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热带海洋学报 >

2025 , Vol. 44 >Issue 2: 30 - 38

DOI: https://doi.org/10.11978/2024101

海洋水文学

人工生态礁体群对非平整岛礁孤立波水动力特性影响的试验研究

  • 王超 , 1 ,
  • 屈科 , 1, 2, 3 ,
  • 王旭 1 ,
  • 高榕泽 1 ,
  • 王傲宇 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, 陕西省咸阳市人, 副教授, 主要从事计算流体力学、海岸工程、海洋工程。email:

王超(1998—), 男, 山东省德州市人, 硕士研究生, 主要从事波浪水动力研究。email:

Copy editor: 殷波 , YIN Bo

收稿日期: 2024-05-13

  修回日期: 2024-07-16

  网络出版日期: 2024-08-12

基金资助

国家重点研发计划课题项目(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

Influences of artificial fish reef on wave hydrodynamics of solitary wave on an uneven fringing reef

  • WANG Chao , 1 ,
  • QU Ke , 1, 2, 3 ,
  • WANG Xu 1 ,
  • GAO Rongze 1 ,
  • WANG Aoyu 1
Expand
  • 1. School of Hydraulic and Environmental 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: YIN Bo

Received date: 2024-05-13

  Revised date: 2024-07-16

  Online published: 2024-08-12

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

珊瑚礁特殊的地貌结构会导致大部分的入射波浪在其礁缘处破碎, 从而有效降低礁坪上的波浪强度, 起到保护海岸区域的作用。然而, 岛礁上日益增多的人类活动, 例如吹填珊瑚砂和岸防建设等, 不但对岛礁原本脆弱的生态系统构成威胁, 并且对岛礁复杂波浪演变特性产生显著影响。目前, 岛礁建设面临促进岛礁生态修复和改善岛礁防浪抗浪特性的双重需要。文章基于物理模型试验, 系统研究了人工生态礁体群存在时岛礁孤立波水动力的演变特性, 并且分析了波高、水深、礁体开孔直径等因素对孤立波水动力特性的影响。试验结果表明, 人工生态礁体群的存在会对岛礁孤立波的传播演变特性产生显著影响。入射波浪与人工生态礁体之间存在复杂的相互作用, 礁体的存在会降低入射波浪的反射强度。除此之外, 人工礁体内部复杂的涡流场会消耗更多的入射波能量, 导致入射波浪在礁坪上的透射系数降低, 更好地起到保护海岸的作用。

关键词： 人工生态礁体群; 珊瑚礁; 非平整岛礁; 孤立波; 水动力特性

本文引用格式

王超 , 屈科 , 王旭 , 高榕泽 , 王傲宇 . 人工生态礁体群对非平整岛礁孤立波水动力特性影响的试验研究[J]. 热带海洋学报, 2025 , 44(2) : 30 -38 . DOI: 10.11978/2024101

Abstract

The special geomorphological structure of coral reefs causes most of the incident waves to break at the reef edge, thus effectively reducing the intensity of waves on the reef apron and protecting the coastal area. However, the increasing human activities on the reefs, such as coral sand blowing and shore defense construction, not only threaten the fragile ecosystems of the reefs, but also significantly affect the complex wave evolution characteristics of the reefs. Nowadays, the construction of islands and reefs is facing the dual needs of promoting the ecological restoration of islands and reefs and improving the characteristics of wave protection and resistance of islands and reefs. Based on a physical model test, this paper systematically investigates the evolution of solitary wave hydrodynamic characteristics of island reefs with the existence of artificial ecological reef groups and analyzes the influence of wave height, water depth, reef body opening diameter and other factors. The experimental results show that the existence of artificial ecological reefs will have a significant impact on the propagation and evolution characteristics of island-type solitary waves. There is a complex interaction between the incident wave and the artificial reef, and the presence of the reef enhances the reflective strength of the incident wave. In addition, the complex vortex field inside the artificial reef body will consume more incident wave energy, resulting in a lower transmission coefficient of the incident wave on the reef pads, which better protects the coast.

