浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1849-1857 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.022

地球科学

韵律沙坝触发的裂流动态性研究

张尧,, 刘强, 刘旭楠, 许国栋, 洪晓, 周水华, 刘维杰,, 赵西增

Variability of rip currents induced by rhythmic sandbars

ZHANG Yao,, LIU Qiang, LIU Xu-nan, XU Guodong, HONG Xiao, ZHOU Shui-hua, LIU Wei-jie,, ZHAO Xi-zeng

通讯作者: 刘维杰,男,讲师,博士. orcid.org/0000-0000-0000-0000. E-mail: weijieliu@zju.edu.cn

收稿日期: 2019-08-30  

Received: 2019-08-30  

作者简介 About authors

张尧(1988—),男,副研究员,博士,从事计算水动力及海洋灾害研究.orcid.org/0000-0001-8105-4091.E-mail:yzhang@nmhms.org.cn , E-mail:yzhang@nmhms.org.cn

摘要

基于3个华南海滩案例分析结果,采用Boussinesq相位解析水动力数值模型,模拟裂流环流,检验裂流对多沟槽浅滩沙坝和不同浪高、浪向的敏感性,计算、分析时均流速、涡量和水位的空间分布. 结果表明,裂流强度与入射波高、裂流槽宽度成正比. 在多沟槽裂流系统中,当大部分水流集中从邻近的较宽通道流出时,较窄的沟槽可能不产生裂流. 模拟结果表明:当入射角达到11° 时,沿岸流会逐渐取代离岸流而占主导地位,不利于沟槽沙坝的持续存在. 由于突变地形导致的波浪不均匀破碎,沙坝边缘附近有强涡旋现象,水流旋度随着波向偏转而明显增强,并且沿沙坝阵列拉伸. 沙坝促进了岸边的波浪增水,且堆积水量随着波角的变大而增加. 随着入射波波向的偏转,裂流槽内没有出现水面凹陷,这从机理上解释了当入射波角略微倾斜时裂流现象不能持续的原因.

关键词: 裂流 ; 韵律沙坝 ; 波向 ; 数值模拟 ; 海洋灾害

Abstract

Base on the case study of three coastal beaches in south China, the sensitivity of multi-channel rip currents to the bathymetry and the wave conditions was checked by groups of numerical simulations using the Boussinesq phase-resolving model. The time-averaged velocity, vorticity, and surface elevation were computed and analyzed. Results indicate that the rip strength was in direct proportion to the incident wave height and the channel width. The rip current might be totally absent in small channels when the majority of water flows out through neighboring broader pathways. Alongshore currents prevailed over the rip current when the incident wave angle reached 11 degrees, which was not favorable to the existence of channeled sandbars. Vortices appeared around the edge of the bar crest due to nonuniform wave breaking over the rapid-varying bathymetry. The strong spin of the flow was significantly intensified and stretched along the sandbar array as the wave direction deflected. The setup water was held landward largely by the sandbar and substantially increased with the wave angle. There was no water surface depression in the rip channel as the angle increased, which fundamentally explained why the rip current could not persist when the incident wave became slightly oblique.

Keywords: rip current ; rhythmic sandbar ; wave direction ; numerical modelling ; marine hazard

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本文引用格式

张尧, 刘强, 刘旭楠, 许国栋, 洪晓, 周水华, 刘维杰, 赵西增. 韵律沙坝触发的裂流动态性研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(9): 1849-1857 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.022

ZHANG Yao, LIU Qiang, LIU Xu-nan, XU Guodong, HONG Xiao, ZHOU Shui-hua, LIU Wei-jie, ZHAO Xi-zeng. Variability of rip currents induced by rhythmic sandbars. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(9): 1849-1857 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.09.022

