珊瑚礁破碎帶附近波浪演化和波生流實驗研究

姚 宇, 唐政江, 杜睿超, 蔣昌波

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珊瑚礁破碎帶附近波浪演化和波生流實驗研究

姚 宇1, 2, 唐政江1, 杜睿超1, 蔣昌波1, 2

(1. 長沙理工大學水利工程學院, 湖南長沙 410004; 2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室, 湖南長沙 410004)

為了研究珊瑚岸礁破碎帶附近波浪演化和波生流特性, 通過水槽實驗對規則波浪作用下珊瑚岸礁上沿礁分布的水位和流速進行了詳細的測量。在典型卷破波條件下, 測試了礁冠存在與不存在的兩種情況。實驗結果表明, 多重波浪反射作用引起岸礁上形成不完全駐波, 而破碎帶附近的淺化作用則產生高次諧波, 波浪破碎所耗散的波能主要來源于主頻波, 礁坪上透射波成分中二次諧波與主頻波的能量相當; 礁冠的存在引起破碎帶寬度減小、礁坪上增水變大以及礁坪上各次諧波變小; 礁冠不存在時, 岸礁上波生流的沿礁分布與平直海岸相似, 而礁冠的存在一定程度上阻礙了礁坪上水體向外海的回流。研究成果將豐富和發展珊瑚礁水動力學理論, 并為島礁工程的建設和維護提供一定的理論參考。

高次諧波; 波生流; 破碎帶; 珊瑚岸礁

珊瑚礁(coral reef)是由碳酸鈣組成的珊瑚蟲骨骼沉積形成的巖體, 廣泛分布于熱帶和亞熱帶淺海地區。我國擁有豐富的珊瑚礁資源, 主要分布于西沙、南沙、臺灣島和海南島沿岸。近年來, 我國在南海地區珊瑚島礁周圍進行填礁造陸的活動日益增多, 建設了諸如機場、碼頭、燈塔、通信、氣象等相關設施。這些設施在復雜的遠海海洋動力環境下的穩定性問題日益受到學者們的關注, 其中由于臺風暴潮引起的波浪作用是最重要的海洋動力因素之一, 因此研究珊瑚礁附近與波浪相關的水動力問題對于珊瑚島礁工程設施的建設和維護具有指導意義。

岸礁(fringing reef)是珊瑚礁的常見類型, 主要由連接深海海床的礁前斜坡和延伸向海岸的水平礁坪組成, 在礁前斜坡和礁坪相接的礁緣處還有可能存在一個隆起的礁冠。與平直海岸類似, 波浪由深海傳至岸礁, 由于礁前斜坡上水深急劇變淺, 波浪因淺化作用而變陡, 進而在礁緣附近發生破碎, 破碎過程如圖1所示, 破碎波在礁坪上傳播一段距離消耗大量的能量后重新生成行進波, 因此礁坪上并不存在類似于平直海岸的沖泄區。同時波浪破碎也會引起礁坪上產生波浪增水和波生流[1-2], 并且部分波生流以海底回流的形式返回到外海。現場觀測也發現伴隨著礁前斜坡和礁緣附近的波浪淺化和破碎作用, 礁坪上波譜顯著變寬, 產成高頻波[3-4]和低頻波[5]。

國內外文獻中對于岸礁上波浪演化的物理模型實驗研究主要集中于波浪傳播變形、破碎以及增水方面的問題, 例如: 張慶河等[6]對規則波在臺階地形上的破碎規律進行了實驗研究。Yao等[7]用實驗和數值方法研究了岸礁對于波浪傳播的影響,驗證了礁頂水深是控制波浪破碎和增水產生的決定性參數。Yao等[8]采用物理模型系統地研究了破波類型、破波位置和破碎帶寬度等破碎波的特征隨礁盤水深和礁前斜坡坡度的變化規律, 并給出了相關的經驗公式。梅弢和高峰[9]實驗模擬了常年平均波浪和重現期為50 a的兩種波浪條件, 研究了波浪在珊瑚礁上的傳播規律。柳淑學等[10]通過物理模型實驗對規則波和不規則波在珊瑚礁作用下的波浪破碎及波高變化進行了研究, 并給出波浪破碎指標。姚宇等[11-12]通過物理模型實驗分別研究了珊瑚礁破碎帶附近的波浪反射、透射以及能量衰減規律和礁冠的存在對于珊瑚礁上波浪傳播變形以及增水產生的影響。現有的實驗研究幾乎沒有涉及破碎帶附近波浪的詳細演化過程, 對波生流問題也研究甚少。Gourlay[13]通過一系列物理模型實驗首次研究了規則波作用下礁坪上的波生流問題, 然而其僅在礁坪上單點位置對岸礁上的波生流進行測量, 無法分析流速的垂向分布和沿礁變化。

