祝贺李元获得工学博士学位

        李元是河海大学港口海岸与近海工程学院港口、海岸及近海工程专业2017级博士研究生,于2016年9月以研究生身份加入课题组,在王义刚教授和张弛教授的指导下从事海岸水沙运动和沙滩地形演变方面的研究。

        2021年11月2日,李元的博士学位论文以95(优秀),95(优秀),92(优秀)的成绩通过了校外专家盲审。11月26日,李元向答辩委员会进行了博士学位论文答辩,该委员会由严以新教授担任主席,徐宿东教授(东南大学)、王艳红教高(南京水利科学研究院)、徐福敏教授和管大为教授担任委员。经讨论和无记名投票,答辩委员会通过了李元博士的学位论文答辩并推荐其参加优秀博士学位论文评选。

        李元的博士学位论文题为“近岸人工沙坝剖面形态演变规律及其水沙运动机制研究”,通过物理模型试验与数值模拟方法,系统研究了波浪作用下人工沙坝演变过程中的剖面变化规律、波浪演化特性和泥沙输运机制,相关成果在国际期刊Coastal Engineering、Marine Geology等发表了多篇论文。

        今后,李元博士将在河海大学博士后流动站张弛教授课题组继续从事研究工作。

时健老师获第二届水科学数值模拟创新大赛二等奖

        近日,由中国水利学会、河海大学、中国水利水电科学研究院等联合举办的2021年第二届水科学数值模拟创新大赛公布了获奖名单。本次大赛分为流域径流预报、河道水动力模拟、城市内涝模拟及河口区水动力模拟四个类别,按在校学生和青年科技者组分别比赛。经大赛专家委员会评审,最终评出全日制在校学生组一等奖4项、二等奖15项、三等奖24项、优胜奖40项;青年科技工作者一等奖2项、二等奖4项、三等奖6项、优胜奖9项。其中,课题组时健老师同港航学院徐龑文、沈骁腾老师组成的青年科技工作者队伍入围决赛,经大赛线上答辩,获得了“河口区水动力模拟”组次二等奖。

        水科学数值模拟计算一直是水利学科研究领域的研究热点与难点。第二届水科学数值模拟创新大赛旨在推进具有我国自主知识产权的水科学仿真模拟核心技术的研发,提升解决复杂工程实际问题的能力。大赛由中国工程院张建云院士担任评委组长,中国工程院王浩院士、国能大渡河流域水电开发有限公司副总经理陈刚、中国长江电力股份有限公司首席研究员姚华明、水利部水文司副司长魏新平、水利部信息中心副主任钱峰、中国水利水电科学研究院总工曹文洪、南京水利科学研究院总工窦希萍、黄河水利科学研究院副院长江恩慧、河海大学水文学院院长杨涛,清华大学教授杨大文、南开大学教授黄津辉等担任评委。大赛得到了清华大学、河海大学、中国水科院、南京水科院、南开大学、四川大学、华中科技大学等高校和单位的热烈响应,共有97家单位327支队伍报名参赛,14支队伍进入决赛。

迟善航博士生参加第十六届全国水动力学学术会议并获优秀论文奖

        2021年10月29日至11月1日,课题组博士生迟善航参加了在江苏无锡召开的第十六届全国水动力学学术会议暨第三十二届全国水动力学研讨会并第八届海峡两岸水动力学研讨会。该会议由中国力学学会等主办,上海中船编印社等协办。来自清华大学、上海交通大学、河海大学、台湾大学等60余家高校和科研院所的三百余位代表通过线上与线下结合的方式参加了会议。

        会上,迟善航博士生作了题为“基于岸基视频影像的海堤风暴越浪现场观测研究”的报告,介绍了课题组自主研发的海岸带岸基视频影像监测系统(COSVIMS)及其在海堤风暴越浪现场观测中的应用,并就海堤风暴越浪时空变化规律同参会专家学者进行了热烈地讨论。会后,迟善航博士生的论文获评本次会议“优秀论文奖”。

张弛老师参加海洋生态环境整治修复与监管主题研讨会

        2021年10月20日,张弛老师受邀参加了在天津召开的2021年中国环境科学学会科学技术年会,并在“海洋生态环境整治修复与监管”分会场作了题为“海滩修复理论与关键技术的探索与思考”的报告,从基础研究和工程应用方面分享了海滩减灾能力精细化评估、海滩韧性优化设计、多目标海滩管护等内容,和与会专家学者进行了深入交流。本次研讨会吸引了来自高校、科研院所以及企业等近百名学者参会。

课题组对风暴驱动下人工沙坝与海滩剖面形态演变规律取得新认识

        风暴条件下的海滩剖面形态演变规律是国内外海岸工程领域的研究热点,一般认为大浪破碎引起的剧烈的水体紊动与强烈的底部离岸流是泥沙向海流失的主要因素。工程师们通常采用防波堤等“硬性”的海工建筑物使得大浪提前破碎,减弱到达后方岸滩的波能与输沙能力,从而抑制离岸输沙减缓侵蚀。最近,课题组发现采用基于”软防护“理念的人工沙坝,不仅可以削减波能,而且能在大浪条件下引起局部向岸输沙并延缓岸滩的侵蚀。

