课题组师生与丹麦技术大学Sumer教授、Fuhrman教授课题组开展交流

        2023年4月27日,团队师生与原丹麦技术大学B. Mutlu Sumer教授、丹麦技术大学David R. Fuhrman教授开展线上-线下学术交流活动。港航学院张继生教授、课题组张弛老师、隋倜倜老师、李元博士后和20余名博士、硕士研究生参加了本次交流。

        隋倜倜老师作为邀请人首先做了开场报告,欢迎Sumer教授和Fuhrman教授参会,并介绍了近些年来课题组在波流作用下水沙运动及基础海床稳定方面的研究成果。随后,博士生杨沐盛作了题为“Scale effects on scour below submarine pipeline”的报告,硕士生陈武杰作了题为“Local Scour beneath pipeline with shell-sand mixture seabed”的报告,硕士生孙朝阳作了题为“Seabed response around a slope breakwater with the bimodal spectral wave loading”的报告,硕士生杨蕴涵作了题为“Wave induced seabed response of a sloping bed”的报告,硕士生杨齐作了题为“Span shoulder migration in three-dimensional wave-plus-current induced scour beneath submerged pipelines”的报告。研讨会中,Sumer教授、Fuhrman教授对学生进行了学术指导,课题组师生与两位教授也进行了深入的交流。

        Sumer教授、Fuhrman教授与课题组建立了长期良好的科研合作关系,目前联合成功申报自然科学基金面上在内的国家级科研项目2项,合作发表署名高水平论文5篇。本次学术交流会深化了课题组师生与Sumer教授、Fuhrman教授的交流合作,会后双方一致达成定期举办学术交流活动的意愿和想法。

        原丹麦技术大学教授、土耳其BM SUMER工程研究咨询中心创始人B. Mutlu Sumer教授,是现有管道冲刷众多基础理论的奠基者,具备丰富的管道冲刷理论储备与工程咨询经验。担任包括行业著名期刊《Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering》在内的6个期刊副主编,主持包括SCARCOST (Scour Around Coastal Structures) 和 LIMAS (Liquefaction Around Marine Structures)欧盟合作项目在内的国际项目15项。出版四本专著,发表SCI论文120余篇,获ASCE-Karl Emil Hilgard水动力奖,在流体力学、海岸水沙动力学、海洋岩土力学方面享有极高的声誉。

        丹麦技术大学David R. Fuhrman教授长期从事海岸湍流、波浪动力学、泥沙运动方面的研究工作,发表SCI期刊论文80余篇,担任《Applied Ocean Research》主编,《ASCE J. Waterway Port, Coastal and Ocean Engineering》副主编及《Coastal Engineering》编委。发表各类高水平论文100余篇,其中包括行业顶刊《Journal of Fluid Mechanics》、《Coastal Engineering》,《Journal of Geophysical Research》论文50余篇。其团队开发的waves2Foam波流数值水槽开源程序在业内获得广泛应用,核心文章至今被引1500余次,在波浪动力学理论和水沙运动数值模拟研究领域享有极高的声誉。

课题组隋倜倜老师关于海床液化的研究成果在《Coastal Engineering》发表

        近日,课题组隋倜倜老师在海岸工程领域权威期刊《Coastal Engineering》上发表了关于波浪加载历史对淤泥质海床动力响应及液化影响的试验研究成果,论文题为“Effect of history of wave exposure on seabed liquefaction”。该研究联合了丹麦技术大学、伊斯坦布尔科技大学、土耳其BM SUMER工程研究与咨询中心等单位的多名知名学者,隋倜倜老师为第一作者。

        波浪作用下海床液化是造成海工结构物基础海床失稳的重要原因之一,受到了国内外海岸/海洋工程界学者的广泛关注。前人对于海床液化的研究大都针对单一波浪荷载下的海床动力行为。本研究关注风暴潮变化波浪荷载下的海床动力响应及液化过程,探究波浪加载历史对海床液化的影响机理。研究发现,风暴潮引起的动力加载历史中首个大波是引起海床液化的关键原因,在此之前的众多小波对液化的影响较小。同时,液化后的海床土体抗液化能力大幅提高,即使再大的波浪加载也难以再次液化。研究成果为海工结构物基础海床动力失稳分析与保护,提供了理论基础和技术支持。

论文信息:
Titi Sui, B. Mutlu Sumer, Ozgur V.S. Kirca, Stefan Carstensen, Jinhai Zheng, David R. Fuhrman. (2023). Effect of history of wave exposure on seabed liquefaction. Coastal Engineering, 183, 104307.

