人工沙坝对海滩养护工程中波浪爬高特性的影响机制及改进预测模型研究

针对人工沙坝海滩养护工程中波浪爬高预测精度不足的问题，研究人员结合物理实验与非静压数值模型SWASH，揭示了人工沙坝通过低频能量转移和共振效应动态调控波浪爬高的机制，发现传统经验公式忽略水下地形导致预测偏差，提出融合沙坝 crest 水深的无量纲改进公式，为海岸灾害防控提供新理论支撑。

　　

随着全球气候变化加剧，海平面上升和极端风暴事件频发，海岸带面临日益严重的侵蚀、漫顶和淹没风险。波浪爬高（Wave run-up）作为衡量海岸灾害的关键参数，其准确预测对防护工程设计至关重要。然而，传统基于自然海滩的经验公式（如Stockdon et al., 2006）在人工沙坝养护海滩场景中表现不佳，因其忽视了水下地形动态变化对波浪能量再分配的影响。尤其当人工沙坝通过低频能量转移和共振效应意外放大波浪爬高时，可能引发"工程减灾反增灾"的悖论。这一矛盾在欧盟RISC-KIT等国际预警系统中尤为突出，亟需从机理层面突破。

中国某研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究，通过物理模型与SWASH（Simulating WAves till SHore）数值模型的"双保险"验证，首次系统揭示了人工沙坝影响波浪爬高的双刃剑效应。研究发现，传统认知中"沙坝必减浪"的规律存在例外：在特定风暴条件下，人工沙坝会使低频段（<0.05 Hz）波浪爬高能量较自然海滩增加23%，而高频段（>0.05 Hz）仍占主导但波动显著。这种反常现象源于沙坝 crest 水深与岸线间的第一阶共振频率（First-order resonance）耦合作用，其机理类似于声学中的亥姆霍兹共振。更关键的是，团队发现现有公式对R_2%（2%超越概率爬高）的预测误差高达34%，进而提出融合无量纲 crest 水深（h_c/H₀）的改进模型，将精度提升至89%。

研究采用三项关键技术：1) 50米波浪水槽物理模型复现JONSWAP谱不规则波；2) 非静压SWASH模型多层RANS求解器捕捉波浪非线性；3) Morlet小波时频分析解析爬高频谱演化。通过对比有无沙坝的数值重构场景，发现当人工沙坝 crest 水深与入射波高比h_c/H₀≈0.8时，低频共振效应最强。时空分析表明，沙坝向岸迁移阶段会通过增强波群（Wave group）调制，使低频爬高能量增加1.7倍，而高频 swash（冲流）则受控于沙坝背水坡坡度变化。

主要结论包括：1) 人工沙坝通过能量向低频转移和共振双重路径影响爬高，其效应随h_c/H₀和坡度动态变化；2) 现有参数化公式低估了低频爬高贡献，改进模型引入h_c/H₀后显著提升预测精度；3) 高频 swash 始终主导总爬高，但其饱和阈值（Saturation behaviour）受沙坝形态调制。

该研究突破了传统经验公式对水下地形的简化假设，为动态海岸的灾害预警提供了过程驱动（Process-based）的新范式。尤其提出的共振频率预警指标，可提前识别"沙坝增浪"风险工况。成果已应用于中国福建海岸养护工程，支撑了2022年台风"梅花"期间的应急决策。未来需进一步研究多沙坝系统的频率耦合机制，以应对复合极端事件挑战。