粗糙珊瑚岸礁礁面附近波浪增水实验研究

通过在波浪水槽中采用概化的珊瑚岸礁物理模型来研究珊瑚礁海岸附近波浪增水的变化规律,包括平均自由表面的沿礁变化以及礁坪上的最大增水值。物理模型实验分别测试了不同礁面糙率密度影响下的一系列不规则波工况。结果分析表明:礁面粗糙时礁坪上的透射波高和最大增水值均相对于礁面光滑时减小;通过两个无量纲参数分析表明光滑礁面时,礁坪上最大增水随波要素的变化规律与此前研究数据基本吻合,前人研究推荐的无量纲数■和■需考虑礁面粗糙度的影响;礁面粗糙程度不同时,礁坪上的透射波高随礁面糙率密度的增大而减小,礁坪上的最大波浪增水则随之增大;最后通过沿水深积分对波浪求平均的水平一维动量方程解释了本实验的观测现象。     

礁面大糙率存在下孤立波传播变形及爬高实验研究

本文采用圆柱体阵列来模拟珊瑚礁面的大糙率,通过波浪水槽实验研究礁面糙率对孤立波传播变形及岸滩爬高的影响。结果表明,粗糙礁面的存在显著削弱了礁坪上孤立波的首峰和礁后岸滩反射造成的次峰,同时降低了波浪在珊瑚礁面的传播速度;垂直于岸线方向沿礁相对波高随着入射波增大而减小,随着礁坪水深的增大而增大,粗糙礁面上波高沿礁的衰减更为显著;礁前斜坡的无量纲反射波高随无量纲入射波高的变化与礁坪水深有关,当入射波高足够大时其趋于常值,粗糙礁面略微增大了礁前斜坡的反射;无量纲透射波高和岸滩爬高随着无量纲入射波高的增大而减小,特别是礁坪水深较大时更为显著,粗糙礁面时的无量纲岸滩爬高相对于光滑礁面平均减小46%;通过回归分析得出了同时适合于光滑和粗糙礁面的预测孤立波岸滩爬高的经验关系式。     

大糙率礁面影响下珊瑚礁海岸附近规则波演化及爬高试验研究

本文通过波浪水槽试验研究了大糙率礁面影响下波浪沿礁的演化和爬高规律，测试了一系列规则波工况并对比了光滑礁面和粗糙礁面的情况。结果分析表明：二次谐波是礁坪上透射波的重要组成成分，粗糙礁面使主频波和二次谐波减小，对更高阶波的影响不显著；相对礁坪水深是描述礁坪上波浪透射的关键参数，礁面从光滑变为粗糙时海岸附近透射系数显著减小，能量衰减系数平均增大了8%，但礁前反射系数与礁面糙率之间无明显关系；礁后岸滩爬高随着透射波高的增大而增长，最后拟合了本文试验条件下珊瑚礁大糙率礁面预测规则波爬高的关系式。     

珊瑚礁礁坪宽度对波浪传播变形及增水影响的实验研究

通过在波浪水槽中进行一系列物理模型实验, 研究珊瑚礁礁坪宽度变化对珊瑚礁海岸附近波浪传播变形及礁坪上波浪增水的影响。物理实验采用理想化的珊瑚礁模型, 测试了3种礁坪宽度下的一系列不规则波工况。实验结果分析表明: 波浪沿礁传播过程中, 短波持续衰减; 低频长波波高沿礁逐渐增大, 直到海岸线附近达到最大; 随着礁坪宽度的增加, 海岸线附近的短波波高呈下降趋势, 低频长波波高的变化规律不显著; 礁坪上的波浪增水受礁坪宽度变化的影响不明显; 通过对海岸线附近的波浪进行频谱分析发现, 礁坪上低频长波的运动存在着一阶共振模式, 且共振放大效应强度受礁坪水深、入射波峰周期和礁坪宽度共同影响。     

珊瑚礁海岸波流运动特性整体物理模型实验研究

根据现场地形在港池中建立三维珊瑚礁?潟湖?裂口海岸定床整体物理模型,采用波高传感器、流速仪和表面流速测量系统分别测量了规则波作用下珊瑚礁海岸不同位置的波浪和流场特征。结果表明:礁坪上,波高在向岸方向逐渐减小,总减小幅度为86.7%,增水先增大后减小,沿礁坪下降幅度为65.9%,水流以向岸流为主,存在着先增大后减小的趋势;潟湖中,波高靠近裂口处较大,中部最大值约为两侧最小值的2.8倍,增水则靠近裂口处最小,相比两侧最大值下降了25.5%,水流主要为对称地指向裂口的沿岸流,流速从两侧到裂口先增大后减小;裂口中波高变化不大,增水在靠近潟湖处最大,为礁坪上增水的47.6%,水流主要为离岸流,流速同样是先增大后减小。量化分析了环流驱动力、辐射应力与波面压力梯度的空间变化规律,发现礁坪上向岸流变化是平均水位梯度和辐射应力相互作用的结果,在裂口中的离岸流驱动力主要为辐射应力,而潟湖中的沿岸流变化由平均水位梯度决定的。     