课题组张弛老师和隋倜倜老师参加第四届海洋工程青年学术论坛

        2023年4月14日-16日,课题组张弛老师和隋倜倜老师赴三亚参加了第四届海洋工程青年学者论坛。论坛主要宗旨在于聚焦海洋工程,为青年学者提供学术交流平台,促进海洋工程、技术、装备和前沿交叉领域的创新与合作。本次论坛由上海交通大学、上海海洋大学、江苏科技大学主办,上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院承办,来自海洋工程领域的国家人才、知名教授、青年学者等100余人参加。

        张弛老师在会上作了题目为“多尺度海滩演变机制及保护修复研究”的特邀报告,从海滩保护面临的难题出发,讲述了课题组最近的科研成果,提出了相应的海滩保护修复办法。会后,张弛老师、隋倜倜老师和与会学者同行展开了深入的交流。

课题组提出沙质岸线对海岸建筑物拆除的地貌响应新认识

        为了应对气候变化和人类活动导致的日益增长的海岸灾害风险,或是满足经济发展、海上运输、资源开发和旅游娱乐需求,人们建设了大量的海岸建筑物,如海堤、防波堤、河口导堤、码头、人工岛等。随着海平面上升和风暴潮的加剧,以及海岸地区城市化和人口增长的持续,人工岸线的比例或将继续升高[1]

        然而,这些“硬质”海岸建筑物也带来了许多副作用,甚至,较高的人工岸线比例已经被认为是影响海岸侵蚀易损性的重要因素[2]。就沙质岸线而言,海岸建筑物引起的临近沙滩侵蚀,不仅会破坏海岸自然景观和生态系统,还会增加海岸受灾风险,对海岸设施和人身、财产安全造成威胁,一直备受关注[3-5]

        为了更好地解决海岸建筑物所带来的负面影响,海岸管理者和研究人员正致力于寻找更多“基于自然的解决方案”。沙滩养护,作为一种有效且生态和环境友好的软防护手段,已被广泛地用于缓解沙滩侵蚀和重建自然景观[6]。此外,在国外一些地区,专门构建了旁通输沙系统,用以解决海岸建筑物造成的沿岸输沙中断问题。该系统通过泥沙泵和管道网,将海岸建筑物拦截的泥沙运移至其下游侧,以维持建筑物下游岸线的泥沙供给[7]。除了这些广泛认可的方法,一种潜在可行但鲜有研究的方法就是直接拆除不适宜的海岸建筑物,即移除干扰系统的原始因素以触发系统的自然恢复。最近,越来越多的决策者在海岸整治修复中将这一方案纳入考虑范围和实施方案[8,9]

        尽管这一方法有望实现自然的海滩形态恢复,但缺乏对海岸恢复能力的理解和认识是评估其有效性的一大阻碍,并为其在不同地区的规划和实施带来了不确定性。确切地说,许多与海滩形态对海岸建筑物拆除的响应过程有关的关键问题尚不清楚,如,海岸建筑物拆除后,海滩能否恢复至被其影响前的状态、恢复程度如何、恢复时间的长短、以及哪些因素或过程将影响恢复能力。考虑到海岸建筑物周围形成的沙岬颈、不连续岸线等独特的海岸地形将暴露于极不匹配的水动力环境,海岸建筑物拆除可能会导致快速且剧烈的岸线演变,表现出岸线断裂、沙嘴发育和岸线融合等复杂行为。以前的研究主要关注于海岸建筑物建设的影响,对于海岸建筑物拆除后的海滩地貌演变过程与物理机制的认识仍十分匮乏。

        针对这一问题,课题组使用新型岸线演变模型ShorelineS探究了防波堤拆除后的沙质岸线自然恢复能力。通过模拟不同防波堤形式和动力环境下防波堤拆除后的岸线演变过程,定量分析了岸线恢复率和恢复历时的变化规律和影响因素。研究发现,在拆除防波堤后,沙质岸线具有自然恢复的能力,但其恢复率和恢复历时差异显著。根据防波堤和环境条件,岸线可能部分或完全恢复至防波堤建设前的状态,恢复历时在几年至几百年不等。然而,在一定条件下,防波堤拆除也可能导致岸线侵蚀加剧。较高的岸线恢复能力(高恢复率和短恢复历时)与较短的防波堤长度、向下游倾斜的防波堤方向、较低的波浪入射角度和较大的沿岸输沙率有关。研究揭示了沙嘴的发育、延伸、断裂、融合等演变行为是影响防波堤拆除后岸线恢复能力的关键过程。基于模拟结果和所得认识,最终我们提出了初步的定量评估岸线恢复能力的实用性公式。这一研究成果为工程干预下的海岸地貌韧性提供了新的认识,也可为海岸建筑物拆除相关的海岸管理决策和项目规划提供支持。

        相关研究成果发表于学术期刊《Frontiers in Marine Science》(2023年第10卷),迟善航博士生和张弛老师分别为论文的第一作者和通讯作者。本研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金重点项目和中央高校基本科研业务费项目的支持。

论文信息:

