CN108121888B - 沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，包括：确定目标沙滩海域的主要的来浪方向；针对每个来浪方向的波浪，分别从观测数据中获取其波浪平均波高和波浪平均周期；计算所有波浪平均波高的算术平均值，记为H；计算所有波浪平均周期的算术平均值，记为T；根据H和T，按式一计算tanθ的值，式一：

计算所得tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度。本发明简便易行，能迅速得出平衡坡度。

Description

沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法

技术领域

本发明涉及一种沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，属于沙滩剖面特征分析领域。

背景技术

据发明人所知，目前研究者针对沙滩的剖面特征已建立了很多模型，意图能将沙滩剖面特征纳入形态模型中并予以掌握，这些模型主要目的是模拟出沙滩的剖面形态线。但是，对于沙滩潮间带剖面平衡坡度这一非常重要的特征参数，现有模型并未给出简便的计算方法。

经检索发现，申请号CN201610137074.9申请公布号CN105824993A的中国发明专利申请，公开了一种人造沙滩补沙养护工程建设的方法，包括；原有工程海域的能量布局改变；工程海域泥沙平面输移的运动分析；人工沙滩横剖面泥沙运动及其平衡状态分析；工程结构高程及稳定性研究；人工沙滩及沙滩补沙、养护施工流程；人工沙滩泥化波浪参数标准。但是，该技术方案中并没有给出明确的沙滩潮间带剖面平衡坡度计算方法。

硕士学位论文《人工沙滩平衡剖面特征的研究》(伍志斌，大连理工大学)在特定的沙滩环境下，釆用物理断面模型试验找出了稳定性相对较好的方案，也得出了能够较好的描述不同水位和波浪条件下沙滩平衡剖面的形态模型，并从沙滩剖面几何特征这一研究角度，对人工沙滩平衡剖面的研究做了延伸。但是，其中也并没有明确给出沙滩潮间带剖面平衡坡度的计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，简便易行，能迅速得出平衡坡度。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、确定目标沙滩海域的主要的来浪方向，所述来浪方向有至少一个；

第二步、针对每个来浪方向的波浪，分别从观测数据中获取其波浪平均波高和波浪平均周期；计算所有波浪平均波高的算术平均值，记为H；计算所有波浪平均周期的算术平均值，记为T；

第三步、根据H和T，按式一计算tanθ的值，

式一：

其中，f为水流运动粘滞系数，单位为m²/s；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为沙滩倾角；

计算所得tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度。

采用该分析方法，仅需要从观测数据中获取波浪平均波高和波浪平均周期，即能最终算得目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度，简便易行，非常有利于在需要参考平衡坡度时迅速作出判断。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，当f值在0.01×10^-4～0.02×10^-4m²/s之间时，假设tanθ值处于0.01-0.2之间，则第三步按式二计算tanθ的值，

式二：

算得tanθ值后，判断tanθ值是否处于0.01-0.2之间，若判断结果为是，则该tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度；若判断结果为否，则仍按式一计算tanθ的值。

更优选地，式二的推导过程如下：

因tanθ远大于f，所以将tanθ+f、tanθ-f分别视同于tanθ；

因tanθ值处于0.01-0.2之间，则cosθ值大于0.98，所以将

视同于1；

式一由此变为：

将g取值为9.8m/s²，则上式近似为

进一步即得：

此即式二。

采用以上优选方案，能更进一步简化分析方法，从而进一步缩短得出平衡坡度所需的时间。

优选地，第一步中，确定目标沙滩主要来浪方向的过程为：

以东南西北四个方向为基准，每隔22.5度定为一个方向，一共确定16个方向；将目标沙滩海域所有来浪方向中频率百分比最高的三个方向作为主要的来浪方向，即所述来浪方向有三个；

第二步中，三个来浪方向的波浪平均波高分别为H₁、H₂、H₃，波浪平均周期分别为T₁、T₂、T₃；且

优选地，所述沙滩潮间带是潮水涨落变化频繁的区域，具体是指波浪不停破碎及破碎水体上爬和回落的区域；其中，水体上爬是指潮间带波浪破碎以后，波能转化为动能，使水体获得一定流速向岸运动并形成上爬区的过程；水体回落是指上爬水体到顶后回落入海并形成回落区的过程；

第三步中式一的推导过程如下：

S1、将波浪破碎前单位总波能E_w、破碎后单位水体动能E_k两者视为相等，进而推导出波浪破碎后水体初始速度V₁与波浪平均波高H_i的换算关系式，i为来浪方向的数字序号；此外，将波浪破碎后水体初始速度V₁的方向视为垂直岸线，根据波浪破碎后水体上爬时的受力状态得出波浪破碎后水体初始速度V₁、水体上爬时间t₁以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