因此, 本文通過波浪水槽物理模型實驗, 對珊瑚岸礁破碎帶附近沿礁分布的波和流在空間上進行詳細的測量, 以此研究波浪演化和波生流特性。具體來說, 以某一典型的卷破波工況為例, 分別探討兩種礁形(存在和不存在礁冠)破碎帶附近波高的變化、高頻波的產生和波生流的分布。研究成果將豐富和發展珊瑚礁水動力學理論, 為島礁工程的建設和維護提供一定的理論參考。

1 實驗設置

物理模型實驗在新加坡南洋理工大學的長36 m, 寬0.55 m, 高0.6 m的波浪水槽中進行, 實驗設置如圖2a所示, 水槽左端為一臺具備主動吸收功能的推板式造波機, 另一端距造波機約32 m處設置坡度為1︰8的斜面模擬礁后岸灘。物理模型按照弗洛伊德相似定律, 根據現場觀測的原型礁冠[14]按 1︰20制作, 對應的時間比尺為1︰4.5。在距造波機16.35 m處設置坡度為1︰6的斜坡模擬礁前斜面, 斜面后接長度為7 m的水平平臺模擬礁坪。礁冠寬50 cm, 高5 cm, 長55 cm, 長度與水槽寬度相匹配, 礁冠固定于礁坪平臺上, 與礁坪邊緣對齊。實驗中沿礁布置12個浪高儀(G1~G12)來測量自由液面的變化。對于礁冠存在和不存在的情況, 實驗均測試了礁坪水深范圍為0.05~0.10 m、波浪周期范圍為1~2 s、深水波高范圍為0.04~0.12 m的組合規則波工況, 據上述模型比尺對應的原型波浪條件為礁坪水深1~2 m、波浪周期4.5~9 s、深水波高0.8~2.4 m, 符合Hench等[14]的現場觀測情況, 詳細的實驗設置見姚宇等[12]。

1.1 波浪的測量

實驗中觀察到, 當水深增大時, 破碎點由礁前斜坡移向礁緣, 大部分波況下波浪以卷破的形式破碎。破碎帶寬度定義為從破碎帶起點(破碎點)到破碎帶終點(破碎停止并重新生成行進波)之間的水平距離[11], 由內破碎帶和外破碎帶組成, 如圖1所示。為研究波流的沿礁分布, 本文選擇一個代表性波況(遠海靜水深0=0.45 m, 深水波高0=0.095 m, 波周期=1.25 s)沿礁進行詳細的測量, 此工況下波浪破碎為典型的卷破波, 所觀測到的破碎帶的特征位置如表1所示。在此工況下選擇破碎帶附近60個測點位置對礁冠存在和不存在的情況均進行詳細的波浪測量, 如圖2b所示: 測量區域始于礁前斜坡上的淺化帶(距離礁緣外海側0.75 m), 終于破碎帶后再生波帶(距離礁緣向岸側3.675 m), 相鄰測點間距75 mm。實驗中通過在同次運行中沿水槽移動浪高儀G4對60個位置的自由液面依次進行測量, 每個測點的采樣時間為3 min, 浪高儀采樣頻率為50 Hz。由于卷破波沖擊點附近存在強烈的摻氣作用, 測量誤差較大, 因此沖擊點附近的測點在本文中不作分析。

1.2 水流的測量

本文采用二維電磁流速儀測量波浪作用下沿礁水流的分布, 流速儀直徑為5 mm, L形探頭正對波浪傳播方向放置以測量瞬時水平流速和垂向流速。

測量時須保證流速儀探頭始終位于水面以下, 故波谷以上的流速未能測量。如圖2b所示, 實驗中沿水槽中軸線選取13條垂向測線(1~3位于淺化帶,4~11位于破碎帶,12~13位于破碎帶后再生波帶, 具體位置見表2), 詳細測量每條垂線上槽底上方到波谷下方之間每隔5 mm的流速分布。破碎帶內測線的具體位置根據有無礁冠兩種情形時破碎點、沖擊點、濺波點位置以及破碎帶寬度的差異(見表1)略有不同。由于礁緣或礁冠附近的流速變化較大, 對此區域測線進行了局部加密, 同樣由于卷破波的沖擊點和濺波點之間的區域存在強烈的摻氣作用, 故此區域不進行測量。

