濱州雙層牡蠣礁消浪效果的實驗研究

洪 新,程建婷 ,李慶杰,武 雙,燕 杰,石洪源

(1.國家海洋局煙臺海洋環境監測中心站,山東 煙臺 264006;2.魯東大學水利工程學院,山東 煙臺 264025)

引 言

為響應“開展藍色海灣整治行動”等國家戰略,生態環境部、自然資源部與財政部聯合實施了“海洋生態保護修復”專項支持,目前已在全國多個沿海城市取得積極成效。濱州市作為環渤海經濟圈的重要節點,于 2021 年獲得了“海洋生態保護修復”的專項支持,主體為套爾河河口至潮河河口之間海域的生態環境保護修復,其中包括牡蠣礁修復等內容。

牡蠣礁指由大量牡蠣固著生長于硬底物表面所形成的一種生物礁系統,它廣泛分布于溫帶河口和濱海區。牡蠣礁的修復主要通過結合防浪堤設置專用礁體以及利用牡蠣殼礁體兩種方式實現。牡蠣礁水動力學屬于近岸水動力學研究的一部分,國內在近岸水動力學的研究上,主要集中在波浪傳播中的變形與破碎問題上[1-2]。因我國南海造島工程的實施,珊瑚礁與波浪的相互作用研究較多,例如陳洪洲等[3]基于數值模型,研究了珊瑚岸礁礁坪上的波浪變形問題;姚宇等[4]基于水槽試驗,研究了潮汐流影響下的珊瑚島礁附近的波浪變形和增水。賈美軍等[5]通過測試一系列不規則波工況研究了防浪建筑物存在下珊瑚礁海岸附近短波、低頻長波和增水的變化規律,并對比了防浪建筑物的不同位置情況。Gourlay[6]基于一系列的珊瑚礁模型試驗,系統地研究了規則波的傳播變形、增水和波生流問題。丁軍等[7]通過水池模型試驗對島礁附近波浪沿程變化、橫剖面波高變化和礁坪上波浪變化特征進行了分析。任冰等[8]通過物理模型試驗研究了規則波在島礁地形上的傳播、變形和破碎變化特性。陳松貴等[9]基于大比尺波浪水槽模型試驗,研究了不規則波在建有防浪堤的珊瑚礁上波浪傳播-破碎-壅水的過程,結果表明,波浪由深海傳至筑堤珊瑚礁,越靠近防浪建筑物,低頻能量越大,水位壅高越大。

珊瑚礁和牡蠣礁消浪原理一致,即增加海底粗糙度及減低水深,造成波浪能量的衰亡。通過文獻查閱,牡蠣礁消浪效果基本無人研究。因此,本文依托濱州市藍色海灣牡蠣礁修復項目,通過物理模型實驗,研究了牡蠣礁設計方案的消浪效果,為相關研究提供參考。

1 牡蠣礁概況及水文條件

1.1 水位條件

根據實測資料統計,以國家1985高程為基準面(以下涉及高程的數據均以此為基準面),工程區極端高水位為3.13 m,設計高水位為1.57 m。

1.2 波浪條件

因研究區域無長期波浪資料,因此本研究利用歐洲中期預報中心發布的ERA52001—2020年波浪數據獲取工程區域外 -13.0 m 等深線處波浪要素,以此作為波浪數值模型SWAN的邊界條件,模型計算區域為117.9°～118.5° E,38.1°～38.5° N,共有 154 048 個,網格節點共有 48 053 個,空間尺度為5 m～1 km,計算間隔為20 min,輸出間隔為1 h。根據波浪要素,分波向分別推算了工程區域50年一遇的波浪大小。模型計算中的水深來自海圖,各高程之間的關系見圖 2,經模型推算得到牡蠣礁-1.0 m和-1.3 m水深處波浪要素,其推算點見圖 1,考慮到工程區域左側堤壩的阻礙作用,因此波浪推算僅僅考慮了7個方向,分別為:NW、NNW、N、NNE、NE、ENE和E。得到的波浪要素值見表1～表4。

表1 極端高水位下雙層鏤空塊牡蠣礁消浪實驗結果

圖1 波浪推算點(W1、W2)位置示意圖

圖2 不同高程之間的關系

1.3 牡蠣礁設置方案

本研究聚焦雙層牡蠣礁消浪效果,牡蠣礁分別布設于1.0 m和1.3 m等深線處,頂標高分別為0 m和1.0 m,牡蠣礁橫剖面為梯形,頂寬為20 m,長度分別為80 m(外層)和40 m(內層),兩側坡度約為45°,可用材質為石塊和鏤空塊,兩層之間垂直距離為20 m。牡蠣礁擺放平面布局見圖3。

圖3 牡蠣礁擺放平面圖(單位:m)

1.4 驗設置

1.4.1 模型尺度

根據《波浪模型試驗規程》(JTJ/T 234—2019),在本模型設計中,綜合考慮實驗水槽尺寸及牡蠣礁尺度、波浪及實驗儀器設備精度情況,采用正態比尺進行模型設計,斷面模型實驗的長度比尺(λl)和垂向比尺(λD)定為λl=λD=10,采用重力相似準則設計實驗模型,則

時間比尺:

(1)

重量比尺:

