國(guó)內(nèi)裂流研究進(jìn)展

董碧璇 , 馮衛(wèi)兵 , 馮 曦

(1. 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)), 江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

波浪傳播到近岸發(fā)生破碎后, 由于輻射應(yīng)力的作用, 壅高于岸邊的水體會(huì)通過(guò)破波帶流回海洋, 這種條帶狀的強(qiáng)烈表面流被稱之為離岸流, 又叫做裂流[1]。裂流頭、裂流頸、沿岸流、裂流補(bǔ)償流構(gòu)成了整個(gè)裂流系統(tǒng)。持續(xù)時(shí)間短、流速快、流向幾乎與海岸垂直是裂流最為顯著的特點(diǎn)[2]。波高、波浪周期、波向角、波浪破碎點(diǎn)、潮汐、風(fēng)以及海灘長(zhǎng)度、岸線形狀、近岸的建筑物等都會(huì)對(duì)裂流的產(chǎn)生、規(guī)模、強(qiáng)度、位置造成影響[3]。20世紀(jì)40年代開(kāi)始, 研究人員采用理論研究與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相結(jié)合的方法, 對(duì)裂流的形成機(jī)理、影響因素進(jìn)行了研究。物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬被廣泛地應(yīng)用到裂流的研究之中。統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示, 澳洲、美洲的一些國(guó)家裂流分布廣泛, 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于裂流而引發(fā)的安全事故, 僅在美國(guó), 每年就有上百余人因裂流而喪命。我國(guó)海南省和廣東省也經(jīng)常有由于裂流導(dǎo)致溺水事故的新聞報(bào)道。研究裂流的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素, 探索預(yù)報(bào)裂流的方法, 從而精確地預(yù)報(bào)裂流的發(fā)生, 能夠有效地降低在海灘上的人員傷亡。

1 裂流的分類及國(guó)內(nèi)發(fā)生概況

1.1 裂流的分類

研究人員根據(jù)引發(fā)裂流原因, 將裂流分為兩類: (1)由地形控制的裂流; (2)由水動(dòng)力控制的裂流[3]。在此基礎(chǔ)上, Castelle等將裂流劃分為三大類型, 在三大裂流類型的基礎(chǔ)上, 又將裂流分為六種不同的類型, 分別是: 水動(dòng)力控制的裂流: (1)剪切不穩(wěn)定裂流(shear instability rips); (2)瞬變裂流(flash rips), 這兩類裂流一般發(fā)生在均勻的海灘和近岸, 持續(xù)時(shí)間短, 產(chǎn)生的位置不固定。地形控制的裂流: (1)溝槽裂流(channel rips); (2)聚焦型裂流(focused rips), 這兩類裂流發(fā)生在相對(duì)固定的位置, 是由海浪帶和內(nèi)陸架帶的自然沿岸形態(tài)變化所產(chǎn)生的水動(dòng)力過(guò)程驅(qū)動(dòng)的。邊界控制的裂流: (1)偏斜裂流(deflection rips); (2)陰影區(qū)裂流(shadow rips),這兩類裂流在剛性橫向邊界發(fā)生流動(dòng), 如天然海頭, 人為結(jié)構(gòu)(防波堤, 碼頭等)[4]。溝槽裂流(channel rips)因其易觀測(cè)性和分布的廣泛性而受到世界上眾多研究人員的關(guān)注, 并對(duì)溝槽裂流的形成機(jī)理、驅(qū)動(dòng)機(jī)制、影響溝槽裂流的因素開(kāi)展了大量的研究。水動(dòng)力控制的裂流由于其主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制較為復(fù)雜, 因此與其他裂流相比研究的不多。圖1是世界上裂流頻發(fā)的地區(qū)以及針對(duì)裂流做出過(guò)相關(guān)研究的地區(qū)分布。

