淺析波浪動(dòng)力因素變化對(duì)沙質(zhì)岸灘演變的影響論文
1引言
海平而變化是海洋科學(xué)和地理科學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。海平而上升將使海岸淹沒和侵蝕范圍進(jìn)一步擴(kuò)大、程度日益加劇，對(duì)沿海地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成重大威脅團(tuán)，海平而上升一般通過兩種方式引起岸灘響應(yīng)，一是直接淹沒陸地，造成侵蝕基而升高、海岸線后退;二是使海岸動(dòng)力因素增強(qiáng)，破壞海岸既有平衡而造成海岸侵蝕。因此，有必要深入探討海平而變化引起的波浪動(dòng)力因素改變對(duì)沙質(zhì)岸灘剖而形態(tài)的影響。
岸灘剖而形態(tài)對(duì)灘前水動(dòng)力條件，包括水深、入射波波要素等的響應(yīng)是海岸地貌學(xué)和海岸動(dòng)力學(xué)傳統(tǒng)研究?jī)?nèi)容。Comaglia(1898 )在研究淺水區(qū)域波浪的不對(duì)稱性對(duì)海灘泥沙的作用時(shí)，提出了海灘泥沙的中立線假說。大量學(xué)者根據(jù)實(shí)測(cè)海灘剖而數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)理分析，又提出了許多的平衡剖而形態(tài)模型，主要包括Dean模型、Bodge模型、Lee模型、LarsorrKrau、模型。為了預(yù)測(cè)岸線后退速率，探討海灘侵蝕與海平而上升的函數(shù)關(guān)系，許多學(xué)者對(duì)于海灘發(fā)育的動(dòng)態(tài)模式進(jìn)行研究，最典型的是由Bruun根據(jù)觀測(cè)資料建立了平衡岸灘計(jì)算公式、提出海平而上升引起海岸侵蝕加劇的觀點(diǎn)，Bruun的觀點(diǎn)得到了很多學(xué)者的認(rèn)同，并被逐漸發(fā)展為Bruun法則，同時(shí)也引發(fā)了激烈爭(zhēng)論，認(rèn)為Bruun法則的假設(shè)在自然條件下基本不存在，而且Bruun法則基于沙質(zhì)岸灘提出，而我國海灘大多為淤泥質(zhì)岸灘，不滿足運(yùn)用Bruun法則的前提條件。
剖面形態(tài)的變化是岸灘對(duì)外界動(dòng)力因素改變的響應(yīng)，海平而的上升使外灘水深加大、波浪作用加強(qiáng)。根據(jù)Brunn法則，較小的海平而上升都有可能造成很大程度的岸灘侵蝕。依據(jù)淺水波動(dòng)力學(xué)原理，波能與波高的平方成正比，波能傳播速度與水深的平方根成正比，當(dāng)外灘水深增加1倍時(shí)，波能將增加4倍，波能傳播速度將增加14倍，波浪作用強(qiáng)度可增加到5. 6倍。波浪動(dòng)力變化直接決定岸灘剖而形態(tài)的變化。為探討海平而變化下，波浪動(dòng)力因素改變對(duì)岸灘音y而形態(tài)演變的影響，本文通過可控條件下的實(shí)驗(yàn)室模擬，在概化模型基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)理性探討，考慮相同波高和波周期下，采用不同實(shí)驗(yàn)水深的方法，研究海平而升降導(dǎo)致波浪動(dòng)力因素變化情況下，海岸線和各種海岸地貌(灘肩、沙壩和沙槽等)的響應(yīng)規(guī)律。
2實(shí)驗(yàn)概況
2. 1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與布置