(2)

牡蠣礁模型按照幾何比尺制作,采用石塊、預制塊等配重,盡量滿足質量和重心位置相似,保證模型的準確性。

1.4.2 實驗場地及儀器

實驗場所選在魯東大學港口航道與海岸工程實驗室大型波流水槽(圖4左)。該水槽長60.0 m,寬2.0 m,高1.8 m,最大工作水深1.5 m,采用伺服電機驅動的推板式造波機,推波板寬2.0 m。該造波機能夠用于模擬波高0.05 m至0.6 m、周期0.5 s至5 s的規則波、不規則波(國內外規范常用頻譜),且具有吸收式造波功能。水槽末端配備消浪石(圖4右),用于吸收波浪(消浪石為底邊長6.2 m、高1.5 m),實驗時應在消浪石上方再鋪上2～3層消浪網,盡可能減少水槽后端波浪反射帶來的影響。

圖4 魯東大學大型波流水槽(左);水槽末端消浪石(右)

1.4.3 實驗儀器與材料

本次實驗采用DS30型64通道電容式浪高測量系統采集數據,系統會分別顯示每個傳感器在采集時間內的周期、平均波高、最大波高、三分之一大波和有效波高,還可以呈現數據的圖像。在模型斷面的中心軸線處放置浪高儀,調整水槽中的水位至實驗水深,對浪高儀進行率定后開始造波實驗,實驗時應當波面穩定(出現3～4 個穩定波高)后開始采集波高數據和運動圖像。每次測量時間為120 s,頻率為100 Hz。每組工況采集兩次,當兩組數據之間滿足實驗要求(誤差小于5%)時方可進行下一組實驗。

1.4.4 模型布置

物理模型實驗的實驗水槽首端具備主動吸波功能的造波設備。模型布置在水槽中部,與造波設備相隔一定距離。在模型區后,經過一段距離后設置消波設備。實驗室通常采用數字波高儀測量波浪在礁區的傳播衰減,可將波高儀布置在礁區及其前后,波高儀測點為4個(礁體的前、后邊緣各1個,礁體面2個)。經縮放,實驗布置見圖5。為消除海底地形的影響,本實驗利用黃河口原位沙(粒徑大小類似)鋪設地形,并采用不規則波作用5個小時至灘面穩定,形成自然的海底過渡區,經高程驗證,水槽地形與牡蠣礁實際海域基本一致,并根據縮放原理,在相應高度處布設實驗礁體(見圖 6)。

圖5 礁體消浪效果實驗示意圖

圖6 灘面穩定后的地形(左)及雙層鏤空塊(右)

2 實驗結果

2.1 極端高水位實驗結果

在極端高水位為3.13 m情況下,鏤空塊和石塊對50年一遇波浪的消浪結果分別見表1和表2,可知:(1)鏤空塊牡蠣礁最佳消浪率在39.19%～41.85%之間;(2)石塊牡蠣礁最佳消浪率在38.49%～44.42%之間。(3)牡蠣礁的消浪效果主要集中在第一層消浪過程,第二層消浪率較小。(4)在極端高水位條件下,兩層牡蠣礁之間因水深逐漸變淺,因淺水效應造成波高降低,淺水效應造成的波浪衰減率不高,介于2.23%～6.46%之間。

表2 極端高水位下雙層石塊牡蠣礁消浪實驗結果

2.2 設計高水位實驗結果

在設計高水位為1.57 m情況下,鏤空塊和石塊對50年一遇波浪的消浪結果分別見表3和表4,可知:(1)鏤空塊牡蠣礁最佳消浪率在74.24%～75.30% 之間;(2)石塊牡蠣礁最佳消浪率在73.91%～76.24% 之間。(3)牡蠣礁的消浪效果主要集中在第一層消浪過程,第二層消浪率較小。(4)在設計高水位條件下,兩層牡蠣礁之間因水深逐漸變淺,因淺水效應造成波高降低,且淺水引起的消浪率大于極端高水位條件下,介于5.29%～8.98% 之間。

表3 設計高水位下雙層石塊牡蠣礁消浪實驗結果

表4 設計高水位下雙層鏤空體牡蠣礁消浪實驗結果

3 結論

利用魯東大學大型水槽研究了不同牡蠣礁組成成分及布放水深下的直面消浪效果,經實驗和計算得到:

(1)在極端高水位50年一遇波高情況下,1 m等深線和1.3 m等深線分別布設頂高層為0 m和1 m的牡蠣礁最佳消浪效果如下:石塊消浪率為 38.49%～44.42% 之間;鏤空塊消浪率為39.19%～41.85%。

(2)在設計高水位50 年一遇波高情況下,1 m 等深線和 1.3 m 等深線分別布設頂高層為0 m 和1 m 的牡蠣礁最佳消浪效果如下:石塊消浪率為73.91%～76.24% 之間; 鏤空塊消浪率為74.24%～75.30%。

(3)對于雙層牡蠣礁,第一層消浪效果遠好于第二層,其消浪率占總消浪率的60%以上。

(4)在兩層牡蠣礁之間,隨著波浪傳播方向,水深變淺,波高將減小,但是幅度并不大,不足10%,尤其在極端高水位情況下效果更不顯著。