海岸淺水區(qū)波浪衰減的觀測(cè)研究

1海岸波浪觀測(cè)的現(xiàn)狀波浪是海岸環(huán)境中最重要的動(dòng)力因素之一。無(wú)論就泥沙起動(dòng)、搬運(yùn)和堆積的沉積動(dòng)力學(xué)而言,還是從海岸防護(hù)的角度考慮,波浪都是不可缺少的動(dòng)力因子。由沉積物組成的潮間帶分布在世界海岸的許多岸段。由于黃河、長(zhǎng)江等大河有大量細(xì)顆粒泥沙來(lái)源,我國(guó)有廣泛發(fā)育的淤泥質(zhì)潮間帶,其中尤以連綿近千千米的江蘇-上海潮間帶著稱于世。要深入認(rèn)識(shí)潮間帶(特別是開(kāi)敞型潮間帶)的沖淤過(guò)程,必須考慮波、流的共同作用。要在確保海堤安全的前提下降低海堤的設(shè)計(jì)和建造成本,也需要了解堤外波浪的衰減規(guī)律。因此,潮間帶波浪衰減的研究受到學(xué)術(shù)和工程界的高度重視。美國(guó)的研究表明,波浪進(jìn)入互花米草(Spartinaalterniflora)鹽沼20~30m距離后波高降低71%,波能損失92%~100%。以英國(guó)鹽沼為對(duì)象的研究認(rèn)為,80m寬的鹽沼植物能使波高降低40%(物理模型試驗(yàn))。對(duì)英格蘭北諾?？说貐^(qū)的鹽沼與相鄰光灘的野外觀測(cè)和數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),波浪經(jīng)過(guò)197m長(zhǎng)的光灘,有效波高減低15.29%,波能減少28.52%;波浪經(jīng)過(guò)180m長(zhǎng)的鹽沼,波高降低60.96%,波能減少82.05%。對(duì)長(zhǎng)江口海三棱藨草(Scirpusmariqueter)沼澤前緣的初步觀測(cè)表明:在植物冠頂被淹沒(méi)之前,波浪傳入沼澤10m后波高和波能分別損失57%和81%;當(dāng)植物冠頂被淹沒(méi)之后,波浪的損失十分有限?？傊?盡管波浪在光灘和在鹽沼上傳播時(shí)都有能量損失,但是波浪在鹽沼中的衰減比在光灘上的衰減更加明顯。海岸波浪研究有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬三種途徑。前者更接近復(fù)雜的自然狀況,因而更值得重視。對(duì)海岸淺水區(qū)域波浪的觀測(cè)研究(盡管已經(jīng)做了一些工作)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,原因有兩方面:(1)不同地區(qū)的海岸自然條件(沉積物組成、地貌背景、植被狀況、風(fēng)況、潮況)往往差異顯著,一個(gè)地區(qū)的研究結(jié)果往往不能或不能完全代表其他地區(qū)的情況;(2)觀測(cè)儀器的局限性,對(duì)于適用于淺水的、便攜式的、高精度的波浪觀測(cè)儀器(或由于其價(jià)格昂貴)難以購(gòu)買,并且對(duì)于波浪資料的后處理非常耗時(shí)、耗力。海岸淺水區(qū)波浪的自動(dòng)觀測(cè)研究十分少見(jiàn),相比之下,流速、流向的自動(dòng)觀測(cè)要豐富得多。利用先進(jìn)的測(cè)波儀進(jìn)行不同特點(diǎn)海岸波浪衰減觀測(cè)研究是當(dāng)前研究海岸動(dòng)力的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文以開(kāi)敞型長(zhǎng)江口崇明東灘潮間帶為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,對(duì)下列三方面進(jìn)行研究:(1)波浪的向岸衰減特征;(2)鹽沼植被對(duì)波浪衰減的貢獻(xiàn);(3)波高/波能密度與水深的關(guān)系。2鹽沼-光灘濕地崇明東灘位于長(zhǎng)江口崇明島東部,面向東海(圖1a)。