實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水槽全長(zhǎng)40 m，寬0.5m，高0. 8 m，水槽配有造波系統(tǒng)，兩側(cè)為透明玻璃，兩端有良好的消浪設(shè)施。實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示，以斜坡起點(diǎn)為原點(diǎn)、波浪傳播方向?yàn)槎S正方向、豎直向上為二軸正方向，建立立而二維坐標(biāo)系統(tǒng)。
由于近岸地區(qū)沖流水深較淺，采用接觸式的電容式浪高儀無法測(cè)量整個(gè)沖流過程的水深變化，特別是中、高沖瀉區(qū)的水深變化。為了獲得近岸地區(qū)的水深時(shí)空變化特征，本實(shí)驗(yàn)利用浪高儀測(cè)量斜坡前和離岸區(qū)波高、利用超聲波水位計(jì)無接觸測(cè)量斜坡上中、高沖瀉區(qū)波高。接觸式的電容式浪高儀采用加拿大RBR公司生產(chǎn)的WC-50型浪高儀，精度可達(dá)0. 1500。超聲波水位計(jì)(UWG)的采集頻率為20 Hz,測(cè)量精度達(dá)0.2 mm。浪高儀通過升降水位進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定，超聲波水位計(jì)采用自制率定圓筒進(jìn)行率定。實(shí)驗(yàn)前將WGl浪高儀和UWGl水位計(jì)布置于同一位置，驗(yàn)證浪高儀和超聲波水位計(jì)測(cè)量的統(tǒng)一性，所有浪高儀和水位計(jì)均布置在水槽中間斷而。地形采用URI-IIU型河床模型地形測(cè)量?jī)x測(cè)量，該儀器利用超聲波準(zhǔn)確測(cè)量水下地形，地形測(cè)量水深為0. 55 m,測(cè)量精度達(dá)1 mm，垂直誤差小于0. 3 mm 。
2. 2實(shí)驗(yàn)方法及步驟
用準(zhǔn)備好的泥沙按照設(shè)計(jì)地形鋪好斜坡，在水槽內(nèi)灌滿自來水浸泡斜坡12 h，再緩慢降低水位至地形測(cè)量水深，待水而充分平靜后測(cè)量初始地形。初始地形測(cè)量完成后，再將水位調(diào)整到實(shí)驗(yàn)水深，準(zhǔn)備開始實(shí)驗(yàn)。利用同步軟件同步時(shí)間后，點(diǎn)擊測(cè)量界而開始使用浪高儀和超聲波水位計(jì)測(cè)量，同時(shí)觸發(fā)造波機(jī)，達(dá)到造波時(shí)間后停比造波，水而平靜后繼續(xù)緩慢加入自來水至地形測(cè)量水深測(cè)量波浪作用后床而地形。為研究波浪作用下岸灘演變規(guī)律，在同一初始地形上進(jìn)行多個(gè)時(shí)間段的波浪作用過程，一個(gè)時(shí)間段結(jié)束后，待水而完全平靜后，進(jìn)行岸灘地形的測(cè)量，測(cè)量完畢后開始下一個(gè)時(shí)間段的波浪作用。實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了3次波浪過程的作用，每次波浪作用后重復(fù)上述地形測(cè)量操作，測(cè)量地形變化，研究波浪作用下岸灘剖而演變規(guī)律。
為保證實(shí)驗(yàn)的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，除對(duì)浪高儀、超聲波水位計(jì)、造波機(jī)等儀器進(jìn)行逐個(gè)率定之外，在正式實(shí)驗(yàn)開始前，還進(jìn)行了一些預(yù)備實(shí)驗(yàn)，對(duì)造波機(jī)的重復(fù)性、初始地形、地形變化重復(fù)性、實(shí)驗(yàn)儀器整體工作狀態(tài)和穩(wěn)定性等進(jìn)行測(cè)試。