海啸波作用下岸滩剖面演变规律研究

发布时间：2020-05-22 06:59

【摘要】：海啸在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动和岸滩演变。本文基于波浪水槽实验对海啸波作用下岸滩剖面和床沙组成变化开展研究。实验采用1/10和1/20的组合坡度,斜坡分别采用两种和三种粒径泥沙堆砌而成,并采用三种不同的水深,选取N波来模拟海啸波,同时进行了规则波和不规则波作用下的对比实验。实验对波浪的破碎、上爬、回落和水跃过程,每个波作用后的地形变化以及初始和最终的泥沙粒径组成进行了测量和记录。实验结果表明N波作用下岸滩发生了明显的冲刷和淤积,呈沙坝剖面,回落的水流使得前滩和滩肩发生冲刷,泥沙在离岸区域水跃发生处淤积,研究结果与其他学者的实验结果一致。当水深足够大时,N波几乎不会引起地形变化,这一实验结论与现场观测得到的结果一致,表明海啸中淤积的泥沙主要来源于近岸地区,而非深海。实验研究考虑床沙级配变化和岸滩坡度的影响,对海啸波作用下岸滩剖面变化和床沙组成变化规律进行深入分析。通过泥沙采样分析发现,淤积沙坝泥沙粒径呈粗化趋势,研究结果与海啸现场观测结果一致,实验首次揭示了海啸作用下非均匀输沙、粗化等独特现象。同时发现N波作用后得到的岸滩剖面的形状与部分规则波和非规则波作用后的实验结果相同,均为离岸淤积沙坝剖面,但是泥沙粒径变化结果却相反,而这些结果并不矛盾,均遵循(?)eliko(?)lu(2006)提出的泥沙运动的基本原则,细颗粒泥沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来,并被搬运到低紊动地区,此过程造成了剧烈紊动区泥沙的粗化。在实验研究的基础上,本文基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,同时考虑了床沙组成变化计算,建立了海啸作用下岸滩和床沙级配变化平面二维数学模型。模型考虑波浪破碎和底部摩擦的作用,采用Wei (1999)原函数造波的方法,动边界处理采用线性外插法,地形演变方程采用WENO格式进行离散求解。通过一系列的验证和实验数据的比较,证明本文建立的数学模型能很好的模拟海啸波的传播、破碎、上爬和回落过程,能较好的模拟岸滩的冲淤变化过程,同时能较好的模拟床沙的组成变化过程,并对Engelund (1972)、Ackers (1973)和Van Rijn (1984)全沙输沙率经验公式进行对比研究。最后利用建立的数学模型分析了海啸波作用下岸滩和床沙级配变化特点,进一步获得了海啸波作用下岸滩剖面变化和床沙组成变化规律。
【图文】：

照片,日本海

1.1 研究的背景、目的和意义地球上海洋面积约362百万平方公里，占全球面积的70％，我国有着1.8万多公里的海岸线和6500多个岛屿。在广阔的海域内，不仅蕴藏着多种丰富的资源，如各种生物资源、矿产资源和交通运输资源，而且是未来人类生存及可持续发展的战略性资源基地，近百年来世界各国大力开发和利用各种海洋资源，为经济建设做出了重大贡献(邱大洪, 2000[1])。于此同时，海洋也是孕育自然灾害的温床。2004年12月26日，在印尼苏门答腊西北近海发生里氏8.7级大地震，地震引发高达10余米大海啸，波及印尼、斯里兰卡、泰国、印度、马来西亚、盂加拉国、缅甸、马尔代夫等国，甚至远至波斯湾的阿曼、非洲东岸索马里及毛里求斯、留尼汪等国。海啸对东南亚及南亚地区造成约30万人死亡和天文数字的经济损失。各种建筑物被毁坏，海啸所过之处一片废墟，数百万人无家可归，惨不忍睹，这一特大海洋灾害震撼了全世界(陈运泰, 2005[2])。

地图,数字高程,数据库图,岸滩变化

全球有记载的破坏性海啸大约有260次左右，据专家统计每2年全球发生一次局部破坏性海啸，每10年发生一次越洋大海啸，百年以来共发生死亡人数过千的大海啸8次(任叶飞, 2007[3])。中国的海啸灾害，从史书上看，从公元前47年到2000年5月大的海啸发生过29次，其中中国近期在1992年和1993年都发生过小海啸，1992年在三亚发生的海啸波高有70多厘米。陈槞(2007)[4]等学者应用GIS技术和关于人口和GDP分布的数据库，按照不同等级的海啸高度，计算出在不同海啸情况下中国沿海地区受灾的人口总数及分布，受灾的GDP总量及分布。利用1∶100万的数字高程地图(DEM)和世界银行公布的2004年中国各省的GDP数值，，并采用世界人口组织公布的2002年5×5的人口分布作为权重，计算得到在中国沿海地区海拔5 m (2级海啸)区域的GDP。初步统计表明，中国沿海海拔5 m区域内有全国近1 /4的GDP可能遭受海啸的灾害影响。因此，开展海啸相关的研究工作十分必要，具有十分重要的意义和社会价值。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：P736

【引证文献】