長(zhǎng)江口為不正規(guī)半日潮,在口門區(qū)平均潮差為2.5~2.7m,最大潮差為4.62m;年平均風(fēng)速為3.5~4.5m/s,最大風(fēng)速達(dá)36m/s。崇明東灘是國(guó)家級(jí)濕地鳥(niǎo)類保護(hù)區(qū),也是世界重要濕地名錄之一。該潮間帶寬數(shù)千米,上部是鹽沼植被帶,下部是光灘帶,沉積物以淤泥質(zhì)為主。研究斷面位于崇明東灘正東偏北位置(圖1b)。本文三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別定位在鹽沼-光灘邊界向海610m的光灘上(A點(diǎn):31°32′6.612″N,121°58′46.70″E;高程1.72m)、鹽沼-光灘交界處(B點(diǎn):31°31′58.623″N,121°58′25.59″E;高程2.28m)和鹽沼-光灘邊界向陸9m(C點(diǎn):31°31′58.591″N,121°58′25.26″E;高程2.61m)(高程均為吳淞基面)。該處鹽沼植物是引種的美國(guó)互花米草(Spartinaalterniflora),一般高1.5~2.0m,蓋度為90%~95%,生物量干重為3~5kg/m2。3波浪衰減率的測(cè)定2007年11月22—29日(本文用2007年11月23日的一個(gè)潮周期來(lái)舉例說(shuō)明),在長(zhǎng)江口崇明東灘的潮間帶中部光灘-鹽沼過(guò)渡帶利用三個(gè)SBE26plus浪潮儀(waveandtiderecorder)(美國(guó)SEA-BIRD公司生產(chǎn))進(jìn)行觀測(cè)。該浪潮儀觀測(cè)適合的最大水深是20m(分辨率為0.2mm,精度為0.01%)。設(shè)置采樣時(shí)間間隔為10min,即每隔10min發(fā)一個(gè)脈沖,采樣頻率為4Hz。在觀測(cè)斷面南側(cè)約50m的船上觀察波浪的前進(jìn)方向,使在同一直線上的三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)沿波浪的傳播方向,并且同時(shí)垂直于等深線,確保波浪衰減率是在波浪前進(jìn)方向上的衰減率。先把浪潮儀固定好后,再把它平放到灘面上,壓力探頭距灘面15cm。浪潮儀記錄數(shù)據(jù)的處理采用儀器公司配售的Seasoftforwaves專用軟件,得出的參數(shù)包含平均波高、有效波高、最大波高、平均波能密度和平均水深(即10min內(nèi)壓力探頭到水面垂直距離各個(gè)記錄數(shù)據(jù)的平均值),實(shí)際水深是水面至底床的垂直距離,即儀器壓力探頭記錄的水深加上探頭距床面的距離(15cm)。對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程使用美國(guó)Ashtech生產(chǎn)的RTK-GPS測(cè)量,其水平測(cè)量精度達(dá)厘米級(jí)[(1.6+2×10-6)cm],高程測(cè)量精度達(dá)厘米級(jí)[(2.0+1×10-6)cm]。4結(jié)果4.1有效波高的測(cè)定三觀測(cè)點(diǎn)的平均波高和有效波高都隨水深的增大而增大(見(jiàn)圖2)。平均波高和有效波高之間呈極好的正相關(guān)關(guān)系:HsA=1.5332HaA1.0052?n=34?r=0.999?P＜0.001,(1)HsB=1.8397HaB1.0736?n=27?r=0.999?P＜0.001,(2)HsC=0.6028HaC0.9564?n=24?r=0.999?P＜0.001,(3)ΗsA=1.5332ΗaA1.0052?n=34?r=0.999?Ρ＜0.001,(1)ΗsB=1.8397ΗaB1.0736?n=27?r=0.999?Ρ＜0.001,(2)ΗsC=0.6028ΗaC0.9564?n=24?r=0.999?