        课题组采用物理模型试验和数值模拟结合的方法,发现不同于风暴条件下海滩剖面离岸输沙的传统认识,较强形态的人工沙坝在大浪作用下可引起局部向岸输沙和向岸沙坝迁移,从而改变海滩整体冲淤状态和岸滩响应规律。同时,人工沙坝会使得滩肩风暴响应存在时间上的滞后性,即人工沙坝的遮蔽效应在沙坝形态演变过程中具有动态性,据此提出了考虑人工沙坝形态参数的破波相似系数,建立了人工沙坝与滩肩之间的地貌形态耦合关系式。

        本研究阐明了铺设人工沙坝对风暴来临时海滩剖面上的泥沙维存及风暴后的岸滩恢复具有重要作用,可为基于人工沙坝的沙质海岸保护修复提供新思路。研究成果发表于国际知名期刊《Marine Geology》,李元博士生和张弛老师分别为论文的第一作者和通讯作者。本研究得到国家自然科学基金面上项目“近岸人工沙坝养滩的喂养效应”和国家自然科学基金重点项目“潮汐影响下的海滩动力地貌风暴响应机制研究”等项目的支持。

 

参考文献:

Yuan Li, Chi Zhang, Weiqi Dai, Dake Chen, Titi Sui, Mingxiao Xie, Songgui Chen. Laboratory investigation on morphology response of submerged artificial sandbar and its impact on beach evolution under storm wave condition. Marine Geology (2021), https://doi.org/10.1016/j.margeo.2021.106668.

图1:风暴条件下的过渡型海滩剖面形态演变

图2:风暴条件下的反射型海滩剖面形态演变

图3:人工沙坝形态参数变化规律

图4:考虑人工沙坝的破波相似参数与滩肩形态参数的关系

图5:海滩剖面上的流场分布

课题组学生参加研究生学术论坛并获佳绩

        2021年8月27日,课题组2021级硕士研究生杨蕴涵参加了南京水利科学研究院举办的第四届研究生教育实践基地学术交流暨研究生“水科学与工程实践创新”论坛,报告了题为“近岸波浪浅化条件下的海床动力响应研究”的研究成果,经同行专家评审,喜获优秀成果展示二等奖。本次论坛面向全国相关院校的博士生和硕士生,共评选出一等奖5名、二等奖10名、三等奖13名,其中一等奖和二等奖获得者仅有5名是硕士生。

        当波浪从深水传播到近岸浅水区时, 非线性特征逐渐显著,相应的波动因子及其驱动力也随之出现突变性,使海床土体的动力响应变得更加复杂。当相对水深很小时, 使用线性波理论来计算和求解近底波浪压力及其海床响应会产生较大误差。杨蕴涵运用 OpenFOAM 建立了弹性海床波致动力响应数学模型,考虑斜坡地形上的波浪浅化变形机制、复杂水土边界交互模式以及土体自重影响下的海床固结效应,分析了海床密度、孔隙流体密度、渗透系数、孔隙率、弹性模量、杨氏模量、泊松比等参数变化下的海床动力响应特征。与前人提前给定参数化的非线性波浪压力驱动条件不同,本研究模拟了波浪在斜坡海床上的动态浅化过程,更精细地阐明了孔隙水压力垂向衰减程度沿程分布受不同的波浪参数和海床参数的影响规律,并提出了孔隙水压力相对衰减系数R1 的概念及其沿海床地形的时空分布规律。成果可为复杂海岸地形地貌环境中的海床液化风险评估及其空间分布预测提供更好的科学依据。

图1 获奖证书

图2 波浪模型验证

图3 波浪模型和海床模型耦合

图4 孔隙水压力相对衰减系数的节点分布规律

海岸带岸基数字影像监测系统(COSVIMS)解译台风期间海堤越浪的时空变化

        海堤越浪严重威胁堤旁人身安全、堤后基础设施和堤身稳定,也可能导致海岸洪水淹没,对沿海地区的社会经济造成巨大损失。海堤越浪风险及其灾害程度的时空变化,也是海平面上升、波候变化、风暴潮频发等全球气候变化情景下海岸灾害防护的重点评估对象之一。

        针对海堤越浪的研究,国内外学者大多采用物理模型试验或数值模拟方法,提出了许多用于海堤设计或越浪预测的经验公式。但受限于复杂的现场条件、恶劣的天气环境、严峻的人身安全风险、较高的经济成本和不确定的风暴发生概率,海堤越浪的现场观测一直是个难题。大多数已有的现场观测技术手段,因适用环境、时空分辨率和连续性等限制,无法在实际风暴过程中精细捕捉全时间、大范围的海堤越浪时空变化过程,导致风暴海堤越浪的第一手数据获取及其灾害风险预测和减灾效果评估的科学性和可靠度仍存在许多局限。