裂流(又称离岸流)是在辐射应力和压力梯度驱动下产生的狭长射束式水流,是浅滩地形和波浪共同作用的结果[1]. 裂流通常容易出现在海滩发育的沙坝沟槽处,由持续的波浪破碎堆积在岸边的水体集中回流入海形成,长度可达上百米,流速可超过1 m/s [2]. 水流从岸线附近汇合,贯穿碎波带,其位置、形态、强度和流区大小与地形和水动力条件产生相互作用. 由于水面相对平静,裂流具有迷惑性,可快速将不谨慎的游泳者卷入深水[3]. 根据美国海洋与大气管理局(NOAA,National Oceanic and Atmospheric Administration)统计,裂流是美国首要滨海灾害[4-5]. 在澳洲、亚洲和很多其他地区,裂流给海滩安全带来了严峻挑战[6-8]. 为了防范其危害,研究人员在裂流环流机理、观测分析和风险预判3个方面取得了较大进展[9-11]

物理实验和数值模拟已成为研究裂流结构和特征的成熟手段. 通过按比尺缩小的物理实验,可在特定沙坝地形上对各种浪流环境进行模拟复现,但数学理论方法难以准确描述这种浪-流-动态地形耦合模式[12]. 固定底床实验可用于研究波流相互作用,而动态底床可用于检验水动力-地形相互作用[13],利用示踪浮子、波高仪、流速仪等手段采集水动力数据并分析研究可测量裂流结构[14]. 然而,较窄的造波波谱、不可避免的比尺效应、高昂的成本等缺点,使物理实验条件受到限制,进而影响实验效果[15-17]. 数值模拟方法可针对不同情景的水深和动力条件进行大量组次的计算[18-20],并输出较长时间序列的流速和水面波动;与物理实验不同,数值模拟方法只要在方程上精确限定表达式,利用数学模型就可以模拟较广的波谱范围[21-22]. Boussinesq非静压模型可对非线性海岸水动力进行相位解析近似,有良好的计算效率和精度[23-24]. 非静压修正和随深度变化的流速场计算使其成为研究裂流的理想模型[25-28].

对裂流最直接的研究是通过遥感影像或现场设备进行观测[29]. 在光学遥感影像中,裂流表现为浅滩沙坝或不连续白色浪花之间的深色狭长水域,一般与岸线接近垂直, 其流区范围可通过目视解译和人机交互式方式提取[30]. 在现场观测时,可利用低成本的彩色染料或简易GPS浮子,通过长时间记录其在碎波带内的流速和轨迹,描述较大空间范围内的裂流形态特点[31-32]; 也可利用定点布放流速仪,在指定的断面或深度测量流速,分析裂流的长时间连续变化状态[33-36]. 此外,船载ADCP、机载激光雷达、X波段雷达和视频监控都有助于提供直接或解析后的裂流信息[37-40].

由于裂流固有的不稳定性[41-42],准确预报裂流发生的时间和位置目前还难以实现. 因此,基于经验分析和长期观测统计,基于风险和概率理论预判裂流发生的可能性成了另一种选择,目前广泛采用的方法有海滩地形动力分类和回归分析概率预报. 地形动力方法依据波浪、潮汐、泥沙等环境条件把高度多样性的海滩分为八九类,分别对应不同的海滩形态和裂流风险. 该方法最早由Wright等[43]提出,目前已被广泛应用于海滩裂流风险评估,并得到不断优化[44-46]. 裂流风险概率预报模型则是基于波浪和水位的统计数据回归分析计算裂流发生的概率[47-48]. 结合近岸浪流数值模型,NOAA将概率模型纳入了裂流风险预报的业务化系统[49]. 虽然这2种方法都无法提供更多的定量信息,但对于灾害性裂流发生可能性的计算十分有用.

1. 研究动机

我国滨海旅游业占全部涉海产业经济增加总量的46.1%,位居海洋产业首位[50]. 然而一些热门滨海休闲海滩存在危险的裂流现象和大量溺水事故记录. 由于公众缺乏对裂流灾害的认识和避灾意识,裂流导致的溺水风险很高. 有些冲浪者、游泳者甚至会把裂流作为进入深水区的“快速通道”,此时即使游泳技术娴熟的人也难以避免溺水事故的发生. 公众、媒体、当地管理部门、甚至专业技术人员对裂流的概念也较为模糊,国内学术界对裂流的研究还较少[51-55]. 裂流已成为滨海休闲旅游活动中较大的风险隐患,但我国裂流致灾研究和防范体系建设等相对落后,裂流相关研究需求迫切.

