采掘坑。圖1是在馬紹爾群島Majuro環(huán)礁礁坪上因居民采砂留下的大面積采掘坑的實例。在“一帶一路”與“海洋強國”背景下,我國對南中國海島礁的開發(fā)步伐日益加快, 填礁造陸等項目中也存在上述類似問題, 因此研究采掘坑位置變化對珊瑚礁海岸波浪傳播變形的影響, 可為我國島礁工程建設(shè)背景下的海岸災(zāi)害評估提供一定的參考。
圖1 馬紹爾群島Majuro環(huán)礁采掘坑的衛(wèi)星圖像(來自谷歌地圖)Fig.1 Satellite images of excavation pits at the Majuro Atoll, Marshall Islands (from Google map)
典型的珊瑚礁地形是由坡度較陡的礁前斜坡和相對平坦的礁坪組成(Gourlay, 1996)。波浪從遠海向近岸傳播過程中, 首先在礁緣附近由于淺化變形而發(fā)生破碎, 同時產(chǎn)生低頻波與高頻波(姚宇, 2019)。隨后在破碎帶內(nèi)由于波浪破碎和礁面摩擦共同耗散,使岸線附近的主頻波和高頻波大幅度衰減, 低頻波則可能在岸線附近與礁坪發(fā)生共振效應(yīng)而放大, 加大了海岸洪澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(Péquignet et al,2014)。
近十幾年來, 少數(shù)國內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬、物理模型試驗等方面對存在采掘坑的珊瑚礁波浪特性進行了研究。例如, Ford等(2013)在馬紹爾群島Majuro環(huán)礁進行了現(xiàn)場觀測, 通過對比存在寬17m、深4m的采掘坑與無采掘坑的兩種情況, 觀測到采掘坑存在時岸線附近的總波高稍有減少, 主要是由于短波少量增加及低頻波大量減少而造成。在數(shù)值模擬方面, Yao等(2016)基于Boussinesq方程進行了數(shù)值模型研究, 并與Ford等(2013)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對比, 發(fā)現(xiàn)采掘坑的存在會導(dǎo)致短波波高增大而低頻長波波高減小。Klaver(2018)和Klaver等(2019)運用XBeach非靜壓模塊數(shù)值模擬計算了近1萬種組合工況, 研究了在一維及二維尺度下采掘坑寬度及位置變化對波高及波浪爬高的影響。在物理模型方面, Yao 等(2020)利用波浪水槽進行了物理模型試驗, 研究了采掘坑寬度對短波波高、低頻長波波高和波浪增水的沿礁變化規(guī)律, 并重點分析了低頻長波的產(chǎn)生機理及礁坪共振現(xiàn)象。
根據(jù)可查閱的相關(guān)文獻資料, 目前尚未有學(xué)者通過物理模型試驗來研究采掘坑位置變化對礁坪上波浪傳播特性的影響。本文基于Ford等(2013)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 采用物理模型試驗研究采掘坑位置變化對珊瑚礁海岸波浪傳播的影響, 重點探討短波波高、低頻長波波高和波浪增水的沿礁分布情況, 并分析采掘坑位置變化對礁坪上低頻長波的形成及其共振機理的影響。
本試驗在長沙理工大學(xué)水利實驗中心波浪水槽中進行。該水槽長40m, 寬0.5m, 高0.8m, 活塞式造波機設(shè)置在波浪水槽左側(cè), 可制造不規(guī)則波。試驗基于Ford等(2013)的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 模擬波浪在馬紹爾群島Majuro 環(huán)礁地形的傳播變形。根據(jù)弗勞德相似準(zhǔn)則, 設(shè)置幾何比尺為1:20, 對應(yīng)時間比尺為1:4.5。試驗?zāi)P驮O(shè)置如圖2所示: 整個珊瑚礁礁面模型采用0.01m厚的PVC板分段拼接; 礁前斜坡坡腳距造波機27.3m, 坡度為1:6; 在距造波機29.4m處設(shè)置礁坪, 礁坪長度為3.6m; 在礁坪后設(shè)置坡度為1:3.5的礁后岸灘, 在礁坪上利用0.8m寬的矩形坑來模擬采掘坑; 最后利用不銹鋼桿將珊瑚岸礁模型懸掛在水槽邊壁上進行固定, 同時PVC板與水槽壁和水槽底之間以及板間相接處的縫隙使用玻璃膠填充。由于礁面糙率的存在會顯著削減礁面透射波的能量, 為了排除礁面糙率對采掘坑位置影響下波浪傳播變形的干擾, 本試驗中沒有考慮實際存在的礁面粗糙度, 即采用了相對光滑的礁面。