        课题组基于自主研发的海岸带岸基数字影像监测系统(COSVIMS),利用该系统时空分辨率高、监测范围广、无人值守、可适用于极端风暴环境的全天候实时连续监测能力,研发了一套基于数字影像解译的海堤越浪现场观测新方法。该方法通过时间堆栈图像和像素传感器提取越浪位置、宽度、历时、频率及虚拟越浪量等参数,可实现全风暴过程和长距离岸段的越浪监测,并成功应用于2018年7月23日AMPIL台风过境10h内,日照海龙湾360m长岸段,6252次海堤越浪过程,1Hz时间分辨率的实时同步观测与分析。研究发现:潮汐水位是海堤越浪量逐时变化的控制因素(R=0.87),波高增大显著增强越浪频率;海堤越浪呈现显著的空间不均匀分布特征(若干波长的沿岸范围内越浪量变化可高达6倍),破波带宽度和越浪量具有很强的负相关性(R=0.90),是越浪空间不均匀分布的重要成因。在现场实测数据的基础上,探讨了我国港口与航道水文规范(JTS145-2015)和欧洲EurOtop(2018)越浪计算公式的表现以及虚拟越浪量和真实越浪量的转化关系,进一步论证了海堤越浪新型数字影像监测方法的合理性。

        本研究为风暴过程中的海堤越浪现场监测提供了新的技术手段,并丰富了海堤越浪时空变化特性的认识,可为越浪灾害风险和减灾效果评估、越浪预测与防护方法研究、变化环境下的海堤防护标准研判和海岸带数字化建设与智慧管理等工作提供科技支撑。研究成果于近日发表在学术期刊《Journal of Hydrodynamics》(2021年第33卷), 迟善航博士生和张弛老师分别为论文第一作者和通讯作者。本研究得到国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点和面上等项目的支持。

 

参考文献:

Shanhang Chi, Chi Zhang, Titi Sui, Zhubin Cao, Jinhai Zheng, Jiangshan Fan. Field observation of wave overtopping at sea dike using shore-based video images. Journal of Hydrodynamics. 2021, 33(4), 657–672.

图1 基于海岸带数字影像监测系统COSVIMS的海堤越浪数据处理流程

图2 台风期间海堤越浪的沿岸空间不均匀性及其与破波带宽度的负相关关系

课题组学生在华南海滩开展现场观测

        在国家自然科学基金重点项目 “潮汐影响下的海滩动力地貌风暴响应机制研究” (41930538)的支持下,2021年5-7月,课题组博士生曹祝宾、硕士生宋嘉诚和赵国润先后赴华南沿海砂质海滩开展现场观测工作。

        5月9日至6月11日,硕士生宋嘉诚、赵国润在自然资源部第三海洋研究所戚洪帅研究员、曹超老师、刘根老师、赵绍华老师等指导下,根据我国风暴路径及海滩特征,选取了华南代表性海滩闽江口晓澳镇、长沙村、左坑村、龙沙村、古湖村、东岐、古尾山、平潭大澳、泉州西沙湾和青山湾、汕头海门湾、珠海香炉湾和美丽湾、茂名水东港、海口西海岸、文昌-琼海珊瑚礁海岸、北海银滩、涠洲岛海滩、漳州古雷港、东山金銮湾等20处海滩进行研究和周期性野外调查。本次调查技术方法包括无人船水下地形测量、海滩剖面地形测量、海滩岸线位置测量、岸滩表层沉积物采样及无人机全地形拍摄等,详细调查了海滩地貌特征,获取了潮汐影响下不同类型海滩从后滨至水深10m处的完整剖面地形变化数据,记录了沙坝、滩肩和剖面变化特征,观测了近海浪、流和水位数据,为海洋三所和课题组联合承担的国家自然科学基金重点项目研究提供了宝贵的观测数据。

        6月23日至7月15日,博士生曹祝宾赴泉州市崇武镇西沙湾海滩,与海洋三所团队合作,成功开展了海岸带岸基数字影像监测系统(COSVIMS)西沙湾观测站的搭建工作。西沙湾海滩岸线长度约2km,监测系统安装于西沙湾假日酒店顶层平台,视野开阔,观测条件良好,涵盖完整的沙滩岸线及近岸区域,并在工作间内安装计算机、机箱和硬盘等中控设备,实现监测数据的传输、存储及访问。西沙湾海滩观测系统的搭建过程经历了设备选型、现场考察、方案设计、标定试验、设备安装、镜头调试、现场地面控制点采集和成像模型建立等多个环节,是继日照海龙湾观测站之后的第二

