第 36 卷第 11 期海洋学报 Vol.36,No.11 2014 年 11 月 ACTA OCEANOLOGICASINICA November2014 王彦, 邹志利. 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 [J]. 海洋学报,2014,36(11):120-130,doi:10.3969/j.issn.0253 4193.2014.11.014 WangYan,ZouZhili.Cross shoredistributionfeatureoflongshorecurentsoverbaredbeaches[j].actaoceanologicasinica(inchi nese),2014,36(11):120-130,doi:10.3969/j.issn.0253 4193.2014.11.014 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 王彦 1, 邹志利 1 (1. 大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 116024) 摘要 : 通过对两个坡度沙坝地形沿岸流实验测量和基于能量方程的沿岸流数值模拟, 研究了沙坝海岸平均沿岸流速度剖面的双峰剖面特征, 重点分析了第二个峰值的特征和两峰值的比值 综合考虑入射波高 入射波类型和坡度对波生沿岸流垂直岸线速度剖面的影响 结果表明, 平均沿岸流速度剖面出现双峰剖面特征 : 第一峰值发生在沙坝向岸侧面的中部, 第二个峰值发生在靠近岸线处 ; 同一坡度情况两个峰值的位置和比值, 不受入射波类型 入射波高的影响 数值模型中包括了侧混 底摩擦和水滚等因素, 其数值模拟结果和实验值拟合较好, 并讨论了有无侧混和水滚对速度剖面的影响 关键词 : 双峰剖面 ; 二峰值 ; 波浪破碎 ; 沙坝中图分类号 :TV139.2 文献标志码 :A 文章编号 :0253 4193(2014)11 0120 11 1 引言 波浪斜向传入海岸时, 在沙坝上由于水深较浅将发生破碎, 导致波高衰减, 并会在破波带内产生平行于岸线的流动 沿岸流 沿岸流的范围和强度对于研究海岸变形以及近岸水域污染物输移扩散规律都有重大意义 目前对沿岸流的现场观测和模型实验研究已有 [1] [2] 近半个世纪的历史 Ruessink 等和 Feddersen 等认为沿岸流速度最大值发生在波浪破碎最强烈位置 对于平坡海岸, 波浪传播至浅水区域只发生一次破碎, 速度剖面只有一个峰值 通过对现场观测结 [3 4] [5 6] 果和实验室模型试验结果的比较, 在平底海滩下两者的波生沿岸流速度剖面结果符合较好 对于沙坝海岸, 沙坝的存在导致波浪在沙坝上发生一次破碎, 在沙坝向岸侧沟槽又恢复不破碎状态并继续向岸传播, 波浪通过沙坝折射后剩余的能量在靠近岸线 处再次耗散而发生二次破碎, 波浪的两次破碎使得在沙坝海岸沿岸流速度剖面出现双峰值剖面特征 对于沙坝海岸沿岸流速度剖面最大值位置存在不同观点,Birkemeier [7] [2] Feddersen 等及 Kuriyama 和 Na katsukasa [8] 通过对 DELILAH 的现场观测实验发现 : 在天然沙坝地形的沿岸流速度剖面的最大值出现在沙坝沟槽里 Reniers 和 Batjes [9] 把 Visser 提出的水泵循环系统应用到沿岸流的物理模型实验, 并建立了一个考虑水滚作用的沿岸流模型 通过 EMF 流速仪定量测量出沿岸流速度最大值发生在沙坝顶, 由于测量流速的 EMF 受到最小水深的限制, 并没有测量出岸线附近的沿岸流速度第二峰值, 仅通过投入染料的方法定性地观测到在岸线附近出现速度第二峰值 Hamilton 和 Ebersole [10] 将水泵循环系统应用到大尺度泥沙输移实验, 用来建立沿岸分布均匀的沿岸流, 通过控制 20 个独立水泵的泵水量建立双循环系统 [11 12] 邹志利等进行了平坡海岸沿岸流实验研究, 并 收稿日期 :2013 09 28; 修订日期 :2014 01 23 基金项目 : 国家自然科学基金 (51079024,10672034) 作者简介 : 王彦 (1982-), 男, 吉林省梨树县人, 博士研究生, 主要从事海岸水动力研究 E mail:ywang0412@163.com
