不規(guī)則波情況下沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)傳播方向的研究

張雅潔，任春平，2

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；2.天津大學(xué)水利工程安全與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

不規(guī)則波情況下沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)傳播方向的研究

張雅潔1，任春平1，2

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；2.天津大學(xué)水利工程安全與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

本文以沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中流速儀采集到的不規(guī)則波的流速時(shí)間歷程為基礎(chǔ)，利用相關(guān)性分析，得到兩個(gè)不同位置處對(duì)應(yīng)流速時(shí)間歷程的最大相關(guān)系數(shù)和延遲時(shí)間，進(jìn)而分析沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在1∶40和1∶100平直斜坡上的傳播方向，并且分析了其隨入射波高、周期的變化。結(jié)果表明沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在海岸垂向環(huán)流系統(tǒng)的作用下，其傳播方向會(huì)向海方向偏移，與岸線(xiàn)角度大約在0°到45°之間，且在1∶40和1∶100坡情況下，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角分別隨入射周期和波高的增加而增加，但1∶100坡的增加幅值較小，大約為1∶40坡情況下的1/2。

沿岸流；不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)；不規(guī)則波；相關(guān)性分析；傳播方向

沿岸流是由波浪破碎引起波生流，與裂流、質(zhì)量輸移流三者構(gòu)成近岸環(huán)流系統(tǒng)，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)伴隨時(shí)均沿岸流而產(chǎn)生。了解沿岸流以及近岸環(huán)流系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是研究其運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)于追溯海岸岸線(xiàn)的演化、研究海岸泥沙污染物的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)移及海岸水體的交換方面有直接而深刻的意義。一些學(xué)者如Russel（1993），Miles（2002），Smith（2002）和Agaard（1994）等分別指出沿岸流不穩(wěn)定對(duì)于海岸侵蝕，沉積物的輸運(yùn)，泥沙運(yùn)動(dòng)都有很大關(guān)系。之后Sanchez（2003）也表明海岸特殊地形的形成也是沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的杰作。國(guó)內(nèi)研究者薛春汀等（2010）發(fā)現(xiàn)在我國(guó)東北部海岸，沿岸流在沉積物的空間分布上起了明顯的控制作用。

1989年，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)作為一種超低頻波波動(dòng)首次被觀測(cè)到（Oltman-Shay et al，1989），其波長(zhǎng)小于同情況的重力波，且該波動(dòng)伴隨時(shí)均沿岸流的出現(xiàn)而出現(xiàn)，大小、方向也會(huì)隨著時(shí)均沿岸流的改變而發(fā)生改變。之后，Reniers等（1997）人研究發(fā)現(xiàn)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生主要受地形的限制，并且隨著入射波高的增大沿岸流作用的強(qiáng)度也會(huì)增大。2004年，Noyes等（2004）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)采集的流速時(shí)間歷程分析得出沿岸流不穩(wěn)定主要出現(xiàn)在沿岸流的最大值附近。國(guó)內(nèi)學(xué)者鄒志利（2005）、金紅（2006）在大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室將觀測(cè)得到沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)利用墨水滴入后的運(yùn)動(dòng)軌跡形象的展現(xiàn)了沿岸流不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)變化，使得沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)有形而直接的展現(xiàn)出來(lái)。

因此，本文研究沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的方向，是岸灘養(yǎng)護(hù)、近岸水環(huán)境保護(hù)直接而重要的參考因素，也給沿海岸的工程實(shí)施、管理運(yùn)作提供了基礎(chǔ)理論，對(duì)今后海洋排污工程的環(huán)境保護(hù)措施的提出起到促進(jìn)作用。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

本文以大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的沿岸流不穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用對(duì)流速儀所測(cè)得的不同波況下的流速時(shí)間歷程，分析在沿岸方向不同位置處流速時(shí)間歷程的相關(guān)性，研究沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的傳播方向。本文共分析了15個(gè)波況，入射波全部為隨機(jī)波，其中坡度為1∶100地形上的共有6個(gè)波況（irregular mild slope,簡(jiǎn)稱(chēng)im），坡度為1∶40地形上的共有9個(gè)波況（irregular steep slope,簡(jiǎn)稱(chēng)is），詳細(xì)波況參數(shù)見(jiàn)表1。