Key words： artificial ecological reef complex; coral reefs; uneven reefs; solitary waves; wave reflection

海啸是全球最致命的海洋灾害之一, 通常由地震、火山喷发、海底滑坡和小行星陨落等机制触发(Synolakis et al, 2006)。在过去几十年的海啸灾害中, 极端波浪对近岸基础设施造成了毁灭性的破坏, 严重威胁到沿海地区的人类生命安全和社会生产活动(Mori et al, 2012)。对2004年印度洋海啸的灾后调查发现, 珊瑚礁可以对海啸起到消减作用, 能降低海啸对沿岸人口密集的城镇破坏, 从而起到保护海岸的作用(Titov et al, 2005)。典型的珊瑚礁地貌通常由陡峭礁前斜坡和平坦的浅水礁坪组成(Gourlay, 1996), 但礁坪剖面受所在海域风浪流长期动力条件影响, 也会导致其坡度形态及分布各异, 呈现出非平整礁坪地貌结构(梅弢 等, 2013)。波浪在珊瑚礁地形上传播时会发生变形和破碎现象, 大部分的入射波所携带的能量会不断地被耗散(Yao et al, 2018a; Fang et al, 2022)。近些年来, 许多学者采用孤立波来近似模拟珊瑚礁海岸海啸波水动力学特性, 虽然孤立波与海啸波在传播演变过程中波浪形态、波能等方面有较大区别(Madsen et al, 2010; Qu et al, 2019), 但孤立波首波被应用在模拟海啸波在珊瑚礁上传播演变的观点被学术界广泛采纳(Ning et al, 2019)。
Yao等(2018b)通过物理模型试验和高阶 Boussinesq方程数值计算研究了珊瑚礁表面粗糙度对孤立波在珊瑚礁海岸水动力特性及岸滩爬高的影响, 并系统分析了在不同礁坪水深、潟湖宽度和糙率下孤立波传播变形和爬高过程的变化规律。Qu等 (2022)基于非静压单相流模型(non-hydrostatic wave model, NHWAVE)通过求解sigma坐标系下的Navier-Stokes方程, 系统研究了珊瑚礁透水层的厚度、孔隙率及透水介质的中值粒径等因素对孤立波沿礁传播变化规律的影响。Fang等(2022)基于试验数据和数值模拟的计算结果, 研究了岛礁剖面上礁冠的存在对孤立波传播水动力特性及其对直墙作用的影响。近几十年来, 由于人工采砂和护岸工程等人类活动, 珊瑚礁生态系统受到不同程度的影响和破坏(龙丽娟 等, 2019; Wang et al, 2023), 沿海地区将面临更多的由飓风和海啸所引起的极端波浪的危害(Grady et al, 2013; Castro-Sanguino et al, 2022; 李俊杰 等, 2023)。因此, 建设能促进岛礁生态修复和改善岛礁防浪抗浪特性双重需要的生态礁体群对珊瑚海岸的生态防护尤为重要。
目前, 许多国家均开展人工礁体修复珊瑚礁试验(Silva et al, 2016; Keller et al, 2017), 但开展人工礁体对岛礁上波浪水动力特性影响的研究较少。人工礁体的投放会改变波浪在此处有限水深破碎耗散能量的方式, 进而提高波高的衰减幅度(Zhu et al, 2019), 并且人工礁体表面较大的开孔率可以促进结构内部更强的流动, 进而增大有助于波浪衰减的拖曳力(Mahmoudi Kurdistani et al, 2021)。Huang等(2024)在波浪水槽中进行了物理模拟试验, 研究了规则波作用下和多孔透水人工鱼礁之间的波浪转换。人工礁体对非平整岛礁孤立波波高衰减方面的有效性尚不明确, 本研究旨在通过实验室试验结果分析, 对文献中现有的研究成果进行补充。
为此, 本文结合作者在非平整岛礁孤立波水动力特性领域现有的研究成果, 利用3D打印技术生成高复杂度的半球形多孔人工礁体模型, 并采用孤立波剖面模拟实际海啸波首波(Quiroga et al, 2013; Yao et al, 2018b), 对有、无人工礁体下孤立波在非平整岛礁地形传播演变过程进行物理波浪水槽试验, 分析最大波高沿礁分布、反射系数和透射系数的变化, 研究了入射波高(H0)、第二礁坪淹没水深(hr)、人工礁体壁面开孔率(n)及人工礁体布置排数(R)等因素对孤立波水动力特性的影响。