期 王彦等 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 ２ 建立了基于能量方程的时均沿岸流模型 讨论不同涡 粘系数对沿岸流速度剖面的影响 孙涛等 ３ 建立了 点实验室的多功 能 水 池 中 进 行 的 水 池 长 ５５ ｍ 宽 基于高阶抛物化缓坡方程的波生沿岸流模型 并和平 ３４ｍ 深 ７ｍ 一 端 是 由 ７ 块 造 波 板 组 成 的 推 板 式多向不规则波造波机 实验地形为坡度均匀的沙 坡海岸沿岸流实验结果吻合较好 发现波生沿岸流速 坝地形海岸 坡度取 ４ 和 两 种 坡 前 静 最大值出现的位置并不是与波浪破碎线重合 其位置 水深分别为 ８ｍ 和 ４５ｍ 沙坝模型与造波板 ４ 稍落后于波浪破碎线位置 Ｚｈ ｇ 和 Ｔ ｇ 建立了 关于沿岸流最大值与破波点的空间滞后现象的准三 成 ３ 角 用 以 增 加 海 岸 线 的 长 度 模 型 与 其 三 面 维近岸流模型 认为水滚将使 沿岸 流峰值 向岸移 动 水池壁 都留 有 宽度 为 ４ ４ ｍ 的间 隔 以 形成 沿 岸 流 引起的水池内水体 循 环 地 形 的 两 边 缘 到 造 波 板 附 从而滞后于破波点位置 解鸣晓和张玮 ５ 建立了综 近设置了波导墙 可使水流在外部循环 以避免外部 合考虑辐射应力垂向分布 水滚 波浪 水平和 垂向湍 水流对内部水体的 干 扰 同 时 在 波 导 墙 内 壁 处 设 置 流混合系数的三维近岸流模型 房克照等 ６ 建立了 消浪网 以 减 轻 实 验 中 波 浪 的 反 射 作 用 如 图 所 基于二阶完 全非线性 Ｂ ｑ 水波 方程的 时 域 沿 示 实验设置坐标系原点取在地形静水岸线上游端 岸流数值模型 并针对均匀坡度海岸上沿岸流进行数 点 狓 正向为垂直岸线 离 岸 方 向 狔 轴沿静水岸线指 向下游方向 实验 中 沙 坝 断 面 采 用 高 斯 型 剖 面 图 值模拟 本文通过对坡度分别为 ４ 和 两种沙 坝海岸上的沿岸流进行实验测量 研究沙坝地形沿岸 流的双峰速度剖面特征 特别 是第二 个峰 值的 特征 沙坝高程为 ２ 狕 β 狓 犺犫犪 ｘｐ 狓 狓犮 ２５ 沙坝布置及尺寸参数见表 分别讨论了波高 入射波类型和坡度的变化对平均沿 实验中波浪场由垂直于岸线方向排列的 ３ 列共 岸流速度剖面的影响 因为没有采用泵循环系统 本 ６ 个电容式 浪 高 仪 测 量 具 体 布 置 如 图 所 示 ３ 列浪高仪分别布置在距沿岸上游 边 界 ７ ｍ ２ ｍ 和 文试验中对沿岸方向沿岸流的均匀性也进行了细致 的考察 建立了基于波能守恒方程的 沿岸 流数值模 型 考虑侧混 底摩擦和 水滚的 影响 对 波高 波浪增 ７ｍ 位置 每列都从静水线开始布 置 第 一列 ４ 个 浪高仪 间隔 ｍ 第 二 列 ３２ 个 浪 高 仪 前 ｍ 范 减水和沿岸流速度进行数值模拟 围间隔 ５ ｍ ２２ ｍ 范 围 间 隔 ｍ 第 三 列 ４ 个浪高仪 前 ｍ 范围间隔 ｍ ６ｍ 范 围间隔 ２ ｍ ２ 实验设置 实验是在大连理工大学海岸及近海工程国家重 图 实验布置 及实验照片 ｂ Ｅｘｐ ｍ ｄ ｐ ｂ ｇ ｙ
122 海洋学报 36 卷 表 1 沙坝布置及其尺寸参数 犜犪犫.1 犘犪犪犿犲狋犲狊犲狋犻狀犵狅犳犫犪犲犱犫犲犪犮犺犲狊 坡度 坡前水深 /m 沙坝中心距岸线距离 狓犫犪 /m 沙坝宽度 /m 沙坝顶高 /m 坝顶水深 /m 公式 (1) 中系数 tanβ 犺犫犪 /m 狓犮 /m 1 40 0.45 5 2 0.08 0.045 0.025 0.08 13 1 100 0.18 7 2 0.04 0.03 0.01 0.04 11 沿岸流速度场是由 28 个声学多普勒流速仪 (ADV) 测量 其中 12 个 ADV 用于测量沿岸方向沿岸流的均匀性, 该列流速仪对 1 40 坡度模型距离岸线 3m, 对 1 100 坡度模型距离岸线 4m,ADV 之间的间隔为 2m, 可以覆盖到沿岸方向上下游的范围, 如图 1 所示 另外 16 个 ADV 用于测量垂直岸线沿岸流速度剖面, 该列流速仪距上游边界 