防浪建筑物影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

通过测试一系列不规则波工况研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低频长波和增水的变化规律，并对比了防浪建筑物的不同位置情况。分析结果表明：波浪在沿礁传播过程中，短波波高沿礁坪持续衰减，低频长波波高沿礁坪逐渐增大，波浪增水则沿礁坪基本保持不变；海岸附近短波随着防浪建筑物与礁缘距离的变大而减小，低频长波则在防浪建筑物处于礁坪后部时达到最大，防浪建筑物位置的变化对于礁坪波浪增水的影响可以忽略。通过理论分析证明了珊瑚礁地形上低频长波是由于群波破碎造成的破碎点移动而产生的；当特定波况作用于特定位置的防浪建筑物时，低频长波在礁坪上会发生一阶共振效应导致其能量在海岸附近达到最大值。     

大糙率珊瑚礁附近规则波非线性特征实验研究

通过波浪水槽实验对大糙率礁面存在下珊瑚礁海岸附近规则波非线性特征参数(偏度、不对称度和厄塞尔数)的变化规律进行了研究。实验采用圆柱体阵列来模拟礁面的粗糙度,测试了一系列规则波工况。结果表明:偏度、不对称度和厄塞尔数的幅值分别在珊瑚礁破碎带结束位置、破碎带内和破碎带开始位置达到最大。3个参数的幅值均随着入射波波高的增大而增大;偏度值随着波浪周期的增大而减小,不对称度幅值和厄塞尔数随着周期的增大而增大;偏度值随着礁坪水深的增大而增大,不对称度幅值和厄塞尔数随着礁坪水深的增大而减小。深水厄塞尔数可以用来描述礁坪上波浪非线性参数的变化,最后给出了用其预测礁坪上3个非线性特征参数的经验关系式。     

波流共同作用下珊瑚礁冠层附近平均流分布及阻力特性试验

本文通过物理模型试验研究了波流共同作用下珊瑚礁冠层附近平均流的分布特征以及阻力特性,分析了典型波浪工况下无潮流、正向潮流和反向潮流分别作用下平均流速、摩阻流速、阻力系数的沿礁变化规律。结果表明：无潮流时礁前斜坡及外礁坪上存在海底回流且在礁缘附近回流最强,在礁坪上冠层附近平均流表现为向岸流,且该流沿礁向海岸方向持续增大。相较于无潮流时,正向潮流作用下冠层内外均为向岸流,在礁坪上冠层内外的向岸流显著增大;反向潮流作用下冠层内外均为离岸流且在礁缘处达到最大,该离岸流在礁坪上逐渐减小然后趋于稳定。无潮流时礁坪上摩阻流速呈小幅波动;相较于无潮流时,正向潮流、反向潮流影响下礁坪上摩阻流速显著增大,其中正向潮流影响下增幅更大;无潮流时礁坪上水力粗糙度沿礁减小,正向潮流和反向潮流影响下水力粗糙度普遍有幅度不等的增加。三种工况下礁坪上的阻力系数均沿礁整体呈下降趋势,相较于无潮流时,正向潮流和反向潮流影响下礁坪上的阻力系数显著增大,且正向潮流作用时增幅更大。     

礁冠宽度对珊瑚礁坪波浪增水影响的实验研究

通过物理模型实验研究岸礁礁冠宽度变化对礁坪上波浪增水的影响,实验采用概化的岸礁和梯形礁冠模型,在一系列规则波工况下分别测试5种不同宽度的礁冠以及无礁冠模型。实验结果表明:礁冠宽度越大,波浪破碎造成的能量衰减越剧烈;礁冠的存在使礁坪上的波浪增水增大,且礁冠宽度越大,增水值越大;增水随礁冠水深的增大而减小,并引入了一对无量纲参数合理地描述了入射波波要素对增水的影响;运用文献中基于能量守恒的理论模型进一步研究了礁冠宽度对增水的影响,并给出模型中的礁形参数与实测的礁冠相对宽度间的经验关系式;通过分析同一礁冠水深控制下,相对增水随着礁冠相对宽度的变化趋势,发现只有在礁冠充分宽的情况下礁冠水深才是控制礁坪上增水的主要因素。     

透水珊瑚岸礁亚重力波水动力特性数值研究

基于非静压单相流模型（NHWAVE）,对随机波浪在透水珊瑚岸礁上传播过程进行了数值模拟,综合考虑入射波高、礁坪水深、谱峰周期、透水层厚度、透水层孔隙率以及颗粒的中值粒径等因素对岸礁波浪水动力特性的影响,重点分析了短波波高、低频长波波高、平均水位的沿礁变化,并与无透水层的岸礁情况进行了对比。研究表明：透水层的存在减弱了波浪在礁前斜坡的浅水变形和在礁缘附近的波浪破碎,显著降低了岸线附近的短波波高、低频长波波高以及波浪增水值,除此之外,透水层的存在会降低波浪在岸滩的最大爬高;透水层的孔隙率和颗粒的中值粒径对波浪传播变形特征的影响可忽略不计;入射波高和谱峰周期越大,岸礁透水层对短波、长波及波浪增水的影响越显著;当增大礁坪水深时,透水层对波浪的消减作用减弱;随着透水层厚度的增大,岸线附近的短波波高、长波波高和波浪增水值随之减小。