礁冠寬度對(duì)珊瑚礁坪波浪增水影響的實(shí)驗(yàn)研究

姚宇，杜睿超，蔣昌波，2，袁萬(wàn)成，唐政江

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

礁冠寬度對(duì)珊瑚礁坪波浪增水影響的實(shí)驗(yàn)研究

姚宇1，3，杜睿超1，蔣昌波1，2，袁萬(wàn)成1，唐政江1

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410004；2.湖南省水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410004；3.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)研究岸礁礁冠寬度變化對(duì)礁坪上波浪增水的影響，實(shí)驗(yàn)采用概化的岸礁和梯形礁冠模型，在一系列規(guī)則波工況下分別測(cè)試5種不同寬度的礁冠以及無(wú)礁冠模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：礁冠寬度越大，波浪破碎造成的能量衰減越劇烈；礁冠的存在使礁坪上的波浪增水增大，且礁冠寬度越大，增水值越大；增水隨礁冠水深的增大而減小，并引入了一對(duì)無(wú)量綱參數(shù)合理地描述了入射波波要素對(duì)增水的影響；運(yùn)用文獻(xiàn)中基于能量守恒的理論模型進(jìn)一步研究了礁冠寬度對(duì)增水的影響，并給出模型中的礁形參數(shù)與實(shí)測(cè)的礁冠相對(duì)寬度間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；通過(guò)分析同一礁冠水深控制下，相對(duì)增水隨著礁冠相對(duì)寬度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)只有在礁冠充分寬的情況下礁冠水深才是控制礁坪上增水的主要因素。

礁冠寬度；波浪破碎；波浪增水；物理模型實(shí)驗(yàn)

近年來(lái)隨著對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)的加快，在珊瑚礁海域進(jìn)行填礁造陸，建設(shè)諸如機(jī)場(chǎng)、碼頭、旅游設(shè)施、油氣開(kāi)采平臺(tái)等設(shè)施的需求日益增加（王初升等，2012）。珊瑚岸礁是珊瑚礁的一種常見(jiàn)類型，主要由連接深海海床的礁前斜坡（Fore reef）和延伸向海岸的水平礁坪（Reef flat）組成，在礁前斜坡和礁坪相接的礁緣處往往存在一個(gè)高于礁坪的礁冠（Reef crest），如圖1所示。與平直海岸不同，由于礁前斜坡的影響，岸礁上的水深急劇變化，波浪由深海傳至岸礁，會(huì)在礁冠附近發(fā)生破碎，并在礁坪上產(chǎn)生增水，該水動(dòng)力學(xué)過(guò)程的詳細(xì)描述見(jiàn)姚宇等（2015a）。波浪增水在礁坪引起的波生流對(duì)珊瑚海岸附近的水體交換及珊瑚砂輸運(yùn)起著重要作用；珊瑚岸礁作為海岸的屏障，也起著抵御風(fēng)暴潮、海嘯等海洋災(zāi)害的作用。因此，研究珊瑚岸礁上波浪傳播變形和增水可為珊瑚島礁工程設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)提供依據(jù)。

圖1 典型珊瑚岸礁地形示意圖（Field et al，2002）

對(duì)于岸礁上波浪傳播變形和增水問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作。國(guó)內(nèi)的研究主要將珊瑚礁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單臺(tái)階地形，研究波浪在臺(tái)階式地形上的傳播變形（趙子丹等，1995；張慶河等，1999；黎滿球等，2003；梅弢等，2013；柳淑學(xué)等，2015）。國(guó)外學(xué)者主要對(duì)岸礁上的波浪傳播變形（Yao et al，2013）以及波浪增水和波生流（Seelig，1983；Gourlay，1996a；Gourlay，1996b；Demirbilek et al，2007）開(kāi)展了研究。但是，以上研究通常采用由平面斜坡和水平平臺(tái)組成的概化岸礁模型，忽略了礁冠存在對(duì)于礁上波浪的影響。