Ρ＜0.001,(3)式中,HsA,HsB和HsC分別代表A點(diǎn)(光灘)、B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)和C點(diǎn)(鹽沼)的有效波高;HaA,HaB和HaC分別代表A點(diǎn)(光灘)、B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)和C點(diǎn)(鹽沼)的平均波高;n為樣本數(shù);r為相關(guān)系數(shù);P為顯著性水平。無(wú)論是平均波高還是有效波高,A點(diǎn)(光灘)的幾乎所有觀測(cè)值都大于B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的同步觀測(cè)值,而B(niǎo)點(diǎn)的觀測(cè)值大于C點(diǎn)(鹽沼)的同步觀測(cè)值(見(jiàn)圖2)。平均波高的最大值從A點(diǎn)(光灘)的0.36m下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的0.143m和C點(diǎn)(鹽沼)的0.124m(表1),下降率分別為0.098%/m(光灘段)和1.476%/m(鹽沼段),后者是前者的14.9倍。平均波高的平均值從A點(diǎn)(光灘)的0.25m下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的0.105m和C點(diǎn)(鹽沼)的0.082m(表1),下降率分別為0.095%/m(光灘段)和2.43%/m(鹽沼段),后者是前者的25.6倍。有效波高的最大值從A點(diǎn)(光灘)的0.54m下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的0.234m和C點(diǎn)(鹽沼)的0.187m(表1),下降率分別為0.093%/m(光灘段)和2.23%/m(鹽沼段),后者是前者的24.0倍。有效波高的平均值從A點(diǎn)(光灘)的0.37m下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的0.165m和C點(diǎn)(鹽沼)的0.125m(表1),下降率分別為0.091%/m(光灘段)和2.69%/m(鹽沼段),后者是前者的29.7倍。4.2點(diǎn)鹽沼的觀測(cè)值比選觀測(cè)點(diǎn)的平均波能密度隨著水深增大而呈增大趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。與三個(gè)測(cè)點(diǎn)波高的變化一樣,A點(diǎn)(光灘)的幾乎所有的平均波能密度觀測(cè)值都大于B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)同步觀測(cè)值,而B(niǎo)點(diǎn)的觀測(cè)值大于C點(diǎn)(鹽沼)的同步觀測(cè)值(見(jiàn)圖3)。平均波能密度的最大值從A點(diǎn)(光灘)的76.2J/m2下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的44.8J/m2和C點(diǎn)(鹽沼)的31.9J/m2(表1),下降率分別為0.068%/m(光灘段)和3.2%/m(鹽沼段),后者是前者的47倍。平均波能密度的平均值從A點(diǎn)(光灘)的46.2J/m2下降為B點(diǎn)(光灘-鹽沼交界)的27.2J/m2和C點(diǎn)(鹽沼)的17.6J/m2(表1),下降率分別為0.068%/m(光灘段)和3.9%/m(鹽沼段),后者是前者的58倍。4.3主體波高與高起點(diǎn)波高關(guān)系在各個(gè)潮周期中波高有隨水深增大而增大的趨勢(shì),即在觀測(cè)點(diǎn)被淹沒(méi)的初期和末期(淺水階段)波高較小,而在高潮位階段波高較大(見(jiàn)圖2)。