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。     

人工采掘坑影响下珊瑚礁海岸波浪传播变形试验

基于礁坪上高分辨率的波浪测量,通过波浪水槽试验分析了短波、低频长波、平均水位、波形参数和非线性参数的沿礁变化规律,重点探讨礁坪中部存在人工采掘坑对上述波浪传播变形特征的影响,并与无坑的情况进行对比。研究表明:当人工采掘坑存在时,短波波高在坑前和坑内分别增大和减小,在礁后岸滩附近却无显著变化;低频长波波高在坑附近变化不大,在岸滩附近却略微减小;波浪增水在坑和岸滩附近均无显著变化。采掘坑存在的情况下,波浪的偏度和不对称度在坑附近分别减小和增大,而厄塞尔数在坑附近却几乎不变。相关性分析发现低频长波的产生机理几乎不受采掘坑的影响,采掘坑的存在增加了低频长波的反射,破坏了礁坪的共振模式,从而使低频长波在岸滩附近有所削弱。     

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。     

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。     

采掘坑对孤立波岸礁水动力特性影响的三维数值模拟研究

基于非静压模型,通过开展一系列三维高精度数值计算,综合考虑入射波高、水深、采掘坑宽度及位置等因素的影响,深入分析了人工采掘坑对孤立波岸礁水动力特性的影响机制。计算结果表明,人工采掘坑对孤立波在岸礁上的传播具有一定的阻滞作用,导致采掘坑附近的局部波高显著增加,同时也引起岸线附近波高降低。局部波高最大增幅的大小易受入射波高、礁坪水深、采掘坑宽度和位置的影响。入射波高越大,局部波高最大增幅越大,礁坪水深越大,局部波高最大增幅越小,采掘坑宽度越大,局部波高最大增幅越大。除此之外,采掘坑的存在会降低波浪的最大爬高,但是采掘坑宽度和位置的变化对波浪的最大爬高影响有限。     

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。     

波浪在珊瑚礁地形上破碎特性试验研究

对波浪在珊瑚礁地形上的传播特性进行了物理试验研究,将珊瑚礁地形简化为坡度为1∶5的陡坡(向海坡)加较长水平礁坪段的地形,对规则波和不规则波在该地形条件下的波浪破碎及波高沿程衰减进行了研究。结果表明,波高较小时,波浪破碎发生在礁坪上,但随着入射波高的增大,破碎位置逐渐向来浪方向移动,直至在向海坡段破碎。对于在礁坪上破碎的波浪,相对水深db/L0一定的条件下,破碎波高与入射波陡H0/L0相关,且变化趋势受相对水深db/L0的影响。同时给出了该地形条件下波浪破碎指标以及礁坪段破碎后沿程波高的计算公式。     

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。     

粗糙珊瑚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。     

珊瑚礁坪波浪的衰减特性分析

珊瑚礁海底与一般的礁石或泥沙海底结构相差很大，波浪衰减特性也相差较大。根据实测海浪资料，讨论波浪在礁坪上传播的衰减特性和波浪能量的转移。分析结果表明，在相对水深为0．0613—0．0867之间，波浪传播单位距离(100m)的波高衰减系数为22．09％—46．56％，平均值为31．35％；波能衰减系数为33．74％—53．23％，平均值为43．61％。波浪在礁坪上传播过程中，高频损失的能量多于低频，谱能量向低频转移。应用统计方法得到波高、波能衰减系数与相对水深D/L关系的拟合方程。     

Effects of reef morphology variations on wave processes over fringing reefs

Many low-lying tropical and sub-tropical atolls fringed by coral reefs are susceptible to coastal inundation during extreme wave events. Previous studies have shown that the infragravity (IG) wave is the dominant component of shoreline run-up compared to the sea and swell (SS) wave and the wave-induced setup. To better understand both the SS and IG wave dynamics over a fringing reef with various morphologies, a series of laboratory experiments were conducted in a wave flume based on an idealized fringing reef profile. The shoreline responses of waves to different reef morphologies with/without the reef crest, the lagoon and the reef surface roughness were examined. IG wave resonance on the reef flat was identified by a spectral analysis of the shoreline wave records. Subsequently, a numerical model based on the Boussinesq equations was validated by the experimental data. The model was then applied to investigate the impacts of varying reef morphologic features (fore-reef slope, reef-crest width, lagoon width, and reef roughness coefficient) on the shoreline wave motions.     