为应对频发的致命性海滩溺水事故,自然资源部海洋减灾中心开展了全国范围的重点滨海旅游区裂流排查和风险管控工作. 结果表明:大量海滩有沿岸沙坝和裂流沟槽发育,沙坝触发的裂流显示出了高度的时空变化性. 本文基于调查结果,通过数值模拟研究裂流对水深地形和波浪环境的敏感性,探索多沟槽沙坝裂流系统的动态性;并从机理上解答裂流对地形动力和水动力变化的响应规律.

2. 案例研究

在裂流风险调查中,需要先采用遥感和地形动力分析[43-44],评估海滩岸线、沙坝群态、裂流特征等的季节变化. 再开展实地调查验证. 结果表明:裂流风险因地而异,并具有高度的时空动态性.

图1所示为华南3个休闲海滩不同时间的遥感影像对比,其中,图1(a)(b)为西涌海滩,图1(c)(d)为青澳湾,图1(e)(f)为海陵岛十里银滩,皆为年访问量超过百万人次的热门海滩,且海滩岸线弧度和朝向各不相同. 图1(a)、(c)、(e)中海况较为平静,而图1(b)、(d)、(f)中则有明显的沙坝阵列和裂流现象,岸线形态、碎波带宽度也随时间呈现出不规律的变化,3个海滩的沙坝裂流特点也各不相同. 图1(b)中西涌海滩的裂流较为强劲,离岸水流通过沙坝间隙将海浪白帽和泥沙向外海推出;而图1(a)中的沙坝裂流现象却不那么明显. 青澳湾冬季(图1(d))的裂流沟槽可达百米之长且切入了海滩内部;而夏季的海滩(图1(c))却均匀平坦,无明显裂流迹象. 十里银滩8月和11月的卫星照片(图19(e)、(f))也体现了沙坝群发育和消失的动态性. 因夏季游泳现象较多,公众普遍认为夏季为裂流的高发时期,然而,某些海滩冬季的裂流风险远高于夏季.

图 1

图 1   海滩裂流风险遥感影像分析

Fig.1   Remote sensing image analysis of beach rupture risk


图2所示为这3个海滩近岸的月平均有效波高( $ {H}_{{\rm{s}}} $)和波周期( $ {T}_{{\rm{wave}}} $). 西涌海滩和十里银滩在海浪的季节波动上有相似的趋势,夏季主要浪向为南向(S),而冬季为东南偏东向(ESE). 相比而言,青澳湾的波高呈现出明显的周期性变化,夏季波高较小,冬季波高较大,波动范围较其他2个海滩更大,而周期却更小,冬季、夏季的主要浪向分别为东北偏东-东(ENE-E)和南偏西南-东南(SSW-SE). 这些海浪环境变化是裂流和沙坝季节变动的主要影响因素之一. 此外,在潮差和沙质条件相差不大的情况下,浪向和海滩朝向的不同也可能是导致各个海滩裂流风险差异的主要原因.

图 2

图 2   研究区域海浪观测数据统计

Fig.2   Statistics of wave observation data in study area


通过无人机拍摄和环保染料示踪可以较为直观地获取裂流流态和流速信息. 如图3(a)所示的 航拍照片展示了2018年7月11日十里银滩周期性截断沙坝和裂流,与卫星影像相似. 裂流的目视特征表现为不连续白浪之间相对平静的狭长水域,有时伴随泡沫和泥沙向海流出,在碎波带外会消散形成“裂流头”. 如图3(b)所示为当日拍摄到的巨大裂流头,长度超过100 m. 如图4所示为同一天开展的染色示踪现场实验视频截图,试验处的裂流流速约为0.4~0.5 m/s,呈直线型路径. 当日有效波高约为1.4 m,是七月平均波高(0.7 m)的2倍,波向为东南-东南偏南(SE-SSE),几乎垂直于岸线,裂流现象较为明显. 以上实地调查为后续的数值模拟提供了初步的验证依据.

