模块化人工暗礁波浪衰减机制：暗礁顶宽度、孔隙率与模块间距的影响

《Applied Ocean Research》：Wave attenuation across modular artificial reefs: effects of reef crest width, porosity and module spacing

　　

跨模块化人工暗礁的波浪衰减：暗礁顶宽度、孔隙率和模块间距的影响 摘要：全球沿海社区因极端天气事件和海平面上升而日益面临洪水和侵蚀的威胁。传统的硬工程结构（如海堤、防波堤）虽广泛用于海岸防护，但常改变局部沉积物动态和生态条件，且设计固定、缺乏对变化环境的适应性。因此，人们对既能提供海岸防护又能支持生态功能的基于自然的混合解决方案兴趣日增。多孔模块化人工暗礁代表了一种重要途径，它们能在衰减波浪能量的同时支持生态功能并为海洋生物群落提供栖息地。波浪在多孔人工暗礁上的衰减取决于其在减小近岸波高方面的有效性。实验研究表明，波浪透过淹没式人工暗礁的传播主要取决于暗礁顶部水深（hc）（即出水高度）与入射波高（H0）之比。尽管已有研究考察了多种人工暗礁几何形状，立方体型多孔人工暗礁仍是实际工程中的常见设计。Huang等人（2024）通过物理模型实验定量证明了波浪在多孔暗礁上的变形如何依赖于结构的孔隙率（n），并引入了一个关键参数——“有效暗礁顶深度”（hc,e = hc + n × hr，其中hr为暗礁高度）。然而，以往研究大多在固定外部和内部几何形状的条件下考察波浪变形，限制了对其几何构型如何影响波浪-暗礁相互作用的理解。波浪在多孔暗礁上的衰减是波浪反射、波浪破碎和阻力引起的能量耗散共同作用的结果，这些过程既依赖于水动力条件也依赖于结构几何形状。对于低渗透性结构，更宽的横向暗礁顶区域提供了更大的面积供充分发展的波浪破碎和最大破碎诱导能量耗散。相比之下，高孔隙率暗礁对波浪变形的改变较弱，且水深限制波浪破碎的阈值更高。在冠层型多孔结构中，额外能量通过阻力过程耗散，这直接受作用于结构的水动力力的做功控制，而冠层内速度-力相互作用固有地受到结构内部几何形状（如单元间距或结构密度/孔隙率）的影响。对于周期性底部地形上的波浪传播，当海底起伏间距与入射波长满足特定比例时，可通过布拉格共振放大反射波能量。尽管暗礁顶宽度、孔隙率和间距对波浪衰减的影响已在传统潜堤、冠层型结构和周期性海底特征中分别得到充分记载，但这些因素在模块化、多孔且空间分离的人工暗礁系统中的联合效应尚未被系统研究，从而造成了如何优化人工暗礁几何形状以实现海岸防护的不确定性。本研究因此采用基于DualSPHysics求解器的高分辨率光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，旨在量化模块化人工暗礁的三个关键几何属性（横向暗礁顶宽度、孔隙率和模块间距）如何控制波浪衰减及其背后的水动力过程。首先验证了DualSPHysics模型准确再现人工暗礁上波浪变形的能力，随后将其应用于广泛的暗礁几何形状。通过全面的数值模拟实现两个目标：（i）量化暗礁顶宽度、孔隙率和间距如何通过其对波浪反射、破碎和阻力诱导能量耗散的影响来控制波浪衰减；（ii）通过显式纳入暗礁顶宽度、孔隙率和模块间距，开发改进的模块化人工暗礁波浪透射预测公式。本研究的发现和方法为模块化人工暗礁上波浪衰减的过程控制提供了新的见解，从而提高对各种暗礁构型下波浪透射预测的准确性，并支持人工暗礁作为基于自然的海岸防护措施的应用。

论文解读：模块化人工暗礁几何特性对波浪衰减的控制机制

一、研究背景与科学问题

全球沿海地区正面临日益严峻的洪水与侵蚀威胁，其根源在于极端天气事件的频发与海平面持续上升。传统硬工程结构如海堤和防波堤虽然被广泛应用于海岸防护，但它们往往显著改变局地的泥沙输运动态与生态条件，且设计一经建成便难以灵活适应不断变化的环境条件。因此，兼具海岸防护与生态支持功能的基于自然的解决方案受到了越来越多的关注。多孔模块化人工暗礁正是这类方案的代表——它能够有效衰减波浪能量，同时为珊瑚、贝类、海藻等海洋生物群落提供栖息环境。