波浪與半潛式構(gòu)筑物例如潛堤相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生淺水變形和破碎，并在堤后產(chǎn)生雍水。礁冠類似于潛堤，冠頂通常位于低潮位以上，礁冠的存在也會(huì)對(duì)波浪在珊瑚岸礁上的傳播變形和破碎產(chǎn)生重要影響。目前，文獻(xiàn)中對(duì)于有礁冠的岸礁模型的研究較少。Roeber等（2010）通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型研究了帶有梯形礁冠的岸礁模型上孤立波的傳播特性。Yao等（2012）采用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了矩形礁冠的存在對(duì)于規(guī)則波的傳播變形與破碎的影響；Pomeroy等（2015）在帶有粗糙梯形礁冠的岸礁模型上進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究，分析了波高的沿礁變化規(guī)律；姚宇等（2015b）通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)研究了岸礁上矩形礁冠的存在對(duì)波浪傳播變形和礁坪上增水的影響。然而上述文獻(xiàn)對(duì)于礁冠形狀，特別是礁冠寬度對(duì)波浪作用的影響尚未開(kāi)展研究。

因此，本文采用帶有梯形礁冠的岸礁物理模型，以不同礁冠寬度代表礁冠形狀的變化，通過(guò)波浪水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)礁坪上波浪增水的變化規(guī)律進(jìn)行研究，重點(diǎn)探討礁冠寬度變化對(duì)波浪增水的影響。研究成果將豐富和發(fā)展珊瑚礁水動(dòng)力學(xué)理論，為波浪與珊瑚礁地形相互作用的數(shù)值模擬研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心長(zhǎng)40 m，寬0.5 m，高0.8 m的波浪水槽中進(jìn)行。圖2為物理模型實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖,水槽左端為一臺(tái)活塞式造波機(jī)，另一端距造波機(jī)約30 m處設(shè)置坡度為1∶8的斜面模擬礁后岸灘，斜面上覆蓋多孔材料以減少波浪反射。在距造波機(jī)16.84 m處設(shè)置坡度為1∶6的斜坡模擬礁前斜坡，斜坡后接長(zhǎng)度為7 m的水平平臺(tái)模擬礁坪，礁坪面距水槽底0.35 m。所有斜坡和礁坪均由PVC材料制作。為了增強(qiáng)模型在波浪作用下的穩(wěn)定性，礁前斜坡及礁坪向岸側(cè)2 m區(qū)域采用重力式鋼架固定并置于槽底，礁坪后半部分由螺釘固定在支架上并懸掛于水槽壁，寬度與水槽寬度相匹配。

礁冠模型根據(jù)實(shí)地觀測(cè)（Hench et al，2008）的原型礁冠按1∶20的幾何比尺采用PVC材料制作，礁冠形狀為梯形，高度Hc=0.05 m，長(zhǎng)度與槽寬一致。礁冠固定于礁坪上，實(shí)驗(yàn)擬沿波浪傳播方向測(cè)試5個(gè)不同的礁冠寬度（梯形上底寬）W= 0.025，0.1，0.2，0.4，0.8 m，對(duì)應(yīng)的相對(duì)寬度W/ Hc=0.5，2，4，8，16；梯形兩側(cè)的坡度與礁前斜坡坡度（1∶6）相同，下底離岸側(cè)與礁緣平齊，如圖2所示。為進(jìn)一步穩(wěn)固岸礁模型及防止?jié)B水，使用玻璃膠填充模型與水槽壁之間、相接水平礁坪模型之間及礁前斜坡與水槽底部之間的縫隙。

