【论文推荐】| 潜堤间断布置对岛礁上椭圆余弦波传播演变特性影响的试验研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

全球约三分之二的人口居住在距海岸线200 km以内的区域，政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测未来30年海平面将上升15~35 cm，由此引发的极端涌浪与波浪侵蚀风险显著加剧。在此背景下，珊瑚礁作为天然海岸屏障，通过礁前斜坡反射、礁缘破碎和礁坪底部摩擦耗散大幅削减入射波能，为人口密集的沿海地区提供了关键防护。然而受全球气候变化和人工采砂等人为活动影响，珊瑚礁的防浪抗浪能力正持续弱化，构建能够同时满足岛礁生态修复与增强防浪抗浪双重需求的人工结构物，已成为珊瑚海岸保护的关键方向。潜堤凭借浅水效应促使波浪提前破碎、削减波浪冲击的能力被广泛应用，但现有研究多集中于连续布置潜堤，这种方式会限制近岸水体与外海之间的交换空间，易诱发岸滩淤积和壅水，破坏海洋生态。同时，传统波浪理论（如斯托克斯波）在刻画浅水环境波浪变化方面存在局限。为此，本研究引入间断式潜堤布置并采用更适合浅水的椭圆余弦波，旨在揭示间断布置方式对岛礁上波浪传播演变及水动力特性的影响规律，为岛礁护岸工程提供兼顾生态、消浪与经济性的创新设计思路。

二、研究方法

研究在40 m×0.5 m×0.8 m的多功能波浪水槽内开展物理模型试验，左侧配备推波板式造波机，沿传播方向依次布置14根浪高仪。岛礁地形依据夏威夷摩洛凯岛实测地形统计资料构建，遵循Froude相似准则按1∶50几何比尺缩尺，概化地形由礁前斜坡（长3.06 m、坡度1∶7.36）、水平礁坪（长4.5 m、高程0.416 m）和礁后斜坡（长2 m、坡度1∶3.5）三部分组成，模型主体以光滑PVC板拼接并密封。潜堤按Dattatri设计方法构建为梯形断面，并采用间断式布置以预留水体交换通道。试验以椭圆余弦波为目标波形，设定标准工况为入射波高H₀=0.06 m、波浪周期T=2.0 s、礁坪水深hᵣ=0.015 m、潜堤间距Dᵣ=0.15 m，并系统变化H₀、T、hᵣ、Dᵣ等关键参数。工况通过Ursell参数（Ur=L²H/h³）验证，全部工况满足Ur>10，符合椭圆余弦波适用条件；重复性试验显示自由液面数据相对误差在3%以内，保障了数据可靠性。评价指标包括无量纲局部波高Hᵢ/H₀、波浪增水ηᵣ、波浪爬高R₂%（取前2%最大爬高），以及采用Goda两点法分离入射波与反射波计算得到的反射系数Cᵣ。

三、主要结果

（1）水动力与波能耗散机制：间断潜堤的间隙为水体提供了回流通道，回流与入射波耦合使波谷发生非线性畸变，并促使主频波能向高频转移；波浪进入破碎带后四倍频、五倍频波能几乎消失，传播至礁坪中心时主频及高频波能显著衰减，且整体低于无潜堤情形，证明间断布置能有效提高波能耗散率、削弱涌浪强度与传播速度。

（2）入射波高的影响：随入射波高增大，浅水变形与破碎效应增强，潜堤对礁坪沿程局部波高的衰减效应逐步增强，礁坪末端局部波高削减幅度由5.6%增至最大17.5%；对波浪爬高R₂%的最大削减幅度可达15.8%，而反射系数Cᵣ随波高增大而显著减小。

（3）礁坪水深的影响：消浪能力随水深增大而减弱——干礁坪（hᵣ=0）条件下削减最为显著，可达37%，当hᵣ增至0.045 m时削减幅度仅为10.7%；波浪增水最大削减幅度达28.18%、平均16.9%，但波浪爬高随水深增加而上升，两者呈相反趋势。

（4）波浪周期的影响：潜堤对礁坪末端涌浪的削减效果总体随周期增加而增强，在T=2.50 s时削减幅度达37.5%；潜堤对波浪爬高的削减在T=2.00 s时最显著（达24.6%），周期延长后削减效应减弱。

（5）潜堤间距的影响：随潜堤间距增大，中心水体交换区域扩大、回流效应增强，消浪能力显著提升，礁坪末端波高衰减率由窄间距时的平均5%提升至最大25.4%，波浪增水与爬高被进一步削减，反射系数随间距增大而减小（最大减幅11.3%）。

