淺析波浪動力因素變化對沙質岸灘演變的影響論文

淺析波浪動力因素變化對沙質岸灘演變的影響論文

　　1引言

　　海平而變化是海洋科學和地理科學的重要研究內容。海平而上升將使海岸淹沒和侵蝕范圍進一步擴大、程度日益加劇，對沿海地區社會經濟和生態環境安全構成重大威脅團，海平而上升一般通過兩種方式引起岸灘響應，一是直接淹沒陸地，造成侵蝕基而升高、海岸線后退;二是使海岸動力因素增強，破壞海岸既有平衡而造成海岸侵蝕。因此，有必要深入探討海平而變化引起的波浪動力因素改變對沙質岸灘剖而形態的影響。

　　岸灘剖而形態對灘前水動力條件，包括水深、入射波波要素等的響應是海岸地貌學和海岸動力學傳統研究內容。Comaglia(1898 )在研究淺水區域波浪的不對稱性對海灘泥沙的作用時，提出了海灘泥沙的中立線假說。大量學者根據實測海灘剖而數據結合機理分析，又提出了許多的平衡剖而形態模型，主要包括Dean模型、Bodge模型、Lee模型、LarsorrKrau、模型。為了預測岸線后退速率，探討海灘侵蝕與海平而上升的函數關系，許多學者對于海灘發育的動態模式進行研究，最典型的是由Bruun根據觀測資料建立了平衡岸灘計算公式、提出海平而上升引起海岸侵蝕加劇的觀點，Bruun的觀點得到了很多學者的認同，并被逐漸發展為Bruun法則，同時也引發了激烈爭論，認為Bruun法則的假設在自然條件下基本不存在，而且Bruun法則基于沙質岸灘提出，而我國海灘大多為淤泥質岸灘，不滿足運用Bruun法則的前提條件。

　　剖面形態的變化是岸灘對外界動力因素改變的響應，海平而的上升使外灘水深加大、波浪作用加強。根據Brunn法則，較小的海平而上升都有可能造成很大程度的岸灘侵蝕。依據淺水波動力學原理，波能與波高的平方成正比，波能傳播速度與水深的平方根成正比，當外灘水深增加1倍時，波能將增加4倍，波能傳播速度將增加14倍，波浪作用強度可增加到5. 6倍。波浪動力變化直接決定岸灘剖而形態的變化。為探討海平而變化下，波浪動力因素改變對岸灘音y而形態演變的影響，本文通過可控條件下的實驗室模擬，在概化模型基礎上進行機理性探討，考慮相同波高和波周期下，采用不同實驗水深的方法，研究海平而升降導致波浪動力因素變化情況下，海岸線和各種海岸地貌(灘肩、沙壩和沙槽等)的響應規律。

　　2實驗概況

　　2. 1實驗設備與布置

　　實驗在長沙理工大學水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室的波浪水槽內進行，實驗水槽全長40 m，寬0.5m，高0. 8 m，水槽配有造波系統，兩側為透明玻璃，兩端有良好的消浪設施。實驗布置如圖1所示，以斜坡起點為原點、波浪傳播方向為二軸正方向、豎直向上為二軸正方向，建立立而二維坐標系統。

　　由于近岸地區沖流水深較淺，采用接觸式的電容式浪高儀無法測量整個沖流過程的水深變化，特別是中、高沖瀉區的水深變化。為了獲得近岸地區的水深時空變化特征，本實驗利用浪高儀測量斜坡前和離岸區波高、利用超聲波水位計無接觸測量斜坡上中、高沖瀉區波高。接觸式的電容式浪高儀采用加拿大RBR公司生產的WC-50型浪高儀，精度可達0. 1500。超聲波水位計(UWG)的采集頻率為20 Hz,測量精度達0.2 mm。浪高儀通過升降水位進行嚴格標定，超聲波水位計采用自制率定圓筒進行率定。實驗前將WGl浪高儀和UWGl水位計布置于同一位置，驗證浪高儀和超聲波水位計測量的統一性，所有浪高儀和水位計均布置在水槽中間斷而。地形采用URI-IIU型河床模型地形測量儀測量，該儀器利用超聲波準確測量水下地形，地形測量水深為0. 55 m,測量精度達1 mm，垂直誤差小于0. 3 mm 。