Chi, S., Zhang, C., Zheng, J., 2023. Sandy shoreline recovery ability after breakwater removal. Frontiers in Marine Science, 10, 1191386. doi: 10.3389/fmars.2023.1191386

不同波浪入射角下防波堤拆除后的岸线演变

参考文献:

[1] Gittman, R. K., Fodrie, F. J., Popowich, A. M., Keller, D. A., Bruno, J. F., Currin, C. A., et al. (2015). Engineering away our natural defenses: an analysis of shoreline hardening in the US. Front. Ecol. Environ. 13 (6), 301–307. doi: 10.1890/150065

[2] Cai, F., Cao, C., Qi, H., Su, X., Lei, G., Liu, J., et al. (2022). Rapid migration of mainland China’s coastal erosion vulnerability due to anthropogenic changes. J. Environ. Manage. 319, 115632. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.115632

[3] Luijendijk, A., Hagenaars, G., Ranasinghe, R., Baart, F., Donchyts, G., and Aarninkhof, S. (2018). The state of the world’s beaches. Sci. Rep. 8, 6641. doi: 10.1038/s41598-018-24630-6

[4] Liu, G., Qi, H., Cai, F., Zhu, J., Zhao, S., Liu, J., et al. (2022). Initial morphological responses of coastal beaches to a mega offshore artificial island. Earth Surface Proc. Landforms 47 (6), 1355–1370. doi: 10.1002/esp.5320

[5] Chi, S., Zhang, C., Wang, P., Shi, J., Li, F., Li, Y., et al. (2023). Morphological evolution of paired sand spits at the Fudu river mouth: wave effects and anthropogenic factors. Mar. Geol. 456, 106991. doi: 10.1016/j.margeo.2023.106991

[6] Li, Y., Zhang, C., Dai, W., Chen, D., Sui, T., Xie, M., et al. (2022). Laboratory investigation on morphology response of submerged artificial sandbar and its impact on beach evolution under storm wave condition. Mar. Geol. 443, 106668. doi: 10.1016/j.margeo.2021.106668

[7] Boswood, P. K., and Murray, R. J. (2001). Worldwide sand bypassing system: data report (Queensland, Australia), 1037–4701.

[8] 海洋知圈. 海南三亚凤凰岛二期拆除整改纪实:校正迷失的发展“航向”. [EB/OL]. [2023-05-08] https://mp.weixin.qq.com/s/I4DwAqAyoSQ2BamwssqpGg

[9] 地图狂人, 专家频道. 海南14个人工岛被环保风暴叫停,绝大多数荒废或整体被拆! [EB/OL]. [2022-01-11] https://mp.weixin.qq.com/s/ZHd-dvwKP43bd8hkMTh_iQ

 

 

 

 

张文彬、陈彦哲、万文杉、杨昊烨顺利通过硕士毕业答辩

        2023年5月26日,课题组2023届硕士毕业生在水灾害防御全国重点实验室301完成了硕士学位论文答辩,答辩委员会主席由南京水利科学研究院陈可锋教高担任,张弛老师、隋倜倜老师和时健老师担任答辩委员会委员,付睿丽博士后担任答辩秘书。

        课题组学术型硕士张文彬、陈彦哲、万文杉、杨昊烨四位同学顺利通过毕业答辩,他们的毕业论文题目分别为“强非线性波致海滩剖面演变数值模型的修正及应用探讨”(张文彬),“海滩游客安全事故特征与预测方法研究——以三亚大东海海滩为例”(陈彦哲),“双峰谱波浪在不同海滩地形上传播变形与耗能规律研究”(万文杉),“时变波浪和水位影响下的海滩冲流特性研究” (杨昊烨)。

        四位同学圆满完成了硕士阶段的学业任务,愿同学们都能前程似锦。毕业不是终点,前方路还长,愿有岁月可回首,且以今朝共叙旧!此去山海,不负韶华!

课题组开展岸基三维激光雷达近岸波浪观测现场试验

        2023年04月24日至27日,课题组博士生张利鹏和硕士生张哲跟随时健老师前往日照阜新渔港附近沙滩,进行了岸基三维激光雷达近岸波浪观测现场试验。

        此次现场试验中,将CH32激光雷达和Gopro相机通过3m高的方形钢管支架固定于岸滩,获取了近岸波面雷达点云数据和视频影像数据。同时,依照雷达对应线程垂直海岸布置了压力计,以获取压力传感器数据。本次现场实验旨在对岸基三维激光雷达的波形、波向和爬高测量能力进行验证,其中波形验证包括波面验证、波浪重构、单波追踪,波向验证包括方向验证、方向谱验证,爬高验证则包括雷达与视频影像结果对比、实测与公式计算值对比。本次试验获取了宝贵的现场实测资料,为开展三维激光雷达现场应用研究打下了坚实基础。