圖中紅色虛線矩形為世界上裂流頻發(fā)地區(qū), 包括美國(guó)佛羅里達(dá)州、墨西哥、英國(guó)西南部、印度、巴西南部、澳大利亞?wèn)|南部沿海地區(qū)、韓國(guó)釜山、中國(guó)海南、廈門及青島地區(qū); 藍(lán)色實(shí)線圓形為針對(duì)裂流災(zāi)害已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究和應(yīng)對(duì)措施的國(guó)家和地區(qū), 包括美國(guó)、荷蘭、澳大利亞、英國(guó)、韓國(guó)及中國(guó)。由圖可見(jiàn)雖然在中國(guó)中部沿海地區(qū), 裂流災(zāi)害或潛在的裂流災(zāi)害分布廣泛, 但我國(guó)的裂流的預(yù)警系統(tǒng)尚未健全, 對(duì)裂流研究較少。

圖1 世界上裂流頻發(fā)的地區(qū)以及針對(duì)裂流做出過(guò)相關(guān)研究的地區(qū)分布[審圖號(hào): GS(2016)1664號(hào)] Fig. 1 The regions that have many rip currents and those where the rip currents have been investigated [Map number: GS(2016) 1664]

1.2 國(guó)內(nèi)裂流發(fā)生概況

我國(guó)的裂流災(zāi)害嚴(yán)重且具有典型性, 在每年的7、8、9三個(gè)月份頻繁發(fā)生。Shepard[5]等指出, 在岸線較長(zhǎng)的砂質(zhì)海灘上更容易觀測(cè)到裂流。根據(jù)水文學(xué)和地質(zhì)學(xué)的觀點(diǎn), 位于熱帶地區(qū)的基巖質(zhì)海岸發(fā)生裂流的可能性更高[6], 我國(guó)沿海地區(qū)除江蘇段岸線, 其余岸線都分布有基巖海岸。圖2為我國(guó)基巖海岸的分布(發(fā)生裂流幾率較高的區(qū)域)及裂流高發(fā)區(qū)示意圖。裂流現(xiàn)象最嚴(yán)重的地區(qū)是海南三亞、陵水地區(qū), 裂流區(qū)長(zhǎng)度可超過(guò)100 m, 山東青島地區(qū)次之, 裂流區(qū)長(zhǎng)度約30~60 m。沿江蘇段海岸線, 從最北端的連云港市至最南端的南通市, 近岸地區(qū)幾乎全是灘涂, 屬于淤泥質(zhì)海岸, 不具備裂流的產(chǎn)生條件, 因此, 江蘇地區(qū)裂流出現(xiàn)的可能性很低。

