人工岛消浪作用研究综述.pdf

70云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期：2023-07-27 基金项目：中国长江三峡集团有限公司项目（201903173）作者简介：王智超（1994-），男，河南信阳人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。人工岛消浪作用研究综述王智超1，3，陈敏2，陆祥炜1（1.上海勘测设计研究院有限公司，上海200126；2.中国长江三峡集团有限公司，湖北武汉430010；3.中国长江三峡集团有限公司长江生态环境工程研究中心，北京100038）摘要：在风场作用下，湖库型水体近岸处易形成强度较大的风浪，对近岸护坡结构安全及滩面稳定带来威胁；为研究人工岛的建设对水源地近岸风浪的消减作用机理，结合前人对近岸人工岛消浪作用的研究成果，总结和分析近岸人工岛布置位置、面积大小、边界形状、人工岛数量方面等因素对人工岛消浪作用的贡献及影响，更加系统地研究了人工岛消浪作用机理，为湖库型水体近岸岸滩稳定及护坡安全的维护提供思路。关键词：人工岛；消浪；波浪高度；掩护作用中国分类号：TV39 文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)03-0070-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.019Research Synthesis of Wave Dissipation Effect of Artificial IslandWANG Zhichao1,3,CHEN Min2,LU Xiangwei1(1.Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200126,China;2.China Three Gorges Corporation,Wuhan 430010,China;3.Yangtze River Ecological Environment Engineering Research Center of China Three Gorges Corporation,Beijing 100038,China)Abstract：Under the influence of wind fields,strong wind and waves are prone to form near the shore of lake and reservoir type water bodies,posing a threat to the safety of the nearshore slope protection structure and the stability of the beach surface.To study the mechanism of the construction of artificial islands in reducing wind and waves near water sources,this paper combines previous research results on the wave dissipation effect of artificial islands near the shore,summarizes and analyzes the contributions and impacts of factors such as the layout position,area size,boundary shape,and number of artificial islands on the wave dissipation effect of artificial islands near the shore.It systematically studied the mechanism of artificial island wave dissipation,providing ideas for maintaining the stability of nearshore beaches and slope protection