實(shí)驗(yàn)水池長(zhǎng)55 m，寬34 m，深1.0 m（見(jiàn)圖1），海岸地形為平直斜坡，其坡度分別采用1∶100和1∶40兩種（見(jiàn)圖2），利用可移動(dòng)式方向譜造波機(jī)造波。平直斜坡海岸坡度均勻，兩種坡度情況下均和造波板成30°夾角，目的是使海岸線(xiàn)的長(zhǎng)度增加。流速儀32個(gè)，垂直岸線(xiàn)布置兩列，測(cè)量垂直岸線(xiàn)和沿岸方向的速度。從床底算起，流速儀布設(shè)于水深的1/3處，圖3和圖4分別給出了1∶40和1∶100地形上流速儀的布置圖。

表1 波況參數(shù)（對(duì)于不規(guī)則波：H為平均波高，T為平均周期）

圖1 實(shí)驗(yàn)布置

圖2 實(shí)驗(yàn)地形

圖3 1∶40地形流速儀布置（○為流速儀）

圖4 1∶100地形流速儀布置（○為流速儀）

2 沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)傳播方向分析方法

鄒志利（2005），任春平（2009）對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，分析并總結(jié)出各種波況下垂直岸方向和沿岸方向流速時(shí)間歷程的特點(diǎn)，如沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)周期、幅值，以及傳播速度，而本文在此研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)沿岸距離不同的流速儀所測(cè)得的流速時(shí)間歷程，分析不同列的兩個(gè)流速儀測(cè)得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波（任春平，2009）（雙向?yàn)V波）來(lái)消除高頻信號(hào)的影響，再利用相關(guān)性分析原理，得到兩列時(shí)間序列的最大相關(guān)系數(shù)及對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間，最終由所得的相關(guān)系數(shù)和延遲時(shí)間進(jìn)一步分析沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的方向，是將之前的理論研究應(yīng)用于更加深刻的實(shí)踐分析。

2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的經(jīng)典概念，相關(guān)分析也是本文的核心原理。目前，相關(guān)性分析廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析挖掘領(lǐng)域，也有學(xué)者提出應(yīng)用典型相關(guān)分析原理并將其用于跨領(lǐng)域的遷移學(xué)習(xí)方法（張博等，2015）中，反應(yīng)序列的總體相似性。時(shí)間序列多數(shù)情況下是一組以數(shù)據(jù)流的形式出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，并按照發(fā)生時(shí)間的先后順序前后排列。如在Gilbert等（2001）對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的快速總結(jié)與分析和Chen等（2000）提出的一種可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)連續(xù)查詢(xún)系統(tǒng)中均有時(shí)間序列的應(yīng)用。因此，分析時(shí)間序列的相關(guān)性，可以對(duì)未來(lái)未知的現(xiàn)象做出預(yù)測(cè)，最常用的衡量標(biāo)準(zhǔn)即互相關(guān)函數(shù)（S.Thuiner et al，1998）。經(jīng)典的互相關(guān)是用來(lái)度量?jī)蓚€(gè)信號(hào)x（t）和y（t）的相關(guān)程度，互相關(guān)系數(shù)有如下定義：

式中，Cxy=E[x（t）y（t）]，Cxx=E[x（t）2]，Cyy=E[y（t）2]。t為兩個(gè)信號(hào)所取的時(shí)間點(diǎn)，假設(shè)t1-t2為兩個(gè)信號(hào)的延遲時(shí)間，延遲時(shí)間是兩個(gè)時(shí)間序列達(dá)到某一相關(guān)程度時(shí)，其所處時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間差，則定義兩個(gè)時(shí)間序列的互相關(guān)系數(shù)為：