        COSVIMS观测站点,将应用于风暴过程、海滩演变、游客安全等方面的实时监测量化与分析决策。目前该系统已成功采集了今年夏天“烟花”台风、“卢碧”台风期间的西沙湾海滩现场数据,并正用于国家自然科学基金重点项目的研究。

图1 观测地点

图2 现场测量

图3 COSVIMS系统安装

图4 全视野海滩数字影像

课题组提出近岸波浪反射的高效模拟方法

        波浪是驱动近岸水沙运动、地形地貌演变和海工建筑物响应的最重要能量来源之一。波浪在近岸地区发生的能量转化过程十分复杂,包括波浪破碎和底部摩阻引起的能量耗散,波浪能量在高频和低频之间的相互转移,以及水下地形和岸线反射引起的波浪能量在方向上的转移等。过去很长时间里,通常认为反射波相比于入射波只是很小的一部分,因此在工程上往往忽略波浪反射。而实际上,在海床较陡、周期较长等一些特定条件下,可能会有高达20%(100%)的高频(低频)入射波能量最终被反射回外海,是近岸波浪总能量收支的重要组成部分。最近几年,越来越多的研究发现反射波会增大相对波高、增强底部离岸流、改变波浪非线性特征和边界层余流结构、减小波浪爬高和促进韵律型地貌形成等,对破波带水沙运动和地貌演变具有不可忽略的影响。

        目前,可以模拟波浪反射的相位解析数学模型(如Boussinesq模型、非静压模型、CFD模型等),其计算量较大,仍不适用于大范围长时间的动力地貌模拟。而在海岸工程中应用最为广泛、计算较为简便的基于能量守恒的相位平均数学模型,却一直无法模拟波浪反射。这个难点,是阻碍我们在大尺度(米-千米)、长周期(秒-年)海岸动力地貌演变中考虑波浪反射效应以提高模拟准确度的关键瓶颈。

        课题组综合应用波浪理论和经验公式,独辟蹊径地提出了一种可适用于相位平均数学模型的波浪反射高效模拟方法。基于入射波和反射波的能量守恒方程,该方法可以同时计算水下地形变化和岸线冲流带引起的局地反射波能流。前者的计算是基于单点水下反射与斜坡段整体反射的相似性分析,后者的计算是基于一个防波堤反射系数经验公式的修正。通过将该方法计算结果与理论公式、实验数据和CFD模拟结果进行比较,证实了所提出的波浪反射高效模拟方法可以很好地模拟淹没式防波堤、珊瑚礁地形和沙滩剖面上的反射波能沿程分布,其计算耗时比相位解析模型少几十倍到几百倍,反射波高模拟精度与入射波在同一量级(RMSPE<15%),且不需要额外的模型率定参数。

        本研究改变了相位平均波浪数学模型不能模拟波浪反射的传统认识,为精细分析和准确预测波浪反射影响下的多时空尺度海岸演变过程提供了可能性及其技术途径,于近日发表在学术期刊《Coastal Engineering》(2021年第169卷)。这是继近岸非线性波峰面坡度(Zhang et al., CE, 2017)、近岸波浪破碎复合指标(Zhang et al., CE, 2021a)之后,课题组在“破波带能量转化及其次生波动的机制与模拟”研究方向上取得的新突破,并有望在新一代海岸动力地貌演变数学模型的发展中得到更广泛的应用。

参考文献:
Zhang Chi*, Li Yuan, Zheng Jinhai*, Xie Mingxiao, Shi Jian, Wang Gang. Parametric modelling of nearshore wave reflection. Coastal Engineering. 2021b, 169, 103978.
Zhang Chi*, Li Yuan, Cai Yu, Shi Jian, Zheng Jinhai*, Cai Feng, Qi Hongshuai. Parameterization of nearshore wave breaker index. Coastal Engineering. 2021a, 168, 103914.
Zhang Chi, Zhang Qingyang, Zheng Jinhai*, Demirbilek Zeki. Parameterization of nearshore wave front slope. Coastal Engineering. 2017, 127, 80-87.

 

课题组建立中国大陆海岸线数据库

        中国大陆海岸线数据库Chinese mainland shoreLINE(CLINE)由海滩养护修复研究团队自主研发。本数据库研发得到国家自然科学基金重点项目(41930538)和面上项目(51879096)等项目的支持。

        CLINE数据库由基于遥感云平台的海岸线提取算法、中国大陆37年(1984~2020)逐年海岸线及其辅助分析信息组成(图1),不仅可用于整个中国大陆尺度上长周期、高频次的岸线演变分析,也可为局部海域的海岸受损机制分析、自然恢复能力评估、海岸带保护修复工程效果跟踪评估和海岸带数字化建设与智慧管理等提供数据支撑。