safety in lake and reservoir type water bodies.Keywords：artificial island;wave dissipation;wave height;cover function0引言为了保障人民群众生活、灌溉等用水需求，我国兴建了大量的水源地、水库工程，据统计，我国饮用水源地中湖库型水源地占比为 45%1，该类水源地库区面积大，风区吹程长，易产生风浪，风浪推进至近岸区后形成波高较大，波长减小的拍岸浪，冲刷淘蚀护岸，甚至在护坡区域形成负压，引起护坡破坏，威胁到近岸护坡结构安全，同时对水生动、植物的生长、近岸滩面的稳定产生极大的扰动，进而影响水体水质。我国许多研究学者开展了对库周风浪防治的研究，或建设滨岸缓冲带、或优化护坡结构形式、或建立防波堤、或在近岸区堆筑人工岛，以消除风浪对库岸护坡结构以及滨岸水环境安全带来的不利影响，其中近年来修建人工岛抵御风浪的方法受到了广泛关注，修建人工岛不仅给河床淤积土方的消纳提供去处，也增加了湖库的观赏性，同时能71王智超，陈敏，陆祥炜人工岛消浪作用研究综述够一定程度上减弱风浪对库岸环境的影响，在此将针对湖库型水体近岸人工岛消浪作用进行分析和总结，为相关研究以及工程实际中消浪防治措施提供参考和思路。1风浪理论风浪影响要素主要包括风速、风向、风区长度、水深、水域形状等，针对于库岸风浪波浪力的研究方法，目前主要分为现场观测、经验公式、物理模型试验、数值模拟 4 个方面2，风浪现场观测数据可靠性大经验公式是在现场实测数据基础上，经模拟验证，建立风浪计算经验公式分析风浪的各影响因素，针对于浅水湖库型水体，我国风浪要素计算方法主要采用蒲田实验站法，该方法也被 GB 50286-2013堤防工程设计规范采纳。公式如下：物理模型方法主要是通过相似性原则，建立物理模型，采用机器造波模拟风浪的形式，测量在波的冲击下，库周边坡模型的压力以及负压分布情况，初步分析应力分布特征。而数值模拟的方法是通过各种数值计算软件，如 MIKE21、CFD、flow-3d 等流体力学计算软件，模拟计算各设计工况下风浪场的分布以及波浪理论等要素，进而进行风浪的相关要素分析。风浪的形成是由风与湖区表层水体相互作用，将能量转化为水体的运动而形成波浪，风浪形成初期，风速超过水体波速，波浪在风能作用下不断发展，波长、波高持续增加3，而当风逐渐停止或受到障碍物的阻拦、破碎，波浪运动的能量来源逐渐降低，在空气阻力以及护岸等消浪构筑物影响下，风浪逐渐消亡。对于风浪消除效果的判断，张立昕3等采用波浪爬高来反映护坡消浪效果的大小；也有学者指出波高是判断风浪特征的重要参数，能够直接反映风浪强度大小4。任家崟5、桂劲松6、等从波能耗散的角度，通过研究库岸防波堤、透空堤等结构对波浪的反射、透射、耗散系数等来反映风浪消除效果的优劣；李晓丽7通过数值模拟的方法，研究不同湖心人工岛布置方式的情况下风浪场的有效波高分布规律，进而优化离岸人工岛的布置。2人工岛消浪作用影响因素人工岛往往指建设在水中的独立建筑物，与库岸完全分离，具有旅游观赏、生境营造、栖息地保护等多方面功能；同时湖中人工岛的建设能够有效减少库区风的吹程，削减风浪爬高7，对近岸边坡、滩面维持都起到了重要的保护作用，因此研究人工岛的消浪作用具有重要的意义。而影响人工岛消浪作用的因素主要有人工岛的离岸布置位置、面积、边界形式、数量等因素。2.1布置位置及距离人工岛的布置位置主要指岛屿相对于湖库岸线、常年风向的相对位置，以及离岸的直线距离。修建人工岛用于消浪工程中初始起源于近海上风浪防治，尤其是极端天气如台风作用下岛周边风浪研究。彭伟8采用 WRF-SWAN 模型，模拟了台风“威马逊”运行下离岸人工岛-如意岛周边风浪过程，模拟结果表明台风作用下如意岛对岛后湾前海域起到掩蔽作用，风浪波高相较人工岛建设前有一定程度减小，且岛屿与海岸之间波浪反射明显，叠加风浪入射波，将海堤前波浪破碎，之后传递到海堤岸线前波高已得到一定程度的减弱，如意岛的建设起到了一定的消浪作用；张达恒9以海南省日月湾人工岛为研究对象，通过收集研究区域不同点位的波浪数据，并对实测数据进行处理，作者从水动力学角度分析了人工岛屿建设对近岸护坡的影响，由于受人工岛遮蔽作用影响，岛后水动力减弱，波浪动能减弱，近岸海滩形成侵蚀减弱，岸滩向远离护岸方向移动，减弱了风浪对近岸护坡的淘刷。