各觀測(cè)點(diǎn)的波高與水深之間在統(tǒng)計(jì)上具有顯著的正相關(guān)。圖4是有效波高與水深關(guān)系的一個(gè)例子,相關(guān)系數(shù)分別為0.966(鹽沼中)、0.927(光灘-鹽沼交界處)和0.871(光灘),顯著性水平均小于0.001。5鹽沼植物種類對(duì)浮潮的消浪效果的影響波能密度與波高的時(shí)空變化趨勢(shì)一致是因?yàn)楸娝苤獌烧咧g有內(nèi)在聯(lián)系,即前者與后者的二次方成正比。在同一觀測(cè)點(diǎn)波高與水深的顯著正相關(guān)反映水深是波浪發(fā)育的限制性因子。當(dāng)水深減小到小于二分之一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)稱為“淺水波”,這時(shí)波浪觸及床底,導(dǎo)致能量損耗,波高隨之降低。波高/波能密度的向岸減弱反映波浪在傳播過(guò)程中因摩擦而導(dǎo)致能量損耗,波浪的折射和破碎等也都是摩擦造成的。在光灘上波浪受到的摩擦與灘面的糙度和高程變化率(坡度)有關(guān),而在鹽沼中除了這些影響因素外,還與植被導(dǎo)致水體和植物莖葉之間的摩擦有關(guān)。本文單位距離上波高的損失率在鹽沼中比在光灘上高14~29倍,單位距離上波能密度的損失率在鹽沼中比在光灘上高40~55倍,這可能主要是因?yàn)槊艿幕セ撞?Spartinaalterniflora)的摩擦消能作用。鹽沼植物的消浪作用無(wú)疑與植物的特征有關(guān)。植物越高、越密、生物量越大,消浪效果越好。如前所述,在英格蘭北諾?？说某遍g帶上:波浪經(jīng)過(guò)197m的砂質(zhì)光灘,有效波高減低15.29%,單位距離上的降低率為0.078%/m,這與本文光灘上的降低率0.091%/m相近,但在北諾福克,波浪經(jīng)過(guò)180m的鹽沼,有效波高降低60.96%,降低率為0.39%/m,明顯低于本文的2.69%/m。其原因可能是北諾?？他}沼植物是大米草(Spartinaanglica)和鹽地堿蓬(Suaedamaritima)等,高度通常小于20~30cm。在美國(guó)波浪進(jìn)入互花米草(Spartinaalterniflora)鹽沼20~30m距離后,波高降低71%,波能損失92%~100%。以平均25m距離計(jì)算,波高和波能密度的降低率分別是2.84%/m和3.84%/m,與本文的結(jié)果基本相符,可見(jiàn)不同的鹽沼植物種類,其消浪效果差異顯著。潮汐對(duì)觀測(cè)點(diǎn)波浪的特征及其衰減具有重要影響。低潮位時(shí)觀測(cè)點(diǎn)露出,儀器無(wú)波浪記錄。當(dāng)潮位上漲至中潮位附近時(shí),儀器被淹沒(méi),有波浪記錄。隨著潮位的繼續(xù)上漲,水深逐漸增大,波高和波能也隨之增大,一般在高潮位時(shí)波高和波能達(dá)到最大值。在落潮過(guò)程中,隨著潮位的下降水深減小,波高和波能也隨之減小(見(jiàn)圖2和3)。因此,在風(fēng)況一定的條件下,大潮期間的波浪比小潮期間的大。波浪一般由海向陸傳播,故漲潮階段流向與波向大致相同,落潮階段則相反。因此,漲潮階段波浪的衰減可能比落潮階段的小,從而造成漲潮階段波浪總體上強(qiáng)于落潮(見(jiàn)圖3b,c)。此外,在通常情況下淺水階段波浪的衰減較之深水階段(例如高潮位)明顯,原因是淺水階段波浪與底床的摩擦力大。由于波浪在淤泥質(zhì)潮間帶(尤其是開(kāi)敞型海岸)沉積動(dòng)力過(guò)程中的重要作用,鹽沼植物的消浪效果必然會(huì)對(duì)潮間帶的沖淤以及沉積物特性產(chǎn)生深刻影響。此外,波浪在潮間帶(特別在鹽沼中)的衰減對(duì)海堤的防護(hù)具有重要啟示,可作為是否圍墾或圍墾強(qiáng)度多大(海堤高程