崇明島南側(cè)鹽沼潮灘消能狀態(tài)研究

馬燁貝，戴志軍，龐文鴻，馬彬彬，王 杰

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，上海 200062)

近年來受全球氣候變暖、海平面持續(xù)上升[1]以及頻發(fā)風(fēng)暴潮災(zāi)害等影響，沿海地區(qū)約4 000萬人遭遇百年一遇的沿海洪水風(fēng)險將加劇[2]。鹽沼潮灘在防止岸線后退，抵御臺風(fēng)大浪對沿岸地區(qū)造成災(zāi)險具有重要作用。因而，作為沿海地區(qū)天然的消浪緩沖區(qū)，探究波浪沿鹽沼潮灘傳播過程中的衰減規(guī)律，能有效提升對生態(tài)軟工程對海岸帶防護(hù)效果的理解，并為保障沿海城市安全提供應(yīng)對策略。

鹽沼潮灘的消能行為及耗能機(jī)制一直受到不少學(xué)者關(guān)注[3-6]。當(dāng)前相關(guān)成果大都采用實地觀測、物理模型及數(shù)值模型等研究鹽沼潮灘和波浪的耦合過程，其中實地觀測和物理模型研究開始相對較早[7-9]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模型的方法也被越來越多的學(xué)者使用[10-12]。有關(guān)鹽沼植被對波浪的能損工作，野外實測分析由于受儀器限制，在極端天氣條件下儀器易受干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法捕捉[13]，而室內(nèi)水槽則會受到場地以及水槽模型尺寸限制[14]，因而基于實測以及室內(nèi)試驗的消浪觀測大多建立在小波浪或中等波浪條件下進(jìn)行，即室內(nèi)試驗或野外獲得的資料中水深小于1 m且波高在10 cm到30 cm之間[15-16]，并由此對極端波高狀態(tài)如風(fēng)暴潮等情況下的鹽沼潮灘植被消能狀態(tài)進(jìn)行估算。譬如，Augustin等[17]在水槽邊界設(shè)置8.5 cm的波浪作為邊界入射波分析小波浪情況下沿岸傳播的衰減率，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)一步推算在極端條件下的衰減情況，結(jié)果顯示波浪衰減趨勢在所有的案例中均一致，風(fēng)暴潮可能會帶來更強(qiáng)的衰減。Jadhav等[18]對美國路易斯安那州墨西哥灣海岸進(jìn)行實測觀察，利用能譜參數(shù)化研究時段內(nèi)小波浪(平均入射波高0.24 m)衰減情況，同時確定了風(fēng)暴期間波浪能量頻譜變化。

此外，Phuoc等[19]以及Mei等[20]也對小波浪情況進(jìn)行分析，總結(jié)了波浪沿岸傳播的衰減規(guī)律，此類小波浪研究均強(qiáng)調(diào)鹽沼植被的海岸防御功能，且為進(jìn)一步研究極端條件的波浪能耗機(jī)制提供了實際參考。然而不同區(qū)域地形、植被條件等均存在差異，研究得到的鹽沼潮灘消浪效應(yīng)并不一致，故亟需開展對特定區(qū)域鹽沼潮灘的消浪研究工作，尤其對于長江口崇明生態(tài)島，其環(huán)島潮灘因所處位置不同而具有較大的消浪差異，在進(jìn)行環(huán)島綠色海堤構(gòu)建時需要考慮波浪自海向陸傳播的鹽沼消浪過程，而大潮期間波浪能量變化沿程定量化可為極端狀態(tài)下波浪的能耗研究提供理論基礎(chǔ)。