        海岸线提取算法利用遥感云平台Google Earth Engine的高性能并行计算能力与海量多源的遥感影像数据,包括辐射校正、大气校正、基于影像融合的去云处理等影像预处理步骤(图2),同时在常规NDWI/MNDWI水体指数0阈值分割的基础上,增加了Otsu阈值算法、基于数学形态学操作的水陆聚类、基于隐马尔可夫模型的边界处理等算法。相较于基于同类免费公开光学卫星影像的传统岸线提取方法,有一定程度的精度与性能改善,所提取海岸线更接近于真实岸线形态(图3)。

        CLINE数据库中包含的海岸线信息涵括中国大陆范围内37年(1984~2020)逐年年均海岸线,和以500 m为间隔的各样带处不同时段的净岸线运动NSM、最大岸线位移SCE和线性回归速率LRR等海岸线变化后处理数据,以及计算过程中所生成的基线、样带等位置信息(图4)。

        相比于国内外的其他海岸线数据库,CLINE数据库具有针对中国大陆海岸线的时间分辨率高、周期长、空间覆盖范围大等优点,且其精度得到了我国典型海岸区域的实测数据验证,总体上达到了10m/30m亚像素级别的精度水平,与国际同类主流数据库精度相当。

        CLINE数据库已在我国大陆海岸线长期演变规律及其主导因素分析、山东日照海龙湾退港还海岸线修复整治工程、辽宁营口浮渡河口沙坝-潟湖海岸保护修复工程等科学研究和工程实践中得到成功应用(图5, 6),为海岸受损机制与自然恢复能力分析、海滩养护修复稳定性与工程效果评估等提供了数据支撑。

        目前,课题组正在从海滩潮间带地形和坡度等数据库内容拓展、岸线提取算法精度提升及大数据智能预测方法、全国海滩养护修复工程数据库建立及数字化管理平台等方面,进一步丰富数据库内容及其功能。

相关文献:
[1] Li F, Zhang C, Zheng J. Long-Term Observation of Coastline Evolution with Google Earth Engine: A Case Study of the Jiangsu Coast, China[C]//The 30th International Ocean and Polar Engineering Conference. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2020.
[2] 李方明. 基于遥感云平台的我国大陆海岸线数据库建立与分析[D]. 南京: 河海大学, 2021.

图1 中国大陆海岸线数据库(CLINE)示意图

图2 基于影像融合的去云处理示意图

图3 岸线提取效果对比

图4 中国大陆海岸线各时段净运动距离分布与变化状态

图5 浮渡河口沙坝-潟湖海岸受损机制与自然恢复能力分析

图6 日照海龙湾海岸受损机制与海滩养护修复稳定性及工程效果评估

课题组提出近岸波浪破碎指标的计算新公式

        破波带是近岸水沙运动最活跃、地貌演变最频繁、海工建筑物响应最复杂的区域,波浪破碎是其中最重要的驱动过程。波浪破碎指标是模拟破波带能量耗散和波浪传播变形的关键参数,也是海岸工程领域被研究最早、受关注最多、应用最广泛的物理参数之一。虽然国内外研究人员已建立了大量的破碎指标公式,它们是否能够考虑更完善的物理机制、突破目前的适用范围和计算精度局限,一直是学术界和工程界迫切希望突破的瓶颈。

        课题组和自然资源部第三海洋研究所开展合作,采用五千多笔现场实测波浪数据和逆向模拟方法,发现破碎指标与离岸波陡和无量纲局地水深存在一种复合关系:入射波陡较大时破碎指标和局地水深为正相关,入射波陡较小时破碎指标和局地水深为负相关。为了解释这种复合关系,课题组提出了波浪非线性引起的“破碎耗能增强”和“破碎激发抵制”两种互制效应,并建立了一个新的破碎指标计算公式。采用3组现场观测资料和14组实验室资料验证结果表明,相比于目前国际上常用的7个前人公式,在波浪数学模型中采用这个新公式可使破波带波高的模拟误差平均减少19%。模拟精度的改进在离岸波陡较小时尤为显著,这对于低能波浪条件下的向岸输沙和岸滩恢复研究具有重要意义。

        研究成果于近日发表在学术期刊《Coastal Engineering》(2021年第168卷),张弛老师为论文第一作者和通讯作者,李元博士生为第二作者,郑金海教授为共同通讯作者。这是继近岸非线性波峰面坡度研究(Zhang et al., CE, 2017)之后,课题组在破波带能量转化机制与模拟方法研究方向上取得的新突破,有望在新一代海岸动力地貌演变数学模型的发展中得到更广泛的应用。

参考文献:
Zhang Chi*, Li Yuan, Cai Yu, Shi Jian, Zheng Jinhai*, Cai Feng, Qi Hongshuai. Parameterization of nearshore wave breaker index. Coastal Engineering. 2021, 168, 103914.
Zhang Chi, Zhang Qingyang, Zheng Jinhai*, Demirbilek Zeki. Parameterization of nearshore wave front slope. Coastal Engineering. 2017, 127, 80-87.

