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热带海洋学报 >

2023 , Vol. 42 >Issue 6: 42 - 51

DOI: https://doi.org/10.11978/2023005

海洋水文学

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

  • 李俊杰 , 1 ,
  • 屈科 , 1, 2, 3 ,
  • 王旭 1
展开
  • 1.长沙理工大学水利与环境工程学院, 湖南 长沙 410114
  • 2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114
  • 3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114
屈科(1985—), 男, 副教授, 博士, 主要从事计算水动力学及环境流体力学方面研究。email:

李俊杰(1997—), 男, 湖南省衡阳市人, 硕士研究生, 主要从事珊瑚礁水动力特性方面研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2023-03-23

  修回日期: 2023-04-28

  网络出版日期: 2023-03-13

基金资助

国家重点研发计划课题(2022YFC3103601)

国家自然科学基金重点项目(51839002)

湖南省自然科学基金项目(2021JJ20043)

收起

Three-dimensional numerical simulation of the influence of excavation pit on the hydrodynamic characteristics of solitary wave on fringing reef

  • LI Junjie , 1 ,
  • QU Ke , 1, 2, 3 ,
  • WANG Xu 1
Expand
  • 1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China
  • 2. Key Laboratory of Dongting Lake Aquatic Eco-Environmental Control and Restoration of Hunan Province, Changsha 410114, China
  • 3. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China
QU Ke. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2023-03-23

  Revised date: 2023-04-28

  Online published: 2023-03-13

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2022YFC3103601)

National Natural Science Foundation of China(51839002)

Natural Science Foundation of Hunan Province, China(2021JJ20043)

Fold

摘要

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。

关键词： 采掘坑; 孤立波; 岸礁; 水动力特性; 非静压模型

本文引用格式

李俊杰 , 屈科 , 王旭 . 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[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(6) : 42 -51 . DOI: 10.11978/2023005

Abstract

Based on a non-hydrostatic wave model, a series of three-dimensional high-precision numerical calculations were carried out, and the influence mechanism of artificial excavation pit on the hydrodynamic characteristics of solitary wave over fringing reef was analyzed in depth by comprehensively considering the influence of incident wave height, water depth, the width and location of the excavation pit. The calculation results show that the artificial excavation pit has a certain blocking effect on the propagation of solitary waves on the fringing reef, resulting in a significant increase in the local wave height near the excavation pit, and also causing the wave height near the shoreline to decrease. The maximum rate of increase in local wave height is affected by the incident wave height, submergence water depths of the reef, and the width and location of the excavation pit. The greater the incident wave height, the greater the maximum rate of increase in local wave height, the greater the submergence water depths of the reef, the smaller maximum rate of increase in local wave height, the larger the width of the excavation pit, and the greater the maximum rate of increase in local wave height. In addition, the presence of the excavation pit reduces the maximum wave runup height, but changes in the width and position of the excavation pit have a limited effect on maximum wave runup height.

Key words： excavation pit; solitary wave; fringing reef; hydrodynamic characteristics; non-hydrostatic wave model