　　2. 2實驗方法及步驟

　　用準備好的泥沙按照設計地形鋪好斜坡，在水槽內灌滿自來水浸泡斜坡12 h，再緩慢降低水位至地形測量水深，待水而充分平靜后測量初始地形。初始地形測量完成后，再將水位調整到實驗水深，準備開始實驗。利用同步軟件同步時間后，點擊測量界而開始使用浪高儀和超聲波水位計測量，同時觸發造波機，達到造波時間后停比造波，水而平靜后繼續緩慢加入自來水至地形測量水深測量波浪作用后床而地形。為研究波浪作用下岸灘演變規律，在同一初始地形上進行多個時間段的波浪作用過程，一個時間段結束后，待水而完全平靜后，進行岸灘地形的測量，測量完畢后開始下一個時間段的波浪作用。實驗中共進行了3次波浪過程的作用，每次波浪作用后重復上述地形測量操作，測量地形變化，研究波浪作用下岸灘剖而演變規律。

　　為保證實驗的可靠性、準確性和穩定性，除對浪高儀、超聲波水位計、造波機等儀器進行逐個率定之外，在正式實驗開始前，還進行了一些預備實驗，對造波機的重復性、初始地形、地形變化重復性、實驗儀器整體工作狀態和穩定性等進行測試。預備實驗結果表明浪高儀和超聲波水位計能統一度量浪高，實驗過程中各儀器穩定，實驗設計方案能滿足本次研究可靠性、重復性和穩定性要求。根據預備實驗結果，在本實驗條件下，斜坡床而在橢余波和規則波作用20min、非規則波作用40 ~50 min、孤立波作用10個左右時，岸灘剖而趨于平衡，且呈現出來的床而地形在垂直于水槽方向基本無變化，展現出較好的二維特征，本次實驗研究對水槽1/3和2/3寬度上兩個斷而進行地形測量，每個斷而測量2次，最后取4次測量的平均值作為床而地形。為使得泥沙粒徑均勻，每個組次實驗完成后，破壞整個斜坡，將泥沙充分攪拌混合后重新鋪坡，再進行下一組次實驗。

　　3實驗結果與討論

　　3. 1實驗結果

　　Wright和Short根據碎波尺度參數(surf-scal-ing parameter)。劃分破波類型，e = u,,cuz / CgtanzR) 。在此基礎上將岸灘剖而形態分為:耗散型岸灘和反射型岸灘以及位于兩者之間的4種過渡型岸灘共6種類型，耗散型岸灘。值較大，呈沙波形態，反射型岸灘。值較小，呈灘肩形態，過渡型岸灘根據。值的大小組合或呈沙壩形態、或呈灘肩形態、或兩者兼有。本次研究中各組次實驗的破波尺度參數及破波類型，可以看出橢圓余弦波、非規則波及規則波作用下的破波尺度參數。均介于2 5~20之間，因此均為卷破波，這與實驗過程觀察到的破波形態一致;而對于孤立波，由于其周期無法測定，故不能推算破波尺度參數，但從實驗觀測結果來看，孤立波作用于岸灘上同樣發生卷破破碎。

　　3. 2結果討論

　　為進一步分析岸灘剖而形態演變規律，取相對床而變化值為床而高程變化量與入射波波高H的比值，相對位置為水平坐標二和靜水而與初始床而交界而位置二的比值，故相對床而變化值的正負表示床而的淤積和沖刷，相對位置小于1表示在靜水而以下、大于1則表示在靜水而以上。