表1 觀測的破碎帶特征位置(規則波工況h0=0.45 m, H0=0.095 m, T=1.25 s, 圖3、圖4同)

a: 原點為礁緣位置, 礁緣向岸側為正向(表2同)

實驗中電磁流速儀自造波機啟動10 min后開始采樣, 以保證波浪和水流達到穩定狀態, 采樣頻率為30 Hz。每條垂線上的流速分布在同一次運行中進行測量, 而后在新的運行中測量下一條垂線, 各采樣點的采樣時間設為5 min, 相鄰兩次運行至少間隔30 min以消除可能存在的余流影響。

2 結果分析

2.1 波浪演化

類似于臺階式地形(如潛堤、沙壩等), 波浪作用于岸礁的礁前斜坡和礁冠時會產生高次諧波, 以往的物理實驗和數值模擬研究(如Brossard等[15])表明, 超過60%的入射波能可通過高頻波傳遞到結構物下游。本文擬通過傅里葉變換對測得的自由液面時間序列進行諧波分析來研究能量從主頻波到高頻波的轉移。圖3和圖4分別展示了代表性工況0=0.45 m,0=0.095 m,=1.25 s下礁冠不存在與存在時總波幅(t)、各次(精確到五次)諧波波幅(t~5)以及平均水位(MWL)的沿礁變化, 圖中MWL通過對所測各點自由液面的時間序列求平均獲得。

表2 流速測量位置

圖3a和圖4a中波幅t的沿礁變化表明: 波浪破碎點均位于礁緣離岸一側(此時波幅達到最大); 在礁前斜坡上, 由于波浪反射, 波幅在空間上存在起伏(形成了不完全駐波), 當礁冠存在時波浪反射更強, 故駐波現象更為明顯; 相較于礁冠不存在的情況, 礁冠的存在使局部水深變淺, 破碎帶變窄, 隨之造成波幅沿礁衰減加快; 在礁坪上破碎帶后的再生波帶, 雖然兩種礁形下礁坪靜水深相同(h=0.1 m), 但礁冠存在時再生波的波幅仍略小; 由于礁坪兩端和礁后岸灘造成的多重波浪反射的影響, 礁坪上的波幅亦出現空間上的起伏。理論上駐波波長為相同條件下行進波波長的一半, 對于上述工況, 礁坪上淺水透射波波長, 則礁坪上不完全駐波的波長估算為0.63 m, 與圖中觀測到的駐波波長(礁坪上起伏的波幅相鄰峰值間的距離)比較接近。

圖3a和圖4a中各次諧波振幅(1~5)的沿礁分布表明: 在淺化帶, 由于波浪的淺化作用, 波能由主頻波向高頻波轉移, 高頻波波幅沿礁逐漸增大, 在破碎點附近達到峰值, 此時二次諧波波幅(2≈0.02 m)達到入射波幅(t≈0.06 m)的33%, 三次諧波波幅(3≈0.01 m)大約為t的17%, 而四到五次諧波則相對較小, 由于斜坡的強反射作用, 主頻波1在礁前斜坡上產生駐波現象(尤其是礁冠存在時); 在破碎帶內, 由于波浪破碎耗能, 主頻波1迅速減小, 而高次諧波2~5僅略微減小; 在破碎帶后礁坪上的再生波帶, 透射波能量中高次諧波的能量所占據了相當的部分, 其中二次諧波與主頻波能量接近, 而三次到五次諧波則幾乎可以忽略, 特別是第五次諧波僅表現為入射波幅的2%, 所以本文不再分析更高次的諧波。同時各次諧波的幅值仍和上述波高一樣出現空間上的波動(即駐波現象)。礁冠的存在對于諧波沿礁變化有一定的影響, 由于礁冠一定程度上增強了破碎波能量的消耗, 因此礁冠存在時礁坪上各次諧波的能量略有減小。