课题组开展风暴作用下珊瑚沙输运和珊瑚沙滩剖面形态演变物理模型试验

        近日,课题组博士生陈树彬、硕士生王秭霖和本科生蔡家涛在张弛老师和李元博士后的指导下,开展了风暴作用下珊瑚沙输运和珊瑚沙滩剖面形态演变物理模型试验。

        本试验在河海大学港口海岸与近海工程学院海工、环境泥沙实验室中的波浪水槽进行,该水槽配备有一台主动吸收式推板造波机。试验中使用电容式浪高仪与非接触式超声波浪高仪记录波面时间序列,旋桨流速仪记录珊瑚礁地形上方的近底流速分布。同时试验还采用了高分辨率相机系统记录了珊瑚沙滩爬高数据,通过图像识别的方式可以获取爬高的时间序列。

        目前,该试验已完成定床部分,针对不同水位、波浪组合条件进行了多组试验,获取了不同入射波况和水深组合条件下沿程波面和流速变化的数据,后续计划采用碳酸钙沙石模拟礁后沙滩,并采用地形扫描仪记录地形的时空变化。该试验为课题组所承担的国家重点研发计划专项“海洋环境安全保障与岛礁可持续发展”提供了宝贵的数据支持。

图1 定床试验中礁缘波浪破碎

图2 非接触式超声波浪高仪

图3 相机内参和外参标定

课题组提出珊瑚礁地形上波高分布和波浪非线性新公式

        珊瑚礁广泛分布于热带和亚热带近岸地区,该地形上的非线性波浪是驱动近底沉积物和营养物质输运的主要因素之一,因此,对三维珊瑚礁海岸波高分布和非线性特征的研究需要进一步深入。

        课题组在港池中建立了概化的珊瑚礁-潟湖-裂口地形,开展了不规则波工况试验。基于试验采集到的波面和流速数据,通过归一化流速参数化了波高分布公式中的关键参数,改进了传统波高分布公式对礁坪和裂口中波高大小的预测效果,结果还表明顺向流和逆向流对波高分布的影响不同。多普勒效应对礁坪和裂口中波形的影响随入射波高和礁坪淹没高度的不同有显著差异。通过考虑逆流和顺流引起的多普勒效应对波长的影响,使用Ursell数对珊瑚礁-潟湖-裂口系统中的波浪偏度和不对称度进行了参数化,相较于前人的公式,对偏度和峰度预测的准确度提升了39%和66%。此外,试验还观察到由于次重力波波谷引起的局部水深减小,导致礁坪中部位置的短波在单波尺度上的偏度值增大。

        本研究讨论了波生流对于珊瑚礁-潟湖-裂口系统中的波浪非线性变化的影响,并拟合了波高分布与波浪非线性特征量的相关公式,为进一步研究珊瑚礁海岸水动力环境提供了帮助。研究成果于发表于期刊《Ocean Engineering》上,课题组博士生陈树彬和李元博士后分别为论文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和国家自然科学基金重点项目等项目的支持。

图1 试验地形设计

图2 波高分布计算精度对比(红色为本研究提出的新公式)

图3 多普勒效应对波浪参数的影响

课题组在非线性波浪小波变换分析方法取得新进展

        小波二阶谱具有频率分辨率高、自由度高的特点,被广泛地用于波浪非线性的分析中。然而,传统的小波二阶谱难以对频率耦合的程度给出准确的量化,因而对波面信号进行分析时会采用小波二阶相干谱。对于有限长度、振幅快速变化的信号,二阶相干谱可能会在并不存在耦合的频率对上给出较高的量值,对分析结果具有一定的误导性。

        为了克服传统小波二阶谱的缺陷,采用一种新定义的可量化的小波二阶谱对波面信号进行分析。使用两个物理模型试验数据集对该方法进行了验证。结果表明,基于lognormal母小波的可量化小波二阶谱可以较好地估计波浪非线性。新定义的小波二阶谱可以很好地描述波浪偏度和不对称度的沿程演化过程,与统计方法得到的结果吻合良好。表明新的小波二阶谱能够量化非线性波浪的频率耦合程度。基于该方法,进一步地讨论了小波中心频率对结果的影响。随着小波中心频率增大,小波二阶谱积分得到的偏度和不对称度增大。

        本研究发展了非线性波浪小波二阶谱分析方法,为小波二阶谱结果验证提供了依据。相关研究成果发表于学术期刊《Ocean Engineering》(2023年第268卷),曹向明博士生为论文第一作者,时健副教授为通讯作者,张弛教授和郑金海教授为共同作者。本研究得到国家自然科学基金重点项目、广西北部湾海洋资源环境与可持续发展重点实验室开放基金和国家自然科学基金面上项目资助。

参考文献:

Cao Xiangming, Shi Jian*, Zhang Chi, Zheng Jinhai. Inter-comparison of wave skewness and asymmetry estimation using wavelet, Fourier and statistical methods. Ocean Engineering, 2023, 268, 113382.