式中，Cxy（t1-t2）=E[x（t1-t2）y（t1-t2）]。式（2）是兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析在時(shí)域產(chǎn)生時(shí)間平移（即發(fā)生時(shí)間延遲）的相關(guān)性度量公式。由于互相關(guān)函數(shù)反應(yīng)兩個(gè)時(shí)間序列的相似程度，所以互相關(guān)函數(shù)取得最大值的地方，即為相關(guān)性最大處。而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差τ=t1-t2即為延遲時(shí)間。

實(shí)際在處理時(shí)間序列相關(guān)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，延遲時(shí)間的選擇往往受到阻礙。由于在數(shù)據(jù)處理前，規(guī)定了沿岸流的方向，則以沿岸流方向?yàn)檎较?，也就?guī)定了流速儀測(cè)量的先后，因此在計(jì)算兩個(gè)流速儀的最大相關(guān)系數(shù)時(shí)，延遲時(shí)間均取為正。而結(jié)果得出的τ-R函數(shù)關(guān)系圖大致為周期不等的正弦函數(shù)圖，以波況10（1∶40坡，周期為1.5 s，波高為4.0 cm）下第二列x=6 m和x=1.5 m第一列的流速儀的相關(guān)系數(shù)圖為例（見(jiàn)圖5），τ>0部分出現(xiàn)兩個(gè)峰值，而相關(guān)系數(shù)最大值又處于第二個(gè)峰值，但此時(shí)的延遲時(shí)間又過(guò)大，所以就要解決如何確定延遲時(shí)間的問(wèn)題。

圖5 波況τ-R函數(shù)關(guān)系圖

引入延遲（滯后）相關(guān)（岳德軍，2008）的定義，兩個(gè)序列x1，y1存在滯后關(guān)聯(lián)，設(shè)x1滯后于y1，滯后時(shí)間為τ，當(dāng)：

（1）滯后相關(guān)系數(shù)R在τ時(shí)的絕對(duì)值大于相關(guān)性閾值γ，閾值，就是使得某種作用效應(yīng)能夠發(fā)生的某一條件的臨界值（最小值或者最大值），并且R是一個(gè)局部最大值點(diǎn)。

（2）如果存在多個(gè)局部最大值點(diǎn)，則首個(gè)局部最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為延遲時(shí)間。

在上述定義中，條件（1）中的閾值，為延遲時(shí)間τ的最小值，由于規(guī)定了正方向，所以延遲時(shí)間為大于0的正數(shù)，所以閾值即為τ=0；條件（2）表明，當(dāng)兩個(gè)時(shí)間序列有相同的周期T時(shí)，則會(huì)在時(shí)間點(diǎn)（τ，τ+T，τ+2T）上存在多個(gè)局部最大值，但我們只選取最早的作為延遲時(shí)間，通常情況下首個(gè)局部最大值顯然是最重要最有價(jià)值的。所以圖5中的延遲時(shí)間應(yīng)取大約τ=20處的極值。

3.2 分析方法

沿岸流平行沿岸方向流動(dòng)，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)伴隨沿岸流而產(chǎn)生，倘若沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的方向也平行于沿岸，那么對(duì)距岸線(xiàn)距離相等的兩個(gè)異列流速儀所測(cè)得的流速時(shí)間歷程進(jìn)行相關(guān)分析，理應(yīng)得出相關(guān)系數(shù)最大，延遲時(shí)間最短的結(jié)論。如果計(jì)算所得的數(shù)據(jù)符合上述結(jié)論，說(shuō)明沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)是平行于沿岸方向傳播的，即沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的傳播方向平行于沿岸方向。