S2、将波浪破碎后水体上爬距离S₁、上爬水体到顶后回落入海距离S₂两者视为相等，进而推导出水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

S3、将沙滩视为沙滩泥沙与挟沙水体没有交换的理想状态；将水体挟沙流动过程视为：上爬水体挟沙上行，水体到顶后再挟沙回落入海并与下一个破碎波相遇，使水体所挟沙回到起点，使沙滩面形成平衡；将波浪平均周期T_i视为水体上爬时间t₁和水体回落时间t₂之和，进而推导出波浪平均周期T_i、波浪平均波高H_i以及沙滩倾角θ之间的换算关系式，即下式：

S4、在S3所得式中，将T_i替换为T，将H_i替换为H，即得式一。

更优选地，S1步的具体推导过程为：

其中，波浪平均波高H_i的单位为m；波浪破碎后水体初始速度V₁的单位为m/s；ρ为波浪水体密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；

由于E_w＝E_k，所以

进而得

此外，波浪破碎后水体上爬时的受力状态为：V₁＝(gsinθ+fgcosθ)t₁，由此即得：

水体上爬时间t₁的单位为s。

更优选地，S2步的具体推导过程为：

且S₁＝S₂，

因此，

水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂的单位均为s。

更优选地，S3步的具体推导过程为：

发明人在实践研究中发现，结合以上多个合理假设，在已有公式基础上进行推导，最终得到波浪平均周期、波浪平均波高以及沙滩潮间带剖面平衡坡度之间的换算关系式，而波浪平均周期和波浪平均波高都是可观测数据，这样就能通过波浪平均周期和波浪平均波高计算得出沙滩潮间带剖面平衡坡度。在此基础上，发明人通过进一步实践检验发现，本发明所得式一、式二都能很好地契合实际海岸的沙滩潮间带剖面平衡坡度，因此，本发明分析方法能应用于实际，且简便易行。

基于本发明分析方法，本发明还提供该方法的具体应用，即：

一种人工沙滩选址方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、确定若干人工沙滩候选位置，并确定沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围；

第二步、针对各人工沙滩候选位置，分别进行前文所述沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法、并获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，判断该沙滩潮间带剖面平衡坡度是否属于沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围，若否则淘汰相应的人工沙滩候选位置，若是则相应的人工沙滩候选位置作为最终选址考虑位置。

一种人工沙滩的潮间带剖面平衡坡度预测方法，其特征是，包括以下步骤：针对选定的人工沙滩，采用前文所述沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，分析获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，并作为预测结果。

以上两种方法在采用本发明分析方法后，势必会缩短所需时间，提高效率。

附图说明

图1、图2分别为本发明基于式二所得典型的波浪特征与沙滩坡度关系图。

图3为本发明案例一的相关图片。

图4、图5分别为本发明案例二的相关图片。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

沙滩潮间带是潮水涨落变化频繁的区域，具体是指波浪不停破碎及破碎水体上爬和回落的区域；其中，水体上爬是指潮间带波浪破碎以后，波能转化为动能，使水体获得一定流速向岸运动并形成上爬区的过程；水体回落是指上爬水体到顶后回落入海并形成回落区的过程。

本发明在针对沙滩潮间带时，根据潮间带波浪水体运动情况做如下推导：

S1、将波浪破碎前单位总波能E_w、破碎后单位水体动能E_k两者视为相等，进而推导出波浪破碎后水体初始速度V₁与波浪平均波高H_i的换算关系式，i为来浪方向的数字序号；

具体为：

其中，波浪平均波高H_i的单位为m；波浪破碎后水体初始速度V₁的单位为m/s；ρ为波浪水体密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；

由于E_w＝E_k，所以

进而得

此外，将波浪破碎后水体初始速度V₁的方向视为垂直岸线，根据波浪破碎后水体上爬时的受力状态得出波浪破碎后水体初始速度V₁、水体上爬时间t₁以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

具体为：波浪破碎后水体上爬时的受力状态为：V₁＝(gsinθ+fgcosθ)t₁，由此即得：

水体上爬时间t₁的单位为s。

S2、将波浪破碎后水体上爬距离S₁、上爬水体到顶后回落入海距离S₂两者视为相等，进而推导出水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

具体为：

且S₁＝S₂，因此，

水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂的单位均为s。

S3、将沙滩视为沙滩泥沙与挟沙水体没有交换的理想状态；将水体挟沙流动过程视为：上爬水体挟沙上行，水体到顶后再挟沙回落入海并与下一个破碎波相遇，使水体所挟沙回到起点，使沙滩面形成平衡；将波浪平均周期T_i视为水体上爬时间t₁和水体回落时间t₂之和，进而推导出波浪平均周期T_i、波浪平均波高H_i以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

