波浪在珊瑚礁坪上傳播的水槽試驗(yàn)研究

梅 弢，高 峰

（1.海軍南海工程設(shè)計(jì)院，湛江524003；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

我國南海幅員遼闊、珊瑚島礁眾多，且水深一般在百余米至千米，而這些珊瑚島就如同深水中的一個(gè)個(gè)凸出平臺(tái)，與周邊深海形成明顯水深差，在這樣的環(huán)境里波浪一旦從深海傳至島嶼礁坪時(shí)，必然需要經(jīng)過落差較大的礁坪邊緣，由于該處水深的急劇變化，與在緩變地形上傳播相比波浪傳播規(guī)律略有不同。類似問題一般可簡化為波浪在臺(tái)階式地形上的傳播，波浪在礁坪地形上傳播的研究也越來越受到人們的重視。迄今為止, 波浪在珊瑚礁礁盤上的傳播已得到了不少現(xiàn)場觀測和根據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)進(jìn)行的觀測［1］。本文即在某工程前期科研論證的背景下，開展了礁坪波浪水槽試驗(yàn)，以分析波浪傳至珊瑚島礁緣后破碎波傳播情況，為設(shè)計(jì)波要素的確定提供參考依據(jù)。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 礁坪概述

工程所在島礁屬臺(tái)礁類型，與周邊各類礁體基底不連續(xù)，為海南大陸架基底邊緣上的礁體，為近似四邊形的平臺(tái)礁，主軸線呈東北—西南走向［2］，礁坪中部為灰砂島。礁坪是珊瑚礁頂處于低潮面附近的生物堆積平臺(tái)，漲潮被淹沒，低潮時(shí)出露，寬數(shù)十至數(shù)百米不等，礁坪表面相對(duì)平坦，接近低潮面，向海側(cè)為礁緣斜坡［3］。自最上層的灰砂島至-100 m 水深處，呈多級(jí)臺(tái)階狀發(fā)育，水深隨每一級(jí)臺(tái)階逐漸加深。越過礁緣后的礁坪為較寬的水平頂部, 其高度在平均低潮位左右。根據(jù)實(shí)測地形數(shù)據(jù)，礁坪各岸段礁前緣—沙島岸灘坡面間的礁坪剖面形態(tài)如圖1 所示。

礁坪剖面的坡度形態(tài)及分布也不均一，受所在海域風(fēng)浪流長期動(dòng)力條件影響，整體上表現(xiàn)為北岸陡、南—東北岸緩的趨勢。礁坪外緣至-100 m 附近的剖面平均坡度一般在1:4～1:12 之間不等，其中東北端相對(duì)最緩、北岸最陡。同時(shí)，東北端礁坪的礁緣距離沙島岸坡最遠(yuǎn)，礁坪寬度約為1.7 km，而西南端距離沙島最近，僅約0.5 km。越過水深變化最大的礁坪邊緣，即是向沙島方向坡度逐漸減小的礁坪緩坡，其地形坡度很小，礁坪上平均底高程在-0.5～0.8 m 不等，南岸相對(duì)最深，礁坪各代表段平均底高程及剖面如表1 所示。

表1 礁坪各區(qū)段剖面形態(tài)及平均高程Tab.1 Profile shapes and mean elevation of typical section on reef flat

珊瑚礁海底與一般的礁石或泥沙海底結(jié)構(gòu)相差較大，波浪衰減特性也有差異［4］。礁坪上的水深相對(duì)較淺，當(dāng)外海入射波高較大時(shí), 波浪首先在礁緣附近發(fā)生第一次破碎，同時(shí)較小的波浪還可穿越礁坪而不破碎，礁坪上的波浪其波高將受水深的限制，沿礁坪繼續(xù)傳播至近岸淺灘處再次淺水變形而破碎。

1.2 模型布置

礁坪波浪傳播試驗(yàn)在波浪水槽內(nèi)進(jìn)行。模型比尺為60，試驗(yàn)中未采用概化的臺(tái)階來模擬礁坪，而是根據(jù)實(shí)測坡度模擬礁坪外緣剖面（平均坡度為1:8），礁前模擬水深至接近-30 m 深海，自礁坪邊緣至沙島岸灘之間的距離約為13.2 m，相當(dāng)于原型約800 m。同時(shí)，考慮到相對(duì)于礁外緣的坡度，礁坪面地形坡度較為平緩，底高程-0.5～0.8 m 的變化幅度在模型中也相對(duì)較小，而礁坪上不同高程的分布也不均勻，為便于模擬，模型中將礁坪段概化為平段，即采用統(tǒng)一底高程，取表1 中各數(shù)的平均值約為0.1 m。