圖3b和圖4b表明, 波浪在礁前斜坡由于變淺作用造成MWL下降產生減水(即MWL小于靜水位), 其直至波浪破碎點達到最低值(此為破碎帶起點), 此時減水值分別是–0.7 cm(無礁冠)和–2.3 cm(有礁冠), 隨后MWL開始沿破碎帶上升, 直到破碎停止重新生成行進波時(此為破碎帶終點), MWL表現為增水(MWL大于靜水位0), 這與上述波幅的變化趨勢恰好相反, 符合Longuet-Higgins和Stewart[16]的輻射應力理論的描述; 隨后由于破碎過程結束, 在礁坪上的再生波帶增水趨于常值, 其中無礁冠時波浪破碎導致的增水為0.6 cm, 對應的相對增水值(礁坪增水最大值與礁坪靜水深的比值)為6%, 有礁冠時的增水為1.7 cm, 對應的相對增水值為17%; 值得注意的是, MWL的沿礁分布以及增水的產生并未受到駐波的影響而出現起伏。對比有無礁冠兩種礁形下MWL的變化特征, 發現當礁冠存在時破碎點附近平均水位的變化同樣更為劇烈。根據圖中MWL變化特征, 估算有無礁冠時的破碎帶寬度(即圖3b和圖4b中箭頭所示的破碎點和破碎帶終點之間的距離)分別為1.2 m和2.7 m, 與實驗中的觀測值1.38 m和2.92 m (由表1計算)基本一致。

2.2 波生流

珊瑚岸礁波浪破碎帶內垂向水流結構特征對于珊瑚沙輸運等海岸動力過程具有重要影響。本文通過對沿波浪傳播方向的水流在垂向上的分布進行詳細的測量, 來分析岸礁上波生流的變化規律。以選取的工況為例, 圖5對比了礁冠存在與不存在時若干有代表性的垂線上中間水深處水平沿礁流速(調整到相位一致)的時間序列。在淺化帶(1), 實測流速呈現明顯的周期性變化, 且振幅在有無礁冠兩種情況下基本相同; 在外破碎帶的破碎波沖擊點附近(5), 瞬時流速呈鋸齒狀不對稱分布, 具有典型的非線性波特征; 在內破碎帶的濺波點附近(9), 流速則不甚規則, 一方面是由于波浪破碎引起的紊流和摻氣作用對流速測量產生了影響, 另一方面是由于高頻波的產生; 相較于1和5, 由于礁冠的阻水作用,9位置在礁冠存在時的流速幅值較礁冠不存在時小; 在破碎帶后的再生波帶(13), 流速變化傾向有序, 由于高頻波的影響存在次波峰, 而流速幅值幾乎與9處相同。

圖6和圖7分別展示了礁冠不存在和存在時沿礁平均水平流速()隨水深的變化規律。本文通過集合平均法求得平均流速, 即先對每個采樣點所測的流速在幾十個波周期內取相位平均, 然后求一個波周期內相位平均流速的平均值得到總時均流速, 圖6和圖7中采用誤差條表示各測點時均流速的測量誤差, 誤差通過相位平均流速的標準差計算。測點的位置由離礁緣的距離(礁緣向岸側為正向)和相對高程/確定(為測點高程,=0為靜水面,為當地靜水深), 時均流速由當地淺水波波速進行無量綱化。由于破碎波的摻氣作用, 在濺波點附近流速測量誤差較大(如圖6和圖7中的6~9)。

圖6表明, 當礁冠不存在時, 淺化帶(1~3)平均水流流向離岸方向, 即海底回流(波谷以上未能測到區域的平均水流為向岸流), 且隨著水深增大呈線性增大, 這是非破碎波的典型特征; 在外破碎帶的沖擊點離岸側(4~6), 流速呈非線性分布, 床面附近接近于0, 在破碎波波谷附近最大, 其中在5位置, 波谷附近的最大流速達到0.15; 在內破碎帶(濺波區向岸側)(6~11), 破碎波完全發展為涌波(bore), 大部分測點的流速為負值, 即流向離岸方向, 僅在7和8處的波谷附近流速為正值, 即流向海岸方向。實驗中觀察到, 從6到11波浪破碎強度逐漸減小, 涌波尺度逐漸減小, 由于向岸的質量輸移主要由行進的涌波產生, 故觀察到的平均流的強度也在沿礁減小; 在破碎帶后的再生波帶(12和13), 垂向平均流速基本為零, 表明破碎帶后近岸區的波生流幾乎可以忽略不計。

圖7表明, 當礁冠存在時,1和2處垂向水流分布與礁冠不存在時相似; 但在3處, 波浪臨近破碎, 礁冠附近的垂向水流結構明顯改變; 在礁冠頂部(4~6), 同樣存在離岸方向的平均流(海底回流), 但強度約為無礁冠時的兩倍(0.3), 最大海底回流出現在礁緣附近, 約為0.45; 在濺波點附近(7), 流速分布與6處相似, 但是幅值明顯較小; 在內破碎帶(8~11), 波生流在底床附近流向離岸方向, 波谷附近則流向海岸方向, 同時強度逐漸減小; 在破碎帶后的再生波帶(12和13), 海底回流的強度幾乎可以忽略。綜上所述, 相較于無礁冠的情況, 當礁冠存在時海底回流在礁冠附近明顯較大, 而在礁冠后隨著破碎帶的變窄而出現海底回流的范圍變小。這表明, 類似于明渠流中寬頂堰的阻水作用, 礁冠能夠阻礙近岸側水體向外海側的回流, 從而影響礁坪和遠海之間長期的水體交換, 這對礁坪上珊瑚沙的運動會產生重要的影響。