海啸是由火山爆发、地震、山体滑坡和风暴等因素引起(Synolakis et al, 2006), 会对沿海地区和低海拔岛屿国家造成大规模的破坏。随着全球气候持续变暖和海平面不断上升, 一些沿海地区和低海拔岛屿国家遭受海啸等极端灾害的风险不断上升。近些年来, 海啸灾害频发, 发生在2004年12月26日的印度洋海啸, 估计最终造成了23万人死亡(Qu et al, 2017)。经研究发现, 珊瑚礁可以对海啸起到缓冲作用, 能降低海啸对海岸的破坏, 从而起到保护海岸的作用(Young, 1989; McAdoo et al, 2011)。典型珊瑚礁由陡峭的礁前斜坡和平坦的浅水礁坪组成(Gourlay, 1996; Yao et al, 2020a), 当波浪在珊瑚礁上传播时会发生波浪破碎和转换, 波浪的大部分能量会不断被耗散(Lugo-Fernández et al, 1994; Hardy et al, 1996; Gelfenbaum et al, 2011)。近些年来, 有部分学者认为虽然孤立波可以模拟海啸波的部分特征, 但仍然不能准确代表海啸波, 两者在周期、波长和能量方面有着很大差异(Chan et al, 2012; Qu et al, 2019), 不过目前通常采用孤立波来模拟海啸波(Yao et al, 2019)。近十几年来, 一些岛屿国家修建基础设施和建筑物需要大量原料, 因此开采珊瑚礁来作为建筑骨料, 这些开采活动会在礁坪上形成人工采掘坑, 从而影响波浪在珊瑚礁上传播的水动力过程, 影响珊瑚礁对海岸的保护作用。因此研究采掘坑对孤立波在岸礁上水动力特性的影响, 可以为海岸防护和灾害评估提供一定的参考。
目前, 国内外学者研究采掘坑对波浪在岸礁上水动力特性比较少(Klaver, 2018; Klaver et al, 2019)。Ford等(2013)对位于马绍尔群岛Majuro环礁上的带采掘坑礁坪进行了现场观测, 认为采掘坑的存在会使珊瑚礁岸线附近波高减少约8%, 这是由于短波(sea and swell)波高稍有下降, 而低频长波(infragravity)大量减少。Yao等(2016)采用一维Boussinesq方程进行数值模拟, 研究了人工采掘坑对波浪转换的影响, 发现采掘坑会减少低频长波波高, 增加短波波高。Yao等(2020b)在波浪水槽中进行了一系列的物理模型实验, 研究采掘坑宽度变化对短波和低频长波波高的影响, 发现采掘坑宽度的增加会导致岸线附近低频长波波高的减少, 对岸线附近的短波波高影响不大。
本文基于非静压模型对孤立波在含有人工采掘坑岸礁上传播进行三维数值模拟, 研究采掘坑对沿礁最大波高、岸线附近波高以及波浪爬高的影响, 重点考虑的因素有入射波高、礁坪水深、采掘坑的宽度和采掘坑的位置。

