近河口处 rip current（急流）的三维速度分布模式

《Ocean Engineering》：Three-dimensional velocity distribution patterns of rip currents near a groin

　　

常成书|邹志莉|严胜|徐杰

中国大连理工大学海岸与海洋工程国家重点实验室，大连，116024

摘要

准确描述激流的三维分布模式对于分析溺水风险和海岸侵蚀具有重要意义。本研究重点关注在有通道的防波堤海滩上，由交叉波浪场形成的激流，并通过实验和分析方法研究其三维分布模式。整体表面流场使用漂流器视频追踪方法进行测量，激流的垂直分布则通过14个ADV（自记流速仪）进行测量。测量结果表明，相邻激流单元之间的流体体积交换是由防波堤反射引起的沿岸侧向流驱动的。考虑到特定的水平分布模式，提出了一种涡粘性模型来再现流速的垂直分布。实验和分析结果表明，近岸区域的横向流速垂直剖面主要受平均水位的横向梯度和辐射应力的影响，导致上层流速偏离经典的对数剖面。对于沿岸流速，其垂直剖面通常由剪切应力主导，但在波浪破碎区域由于平均水位的横向梯度，垂直方向会出现不一致。

引言

由于波浪的破碎，时间平均流速通常会形成近岸环流。这些环流包括沿岸流和横向流。典型的沿岸流是由相对于海岸线斜射的波浪产生的沿岸流。相比之下，典型的横向流包括上岸斯托克斯漂移、下潜流和激流。大量的现场观测表明，近岸环流对许多地貌动态演变起着重要作用（Lippmann和Holman，1990；Tiessen等人，2010；Austin等人，2013；Pitman等人，2016）。沿岸流将沉积物向下游输送，当流速因海岸结构或特殊地形（如沙洲、激流通道、防波堤）的存在而减小时，沉积物可能会沉积下来。下潜流（由垂直入射的波浪产生，以平衡上岸的斯托克斯漂移）将沉积物带到波浪破碎线，在那里积累形成沿岸沙洲。激流是强大的表面流，是波浪破碎线两侧水体交换的主要力量，能够将大量沉积物输送到冲浪区之外。此外，激流对沿海地区的游泳者构成严重危险，每年都会导致溺水事件（Scott等人，2007；Castelle等人，2016；Kelly等人，2025；Xu等人，2025）。关于近岸环流垂直变化的理论研究主要集中在二维垂直流动上，如下潜流（横向二维流动）和沿岸流（沿岸二维流动）。然而，由于不同类型入射流的复杂性，需要考虑激流的三维（3D）流动动力学（Li，2016；Xu等人，2024a，2026）。尽管最近的研究已经广泛探讨了下潜流和沿岸流的三维分布模式，但对激流的研究仍然很少。一些不确定性，例如尚未纳入现有近岸模型的物理机制，仍需进一步研究。

目前，许多关于激流的研究集中在测量深度平均流速或表面流速上（Kennedy和Thomas，2004；Castelle等人，2010；Gallop等人，2018；Zheng等人，2020）。Sasaki（1985）测量了平面斜坡上激流速度的垂直变化，发现激流沿水深的变化非常小。Wind和Vreugdenhil（1986）通过使用池侧壁偏转海岸流，成功生成了激流并测量了其垂直速度结构。来自三个垂直站的数据表明，从底部到自由表面的速度逐渐增强。Haas（2002）测量了沿无限长防波堤海岸中心线的七个横截面的垂直速度剖面。测量结果显示，激流在通道内是深度均匀的，但在离岸处变化较大，表面流速较强，而底部流速较弱。Dr?nen等人（2002）在沙洲地形上的水槽侧壁形成的半比例激流通道内和外部进行了六个垂直截面的速度测量。激流受到侧壁的限制，阻止了其在沿岸方向的波动。测量显示明显的垂直梯度，激流在近床层处速度最大，而表面流速较弱，这与Haas（2002）的发现相反。在激流较大的区域，流动的垂直剖面相对均匀，而在沙洲顶部、凹槽和激流通道处，流速方向主要由水柱内的垂直位置决定。Poort（2007）使用1:20的平面海滩和1:6的淹没礁石，研究了礁石地形上的激流特性，发现靠近礁石处的流速几乎在整个水深范围内均匀，并向离岸方向流动，而在远离礁石体的区域，表面流速较高。Choi和Roh（2021）在波浪水池中生成了伪相交的波浪列以产生激流，并观察到表面激流速度略高于中间深度的速度。波浪破碎位置相对于沙洲顶部的位置显著影响了水流进入激流通道的情况。数值模拟显示，入射流（激流通道两侧的沿岸流）的深度结构在深度上比激流中的流动更均匀（Haas和Warner，2009）。关于3D流动特性的现场观测仍然相对有限。MacMahan等人（2005）在美国加利福尼亚州蒙特雷进行了测量，发现除了由于斯托克斯漂移的影响，冲浪区内的流速几乎在整个水深范围内均匀分布。