自坡腳至礁坪沿程布置7 個(gè)波高傳感器（如圖2 中的59#～65#），其中59#為入射波控制點(diǎn)，61#處于礁緣處，礁坪上分布62#～65#共4 個(gè)測點(diǎn)，斷面試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾萌鐖D2 所示。圖2 中59#～65#為測波儀，其間距已轉(zhuǎn)換為原型值。

1.3 試驗(yàn)組次

試驗(yàn)主要模擬外海波浪傳至礁坪破碎后的傳播規(guī)律，因此試驗(yàn)波浪條件考慮常年平均波浪和重現(xiàn)期50 a兩種情況，水深考慮30～50 m，主要研究內(nèi)容包括：（1）分析研究波浪經(jīng)過礁坪邊緣后沿礁坪面?zhèn)鞑ニp特性；（2）不同波浪條件下礁坪上的破波水深比。

波要素根據(jù)周邊海域?qū)崪y資料統(tǒng)計(jì)（1988～2007 年），年均波高取值1.3 m、平均周期4.5 s，重現(xiàn)期50 a波浪實(shí)測最大波高9.0 m（H1%），平均周期約為11.0 s。具體試驗(yàn)工況組次安排如表2 所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

波浪自深水傳至礁坪處，由于礁坪上水深的明顯變淺，并且水深較淺的礁坪卻相對(duì)較長，較大的入射波浪沿傳播方向在礁坪邊緣附近破碎后繼續(xù)向坪內(nèi)傳播，并達(dá)到波面穩(wěn)定狀態(tài)，礁坪上的波浪傳播特性表現(xiàn)為礁緣處波浪易破碎和礁坪上波浪衰減較快。

2.1 波浪破碎情況

表2 試驗(yàn)?zāi)M原型條件（工況組合）Tab.2 Condition of simulation（load combination）in prototype

（1）年均波浪條件。常年條件下，由風(fēng)作用生成的風(fēng)浪在南海中傳播并形成涌浪，到達(dá)島礁附近時(shí)水深變淺，變?yōu)槠撇ǎ?］。在這樣傳至礁緣的過程中（即自59#傳至61#），沿礁緣外坡面?zhèn)鞑r(shí)受淺水變形影響已有所衰減，因此在波浪傳至礁緣附近（位于-1.0 m 等深線附近）時(shí)除低潮位外均未發(fā)生破碎，還可繼續(xù)向礁坪內(nèi)傳播，而平均低潮位（0.86 m）時(shí)由于礁坪面上水深相對(duì)很淺，波浪在礁緣附近發(fā)生破碎，破碎點(diǎn)介于61#、62#傳感器，破碎波高水深比（Hb/d）約為0.5，破碎后波能明顯減弱。進(jìn)入礁坪段的波浪其波高將受礁坪上水深的限制，此時(shí)不同水位時(shí)礁坪上水深為0.76～1.54 m，先前在礁緣附近未發(fā)生破碎的平均水位（1.26 m）對(duì)應(yīng)的波浪在礁坪面上傳播的過程中發(fā)生了破碎，破碎點(diǎn)位于礁坪邊緣與沙島之間，試驗(yàn)中破碎點(diǎn)附近的破碎波高水深比（Hb/d）在0.5～0.6，根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTJ213-98）進(jìn)行計(jì)算的破碎波高水深比（Hb/d）為0.61，兩者相差不大，但試驗(yàn)條件下更易破碎。平均高潮位（1.64 m）時(shí)，礁坪上的水深相對(duì)較大，波浪可經(jīng)過礁緣后繼續(xù)向內(nèi)一直傳播至沙島岸灘前沿而不發(fā)生破碎，但無論何種水位和波浪在礁坪上傳播過程中均是逐漸衰減的。

（2）重現(xiàn)期50 a 波浪條件。此時(shí)入射波在傳至礁緣的過程中，雖受沿程淺水變形影響已有所衰減，但由于入射波高較大，波浪傳至礁坪邊緣附近時(shí)發(fā)生了顯著的破碎現(xiàn)象，礁緣破碎點(diǎn)附近的破碎波高水深比（Hb/d）約0.76，由規(guī)范計(jì)算的破碎波高水深比（Hb/d）為0.70，此時(shí)試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算值略大一些，這可能與波周期相對(duì)較長有一定關(guān)系，對(duì)此還值得深入探討。破碎波越過礁緣后沿礁坪繼續(xù)傳播，破碎后礁坪上波能明顯衰減，由于對(duì)應(yīng)高潮位（+1.92 m），因此礁坪上水深相對(duì)較深（1.82 m），波浪未再發(fā)生破碎，其波高受礁坪上水深的限制，在向沙島岸灘傳播的過程中，呈衰減趨勢并逐漸恢復(fù)穩(wěn)定的周期性波浪形態(tài)。