1 试验设置

人工礁体对非平整岛礁孤立波水动力特性影响的试验研究在长沙理工大学水利实验中心多功能波浪水槽中进行, 波浪水槽长45.0m、宽0.8m、高1.0m, 工作水深为0.2~0.7m; 水槽首端安装推板式造波机, 末端放置斜坡式消能网用来减少波浪反射对试验的影响。试验比尺按照弗洛德数相似准则设计为1∶40。礁前斜坡坡脚距造波机23.85m, 高度为0.263m, 坡度为1∶3; 在距离造波机27.4m处设置礁坪, 礁坪分为第一礁坪和第二礁坪, 长度分别为0.97m和4.12m, 距离水槽底端的距离分别为0.48m和0.605m, 具体试验布置如图1a所示。
图1 试验布置图和变量的定义

a. 试验布置图一览图; b. 人工礁体群布置方式图; c. 人工礁体单体尺寸详图。G1—G15为浪高仪, 浪高仪之间的数值表示距离; S1为人工礁体单体底座高度; S2为人工礁体单体壁面开孔直径; S3为人工礁体单体壁面厚度; Hb为人工礁体单体内壁高度; Wb 为人工礁体单体底座宽度

Fig. 1 Experiment setup layout and definition of some physical variables

采用Blender软件, 进行三维建模, 并利用3D打印技术生成高复杂度的半球形多孔人工礁体模型。如图1b所示, 人工礁体分布式均匀布置在非平整岛礁第一礁坪。图1c为人工礁体单体尺寸, 内壁高Hb = 7.5cm; 底座宽、高分别为Wb = 8cm和S2 = 1cm; 壁厚S3 = 0.5cm; 试验设计3种礁体壁面开孔, 依次为大、中、小孔分别为S1 = 3cm、2.5cm、2cm, 对应开孔率n = 0.3、0.2、0.1。试验研究了5个入射波高、4个水深, 根据前述的几何比尺及相应的时间比尺, 对应的原型波浪要素为入射波高0.8~4.0m和第二礁坪淹没水深0~3.0m, 与中国海某地真实现场观测的波浪要素范围相符。本文具体试验工况设计如表1所示。
表1 试验工况表

Tab. 1 Test conditions

工况编号 入射波高/m 礁坪水深/m 壁面开孔率 布置排数 工况编号 入射波高/m 礁坪水深/m 壁面开孔率 布置排数
A1 0.02 0.050 \ \ C5 0.10 0.050 0.2 6
A2 0.04 0.050 \ \ D1 0.06 0 0.2 6
A3 0.06 0.050 \ \ D2 0.06 0.025 0.2 6
A4 0.08 0.050 \ \ D3 0.06 0.075 0.2 6
A5 0.10 0.050 \ \ E1 0.06 0.050 0.1 6
B1 0.06 0 \ \ E2 0.06 0.050 0.3 6
B2 0.06 0.025 \ \ F1 0.06 0.050 0.2 1
B3 0.06 0.075 \ \ F2 0.06 0.050 0.2 2
C1 0.02 0.050 0.2 6 F3 0.06 0.050 0.2 3
C2 0.04 0.050 0.2 6 F4 0.06 0.050 0.2 4
C3 0.06 0.050 0.2 6 F5 0.06 0.050 0.2 5
C4 0.08 0.050 0.2 6

注: A1—A5表示无人工生态礁体群条件下不同入射波高的工况; B1—B3表示无人工生态礁体群条件下不同礁坪水深的工况; C1—C5表示有人工生态礁体群条件下不同入射波高的工况; D1—D3表示有人工生态礁体群条件下不同礁坪水深的工况; E1—E2表示有人工生态礁体群条件下不同壁面开孔率的工况; F1—F5表示有人工生态礁体群条件下不同布置排数的工况。“\”表示无人工生态礁体群的珊瑚岛礁地形