岸礁礁坪上的水位通常較淺，為測(cè)量淺水處水位值，在礁坪布置5個(gè)超聲波浪高儀（S1-S5）。如圖2所示：S1和S2分別布置在礁冠離岸側(cè)與向岸側(cè)，相距約1.0 m，S3-S5均勻布置于礁坪后段；此外，在外海側(cè)布置電阻式浪高儀G1和G2，用以分離入射波和反射波，電阻式浪高儀G3布置在礁前斜坡上方，用來(lái)測(cè)量波浪在斜坡上的淺水變形。實(shí)驗(yàn)中所有浪高儀同步采集，采樣頻率設(shè)定為50 Hz，每一工況自造波機(jī)啟動(dòng)后連續(xù)采樣300 s。據(jù)前期測(cè)試發(fā)現(xiàn)水槽中的波浪通常在200 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此大約可以獲得100 s可靠數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在水槽側(cè)面布置一個(gè)分辨率為1 280×720像素的USB攝像儀（Logitect）來(lái)記錄礁冠附近波浪的傳播變形和破碎過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)于5個(gè)礁冠寬度（W=0.025，0.1，0.2，0.4，0.8 m）及無(wú)礁冠條件下，均測(cè)試了由2個(gè)遠(yuǎn)海靜水深（h0=0.4，0.45 m）、3個(gè)波周期（T=1.0，1.5，2.0 s）和4個(gè)深水波高（H0=0.04，0.06，0.08，0.1 m）組成的組合工況，共144個(gè)工況。選用0.4 m遠(yuǎn)海靜水深是因?yàn)樵撍缓徒腹诠陧旪R平，有利于研究越浪現(xiàn)象；而采用0.45 m水深（此時(shí)礁冠淹沒(méi)于水下5 cm）是為了研究礁冠水深的影響。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 礁冠處波浪的破碎特征

圖3以工況h=0.45 m，T=2 s，H=0.08 m為例展示了礁冠寬度分別為0.025 m、0.2 m、0.4 m時(shí)攝像儀記錄的波浪在礁緣附近的傳播變形和破碎過(guò)程。圖3表明，當(dāng)t/T=0時(shí)，波浪在礁緣附近以卷破的方式破碎，破碎波波峰向下翻卷，水舌投向礁冠；當(dāng)t/T=1/4時(shí)，由于水舌的撞擊，表層水體向上飛濺，下層水體開(kāi)始劇烈翻滾，由于摻氣作用產(chǎn)生大量的氣泡；當(dāng)t/T=1/2時(shí)，破碎波以段波（bore）的形式向海岸方向傳播，礁冠附近的水體紊動(dòng)減小，只在水體表層存在少量摻氣作用；當(dāng)t/T=3/4時(shí)，由于湍流的耗散，水體紊動(dòng)基本消失，可觀察到礁冠后產(chǎn)生水面壅高（增水），且礁緣處出現(xiàn)回流。對(duì)比3種不同礁冠寬度下礁冠附近波浪破碎所引起的水體的紊動(dòng)特征發(fā)現(xiàn)：當(dāng)t/T= 1/4，礁冠寬度W=0.025 m時(shí)，在濺波點(diǎn)（卷破波水舌撞擊水體造成水花飛濺的最遠(yuǎn)點(diǎn)）附近只有表層水體紊動(dòng)，而從W=0.2 m過(guò)渡到W=0.4 m時(shí)，從破碎點(diǎn)到濺波點(diǎn)，礁冠上部的整個(gè)水體均發(fā)生紊動(dòng)，這說(shuō)明岸礁礁冠越寬，破碎帶內(nèi)波能的衰減越劇烈，傳播到礁坪上的剩余波浪能越少。通過(guò)分析S4處的數(shù)據(jù)得到3種寬度下礁坪上的透射波高分別為3.6 cm、3.1 cm、2.9 cm，進(jìn)一步證實(shí)了上文的推斷。