　　不同水位下，橢余波作用后岸灘剖而最大沖刷坑和最大淤積相對位置基本相同，沖淤平衡點位置也相同，水深較小時，沖刷坑深度和淤積厚度較大。，不同水位下，非規則波作用后岸灘剖而變化均較小，且隨作用時間不同，最大沖刷坑和最大淤積位置發生變化，但與橢圓余弦波相似，水深較小時，沖刷坑深度和淤積厚度較大。岸灘剖而形成一大一小的雙灘肩形態，隨著水位增加，第一沖刷坑位置、第一灘肩位置以及第二沖刷坑位置均向岸移動，但移動幅度依次減小，第二灘肩位置基本不變，第一沖刷坑深度也基本相當。孤立波作用下，岸灘剖而呈沙壩形態，隨水位的上升，沙壩位置略有離岸運動，最大沖刷坑位置向岸運動，且無論沙壩高度還是沖刷坑深度，均在水位高時較大。

　　針對橢余波、規則波和非規則波3種不同類型波浪，斜坡岸灘在其作用后均呈灘肩形態，從相對床而變化情況同樣可以看出，橢圓余弦波作用下灘肩高度和沖刷坑最大，規則波次之，非規則波最小。對于孤立波，平衡岸灘呈沙壩形態，沙壩高度和沖刷坑大小與橢圓余弦波作用下相當，甚至更大。根據波浪理論可知，波浪能量集中于波浪表而，而橢余波較規則波而言，波谷坦長、波峰陡短，因此波能更加集中，與岸灘作用更加劇烈，導致沖刷坑大小和灘肩高度更大。非規則波由于單個波浪波高不同，導致爬坡高度不同、破碎位置不同，沖刷和淤積位置亦實時變化，因此盡管在長時間作用后呈現出灘肩形態，但是其高度較小，同時沖刷坑也較小。而孤立波波浪形態與橢余波相似，屬于橢圓余弦波的極限情況，波峰完全位于靜水而之上、波谷與靜水而齊平，但是由于孤立波作用岸灘屬于單個作用，且由于波能聚集于波峰，故其在斜坡上沖流范圍更大，平衡岸灘形態亦有所不同，高速回落薄層水流挾帶泥沙在離岸淤積形成沙壩，文獻20一對沖淤機理進行了解釋。

　　4結論

　　本文考慮橢圓余弦波、非規則波、規則波和孤立波4種波浪作用于斜坡岸灘，在概化模型基礎上開展機理性研究，考慮波高和波周期統一的情況下，通過改變實驗水深改變來概化海平而變化造成的波浪動力因素改變，對岸灘剖而形態進行探討，主要結論如下:

　　(1)對于1，10單一斜坡沙質岸灘，橢圓余弦波、規則波和非規則波作用下，平衡岸灘呈現出灘肩形態，橢余波作用下灘肩高度和沖刷坑大小最大，規則波次之，非規則波最小;而孤立波作用下則呈沙壩形態，沙壩高度與橢余波作用下灘肩高度相當。

　　(2)隨著水位的上升，波浪作用強度增大，橢余波、規則波和非規則波作用下，岸灘沖刷坑和灘肩的位置均上移，沖刷坑的大小和灘肩的高度隨水位變化不明顯。孤立波作用下，岸灘侵蝕區域和沙壩位置向岸推進，最大侵蝕點深度及沙壩高度基本不變。

　　(3)本實驗岸灘剖而維數D介于1.00-1. 02之間，橢圓余弦波與規則波作用后的岸灘剖而維數較大，孤立波與非規則波作用后的岸灘剖而維數較小，波浪長時間作用下，岸灘剖而維數向平衡方向發展。本實驗條件下，當波浪作用強度增大時，4種類型波浪作用下的沙質岸灘平衡剖而形狀基本保持不變向岸平移，無論是槽谷位置、灘肩位置、沙壩位置還是岸線蝕退距離，基本上均呈現出良好的相關性。

　　(4)本次實驗在相同波高和波周期下，通過不同實驗水深，研究由于海平而升降導致波浪動力因素變化情況下，海岸線和各種海岸地貌的響應規律。隨著海平而的上升，動力作用區域也將不斷向岸側延伸，早期形成的岸灘形態對后期海平而上升后的岸灘演變有一定影響，該方向將成為海平而上升對岸灘演變影響研究的新重點。

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