图 3

图 3   十里银滩航拍图

Fig.3   Aerial photos at 10-mile beach


图 4

图 4   2018年7月12日海陵岛十里银滩裂流彩染示踪试验视频截图(数模案例的通道2)

Fig.4   Video snapshots of the dye-tracer in the rip current at 10-mile beach on July 12, 2018


高劳动强度实地调查的难点是裂流具有高度的时空动态性,由于沙坝、底床被海浪和水流不断重塑[56-57],近岸环流形式也不断发生改变,因此,较难预判裂流出现的准确时间和具体位置. 大量现场调查工作证实,低潮时近岸浅滩的水深较浅,放大了地形对波浪和水流的效应,裂流发生的概率和强度较大,这符合人们的传统认识.

3. 数值分析

为了定量分析多沟槽沙坝裂流的动态性,基于Boussinesq相位解析模型FUNWAVE-TVD[58],在不同波况下进行多组数值模拟. 该模型采用摄动展开和有限项截断来高阶修正速度场和压力场,通过垂向积分降纬求解流场和自由水面,结合限差分-有限体积的混合离散方法,平衡计算效率、精度和稳定性. 如图5所示为基于遥感解译的水深地形[59],其中,d为水深. 1 km×1 km的模拟区域位于海陵岛十里银滩丝路博物馆前,网格大小均匀,dx=dy=2 m. 水深地形图中的沙坝形态和4个裂流通道(编号1~4)清晰可见,其中,2号沟槽即为图4中彩染试验的位置. 本研究选取6组不同波高、不同浪向的数值模拟工况进行分析,如表1所示. 每个工况的模拟时长均为50 min,输出间隔为50 s,确保有足够的模拟时长来避免开始效应,并达到稳定状态,以获取统计规律.

表 1   不同模拟工况的入射波浪条件

Tab.1  Incident wave conditions for the numerical simulation

模拟工况 Hs/m 波向 T/s θ/(°)
1 2.0 SE-SSE 4.9 0
2 1.4 SE-SSE 4.9 0
3 1.2 SE-SSE 4.9 0
4 0.7 SE-SSE 4.9 0
5 1.4 SSE 4.9 11.25
6 1.4 S 4.9 33.75

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图 5

图 5   数值模拟区域的水深地形及沙坝裂流通道分布

Fig.5   Bathymetry of the simulation domain with sand bars and 4 rip channels


图6所示为正向入射、周期相同但波高不同(工况1~4)情况下的裂流流速v和流态对比. 随着入射波高从2. 0 m降到0.7 m,裂流的流速和衰减长度逐渐减小,而其形态和位置保持不变. 在1、2、4号沙槽可以清楚地看到3条明显的裂流,强度和流态各不相同. 1号和4号沟槽出现了较大的倾斜弧形裂流区,弧度方向相反,而在2号通道明显有一股直线向海的裂流. 在与彩染示踪实验当日相似的波浪环境工况(Hs=1.4 m)模拟中,1号沟槽的裂流强度最大,流区大约有100 m长、30 m宽,最大计算流速达到了0.65 m/s;4号通道裂流大小与1号相似,但最大流速略低,只有0.4 m/s;而2号通道的最大计算流速也约为0.4 m/s. 在沙坝和岸线之间有一条明显的沿岸流流经3号沟槽,汇入4号裂流区,这可能是无明显水流从3号通道流出的原因. 本组模拟结果显示,裂流的强度与沟槽的宽度成正比,而当大部分水流从临近较宽的路径通过时,较窄沟槽可能完全不发育裂流;最大流速集中在2个沙坝顶部和裂流槽边缘,恰好对应涡旋产生的位置.

图 6

图 6   不同入射波高下平均流速空间分布的计算结果(入射角为0°)

Fig.6   Computed spatial distribution of averaged velocities for different incident wave heights with incident angle of 0°