然而，当前研究存在明显的知识缺口。以往关于波浪与人工暗礁相互作用的实验研究，大多在固定暗礁外部形态与内部几何结构的条件下进行，仅变化水动力条件，这使得研究者难以厘清暗礁自身的几何构型（如暗礁顶宽度、孔隙率、模块间距）究竟如何独立或协同地影响波浪衰减过程。具体而言，波浪在多孔暗礁上的衰减源于三种机制的耦合：波浪反射、波浪破碎以及阻力诱导的能量耗散。对于低渗透性结构，宽大的暗礁顶区域有利于充分发展波浪破碎；而对于高孔隙率暗礁，波浪破碎的阈值更高，但阻力耗散的作用更加突出。此外，当多个暗礁模块呈周期性排列时，若模块间距与入射波长满足特定比例，还可能通过布拉格共振大幅增强反射波能量。尽管上述机制在传统潜堤、冠层型植被结构和周期性海底沙坝中已有较多研究，但在由多孔模块组成且空间离散分布的人工暗礁系统中，这些几何参数的联合效应至今未被系统揭示。这一不确定性直接制约了人工暗礁几何设计的优化，进而影响了其作为海岸防护设施的实际效能。

二、研究目的与意义

本研究旨在系统量化三个关键几何属性——横向暗礁顶宽度（crest width）、孔隙率（porosity, n）和模块间距（module spacing）——如何通过调控波浪反射、破碎和阻力耗散来控制波浪衰减，并在此基础上开发能够显式纳入这些几何参数的新一代波浪透射预测公式。研究成果将显著提升对不同构型模块化人工暗礁波浪衰减能力的预测精度，为基于自然的海岸防护工程设计提供理论支撑。

三、关键技术方法

研究人员采用了基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）的高分辨率数值模拟方法，具体使用DualSPHysics求解器。该方法属于弱可压缩SPH（Weakly Compressible SPH, WCSPH）框架，通过泰特方程（Tait's equation）显式描述流体压力场，避免了不可压SPH中需求解泊松方程的高计算成本。SPH方法的粒子特性使其能够自然地捕捉复杂的自由表面变形（如波浪破碎），并在无需结构化贴体网格的情况下解析多孔结构内部的流动路径，特别适用于具有复杂内部几何形态的高孔隙率模块化结构。研究人员首先利用已有的物理实验数据对DualSPHysics模型进行了全面验证，确认其能够可靠地再现人工暗礁上的波浪变形过程，随后将该模型应用于覆盖宽广参数空间的数值模拟。

四、研究结果

4.1 暗礁顶宽度对波浪衰减的影响

研究发现，增大暗礁顶宽度主要通过两种机制增强波浪衰减：一是为波浪破碎提供更长的发育距离，使得充分发展的破碎过程能够耗散更多能量；二是增加了波浪与暗礁结构之间的摩擦阻力作用范围，从而增强了阻力耗散。然而，这种增益并非线性，当宽度超过某一阈值后，边际效益逐渐降低。

4.2 孔隙率对波浪衰减的影响

孔隙率对波浪衰减的影响表现出非单调性。在相对较大的暗礁顶水深条件下，中等孔隙率的暗礁反而比低孔隙率暗礁保留了更高的波浪衰减能力。这是因为低孔隙率结构虽然反射更强，但在大水深下波浪破碎受限，而中等孔隙率结构允许更多的水流进入暗礁内部，通过内部阻力耗散大量波浪能量。极高孔隙率的结构则因固体骨架过于稀疏，阻力耗散和反射均不足，整体衰减效果最差。

4.3 模块间距对波浪衰减的影响

模块间距的优化可以显著提升波浪衰减效率。当模块间距与入射波长满足布拉格共振条件时，来自各模块的反射波发生相长干涉，使总反射系数大幅提高。与此同时，合理的间距还能减少模块之间的遮蔽效应，使得下游模块也能暴露于较强的波浪作用下，从而增加整个暗礁系统的阻力耗散总量。过小的间距会导致上游模块完全屏蔽下游模块，而过大的间距则破坏了反射波的相干叠加。

五、讨论与结论

讨论部分指出，现有的波浪透射经验公式往往只依赖相对暗礁顶水深（h_c/H₀）或有效暗礁顶深度（h_c,e），未能充分反映暗礁顶宽度、孔隙率和模块间距的独立贡献。研究人员基于大量数值模拟结果，建立了包含这三个几何参数的新预测框架，显著提高了对不同构型下波浪透射系数的预测精度。

研究结论如下：模块化人工暗礁的几何构型通过改变波浪反射、破碎和阻力耗散三者之间的平衡，从根本上决定了其波浪衰减性能。较宽的暗礁顶有利于破碎和阻力耗散，中等孔隙率在大水深条件下仍能维持高效衰减，而优化模块间距可利用布拉格共振增强反射并减少遮蔽效应。基于这些机制建立的参数化预测框架，能够为面向海岸防护的人工暗礁工程设计提供定量指导，推动基于自然的解决方案从概念走向实践。