不同小波中心频率计算得到的波浪偏度和不对称度

课题组在海滩漫滩冲流研究方面取得新进展

        在天文潮、平均海平面、风暴增水、次重力波和爬高等因素的共同作用下,海滩漫滩时有发生。其中,海滩冲流与平均增水共同构成波浪爬高,是导致海岸洪水和引起海岸线变化的最重要的因素之一,也是海滩漫滩过程中造成海滩侵蚀和泥沙输移的重要原因。海滩冲流可以分为两个主要成分:短波频段(f >0.05Hz)和次重力频段(f <0.05Hz)。

        近期,课题组提出了一种改进的基于视频影像的自动识别方法,用于监测和提取实验室水槽中的爬高、冲流运动。该方法提高了视频采样频率,提高了图像增强算法的效果。改进后的影像方法与人工提取冲流的结果吻合良好。通过对比验证发现,实验中冲流能谱的短波段截断频率与在自然海滩上观察到的结果一致。研究结果表明,在突变地形上,水深对短波频段的谱峰频率有影响,并会形成多谱峰的冲流能谱。较大的入射波周期会导致较小的冲流谱峰频率,但也会导致较高的谱峰能量。较大的入射波高会导致较宽的冲流能量耦合,使冲流趋于饱和状态和更高的冲流能量。突变地形的存在促进了冲流能量从高频向低频的转移。

        相关研究成果发表于学术期刊《Journal of Marine Science and Engineering》(2022年第10期12卷),杨昊烨硕士生和张弛老师分别为论文第一作者和第二作者,时健老师为论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金重点和面上等项目的支持。

参考文献

Yang Haoye, Zhang Chi, Shi Jian, Cao Xiangming, Li Yuan. Laboratory observations of swash signatures using video imagery. Journal of Marine Science and Engineering, 2022, 10(12), 1833.

课题组老师参加南海周边海滩保护修复研讨会

        2022年南海周边海滩保护与修复研讨会(Symposium on Beach Protection and Restoration around the South China Sea, 2022)是由中国海洋科学委员会和自然资源部第三海洋研究所共同主办的国际学术会议。研讨会鼓励宣传海岸带资源保护与修复领域的最新研究成果,促进海岸带生态文明的发展,是中国海岸保护与修复领域高水平、高影响力的专业学术研讨会之一。

        该研讨会以”南海周边国家海滩资源保护与修复 “为主题,在与东南亚国家开展海洋生态保护合作的基础上,探讨南海周边国家海岸侵蚀灾害,分享各国海岸带保护的经验和做法,重点探讨各国滩涂资源的开发、利用和保护策略,梳理南海周边海滩资源保护的关键科学问题。本次研讨会将有利于中国-东盟在防灾减灾和生态保护方面的对话,加强中国与南海周边国家的双边和多边合作,并为 “一带一路 “合作倡议提供更好的国际环境和必要的科技支撑。

       课题组张弛老师、隋倜倜老师、时健老师、李元博士后于12月1日至2日线上参加了本次会议。并分别作了题为“Morphodynamic response of submerged artificial sandbar and its impacts on beach evolution”、“A coupled numerical model for wave-induced nonhomogeneous seabed response”、“An experimental study on measuring wave transformation with LiDAR”和“Tide-modulated wave characteristics and breaking regimes on a dissipative beach at South China Coast”的报告,与同行专家学者们进行了深入的交流与讨论。

课题组发表综述论文《近岸人工沙坝的剖面演变规律和泥沙输运机制研究综述》

        近岸人工沙坝养滩是海滩养护的一种典型方式,通过将泥沙抛填形成人工沙坝,削减波能并依靠自然波浪作用下的向岸输沙来养护海滩。人工沙坝具有养滩成本低、施工效率高、养滩周期长、对海滩活动和自然景观影响小等优点,是逐渐兴起和极具发展潜力的海滩养护方式。人工沙坝的养滩功能主要体现在“遮蔽效应”和“喂养效应”上。“遮蔽效应”指的是通过人工沙坝引起波浪破碎和能量耗散,减弱后方的输沙能力,抑制海滩侵蚀。“喂养效应”指的是人工沙坝在自然波浪作用下向岸迁移并填补在滩面上形成对海滩的养护。

        人工沙坝可视为天然地形上的人为扰动,与当地的水动力条件并不匹配。因此,人工沙坝往往会经历剧烈的地形变化,其中涉及的水沙运动过程较为复杂。在波浪演化层面上,人工沙坝引起的地形突变将对波浪传播变形特性产生显著的影响;在泥沙运动层面上,人工沙坝作为泥沙“源”,间接改变了地形剖面上原有的泥沙输运过程。在地形演变的层面上,现有天然沙坝的形成与演变理论将不再适用于人工沙坝。深入研究人工沙坝的剖面演变规律和泥沙输运机制不仅是海岸工程学科的前沿研究热点,也是海岸带保护修复工程建设的实际需求。