利用已有的不同波況下流速儀測(cè)得的流速時(shí)間歷程，分別對(duì)1∶40和1∶100坡度下不規(guī)則波的沿岸流沿岸方向的相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，由于流速儀數(shù)量多，為提高分析效率，因此選取具有代表性的流速儀處理。在1∶40坡度情況下，兩列均取1.5 m，2.0 m，3.0 m，4.0 m，5.0 m，6.0 m，7.0 m，9.0 m，11.0 m處的流速儀兩兩進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算；同理，在1∶100坡度情況下，兩列均取2.0 m，2.5 m，3.5 m，4.5 m，5.5 m，6.5 m，8.0 m，10.0 m，12.0 m處的流速儀兩兩進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。分別于15種波況下進(jìn)行分析，列表記錄所得的最終數(shù)據(jù)結(jié)果（相關(guān)系數(shù)和延遲時(shí)間），制出散點(diǎn)圖，觀察規(guī)律，分析其在沿岸方向（x方向）的相關(guān)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際沿岸流多為不規(guī)則波，則結(jié)合實(shí)際情況，本文將不規(guī)則陡坡情況下的波況都做了相關(guān)分析，得出的一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察比較，發(fā)現(xiàn)與之前的假設(shè)并不相符。下圖給出了不同波況下第二列流速儀通過(guò)與第一列流速儀逐個(gè)進(jìn)行相關(guān)性比較分析，最終得到相關(guān)系數(shù)最大的兩個(gè)流速儀對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)和延遲時(shí)間，并以?xún)蓚€(gè)流速儀中位于第二列的流速儀所對(duì)應(yīng)的垂直于沿岸的距離為x軸，得到相關(guān)系數(shù)與延遲時(shí)間分別隨沿岸距離的變化情況（R表示相關(guān)系數(shù)，x表示流速儀距離岸線(xiàn)的距離，τ表示延遲時(shí)間）,由于波況太多且受篇幅限制，僅抽取具有代表性的波況，對(duì)于1∶100坡情況下，選取波況1、3、5進(jìn)行分析比較（波況1、3、5的波高相近，周期逐個(gè)增加）；對(duì)于1∶40坡情況下，選取7、9、10、12、13、15六組進(jìn)行分析比較（其中7、9，10、12，13、15三組分別為周期相同，波高逐個(gè)增大；7、10、13，9、12、15兩組分別為波高相近，周期逐個(gè)增加），見(jiàn)圖6，圖7。觀察發(fā)現(xiàn)，并不是每個(gè)流速儀都與其距沿岸距離相同的異列流速儀進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)得出的相關(guān)系數(shù)最大，延遲時(shí)間為最小，也就是剪切波的傳播速度（流速儀間隔與延遲時(shí)間的比值）最大，這表明沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的傳播方向并非平行于沿岸方向。

假設(shè)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的傳播方向平行于沿岸，在根據(jù)不同波況下，將第一列流速儀分別與第二列流速儀進(jìn)行相關(guān)性分析，找出每種波況下沿岸距離相同的兩個(gè)異列流速儀，按照沿岸距離由小到大排列。觀察發(fā)現(xiàn)，在1∶40坡情況下，相關(guān)系數(shù)R峰值在波況7、9分別出現(xiàn)在x=4 m、x=4 m處；在波況10、12出現(xiàn)在x=3 m、x=4 m處；在波況13、15則出現(xiàn)在x=1.5 m、x=3 m處；而1∶100坡情況下波況1、3、5則分別出現(xiàn)在x=6.5 m、x=5.5 m、x=3.5 m處。在這兩種坡度下，R的峰值所對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間也相對(duì)較小。這說(shuō)明剪切波在R達(dá)到峰值處傳播的速度較大，相關(guān)性最大，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在此處較顯著，而在兩種坡度下R峰值所處的距離沿岸的位置不同，說(shuō)明坡度對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)有一定影響?？偨Y(jié)兩種坡度的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在波高相近的情況下，隨著入射波周期的增加，相關(guān)系數(shù)R的最大值也增加，同時(shí)峰值距離沿岸的距離在減??；而在相同入射周期情況下，隨著波高的增加，R的最大值同樣也增加，而峰值距離沿岸的距離卻增加。這說(shuō)明入射周期T和波高H均對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)有影響。

對(duì)比1∶100和1∶40的整體情況，1∶100的最大相關(guān)系數(shù)整體都較1∶40的小，說(shuō)明在1∶100情況下，兩列流速儀在沿岸方向相關(guān)程度低，也就是說(shuō)沿岸流不穩(wěn)定在1∶100情況下較弱。