除了与沙洲和通道相关的地形控制激流外，激流也可以由海岸边界引起。现有的关于边界控制激流的研究主要集中在由防波堤或岬角产生的激流上。Pattiaratchi等人（2009）进行了现场测量，分析了受防波堤影响的沿海区域内的激流动力学。Scott等人（2016）研究了在野外条件下由单独的防波堤和防波堤阵列产生的激流模式，得出结论认为，在防波堤反射区形成的激流模式受到周围沿岸流的影响。Sous等人（2020）对防波堤附近的偏转激流进行了现场观测，发现激流在颈部区域的垂直变化很小，而在低速区域的表层则具有较大的变化，峰值流速集中在表面层。Mouragues等人（2020）在法国西南部的Anglet海滩进行了岬角激流的现场实验，发现偏转激流显示出更强的垂直剪切和随水深增加而增加的近表面速度，这与理论上的激流头部结构一致。以往关于防波堤或岬角附近激流的研究主要依赖于大规模的现场观测，仅提供了它们三维特性的定性描述。这些流动的垂直特征和相关机制尚未得到彻底研究。因此，本研究利用物理模型实验对激流的三维特性进行了详细分析。

上述实验测量存在一些局限性。例如，在Haas（2002）的实验中，只使用了三个ADV，显然无法提供详细的垂直分布，尤其是在底部流速变化迅速的地方。波浪条件也非常简单，只有垂直入射的波浪，没有考虑波浪场的沿岸变化。为了克服这些局限性，本研究使用了更详细的测量方法和更复杂的波浪条件进行实验研究。本研究中的激流是由沿岸方向周期性生成的循环单元系列形成的。作为Haller（2002）实验的扩展，该实验考虑了沿岸均匀入射的波浪，本研究通过防波堤上的波浪反射来形成波浪场，从而考虑了沿岸周期性变化的入射波浪。本文研究了形成的近岸环流的流动模式，并重点关注激流速度垂直分布的实验结果。进行了理论分析，以研究激流速度的垂直剖面。

本文的结构如下。第2节描述了实验方法，包括实验地形、波浪场测量、速度测量和数据处理程序。第3节介绍了激流系统的三维流动特性。第4节通过提出和结合分析解来讨论流速的垂直分布特征。最后一部分总结了本研究的主要结论。

章节摘录

实验地形

在大连理工大学海岸与海洋工程国家重点实验室的多功能波浪水池中进行了一系列激流实验。水池的长度为55米，宽度为34米，水深为0.7米。水池的一端安装了一个由70个桨组成的活塞式波浪发生器，每个桨的宽度为0.4米。实验地形包括有或没有激流通道的平面海岸和沙洲海岸。

水平流动特性

为了定量说明驻波场，图6展示了规则波和不规则波情况下的横向（x方向）波高分布。可以清楚地观察到防波堤对波浪变化的影响。在距离结构越远的地方，波高逐渐减小，这与开阔海域交叉波情况下的均匀波高分布形成对比（见图8a）。

结论

本研究通过实验室实验，研究了在有通道的防波堤海滩上，由交叉波浪场形成的激流的流动特性。实验中采用了漂流器视频追踪技术和14个ADV来测量表面流速和三维流速。通过提出...

CRediT作者贡献声明

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（资助编号：51879033）的财政支持。