2.2 波浪變化

外海波浪經(jīng)過礁坪傳播的過程，即是波列通過逐漸變淺的礁坪淺水區(qū)域接近沙島近岸的變化過程，該過程中由于底床摩擦及淺水變形影響將使波浪發(fā)生變化，且由于礁坪地形變化的形態(tài)與一般緩坡型的近岸海床有所不同，波浪衰減特性也有所差異。如前文所述，入射波浪傳至礁坪后，由于受水深逐漸變淺影響，大浪或低潮位時(shí)波浪會(huì)在礁緣或礁坪上淺水區(qū)時(shí)發(fā)生破碎，一旦發(fā)生破碎，由于水體的劇烈紊動(dòng)，波能衰減明顯，礁緣處未發(fā)生破碎的波浪在傳至水平礁坪后也有所減弱。在沿礁坪向沙島方向傳播過程中，隨著傳播距離的增加，波高有逐漸衰減趨勢，傳至沙島前波高明顯降低。試驗(yàn)結(jié)果見表3 所示，波高沿程變化如圖3 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，波浪自礁前深水（約30 m）傳至珊瑚礁邊緣-1.0 m 左右水深附近處，波高可衰減26%～45%，而50 a 一遇大浪時(shí)衰減可達(dá)88%；當(dāng)波浪經(jīng)過礁緣或礁坪發(fā)生破碎、并沿礁坪向島內(nèi)傳播時(shí)，波高進(jìn)一步衰減，傳至礁坪末端800 m 附近（接近沙島岸灘）處衰減82%～93%，而50 a 一遇大浪時(shí)可達(dá)98%。其中，大浪由于破碎點(diǎn)相對(duì)靠前，礁坪面上的波高衰減程度更為顯著。波能大部分在礁緣以上300～400 m 范圍內(nèi)損耗，內(nèi)礁坪面上的波能有限。

計(jì)算結(jié)果（表3）中列出了入射波高（深水波高）與礁坪水深之比，其結(jié)果也反映出當(dāng)該比值大于1 時(shí)，波浪均會(huì)發(fā)生破碎，而在該比值大于1.5 時(shí)，波浪將在礁坪邊緣及附近發(fā)生破碎。

表3 不同條件下各測點(diǎn)比波高值（起波點(diǎn)為59#）Tab.3 Hb/d of each measuring point under different conditions（the wave point is 59#）

另外，受限于水槽長度未能模擬更長距離的礁坪，但可根據(jù)波高的衰減趨勢推算，若波浪傳至礁坪上約1 km 時(shí)，各水位波高將進(jìn)一步衰減至0.06～0.20 m（年均波浪條件）和0.09 m（重現(xiàn)期50 a 波浪）；若傳至礁坪最遠(yuǎn)的沙島東北端（約1.7 km），各水位波高將進(jìn)一步衰減至0.01～0.08 m（年均波浪條件）和0.02 m（重現(xiàn)期50 a 波浪）。

對(duì)于礁坪上波浪的傳播衰減，由于模型中礁坪采用水平面概化模擬，因此參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了與試驗(yàn)值的對(duì)比研究，計(jì)算中考慮波浪破碎（坡度1/1 000 以下）、淺水變形（Ks）以及波浪在淺水中傳播的水底摩擦減損（Kf）等因素，即到達(dá)傳播距離末端的波高可表示為

由此得到礁坪上不同傳播距離的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比如圖4 所示。結(jié)果可見，除重現(xiàn)期50 a 的試驗(yàn)值與計(jì)算值相差略大外，其余各結(jié)果均較好，但結(jié)果均表明礁坪上波浪在經(jīng)過礁緣及附近后再經(jīng)水平面?zhèn)鞑ミ^程中的衰減趨勢是一致的。而重現(xiàn)期50 a 時(shí)由于受計(jì)算條件限制（Kf已接近極限），按其計(jì)算所得各條件下的結(jié)果基本相差不大，這是造成與試驗(yàn)值差異的主要原因。