崇明島正處于生態(tài)建設(shè)的起步階段，已經(jīng)開發(fā)的岸線主要分布在南岸鴿龍港至堡鎮(zhèn)岸段，南側(cè)沿岸正在建設(shè)綠色海堤大道，但沿岸防護(hù)措施尚不完善，潮灘濕地可能出現(xiàn)侵蝕易導(dǎo)致堤腳失穩(wěn)。根據(jù)《崇明三島總體規(guī)劃(2010—2020年)》至2020年崇明南部城鎮(zhèn)帶將容納非農(nóng)業(yè)人口50萬，其余則零星分布于中部、北部，崇明南部地區(qū)是人口活動的主要區(qū)域，南部新橋水道與北港為崇明主要通航河槽。考慮到近年來水道有向北移動的趨勢[21]，新橋水道及北港和崇明南部之間分布的鹽沼潮灘又相對狹窄，即崇明東南側(cè)鹽沼潮灘的特性，很可能影響其消浪效果，進(jìn)而直接關(guān)聯(lián)到綠色海堤建設(shè)及南部地區(qū)的人口生命安全。故選取位于長江入海口的上海崇明島東南側(cè)鹽沼潮灘，通過分析波浪沿鹽沼潮灘的向岸傳播及衰減特征，為推算臺風(fēng)及風(fēng)暴潮引起的波浪沿鹽沼傳遞能耗提供依據(jù)，并為南側(cè)岸線開發(fā)與綠色海堤建設(shè)提供科技支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

崇明島位于長江入?？?，是目前世界上最大的河口沖積島，東西方向約長80 km，南北方約寬13～18 km (圖1(a))。周圍水域潮汐類型以非正規(guī)半日潮為主，口內(nèi)潮流為旋轉(zhuǎn)流，口外為往復(fù)流。崇明島環(huán)島波浪以風(fēng)浪居多，春夏兩季以SSE和SE風(fēng)浪為主，秋冬兩季以NNE和NE風(fēng)浪為主。研究區(qū)鹽沼潮灘地處崇明島東南側(cè)，屬長江北港沿岸，上部主要為蘆葦生長區(qū)，長度達(dá)百米，下部為淤泥質(zhì)光灘 (圖1(b),(d))。

1.2 觀測方法

在選定區(qū)域內(nèi)，沿斷面在不同潮間帶設(shè)置代表性樣點(diǎn)(圖1(c))，各觀測點(diǎn)均布設(shè)一個浪潮儀用以收集水深及波浪參數(shù)等。所用浪潮儀型號為TWR2050，量程為10 m，誤差范圍在±0.005%(約5 mm)，分辨率小于0.001%(約0.1 mm)，儀器采樣頻率為8 Hz，設(shè)置為每20 min內(nèi)工作時長512 s (約8 min)，即每20 min采集4 096個數(shù)據(jù)。觀測時間從2018年6月18日持續(xù)至2018年6月20日，期間為農(nóng)歷大潮。儀器固定在一根鋁型材上，傳感器壓力探頭距離灘面約10 cm (圖1(c))。2個觀測點(diǎn)由海側(cè)向大堤方向布設(shè)，分別位于無植被覆蓋的低潮灘區(qū)(C點(diǎn)：31°30′47.88″N，121°40′12.00″E)，有蘆葦分布的中潮灘植被前部區(qū)(B點(diǎn)：31°30′46.04″N，121°40′11.67″E)，高潮灘蘆葦分布區(qū)(A點(diǎn)：31°30′42.32″N，121°40′10.81″E)。觀測點(diǎn)自海向陸，點(diǎn)C與點(diǎn)B間直線距離約為120 m，垂向高程差為2.1 m，點(diǎn)B與點(diǎn)A間直線距離約為60 m，垂向高程差為0.4 m。

圖1 研究區(qū)域和儀器設(shè)置位置Fig. 1 Research area and instrument settings

1.3 波能衰減模型

波浪傳播過程伴隨著波能的傳播，動能和勢能是波浪能量的兩大組成部分。勢能是由于水質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置產(chǎn)生的，動能由水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動產(chǎn)生，單個波長范圍內(nèi)單寬波峰線長的平均總波能可由式(1)計算得到[22]。

(1)