祝贺课题组2021届硕士毕业生完成论文答辩

        2021年5月30日,课题组2021届硕士毕业生在严恺馆完成了硕士论文答辩,答辩委员会主席由严以新教授担任。课题组学术型硕士陈树彬同学、李方明同学、蔡钰同学、陆旭同学及专业型硕士徐海燕同学、马明英同学、刘雁铭同学、杨子希同学顺利通过答辩。至此,八位同学圆满完成了硕士阶段的学业任务,祝贺他们,希望他们学以致用,在今后的工作岗位上更上一层楼!

 

课题组开展海滩游客安全意识科普调查及波浪现场观测

        近期召开的第75届联合国大会通过了首个全球预防溺水决议,并将每年7月25日定为世界预防溺水日。该决议指出溺水在过去十年中造成250多万人死亡,且溺水是全球儿童因伤致死的主因,但人们在很大程度上没有认识到这一问题产生的影响。决议鼓励各国提高公众的预防溺水意识,促进创新型防溺水工具和技术的研发,加强水上安全、游泳和急救技能培训。

        溺水作为重大海滩游客安全事故,一直是课题组重点关心的问题。课题组曾对溺亡和失踪等海滩游客安全事故特征进行详细分析,并建立了中国大陆海滩游客安全事故数据库。近日,为进一步明确事故影响因素并建立事故发生概率预测模型,课题组张弛老师、时健老师,博士生张利鹏及硕士生陆旭、陈彦哲选择三亚大东海海滩作为典型研究对象,赴现场进行了海滩游客安全意识调查。本次调查以问卷调查的方式展开,通过问卷收集游客性别、年龄、籍贯等基本信息及其对海滩安全的认知情况,并对海滩救生员进行了采访。此外,课题组成员还通过海报展示与现场宣传的方式,向公众科普了海滩上可能出现的安全隐患以及识别危险和逃生自救的技巧。

        同时,课题组成员使用激光雷达获取了近岸波面数据,并以潮波仪进行验证。测量数据将作为影响因素之一用于海滩游客安全事故的预测研究。

课题组师生在大东海海滩

游客参与问卷调查及科普留影

岸边架设激光雷达

海中放置潮波仪

课题组在近岸人工沙坝养滩动力地貌研究领域取得进展

        铺设人工沙坝是帮助沙质海岸抵御侵蚀的有效措施,提高对人工沙坝地貌形态演变规律的认识对海岸工程的设计与实施具有非常重要的意义。最近,课题组在人工沙坝动力地貌研究领域取得进展,研究成果发表于国际期刊Journal of Marine Science and Engineering,标题为Wave Dissipation and Sediment Transport Patterns during Shoreface Nourishment towards Equilibrium.文章的第一作者为博士研究生李元,张弛老师为通讯作者,课题组硕士生蔡钰为合著作者。

        主要采用物理模型实验和数值模拟方法,模拟分析了人工沙坝在常浪条件下向岸迁移并趋向平衡的过程。发现人工沙坝平衡时剖面上的单位水体波能耗散率比初始时刻分布更均匀。向岸的推移质输沙是人工沙坝向岸迁移的主导动力机制,在人工沙坝趋于平衡时,推移质输沙率逐渐减小。剖面上最大输沙率出现在人工沙坝上方或在岸线的前方,取决于人工沙坝遮蔽效应的强弱。此外,还分析了波高、周期和海平面上升对人工沙坝平衡剖面的影响。

 

文章信息:
Yuan Li, Chi Zhang, Yu Cai, Mingxiao Xie, Hongshuai Qi, Yigang Wang. Wave Dissipation and Sediment Transport Patterns during Shoreface Nourishment towards Equilibrium. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, 9(5), 535.

图1:剖面上单位水体波能耗散率分布的比较

图2:地形剖面演变过程,图中黑色虚线代表人工沙坝坝顶位置,灰色虚线代表岸线位置。

图3:剖面上悬沙和底沙时空变化分布图。

图4:波高和周期对人工沙坝平衡剖面的影响。

课题组在非静压数学模型领域取得进展

        在采用Godunov型有限体积法的非静压模型中,导数限制器可以抑制数值震荡,提高模型稳定性。然而,其引入的数值耗散可能是模型总耗散的主要成分。尤其在波浪模拟中,当波浪发生破碎时,导数限制器引入的数值耗散能否较好地反应实际物理现象中所产生的耗散,仍是一个值得研究的问题。关于导数限制器对波浪模拟的影响,在基于浅水方程、Boussinesq方程和KdV方程的数学模型中已有较为系统的分析,而对于基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程的非静压模型还尚未有相关的研究。

