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珊瑚礁地形上波浪传播变形的非静压数值模拟

张其一;史宏达;高伟;李金峰

【摘要】珊瑚礁广泛分布于我国南海等海域,具有重要的生态、旅游、港口和军事

价值.波浪是珊瑚礁环境最重要的动力因素之一.基于非静压浅水方程波浪模型

SWASH,模拟了典型岸礁地形上的波浪传播过程,并采用Demirbilek等的水槽实验

数据分别对有效波高、波浪增水与爬高进行了验证,模拟结果与实测数据符合良好,

展示了非静压模型在珊瑚礁地形上良好的适用性.通过波浪频率谱和波面小波谱,分

析了波浪谱在该珊瑚礁地形上的演化规律,并揭示了礁坪上波浪能量从高频向低频

转移的现象.本研究结果可为珊瑚礁环境动力研究以及相关的工程建设提供有益的

参考依据.

【期刊名称】《海岸工程》

【年(卷),期】2017(036)004

【总页数】9页(P1-9)

【关键词】珊瑚礁;波浪传播;非静压模型;SWASH;小波分析

【作者】张其一;史宏达;高伟;李金峰

【作者单位】中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学工程学院,

山东青岛266100;中交天津航道局有限公司,天津300450;中交天津航道局有限公

司,天津300450

【正文语种】中文

【中图分类】P731.22

珊瑚礁作为一种典型的海洋地貌形态,在深海和浅海区域均有分布。根据其形式一

般可以分为环礁、岸礁和堡礁。珊瑚礁地形广泛分布于我国的台湾岛附近及南海海

域,具有重要的港口、航运、生态、旅游、科研和军事价值。近年来,随着国家对南

海岛礁开发力度的提升,珊瑚礁动力环境的研究也逐步加深。然而,由于珊瑚礁地形

地貌特殊而复杂,其动力特点和形成机制尚待系统、深入地探究。

作为珊瑚礁环境的最主要动力,波浪在珊瑚礁地形上的传播和变形得到了国内外学

者广泛的关注。Gourlay[1]较早开展了规则波在珊瑚礁地形上传播变形的物理模型

实验,并提出了非线性系数Fco=来描述相对波高的变化规律:当非线性系数Fco越

小时,相对波高也越小。Demirbilek等①开展了大量的物理模型实验,研究了随机波

浪和风作用下的波浪传播、礁坪增水和礁后波浪爬高问题。Yao等[2]采用物理模

型实验,较为系统地研究了破碎波的特征随礁坪水深和礁前斜坡坡度的变化规律。

陈彧超[3]基于波浪绕射理论研究了潜没岛礁上的波浪运动,分析了岛礁的潜深、排

布数量、岛礁间距和环礁潟湖水深等因素对岛礁消波的影响。数值模拟方

面,Boussinesq方程模型和近年来发展的三维非静压模型被广泛用于珊瑚礁地形的

波浪传播模拟。Yao等[4]利用一维完全非线性Boussinesq模型,采用涡黏模型考

虑波浪破碎,展示了该类模型对珊瑚礁上强烈的波浪破碎过程具有良好的模拟能力。

Yao等[5]进一步考虑了礁坪掘坑对波浪传播的影响,发现掘坑会增加岸线处的风浪

和涌浪波高,而会减小次重力波的波高。刘思[6]针对岸礁地形,采用Boussinesq方

程模型FUNWAVE-TVD[7]模拟了波浪在礁坪上的传播,并改进了方程中对破碎项

的处理。Ma等[8]采用非静压模型NHWAVE模拟了我国南海太平岛礁坪上的波

浪运动,发现珊瑚礁退化会大大增加岸线处波浪能量。Buckley等[9]对比了非静压

波浪解析模型SWASH、波浪平均谱模型SWAN和波浪平均波流耦合模型

XBeach模拟陡坡岸礁地形上波浪传播变形的能力,认为波浪破碎指标是准确模拟

的关键,并指出单纯的波浪平均谱模型对礁坪的次重力波模拟准确度欠佳。

近年来,含非静压项的非线性浅水方程被越来越多地用来模拟近岸波浪的传播变形

[10-14]。非静压模型在垂向上往往仅需要2～3层[10,12-13]即可较为准确地反映

波浪的非线性和色散性,与Boussinesq类和RANS-VOF类模型相比大大提高了计

算效率,具有良好的应用前景。本文采用非静压波浪模型SWASH[10],模拟波浪在

珊瑚礁礁坪上的传播变形,并采用小波变换[15-16]研究礁坪上波浪能量的转换规律。

相关研究结果可为珊瑚礁海岸开发利用与工程建设提供参考依据。

1数值模型

非静压波浪模型SWASH的控制方程为

式中:u,v和w分别为速度在x,y和z方向上的分量;η为自由水面;d为静水深;h为

总水深,h=η+d;g为重力加速度;q为动压。

表面和底床的运动学边界条