1 控制方程

非静压模型NHWAVE的控制方程是在σ坐标系下的连续性方程和动量方程, 其表达式为
$\frac{\partial D}{\partial t}+\frac{\partial Du}{\partial x}+\frac{\partial Dv}{\partial y}+\frac{\partial \omega }{\partial \sigma }\text{=0}$
$\frac{\partial \mathbf{U}}{\partial t}\text{+}\frac{\partial \mathbf{F}}{\partial x}\text{+}\frac{\partial \mathbf{G}}{\partial y}\text{+}\frac{\partial \mathbf{H}}{\partial \sigma }\text{=}{{S}_{h}}\text{+}{{S}_{p}}\text{+}{{S}_{\tau }}\text{+}{{S}_{c}}$
式中D是水深, 单位m; t为时间, 单位s; x、y、σ为笛卡尔坐标系的三个方向; 通量函数$\mathbf{U}\text{=(}Du\text{, }Dv\text{, }Dw\text{)}$, $\mathbf{F}\text{=(}Duu\text{+}\frac{\text{1}}{\text{2}}g{{\eta }^{\text{2}}}\text{+}gh\eta \text{, }Duv\text{, }Duw\text{)}$, $\mathbf{G}\text{=(}Duv\text{, }Dvv\text{+}\frac{\text{1}}{\text{2}}$$g{{\eta }^{\text{2}}}\text{+}gh\eta \text{, }Dvw\text{)}$, $\mathbf{H}\text{=(}u\omega \text{, }v\omega \text{, }w\omega \text{)}$; u、v、w是x、y、z三个方向上的速度分量; $\omega $是$\sigma $坐标方向上的速度; h是静止水深; $\eta $是水面高; $\rho $是水的密度; p是动压; g是重力加速度; ${{S}_{h}}$ 为静压项; ${{S}_{p}}$为动压项; ${{S}_{\tau }}$为湍流扩散项, 各源项表达式分别为
${{S}_{h}}=\left( \begin{matrix} gD\frac{\partial h}{\partial x} \\ gD\frac{\partial h}{\partial y} \\ 0 \\\end{matrix} \right), {{S}_{p}}=\left( \begin{matrix} -\frac{D}{\rho }\left( \frac{\partial p}{\partial x}+\frac{\partial p}{\partial \sigma }\frac{\partial \sigma }{\partial x} \right) \\ -\frac{D}{\rho }\left( \frac{\partial p}{\partial y}\frac{\partial p}{\partial \sigma }\frac{\partial \sigma }{\partial y} \right) \\ -\frac{1}{\rho }\frac{\partial p}{\partial \sigma } \\\end{matrix} \right), {{S}_{\tau }}=\left( \begin{matrix} D{{S}_{{{\tau }_{x}}}} \\ D{{S}_{{{\tau }_{y}}}} \\ D{{S}_{{{\tau }_{z}}}} \\\end{matrix} \right), {{S}_{c}}=D{{F}_{c}}=\frac{1}{2}{{C}_{d}}\left| u \right|u$
湍流模型采用的是标准的k-$\varepsilon $模型, 其控制方程为
$\frac{\partial Dk}{\partial t}+\nabla \cdot \left( Duk \right)=\nabla \cdot \left[ D\left( \nu +\frac{{{v}_{t}}}{{{\sigma }_{k}}} \right)\nabla k \right]+D\left( {{P}_{s}}-\varepsilon \right)$
$\frac{~\partial D\varepsilon }{\partial t}+\nabla \cdot \left( Du\varepsilon \right)=\nabla \cdot \left[ D\left( \nu +\frac{{{v}_{t}}}{{{\sigma }_{\varepsilon }}} \right)\nabla \varepsilon \right]+\frac{\varepsilon }{k}D\left( {{C}_{1\varepsilon }}{{P}_{s}}-{{C}_{2\varepsilon }}\varepsilon \right)$
式中${{\sigma }_{k}}$、${{\sigma }_{\varepsilon }}$、${{C}_{1\varepsilon }}$、${{C}_{2\varepsilon }}$是经验系数, 取值分别为${{\sigma }_{k}}$=1.0, ${{\sigma }_{\varepsilon }}$=1.3, ${{C}_{1\varepsilon }}$=1.44, ${{C}_{2\varepsilon }}$=1.92; ${{v}_{t}}$为湍流运动黏度, ${{v}_{t}}={{C}_{\mu }}\frac{{{k}^{2}}}{\varepsilon }$, ${{C}_{\mu }}$为经验系数，取值为0.09; $k$是湍流动能, $k=\frac{1}{2}\overline{U'U'}$; $\varepsilon $ 是湍流耗散率, $\varepsilon =\frac{C_{\mu }^{\text{0}\text{.75}}{{k}^{1.5}}}{l}$; ${{P}_{s}}$为剪切力。
关于非静压模型的更多描述可参考文献(Ma et al, 2014)。

2 模型验证

为了验证非静压模型计算孤立波在岸礁传播水动力过程的可靠性, 将数值计算结果与实验数据进行对比, 实验数据来源于Liu等(2019)在波浪水槽进行的物理模型实验, 其实验设置如图1所示, 礁前斜坡坡度为1:3, 礁后斜坡坡度为1:11.9, 礁坪长度为4.93m, 实验采用7个浪高仪(wg1—wg7)记录波浪沿礁传播变形过程, 其中wg1布置在礁前斜坡外海侧; wg1—wg3等距布置在礁前斜坡上; wg5、wg6布置在礁坪上; wg7布置在礁后斜坡上记录波浪爬高的过程。数值水槽计算域采用与物理实验相同的设置, 并且计算了礁坪水深为0.03m, 远海水深为0.413m时, 入射波高为0.05m的工况。对比不同测点处波高随时间变化曲线和波浪爬高随时间变化的曲线, 来验证数值模型的可靠性, 验证结果如图2、3所示, 从图中结果可以看出数值计算结果与实验数据吻合较好。
图1 岸礁计算区域布置图

Fig. 1 Computational setup for fringing reef

图2 不同测点水面高程的时间序列(H=0.05m)

Fig. 2 Time series of water elevation at different wave gauges (H=0.05m)

图3 波浪爬高(Rup)的时间序列(H=0.05m)

Fig. 3 Time series of the wave runup height (H=0.05m)