        近日,课题组在非静压数学模型领域取得新进展,研究成果发表于国际期刊Applied Ocean Research,标题为Evaluating the influence of slope limiters on nearshore wave simulation in a non-hydrostatic model。博士研究生曹向明为文章第一作者,郑金海教授为通讯作者,张弛老师和时健老师为文章共同作者。本文研究了非静压模型NHWAVE中minmod、van Leer和superbee导数限制器对波浪模拟的影响。研究表明导数限制器对模型结果的影响与其各自的耗散特性密切相关。加密网格不一定能够提高导数限制器的精度。在模拟波浪破碎时,激波捕捉方法通过导数限制器引入数值耗散以模拟波浪破碎中的能量耗散,而湍流模拟方法并不引入显著的数值耗散。在湍流模拟中,波浪破碎引起能量耗散主要为紊动耗散。综合模型稳定性和耗散特征,van Leer限制器更适用于实际应用中的波浪模拟。

 

文章信息:
Cao, Xiangming, Zheng, Jinhai, Shi, Jian, Zhang, Chi and Zhang, Jisheng (2021) Evaluating the influence of slope limiters on nearshore wave simulation in a non-hydrostatic model. Applied Ocean Research, 112, 102683.

图1 文章中分析的三种导数限制器

图2 不同导数限制器的网格收敛性分析,从上到下依次为minmod,superbee和van Leer

图3 孤立波破碎算例中总能量随时间变化规律

课题组在无粘性泥沙上扬通量研究领域取得进展

        水流流经床面时,如果床面切应力超过床面泥沙抗侵蚀能力,床面泥沙颗粒将开始运动,冲刷随即发生。单位时间单位面积床面上冲刷进入水体的泥沙质量或体积称为上扬通量。上扬通量是泥沙输运研究中的基本物理量,广泛用于描述输沙数学模型的底部边界条件。准确计算上扬通量对于准确模拟泥沙输运和河床演变过程以及水环境和水生态至关重要。然而,由于复杂的水流和底床相互作用,准确计算上扬通量仍是具有挑战性的课题之一。

        近日,课题组在无粘性泥沙上扬通量研究领域取得进展,研究成果发表于国际期刊《Journal of Hydraulic Research》。文章题目为“Pickup Rate of Non-Cohesive Sediments in Low-Velocity Flows”,陈大可老师为第一作者,张弛老师为通讯作者。该成果是课题组与奥克兰大学泥沙冲刷团队合作下取得的。研究团队发现现有上扬通量计算公式在低上扬条件(泥沙起动条件附近)和高上扬条件(远高于起动条件)下均偏离实测值。通过自主开发的一套管式泥沙冲刷实验装置,研究团队对6组均匀沙在接近泥沙起动阈值的动力条件下进行了上扬通量测量。基于测量的实验数据和收集到的其他实验数据,研究团队对目前上扬通量计算中较常用的曹志先公式进行了修正。修正后的公式在36.7倍起动切应力以下的动力范围内与实测值均吻合较好。研究成果对于提高泥沙输运模拟精度和地形演变过程有重要意义。

文章信息:
Dake Chen, Bruce Melville, Jinhai Zheng, Yigang Wang, Chi Zhang, Dawei Guan & Cheng Chen (2021) Pickup rate of non-cohesive sediments in low-velocity flows, Journal of Hydraulic Research, DOI: 10.1080/00221686.2020.1871430.

图1 实验装置

图2 单位上扬面积与动力因素的关系

图3 修正后上扬通量公式计算值与实测值的比较

课题组在海岸地形平衡剖面动力机制研究领域取得进展

        在波浪长时间的作用下,沙质海岸地形剖面将趋于平衡状态。平衡剖面的概念在海岸工程种的应用非常广泛,如海滩养护工程的设计以及防浪建筑物的选址。此外,研究沙滩的平衡剖面对于评价海滩对自然力的响应也具有重要意义。传统的研究手段主要采用幂指函数等拟合平衡剖面的几何形态,建立相关的经验函数模型,而对平衡过程中的水沙运动机制知之甚少。

        近日,课题组在海岸地形平衡剖面动力机制研究领域取得进展,研究成果在国际期刊《Continental Shelf Research》上发表,标题为“Barred beach profile equilibrium investigated with a process-based numerical model”,博士生李元为第一作者,张弛老师为通讯作者。《Continental Shelf Research》是地学-海洋学领域的重要国际期刊,主要刊载有关大陆架与海洋环境的学术论文,其内容覆盖包括河口海岸学、物理海洋学和生态学各个研究领域,2019年的影响因子为2.424。

        文章中的主要工作包括:(1)应用基于物理过程的海滩剖面演变数学模型成功复演了实验室尺度和原型海岸尺度下沙坝平衡剖面。(2)分析了沙坝剖面平衡过程中波高、底部离岸流流速、水体含沙量的时空变化。(3)分别解析了波周期平均和相位解析两种时间尺度下总输沙率、推移质输沙率和悬移质输沙率的变化规律,揭示了向岸的推移质输沙和离岸的底部离岸流输沙之间的“互制”是导致沙坝剖面平衡的主要因素。(4)基于平衡剖面上破碎波能耗散率分布均匀的假定,提出了“波能熵”无量纲参数用以描述海岸剖面的平衡程度。(5)建立了波能熵与剖面累积输沙率之间的经验关系。

Yuan Li, Chi Zhang, Dake Chen, Jinhai Zheng, Jiawen Sun, Peng Wang, Barred beach profile equilibrium investigated with a process-based numerical model, Continental Shelf Research, Volume 222, 2021, 104432, https://doi.org/10.1016/j.csr.2021.104432.