預(yù)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明浪高儀和超聲波水位計(jì)能統(tǒng)一度量浪高，實(shí)驗(yàn)過程中各儀器穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案能滿足本次研究可靠性、重復(fù)性和穩(wěn)定性要求。根據(jù)預(yù)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)條件下，斜坡床而在橢余波和規(guī)則波作用20min、非規(guī)則波作用40 ~50 min、孤立波作用10個(gè)左右時(shí)，岸灘剖而趨于平衡，且呈現(xiàn)出來的床而地形在垂直于水槽方向基本無變化，展現(xiàn)出較好的二維特征，本次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)水槽1/3和2/3寬度上兩個(gè)斷而進(jìn)行地形測(cè)量，每個(gè)斷而測(cè)量2次，最后取4次測(cè)量的平均值作為床而地形。為使得泥沙粒徑均勻，每個(gè)組次實(shí)驗(yàn)完成后，破壞整個(gè)斜坡，將泥沙充分?jǐn)嚢杌旌虾笾匦落伷�，再進(jìn)行下一組次實(shí)驗(yàn)。
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
3. 1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Wright和Short根據(jù)碎波尺度參數(shù)(surf-scal-ing parameter)。劃分破波類型，e = u,,cuz / CgtanzR) 。在此基礎(chǔ)上將岸灘剖而形態(tài)分為:耗散型岸灘和反射型岸灘以及位于兩者之間的4種過渡型岸灘共6種類型，耗散型岸灘。值較大，呈沙波形態(tài)，反射型岸灘。值較小，呈灘肩形態(tài)，過渡型岸灘根據(jù)。值的大小組合或呈沙壩形態(tài)、或呈灘肩形態(tài)、或兩者兼有。本次研究中各組次實(shí)驗(yàn)的破波尺度參數(shù)及破波類型，可以看出橢圓余弦波、非規(guī)則波及規(guī)則波作用下的破波尺度參數(shù)。均介于2 5~20之間，因此均為卷破波，這與實(shí)驗(yàn)過程觀察到的破波形態(tài)一致;而對(duì)于孤立波，由于其周期無法測(cè)定，故不能推算破波尺度參數(shù)，但從實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果來看，孤立波作用于岸灘上同樣發(fā)生卷破破碎。
3. 2結(jié)果討論
為進(jìn)一步分析岸灘剖而形態(tài)演變規(guī)律，取相對(duì)床而變化值為床而高程變化量與入射波波高H的比值，相對(duì)位置為水平坐標(biāo)二和靜水而與初始床而交界而位置二的比值，故相對(duì)床而變化值的正負(fù)表示床而的淤積和沖刷，相對(duì)位置小于1表示在靜水而以下、大于1則表示在靜水而以上。
不同水位下，橢余波作用后岸灘剖而最大沖刷坑和最大淤積相對(duì)位置基本相同，沖淤平衡點(diǎn)位置也相同，水深較小時(shí)，沖刷坑深度和淤積厚度較大。，不同水位下，非規(guī)則波作用后岸灘剖而變化均較小，且隨作用時(shí)間不同，最大沖刷坑和最大淤積位置發(fā)生變化，但與橢圓余弦波相似，水深較小時(shí)，沖刷坑深度和淤積厚度較大。岸灘剖而形成一大一小的雙灘肩形態(tài)，隨著水位增加，第一沖刷坑位置、第一灘肩位置以及第二沖刷坑位置均向岸移動(dòng)，但移動(dòng)幅度依次減小，第二灘肩位置基本不變，第一沖刷坑深度也基本相當(dāng)。孤立波作用下，岸灘剖而呈沙壩形態(tài)，隨水位的上升，沙壩位置略有離岸運(yùn)動(dòng)，最大沖刷坑位置向岸運(yùn)動(dòng)，且無論沙壩高度還是沖刷坑深度，均在水位高時(shí)較大。