2 研究歷史

自20世紀(jì)40年代始, 國(guó)外的研究人員對(duì)裂流的機(jī)理、形態(tài)特征、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了研究, 在觀測(cè)、試驗(yàn)、模擬方面的獲取了大量成果。1936年Shepard[7]首次定義了裂流, 并將其與逆流(undertow)和激流(riptide)進(jìn)行了明確地區(qū)分; 1941年, Shepard等[5]在美國(guó)加利福尼亞州的La Jolla海灘首先對(duì)裂流進(jìn)行了科學(xué)地觀測(cè), 他認(rèn)為長(zhǎng)度長(zhǎng)的海灘上更容易觀測(cè)到裂流的存在, 并第一次定性地對(duì)裂流的特征進(jìn)行了科學(xué)的描述; 1964年, Longuet-Higgins等[8]將輻射應(yīng)力這一概念引入到裂流的研究中, 奠定了以數(shù)值模擬的方法進(jìn)行裂流研究的理論基礎(chǔ); 1969年, Bowen等[1]首次提出了輻射應(yīng)力在近岸地區(qū)環(huán)流系統(tǒng)中所起的作用。圖3為根據(jù)Shepard對(duì)裂流的基本描述繪制的裂流的示意圖。我國(guó)針對(duì)裂流的研究起步很晚, 由于我國(guó)裂流災(zāi)害嚴(yán)重且具有典型性, 對(duì)于我國(guó)濱海旅游區(qū), 國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心在最近幾年已經(jīng)逐漸展開(kāi)了裂流危險(xiǎn)特征評(píng)估、公眾科普、安全警示等工作, 對(duì)于其中的重點(diǎn)濱海旅游地區(qū)(海南、山東等), 技術(shù)評(píng)估和設(shè)立公眾警示標(biāo)識(shí)的工作也相繼開(kāi)展[6]。圖4為中國(guó)國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心在國(guó)內(nèi)的一些重點(diǎn)濱海旅游區(qū)設(shè)立的裂流警示標(biāo)識(shí)。國(guó)內(nèi)的研究人員也圍繞物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬開(kāi)展了針對(duì)裂流流場(chǎng)特性、影響因素等的相關(guān)研究。2007年, 白志剛等[9]采用了SHORECIRC準(zhǔn)三維的近岸流模型耦合了REF/DIF1波浪模型模擬裂流; 2011年, 房克照等[10]在二階完全非線性Boussinesq水波方程的基礎(chǔ)上建立了二維波浪破碎數(shù)值模型; 2013年, 房克照等[11]在Haller實(shí)驗(yàn)地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單溝槽沙壩海岸的裂流試驗(yàn)研究; 2015年, 王彥等[12-13]研究了平直沙壩海岸疊加波浪的裂流特性和緩坡開(kāi)槽沙壩海岸裂流特性; 李志強(qiáng)等[14-16]基于海灘地形動(dòng)力狀態(tài)分類模型, 建立了裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法, 在2015、2016年分別對(duì)華南海灘裂流、三亞大東海、湛江東海島裂流進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià); 2018年, 汪鴻等[17]利用FUNWAVE模型對(duì)弧形海岸上裂流的性質(zhì)進(jìn)行了研究。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 研究方法

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬是目前研究裂流的三種最基本的方法。20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)末, 研究人員側(cè)重于對(duì)裂流形成機(jī)制等理論方面的研究, 并以理論研究和實(shí)際觀測(cè)相結(jié)合的方式, 從理想化條件下研究裂流的形成機(jī)制; 21世紀(jì)以來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的進(jìn)步和大型物理模型試驗(yàn)設(shè)施的完善, 對(duì)裂流的研究更多地結(jié)合了實(shí)際情況下復(fù)雜的邊界條件和地理、海洋環(huán)境等綜合因素, 并將更多的關(guān)注點(diǎn)投向了裂流預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)之中。

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可以直接觀測(cè)到裂流的形態(tài), 避免了物理模型試驗(yàn)中的尺度效應(yīng), 獲得精確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法有兩種: 一是定點(diǎn)測(cè)量, 二是浮子 示蹤。定點(diǎn)測(cè)量通過(guò)固定的流速儀采集流場(chǎng)中固定點(diǎn)的數(shù)據(jù), 但不能遍布整個(gè)流場(chǎng), 在測(cè)量流場(chǎng)的平面流動(dòng)結(jié)構(gòu)形態(tài)方面較為欠缺。浮子示蹤彌補(bǔ)了定點(diǎn)測(cè)量的不足, 通過(guò)分析浮子的軌跡能夠得到整個(gè)流場(chǎng)的速度分布以及詳細(xì)的平面流動(dòng)結(jié)構(gòu)形態(tài)。表1列出了國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段的發(fā)展概況。

圖4 中國(guó)國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心在重點(diǎn)濱海旅游區(qū)設(shè)立的裂流警示標(biāo)識(shí)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)) Fig. 4 A sample warning sign indicating the possibility of rip currents set up by the National Marine Hazard Mitigation Service in some key coastal recreational areas in China

表1 國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段發(fā)展概況 Tab. 1 The development of field observation methods abroad