14.5 m, 对 1 40 坡度流速仪间距在距岸线 0.25~2m 范围取为 0.25m, 在 2~6m 范围取为 0.5m, 在 6~9m 范围取为 1.0m; 对 1 100 坡度流速仪间距在距岸线 1~ 8m 范围取为 0.5m, 在 8~10m 范围取为 1.0m, 在 10~12m 范围取为 2.0m 流速仪测量点与水底间 隙为水深的 1/3 以便测量沿岸流沿水深平均值 实验中数据采集时间为 450s(1 100 坡规则波 ) 600s (1 40 坡规则波 ) 和 700s(1 40 和 1 100 坡不规则波 ) 本文平均沿岸流流速均值的取法是截取沿岸流流速充分稳定做平均, 从开始采集 250s 后到采集结束 本实验采用的 ADV 对 1 40 坡最小水深可以测量到距岸线 0.25m( 第一个流速仪位置 ), 对 1 100 坡最小水深可以测量到距岸线 0.5m 因此可以测量速度剖面第二峰值 入射波浪包括规则波和不规则波两种, 二者都是单向波 表 2 给出实验中的 12 组实验波况 表中不规则波高为有效波高 表 2 实验波况 犜犪犫.2 犠犪狏犲犮狅狀犱犻狋犻狅狀狊犻狀犲狓狆犲犻犿犲狀狋犪犾狊狋狌犱狔 波况 坡度 入射波类型 犱 /m 波高犎 0/m 波况 坡度 入射波类型 犱 /m 波高犎 0/m 1 1 40 规则波 0.45 0.07 7 1 100 规则波 0.18 0.025 2 1 40 规则波 0.45 0.09 8 1 100 规则波 0.18 0.052 3 1 40 规则波 0.45 0.12 9 1 100 规则波 0.18 0.060 4 1 40 不规则波 0.45 0.052 10 1 100 不规则波 0.18 0.032 5 1 40 不规则波 0.45 0.078 11 1 100 不规则波 0.18 0.041 6 1 40 不规则波 0.45 0.10 12 1 100 不规则波 0.18 0.052 3 沿岸流沿岸均匀性 Visser [5] 采用了水泵循环系统创建双循环水流, 通过控制沿岸上游水泵的泵水量和下游的流出宽度来维持沿岸流的均匀性 本实验没有采用这样的靠水泵来维持的水流循环系统, 而是在海滩模型周围设置循环渠道, 维持由沿岸流引起的水流循环, 来提高沿岸流在有限宽度水池内的均匀性, 这种循环系统使得实验较为简单, 在均匀段更接近于实际海岸, 水流循环更自然, 如可以允许沿岸流的随着空间和时间而波动, 而采用泵循环系统由于泵流量一定, 不能允许 存在这样的沿岸流波动, 这是与实际情况沿岸流情况不符合的 为了检验沿岸流沿岸的均匀性, 实验中通过沿岸布置一列 ADV 来检测平均沿岸流在沿岸方向的均匀性 ( 布置如上所述 ) 图 3 和图 4 分别给出了沿岸流均匀性较好 ( 犜 =1.0s) 和均匀性较差 ( 犜 =1.5s 和 2.0s) 情况下的沿岸流速度犞在沿岸方向的变化 由图 3 可见, 对于不同波浪类型 波高和坡度, 在周期为犜 =1.0s 小周期情况, 沿岸流可以在海岸中间区域 ( 狔 =8.5~16.5m) 可以保持较好的均匀性 ( 对规则波 1 40 坡这一范围略小, 为狔 =10.5~16.5m), 靠
期 王彦等 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 ２３ 图 ３ 小周期波况沿岸流沿岸方向速度剖面 犜 ３ Ａ ｇ ｄ ｂ ｆｍ ｇ ｄ ｐ ｄ ｗ ｄ 犜 ｇ 图 ４ 大周期波况沿岸流沿岸方向速度剖面 犜 ５和 ２ ｇ ｄ ｂ ｆｍ ｇ ｄ ｇｐ ｄ ｗ ｄ 犜 ５ ｄ２ ｇ ４ Ａ 近上游段 ５ ８ ５ ｍ 速度偏小 靠近下游段 狔 ２ 狔 速度增大 所以在 海岸 中间段可用 ６ ５ ２２ ５ｍ 作沿岸流测量 而在海岸两端区域沿岸流速度是不符 合均匀性要求的 由图 ４ 可见 对于坡度 ４ 和周 期为 犜 ５波况 在 中间区 域存 在沿 岸流沿岸均 匀性 对规则波区域为 狔 ８ ５ ６ ５ｍ 对不规则波 区域为 狔 ６ ５ ２ ５ｍ 但对大周期 犜 ２ 坡 度 ４ 的所有波况沿岸均匀 性都 不好 沿岸流沿