        本文从波浪作用下人工沙坝剖面形态演变规律入手,总结了不同动力条件下的人工沙坝横向迁移、形态演变和地貌耦合规律;探讨了人工沙坝平衡剖面形态特征与动力适应性;介绍了人工沙坝演变过程中的泥沙输运机制和数值模拟方法的主要研究进展,最后提出未来的研究展望。论文发表在国内权威期刊《海洋学报》上(2023年第5期),李元博士后和张弛教授分别是论文的第一作者和通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金面上项目和青年项目的资助。

 

课题组对强潮海滩上潮汐水位对潮间带破波参数的调制作用取得新认识

        潮汐引起的水位变化对近岸波浪传播破碎具有重要的调制作用,这种调制作用在我国华南砂质强潮海滩上尤为显著。加深对潮汐影响下潮间带波浪传播破碎特性的理解,是海岸带保护修复和防灾减灾的重要需求。

        本研究选取了福建省长乐沙滩开展了现场观测,采集波压力和地形等数据,分析了潮位变化对波高、波周期、频谱宽度、波浪速度不对称性、加速度不对称性的调制作用,采用实测数据验证相位平均波浪模型,发现了模型中考虑波高-水深比是成功模拟潮间带波高的关键,评估了不同波能耗散模型与破碎指标对模型计算的影响规律,分析了波浪破碎能量耗散模式随潮位的变化规律,从能量守恒方程出发重新推导了受水深限制破碎条件的波能耗散公式,揭示了模型需在水深较大处维持较强的波浪破碎才能满足受水深限制破碎的定义,说明传统的定义不再适用于本研究的海滩。

        研究成果发表在海洋工程权威期刊Ocean Engineering上,李元博士后和张弛教授分别为论文的第一作者和通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持。

课题组对海滩剖面演变模型试验比尺关系设计取得新认识

        沙滩剖面演变涉及多尺度水沙运动过程,选取合适的比尺关系是成功开展海滩剖面演变物理模型试验的前提条件。本研究采用海滩剖面演变数学模型构建理想数值水槽,提出了模型与原型海岸之间的尺度转换方法,分析了跨尺度海滩剖面演变规律的差异性,研究了不同尺度下沙坝迁移过程的比尺效应,采用两种常用的比尺关系比较了不同尺度下沙坝剖面形态变化与输沙规律。

        本研究丰富了对海岸泥沙运动相似准则的认识,并指出落淤相似和起动相似分别是物理模型试验中模拟沙坝离岸迁移和向岸迁移必须满足的相似准则,对本研究领域物理模型试验的设计具有一定的启示意义。研究成果发表在力学权威期刊Journal of Hydrodynamics上,李元博士后和张弛教授分别为论文的第一作者和通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目和中国博士后面上基金的资助。

课题组在沙嘴演变及受损机制方面取得新进展

        沙嘴是一种形态独特的海岸地貌结构,具有丰富的经济、生态、景观、海岸防灾减灾等多方面价值。沙嘴的演变机制是因地制宜的,且尚未被完全解析的,特别是对于河口地区向相反方向延伸的发散型成对沙嘴,其动力地貌机制研究十分匮乏。

        辽宁省浮渡河口发育有一对发散型成对沙嘴,在过去的几十年间经历了较为剧烈的形态演变。通过课题组的中国大陆海岸线数据库(CLINE 1.0)获取了1984至2020年间浮渡河口沙嘴的岸线演变过程,量化了沙嘴的横向迁移率、纵向伸长率和面积等地貌参数,结合中国近海波浪数据库(CWAVE 2.0)同时期的逐时波浪数据,探讨了浮渡河口沙嘴的演变过程与动力地貌机制。研究结果表明,受河口地貌影响,双向的季节性深水波浪气候在河口两侧形成了不同的破碎波浪特征,进而决定了浮渡河口沙嘴发散式延伸的特点。从泥沙来源看,浮渡河口南侧沙嘴由上游河口沙坝通过沿岸输沙供给泥沙,而北侧沙嘴由潮间带沙坝通过横向输沙供给泥沙。风暴作用在一定程度上加速了南侧沙嘴的退化、阻碍了北侧沙嘴的发育,但强烈的人类活动干扰,如河道采砂、护岸、大量海岸工程和养殖围垦是导致浮渡河口沙嘴受损退化的主要原因。值得注意的是,潮间带沙坝的存在显著提高了河口北侧沙嘴的地貌韧性,使其至今仍保留着较为完整的沙嘴地貌形态。

        本研究丰富了对沙嘴地貌演变和受损机制的认识,并强调了海岸地貌韧性在海岸地区开发中应被充分地了解和重视。相关研究成果发表于学术期刊《Marine Geology》(2023年第456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。本研究得到国家重点研发项目、国家自然科学基金重点和面上等项目的支持。

 

参考文献:

Chi, S., Zhang, C., Wang, P., Shi, J., Li, F., Li, Y., Wang, P., Zheng, J., Sun, J., Nguyen, V.T., 2023. Morphological evolution of paired sand spits at the Fudu river mouth: Wave effects and anthropogenic factors. Marine Geology 456, 106991.