人工岛的建设不仅在水动力学角度对风浪对近岸边坡影响起到削减作用，在削减波高波长上也起到了较大的作用，南海明珠岛离岸距离大约为 1.9 km，离岸较近，石萍10研究了风向与离岸堤呈不同交角下波浪强度变化，研究发现 NE 风向下，经人工岛的消浪作用，风浪的波高最大衰减了 0.86 m，NNE 向下风浪波高最大衰减了 1.27 m，NNW 风向下，波浪高度最大衰减了 1.81 m，结果表明人工岛与盛行风向的交角对风浪的消减作用有着很大的贡献。李72云南水力发电2024 年第 3 期晓丽将人工岛对风浪的消浪作用延伸到了湖库型水源地库岸风浪研究中，针对湖心岛离岸距离以及与风向的相对位置因素，建立了不同的计算工况，研究发现湖心岛距库岸越近，岸前波浪的有效波高削减效果越好，湖心岛在与盛行风垂直方向上宽度越宽，消浪作用越大。对于人工岛的离岛距离以及盛行风向对风浪消减作用的影响集中在数值模拟的研究上，且主要集中在风力等级尺度较大海上风浪，针对于平原地区湖库型水体近岸人工岛的研究尚不充分，有待进行更多的研究。2.2面积人工岛对近岸风浪的消减作用不仅与离岸距离与风向相关，与人工岛面积也存在着重要关系，人工岛规模大小的不同，对风浪的破碎效果与岛后水体的水动力变化、岸滩冲淤以及对护岸的掩蔽作用也存在差异。陈再杨11建立人工岛影响下湖泊水动力数值模拟模型，建立了相同形状、不同面积大小的人工岛数值模型，分析研究了不同面积大小人工岛影响下，近岸水体水动力特征。而水流波浪的变化在一定程度上也反映了风浪场的变化，是风的能量在流体质点运动上的转化，陈新12针对于不同波浪类型对应不同面积大小的人工岛作用下下周围波高大小做了相关的研究，研究发现在规则波作用下人工岛背面波高随着人工岛直径 D 的增大而减小，表明人工岛面积越大，消浪作用越明显，而在不规则波下，人工岛背面波高大小与人工岛直径关联不大。对于人工岛面积因素对风浪消减的作用需控制离岸距离以及整体形状相同，李晓丽7采用数值计算模型分析了湖心筑岛面积对消减风浪强度的破坏，得到筑岛面积越大，水体绕流效果越明显，对降低坝前有效波高的贡献越大。人工岛面积对风浪消减的研究主要集中在岛屿波浪绕流研究，人工岛对风生波浪场的阻水作用使得在岛后一定范围内产生低速紊动水流，减小了对岛后滩面及护坡的冲击力。2.3边界形状近岸波浪的传播是 1 个复杂的非线性变化，是 1 个风场作用与波浪行进、破碎之间 1 个耦合的过程13，人工岛通常堆筑在离岸一定距离的水体中，由于其遮挡效应以及对波浪的分流、破碎作用，能够在一定程度上消减风浪强度，而岛屿形状的差异也会对消浪能力产生一定的影响；人工岛的形状方面，陈新建立了正三角形、正方形、六边形人工岛波浪绕射数值模型，研究表明规则波下正三角形人工岛正方是背浪面从两段岛底边中点，波高逐渐增大，正三角形人工岛倒放时，波高自两端至底边中点，波高不断减小，且两种情况下，背浪面波高值均随人工岛尺寸增大而减小，正方形、六边形人工岛波浪绕射规律整体上与正三角形人工岛相似，但文章并未对不同形状人工岛的消波作用做横向对比。李晓丽将筑岛形式作为变量，得到了湖心岛迎风面宽度越宽，对波浪的阻挡效果越好，对有效波高的消减作用越明显。而在相同的边界形状下，人工岛的边界坡比同样对消浪起到了较大的影响，刘清君14从波浪破碎的角度出发，建立了试验水槽，设置不同的岛前坡比 m、不同的岛上淹没水深，采用Irribarren 数来表征岛的边坡坡比，得出了波浪破碎相对距离点与边坡坡度的关系，结果表明波浪破碎点相对距离随着前坡坡度逐渐变陡而减小。我国其他学者也针对不同形式的离岸人工岛周波浪分布开展了大量的研究，胡殿才15发现 1 种椭圆形人工岛布置方案下，对岛后流场的影响被约束在南北侧 500 m 以及东西侧 1 600 m 范围内；黄彬16、浦伟庆17等人也通过大量的物模试验、方案比较探究人工岛布置形状对岛周风长、流场的影响，以期为人工岛的设计提供参考。人工岛的形状主要包括平面轮廓以及边界坡比等，同时随着水位的变动，人工岛相对于水面的高差，被水体淹没与否也都会对风浪消减起到不同的作用，尚需要进一步研究。2.4数量随着人工岛建设技术和研究逐渐成熟，学者开始关注人工岛群建设对周边水域、风浪场的影响作用以及岛群之间的相互影响，李洋18建立了数值分析模型，模型中人工岛群由内侧圆形人工岛以及外侧矩形人工岛构成，规定两人工岛之间间距为 h，矩形岛迎风面宽度为 B，圆形岛直径为D，采用绕射系数作为判定外围岛对内侧圆形岛的在不规则波影响下的掩护作用，h/D 减小，对内73王智超，陈敏，陆祥炜人工岛消浪作用研究综述侧人工岛掩护效果提高；h/D 相同，B/D 增大，掩护范围增大，并对外侧圆弧形人工岛以及内侧圆形岛组合下，得出了与上述相同的规律。