從表1可以看出, 早期的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)一般利用肉眼觀測(cè)或是使用染料、浮子示蹤的方法, 輔以攝像機(jī)拍攝浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡以分析裂流的運(yùn)動(dòng)特性, 以及少量的測(cè)站測(cè)量流速和壓強(qiáng)。后來(lái)逐漸采用多普勒測(cè)量?jī)x及多普勒聲納等對(duì)裂流的流速、脈動(dòng)機(jī)制進(jìn)行測(cè)量。GPS技術(shù)的發(fā)展為裂流的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)提供了更為簡(jiǎn)便精確的方法, 研究人員通常在觀測(cè)區(qū)域大范圍地放置浮子, 利用GPS定位技術(shù)記錄出浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡, 進(jìn)而分析裂流的流場(chǎng)特性等。從上表可以看出, 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段從一些零散的儀器, 逐漸發(fā)展成了全面的裂流測(cè)量系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)對(duì)裂流的研究都是圍繞物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬展開(kāi)的, 缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的設(shè)備和手段?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的匱乏對(duì)于后續(xù)裂流的精確數(shù)值模擬和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)都會(huì)造成一定的影響。

3.1.2 物理模型試驗(yàn)

很多學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了裂流的物理模型試驗(yàn)研究。物理模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)相比, 需要的資金更少, 可控性更好, 數(shù)據(jù)更容易采集。盡管現(xiàn)階段對(duì)裂流形成機(jī)制的研究還不夠全面, 但很多學(xué)者對(duì)波浪正向入射條件下溝槽裂流的產(chǎn)生機(jī)理達(dá)成了一致認(rèn)識(shí)[3]: 近岸海底的地形不均勻或是有向海突出的結(jié)構(gòu)物、礁石等造成波浪破碎點(diǎn)不均勻, 從而導(dǎo)致波浪增減水沿岸分布不均勻。波浪增減水沿岸分布的不均勻性又會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生壓力差, 壓力差驅(qū)動(dòng)生成沿岸流, 在低增水區(qū)匯聚成離岸流即裂流。沙壩和溝槽的存在使得近岸海底地形不均勻[28], 因此, 大多數(shù)物理模型試驗(yàn)都是通過(guò)改變沙壩地形來(lái)產(chǎn)生, 最具代表性的裂流地形模型有: Haller實(shí)驗(yàn)地形、Dr?nen實(shí)驗(yàn)地形。

Haller[29]建立了一個(gè)帶有雙溝槽的沙壩地形進(jìn)行了裂流的物理模型實(shí)驗(yàn)。Haller地形因其代表性和開(kāi)創(chuàng)性, 被廣泛地應(yīng)用于數(shù)值模擬研究的驗(yàn)證工作。地形圖如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)采用正向入射的規(guī)則波, 對(duì)流場(chǎng)的流速、波高和平均水位進(jìn)行了測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了裂流的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

Dr?nen[30]實(shí)驗(yàn)在一個(gè)4 m寬, 30 m長(zhǎng)的水槽中進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)地形與Haller實(shí)驗(yàn)地形不同之處在于該模型只有一個(gè)裂流槽, 與Haller地形采用的雙溝槽沙壩地形相比, 能夠很好地消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中裂流的不穩(wěn)定性。該模型可以理解為與海岸線平行的沙壩被垂直于海岸線的溝槽均勻地截?cái)唷?/p>

