珊瑚礁地貌改变对海洋动力因素演变过程的影响机制研究

Wave propagation and evolution on the coral reef is a complex and strong nonlinear hydrodynamic process. The ocean dynamic and ecological environment in the sea area of coral reef are facing dramatic changes as the sea reclamation works continued at present days. The researches on the mechanism of the construction engineering influencing on the evolutive process of ocean dynamics are of great significance for ensuring the safety of protection structures during storms and reducing the ecological influence included by the human activities. The objective of this project is to develop a 3D time-domain numerical model of solving the process of wave propagation and evolution from the deep-sea to the reef-face and reef-top with high resolutions. The influence of the complex reef morphology, the rough reef surface and the permeable reef foundation on the wave set-up, wave-driven current and the infragravity wave will be analyzed. The mechanism linking the change of reef morphology and the ocean dynamics will be understood. The research results will provide scientific basis for the new building structures on the reef flat and in the lagoon. The impact of the human interventions on the ecological environment of coral reef will be evaluated and the relevant engineering measures will be tried to reduce the influence induced by the reef construction engineering on the ecological environment of the coral reef.

波浪在珊瑚礁体上的传播和演变是一个复杂的强非线性水动力过程。随着我国现阶段围礁填海工程的开展，珊瑚礁所在海区的动力环境和生态环境也面临着巨大的改变，开展岛礁建设工程对海洋动力因素演变过程的影响机制研究对于保证恶劣海况下珊瑚礁上防护结构物的安全和减小工程对周围水域生态环境的影响等具有重要的意义。本项目拟建立精细求解波浪在深海-礁面-礁坪上传播和演变过程的三维时域数学模型；开展珊瑚礁动力地貌形态以及底质的不均匀性和渗透性对礁坪上的波浪增水、波生流和次重力波的生成机理及传播模式的影响研究；明确珊瑚礁地貌形态改变与海洋环境动力因素演变过程的关联机制。为礁坪上新建水工结构物和潟湖内舰船泊位的设计参数的确定提供科学依据，评价岛礁建设工程中填海造陆、航道开挖和清淤疏浚等活动对珊瑚礁生态环境的影响，提出减小上述工程活动对所在海区生态环境影响的工程措施。

珊瑚礁海岸的礁脊-槽沟系独特地貌使其周围水域形成了不同于近海海区的独特水动力环境，礁体上的强非线性波浪破碎和波-波相互作用在礁坪上产生波浪增水、波生流和低频波等多种复杂的水动力过程。在岛礁建设环境下，工程建设会引起礁坪上的平均水位、波浪传播模式、波能分布和水体运输能力产生复杂变化，同时礁坪上显著的波浪增水或低频波振荡也严重威胁着礁坪上新建结构物或后方陆域设施的安全。.本项目在光滑粒子流体动力学方法（SPH）算法的计算精度和计算效率等方面进行了系列发展和改进,应用改进后的SPH方法在珊瑚礁海域复杂地形上波浪变形和破碎的模拟、礁体上多层不均匀可渗介质内渗流场和湍流场的SPH模拟，波浪在深海-礁面-礁坪上传播演变过程的数值仿真，以及珊瑚礁海岸水动力演变机制及其工程安全影响等方面取得了多项创新成果。.研究成果解决了底质礁岩内独特渗流特性的难题，突破现有模型只能考虑底摩阻引起的波能损耗、不能模拟底质礁岩内独特渗流特性的局限。对SPH算法的计算精度和计算效率进行了改进，突破了三维SPH模型计算效率低下的瓶颈，实现对波浪在水深剧变的礁面上传播和礁坪上波-波相互作用的强非线性过程的精细模拟。提出了礁坪上波浪增水高度的计算方法以及减小礁坪上波浪增水高度和结构物越浪量的工程措施。.研究工作深化了对波浪在复杂珊瑚礁海岸的传播演变机制、复杂不均匀介质内的非线性渗流机理、以及地貌改变对珊瑚礁海域动力因素演变机制的认识；推动了强非线性波浪力学、计算流体动力学和流固耦合力学等学科的发展；为认识珊瑚礁海岸海上建筑物承载机理与破坏模式分析提供了基础数据和技术支撑。