1984-2020年浮渡河口沙嘴主要地貌参数演变

浮渡河口成对沙嘴泥沙输移模式

 

 

课题组教师参加海洋工程学会第五届代表大会暨第二十届中国海洋(岸)工程学术研讨会

        2022年12月15-17日,海洋工程学会第五届代表大会暨第二十届中国海洋(岸)工程学术研讨会在广东湛江采用线上线下相结合方式召开。在海洋工程学会第五届理事会换届选举中,郑金海教授当选为副理事长,课题组张弛老师当选为理事。海洋工程学会成立于1979年,现有团体会员200余个,是海洋工程科技工作者及相关单位自愿组成的学术性社会团体。

        会议期间,郑金海教授作了题为“珊瑚岛礁海岸动力学研究”的大会特邀报告,课题组时健老师和李元博士后分别作了题为“基于激光雷达的海岸波浪要素测量及误差分析”和“强潮海滩上潮汐对破碎波要素的调制作用研究”的报告,与参会人员深入交流了课题组在相关研究领域取得的新进展和新成果。

        

张弛老师参加新时期水港发展大会暨庆祝河海大学水港专业创办70周年大会并做代表发言

        2022年11月26日,新时期水港发展大会暨庆祝河海大学水港专业创办70周年大会在河海会堂举行,课题组张弛老师参加本次大会并作为教师代表做大会发言。

        中国工程院李华军院士、胡亚安院士,中国工程院院士、河海大学党委书记唐洪武,河海大学校长徐辉,全国人大常委会委员、致公党原中央副主席严以新,河海大学原校长张长宽,东海舰队原副司令员张春发少将,91800部队原部队长卢学东少将,江苏省沿海开发集团有限公司党委书记邓东升,河海大学原党委副书记郑大俊,江苏省教育厅原副厅长殷翔文,河海大学党委副书记郭继超,河海大学副校长郑金海等出席会议,各兄弟高校相关学院、各界校友代表、校内职能部门及兄弟学院主要负责人、港航学院师生参加了本次大会。

        大会的召开受到了多方关注。荷兰工程院院士Marcel Stive教授,英国皇家工程院院士Ian Townend教授发来祝贺视频,中国水运建设行业协会、自然资源部海洋减灾中心、国家海洋环境预报中心、江苏省交通运输厅、广东省水利电力勘测设计院有限公司等政府部门和行业单位,大连理工大学建设工程学部、天津大学建筑工程学院、中国海洋大学工程学院、重庆交通大学河海学院、长沙理工大学水利与环境工程学院、东南大学交通学院、三峡大学水利与环境学院等许多兄弟高校发来贺信,对水港专业创办70周年表示热烈祝贺。

        河海大学校长徐辉指出,本次大会是港航学院发展史上的重要里程碑,更是迎接挑战、奋进未来的历史新起点。

课题组学生参加第七届江苏省海洋湖沼学会研究生论坛

        2022年10月29日,第七届江苏省海洋湖沼学会研究生论坛在河海大学召开。该论坛由江苏省海洋湖沼学会主办,河海大学水文水资源学院承办,中国科学院南京地理与湖泊研究所、南京师范大学环境学院、河海大学港口海岸与近海工程学院、南京大学地理与海洋科学学院、江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室协办。共有来自中国科学院南京地理与湖泊研究所、河海大学、南京师范大学、江苏海洋大学、南京大学、苏州科技大学、南京信息工程大学、南京水利科学研究院等单位的200余位研究生代表参加。

        课题组博士生迟善航、杨沐盛,硕士生杨蕴涵参加论坛并作学术报告。迟善航博士生作了题为“基于遥感云平台的浮渡河口沙嘴地貌演变及机制分析”的学术报告,杨沐盛博士生作了题为“波致非均匀海床耦合动力响应新理论”的学术报告,杨蕴涵硕士生作了题为“连续多孔类牡蛎礁结构物地形下的浅水波浪衰减实验及数值研究”的学术报告。三位同学在会议上与专家学者展开深入的交流讨论并以优秀的表现获得学会表彰。学会共评选出一等奖4名,二等奖8名,三等奖28名,其中,迟善航获二等奖,杨蕴涵、杨沐盛获三等奖。

