潮流影响下珊瑚礁海岸附近波浪破碎和增水特性研究

论文摘要

近年来随着我国在南中国海域对珊瑚岛礁的开发力度逐渐加大,在珊瑚岛礁周围建设诸如灯塔、码头、机场、油气开采平台等设施日益增多。此类工程设施常处于远海地区,海况恶劣,周围海底地形变化剧烈,如何在诸如风暴潮等极端气候下对其进行建设和维护是一个亟待解决的问题。据学者现场观测,对全球珊瑚礁海域附近的波浪和潮汐条件进行了调查,发现世界上大约三分之一的珊瑚礁可以被认为是潮汐主导的,这意味着潮流在一些珊瑚礁海岸附近的水动力过程中将起主导作用。因此,研究潮流对珊瑚礁近岸水动力过程的影响,将有助于进一步完善和发展珊瑚礁水动力学理论,并为岛礁工程的建设和维护提供一定的理论参考。本文基于概化的珊瑚礁模型,通过两个波流水槽实验,利用造流泵在水槽两端产生正向和反向的恒定流来模拟正向流(涨潮)和反向流(落潮)过程。实验一主要利用视频采集系统结合浪高仪,测试了一系列规则波况与不同潮流流量的组合工况,研究了潮流对波浪破碎特征的影响;实验二主要采用浪高仪对沿礁方向的水位进行了测量,研究了潮流对礁坪上波浪增水的影响。随后提出一个基于动量守恒的水平一维理论模型预测不同潮流影响下的波浪增水,并进一步对该模型参数的进行了敏感性分析。物理实验结果表明:相对礁滩淹没度(礁滩淹没度与深水波高之比)是表征波浪传播变形以及波浪破碎(破碎点位置、碎波带宽度、破碎波高、破碎水深、破碎指标参数)的关键参数;在本研究的物理实验测试范围内,潮流流量对波浪破碎特性的影响较为显著,因此在现有的分析或数值模型中加入潮流效应的影响是十分必要的;当波浪与正向流共同作用时,单宽流量越大,平均水位越小,而当波浪与反向流共同作用时,单宽流量越大,平均水位越大;随着流量的增大,正向流和反向流情况下产生的平均水位的差异增大;存在潮流时礁坪水深仍然是控制礁坪上波浪增水的重要参数,礁坪最大增水随潮流流量大小程近似线性减小的趋势。正向流作用时,礁坪上平均水位始终低于反向流的情况。潮流从反向流最大变化到正向流最大时,礁坪上的最大波浪增水显著减小。本文提出了一种基于动量和能量横向平衡的理论模型,用于考虑潮流存在的情况下,预测珊瑚礁地形上的波浪形态。不同波流条件下的模型计算结果与物理实验中的结果均吻合较好,表明该理论模型可以对波流共同作用条件下的波高、平均水位以及礁坪上波浪增水进行较好的预测;关键模型参数随潮流流量的增大而迅速减小,可通过改变初始破碎波高和位置,来模拟水流对波浪形成的影响。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 现场观测

1.2.2 物模实验

1.2.3 理论模型

1.3 本文研究工作

第二章物理实验设置与方法

2.1 实验概述

2.2 实验设备

2.2.1 水槽及其造波系统

2.2.2 造流系统

2.2.3 浪高仪采集系统

2.2.4 视频采集系统

2.3 实验模型和仪器布置

2.3.1 实验模型

2.3.2 仪器布置

2.4 实验方案及方法

2.4.1 实验工况

2.4.2 实验方法

2.4.3 实验步骤

2.5 实验设备可靠性验证

2.5.1 造波系统

2.5.2 造流系统

2.5.3 浪高仪系统

2.5.4 视频采集系统

2.6 本章小结

第三章潮流对波浪破碎特性的影响

3.1 波浪在珊瑚礁地形上的破碎

3.1.1 波浪破碎过程

3.2 波浪破碎特征

3.2.1 破碎波类型

3.2.2 破碎点位置

3.2.3 破碎带宽度

3.2.4 破碎波高

3.2.5 破碎水深

3.3 本章小结

第四章潮流对波浪增水的影响

4.1 平均水位的沿礁变化

4.2 礁坪最大增水的变化

4.2.1 入射波的影响

4.2.2 潮流的影响

4.3 波浪增水理论模型

4.3.1 理论推导

4.3.2 模型的运用

4.3.3 关于模型参数的敏感性分析

4.4 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A

附录B

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 何文润

导师: 姚宇

关键词: 珊瑚礁,潮流,波浪破碎,波浪增水,理论模型

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 长沙理工大学

分类号: TV139.2

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000434

总页数: 72

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