3 工况设计

研究采掘坑对孤立波在岸礁上水动力特性的影响, 其数值计算区域如图4所示。根据马绍尔群岛的Majuro环礁礁坪上采掘坑的长宽比约为5:1, 数值计算域中的采掘坑宽度Wp=0.8m, 因此设置采掘坑长度Lp=4m。图4中, 礁坪长度Lr=5m, 礁前斜坡(tanα)为1:3, 礁后斜坡(tanβ)为1:12, 礁坪水深为hr, 采掘坑的深度Hp为0.2m, 采掘坑底部边缘至顶部边缘的水平距离dw为0.16m。数值计算域网格大小为${{d}_{x}}$=0.04m, ${{d}_{y}}$=0.04m, 水深方向(z方向)共划分20层网格。工况设置主要考虑的因素有入射波高比H/h(分别取0.1、0.15、0.2、0.25、0.3)、礁坪水深hr、采掘坑的宽度Wp、采掘坑的位置Xp(采掘坑的位置为采掘坑中心距礁缘的距离), 具体的工况设置见表1。
图4 带采掘坑岸礁计算区域布置

Fig. 4 Computational layout for fringing reef with an excavation pit

表1 数值模拟工况表

Tab. 1 Parameter setup of numerical simulation

工况 入射波高/m 礁坪水深/m 采掘坑宽度/m 采掘坑位置/m
A1 0.0423 0.04 0 0
A2 0.06345 0.04 0 0
A3 0.0846 0.04 0 0
A4 0.10575 0.04 0 0
A5 0.1269 0.04 0 0
B1 0.0423 0.04 0.8 2.5
B2 0.06345 0.04 0.8 2.5
B3 0.0846 0.04 0.8 2.5
B4 0.10575 0.04 0.8 2.5
B5 0.1269 0.04 0.8 2.5
C1 0.0846 0 0 0
C2 0.0846 0.02 0 0
C3 0.0846 0.06 0 0
C4 0.0846 0.08 0 0
C5 0.0846 0.1 0 0
D1 0.0846 0 0.8 2.5
D2 0.0846 0.02 0.8 2.5
D3 0.0846 0.06 0.8 2.5
D4 0.0846 0.08 0.8 2.5
D5 0.0846 0.1 0.8 2.5
E1 0.0846 0.04 0.4 2.5
E2 0.0846 0.04 0.6 2.5
E3 0.0846 0.04 1.0 2.5
E4 0.0846 0.04 1.2 2.5
F1 0.0846 0.04 0.8 0.4
F2 0.0846 0.04 0.8 1.45
F3 0.0846 0.04 0.8 3.55
F4 0.0846 0.04 0.8 4.6

4 结果与分析

4.1 水动力特性

本节分析孤立波在含有人工采掘坑岸礁上水动力特性。对于无采掘坑的岸礁采用A3工况, 有采掘坑的岸礁采用B3工况。图5展示了孤立波在岸礁上传播不同时刻的速度云图。从图中可知, 在孤立波传播到礁缘附近(t=8.2s), 由于浅化作用, 波高增大, 随后波浪发生破碎(t=9.4s)。当孤立波传播至采掘坑位置时(t=11s, 12.6s), 与采掘坑内的低速水体发生质量和动量交换, 此时采掘坑内会产生复杂的涡流。由于采掘坑处底部高程的突然变化, 在一定程度上增加了底部摩擦, 并且波浪会与坑内的水体发生复杂的相互作用, 此时采掘坑会对波浪在礁坪上的传播起到阻滞作用, 导致礁坪上采掘坑位置附近局部波高的增大。图6展示了计算区域中心线上几个重要测点的自由液面随时间变化曲线。在波浪未传播至采掘坑之前(wg2、wg6、wg7、wg8和wg14)波形曲线没有受到影响, 而在波浪传播至采掘坑位置, 波形曲线受到了采掘坑的影响, 采掘坑附近处的测点(wg20、wg22、wg24)的自由液面相比无采掘坑情况升高, 这是由于采掘坑导致的局部波高增大。图7展示了无量纲化最大波高Hi/H(Hi为沿礁各测点处的最大波高, H为入射波高)的空间分布。从图中可知, 采掘坑前各测点最大波高没有受到采掘坑的影响, 有无采掘坑情况下最大波高都相同。而当孤立波传播到采掘坑位置时, 采掘坑开始对波浪的传播变形产生影响, 改变最大波高, 并且采掘坑位置附近最大波高会增大, 最大增幅达到32.08%。从图8可以看到计算区域中心线上波浪爬高随时间变化过程。由于采掘坑的存在, 波浪传播至采掘坑附近时会与采掘坑内的水体发生强烈的相互作用, 产生复杂的涡流, 耗散部分能量, 导致有采掘坑时最大波浪爬高会低于无采掘坑时的最大波浪爬高, 大约低22.86%。图9展示了在有采掘坑情况下计算区域不同纵向位置上的波浪爬高随时间变化过程, 可以看出在计算区域中心线(y=0m)上最大波浪爬高最低, 离计算区域中心线位置纵向距离越远, 最大波浪爬高越高; 离计算区域中心线位置的纵向距离大于4m(y = -4m, -6m)时, 最大波浪爬高的变化很小。综上所述, 采掘坑显著影响了孤立波在岸礁上传播演变过程。
图5 不同时刻速度云图