圖5 Haller[30]實(shí)驗(yàn)地形 Fig. 5 Examples of the Haller experimental terrain

圖6 Dr?nen[31]實(shí)驗(yàn)地型 Fig. 6 Dr?nen experimental terrain

我國(guó)的研究人員在裂流的物理模型試驗(yàn)方面做了許多工作。表2列舉了我國(guó)在物理模型試驗(yàn)方面所做的貢獻(xiàn)。

房克照等[11]進(jìn)行了單溝槽沙壩海岸的裂流試驗(yàn)研究, 分析了不同波高對(duì)于裂流強(qiáng)度及整個(gè)流場(chǎng)形態(tài)的影響。王彥等[12]進(jìn)行了平直沙壩海岸疊加波浪的裂流實(shí)驗(yàn), 分析了疊加波浪場(chǎng)的裂流特性。由于目前在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的裂流物理模型試驗(yàn)大多是在陡坡地形下進(jìn)行的, 針對(duì)緩坡地形下裂流特性的研究還 有所缺乏, 因此, 王彥等[31]進(jìn)行了疊加波浪有槽緩坡沙壩地形裂流試驗(yàn)。浮子示蹤的方法也被廣泛地應(yīng)用到了物理模型試驗(yàn)當(dāng)中, 彭石等[32]利用浮子示蹤的方法測(cè)量了由波浪破碎引起的裂流。其中, 王彥[31]、彭石[32]開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)采用的是直立反射墻產(chǎn)生的反射波和入射波交叉產(chǎn)生的疊加波浪作為入射波浪, 在國(guó)際上屬首次使用。但是, 上述實(shí)驗(yàn)的入射波浪都是采用正向入射的波浪, 對(duì)于斜向入射的波浪以及不規(guī)則波和波群作用下裂流流場(chǎng)的特性的探究還不多。此外, 這些試驗(yàn)的地形都是使用水泥砌筑的定床試驗(yàn), 與實(shí)際的海灘地形有差異。

圖7 Dr?nen[31]實(shí)驗(yàn)地型 Fig. 7 Dr?nen experimental terrain

表2 國(guó)內(nèi)物理模型實(shí)驗(yàn) Tab. 2 Experiment research conducted in China

3.1.3 數(shù)值模擬

與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和物理模型試驗(yàn)相比, 數(shù)值模擬的成本最小, 而且可以避免物理模型試驗(yàn)中要考慮的比尺效應(yīng)問(wèn)題。此外, 數(shù)值模擬還可以處理一些在空間范圍上屬于大尺度的問(wèn)題。

當(dāng)前適合用作模擬裂流的波浪模型分為兩類: 第一類是以SWAN模型等為代表的波浪時(shí)均模型, 計(jì)算速度快, 但對(duì)近岸波生流場(chǎng)的波浪非線性影響、波流相互作用等顯著特征的考慮方面有所欠缺。第二類模型是以FUNWAVE、SWASH等模型為代表的波浪時(shí)域模型, 這類模型可以直接在時(shí)域內(nèi)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算, 彌補(bǔ)了波浪時(shí)均模型的缺點(diǎn); 不足之處在于相對(duì)于波浪時(shí)均模型, 這類模型計(jì)算量大, 計(jì)算效率不高且耗時(shí)較多。還有一些海洋模型或模擬系統(tǒng)如ROMS、SHORECIRC、COAWST、Delft 3D、Mike 21等也可以用作全流域的裂流的數(shù)值模擬, 模擬系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于可以綜合考慮波流交互作用、泥沙運(yùn)動(dòng)等條件。較為常用的波浪模型列于表3。

除了利用上述波浪模型對(duì)裂流進(jìn)行模擬之外, 國(guó)外的一些學(xué)者也采用直接求解Boussinesq方程的方法[37-38], 對(duì)裂流進(jìn)行數(shù)值模擬的研究。

我國(guó)在數(shù)值模擬方面針對(duì)裂流開(kāi)展的研究并不多, 僅有的成果是白志剛等[9]采用的SHORECIRC準(zhǔn)三維的近岸流模型耦合REF/DIF1波浪模型模擬裂流, 并將模擬結(jié)果與Borthwick等人的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比, 驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型對(duì)研究近岸流的適用性; 房克照等[10]在二階完全非線性Boussinesq水波方程的基礎(chǔ)上建立了二維波浪破碎數(shù)值模型, 模擬了沙壩海岸上產(chǎn)生的裂流; 張堯等[39]利用Boussinesq– Green–Naghdi模型對(duì)Haller地形下產(chǎn)生的裂流進(jìn)行了數(shù)值模擬; 汪鴻等[17]利用Haller試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)FUNWAVE模型模擬裂流進(jìn)行了驗(yàn)證, 并利用該模型對(duì)多種弧形海岸條件進(jìn)行了裂流數(shù)值模擬。