2.3 存在問題

同時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)場礁坪波浪傳播的觀察，值得注意的是珊瑚礁構(gòu)成的礁坪底床比較特殊，往往凹凸不平，且礁巖、珊瑚叢、礁坑遍布，其主要為造礁珊瑚碎屑組成，這些物質(zhì)磨圓度差、形狀各異、棱角分明且空隙較多［6］，其淺水系數(shù)、底摩擦等均與一般的平緩沙質(zhì)海灘有較大的差異，根據(jù)國外相關(guān)研究資料［7-9］，礁坪上的底摩擦系數(shù)將比一般沙質(zhì)海灘大至少10 倍，由此可見實(shí)際上珊瑚礁平面的底摩擦也是波能損耗的另一主要因素，水槽試驗(yàn)由于采用水泥底床面，因此摩阻的衰減暫未考慮。另外，試驗(yàn)水槽中的礁坪由于采用二維模型，由于沙島存在致使礁坪上的水并不是貫通的，這與珊瑚島四周環(huán)海的實(shí)際不符，因此水槽試驗(yàn)中礁坪模型上會(huì)出現(xiàn)一定波浪增水，試驗(yàn)中測得增水（62#、63#處）為0.2～0.8 cm，該幅度為入射波高（59#）的5%～11%。

3 結(jié)語

（1）由于本礁坪呈1/4～1/12 的緩坡，可不簡化為單一的臺(tái)階地形，礁坪波浪傳播的過程是淺水折射變形的過程，波浪破碎表現(xiàn)為行進(jìn)波破碎，且小于波浪在一般緩坡地形上的破碎指標(biāo)，破碎波高水深比（Hb/d）約為0.5 附近，重現(xiàn)期50 a 大浪時(shí)礁緣處最大可達(dá)0.76。

（2）波浪自礁前傳至礁坪末端時(shí)衰減82%～93%，50 a 一遇大浪時(shí)衰減可達(dá)88%～98%，波能大部分在礁緣以上300～400 m 范圍內(nèi)損耗。

（3）普通石英沙與珊瑚沙不同，波浪在其灘面上的能量交換很少，而珊瑚礁則摩阻較大，一定程度上試驗(yàn)波浪的傳播衰減慢于實(shí)際，同時(shí)島礁四周過水的特征也難以在波浪水槽中得到復(fù)演，因此可在今后的深入研究中采用局部整體波浪物模加以驗(yàn)證和補(bǔ)充。

［1］趙子丹，張慶河，劉海青. 波浪在珊瑚礁及臺(tái)階式地形上的傳播［J］.海洋通報(bào)，1995,14（4）：1-10.ZHAO Z D,ZHANG Q H,LIU H Q.Wave Transformation on Coral Reefs and Submerged Steps［J］.Marine Science Bulletin,1995,14（4）：1-10.

［2］業(yè)治錚，何起祥，張明書，等. 西沙群島島嶼類型劃分及其特征的研究［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，1985，5（1）：1-12.YE Z Z, HE Q X, ZHANG M S, et al. Classification and Characteristics of Island in the Xisha Archipelago［J］.Marine Geology &Quaternary Geology, 1985,5（1）：1-12.

［3］余克服，宋朝景，趙煥庭. 西沙群島永興島地貌與現(xiàn)代沉積特征［J］.熱帶海洋，1995,14（2）：24-31.YU K F，SONG Z J，ZHAO H T. The Characters of Geomorphology and Modern Sediments of Yongxing Island，Xisha Islands［J］.Tropic Oceanology，1995,14（2）：24-31.

［4］黎滿球，朱良生，隋世峰. 珊瑚礁坪波浪的衰減特性分析［J］.海洋工程，2003,21（2）：71-75.LI M Q，ZHU L S,SUI S F. Characteristics of wave attenuation on the coral reef［J］. The Ocean Engineering，2003，21（2）：71-75.

［5］葉錦昭. 西沙群島環(huán)境水文特征［J］. 中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1996,35（1）：15-21.YE J Z.Environmental Hydrologic Features of the Xisha Archipelago［J］. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，1996，35（1）：15-21.

［6］荀濤，胡鵬，梅弢，等. 西沙群島珊瑚砂運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］. 水道港口，2009,30（4）：277-281.XUN T，HU P，MEI T，et al.Study on the characteristics of coral sands movement in Xisha Islands［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（4）：277-281.

［7］Péquignet A C，Becker J M，Merrifield M A，et al.The dissipation of wind wave energy across a fringing reef at Ipan,Guam［J］.Coral Reefs，2011（30）: 71-82.

［8］Brander R W.Spatial and temporal variations in wave characteristics across a reef platform, Warraber Island,Torres Strait，Australia［J］.Marine Geology，2004,207:169-184.

［9］Massel S R. On the modelling of wave breaking and set-up on coral reefs［J］.Coastal Engineering，2000，39:1-27.