课题组在波浪作用下贝壳-砂质非均匀海床液化研究方面取得进展

        波浪可引起海床复杂动力响应,导致土颗粒间有效应力下降,严重时可造成海床液化现象。液化后的海床几乎失去承载力,对海工结构物的基础稳定性造成危害。波浪作用下海床动力响应及液化是海洋工程领域重要的研究方向之一。前人已在波致海床液化方面累积了大量研究成果,但这些研究大多集中于均匀海床,对于非均匀海床液化关注较少。由于粒径分选和组分差异,现实中的海床一般为非均匀的,这其中贝壳-砂质非均匀海床是常见的一种,我国沿海尤其是福建、广东等地沉积了厚达十余米的贝壳砂。因此,对于贝壳-砂质非均匀海床液化的研究具有十分重要的意义。

        课题组与丹麦科技大学海岸工程团队合作,基于物理模型试验,使用三种沉积物:粉砂(silt,d50 = 0.070mm)、粗贝壳(coarse seashell,d50 = 2.87mm)和细贝壳(fine seashell,d50 = 1.46mm),对波浪作用下贝壳-砂质非均匀海床动力响应及液化问题开展了研究。研究设计了三种实验工况:纯粉砂,粉砂与粗贝壳混合,粉砂与细贝壳混合。实验表明,贝壳砂含量对于波浪作用下海床液化的影响非常显著。贝壳砂海床的液化敏感性随贝壳砂含量的增大而减弱,当贝壳含量(SC)超过某个值后海床不再发生液化。基于本实验研究,贝壳砂海床液化临界点确定为贝壳砂含量SC≈30%(图1)。基于实验结果,研究给出了一个可以用于快速判断贝壳-砂质非均匀海床液化可能性的预估表(表1)。对于非均匀海液化深度的详细判定,则需要引入非均匀海床弹性模量及其他海床参数,在此基础上使用课题组开发的非均匀海床动力响应WINBED数学模型做精准预测。

        上述研究成果近日发表在海岸工程领域著名期刊《Coastal Engineering》上,标题为“Wave-induced liquefaction in a silt and seashell mixture”,课题组隋倜倜老师为文章第一作者。课题组与丹麦科技大学海岸工程团队保持长期交流合作,2017-2020年隋倜倜老师赴丹麦科技大学从事博士后研究,2020年7月和2022年5月课题组分别邀请David R. Fuhrman教授和B. Mutlu Sumer教授开展线上讲座。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。

图1. 波浪作用下非均匀海床液化实验布置图

图2. 液化持续时间(Tl)随贝壳砂含量(SC)的变化

表1. 快速判断贝壳砂海床液化可能性预估表

 

论文信息:

Titi Sui, Ozgur V.S. Kirca, B. Mutlu Sumer, Stefan Carstensen, David R. Fuhrman. (2022). Wave induced liquefaction in a silt and sea shell mixture. Coastal Engineering, 104215. 

 

课题组新增2项国家自然科学基金项目

        近日,国家自然科学基金委员会公布了2022年自然科学基金项目资助结果,课题组隋倜倜青年教授和李元博士后分别获得面上项目和青年项目资助。

        隋倜倜青年教授申报的“贝壳-砂质非均匀海床管线冲刷机理及比尺效应研究”获得国家自然科学基金面上项目资助(批准号:52271274,2023.01~2026.12)。该项目拟采用小比尺实验、全比尺实验和数值模拟相结合的方法,在 1)贝壳-砂质非均匀海床水沙响应;2)贝壳-砂质非均匀海床管线冲刷剖面及悬跨拓展;3)贝壳-砂质非均匀海床管线冲刷比尺效应等方面开展研究,以阐明贝壳-砂质非均匀海床非稳态输沙机制、贝壳-砂质非均匀海床管线冲刷机制、比尺效应对管线冲刷的影响机制,建立波流-管线-非均匀海床-地貌耦合数值模型,明确贝壳-砂质非均匀海床管线冲刷机理,为保障海底管线工程安全运行提供科学依据。

        李元博士后申报的“水下人工沙坝对海滩波浪爬高的非线性动态调控机制研究”获得国家自然科学基金青年项目资助(批准号:52201317,2023.01~ 2025.12)。该项目将基于物理模型试验系统研究水下人工沙坝对波浪爬高的非线性动态调控机制。具体包括:1)人工沙坝位置形态对波浪爬高的非线性调控规律;2)人工沙坝演变过程对波浪爬高的动态影响机制;3)考虑人工沙坝影响的波浪爬高参数化计算方法优化。重点解决人工沙坝临界状态下波浪爬高各组分的非线性分配规律和人工沙坝与滩肩地形耦合对波浪爬高的协同调制作用。该项目旨在为海岸带保护修复工程中人工沙坝减灾能力精细化评估与灾害预警预报提供科学依据与技术支撑。