表3 模擬裂流的波浪模型 Tab. 3 Wave models used in simulating the rip currents

3.2 裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

我國(guó)多數(shù)重點(diǎn)濱海旅游區(qū)的海灘存在裂流現(xiàn)象及大量溺水事故記錄。在海灘溺水問(wèn)題中約80%~ 90%的事故由裂流造成。因此, 對(duì)海灘進(jìn)行裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)并在裂流高發(fā)區(qū)域設(shè)立警示標(biāo)志, 加大海灘安全性建設(shè)尤為重要。歐洲、北美洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家諸如英國(guó)、美國(guó)等已經(jīng)建立了包括裂流的觀測(cè)、排查、警示、科普、預(yù)警報(bào)在內(nèi)的公共服務(wù)體系, 提出了多種裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法。我國(guó)在裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)管理方面處于起步階段, 基于國(guó)外裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究進(jìn)展, 初步建立了地形動(dòng)力學(xué)裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和水力學(xué)裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo), 但在評(píng)估裂流災(zāi)害造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失方面尚屬空白。

3.2.1 基于地形動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

澳大利亞學(xué)者Wright等[40]提出了無(wú)量綱沉降速率參數(shù)(?)模型, 該模型將海灘狀態(tài)分為三種: 消散型海灘、過(guò)渡型海灘和反射型海灘。Masselink等[41]在Wright提出的模型的基礎(chǔ)上引入了相對(duì)潮差的概念, 建立了更加系統(tǒng)全面的模型, 這個(gè)模型不僅考慮海灘狀態(tài)與波浪要素之間的關(guān)系, 也考慮了波浪與潮差的相互作用。表4為Masselink提出的分類模型。

Masselink模型是國(guó)外目前廣泛使用的基于地形動(dòng)力學(xué)指標(biāo)分析濱海旅游海灘裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的模型, 對(duì)各類海灘是否存在裂流作了較好的劃分。但國(guó)外并沒(méi)有專門用于評(píng)價(jià)裂流危險(xiǎn)程度的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。而且無(wú)量綱沉降速率參數(shù)(?)模型的一個(gè)不足之處在于過(guò)渡型的海灘類型的區(qū)分需要研究人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)進(jìn)行主觀地判斷。由于裂流的形成和發(fā)育與近岸地形有著密切的關(guān)系, 李志強(qiáng)等在無(wú)量綱沉降速率參數(shù)(?)模型和相對(duì)潮差模型的基礎(chǔ)上, 建立了一種裂流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法, 該方法操作簡(jiǎn)便, 能定量區(qū)分裂流出現(xiàn)可能性的特征。

表4 Masselink 分類模型 Tab. 4 Masselink classification model

如圖所示, R類、LTT類、NBD類、UD類海灘, 這些海灘沒(méi)有沙壩發(fā)育, 因此產(chǎn)生裂流現(xiàn)象的可能性很小, 所以這幾類海灘屬于安全性較高的海灘; LTBR類、B類海灘屬于中間狀態(tài)組, 出現(xiàn)裂流的可能性是最高的; BD類、LTTR類海灘出現(xiàn)裂流的風(fēng)險(xiǎn)中等?；谏鲜龇椒? 李志強(qiáng)等[14-16]對(duì)華南海灘裂流、三亞大東海、湛江東海島裂流進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 為海灘浴場(chǎng)的選址和管理提供參考。

圖8 裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[14] Fig. 8 Risk assessment model of rip currents