其中，E為波能，EK為波浪動能，EP為波能勢能，ρ為海水密度，g為重力加速度，H為波高。

采用Battjes[23]提出的波能衰減模型來計算波浪沿鹽沼潮灘橫斷面?zhèn)鞑サ乃p率。波浪在潮灘上呈非線性衰減[7,24-25]，該波能衰減模型將波浪傳播過程中發(fā)生的折射、耗散、破碎等因素考慮在內(nèi)，由此計算波能衰減量。其中波浪在傳播方向上單位距離的衰減比率[13]可表示為：

(2)

其中，r為波浪衰減率，m-1；H為靠海側(cè)站點(diǎn)的波高；ΔH是兩個站點(diǎn)間波高差值；Δx為兩點(diǎn)間距離。

1.4 阻力系數(shù)計算

阻力系數(shù)表征了流體因相對運(yùn)動產(chǎn)生的切應(yīng)力的無量綱量，其大小反映流體所受阻力的大小。Mazda等[26]在Bretschneider[27]提出淺水無植被區(qū)域波浪衰減底部摩擦公式基礎(chǔ)上得出可應(yīng)用于整個近岸水深區(qū)域的阻力系數(shù)，利用該公式估算研究區(qū)域內(nèi)的阻力系數(shù)。在淺水區(qū)由底部摩擦引起的衰減可由式(3)得到：

(3)

其中，H1和H2分別是離岸觀測點(diǎn)和靠岸觀測點(diǎn)的波高，Δx是兩個觀測點(diǎn)之間的距離。h是兩個觀測點(diǎn)之間的平均水深，T是波浪周期，L是波長，g是重力加速度，Ks是淺水系數(shù)，CD是由于底部剪切力τ產(chǎn)生的阻力系數(shù)，CD與τ的關(guān)系可定義為：

(4)

其中，ρ是海水的密度，u是波浪傳播方向的水流流速。

對于淺水區(qū)域波浪的傳播，式(3)可近似為：

(5)

由式(5)可推導(dǎo)出阻力系數(shù)CD：

(6)

2 結(jié) 果

2.1 鹽沼潮灘基本水動力變化特征

沿斷面波浪有效波高范圍在0.02～0.13 m，最大波高范圍在0.03～0.26 m，波能范圍在0.22～11.24 J/m2(表1)，位于高潮灘的A點(diǎn)平均水深、有效波高、最大波高以及波能均最低，分別為0.09 m，0.03 m，0.05 m，0.79 J/m2，相對位于低潮灘的C點(diǎn)平均水深、有效波高、最大波高以及波能均最高，分別為1.43 m，0.07 m，0.12 m，3.38 J/m2。3個站點(diǎn)的波高變化與水深變化趨勢一致(圖2)，水深較大處，有效波高相對較高。相同時間段內(nèi)，位于低潮帶光灘處的C點(diǎn)波浪波高(有效波高、最大波高)以及波能大于位于蘆葦區(qū)域的B點(diǎn)和A點(diǎn)。對比同樣有蘆葦生長的A、B兩點(diǎn)，位于蘆葦帶前部的B點(diǎn)波浪強(qiáng)度大于位于蘆葦帶的A點(diǎn)?？傮w而言，3點(diǎn)的水動力強(qiáng)弱明顯不同，自海向陸呈減弱趨勢。

表1 各觀測點(diǎn)水深、波高、波能參數(shù)統(tǒng)計Tab. 1 Statistics of water depth,wave height and wave parameters at each observation point

圖2 各觀測點(diǎn)有效波高、最大波高、水深時間分布序列Fig. 2 Time distribution series of effective wave height,maximum wave height,water depth at each observation point