本試驗參考Yao 等(2020)的物理模型進行試驗布置(圖2)。試驗中共采用18個電容式浪高儀(G1~G18)來測量水位的沿礁變化。其中, G1~G3設(shè)置在礁前斜坡的外海側(cè), 用于分離入射波和反射波; G4~G5設(shè)置在礁前斜坡上, 用于觀察波浪淺化變形; G6設(shè)置在礁緣附近靠礁坪側(cè), 用于觀察波浪的破碎情況; 在礁坪上,G7~G18等距分布, 間距為0.3m, 用于測量波浪從礁緣到岸線的傳播變形規(guī)律。試驗采用JONSWAP譜生成不規(guī)則波, 譜峰升高因子γ為3.3, 所用浪高儀的采樣頻率為50Hz, 采樣時長為1200s。
圖2 試驗布置圖G1~G18為浪高儀, 浪高儀之間的數(shù)值表示距離, 圖下方數(shù)值從左到右依次表示礁前斜坡坡腳距造波機的距離、礁前斜坡長度和礁坪長度, 單位均為m; hr為礁坪水深, h0為靜水位, WP為采掘坑寬度Fig.2 Experimental setup
試驗測試了1個波高(HS0=0.08m )、3個周期(TP=1s、1.5s、2s)、2個水深(hr=0.05m、0.10m)、3個不同位置采掘坑(礁緣附近、礁坪中間、岸線附近,分別用A、B、C表示)和無采掘坑情況下(用D表示)的24組不規(guī)則波工況(表1)。根據(jù)前述的幾何比尺及相應(yīng)的時間比尺, 對應(yīng)的原型波浪要素為HS0=1.6m,TP=4.5s、6.75s、9s和hr=1m、2m, 與Ford等(2013)現(xiàn)場觀測的波浪要素范圍相符。
表1 試驗工況表Tab. 1 Test conditions
本文采用Buckley等(2016)的方法將入射波譜峰頻率的一半作為短波頻段和低頻長波頻段的劃分界限, 將自由液面時間序列通過快速傅里葉變換后得到波浪譜, 隨后計算短波波高(HSS)和低頻長波波高(HIG):
式中: 0.5fS為奈奎斯特頻率(Nyquist frequency);
fS為采樣頻率(50Hz);fP為譜峰頻率;S(f)為波浪譜,f為頻率。
圖3展示了HS0=0.08m,TP=1.5s 和hr=0.10m工況下, 短波波高(HSS)、低頻長波波高(HIG)和平均水位(mean water level, MWL)的沿礁變化規(guī)律。由圖可知,HSS首先在礁前斜坡因淺化作用而增大, 隨后在礁緣附近因波浪破碎而大幅減小。由于本試驗中的礁坪較短, 破碎帶一直延伸至岸線附近, 因此HSS沿礁持續(xù)減小。相反地,HIG首先在礁緣附近顯著增大, 這是由于短波群破碎后破碎點的移動產(chǎn)生低頻長波, 隨后由于在礁坪上發(fā)生了共振現(xiàn)象, 導(dǎo)致HIG沿礁逐漸增大(見2.4節(jié)詳解)。波浪在礁前斜坡由于淺水變形而發(fā)生減水效應(yīng)(MWL<0), 隨后MWL在破碎帶內(nèi)顯著增大而轉(zhuǎn)變?yōu)樵鏊?MWL>0), 并在岸灘附近達到最大。
圖3 短波波高(HSS)、低頻長波波高(HIG)和平均水位(MWL)的沿礁變化( HS 0=0.08m , TP =1.5s 和 hr =0.10m)A、B、C分別表示采掘坑在礁緣附近、礁坪中間和岸線附近的情況, D表示無采掘坑的情況Fig.3 Cross-reef variation of short-wave height (HSS), low-frequency wave height (HIG) and mean water level (MWL) along the reef ( H S 0=0.08m, TP =1.5s and hr =0.10m)
對比采掘坑的有無及其位置變化發(fā)現(xiàn), 采掘坑的存在使得坑內(nèi)HSS局部降低, 而采掘坑不存在時則無此現(xiàn)象, 這是由于采掘坑存在時坑內(nèi)水柱的能量守恒造成的(Klaver et al, 2019)。當(dāng)采掘坑位于礁緣附近時, 岸線附近的HSS相較于其他三種情況稍大, 這是由于礁緣附近的采掘坑對波浪的破碎進程影響最大, 與Yao等(2016)和Klaver等(2019)模擬的結(jié)論一致。無采掘坑及采掘坑位置變化均對礁坪上的HIG影響不大。但是采掘坑的存在破壞了礁坪共振效應(yīng)(見2.4節(jié)), 從而略微減弱了岸線附近的HIG,當(dāng)采掘坑位于岸線附近時, 這種減弱效應(yīng)還受到岸線局部水深增加的影響, 使得HIG由于前述的能量守恒效應(yīng)而更加減小。在采掘坑從礁緣移動到岸線附近直到無采掘坑的過程中, MWL沿礁變化受采掘坑的影響逐漸減小, 因為隨著采掘坑位置的向岸移動, 波浪破碎受采掘坑的影響變小, 破碎造成增水產(chǎn)生的完成程度變高。