海洋学报 ３６ 卷 ２４ 着海岸有减小或逐渐增大的趋势 不存在一个较大的 取平稳值 的 区 域 对 于 坡 度 较 大 周 期 犜 ５ ２ 的波况沿岸流均匀性也都不好 不规则 波情况沿岸流沿着海岸有减小或逐渐增大的趋势 不 存在一个较大的取平稳值的区域 对 规则 波情 况 这 的沿岸流均匀性 其他 情况 由于 波浪折射较 大 使得海岸两侧边界对内部区域波浪传播存在一定 影响 所以沿岸流沿岸均匀性较差 ４ 沿岸流速度剖面特征 种不均匀性变得更为严重 沿岸流沿岸方向上存在较 大波动 综合以上结果可知 对于本实验采用的无水 为了讨论沿岸流速度剖面特性 选取沿岸流速度 泵帮助的自然循 环系统 对 小周期 犜 可以给 在沿岸方向均匀性较好 见上节讨论 的小周期 波况进行分析 图 ５ 和图 ６ 分别给出了 两个坡度的 出沿岸较大范围的均匀沿岸流分布 可以用于本实验 波高 波浪增减水和沿岸流的 垂直 岸线 剖面 图 图中 研究的沿岸流速度剖面测 量 而对 于较 大周 期 犜 虚线表示水底沙坝地形 表 ３ 给出了各 波况的破碎 ５ ２ 仅是在 ４ 和 犜 ５可以有类似于 犜 点位置 两速度峰值的位置和数值以及比值 图 ５ ４ 坡波高 增减水和沿岸流速的垂直岸线剖面 ５ Ｃ ｐ ｆ ｆｗ ｈ ｐ ｆ ｈ ｍ ｗ ｄ ｇ ｇ ｇｈ ｙｆ ｐ ｗ ｈｇ ｄ ｆ ４ 由图 ５ 和图 ６ 可以看出 沙坝地形下波浪将发生 两次波浪破碎 第一次破碎发生在沙坝或沙坝外侧 处位置 ４ 坡 度 狓犮２ 狓犫犪 坡 度 第二次破碎发生在靠近岸线位置 位置分别由表 ３ 中 狓犮２ 狓犫犪 ２ 在沙坝外侧波 浪破 碎前 沿岸流流 速度值很小 这是因为在破波带外的沿岸流速只由侧 由 狓犫 狓犫犪 和狓犫 ２ 狓犫犪 给出 图５ ｄ和６ ｄ可以 向 混 合 产 生 的 紊 动 切 应 力 驱 动 并 未 产 生 大 的 沿 岸 看出 随着入射波高的增大 增减水 数值 也增 大 由 流 当波 浪 在 沙 坝 上 破 碎 使 得 沿 岸 流 流 速 迅 速 增 图 ５ ５ ｆ和 ６ ６ ｆ可以看 出 平 均沿 岸流速 度剖面 出现两个速度峰值的双峰值剖面特征 第一峰值出现 大 在 狓犮 狓犫犪 ９ ４ 坡 度 和 ９３ 坡度 出现沿 岸 流 速 度 第 一 峰 值 这 不 同 于 Ｒ 在沙坝向岸侧 ４ 坡 度 狓犮 狓犫犪 ９ 等的实验室模型试验 沿岸流速度最大值发生在沙坝 犮 坡度 狓 狓犫犪 ９３ 第二个峰值出现在靠近岸线 顶附近 即 狓犮 狓犫犪 这 是 因 为 对 于 沿 岸 均 匀
期 王彦等 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 ２５ 图 ６ 坡波高 增减水和沿岸流速的垂直岸线剖面 ６ Ｃ ｐ ｆ ｆｗ ｈ ｐ ｆ ｈ ｍ ｗ ｄ ｇ ｐ ｇ ｇｈ ｙｆ ｗ ｈｇ ｄ ｆ 沙坝地形沿岸压力梯度太弱而不能够使速度峰值移 岸流速度第二峰值 由于第二峰值的产生是受二次 动到沟槽位置 并 且 在 沙 坝 顶 和 沟 槽 之 间 没 有 设 置 破碎位置决定的 在同一地形下 沙坝使得不同波况 流速测量点 也不同于 ＤＥＬＩＬＡＨ 和 ＰＮＥＣ 等 现场 的波浪破碎后波高 相 差 不 多 从 而 使 得 二 次 破 碎 发 观测实验结果 由 于 现 场 沙 坝 沿 岸 不 均 匀 而 产 生 明 生的位置接近 使得第二峰值大致发生在相同位置 显的压力梯度使得沿岸流速度剖面的最大值出现在 从表 ３ 可以看出 沿 岸 流 二 峰 值 的 速 度 比 值 基 本 不 ２ 犮 沙坝沟槽里 当波浪到达岸线附近 在 狓 狓犫犪 ４ 坡度 和 ２ 坡度 出现了沿 变 比值大致保持为 ４ ４ 坡 度 和 ２７ 坡度 表 ３ 沿岸流双峰速度剖面特征值 犜 犪 犫 ３ 犆犺 犪 犪 犮 狋 犲 犻 狊 狋 犻 犮狏 犪 犾 狌 犲 狊狅 犳犫 犻犿狅 犱 犪 犾狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狅 犳 犻 犾 犲 狊狅 犳犾 狅 狀 狊 犺 狅 犲犮 狌 犲 狀 狋 狊 狔狆 犵 第一峰值 波况 入射波高 一次破碎点 二次破碎点 ｍ 狓犫 狓犫犪 狓犫 ２ 狓犫犪 位置 第二峰值 峰值 位置 峰值 狓犮 狓犫犪 ｍ 狓犮 ２ 狓犫犪 ｍ 峰值比 ７ ２ ３ ９ ２８ ８ ４２ ２ ９ ３ ３ ９ ３６９ ５３ ４ ３ ２ ４ ４ ９ ４２ ６９ ４ ４ ５２ ３ ９ ４５ ６ ４ ５ ８ ４ ３ ９ ２２ ９ ４ ６ ６ ４ ９ ３５ ２ ４ ７ ４ ２９ ９３ ４ ２ ３ ２７