2.2 波能沿鹽沼潮灘的衰減特性

沿斷面波浪由低潮灘C點(diǎn)經(jīng)光灘、蘆葦?shù)葏^(qū)域傳播至高潮灘A點(diǎn)，波浪的波高、波能出現(xiàn)明顯下降。對比波浪經(jīng)不同區(qū)域的衰減情況(圖3)，C點(diǎn)(光灘)到達(dá)B點(diǎn)(中潮灘蘆葦前部)，有效波高降低范圍在16.97%±7.55%，平均降低13.25%，最大波高降低范圍在20.78%±13.53%，平均降低23.19%。而經(jīng)B點(diǎn)(中潮灘蘆葦前部)傳至A點(diǎn)(高潮灘蘆葦區(qū))，波浪有效波高平均降低范圍在49.00%±10.18%，平均降低46.78%，為C-B(光灘—蘆葦前部)區(qū)域的2.9倍，最大波高平均降低范圍在49.96%±13.53%，平均降低60.69%，為C-B(光灘—蘆葦前部)區(qū)域的2.4倍。同時，波能在B-A及C-B區(qū)域的衰減情況與波高變化趨勢一致，波能在B-A區(qū)域(蘆葦叢生帶)平均下降71.05%，為C-B區(qū)域(光灘—蘆葦前部)的3.7倍，蘆葦帶對波能的衰減率亦高于光灘區(qū)域。但蘆葦帶對波能的衰減較波高更為明顯，波能降低百分比最高可達(dá)90%。C點(diǎn)與B點(diǎn)直線距離約120 m(光灘約占2/3)，B點(diǎn)與A點(diǎn)直線距離約60 m，B-A區(qū)域長度僅有C-B區(qū)域的1/2，而波高以及波能的降低百分比卻為C-B區(qū)域的2～4倍，可見蘆葦叢生帶相比光灘區(qū)域?qū)Σɡ怂p作用更為顯著。

2.3 鹽沼潮灘消浪寬度

此前研究表明，在天文潮作用下蘆葦帶在崇明東灘區(qū)域?qū)⒔恫ǜ咭约安芎纳⒅帘M一般約需60 m的植被覆蓋長度[28]，而文中研究區(qū)內(nèi)60 m蘆葦帶內(nèi)波浪有效波高耗散49%，這意味著影響波浪向岸傳播的耗散因素極其復(fù)雜，不同區(qū)域完全消浪的最低蘆葦帶寬度因當(dāng)?shù)丨h(huán)境而有所差異，并不能沿襲前人類似研究成果?；诖?，以研究時段內(nèi)波浪變化特征為參考，依據(jù)每百米蘆葦覆蓋區(qū)波浪的波高平均降低率為81.7%，現(xiàn)有狀態(tài)下波浪從A點(diǎn)繼續(xù)向岸傳播60 m后波高幾近衰減為0。簡而言之，研究區(qū)域斷面所在區(qū)域內(nèi)波浪由C點(diǎn)傳入，衰減至0將共經(jīng)歷約240 m的鹽沼潮灘。

實際上，若假定研究區(qū)域內(nèi)120 m的裸灘均為植被覆蓋而地形、入射波高、水位等保持不變，則波浪全部耗散所需蘆葦帶平均寬度約為148 m。然而處于目前裸灘與鹽沼組合狀態(tài)下的波能全部耗散時，潮灘寬度需為240 m。這意味著裸灘進(jìn)行生態(tài)修復(fù)后，可騰出寬度為92 m的鹽沼空間留作他用?；诖?，在南岸進(jìn)行生態(tài)海堤建設(shè)的同時應(yīng)充分考慮鹽沼潮灘的生態(tài)防護(hù)作用，合理規(guī)劃潮灘植被在鹽沼潮灘的覆蓋度，充分發(fā)揮鹽沼植被的消浪作用。