左列为无采掘坑岸礁; 右列为有采掘坑岸礁…

Fig. 5 Snapshots of water velocity contour at different time moments. Left side: fringing reef without excavation pit; right side: fringing reef with excavation pit

图6 计算区域中心线上不同测点自由液面随时间变化

Fig. 6 Time series of water elevations recorded at different wave gauges on the centerline of the domain

图7 计算区域中心线上最大波高的空间分布

Fig. 7 Spatial distributions of the maximum wave height at the centerline of the domain

图8 计算区域中心线上波浪爬高随时间变化

Fig. 8 Temporal evolutions of wave runup height at the centerline of the domain

图9 计算区域不同纵向位置上波浪爬高随时间变化

Fig. 9 Temporal evolutions of wave runup height at the different longitudinal locations of the domain

4.2 入射波高的影响

为研究采掘坑在不同入射波高下对孤立波在岸礁传播水动力过程的影响, 对A1—A5和B1—B5十种工况的计算结果进行分析。图10展示了计算区域中心线上最大波高的空间分布, 可明显看出在采掘坑位置之前, 采掘坑的存在对最大波高几乎没有影响, 而在孤立波经过采掘坑位置时, 采掘坑的存在会使采掘坑附近局部波高增大。通过比较采掘坑附近不同测点处局部波高增幅的大小, 得出局部波高最大增幅。图11展示了在不同入射波高下计算区域中心线上采掘坑附近局部波高的最大增幅, 可以看出随着入射波高的增大, 局部波高的最大增幅逐渐增加, 从H/h=0.1时的22.74%增大到H/h=0.3时的41.09%, 这是由于波高越大, 采掘坑对孤立波的阻滞作用越强。图12为在计算区域中心线上岸线附近波高(wg36)随入射波高变化规律, 相比无采掘坑情况, 采掘坑的存在会使岸线附近波高降低, 但入射波高的变化几乎不影响降低幅度的大小。
图10 在不同入射波高下计算区域中心线上最大波高的空间分布

Fig. 10 Spatial distributions of the maximum wave height at the centerline of the domain under different incident wave heights

图11 不同入射波高下局部波高最大增幅

Fig. 11 Maximum rate of increase in local wave height under different incident wave heights

图12 不同入射波高下计算区域中心线上岸线附近波高

Fig. 12 Wave heights near the shoreline at the centerline of the domain under different incident wave heights