2 结果分析

2.1 入射波高的影响

本节研究入射波高变化对孤立波在无人工礁体和有人工礁体2种非平整岛礁地形上沿程波高的影响。选取5种不同入射波高, 分别0.02、0.04、0.06、0.08、0.1m。图2展示了不同入射波高条件下, 几个关键位置处局部波高的变化情况。图2a表明在礁缘位置(G7)处, 相比无人工礁体岛礁, 有人工礁体岛礁的波高会略微增加, 并且当入射波高从0.02m增加到0.10m时, 波高的增加幅度从8%降低至1.2%。这是因为当孤立波传播至岛礁礁缘(G7)附近时, 人工礁体会产生轻微的阻水效应, 在礁缘附近发生壅水, 局部波高会略微增加, 并且随着入射波高的增大, 波浪将诱导更多的水体质量向礁坪输送。其次, 从图2b中可以看到在第一礁坪(G9)位置处, 岛礁上的人工礁体会进一步增强有限水深破碎和礁坪底部摩阻作用, 并且人工礁体对波高的消减作用随不同入射波高的增加而显著增强; 当波浪传播至礁坪台阶(G11)时(图2c), 导致波浪浅化作用达到极限, 波高相比远海端虽略有增加但有人工礁体岛礁增加幅度始终小于无人工礁体岛礁的情况。随后波浪在第二礁坪(G14)处发生破碎, 有人工礁体岛礁的波高会小于无人工礁体岛礁, 并且当入射波高为0.1m时, 相差最大, 约为11.2%。为了研究当入射波高改变时, 人工礁体对孤立波沿礁传播演变过程中局部波高消减作用的变化情况, 对各浪高仪位置处所测的最大波高进行归一化处理Hi / H0 (Hi表示第i根浪高仪位置处的局部波高)。图3显示了不同入射波高条件下波浪在有人工生态礁体群珊瑚岛礁上传播演变时各测点处局部波高的空间分布。由图3可知, 随着入射波高逐渐增大, 当波浪传播至人工礁体位置处时, 随着入射波高不断增大, 局部波高逐渐减小。入射波高从0.02m增加至0.1m时, 波浪从远海端传播至礁坪末端的局部波高最大减幅约42.9%。其中浪高仪位置G11—G12的波高衰减最为明显, 两者最大相差达24.7%, 5种不同入射波高的平均衰减幅度达17.98%。整体而言, 当存在人工礁体时, 珊瑚岛礁上各测点处的局部波高会随着入射波高的增大而增大; 且随着入射波高的增大, 波浪在岛礁上的衰减幅度也随之增大, 并且波浪在岛礁地形上传播的过程中第一礁坪上的人工礁体对波浪的衰减作用更为显著。
图2 不同入射波高(H0)下选测点局部波高的比较

a. G7礁缘处有无人工礁体情况下的波高对比; b. G9第一礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比; c. G11礁坪台阶处有无人工礁体情况下的波高对比; d. G14第二礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比

Fig. 2 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different incident wave height (H0)

图3 不同入射波高(H0)下局部波高的空间分布

Fig. 3 Comparisons of spatial distributions of wave height along fringing reef under different incident wave height (H0)