3 討 論

3.1 水深對波浪衰減的影響

不同水深條件對應(yīng)的波浪衰減效應(yīng)有所不同[29-30]，近岸潮灘水深對波浪衰減程度的影響與植被在水中的高度密切相關(guān)。前人研究表明，植被高度高于水深即植被未被潮水完全淹沒時，水深增加會導(dǎo)致波浪的衰減效應(yīng)降低[31]。研究區(qū)域蘆葦較為高大，大潮漲潮時蘆葦亦不被完全淹沒，由波浪衰減率與局地水深的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)(圖4)，波浪衰減率和水深呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨水深減小，波浪衰減率隨之增大。波浪自C點(diǎn)向B點(diǎn)傳播過程中，隨漲落潮水位的變化，B-C區(qū)域內(nèi)平均水深相對增加1 m，單位距離波浪的衰減率下降3×10-3(R=0.67,p<0.01)。C點(diǎn)到B點(diǎn)大部分區(qū)域為無植被覆蓋區(qū)域，水深的增加能減少波浪觸底破碎形變的能量消耗，從而降低波能的衰減率。繼續(xù)向前傳播，進(jìn)入蘆葦完全覆蓋區(qū)(B-A區(qū)域)，B-A區(qū)域內(nèi)平均水深相對增加1 m，單位距離波浪的衰減率下降9.3×10-3(R=0.77，p<0.01)，水深增大會減弱植被與水流之間的相互作用，導(dǎo)致波浪的衰減率逐步降低。因而，隨著水深增大，地形、蘆葦植被對波浪破碎的影響逐漸減弱，導(dǎo)致波能衰減效應(yīng)隨著水深增加而減少，與前人研究基本一致[13]。由于水深改變對植被覆蓋區(qū)阻力系數(shù)也會產(chǎn)生影響，因此將進(jìn)一步討論阻力系數(shù)對波浪衰減率的作用。

圖4 水深與波浪衰減率關(guān)系Fig. 4 The relations between water depth and wave attenuation rate

3.2 入射波高強(qiáng)弱對波浪衰減的影響

當(dāng)初始水深一致時，自海橫向向陸進(jìn)入灘涂的初始波浪高度的增減會影響灘涂衰減波浪的效率[32]。當(dāng)波浪向岸傳播過程中，因地形坡度與相對水深的變化，相對波高較大的波浪首先發(fā)生觸底破碎，波浪破碎會耗散較多的能量，且波浪表明形成一個強(qiáng)紊動水體，向前傳遞過程中波能不斷耗散[33]。當(dāng)波浪傳入有植被生長的水域時亦會與植被產(chǎn)生相互作用，入射波高的增加使得波浪與植被的接觸面積增加，增強(qiáng)水體的湍流作用，導(dǎo)致波能衰減加快。

不同入射波高的波浪衰減效應(yīng)在水槽試驗[34]以及數(shù)值模型[6]中趨勢相同，即波浪衰減率隨入射波高增強(qiáng)而增大。由研究區(qū)域入射波高導(dǎo)致的波浪衰減率的變化表明(圖5)，無論是從C點(diǎn)到B點(diǎn)區(qū)域亦或是從B點(diǎn)到A點(diǎn)區(qū)域，兩者表現(xiàn)為正相關(guān)且相關(guān)程度較高，都通過顯著性檢驗，這就意味著區(qū)域內(nèi)的入射波高增強(qiáng)會導(dǎo)致波浪衰減效應(yīng)加大。此外，大于10 cm的波浪經(jīng)過光灘C點(diǎn)到蘆葦前部B點(diǎn)衰減率在2×10-3～3×10-3m-1之間，而蘆葦覆蓋區(qū)域B-A區(qū)域衰減率在8×10-3～12×10-3m-1之間，可見蘆葦覆蓋區(qū)域波浪與植被的相互作用更強(qiáng)，隨入射波高的加強(qiáng)對沿程的波浪衰減效應(yīng)影響更大。

圖5 入射波高與波浪衰減率關(guān)系Fig. 5 The relations between incident wave height and wave attenuation rate