4.3 礁坪水深的影响

图13展示了在入射波高H=0.0846m (H/h=0.2)时, 礁坪水深hr分别为0、0.02、0.04、0.06、0.08和0.1m工况下计算域中心线上最大波高的空间分布。对比图13不同礁坪水深的情况发现, 礁坪水深越小, 采掘坑对局部波高的增大作用越显著, 这是因为礁坪水深很小时, 波浪与坑内水体发生强烈的相互作用, 采掘坑对波浪传播的阻滞作用很强, 但是当礁坪水深变大时, 波浪与坑内水体的相互作用逐渐减弱, 对局部波高的增大作用也随之减弱。并且从图14可以看出随着礁坪水深的增大, 局部波高的最大增幅逐渐降低, 从礁坪水深hr=0m时的95.33%降低到hr=0.1m时的11.23%, 这是因为水深的增加减弱了采掘坑对孤立波的阻滞作用。因此可以看出礁坪水深的变化对局部波高增大的影响非常显著。从图15可知, 在hr=0m时, 采掘坑导致的岸线附近波高降幅达到25.57%, 并且随着礁坪水深的增大, 降低幅度越小; 当hr=0.06m时, 降低幅度几乎为0, 而当hr>0.06m时, 相比无采掘坑情况, 有采掘坑情况下的岸线附近波高会增大。
图13 不同礁坪水深下计算区域中心线上最大波高的空间分布

Fig. 13 Spatial distributions of the maximum wave height at the centerline of the domain under different submergence water depths

图14 不同礁坪水深下局部波高最大增幅

Fig. 14 Maximum rate of increase in local wave height under different submergence water depths

图15 不同礁坪水深下计算区域中心线上岸线附近波高

Fig. 15 Wave heights near the shoreline at the centerline of the domain under different submergence water depths

4.4 采掘坑宽度的影响

图16展示了在E1、E2、B3、E3、E4五种工况下计算区域中心线位置最大波高的空间分布。对比图16中不同采掘坑宽度的情况发现, 随着采掘坑宽度的增大, 采掘坑对局部波高的增大作用越强。并且从图17可知, 随着采掘坑宽度的增大, 局部波高的最大增幅逐渐增大。当Wp>1.0m时, 这种增大趋势开始放缓, 这是因为采掘坑宽度很小时, 波浪与采掘坑内水体的相互作用程度很小, 质量与动量交换很弱; 当采掘坑宽度增大时, 波浪与采掘坑内水体的相互作用程度变大, 质量与动量交换增强, 采掘坑对波浪的阻滞作用增强, 导致局部波高增幅变大。从图18可知, 当采掘坑宽度Wp从0.4m增加到0.6m时, 岸线附近波高是下降的。当Wp>0.6m时, 随着采掘坑宽度的增大, 岸线附近波高也逐渐增大。
图16 不同采掘坑宽度下计算区域中心线上最大波高的空间分布

Fig. 16 Spatial distributions of the maximum wave height at the centerline of the domain under different excavation pit widths

图17 不同采掘坑宽度下局部波高最大增幅

Fig. 17 Maximum rate of increase in local wave height under different excavation pit widths

图18 不同采掘坑宽度下计算区域中心线上岸线附近波高

Fig. 18 Wave heights near the shoreline at the centerline of the domain under different excavation pit widths

4.5 采掘坑位置的影响

图19展示了在F1、F2 、B3、F3、F4五种工况下计算域中心线上最大波高的空间分布。对比图19中不同采掘坑位置的情况发现, 采掘坑在礁坪上位置的变化, 都会引起采掘坑附近局部波高的增大。并且从图20可知, 随着采掘坑位置向岸线移动, 局部波高的最大增幅逐渐变大; 但是当Xp=4.6m时, 局部波高的最大增幅会变小。从图21中可以看出, 在采掘坑位置Xp=0.4m和Xp=1.45m时, 岸线附近波高变化不大, 当Xp> 1.45m时, 采掘坑位置离岸线越近, 岸线附近波高越大。
图19 不同采掘坑位置下计算区域中心线上最大波高的空间分布

Fig. 19 Spatial distributions of the maximum wave height at the centerline of the domain under different excavation pit locations

图20 不同采掘坑位置下局部波高最大增幅

Fig. 20 Maximum rate of increase in local wave height under different excavation pit locations

图21 不同采掘坑位置下计算区域中心线上岸线附近波高

Fig. 21 Wave heights near the shoreline at the centerline of the domain under different excavation pit locations