2.2 第二礁坪淹没水深的影响

本节研究第二礁坪淹没水深变化对孤立波在无人工礁体和有人工礁体2种非平整岛礁地形上沿程波高的影响。选取4种第二礁坪淹没水深, 分别0、0.025、0.05、0.075m。图4展示了入射波高不同第二礁坪淹没水深条件下, 几个关键位置处局部波高的变化情况。图4a表明, 在礁缘位置(G7)处, 第二礁坪淹没水深越大礁缘附近局部波高的增加幅度越大, 同时由图可以观察到, 相比无人工礁体岛礁, 有人工礁体岛礁的礁缘附近局部波高较大, 但随第二礁坪淹没水深的增加局部波高增大幅度呈现出逐渐减小的趋势。其次, 从图4b中可以看到, 当第二礁坪淹没水深0m时, 波浪由第一阶礁坪(G9)传播至第二阶礁坪(G14)时, 与无人工礁体的情况相比, 人工礁体会进一步增大波浪局部波高的衰减幅度, 使局部波高最大相差约7.2%, 4种不同第二礁坪淹没水深平均衰减幅度约5.5%。由图4c可以观察到, 由于当礁坪水深增大时, 波浪的浅水变形效应减弱, 因此在礁坪台阶(G11)的局部波高增加幅度降低, 且有、无人工礁体的平均幅度相差约4.7%。由图4d可知, 当孤立波在第二礁坪上破碎后波浪以涌浪的形式继续往近海端传播, 这导致第二礁坪淹没水深的变化对有、无人工礁体的岛礁波浪破碎后的局部波高影响不显著。图5展示了人工礁体存在时, 不同第二礁坪淹没水深岛礁上局部波高的空间分布变化规律, 以研究岛礁上的人工礁体对不同礁坪淹没水深情况下孤立波沿礁传播过程中的波高消减的变化规律。从图5可知, 随着第二礁坪淹没水深的增大, 孤立波传播至人工礁体之前不同工况下的局部波高几乎相同, 第二阶礁坪不同测点处的局部波高相应增大; 孤立波传播至人工礁体位置处(G8—G9)的最大波高衰减幅度随第二礁坪淹没水深的增加而减小, 最大减幅约14%; 且水深越大, 波浪在第二阶礁坪上破碎程度越弱, 因此增大第二礁坪淹没水深时波浪在第二阶礁坪衰减幅度减弱, 淹没水深0m和0.2m 2种工况下的局部波高最大相差约252.2%, 平均相差约159.4%, 综上可知第二礁坪淹没水深的增大对局部波高的影响显著。
图4 不同第二礁坪淹没水深(Hr)下选测点局部波高的比较

a. G7礁缘处有无人工礁体情况下的波高对比; b. G9第一礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比; c. G11礁坪台阶处有无人工礁体情况下的波高对比; d. G14第二礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比

Fig. 4 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different submergence depth of the second reef flat (hr)

图5 不同第二礁坪淹没水深(hr)下局部波高的空间分布

Fig. 5 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different submergence depth of the second reef flat (hr)

2.3 壁面开孔率的影响

为讨论人工礁体壁面开孔率对孤立波在无人工礁体和有人工礁体2种非平整岛礁地形上沿程波高的影响。选取3种人工礁体壁面开孔率, 分别为0.1、0.2、0.3。图6展示了入射波高不同第二礁坪淹没水深条件下, 几个关键位置处局部波高的变化情况, 结果表明, 随着人工礁体壁面开孔率的增大, 各测点处局部波高无明显变化。图7展示了不同壁面开孔率下局部波高沿礁的空间分布规律。从图7可以观察到, 孤立波局部波高沿礁的变化受壁面开孔率的影响有限, 孤立波传播至岛礁地形之前局部波高几乎相同; 虽然孤立波局部波高沿礁的变化受壁面开孔率的影响有限, 但在人工礁体影响范围内, 随着壁面开孔率的增大, 孤立波沿礁的局部波高会有所增大, 其最大相差约5.7%, 平均最大相差4.2%。由此可知, 人工礁体壁面开孔率对孤立波在非平整岛礁传播过程中的消减作用无显著影响。
图6 不同壁面开孔率(n)下所选测点局部波高的比较

a. G7礁缘处有无人工礁体情况下的波高对比; b. G9第一礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比; c. G11礁坪台阶处有无人工礁体情况下的波高对比; d. G14第二礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比

Fig. 6 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different wall porosity (n)

图7 不同壁面开孔率(n)下局部波高沿礁的空间分布

Fig. 7 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different wall porosity (n)