四、研究结论

通过物理模型试验，系统研究了潜堤的间断布置形式对岛礁上椭圆余弦波传播演变特性影响，重点探讨了其对特征测点处自由液面以及波能分布的影响，并分析了不同因素变化条件下的局部波高H_i/H₀、波浪增水η_r、反射系数C_R以及波浪爬高R_2%的变化规律。主要研究结论如下：

1）潜堤间断布置显著影响椭圆余弦波的传播与演变。潜堤间隙为水体提供了有效的交换通道，诱发回流效应，促进波浪能量的耗散，减少礁坪增水，降低波浪传播速度，并有效抑制破碎后涌浪的高度。

2）潜堤的消浪能力受入射波高H₀显著影响。随着入射波高增大，波浪与结构物之间的非线性相互作用增强，局部波高下降。波浪增水η_r与波浪爬高R_2%随着入射波高增大而增大，同时二者均始终低于无潜堤的情况，且入射波高越大，潜堤对波浪爬高的削减效果越明显，而反射系数C_R则随着入射波高增大而显著减小。

3）礁坪水深的增加减弱了波浪的浅化效应，导致波浪临界破碎波高降低。当礁坪水深h_r>0.015 m时，潜堤对局部波高的影响减弱，进一步增加水深时，波浪增水η_r显著减少，而波浪爬高R_2%逐渐上升。水深的增加减少了波浪与结构物的接触面积，导致反射系数C_R逐步减小。

4）随着波浪周期的延长，一定程度上增强了潜堤对波浪的削减作用。此外，随着波浪周期的增加，潜堤对波浪增水η_r、反射系数C_R与波浪爬高R_2%的削减效果逐渐减弱。总体而言，潜堤条件下的波浪增水η_r和波浪爬高R_2%低于无潜堤情况，而反射系数C_R则始终高于无潜堤时的值。

5）潜堤间距的增大显著提高了潜堤对波浪衰减的效果，并增强了对波浪增水η_r和波浪爬高R_2%的削减作用，但对反射系数C_R的影响则随着潜堤距离的增大而逐渐减弱。

研究表明，间断布置潜堤能够显著降低礁坪上的波浪增水，减小涌浪和波浪爬高，提供了一种更为经济有效的设计方案。与连续布置相比，间断布置不仅能更好地保护水域生态环境、降低沿海灾害风险，还能显著降低工程造价。文中研究为沿海近岸工程中的水域生态环境保护和灾害防护提供了新的设计思路。未来的研究将通过高精度数值模拟进一步探讨潜堤间断布置对波浪传播和演变特性的影响，补充分析潜堤结构特性对波浪场的作用，并扩展参数范围，探讨潜堤在不同极端条件下的防浪性能。此外，还将深入研究潜堤间断布置对平均流场、涡量场和流速场等的影响。

相关图表

本文引用格式：李玮, 屈科, 王超, 等. 潜堤间断布置对岛礁上椭圆余弦波传播演变特性影响的试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 134-145.  (LI Wei, QU Ke, WANG Chao, et al. Experimental study on the influence of discontinuous submerged breakwaters on the propagation and evolution characteristics of cnoidal waves on coral reefs[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 134-145.  (in Chinese)）

通信作者简介：屈科   

屈科，男，博士，教授级高级工程师，现任长沙理工大学水利与海洋工程学院特聘教授，西南交通大学兼职教授，硕士生导师。陕西三原人，本科和硕士毕业于西北工业大学，博士毕业于纽约市立大学。从事水动力学与环境流体力学研究，利用理论分析与数值计算等研究手段，围绕嵌套与重叠网格技术、深入研究了海岸多尺度多物理场流动的计算理论与分析方法，并且应用于海岸洪水预测与模拟、潮汐能科学普查与计算、风暴及风暴潮数值计算。研究成果丰富了水动力学的理论与计算方法，所开发的多尺度多物理场河口、海岸流动耦合模型目前在国际上处于领先水平，并得到了实际应用，取得了重要的社会和经济效益。主持或参与科研项目20余项，发表SCI论文47篇。2018年入选“湖南省百人计划”青年项目，2019年入选湖湘高层次人才聚集工程创新人才项目，2021年获湖南省自然科学优秀青年基金。2018年获“港口、航道、海岸与海洋工程中青年学术研讨会”优秀青年奖。其近期研究包括多向聚焦波在岛礁地形上的传播等。

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