圖6 選取的具有代表性的各個(gè)波況下最大相關(guān)系數(shù)隨沿岸距離變化圖

圖7 選取具有代表性的各個(gè)波況下最大相關(guān)系數(shù)所相應(yīng)的延遲時(shí)間隨沿岸距離變化圖

根據(jù)Noyes等（2004）由流速時(shí)間歷程所得出的結(jié)論，即沿岸流不穩(wěn)定主要出現(xiàn)在沿岸流的最大值附近，應(yīng)用于沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的方向的研究，取上述相關(guān)性最大處（沿岸流不穩(wěn)定作用最大）進(jìn)行分析。找到每種波況下，兩列流速儀中R峰值處對(duì)應(yīng)的兩個(gè)流速儀，其中位于第二列的流速儀所在位置為x1，位于第一列的流速儀所在位置為x2或x3，二者的距離差Δx與兩列流速儀的間隔差L的比值，即可求出沿岸流不穩(wěn)定的偏移角α。定義以相關(guān)系數(shù)最大的兩個(gè)流速儀的連線(xiàn)為一邊，平行于沿岸方向且與位于第二列的流速儀相交的直線(xiàn)為另一邊，則兩直線(xiàn)的夾角即為偏移角α，示意圖見(jiàn)圖8。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表3。

舉例說(shuō)明計(jì)算沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角，兩列流速儀間隔L=4 m，例如波況6，偏移角tan（α1）=（x2-x1）/L=（4-2.5）/4=0.375，α1=arctan（0.375）=20.56°由上表可以看出1∶100坡沿岸流不穩(wěn)定向海方向偏移不超過(guò)20.56°，發(fā)現(xiàn)在波高相近的情況下，隨著入射波周期的增加，偏移角也增加；在入射周期相同的情況下，隨著波高的增加，偏移角也在增加。說(shuō)明在1∶100坡情況下，入射周期和波高對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角均有影響。

圖8 求解偏移角α示意圖

舉例說(shuō)明計(jì)算沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角，兩列流速儀間隔，例如波況9，偏移角度tan（α1）=（x2-x1）/L=（3-2）/4=0.25，α1=arctan（0.25）=14.04°；再例如波況14，tan（α2）=（x3-x1）/L=（7-3）/ 4=1，α2=arctan（1）=45°。從1∶40坡整體可以看出，沿岸流不穩(wěn)定向海的偏移方向要比1∶100偏大一倍左右。同樣，由上表可以看出，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角于1∶40坡在入射周期相同的情況下，隨入射波高的增加而增加；在波高相近的情況下，隨入射周期的增加也會(huì)增加。說(shuō)明在1∶40坡情況下，入射周期和波高對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角均有影響，且影響大于1∶100坡。

表2 1∶100坡各個(gè)波況下沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角

表3 1∶40坡各個(gè)波況下沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角

之所以沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在平直斜坡上會(huì)向離岸方向偏移，可能主要是受海底回流的影響，由于本文實(shí)驗(yàn)是平直斜坡，海底回流幾乎垂直于岸線(xiàn)并向離岸方向運(yùn)動(dòng)，與破波帶內(nèi)產(chǎn)生的沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)大概成垂直關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度在時(shí)均沿岸流最大值附近最大，而海底回流到達(dá)時(shí)均沿岸流最大值附近（或破波點(diǎn)附近）時(shí)，其強(qiáng)度也達(dá)到一定量值，足以使不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的傳播方向產(chǎn)生偏移。更重要的是沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在水深方向（Zhao et al，2003）有比較明顯的變化，可以肯定的是其水深方向最大值距離水體表面有一定距離，而海底回流也是在床底部附近，所以海底回流對(duì)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的作用會(huì)更加有效。這樣在它的作用下，可能會(huì)使不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)稍向海方向偏移。