圖4 海岸線附近(G17)的短波波高(HSS)、低頻長波波高(HIG)和波浪增水()隨采掘坑位置變化的規(guī)律圖中紅色表示 hr =0.05m , 藍色表示 hr =0.10m; 圓形表示 TP =1s , 方形表示 TP =1.5s , 三角形表示 TP =2s。A、B、C分別表示采掘坑在礁緣附近、礁坪中間和岸線附近的情況, D表示無采掘坑的情況Fig.4 Variation of short-wave height (HSS), low-frequency wave height (HIG) and setup () near the shoreline (G17)
為進一步研究波浪能量的沿礁演變規(guī)律, 以圖5展示HS0=0.08m 、TP=1.5s 和hr=0.10m的典型工況下采掘坑位置對波浪譜沿礁演變的影響。根據(jù)圖中顯示, 外海側(cè)存在少量的低頻長波能量, 這是入射波群向岸傳播時少量束縛在包絡(luò)線中的低頻長波(Pomeroy et al, 2013); 在礁前斜坡至礁緣附近, 波浪發(fā)生淺水變形并在礁緣附近發(fā)生破碎, 大部分能量集中在主頻波(f≈ 0.67Hz)附近, 隨后高頻波急劇衰減并向低頻波傳遞, 使得低頻長波頻段(0 <f< 0.33Hz )的能量增加; 波浪在礁坪向岸傳播過程中, 由于破碎和底部摩擦共同導(dǎo)致能量損耗,主頻波波能持續(xù)減小, 而低頻長波頻段則由于共振放大效應(yīng), 波能逐漸增大; 當(dāng)波浪到達岸線附近時,短波頻段(f> 0.33Hz)的波能被大幅度削弱, 而長波頻段的波能達到最大值。
從圖5同樣可以觀察到, 相對于無采掘坑的情況, 采掘坑的存在改變了珊瑚礁坪的原有形態(tài), 從而破壞了礁坪共振效應(yīng), 并減弱了礁坪上低頻長波的能量。因為波浪破碎通常發(fā)生在礁緣附近, 當(dāng)采掘坑位于礁緣附近時, 采掘坑對波浪的破碎進程影響最顯著, 因此相對于采掘坑在其他位置以及無坑的情況, 沿礁分布的主頻波附近的能量最大。
圖5 H S 0=0.08m 、 TP =1.5s 和 hr =0.10m 下的波浪譜沿礁變化圖a—d分別為采掘坑在礁緣附近、礁坪中間、岸線附近和無采掘坑的情況; 白色水平實線為低頻頻段與高頻頻段的分界線, 白色水平劃線和點線分別為一階和二階理論共振頻率, 白色垂直劃線代表采掘坑的位置Fig.5 Wave spectra across the reef profile ( HS 0=0.08m , TP =1.5s and hr =0.10m). In each panel, the horizontal solid line denotes the splitting frequency between the short waves and low-frequency waves. The dashed and dotted horizontal lines denote the first-order and second-order resonant frequencies, respectively. The dashed vertical lines denote the location of excavation pit
為更進一步研究采掘坑位置變化對低頻長波的產(chǎn)生與共振機理的影響, 同樣以典型工況(HS0=0.08m,TP=1.5s 和hr=0.10m)進行分析。珊瑚礁地形可看作為半開放的盆地(臺階地形), 當(dāng)入射波和反射波疊加形成的駐波節(jié)點和波腹分別位于礁前斜坡邊緣和海岸線時, 會發(fā)生礁坪與駐波共振的現(xiàn)象, 理論上共振周期可按下式計算(Nwogu et al,2010):
式中:Sx,y(f)為時間序列x(t)和時間序列y(t)的互功率譜,Sx,x(f)為時間序列x(t)的自功率譜,Sy,y(f)為時間序列y(t)的自功率譜。
為研究珊瑚礁坪上采掘坑位置變化對珊瑚礁海岸波浪傳播變形的影響, 本文通過物理模型試驗測試了不同采掘坑位置下一系列不規(guī)則波工況的波浪特征, 并與無坑的情況進行了對比, 獲得如下主要結(jié)論:
1) 采掘坑的存在使得坑內(nèi)的短波波高局部降低, 隨著采掘坑位置朝岸線附近移動直至無坑時,采掘坑對波浪破碎的影響減小, 岸線附近的短波波高也越小。
2) 采掘坑位置的改變對礁坪上的低頻長波波高影響不大, 但采掘坑的存在破壞了礁坪共振放大效應(yīng), 從而減弱了岸線附近的低頻長波波高; 當(dāng)采掘坑位于岸線附近時, 長波波高還因局部水深的增加而進一步減小。采掘坑從礁緣移動至岸線附近直到無坑時, 同樣由于波浪破碎受到的影響減小, 岸線附近的增水逐漸增大, 這種趨勢在礁坪水深較大時更為明顯。
以上研究成果可為我國島礁填海成陸工程的挖沙選址和采掘作業(yè)后海岸附近的災(zāi)害風(fēng)險評估提供參考。