人工水下沙坝与波浪的相互作用机制与规律研究

Beach erosion is a severe problem worldwide. Beach nourishment is widely regarded today as an environmentally acceptable method to protect the beaches effectively. Recent years artificial sand bars were employed in the beach nourishment projects as a more natural way to protect the beach instead of submerged breakwaters. Artificial sand bar protects the beach by dissipating the wave energy and nourishing the beach directly. However, evolution of the sand bar profile leads to changes in the protective performance of artificial sand bars, and hence the understanding of the process of the profile evolution of artificial sand bar under wave action is of great importance to the estimation of the long-term performance of beach nourishment. This proposal studies the interactions between the profile of artificial sand bars and wave actions. The mechanisms and laws of the responses of the profile evolution of the artificial sand bar to the wave actions are studied, and the empirical formulae to estimate the wave transmission coefficients of artificial sand bars are developed via dimensional analysis. On the basis of the property of the interactions between artificial sand bar and wave action and the fact that lots of factors act on it, a study method of flume experiment, numerical simulation based on SPH and dimensional analysis is adopted. The study of this proposal has contributions to the morphodynamics theory and numerical models based on one-line theory, and it provides references for the applications of artificial sand bar in beach nourishments.

在砂质海岸上，海岸侵蚀是一种普遍存在的自然现象。人工养滩作为一种环境友好的有效保护海滩的方法，在世界范围内得到了广泛应用。近年来，人工水下沙坝作为一种亲近自然的工法在人工养滩工程中被采用，起到削减波能和养护海滩的作用。与传统的离岸潜堤不同，人工水下沙坝的剖面形状会在波浪的作用下发生改变，随之带来削减波能和养护海滩效果的变化，对这种变化规律的研究和了解对人工养滩效果长期预测的准确性有重要的意义。本申请以人工水下沙坝与波浪的相互作用为研究对象，探讨人工水下沙坝的剖面形状对波浪作用的响应机制和规律，并对其波浪透射系数做出定量化的预测。根据研究对象的自身特点以及众多的影响因素，设计了水槽实验-SPH数值模拟-规律和量纲分析的技术路线，研究对象和研究方法均具有创新性。预期成果在理论上可丰富海岸地貌动力学和一线理论数值模型的理论，在技术上为人工养滩中人工水下沙坝的应用提供理论依据和技术支撑。

在砂质海岸上，海岸侵蚀是一种普遍存在的自然现象。人工养滩作为一种环境友好的有效保护海滩的方法，在世界范围内得到了广泛应用。近年来，人工水下沙坝作为一种亲近自然的工法在人工养滩工程中被采用，起到削减波能和养护海滩的作用。与传统的离岸潜堤不同，人工水下沙坝的剖面形状会在波浪的作用下发生改变，随之带来削减波能和养护海滩效果的变化，对这种变化规律的研究和了解对人工养滩效果长期预测的准确性有重要的意义。我国黄渤海沿岸有大量的优质旅游海滩，而受到宽阔的大陆架影响，这些海滩的明显特征是波浪和潮汐作用较小，被称作低能海滩。因此，本研究围绕低能海滩人工水下沙坝与波浪的相互作用，开展了现场观测及数据分析、水槽试验及结果分析、长短期演变数值模拟、新型养滩模式的论证四个方面的研究工作。取得了自人工水下沙坝以来为期4年的剖面演变现场观测资料，分析得到了低能沙质海滩上人工水下沙坝的几个主要长期演变趋势，建立了有人工水下沙坝的低能沙质海滩平衡剖面模式；提出了适用于复杂物理过程比尺推导的局部拟合法，推导得到了适合低能沙质海滩波浪动床模型的比尺关系，通过物理实验得到了不同波高、周期的规则波和不规则波对人工水下沙坝演变的影响，提出了人工水下沙坝波浪透射系数的经验计算方法；使用光滑粒子法实现了波浪与人工水下沙坝相互作用的数值模拟，预测了人工水下沙坝的演变趋势，使用大范围波流数值模型复演了实际工程下人工水下沙坝的演变过程，探讨了实际工程下人工水下沙坝的演化归宿；项目关于人工水下沙坝的研究内容纳入岬湾砂质旅游海滩生态修复模式，应用于我国秦皇岛市多个海滩养护工程的设计与后效评估。研究成果上聚焦在低能沙质海岸波浪与人工水下沙坝的相互作用，在理论加深了波浪对于向岸——离岸输砂作用影响的认识，在技术上为人工养滩中人工水下沙坝的应用提供理论依据和技术支撑。