126 海洋学报 36 卷 续表 3 波况 入射波高 /m 一次破碎点 (1) / 狓犫犪 狓犫 二次破碎点 (2) / 狓犫犪 狓犫 狓犮 第一峰值位置峰值 / (1) / 狓犫犪 m s -1 狓犮 第二峰值位置峰值 / (2) / 狓犫犪 m s -1 峰值比 8 0.055 1.36 0.29 0.93 0.146 0.21 0.040 0.27 9 0.062 1.43 0.29 0.93 0.153 0.21 0.044 0.28 10 0.032 1.14 0.29 0.93 0.081 0.21 0.023 0.28 11 0.043 1.43 0.29 0.93 0.106 0.21 0.028 0.26 12 0.050 1.71 0.29 0.93 0.114 0.21 0.032 0.28 注 : (1) (2) (1) (2) 狓犫 狓犫 : 第一 二次破碎点位置 ; 狓犮 狓犮 : 第一 二次速度峰值位置 波浪通过水滚能量耗散所需的时间使得沿岸流两速度峰值和二次破碎的位置存在空间滞后的现象 因不规则波破碎带较宽, 不好确定破碎位置, 只给出规则波情况 第一峰值和第一次破碎位置 :1 40 坡度最小滞后 1.5m( 犎 0=0.07m) 和最大滞后 2.5m ( 犎 0=0.112m),1 100 坡度最小滞后 1.5m( 规则波 犎 0=0.025m) 和最大滞后 3.5m( 规则波犎 0=0.062 m) 第二峰值和第二次破碎位置:1 40 坡度最小滞后 0.25m( 犎 0=0.07m) 和最大滞后 0.75 m( 犎 0= 0.112m),1 100 坡度滞后 0.5m 随着入射波高增大, 沿岸流速度剖面变宽, 主要表现在沙坝离岸侧速度剖面明显有离岸变化的趋势, 这是因为随着波高增大, 波浪破碎点位置离岸变化所造成的 波高增大也使得沿岸流速度值增大, 但并没有改变沿岸流二峰值的比值 不规则波作用下的沿岸流速度剖面较规则波平缓光滑, 这是因为不规则波浪破碎状态与规则波破碎状况间的差别决定了相应沿岸流分布的不同, 表现在不规则波波浪破碎区域宽于规则波波况 1 100 坡度的速度剖面宽于 1 40 坡度, 这是因为 1 100 坡度水深较浅, 波浪破碎早, 形成更宽的破波带 沿岸流速度两峰值的比值随坡度的增大而变大 5 数值模拟 本节建立了基于波能守恒方程的沿岸流数值模型, 对波高 波浪增减水和沿岸流速度进行数值模拟 模型中引入水滚的概念来考虑波浪破碎, 为了平衡水滚的重力而在波前产生剪应力, 此剪应力所做的功等于水滚能量的损耗 波能量守恒方程 : d 犈狑犮犵 cosθ = 犛, (2) 式中, 犈狑为波能量, 犮犵是波群速度,θ 是波浪相对于海岸垂线方向的入射角, 由 Snel 定律求得, 即 sinθ = sinθ0, (3) 犮犮 0 式中,θ0 犮 0 分别是入射波在破碎带外某点处的入射角和波速, 波速犮由下式求得 : 犮 = ω, (4) 犽 式中,ω 是角频率, 犽是波数, 由线性波浪色散关系给出 : ω 2 = 犵犽 tanh( ) 犽犺. (5) 波群速度由下式可求 : [ ] 犮犵 = dω = 1 d 犽 2 + 犽犺 sinh 2( 犽犺 ) 犮. (6) 犛为波浪破碎能量耗散, 针对两种波浪类型, 都采用 Roelvink 能量损耗公式 : 狀犎犿狊 { [ ( )]} 犛 = 1-exp - γ犺 2α 犳狆犈狑, (7) 式中, 犎犿狊为均方根波高 ;γ 为波浪破碎指标, 规则波采用 0.7, 不规则波采用 0.55;α 也表示波浪破碎强度, 为一阶参数 ; 犳狆是波峰频率 ; 狀为指数 水滚能量方程 : 犛 + d (2 犈犮 cosθ) =- 犮珋 τ 狋, (8) 式中, 犈为水滚能量, 可由 Svendsen 和 Putrevu [6] 的水滚能量公式计算 : 式中, 犔为波长, 犃为水滚的面积 犈 = ρ 2 犃犮, (9) 2 犔 式 (8) 右端的珋 τ 狋是波浪和水滚交界面之间的剪应力, 稳定水滚的剪应力可以用公式求得 : 珋 τ 狋 = ρ 犵犃 sinβ, (10) 犔