同时人工岛群对近岸护坡、海堤也能起到较好的掩护以及消减风浪影响作用，匡翠萍19针对金梦海湾堤前 2 座人工岛海螺岛、莲花岛建立了数值模型，计算结果表明单一海螺岛对岛后有效波高消减了80%以上，单一莲花岛消浪作用下，有效波高消减了 4 成到 6 成，而在 2 座人工岛共同作用下，2 座人工岛后金梦海岸近岸波浪场有效波高消减效果为 41.8%55.2%，风浪场消减影响范围由 3 km 扩大至沿岸 3.5 km，表明人工岛群对近岸波浪场起到了较好的掩护作用，消减了风浪强度，但人工岛群之间相互影响较小。人工岛群在空间尺度上扩大了对风浪场的破碎范围，同时不同岛屿之间的距离也会对风、浪场之间的绕射、入射起到一定的抵消作用，研究离岸人工岛数量对近岸风浪消减的影响很有价值。3结束语总结诸多学者对人工岛消浪作用的研究，人工岛离岸距离越近，消浪作用越好，人工岛在于盛行风向垂直方向上宽度越大，对人工岛后近岸滩面及结构掩护作用越好；人工岛筑岛面积越大，降低波高效果越好；且人工岛消浪作用是1 个风场与流场耦合作用的结果。目前人工岛消浪作用多应用于海上风浪等波浪能量较大的水域中，针对湖库型水体近岸人工岛消浪作用研究，目前尚存不足，集中在数值模拟上，研究深度不足，多停留在定性分析层面，缺乏相关工程经验以及数据。在后续研究中可通过收集湖库型水体人工岛掩蔽后的近岸风浪场数据以及水动力特征，并结合数值分析等技术手段，系统分析研究人工岛对风浪的消减作用，为湖库型水源地、生态湿地等工程建设提供建设依据。参考文献：1 李双双，杜强，杜霞，等.湖库型饮用水水源地安全评价新方法探索J.中国农村水利水电，2022，（7）：151-157.2 吕春玉.基于 CFD 的湖区风生波浪模拟及浮码头防波研究D.重庆：重庆交通大学，2018.3 张立昕.堤防新型防浪预制块护坡设计及其消浪效果模型试验研究D.南昌：南昌大学，2016.4 张怡辉，胡维平，郭西亚.巢湖风浪特征观测J.长江流域资源与环境，2020，29（5）：1192-1198.5 任家崟，韩新宇，董胜.防波堤帷幕尺度对波浪力和消浪性能的影响研究J.工程力学，2023，（5）：245-256.6 桂劲松，夏曦，赵玄烈.倾斜板透空堤的消浪特性及流场分析 J.哈尔滨工程大学学报，2022，43（10）：1406-1413.7 李晓丽，张晓琳.基于水流数值模拟风声波浪研究的湖心岛设计J.水利规划与设计，2022，（5）：101-107.8 彭伟，詹锐彪.台风作用下人工岛周边海域波浪场数值模拟研究J.中国水运下半月，2017，17（6）：168-171.9 张达恒，时连强，龚照辉，等.冬季波浪与人工岛联合作用下日月湾海滩冲淤演变特征J.热带海洋学报，2022，41（4）：71-81.10 石萍，曹玲珑，莫文渊，等.人工岛建设对海口湾西海岸岸滩稳定性影响J.热带海洋学报，2015，34（5）：57-63.11 陈再扬.基于 EFDG 模拟的里下河洼地湖泊人工岛布置形状设计方案研究D.扬州：扬州大学，2022.12 陈新.人工岛周围波高分布的数值模拟D.大连：大连理工大学，2012.13 杨扬.风影响下规则波近岸演化及其与建筑物相互作用机制研究D.长沙：长沙理工大学，2020.14 刘清君，孙天霆，王登婷.岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究 J.水运工程，2018，（12）：42-45.15 胡殿才，汪生杰，崔峥.某离岸人工岛平面方案论证J.水运工程，2012，473（12）：162-167+199.16 黄彬.泉州湾秀涂人工岛总体设计 J.水运工程，2016，517（7）：36-39.17 浦伟庆，周俊辉，金晖.双鱼岛海上人工岛设计特点J.水运工程，2018，543（6）：1-5.18 李洋.不规则波作用下人工岛群中外围人工岛掩护效果的研究D.大连：大连理工大学，2016.19 匡翠萍，赵钒，宋竑霖，等.人工岛群对弱潮区海岸动力影响的叠加效应分析 J.同济大学学报：自然科学版，2020，48（2）：296-304.