值得注意的是, 本文測得的礁冠不存在時典型卷破波作用下沿礁的波生流垂向分布規律與已有文獻[17]中報道的在平直海岸情況下的測量結果比較一致, 表明典型的一維珊瑚岸礁和平直海岸上波浪破碎、增水和波生流的產生機理具有一致性。由于實驗中的波浪水槽為封閉容器, 向岸方向的質量輸移流必須由離岸方向的海底回流補償, 以保證水槽任一截面凈質量輸移為零。實際的珊瑚礁系統可能在沿岸方向分布并不均勻, 往往存在著某些裂口, 近似于沙質海岸的裂流系統, 從而形成近岸水平環流。當此類環流存在時, 向岸流主要是通過裂流回到外海而海底回流會顯著減小, 甚至有實驗室測量中發現, 垂向水流僅表現為向岸流而不存在海底回流的情況[18], 因此本文的結論適用于沿岸方向分布較均勻的大片岸礁(不存在裂口)或遠離裂口的區域。

3 結論

本文通過物理模型實驗對岸礁破碎帶附近沿礁分布的波浪和水流進行了詳細的測量, 實驗在典型卷破波條件下測試了礁冠存在與不存在時的兩種礁形。分析表明, 在珊瑚岸礁上由于存在多重的波浪反射作用形成了不完全駐波, 但沿礁平均水位以及增水的產生并未受到駐波的影響; 破碎帶附近由于淺化作用產生高次諧波, 波浪破碎所耗散的能量主要由主頻波提供, 造成礁坪上透射波的組成中二次諧波與主頻波的能量相當; 礁冠的存在使破碎帶寬度減小、礁坪上增水變大以及礁坪上各次諧波變小; 在典型的卷破波條件下, 礁冠不存在時岸礁上波生流的沿礁分布特征與已有文獻中報道的平直海岸的情況相似, 而礁冠存在的作用類似于明渠中寬頂堰, 一定程度上阻礙了靠岸側水體向離岸側的回流, 進而影響礁坪和遠海之間的水體交換。研究成果有助于進一步研究珊瑚礁附近的水動力過程和珊瑚沙的輸運機理, 并為島礁工程的建設和維護提供一定的理論參考, 也可用于校核與波浪破碎相關的數值模型。

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Experimental study of wave transformation and wave-driven current around the surf zone over coral reefs

YAO Yu1, 2, TANG Zheng-jiang1, DU Rui-chao1, JIANG Chang-bo1, 2

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China; 2. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410004, China)

To investigate the wave transformation and wave-driven current around the surf zone over fringing reefs, a series of laboratory experiments are performed in a wave flume to measure the cross-reef water lever and flow in details. Experimental results are reported for two reef profiles with and without the reef crest under a typical plunging breaker condition. Data analysis shows that partial standing waves across the reef are formed due to multiple wave reflection, and higher harmonics around the surf zone are generated through wave shoaling. The energy dissipation in the surf zone results primarily from the dissipation of fundamental harmonics, and the resultant second harmonic waves are comparable to the fundamental harmonics on the reef flat. The presence of the reef crest reduces the surf zone width, increases the wave-induced setup, and decreases the harmonic wave amplitudes on the reef flat. The variation of the wave-driven current across the fringing reef without the reef crest is similar to that for the plane beaches. The existence of the reef crest causes the retention of the mean-flow on the leeside of the crest to some extent.

higher harmonic waves; wave-driven current; surf zone; fringing reef

TV139.2

A

1000-3096(2017)02-0012-08

10.11759/hykx20160313001

2016-03-13;

2016-05-06

國家自然科學基金資助項目(51309035,51239001);水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放研究基金(2014491011);高等學校博士學科點科研基金新教師類(20134316120004)

姚宇 (1982-), 男, 湖南湘潭人, 副教授, 博士, 主要從事近海水動力學和環境流體力學研究, E-mail: yaoyu821101@163.com

Mar. 13, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.51309035, No.51239001; the Open Foundation of State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, No.2014491011; the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education, No.20134316120004]

(本文編輯: 李曉燕)