盡管有質(zhì)量輸移流存在，但是其對(duì)于床底部附近的作用要弱很多，可能其對(duì)表面附近的作用會(huì)強(qiáng)一些，比如對(duì)表面物質(zhì)輸移的影響會(huì)更明顯一些。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，得出下述結(jié)論：（1）實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)在入射波為不規(guī)則波情況下，在1∶40坡向離岸方向偏移不超過(guò)45°，在1∶100坡向離岸方向偏移不超過(guò)20.56°，說(shuō)明偏移角的大小受坡度的影響較大。（2）坡度的不同，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角所受的影響因素的大小也不同。從1∶40坡整體情況可以看出，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角在入射周期相同的情況下，隨入射波高的增加而增加的幅度較大；在波高相同的情況下，隨入射周期的增加而增加的幅度也較大。說(shuō)明在1∶40坡情況下，入射周期和波高對(duì)沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角的影響較1∶100大。在1∶100坡情況下，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角受入射波周期和波高的影響幅度較小，偏移角的大小只有1∶40坡度下的1/2左右。無(wú)論在哪種坡度，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的偏移角均未超過(guò)45°，本文所建立的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，可以認(rèn)為45°為沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)方向偏移的臨界值。（3）在實(shí)際情況下，由于垂向環(huán)流系統(tǒng)的影響，沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向并非平行海岸，而是向海方向偏移，并且床底部受海底回流的作用更加有效，而質(zhì)量輸移流則對(duì)其表面附近的作用稍強(qiáng)。

在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，海岸泥沙和污染物在近岸環(huán)流系統(tǒng)中的的輸移方向也會(huì)隨沿岸流偏向向海方向，這樣就會(huì)有泥沙濃度（周鴻權(quán)等，2014）的變化，因此在采取治理和保護(hù)措施的時(shí)候，參考其運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)一步設(shè)置阻擋物或相應(yīng)措施，這樣在有效的理論基礎(chǔ)上才會(huì)起到更好的環(huán)境保護(hù)作用。沿岸流不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)偏向向海方向，對(duì)是否加快了環(huán)流系統(tǒng)循環(huán)速度（汪求順等，2015），提供了理論科學(xué)依據(jù)，從而提高水體交換能力，改善自?xún)裟芰?，最終做到更加合理的海岸規(guī)劃。

致謝：師兄季海嘉為文章修改提供幫助。

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（本文編輯：袁澤軼）

A study on the propagation direction of the unstable motion of longshore currents under the irregular waves

ZHANG Ya-jie1,REN Chun-ping1,2
（1.College of Water Resource Science and Engineering,TaiyuanUniversity of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.State KeyLaboratoryof Hydraulic Engineering SimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin 300072,China）

Based on the time history of flow velocity of the irregular waves gathered from current meters in the experiment of the instability of longshore currents and using correlation analysis,the max correlation coefficients and delayed time of two different positions were gained in this article,and then the direction of propagation was analyzed in two kinds of flat slopes which had the slope of 1∶40 and 1∶100 of the instability of longshore currents,and its change along with the change of incident wave height and period was analyzed.The results showed that the propagation direction of the instability of longshore currents had a shifting to the sea direction under the vertical coastal circulation system,with the angle of about 0°to 45°.And in the cases of 1∶40 and 1∶40 slopes,the deviation angle of the unstable motion of longshore currents will increase respectively with the increasing of incident period and wave height;and in the 1∶100 slope,the increase amplitude of the deviation angle of the unstable motion of longshore currents is smaller,about half of that in the 1∶40 slope.

longshore currents;the unstable motion;the irregular waves;correlation analysis;propagation direction

P731.21

A

1001-6932（2017）04-0408-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.04.007

2016-01-14；

2016-04-13

水利工程安全與仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（HESS-1406）；中國(guó)博士后基金（2013M541179）。

張雅潔（1991-），碩士研究生，主要從事海岸水動(dòng)力學(xué)研究。電子郵箱：m18536666126@163.com。

任春平，博士，副教授，從事河口、海岸水動(dòng)力學(xué)研究。電子郵箱：chunpingren@163.com。