針對(duì)橢余波、規(guī)則波和非規(guī)則波3種不同類型波浪，斜坡岸灘在其作用后均呈灘肩形態(tài)，從相對(duì)床而變化情況同樣可以看出，橢圓余弦波作用下灘肩高度和沖刷坑最大，規(guī)則波次之，非規(guī)則波最小。對(duì)于孤立波，平衡岸灘呈沙壩形態(tài)，沙壩高度和沖刷坑大小與橢圓余弦波作用下相當(dāng)，甚至更大。根據(jù)波浪理論可知，波浪能量集中于波浪表而，而橢余波較規(guī)則波而言，波谷坦長(zhǎng)、波峰陡短，因此波能更加集中，與岸灘作用更加劇烈，導(dǎo)致沖刷坑大小和灘肩高度更大。非規(guī)則波由于單個(gè)波浪波高不同，導(dǎo)致爬坡高度不同、破碎位置不同，沖刷和淤積位置亦實(shí)時(shí)變化，因此盡管在長(zhǎng)時(shí)間作用后呈現(xiàn)出灘肩形態(tài)，但是其高度較小，同時(shí)沖刷坑也較小。而孤立波波浪形態(tài)與橢余波相似，屬于橢圓余弦波的極限情況，波峰完全位于靜水而之上、波谷與靜水而齊平，但是由于孤立波作用岸灘屬于單個(gè)作用，且由于波能聚集于波峰，故其在斜坡上沖流范圍更大，平衡岸灘形態(tài)亦有所不同，高速回落薄層水流挾帶泥沙在離岸淤積形成沙壩，文獻(xiàn)20一對(duì)沖淤機(jī)理進(jìn)行了解釋。
4結(jié)論
本文考慮橢圓余弦波、非規(guī)則波、規(guī)則波和孤立波4種波浪作用于斜坡岸灘，在概化模型基礎(chǔ)上開展機(jī)理性研究，考慮波高和波周期統(tǒng)一的情況下，通過改變實(shí)驗(yàn)水深改變來概化海平而變化造成的波浪動(dòng)力因素改變，對(duì)岸灘剖而形態(tài)進(jìn)行探討，主要結(jié)論如下:
(1)對(duì)于1，10單一斜坡沙質(zhì)岸灘，橢圓余弦波、規(guī)則波和非規(guī)則波作用下，平衡岸灘呈現(xiàn)出灘肩形態(tài)，橢余波作用下灘肩高度和沖刷坑大小最大，規(guī)則波次之，非規(guī)則波最小;而孤立波作用下則呈沙壩形態(tài)，沙壩高度與橢余波作用下灘肩高度相當(dāng)。
(2)隨著水位的上升，波浪作用強(qiáng)度增大，橢余波、規(guī)則波和非規(guī)則波作用下，岸灘沖刷坑和灘肩的位置均上移，沖刷坑的大小和灘肩的高度隨水位變化不明顯。孤立波作用下，岸灘侵蝕區(qū)域和沙壩位置向岸推進(jìn)，最大侵蝕點(diǎn)深度及沙壩高度基本不變。
(3)本實(shí)驗(yàn)岸灘剖而維數(shù)D介于1.00-1. 02之間，橢圓余弦波與規(guī)則波作用后的岸灘剖而維數(shù)較大，孤立波與非規(guī)則波作用后的岸灘剖而維數(shù)較小，波浪長(zhǎng)時(shí)間作用下，岸灘剖而維數(shù)向平衡方向發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)波浪作用強(qiáng)度增大時(shí)，4種類型波浪作用下的沙質(zhì)岸灘平衡剖而形狀基本保持不變向岸平移，無論是槽谷位置、灘肩位置、沙壩位置還是岸線蝕退距離，基本上均呈現(xiàn)出良好的相關(guān)性。
(4)本次實(shí)驗(yàn)在相同波高和波周期下，通過不同實(shí)驗(yàn)水深，研究由于海平而升降導(dǎo)致波浪動(dòng)力因素變化情況下，海岸線和各種海岸地貌的響應(yīng)規(guī)律。隨著海平而的上升，動(dòng)力作用區(qū)域也將不斷向岸側(cè)延伸，早期形成的岸灘形態(tài)對(duì)后期海平而上升后的岸灘演變有一定影響，該方向?qū)⒊蔀楹Ｆ蕉仙龑?duì)岸灘演變影響研究的新重點(diǎn)。
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