4.6 波浪爬高分析

图22和图23分别展示了入射波高和礁坪水深、采掘坑宽度和采掘坑位置对最大波浪爬高的影响。从图22a中可知, 相比无采掘坑情况, 采掘坑的存在会减小最大波浪爬高; 并且随着入射波高的增大, 减小的幅度会略微增大, 这是由于当入射波高增大时, 孤立波的破碎强度会增大, 孤立波与采掘坑的相互作用越强, 耗散的能量越多。从图22b可知在礁坪水深hr=0m时, 采掘坑导致的最大波浪爬高减小幅度最大, 并且随着礁坪水深的增大, 减小幅度逐渐变小, 当hr>0.06m时, 减小幅度稳定在13%左右, 这是由于水深的增加减弱了孤立波与采掘坑的相互作用, 减少了能量的耗散。从图23a中可知, 当采掘坑宽度增大时, 最大波浪爬高出现非常缓慢的减小, Wp>1.0m时, 最大波浪爬高几乎不发生改变。从图23b中可知, 随着采掘坑位置向岸线移动, 最大波浪爬高缓慢降低; 当Xp>2.5m时, 最大波浪爬高缓慢上升, 但总体而言几乎没有变化。综上所述, 采掘坑的宽度和位置变化对最大波浪爬高的影响十分有限。
图22 计算区域中心线上最大波浪爬高随入射波高和礁坪水深的变化

a. 入射波高的影响; b. 礁坪水深的影响

Fig. 22 Variation of the maximum wave runup at the centerline of the domain with wave heights and submergence water depths. (a) Influence of wave heights; (b) influence of submergence water depths

图23 计算区域中心线上最大波浪爬高随采掘坑宽度和位置的变化

a. 采掘坑宽度影响; b. 采掘坑位置的影响

Fig. 23 Variation of the maximum wave runup at the centerline of the domain with excavation pit widths and locations. (a) Influence of excavation pit widths; (b) influence of excavation pit locations

5 结论

本文基于非静压单相流模型NHWAVE数值模拟了孤立波在含有人工采掘坑岸礁上传播演变过程, 系统研究了人工采掘坑对孤立波岸礁水动力特性的影响, 主要结论总结如下。
1)采掘坑的存在会对孤立波在礁坪上的传播起到阻滞作用, 会导致采掘坑附近局部波高的增大, 同时也会减小岸线附近波高和最大波浪爬高。
2)随着入射波高的增大, 采掘坑局部波高最大增幅逐渐增加, 但是对岸线附近波高的降低幅度影响不显著。与此同时, 随着入射波高的增大, 孤立波的破碎强度逐渐增大, 孤立波与采掘坑的相互作用越强, 能量耗散逐渐增加, 最终导致最大波浪爬高的减幅会略微增大。
3)礁坪水深增加会减弱采掘坑对孤立波的阻滞作用, 导致局部波高最大增幅变小。并且随着礁坪水深的增大, 岸线附近波高降低幅度越小, 当hr=0.06m时, 降幅几乎为0; 当水深继续增加时, 相比无采掘坑情况, 有采掘坑情况下的岸线附近波高会增大。随着礁坪水深的增大, 减弱了孤立波与采掘坑的相互作用, 减少了能量耗散, 最大波浪爬高的减幅逐渐变小。
4)随着采掘坑宽度的增大, 采掘坑对孤立波的阻滞作用越强, 局部波高的最大增幅也逐渐增大。当采掘坑宽度Wp从0.4m增加到0.6m时, 岸线附近波高是下降的, 当Wp>0.6m时, 随着采掘坑宽度的增大, 岸线附近波高也增大。采掘坑宽度发生变化不会对最大波浪爬高产生明显影响。
5)采掘坑在礁坪上的位置变化, 都会引起采掘坑局部波高的增大。并且随着采掘坑位置向岸线移动, 局部波高的最大增幅逐渐变大, 但是当Xp=4.6m时, 局部波高的最大增幅会变小。在采掘坑位置Xp=0.4m和Xp=1.45m时, 岸线附近波高变化不大, 当Xp>1.45m时, 采掘坑位置离岸线越近, 岸线附近波高越大。采掘坑位置的改变对最大波浪爬高的影响十分有限。
以上研究成果在一定程度上丰富了岸礁波浪水动力学的研究工作, 可为珊瑚礁海岸的防灾减灾提供参考和理论依据。

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