图1:模型成功复演了实验室中的沙坝平衡剖面

图2:相位解析的流速、含沙量和输沙率

图3:波能熵与剖面累积输沙率的关系

课题组开展水位调制下近岸波能演化和泥沙运动物理模型试验

        近日,课题组博士生曹向明、张利鹏及硕士生杨昊烨、万文杉在张弛老师和时健老师的指导下,开展了“水位调制下近岸波能演化与泥沙运动物理模型试验”。

        本试验在河海大学港口海岸与近海工程学院港建楼水槽进行,该水槽配备有一台主动吸收式推板造波机。试验中使用数字式浪高仪记录波面时间序列,小威龙剖面流速仪记录沙坝上方垂向流速分布。试验还采用了高分辨率相机系统记录了沿程波面时间序列和地形数据,可以得到高空间分辨率的波面、地形沿程变化。

        在定床、动床两种情况下,针对不同水位、波浪组合条件进行了多组试验,获取了不同组合条件下沿程波面和地形变化数据,为课题组和海洋三所联合承担的国家自然科学基金重点项目(41930538)“潮汐影响下的海滩动力地貌风暴响应机制研究”提供了宝贵的数据支持。

定床试验中沙坝上方波浪破碎

动床试验中的沙坝平衡剖面

相机参数标定

课题组在海底管道冲刷领域研究取得进展

        海底管道可用于输水、输油、输电、输沙、排污等,被广泛应用于海岸整治和海洋工程等工程领域。管道下方海床冲刷可导致悬跨产生,使管道周围易产生涡激振荡等流体动力问题而引起结构疲劳破坏。准确预测海底管道冲刷悬跨横向拓展速度,是管道工程领域中的难点问题。前人对此领域的关注相对不足,少量研究仅针对单一清水或动床冲刷条件,且关注的影响因素不全面,也并没有形成统一的悬跨冲刷拓展预测理论。

        近日,课题组在海底管道冲刷领域取得进展,与丹麦科技大学海岸工程团队合作研究成果在一区期刊《Coastal Engineering》上正式发表,标题为“Span shoulder migration in three-dimensional current-induced scour around submarine pipelines”。基于物理模型试验,研究了水流作用下海底管道下方三维冲刷悬跨横向拓展速度。从海床冲刷的基础理论出发,基于量纲准则,提出了考虑清水和动床冲刷两种条件下的悬跨拓展速度预测模型。模型预测结果可在清水-动床冲刷临界条件处实现光滑过渡(图3),因而统一了自然界两种冲刷条件下的管道冲刷理论。模型考虑了流速、管道直径、泥沙粒径、管道埋深等管道冲刷的主要影响因素,与物理模型91组实测数据对比证实,本公式可成功应用于预测管道三维悬跨拓展的工程实践。

        课题组与丹麦科技大学海岸工程团队长期保持密切合作。2017-2020年课题组隋倜倜老师赴丹麦科技大学从事博士后研究,并至今担任丹麦科技大学客座学者。2020年7月份课题组邀请David Fuhrman教授开展线上讲座,共吸引国内外20多家学术机构的207位学者参加,并在会后进行了热烈的学术讨论。课题组今后将与丹麦科技大学海岸工程团队加强学术联系并深化科研合作。

文章信息:
Titi Sui, Leon Heine Staunstrup, Stefan Carstensen, David R. Fuhrman. (2021). Span shoulder migration in three-dimensional current-induced scour beneath submerged pipelines. Coastal Engineering, 164, 103776. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378383919303886

图1 管道冲刷悬跨拓展的物理过程

图2 管道海床冲刷三维地形数值高程

图3 管道冲刷悬跨拓展速度清水/动床条件统一预测模型

图4 管道冲刷悬跨拓展速度清水/动床预测公式(与图3一致)

张弛老师参加江苏省海洋湖沼学会2020年度学术会议

        12月26日,江苏省海洋湖沼学会2020年度学术会议在中国科学院南京地理与湖泊研究所九华园区顺利召开。本次年会线下线上同步进行,江苏省海洋湖沼领域相关部门的会员代表100余人参加此次年会。会议颁发了第一届江苏省海洋湖沼学会科学技术奖,课题组张弛老师荣获此奖励。授奖仪式后,张弛老师作了题为“沙质海滩养护修复的基础理论与关键技术研究”的学术报告,与现场专家学者展开了热烈的讨论。