为了进一步检验裂流对入射方向的敏感性,分析相同波高、不同浪向下流速场、旋度和波浪增水的计算结果(工况2、5、6). 图7表明,当浪向稍有不同时,即使波高和周期相同的海浪也能驱动出差异极大的近岸流态. 模拟发现,当入射角θ=11.25°时,裂流基本已偏转为空间波动的沿岸流. 随着入射波角进一步增大,倾斜的海浪在沙坝外侧产生了强烈的沿岸流,最大流速可达1.5 m/s,然而,沙坝所防护的向岸浅滩水域内的流速极小,更无裂流产生. 因此,θ=11°可能是裂流无法持续存在的入射波角阈值,有待验证. 图8为不同波向下的旋度计算结果. 旋度的定义为 $ \omega ={V}_{x}-{U}_{y} $,单位为 $ {{\rm{s}}}^{-1} $UV分别为vxy方向的速度分量;VxUy分别为VUxy方向上的导数. 在θ=0°时,正负涡量平衡出现在裂流两侧,而裂流槽和沙坝边缘也出现了较强的涡旋,对应速度场计算结果中最大流速出现的位置. 随着入射波角逐渐增大,沙坝边缘附近出现很强的有旋流,旋度随浪向偏转而增加并沿着沙坝阵列方向拉伸. 沙坝附近的突变地形导致波浪破碎不均匀,进而产生局地高旋度水流. 图9显示了不同浪向下的计算平均水位(η)分布. 沙坝前后出现了增减水现象,且增减水量随着入射波角的增加而增加. 基于线性理论,波浪增水是为了产生压力梯度以平衡波浪破碎导致的辐射应力变化,而在沙坝裂流系统里,波浪在裂流槽中的破碎较微弱,因此沟槽处的水位也较周围更低,进而产生压力差,驱动裂流的形成. 然而当波浪入射角增加时,并没有观察到沙坝间通道内的水面凹陷[9, 28],这也从机理上解释了在入射波略微倾斜时裂流无法持续存在并逐渐消失的原因.

图 7

图 7   不同入射波角下平均流速空间分布的计算结果(Hs = 1.4 m)

Fig.7   Computed spatial distribution of averaged velocities for different incident angles (Hs = 1.4 m)


图 8

图 8   不同入射波角下旋度(涡量)空间分布的计算结果(Hs = 1.4 m)

Fig.8   Computed spatial distribution of averaged vorticity for different incident angles (Hs = 1.4 m)


图 9

图 9   不同入射波角下平均水位空间分布的计算结果(Hs = 1.4 m)

Fig.9   Computed spatial distribution of averaged surface elevation for different incident angles (Hs = 1.4 m).


4. 结 语

由自然资源部海洋减灾中心组织开展的全国滨海旅游海滩裂流风险排查结果显示,华南地区有大量海滩存在沿岸沙坝和裂流风险. 作为全国裂流排查的部分成果,本文主要研究了多沟槽沙坝触发的裂流的变化规律,发现裂流对水深地形和水动力环境有较高的敏感性,因地而异并具有高度的动态性. 地形动力分析和卫星影像解译可初步评估天然海滩的裂流风险,但在一些情况下存在局限性,比如极端海洋事件引起的海岸突变、河口附近或有边界约束的岸段. 对于青澳湾这样有特殊海浪和地理环境的海滩,裂流可能会出现非常规的季节变化,比如不一定频繁发生在夏季. 现场调查证实:在落潮时,较浅的水深加剧了地形对波浪和水流的影响,导致此时裂流最具危害性,这也与以往经验一致.

数值模拟为多沟槽裂流系统的定量机理研究提供了可能. 流态和流速表现出对波高、浪向、沟槽宽度较强的敏感性. 裂流强度与沟槽宽度成正比,沙坝间较宽通道产生的裂流空间范围较缺口狭窄的要大,但不一定伴随着更快的流速,当大部分水流集中从邻近的较宽通道流出时,较窄的沟槽可能不产生裂流. 当入射波角达到11° 时,沿岸流将逐渐占主导地位,有利于沿岸地形均一化以及沙坝沟槽的消失. 由于突变水深地形导致波浪不均匀破碎,沿裂流两侧伴随着涡量场平衡,高旋度水流还出现在了沙坝边缘附近,水流旋度随着波向偏转而明显增强,并且沿沙坝阵列拉伸. 随着波角的增加,沙坝在岸边堆积了大量波浪增水,然而沟槽内的水面凹陷并没有出现,这也从机理上解释了为什么在略微倾斜的入射波况下裂流现象会逐渐消失.

本文研究成果有助于人们进一步认识近岸环流特征及其动态性,可被应用于滨海休闲旅游区域的裂流风险评估预判. 由于裂流是一种偶发现象,未来需要对特性岸段进行长期观测,为裂流预报和风险管控积累足够的统计数据.

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