11 期王彦等 : 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 [17] 式中, β 为水滚前倾角,Walstra 等指出水滚前倾角是个小于 0.1 的数, 经验公式如下 : β=0.1 犽犺 ( 犺 - 犎 ), (11) 犎 由此可知 : 坡度越小, 犽犺越小, β 就越小 基于 Re niers 实验 1 20 坡度采用 0.1, 故本文对 1 40 坡度取 0.08, 对 1 100 坡度取 0.03 平均水平面的增减水方程 [6] : d 犛狓狓, 狑 + d 犛狓狓, d 珋 +ρ 犵犺 η =0, (12) 式中, 珋 η 是平均水平面的增减水 式中等号左边第一项表示和波浪运动相关的辐射应力梯度 ; 第二项表示水滚的影响 ; 第三项表示由于平均水平面的增减水而产生的压力梯度 犛狓狓, 狑为波浪辐射应力 : 犮犵犛狓狓, 狑 = ( 1+cos 2 θ ) 1 [ - ] 犮 犛狓狓, 为水滚辐射应力 : 2 犈狑. (13) 犛狓狓, =2 犈 cos 2 θ. (14) 在求得了因为波浪破碎而产生的辐射应力沿垂直海岸方向的分布之后, 可以用沿岸线方向的动量方程来求解沿岸流速度 : - d 犛狓狔 + d 犛狓狔, 狋 = 珋 τ 狔, 犫, (15) 方程左端第一项表示由于波浪破碎而产生的力, 第二项表示由于流体紊动而产生的侧向混合, 右端项表示沿岸方向的波浪平均底剪应力 传统的波浪力由线性波浪理论给出 : 出 d 犛狓狔 = sinα0 犮 0 d ( 犈狑犮犵 cos θ ). (16) 而考虑包括水滚在内的辐射应力由 Deigaard 给 d 犛狓狔 = sinθ d ( 犈狑犮犵 cosθ+2 犈犮 cos θ ).(17) 犮 方程 (17) 中的紊动侧混项可以用 Longuet Hig gins 的扩散渗透项模拟 : d 犛狓狔, 狋 ( ) =ρ d d 犞犺 ν 狋, (18) d狓 式中, 犞为沿水深平均的沿岸流速度,ν 狋为紊流粘滞系数, 本文采用了 Longuet Higgins 方法 : ν 狋 =- 犖 ρ 狓槡犵 ( 犺 + 珋 η ), ( 19) 式中, 犖为无量纲参数, 两坡度均取为 0.003 底摩擦阻力为 : 珋 τ 狔, 犫 =ρ 犮犳 狌 ~ sinθ 犞, (20) 式中, 犮犳为摩擦系数, 对 1 40 坡取为 0.02, 对 1 100 坡取为 0.015 珘狌是沿波浪传播方向的瞬时波浪水质点速度, 可由下式求得 : 珘狌 = π 犎 cosh [ 犽 ( 狕 + 犺 )] 犜 sinh( 犽犺 ) cos ( 犽狓 -σ 狋 ). (21) 图 7 给出了几个代表波况的波高 增减水和平均沿岸流的数值模拟结果和实验结果的比较 对规则波, 图中给出了不考虑水滚影响的速度剖面 ( 图中虚线表示 ), 对不规则波, 图中给出了不考虑侧混影响的速度剖面 ( 图中虚线表示 ) 图中可以看出, 对于 1 100 坡度, 数值模拟的两个峰值位置和实验结果相吻合, 小波高情况第二峰值数值高于实验结果 对于 1 40 坡, 不规则波情况, 数值模拟和实验结果吻合较好, 而规则波波况的沿岸流二峰值的数值模拟数值较实验数值偏低, 位置偏向岸线 水滚和侧混对沿岸流速度剖面的影响情况 : 水滚将使得沿岸流速度剖面向岸线的方向有一定的偏移, 使得两个峰值的位置向岸线偏移和速度值增大 ; 而侧混影响则是使得沿岸流速度剖面第一峰值变宽而扁, 而对第二峰值影响很小 6 结论 127 本文通过对 1 40 和 1 100 两种坡度沙坝海岸上的沿岸流进行测量, 来研究沙坝地形的沿岸流速度双峰值剖面特征, 特别是第二个峰值的特征 第一峰值发生在沙坝向岸侧面的中部, 第二个峰值发生在靠近岸线处 同一坡度情况两个峰值的位置和比值, 不受入射波类型 入射波高的影响, 而是取决于沙坝的位置 随着入射波高增大, 沿岸流速度值也随之增大, 沿岸流速度剖面变宽, 主要表现在沙坝离岸侧的速度剖面明显有离岸变化的趋势, 但速度二峰值的比值 ( 第二峰值 / 第一峰值 ) 不受波高的影响 相比规则波浪作用下流速集中的状态, 不规则波作用下的沿岸流速度剖面较宽, 而且平缓光滑 1 100 缓坡地形条件下, 波生沿岸流影响范围普遍大于 1 40 陡坡地形情况 两峰值的比值随坡度的增大而变大, 两峰值比值的变化体现在二峰值的变化 通过对数值模拟和实验结果的比较, 对 1 100 坡度两者吻合较好, 对 1 40 坡度规则波二峰值位置及峰值有些偏移 水滚将使得沿岸流速度剖面向岸线的方向有一定的偏移, 使得两个峰值的位置向岸线偏移和速度值增大 ; 而侧混影响使得沿岸流速度剖面第一峰值变宽而扁, 而对第二峰值影响很小
