崇明岛东南侧盐沼潮滩消浪研究

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盐沼潮滩作为抵御海洋动力的天然屏障,不仅能起到抵御滩面侵蚀、减缓水流流速的作用,同时也可极大地降低波浪能量。尤其是在风暴潮期间,盐沼植被能明显起到消浪减流的重要功能。近年来,随着海平面上升以及极端天气影响,沿岸城市面临的台风风暴潮灾害风险正在加剧。加之,许多原有护岸工程由于建造时间较久、材料老化等问题,不能完全满足现有城市抵御灾害的需求。因而重视潮滩消浪护岸作用并将其建设为城市安全防线,这对维护城市稳定发展、保障城市居民生命财产安全具有重要价值。崇明岛地处长江入海口,是世界面积最大的河口冲积岛。作为上海重要的生态屏障,崇明岛对长三角地区的生态环境安全具有重要的意义。然而,夏季崇明岛易受到台风风暴潮等灾害的影响,虽然现有环岛海堤大部分达到新海堤标准,但仍有部分海堤外坍较为严重,加之地面沉降、滩面侵蚀等因素,海堤抗击台风风暴潮能力较弱,海堤安全风险隐患较大。目前,崇明岛正在向世界级生态岛发展,生态建设要求日益提高,故,研究近岸盐沼潮滩消浪特征、探究近岸波浪消浪机制,对崇明岛建设生态海堤建设具有重要指导价值。本文以崇明岛东南侧盐沼潮滩为研究对象,基于野外实地观测结合数理统计分析、波浪衰减模型等分析沿岸波浪空间分布特征,探讨影响波浪衰减的因素。同时,利用BP神经网络模型构建波浪沿光滩、植被传播模型,预测在不同入射波高下盐沼潮滩对波高耗散作用,主要结论包括:(1)崇明岛沿岸盐沼潮滩地势平缓,近岸波浪波高变化受水深影响较大,沿岸水深较深处波高相对较大。台风作用期间,因高能输入以及风暴潮增水作用则导致波浪出现明显增高。(2)对比分析常规天气状态及高能事件波浪在近岸的传播规律,结果显示波浪在两种情景下空间分布与衰减规律存在一致性。近岸波浪自海向陆侧传播过程中,波高逐渐降低,且在植被区域表现更为显著。同时,对比台风作用前以及台风作用影响期间,两者波浪衰减效果略有不同。台风作用期间盐沼潮滩对波浪的衰减作用强于台风作用前,经过60 m断面后,台风前波高降低百分比较台风期间低9%。(3)波浪向近岸传播过程中,受到水深、入射波高及阻力系数等因素影响,波能呈现不同的衰减规律。随着水深减小、入射波高增加与阻力系数增大,波浪衰减率相应增大。其中植被区域水深、入射波高、阻力系数变化产生的波浪衰减率变化更为明显。(4)假定水深不变,台风前波浪入射波高在0.03 m~0.96 m之间,从盐沼边缘经过1000 m植被区域后,超过90%的波浪波高降低至20 cm;台风期间,波当浪入射波高在0.10 m~1.12 m之间,从盐沼边缘经过1000 m植被区域后,超过90%的波浪波高降低至30 cm以下。在恒定盐沼距离下,台风前,当水深降低至原来的0.2倍后,经1000 m植被后大部分波浪有效波高不足5 cm;台风期间,当水深降低至原来的0.2倍后,经1000 m植被后大部分波浪有效波高不足10cm。(5)基于BP神经网络模型,以水深、入射波高、波周期及波向等4个要素作为输入因子,近岸侧波浪波高作为输出因子,选择贝叶斯正则化算法作为训练方法,构建光滩、植被区波浪传播预测模型,预测不同输入波高下,波浪经光滩、植被区域后衰减情况。预测结果显示,在植被高度足够的情况下,波浪降低量随着入射波高的增加呈现指数增加趋势。
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