具体为：

在获得上式后，本发明将其用于如下分析方法：

第一步、确定目标沙滩海域的主要的来浪方向，所述来浪方向有至少一个；

第二步、针对每个来浪方向的波浪，分别获取其波浪平均波高和波浪平均周期；计算所有波浪平均波高的算术平均值，记为H；计算所有波浪平均周期的算术平均值，记为T；

第三步、根据H和T，按式一计算tanθ的值，

式一：

其中，f为水流运动粘滞系数，单位为m²/s；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为沙滩倾角；

计算所得tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度。

上述式一为：将S3所得式中的T_i替换为T、H_i替换为H即得。该式一可视为基本算法。

基于式一的进一步推导：

由于在温度0℃-20℃时，f值在0.01×10^-4～0.02×10^-4m²/s之间，此时，假设tanθ值处于0.01-0.2之间，则：

因tanθ远大于f，所以将tanθ+f、tanθ-f分别视同于tanθ；

因tanθ值处于0.01-0.2之间，则cosθ值大于0.98，所以将

视同于1；

式一由此变为：

将g取值为9.8m/s²，则上式近似为

进一步即得：

此即式二。该式二可视为简易算法。

进而可得基于式二的分析方法：

当f值在0.01×10^-4～0.02×10^-4m²/s之间时，假设tanθ值处于0.01-0.2之间，则前文分析方法的第三步按式二计算tanθ的值，

式二：

算得tanθ值后，判断tanθ值是否处于0.01-0.2之间，若判断结果为是，则该tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度；若判断结果为否，则仍按式一计算tanθ的值。

基于式二可得典型的波浪特征与沙滩坡度关系图，如图1和图2所示。

此外，第一步中，确定目标沙滩主要来浪方向的过程为：

以东南西北四个方向为基准，每隔22.5度定为一个方向，一共确定16个方向；将目标沙滩海域所有来浪方向中频率百分比最高的三个方向作为主要的来浪方向，即所述来浪方向有三个；

第二步中，三个来浪方向的波浪平均波高分别为H₁、H₂、H₃，波浪平均周期分别为T₁、T₂、T₃；且

具体验证案例举例如下：

案例一、连云港西连岛海域沙滩

连云港连岛村有两个著名的沙滩，一个是大沙湾海滨沙滩，另一个是苏马湾海滨沙滩，两个沙滩均在连岛北面，相距不远。两沙滩近岸潮间带沙滩坡度均一，测量显示近岸潮间带沙滩坡度为1/29左右。

根据位于连云港西连岛海域波浪观测站多年资料，连岛上沙滩面对的主要是北向到东向的来浪，塑造沙滩坡面特征的主要是NNE-ENE三个方向，这几个方向波浪特征如下表所示：

方向	NNE	NE	ENE	均值
					平均波高(m)	0.45	0.35	0.3	0.367
平均周期(s)	4.3	4.1	3.8	4.1
					所占频率(％)	16	26	9	51

三个方向平均波高H为0.367m左右，波浪平均周期为4.1s。

经验算可知，大沙湾和苏马湾的沙滩潮间带剖面平衡坡度完全符合本发明式一、式二的波浪特征与沙滩坡度关系。

案例二、漳州南太武沙滩

漳州南太武沙滩所在的大磐浅滩，理论基面(85高程-3.00m以上)以上多为沙滩，该沙滩剖面上在85高程2.00m以下处岸滩坡度较缓，为1/35(见图4)。

该沙滩所处的大盘浅滩面向东，主要受NE-SE向风浪作用，该方向也是本海域较强的风浪方向。常浪向为E向，频率为14.5％，次常浪向为SE向，频率为12.5％，以及NE向频率为8.6％。三个方向平均水位条件下平均波高H为0.27m左右，波浪平均周期为4.2s(注：这两个数据的计算方式与案例一相同)。

经验算可知，大盘浅滩的沙滩潮间带剖面平衡坡度完全符合本发明式一、式二的波浪特征与沙滩坡度关系。

需要指出的是，发明人在研究中验证了很多案例，上述两个案例只是其中的一部分；而且，在众多的验证案例中，验证结论均一致表明，案例沙滩潮间带剖面平衡坡度符合本发明式一、式二的波浪特征与沙滩坡度关系。

本发明分析方法可用于多种工程场景，举例如下：

(1)一种人工沙滩选址方法，包括：

第一步、确定若干人工沙滩候选位置，并确定沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围；

第二步、针对各人工沙滩候选位置，分别进行本发明分析方法、并获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，判断该沙滩潮间带剖面平衡坡度是否属于沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围，若否则淘汰相应的人工沙滩候选位置，若是则相应的人工沙滩候选位置作为最终选址考虑位置。

(2)一种人工沙滩的潮间带剖面平衡坡度预测方法，包括：

针对选定的人工沙滩，采用本发明分析方法，分析获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，并作为预测结果。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、确定目标沙滩海域的主要的来浪方向；