２８ 海洋学报 ３６ 卷
期 王彦等 沙坝海岸沿岸流速度剖面特征研究 ２９ 图 ７ 数值模拟 线型 和实验结果 比较 ７ Ｃｍｐ ｂ ｗ ｍ ｄ ｄｄ ｈ ｄｍ ｄｄ ｇ 参考文献 Ｒ ｋｂｇ Ｍ ＪＲ ｄｄ Ｍ ｄ ｇ ｈ ｇ ｂ ｄｂ ｈ Ｊ Ｊ ｆｇ ｐｈｙ Ｒ ｈ Ｏ
130 海洋学报 36 卷 (1978-2012),2001,106(C10):22451-22463. [2] FeddersenF,GuzaR,ElgarS,etal.Alongshoremomentumbalancesinthenearshore[J].JournalofGeophysicalResearch,1998,103 (C8): 15667-15676. [3] ThorntonEB,GuzaRT.Surfzonelongshorecurentandrandom waves:fielddataandmodels[j].journalofphysicaloceanography,1986,16: 1165-1178. [4] ChurchJC,ThorntonEB.Efectsofbreakingwaveinducedturbulencewithinalongshorecurentmodel[J].CoastalEngineering,1993,20(1): 1-28. [5] VisserPJ.Laboratorymeasurementsofuniformlongshorecurents[J].CoastalEngineering,1991,15(5/6):563-593. [6] SvendsenIA,PutrevuU.Nearshoremixinganddispersion[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon.SeriesA:MathematicalandPhysical Sciences,1994,445(1925):561-576. [7] BirkemeierW A.Delilahnearshoreprocessesexperiment:Datasummary,miscelaneousreports.CoastalEng.Res.Cent.,FieldRes.Facil.,U. S.ArmyEng.Waterw.Exp.Sta.,Vicksburg,Miss,1991. [8] KuriyamaY,NakatsukasaT.Aone dimensionalmodelforundertowandlongshorecurrentonabaredbeach[j].coastalengineering,2000,40: 39-58. [9] ReniersAJH M,BatjesJA.Alaboratorystudyoflongshorecurrentsoverbaredandnon baredbeaches[j].coastalengineering,1997,30:1-22. [10] HamiltonDG,EbersoleBA.Establishinguniformlongshorecurrentsinalarge scalesedimenttransportfacility[j].coastalengineering,2001, 42(3):199-218. [11] 邹志利, 常梅, 邱大洪, 等. 沿岸流的实验研究 [J]. 