圖3 礁冠寬度為0.025 m、0.20 m和0.40 m條件下礁緣附近的波浪破碎情況

2.2 沿礁平均水位的變化

通過(guò)計(jì)算所有浪高儀測(cè)量的自由液面歷時(shí)變化的平均值（其值大于零為增水，反之為減水），并將其與靜水位相加可得到沿礁分布的平均水位（MWL）。圖4展示了h=0.45m，T=2 s，H=0.08 m工況下5種礁冠相對(duì)寬度（W/Hc=0.5，2，4，8，16）和無(wú)礁冠時(shí)的沿礁平均水位的變化規(guī)律。圖4表明：所有工況下MWL的沿礁變化趨勢(shì)相同：岸礁離岸側(cè)（x＜-2.2 m）的平均水位低于靜水位，即產(chǎn)生減水，這主要是因?yàn)榻钙荷袭a(chǎn)生了增水（見(jiàn)下文），在密閉水槽中根據(jù)質(zhì)量守恒原理，必然會(huì)在遠(yuǎn)海區(qū)造成減水；當(dāng)波浪與礁前斜坡作用時(shí)（-2.2 m＜x＜0），由于變淺作用平均水位沿礁下降，在礁緣附近的破碎點(diǎn)處達(dá)到最小值（此時(shí)減水最大），而后MWL由于波浪破碎急劇上升，直到波浪破碎在礁坪上停止后MWL趨于常值，此時(shí)其值大于靜水位，表現(xiàn)為增水。對(duì)比礁冠存在和不存在時(shí)的情況發(fā)現(xiàn)，礁冠存在時(shí)礁坪上S4處的增水值（例如W/Hc=4時(shí)增水值為1.6 cm）明顯大于礁冠不存在時(shí)的情況（0.9 cm），進(jìn)一步證明了礁冠的存在對(duì)礁坪上增水的重要影響；對(duì)比不同礁冠寬度下礁坪上增水的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，礁冠相對(duì)寬度W/Hc=0.5（W=0.025 m）時(shí)增水值為1.5 cm，隨著礁冠寬度增大，增水增大，當(dāng)W/Hc=16（W= 0.8 m）時(shí)，增水值達(dá)到1.8 cm，這表明礁冠寬度的變化對(duì)礁坪上的增水尚存一定的影響。

圖4 平均水位的沿礁變化

2.3 增水隨入射波波要素的變化

2.4 通過(guò)理論模型分析礁冠寬度對(duì)增水的影響

對(duì)于礁坪上的波浪增水問(wèn)題，Gourlay（1996b）提出一種基于能量守恒的理論模型，來(lái)描述礁坪上最大增水值隨入射波況的變化規(guī)律：

式中，T為入射波周期；H0為深水波高；hr為礁坪水深，當(dāng)礁冠存在時(shí)，hr取礁冠水深；Kr為反射系數(shù)，本文通過(guò)Goda（2000）的兩點(diǎn)法分析G1和G2位置所測(cè)的波浪時(shí)間序列獲得；γ為破碎指標(biāo)，其與礁前斜坡坡度、波陡和破碎水深有關(guān)，對(duì)于水平礁坪，采用Gourlay（1996a）的推薦值0.4；Kp為礁形參數(shù)，其與礁冠特性，如礁冠形狀、礁面糙率和孔隙率等相關(guān)，理論變化范圍為0～1。

圖5 相對(duì)增水隨礁冠相對(duì)水深的變化規(guī)律

前文得到的Kp包含了礁冠的影響，上文采用了礁冠相對(duì)寬度W/Hc來(lái)表示礁冠幾何形狀的變化（本文中礁冠高度Hc為常值），下文進(jìn)一步研究相對(duì)寬度對(duì)礁形參數(shù)（Kp）的影響。圖7展示了Kp隨W/Hc的變化規(guī)律，并由一元線性回歸分析得到下列擬合關(guān)系式：

