淤泥质海岸波生近岸流系动力机制及模拟研究

Muddy coasts are important coastal resources in China. Recently, the fast development for harbor economy requires enormous engineering constructions, and the intertidal mudflats also face the risk of erosion. Considering the above reasons, a comprehensive investigation of the coastal processes for muddy coasts is urgent. The nearshore hydrodynamics contributes most to the coastal morphology and sediment transport. However, in historical researches, it is usually acknowkedged that the tidal currents and waves are major hydrodynamics for muddy coasts, but the impact of wave-induced currents is neglected. Additionally, the classic theories for wave-induced currents origins from the researches on sandy coasts. Actually, the coastal morphology and wave-induced currents are strongly related. The bed slope of muddy coasts is extremely mild, and the cohesive bed could dissipate the wave energy, therefore the wave propagation and breaking features are significantly different from that of the sandy coasts, which brings in a wholly different wave-induced current system. The main aim of this study is to investigate the characteristics of the wave-induced nearshore currents for muddy coasts. Using methodologies such as the in-situ data analysis, laboratory experiments and three-dimensional numerical simulation, the dissipation and breaking features of waves on muddy beds and the stucture of the wave-induced current characteristics for a realistic muddy coast are stuided. The research achievements could supply the present theories on coastal processes, and give necessary references to coastal engineering practices.

淤泥质海岸是我国重要岸线资源，近年来随港口发展，工程需求量巨大，此外受当前灾害天气频发影响，滩涂及国土岸线资源亦遭遇侵蚀风险，因此加强对淤泥质海岸动力机制研究十分必要。近岸流系为海岸地貌塑造的重要驱动力，然在历史研究中多认为淤泥质海岸主要动力因子为潮流和波浪，而对波生流系规律缺乏深入探索。此外，以往对波生流系的理论与模拟研究主要针对沙质海岸地貌条件。然而，海岸地貌形态与泥沙性质与波生流系运动规律紧密相关，淤泥质海岸滩坡度极为平缓，且粘性底床可使波能持续损耗，引起的波浪传播与破碎形式与沙质海岸存在较大差异，必然催生不同性质的波生流现象，需进一步探索。本项目以淤泥质海岸波生近岸流系为研究对象，通过现场资料分析、波浪水槽实验结合三维数学模型实验的手段，深入探索波浪在淤泥层面上的衰减与破碎规律，以及现场条件下波生流系运动特征，所得成果可丰富现有海岸动力学理论，并为海岸工程实施提供技术依据。

淤泥质海岸床面泥沙颗粒细小且富有粘性，并在底部可能有浮泥结构发育，波浪在淤泥及浮泥层面上传播时可有明显的衰减。同时，在以往对淤泥质海岸的研究中，多数关注粘性泥沙的水力特性，而对波生流系的特征缺乏深入探索。在本项目中，通过室内波浪水槽实验手段，开展了148组系列实验，对不同入射波高、波周期、水深和床面容重的环境下的波浪衰减规律进行了研究，并测量了淤泥层面上波生时均流速的垂向和沿程分布。基于实验数据，提出波浪衰减率与淤泥容重显著相关，并存在最大衰减容重（1.34t/m3）。对波浪衰减率而言，其随波高增加而增大，随波周期的增大而减小，并随水深增加而减小。经分析，波浪在淤泥及浮泥层面上的衰减机理可归纳为以下三种：（1）淤泥粘性引起的底部摩阻效应，（2）泥沙起动引起的宾汉体粘滞效应，和（3）浮泥与上层水体间的界面波动。对波生流系的垂向结构而言，垂向发育离岸流，且时均流速量级较低，流速随波浪衰减率增加而增大，并随波周期增大而减小。总体来说，淤泥层面上的波生流速较低。完善开发了波生近岸流系三维模拟软件，指出在淤泥质海岸的波生流系模拟中，可不考虑波浪破碎引起的水滚效应。基于实验数据对所建模型进行了验证，表明模型可有效的反映淤泥层面上波生流系的垂向和水平分布结构。采用连云港海域作为实际淤泥质海岸算例，对不同波浪环境下的波生流系结构进行了分析，成果表明淤泥质海岸的波生底部离岸流现象不明显，流场表底层平面分布结构基本一致，随波高的增大，波生流速的垂线梯度将减小。通过本项目的研究，厘清了淤泥及浮泥层面上波浪传播的内在机理，填补了当前淤泥质海岸波生流系研究较为匮乏的空白，具有显著的学术意义，并在淤泥质海岸工程的设计波浪要素评价和大风天泥沙运动及挖槽回淤评价方面具有应用价值。