水动力学研究与进展,2002,17(2):174-180. [12] ZouZL,WangSP,QiuD H,etal.Longshorecurentsofregularwavesondiferentbeaches[J].ActaOceanologicaSinica,2003,22(1):123-132. [13] 孙涛, 韩光, 陶建华. 波生沿岸流数值模拟研究及其实验验证 [J]. 水利学报,2002(11):1-7. [14] ZhengJ,Tang Y.Numericalsimulationofspatiallagbetweenwavebreakingpointandlocationofmaximumlocationofmaximum wave induced curent[j].chinaoceanengineering,2009,23(01):59-71. [15] 解鸣晓, 张玮. 近岸波生流运动三维数值模拟及验证 [J]. 水科学进展,2011,22(3):391-399. [16] 房克照, 刘忠波, 邹志利, 等. 波生沿岸流数值模拟 [J]. 水科学进展,2013,24(2):258-265. [17] WalstraDJR,MockeGP,SmitF.Rolercontributionsasinferedfrominversemodelingtechniques[J].CoastalEngineeringProceedings, 1996,1(25):1205-1218. 犆狅狊 狊犺狅犲犱犻狊狋犻犫狌狋犻狅狀犳犲犪狋狌犲狅犳犾狅狀犵狊犺狅犲犮狌犲狀狋狊狅狏犲犫犪犲犱犫犲犪犮犺犲狊 WangYan 1,ZouZhili 1 (1. 犜犺犲犛狋犪狋犲犓犲狔犔犪犫狅犪狋狅狔狅犳犆狅犪狊狋犪犾犪狀犱犗犳犳狊犺狅犲犈狀犵犻狀犲犲犻狀犵, 犇犪犾犻犪狀犝狀犻狏犲狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔, 犇犪犾犻犪狀 116024, 犆犺犻狀犪 ) 犃犫狊狋犪犮狋 :Theexperimentalstudyonwave drivenlongshorecurentsonbaredbeachesandnumericalsimulations whichwerebasedonwaveenergyconservationequation,wereconductedtoinvestigatethecross shoredistribution featureofvelocityprofilesofmeanlongshorecurents,withemphasisonthesecondpeakoflongshorecurents. Thedistributionfeatureoflongshorecurentshasthevelocityprofilewithbimodalcharacteristics.Thelargerone occursonthemiddlepartoflateralsideofbaredbeachesandthesmaleroneisclosetotheshoreline,whichcor respondstothefirstandsecondwavebreakingrespectively.theabovefeatureshavebeendiscussedbyconsidering theefectsofwaveheight,wavetypeandbeachslope.thelocationsoftwopeaksandtheirratio (i.e.,higher one/smalerone)donotdependonwavetypeandwaveheight,butthelocationofbaredbeaches.numericalsim ulationswerealsoperformedtocomputethemeasuredvelocityprofilewiththeemphasisontheefectofseveral factorssuchaslateralmixing,botomfrictionandsurfacerolersonnumericalresults. 犓犲狔狑狅犱狊 :bimodalprofiles;twopeakvalues;wavebreaking;baredbeaches