3.2.2 基于水動(dòng)力指標(biāo)的裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

國(guó)家海洋局發(fā)布的《濱海旅游區(qū)裂流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)排查技術(shù)規(guī)程》(征求意見(jiàn)稿)提出, 水動(dòng)力指標(biāo)也是對(duì)裂流進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)之一。應(yīng)用浪-流耦合模型(SWAN-ROMS、SWAN-ADCIRC、SWAN-POM等)、相位解析、非靜壓等中小尺度的近岸水動(dòng)力數(shù)值模型, 基于濱海旅游地段的實(shí)測(cè)水深地形, 精細(xì)化模擬推衍區(qū)域內(nèi)裂流、波流相互作用等復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律。在至少滿足表5兩項(xiàng)指標(biāo)的前提下, 初步判定得到裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表5 基于水動(dòng)力指標(biāo)的濱海旅游海灘裂流風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表 Tab. 5 Risk level table for coastal tourism beaches based on hydrodynamic indexes

國(guó)內(nèi)在裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面與國(guó)外相比還有欠缺, 不足之處在于國(guó)內(nèi)的裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型局限于裂流本身危害性的評(píng)估, 對(duì)于由裂流引起的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等的評(píng)估還很缺乏。此外, 由于觀測(cè)技術(shù)、觀測(cè)設(shè)備的局限性, 國(guó)內(nèi)缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的資料, 如需要更加精確的裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 還需要大量的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。

4 結(jié)論與展望

我國(guó)擁有近300萬(wàn)平方公里的海域和18 000公里長(zhǎng)的大陸海岸線, 在綿長(zhǎng)的海岸線上遍布著眾多優(yōu)良的沙灘, 吸引著眾多的游客。然而在這些沙灘上, 隨時(shí)會(huì)有出現(xiàn)裂流的可能, 對(duì)游客的人身安全造成很大的潛在威脅。世界上很多國(guó)家都已經(jīng)把預(yù)報(bào)裂流作為日常預(yù)報(bào)的項(xiàng)目之一, 對(duì)裂流展開(kāi)一系列深入而全面的研究很有必要。目前, 我國(guó)對(duì)裂流的研究?jī)H停留在實(shí)驗(yàn)室的物理模型試驗(yàn)方面(如針對(duì)裂流的成因、影響因素等的物理模型試驗(yàn)), 采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬的方法對(duì)裂流進(jìn)行的研究較少。在裂流現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)排查、裂流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)管理等方面的工作都極為缺乏?？傮w上我國(guó)對(duì)于裂流的研究還處于起步階段。

(1) 由于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的缺乏, 今后現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)需要對(duì)新的觀測(cè)設(shè)備和觀測(cè)技術(shù)開(kāi)展研究, 以獲得更為精細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù), 從而對(duì)海灘裂流安全性和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更為精細(xì)的評(píng)價(jià), 對(duì)具體的海灘的評(píng)估也需要大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù);

(2) 目前國(guó)內(nèi)物理模型試驗(yàn)都是定床試驗(yàn), 今后的物模試驗(yàn)可以更多的關(guān)注動(dòng)床試驗(yàn), 探究裂流對(duì)海底泥沙運(yùn)動(dòng)的影響以及裂流與海底地形之間的相互作用。此外, 國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)都是采用正向規(guī)則波入射, 對(duì)于不規(guī)則波、波群及斜向波浪入射作用下的流場(chǎng)特性等探討不多, 這也是值得關(guān)注的一個(gè)方面;

(3) 數(shù)值模擬需要建立高精度的數(shù)學(xué)模型和預(yù)報(bào)裂流的數(shù)學(xué)模型, 以對(duì)裂流進(jìn)行更為精確地預(yù)測(cè)。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)裂流進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是今后研究裂流的發(fā)展趨勢(shì);

(4) 我國(guó)的一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)的部分海灘做了裂流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià), 但由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù), 更加精細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)無(wú)法繼續(xù)。針對(duì)由裂流引起的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等的評(píng)估尚屬空白, 可以借鑒國(guó)外用于評(píng)估裂流災(zāi)害引起的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等模型, 建立一套適用于中國(guó)海域的完整的評(píng)估模型, 對(duì)海灘裂流安全性和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更精細(xì)的評(píng)價(jià)也是今后的發(fā)展趨勢(shì)之一。