其中，确定目标沙滩主要来浪方向的过程为：

以东南西北四个方向为基准，每隔22.5度定为一个方向，一共确定16个方向；将目标沙滩海域所有来浪方向中频率百分比最高的三个方向作为主要的来浪方向，即所述来浪方向有三个；

第二步、针对每个来浪方向的波浪，分别从观测数据中获取其波浪平均波高和波浪平均周期；计算所有波浪平均波高的算术平均值，记为H；计算所有波浪平均周期的算术平均值，记为T；

其中，三个来浪方向的波浪平均波高分别为H₁、H₂、H₃，波浪平均周期分别为T₁、T₂、T₃；且

第三步、根据H和T，按式一计算tanθ的值，

式一：

其中，f为水流运动粘滞系数，单位为m²/s；g为重力加速度，单位为m/s²；θ为沙滩倾角；

计算所得tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度。

2.根据权利要求1所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，当f值在0.01×10^-4～0.02×10^-4m²/s之间时，假设tanθ值处于0.01-0.2之间，则第三步按式二计算tanθ的值，

式二：

算得tanθ值后，判断tanθ值是否处于0.01-0.2之间，若判断结果为是，则该tanθ值即为目标沙滩潮间带剖面的平衡坡度；若判断结果为否，则仍按式一计算tanθ的值。

3.根据权利要求2所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，式二的推导过程如下：

因tanθ远大于f，所以将tanθ+f、tanθ-f分别视同于tanθ；

因tanθ值处于0.01-0.2之间，则cosθ值大于0.98，所以将

视同于1；

式一由此变为：

将g取值为9.8m/s²，则上式近似为

进一步即得：

此即式二。

4.根据权利要求1所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，所述沙滩潮间带是潮水涨落变化频繁的区域，具体是指波浪不停破碎及破碎水体上爬和回落的区域；其中，水体上爬是指潮间带波浪破碎以后，波能转化为动能，使水体获得一定流速向岸运动并形成上爬区的过程；水体回落是指上爬水体到顶后回落入海并形成回落区的过程；

第三步中式一的推导过程如下：

S1、将波浪破碎前单位总波能E_w、破碎后单位水体动能E_k两者视为相等，进而推导出波浪破碎后水体初始速度V₁与波浪平均波高H_i的换算关系式，i为来浪方向的数字序号；此外，将波浪破碎后水体初始速度V₁的方向视为垂直岸线，根据波浪破碎后水体上爬时的受力状态得出波浪破碎后水体初始速度V₁、水体上爬时间t₁以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

S2、将波浪破碎后水体上爬距离S₁、上爬水体到顶后回落入海距离S₂两者视为相等，进而推导出水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂以及沙滩倾角θ之间的换算关系式；

S3、将沙滩视为沙滩泥沙与挟沙水体没有交换的理想状态；将水体挟沙流动过程视为：上爬水体挟沙上行，水体到顶后再挟沙回落入海并与下一个破碎波相遇，使水体所挟沙回到起点，使沙滩面形成平衡；将波浪平均周期T_i视为水体上爬时间t₁和水体回落时间t₂之和，进而推导出波浪平均周期T_i、波浪平均波高H_i以及沙滩倾角θ之间的换算关系式，即下式：

S4、在S3所得式中，将T_i替换为T，将H_i替换为H，即得式一。

5.根据权利要求4所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，S1步的具体推导过程为：

其中，波浪平均波高H_i的单位为m；波浪破碎后水体初始速度V₁的单位为m/s；ρ为波浪水体密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s²；

由于E_w＝E_k，所以

进而得

此外，波浪破碎后水体上爬时的受力状态为：V₁＝(gsinθ+fgcosθ)t₁，由此即得：

水体上爬时间t₁的单位为s。

6.根据权利要求4所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，S2步的具体推导过程为：

且S₁＝S₂，

因此，

水体上爬时间t₁、水体回落时间t₂的单位均为s。

7.根据权利要求4所述的沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，其特征是，S3步的具体推导过程为：

8.一种人工沙滩选址方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、确定若干人工沙滩候选位置，并确定沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围；

第二步、针对各人工沙滩候选位置，分别进行权利要求1至7任一项所述沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法、并获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，判断该沙滩潮间带剖面平衡坡度是否属于沙滩潮间带剖面平衡坡度预期值范围，若否则淘汰相应的人工沙滩候选位置，若是则相应的人工沙滩候选位置作为最终选址考虑位置。

9.一种人工沙滩的潮间带剖面平衡坡度预测方法，其特征是，包括以下步骤：针对选定的人工沙滩，采用权利要求1至7任一项所述沙滩潮间带剖面平衡坡度的分析方法，分析获得相应的沙滩潮间带剖面平衡坡度，并作为预测结果。

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