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。     

礁坪上波浪传播的数值模拟

本文基于具备间断捕捉能力的二阶全非线性Boussinesq数值模型,对规则波和随机波在礁坪地形上的传播变形进行了数值模拟。该模型采用高阶有限体积法和有限差分方法求解守恒格式的控制方程,将波浪破碎视为间断,同时采用静态重构技术处理了海岸动边界问题。重点针对礁坪上波浪传播过程中的波高空间分布和沿程衰减,礁坪上的平均水位变化,以及波浪能量频谱的移动和空间差异等典型水动力现象开展数值计算。将数值结果与实验结果对比,两者吻合情况良好,验证了模型具有良好的稳定性,具备模拟破碎波浪和海-岸动边界的能力,能较为准确地模拟波浪在礁坪地形上的传播过程中发生的各种水动力现象。     

基于类海啸波型的岛礁水动力特性数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE建立了高精度二维数值波浪水槽,采用日本2011年实测真实海啸波型系统研究了海啸波在岛礁上传播变形的规律,并且分析了波高、礁坪淹没水深和礁前斜坡坡度等因素对孤立波和真实海啸传播变形的影响。结果表明,相比孤立波,类海啸波的波长明显大于孤立波波长,在测点处引起的水面变化持续时间更长,同等波高情况下真实海啸波型比孤立波能够携带更多的能量,与岛礁的相互作用也更为复杂,在礁坪上形成的淹没水深约为孤立波的两倍。礁前斜坡坡度和礁坪淹没水深均对类海啸波的反射和透射系数有显著影响。随着礁前斜坡坡度的增加,反射系数和透射系数均逐渐增加。随着礁坪淹没水深的增加,反射系数逐渐减小,而透射系数逐渐增大。但是,反射系数和透射系数均随着入射波高的增加而逐渐减小。     

Quantification of nearshore morphology based on video imaging

The Argus network is a series of video cameras with aerial views of beaches around the world. Intensity contrasts in time exposure images reveal areas of preferential breaking, which are closely tied to underlying bed morphology. This relationship was further investigated, including the effect of tidal elevation and wave height on the presence of wave breaking and its cross-shore position over sand bars. Computerized methods of objectively extracting shoreline and sand bar locations were developed, allowing the vast quantity of data generated by Argus to be more effectively examined. Once features were identified in the images, daily alongshore mean values were taken to create time series of shoreline and sand bar location, which were analyzed for annual cycles and cross-correlated with wave data to investigate environmental forcing and response.These data extraction techniques were applied to images from four of the Argus camera sites. A relationship between wave height and shoreline location was found in which increased wave heights resulted in more landward shoreline positions; given the short lag times over which this correlation was significant, and that the strong annual signal in wave height was not replicated in the shoreline time series, it is likely that this relationship is a result of set-up during periods of large waves. Wave height was also found to have an effect on sand bar location, whereby an increase in wave height resulted in offshore bar migration. This correlation was significant over much longer time lags than the relationship between wave height and shoreline location, and a strong annual signal was found in the location of almost all observed bars, indicating that the sand bars are migrating with changes in wave height. In the case of the site with multiple sand bars, the offshore bars responded more significantly to changes in wave height, whereas the innermost bar seemed to be shielded from incident wave energy by breaking over the other bars. A relationship was also found between a site's mean wave height and inner sand bar location; sites with the highest wave heights tended to have sand bars farther from shore than those with relatively low wave heights.     

Study of irregular wave run-up over fringing reefs based on a shock-capturing Boussinesq model

This paper presents the results of a parametric study of irregular wave run-up over fringing reefs using the shock-capturing Boussinesq wave model Funwave-TVD to better understand the role of fringing reefs in the mitigation of wave-driven flooding. Laboratory experiments were newly performed with a typical fringing reef profile and typical hydrodynamic conditions to validate the model. Experimental data shows irregular wave run-ups are dominated by the low-frequency motions and confirms the run-up resonant phenomenon over the back-reef slope, which has been revealed in previous numerical studies. It is demonstrated that irregular wave evolution and run-up over fringing reefs are reasonably reproduced by the present model with a proper grid size. However, the infragravity run-up height and highest 2% run-up height over the back-reef slope are under-predicted due to the underestimation of the infragravity wave height over the reef flat. The validated model was then utilized to model irregular wave transformations and run-ups under different conditions. Through a series of numerical experiments, the effects of key hydrodynamic and reef geometry parameters, including the reef flat width, water depth over the reef flat, fore-reef slope angle and back-reef slope angle, on the irregular wave run-up were investigated. Variations of spectral components of irregular wave run-ups were examined to better understand the physical process underlying the effect of each parameter.     

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。