2.4 布置排数的影响

为讨论人工礁体在非平整岛礁上布置排数对孤立波在无人工礁体和有人工礁体2种非平整岛礁地形上沿程波高的影响。选取6种人工礁体布置排数, 分别为1、2、3、4、5和6排。图8展示了入射波高0.06m, 淹没水深0.05m, 人工礁体不同布置排数条件下, 几个关键位置处局部波高的变化情况。图8a表明在礁缘位置(G7)处, 波高变化受布置排数的影响有限, 最大增幅约2.6%。其次, 从图8b中可以看到第一阶礁坪(G9)的局部波高降低幅度随布置排数的增加呈现出先增大后减小的趋势, 布置排数3时降幅最大, 与无人工礁体的岛礁相比, 有人工礁体的岛礁最大降低幅度约10.2%, 平均降低约6.8%; 由图8c可以观察到, 在礁坪台阶(G11)位置处, 相比无人工礁体的岛礁, 有人工礁体的岛礁在该位置局部波高降低幅度随布置排数的增加略有增大, 最大降幅约3.7%, 平均降幅约2.5%; 由图8d可知, 第二阶礁坪G14位置处, 相比无人工礁体的岛礁, 局部波高在布置排数3时增幅最大, 约为12.1%。图9展示了不同布置排数下局部波高沿礁的空间分布规律, 以研究不同人工礁体布置排数对岛礁上孤立波沿礁传播过程局部波高消减的影响。由图9可知, 随着人工礁体布置排数的增加, 孤立波在第一阶礁坪上方区域范围内局部波高呈非线性变化趋势(图8b), 布置排数1和3这2种工况下的局部波高相差最大, 约为7.7%; 在第二阶礁坪G14位置处, 布置排数3时局部波高最大, 与其他布置排数最大相差约15.3%, 平均相差约10.0%, 这是由于布置排数3时, 高速传播的孤立波与人工礁体和礁坪台阶之间的低速水体发生强烈的质量和动量交换过程中流场产生相应变化, 重塑了波浪形态及其传播变形情况的原因。
图8 不同布置排数(R)下所选测点局部波高的比较

a. G7礁缘处有无人工礁体情况下的波高对比; b. G9第一礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比; c. G11礁坪台阶处有无人工礁体情况下的波高对比; d. G14第二礁坪上有无人工礁体情况下的波高对比

Fig. 8 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different arrange the number of rows (R)

图9 不同布置排数(R)下局部波高沿礁的空间分布

Fig. 9 Comparisons of distributions of wave height along fringing reef under different arrange the number of rows R

2.5 反射系数分析

为讨论人工礁体对非平整岛礁上孤立波反射系数的影响, 采用反射波高与入射波高比值法计算反射系数(Yao et al, 2018a), 图10展示了反射系数(CR)随不同因素影响的变化规律。图10a为淹没水深为0.05m时, 反射系数随着入射波高的变化。从图10a可知, 入射波高小于0.06m时, 有、无人工礁体岛礁上反射系数随入射波高的增大而增大, 直到接近0.06m时, CR趋于恒定值, 这是因为在礁坪淹没水深保持不变的情况下, 较大的波浪诱导更多的波浪能量与礁前斜坡及礁坪台阶发生相互作用, 导致波浪的反射系数整体呈现出增大的趋势; 相比无人工礁体的情况, 人工礁体的存在降低了波浪的反射系数, 平均降低幅度约为52%。图10b展示了入射波高0.06m时, 反射系数随着礁坪淹没水深的变化规律。根据图10b结果可得, 人工礁体在淹没水深0m时, 对岛礁上孤立波反射系数降低幅度影响最为显著, 且相比无人工礁体的情况, 人工礁体的存在降低了波浪的反射系数平均降低约151.5%; 随着淹没水深从0m增加到0.075m的过程中, 无人工礁体岛礁上的反射系数迅速下降至0.1附近, 有人工礁体的岛礁反射系数始终维持在0.08附近, 说明入射波浪与人工礁体相互作用过程中所产生的湍流增加了能量耗散, 导致波浪的反射系数保持稳定状态, 从而减少了反射波对远海端和近海端波浪的扰动情况。图10c和图10d分别展示了入射波高0.06m、淹没水深0.05m条件下, 反射系数随着人工礁体壁面开孔率和布置排数变化规律。由图10c和图10d可知, 随着人工礁体壁面开孔率和布置排数的增加, 在壁面开孔率0.2时和布置排数6时反射系数略有增加, 其他工况始终维持在0.07附近, 与无人工礁体的岛礁相比人工礁体的存在使波浪的反射系数平均降低了39.1%。整体而言, 人工礁体对降低非平整岛礁上孤立波反射系数效果显著。
图10 有、无人工礁体岛礁上反射系数随不同因素影响的变化

Fig. 10 Variations of the wave transmission coefficient with the different factors