圖6 礁坪上增水的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

擬合精度R2=0.85。式（2）表明礁形參數(shù)（Kp）與礁冠相對(duì)寬度（W/Hc）呈正相關(guān)，即Kp隨 W/Hc的增大而增大。

2.5 有關(guān)礁冠水深對(duì)增水影響的進(jìn)一步討論

圖7 礁形參數(shù)隨礁冠相對(duì)寬度的變化規(guī)律

圖8 不同波況下相對(duì)增水隨礁冠相對(duì)寬度的變化規(guī)律

上述研究表明，只有礁冠足夠?qū)挄r(shí)，礁冠水深才逐漸成為控制增水的主要因素。類似于平直海岸，礁坪上波浪增水的產(chǎn)生可以采用Longuet-Higgins等（1964）提出的輻射應(yīng)力理論解釋：當(dāng)入射深水波況一定時(shí)，水深h=0.45 m的情況下隨著礁冠寬度不斷增大，礁緣附近的地形和控制水深（0.05 m）均與h=0.4 m無(wú)礁冠時(shí)趨于相同，故波浪在礁緣附近的破碎情況近似，也就是波高的沿礁衰減趨于相同，從而導(dǎo)致輻射應(yīng)力的沿礁變化相似，輻射應(yīng)力的變化驅(qū)動(dòng)礁坪上的水體形成增水，并使前者的波浪增水趨于后者。

3 結(jié)論

本文從物理實(shí)驗(yàn)和理論模型兩個(gè)方面研究了礁冠寬度變化對(duì)礁坪上波浪增水的影響。研究表明：礁冠寬度越大，由于波浪破碎造成的波能衰減越劇烈；礁冠的存在使礁坪上的波浪增水顯著增大，礁冠寬度越大，增水越大；增水隨礁冠水深的增大而減小，并成功地引入一對(duì)無(wú)量綱參數(shù)來(lái)描述入射波要素對(duì)增水的影響；Gourlay（1996b）提出的基于能量守恒的理論模型能夠合理地預(yù)測(cè)不同寬度礁冠存在時(shí)岸礁礁坪上的波浪增水，模型中的礁形參數(shù)只與礁冠寬度有關(guān)而與波況無(wú)關(guān)，建立了礁形參數(shù)與礁冠相對(duì)寬度間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式；通過(guò)進(jìn)一步分析相同礁冠水深控制下相對(duì)增水隨著礁冠相對(duì)寬度的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)只有在礁冠充分寬的情況下礁冠水深才是控制礁坪上增水的主要因素。

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（本文編輯：袁澤軼）

Experimental study of the effect of reef-crest width on wave-induced set-up over the reef flat

YAO Yu1,3,DU Rui-chao1,JIANG Chang-bo1,2,YUAN Wan-cheng1,TANG Zheng-jiang1

（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; 3.Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

To investigate the effect of reef-crest width on wave-induced set-up over the fringing reefs,a series of experiments are performed in a wave flume using an idealized trapezoidal reef-crest and fringing reef model.Experimental results are reported for five reef-crest widths together with the case without reef crest under regular wave conditions.Data analysis shows that larger energy dissipation around the reef crest occurs under a wider reef crest.The presence of reef crest enhances the wave set-up over the reef flat,and the wave set-up also increases with the increase of the crest width.Wave setup decreases with the increase of reef-crest submergence,and two dimensionless parameters are introduced to reasonably describe the effect of wave factors on the wave set-up.A theoretical model based on the conservation of energy in the literature is then used to further examine the effect of reef crest width,and an empirical formula describing the relationship between the shape factor in the model and relative width of crest is proposed．Finally,the variation of relative wave set-up with relative width of crest under the same reef-crest submergence is analyzed,and the results indicate that reef-crest submergence is the primary control factor of wave set-up over the reef flat only if the width of reef crest is sufficient.

reef-crest width;wave breaking;wave-induced set-up;laboratory experiments

TV139.2

A

1001－6932（2017）04－0340－08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.013

2015-12-18；

2016-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（51309035；51239001）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)科研基金新教師類（20134316120004）；大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金（LP1510）；長(zhǎng)沙理工大學(xué)研究生科研項(xiàng)目（CX2015SS07）。

姚宇（1982－），博士，副教授，主要從事近海水動(dòng)力學(xué)和環(huán)境流體力學(xué)研究。電子郵箱：yaoyu821101@163.com。