3.3 植被阻力對波浪衰減的影響

在波浪沿岸向岸傳播過程中，阻力對波浪傳播的影響一直存在，灘涂濕地大部分為淺水區(qū)域，波浪進(jìn)入發(fā)生觸底，能量開始損耗。由灘底對波浪水流的摩阻力引起的能量耗散即摩阻損失，在淺水區(qū)摩阻力對波浪衰減的效果較為顯著。同時，Morison方程指出在水流經(jīng)過植被地區(qū)時，波浪的能量消耗主要是由植被產(chǎn)生的阻力所致[35]。由公式(6)計算得到水域的阻力系數(shù)CD，擬合得到水深與阻力系數(shù)間的線性關(guān)系(圖6)，水深較深處對應(yīng)的阻力較小，水深對阻力系數(shù)的影響極為顯著。

圖6 水深與阻力系數(shù)關(guān)系Fig. 6 The relations between water depth and drag coefficient

C-B區(qū)域阻力系數(shù)平均值為0.96，B-A區(qū)域平均值為2.02，為C-B區(qū)域的2.1倍。結(jié)合斷面的植被覆蓋情況，C-B區(qū)域的2/3(約90 m)為無植被覆蓋的光灘，剩余1/3(約30 m)為蘆葦覆蓋區(qū)域，其中泥灘阻力系數(shù)約為0.005[36]，遠(yuǎn)小于植被區(qū)域的阻力系數(shù)[26,37]，而B-A地區(qū)(約60 m)位于蘆葦帶內(nèi)，由植被產(chǎn)生的阻力系數(shù)明顯高于C-B區(qū)域，阻力系數(shù)增大會加強(qiáng)對波浪的耗散作用，有效降低波浪的波高，故平均阻力系數(shù)較大的B-A區(qū)域?qū)Σɡ瞬ǜ咭约安艿乃p作用更為明顯。由此可見，植被覆蓋區(qū)域?qū)Σɡ俗璧K作用更加明顯，經(jīng)植被區(qū)域后，波能將出現(xiàn)大幅度降低。因而，合理的增加植被區(qū)域在灘涂中的覆蓋率能增強(qiáng)鹽沼潮灘的消浪作用。

4 結(jié) 語

灘涂濕地能起到衰減波浪的作用，為探究其消浪規(guī)律，以崇明島東南側(cè)沿岸灘涂濕地為研究對象，定量分析波浪在灘涂濕地傳播過程中的衰減情況，重點(diǎn)討論水深、入射波高、阻力系數(shù)等因素對波浪衰減的影響，主要結(jié)果表明：

1) 波浪經(jīng)光灘、蘆葦?shù)葏^(qū)域后波高、波能顯著下降，經(jīng)光灘C點(diǎn)至蘆葦前部B點(diǎn)，有效波高平均下降13.25%，波能平均下降19.35%；經(jīng)蘆葦前部B點(diǎn)至蘆葦內(nèi)部A點(diǎn)有效波高平均下降46.78%，波能平均下降71.05%；

2) 水深、入射波高會影響波浪的衰減效率，且水深對波浪衰減的影響與植被高度存在一定關(guān)聯(lián)，在植被未被淹沒時，波浪衰減率隨水深增加而降低，隨入射波高增加而升高；

3) 阻力系數(shù)是影響波浪衰減的重要因素，因阻力系數(shù)在不同區(qū)域具體差異明顯，導(dǎo)致光灘區(qū)域?qū)Σɡ说乃p作用遠(yuǎn)小于蘆葦區(qū)域的衰減，植被的存在使得鹽沼潮灘的消浪能力得到顯著提升。

此外，灘涂濕地在常規(guī)天氣狀態(tài)下以及極端天氣狀態(tài)下均能起到衰減波浪能量，保護(hù)沿岸堤防的作用。但是不同情境下灘涂對于波浪的耗散作用存在較大差異，亟需加強(qiáng)長時間尺度野外波浪與鹽沼地貌耦合作用的監(jiān)測工作。隨著海平面上升及全球變暖引起的風(fēng)暴潮加劇，不同區(qū)域的鹽沼消浪及波浪向岸傳播的損耗機(jī)制需要深入研究。