2.6 透射系数分析

为讨论人工礁体对非平整岛礁上孤立波透射系数的影响, 采用透射波高与入射波高比值法计算透射系数(Yao et al, 2018b), 图11展示了透射系数(CT)随不同因素影响的变化情况。图11a展示了第二阶礁坪淹没水深0.05m时, 透射系数随着入射波高的变化规律。从图11a中可以看出, 有人工礁体的岛礁透射系数均低于无人工礁体岛礁的情况, 且随入射波高的增大, 两者透射系数的差值也增大, 这是由于人工礁体的存在间接降低了第一阶礁坪有效水深的原因; 随着入射波高的增大, 波浪与人工礁体的相互作用会更加剧烈, 导致更多的能量被人工礁体耗散, 从而更加显著地降低波浪的透射效果。图11b是入射波高0.06m时, 透射系数随着礁坪淹没水深的变化规律。从图11b可知, 随着第二礁坪淹没水深的增加, 有、无人工礁体岛礁上的透射系数无显著差别, 这是因为在试验工况范围内, 入射波高0.06m保持不变时, 波浪在礁坪上破碎后以涌浪形式传播的波高主要与第二阶礁坪的有效水深相关。图11c展示了入射波高0.06m, 礁坪淹没水深0.05m的情况下, 透射系数随着人工礁体壁面开孔率的变化情况。图11c显示, 当壁面开孔率0.2时, 有、无人工礁体岛礁上的透射系数相差约9.5%, 在壁面开孔率0.1和0.3条件下, 有、无人工礁体岛礁上的透射系数无明显差别, 这是由于壁面开孔率0.2时人工礁系数的降低幅度先减小后增大, 当布置排数6时降低幅度最大, 约9.4%。综上可知, 人工礁体可以有效降低非平整岛礁上入射波高较大的孤立波在岛礁上的透射系数, 但第二礁坪淹没水深、壁面开孔率和布置排数的变化对透射系数的影响十分有限。
图11 透射系数随不同因素影响的变化

Fig. 11 Variations of the wave transmission coefficient

3 结论

本文采用物理模型试验的方式系统研究了孤立波在有人工礁体和无人工礁体的非平整岛礁地形上的传播变形过程, 并且分析了人工礁体对孤立波在非平整岛礁上的水动力特性的影响, 主要结论如下。
1) 人工礁体的存在会对孤立波在第一阶礁坪的传播起到阻滞作用, 导致人工礁体附近局部波高的降低, 同时也会减小波浪的反射系数和透射系数。
2) 随着入射波高的增大, 各测点处局部波高随之增大, 有人工礁体的礁坪上局部波高最大降低幅度逐渐增加。与此同时, 随着入射波高的增大, 孤立波的浅水变形增大、与人工礁体的相互作用增强, 同时波浪的能量耗散也逐渐增加, 最终导致波浪的反射系数和透射系数的减幅增大。
3) 第二礁坪淹没水深的增加会减弱人工礁体对孤立波的阻滞作用, 导致人工礁体局部波高最大降幅变小。并且随着第二礁坪淹没水深的增大, 孤立波反射系数的降低幅度会单调递减, 在淹没水深0m时, 有、无人工礁体的岛礁反射系数相差约151.5%, 当第二礁坪淹没水深继续增加时, 人工礁体对非平整岛礁反射系数的降幅维持在约23.1%。随着礁坪水深的增大, 人工礁体对透射系数的影响不明显。
4) 当人工礁体壁面开孔率的增加时, 对人工礁体局部波高的降低幅度影响不明显。相比无人工礁体的情况, 有人工礁体情况下的反射系数平均降低约39.1%。当壁面开孔率0.1和0.3时, 人工礁体对透射系数影响不大, 但当壁面开孔率为0.2时, 人工礁体明显降低了波浪的透射系数(约9.5%)。
5) 人工礁体布置排数的变化, 会引起人工礁体局部波高的降低但同时也会增加第二阶礁坪的局部波高。随着布置排数增加至3时, 人工礁体局部波高的降幅最大, 且在第二阶礁坪局部波高的增幅也达到最大。反射系数受布置排数的变化影响不明显。随着布置排数的增加, 孤立波与人工礁体相互作用的范围增大, 增加了能量耗散的程度, 故透射系数的降幅也逐渐增大。

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