第1章 绪论
　　1.1研究背景
　　珊瑚礁是由碳酸钙组成的珊瑚虫骨骼在数百年至数千年的沉积过程中形成的，广泛分布于热带和亚热带浅海地区。珊瑚礁具有极高的生物多样性，素有“蓝色沙漠中的绿洲”“海洋中的热带雨林”的美誉。它是4000多种鱼类和800多种珊瑚的家园，并孕育着众多鲜明而珍异的生物，它们彼此共生共栖，形成了五彩斑斓、令人叹为观止的海底生态奇观。全球直接或间接依赖珊瑚礁生态系统生存的人口数量达到数亿，中国海域亦有着十分丰富的珊瑚礁资源，分布在西沙、南沙、台湾以及海南岛等地，它们均位于世界珊瑚礁种类最为丰富的“珊瑚金三角”的北缘，是全球珊瑚礁生态系统的重要组成部分。在众多珊瑚礁类型中，岸礁（fringing reef）、堡礁（barrier reef）、环礁（atoll reef）是最为常见的三类（图1.1）。一个典型的珊瑚礁海岸由连接深海海床且较陡的礁前斜坡、延伸向岸滩的相对水平的礁坪组成，在礁前斜坡与礁坪相接的礁缘处常常存在一个隆起的礁冠，在礁坪和岸滩之间可能存在一个较深的潟湖。在影响珊瑚礁水动力过程的若干海洋动力因素（波浪、潮汐、风和洋流等）中，波浪作用被广泛认为是最重要的影响因素（Monismith，2007）。
　　图1.1不同类型的珊瑚礁（Woodroffe，2002）
　　珊瑚礁是地球上最多样化的生态系统之一。然而，随着经济社会的发展，珊瑚礁资源开发利用与环境承载力之间的矛盾日益凸显，珊瑚礁面临的威胁广泛且日益加剧，包括过度捕捞、海岸开发、农田径流等地方区域性威胁。更重要的是，全球气候变化已经开始以多种方式加剧其对珊瑚礁造成的不良影响。海洋变暖已经对珊瑚礁造成了广泛的破坏，高温导致了一种名为“珊瑚白化”的应激反应，使得珊瑚失去了色彩斑斓的共生藻类，仅剩下白色的骨架，最终珊瑚死亡珊瑚礁退化，如著名的1998年全球范围的珊瑚白化事件，导致全球约16%的珊瑚死亡（Oliver et al.，2018），而2016年全球珊瑚白化事件使得世界最大最长的珊瑚礁群——澳大利亚大堡礁（The Great Barrier Reef）有29%的活珊瑚因白化死去。据统计，1980～1997年，全球观测并报道了大约370次珊瑚白化事件，而在1998～2010年超过3700次（Burke et al.，2011）。近年来，海洋温度异常升高的现象有所增加，这将导致珊瑚白化更为频繁、严重和广泛（Eakin et al.，2019）。此外，不断增加的二氧化碳排放量正在逐渐加剧海洋酸化。海洋酸化会减缓珊瑚的生长速度，如果不加以控制，可能会弱化它们维持物理结构的能力。地方区域性威胁再加上全球变暖和海洋酸化，珊瑚礁越来越容易受到强风暴、虫害（如长棘海星爆发）、海水温度和浊度的变化等的干扰与破坏。这种破坏的典型表现是活珊瑚面积减少，藻类覆盖增加，物种多样性减少，鱼类丰度降低。尽管有研究表明珊瑚是具有弹性的，可以从特定威胁的影响中恢复过来，但是如果人类不加以重视并采取措施，我们很可能会看到这些宝贵的生态系统崩溃，原有的天然防护屏障不复存在，珊瑚礁急剧退化加剧海岸侵退、淹没进程，这将严重威胁珊瑚礁沿岸地区人类的生存环境。 南海珊瑚岛礁是我国宝贵的陆地资源，也是建设“海上丝绸之路”和维护海洋权益的关键节点，关乎国家主权核心利益。近年来，我国在南海岛礁开展了一系列填海造陆工程，建设了相关的基础设施，并以此为依托逐步推进南海油气、渔业、旅游等资源的利用。因此针对南海岛礁的开发与保护已成为推进“一带一路”倡议和“海洋强国”战略的重大需求。珊瑚岛礁海岸的天然动力地貌环境迥异于其他海岸，波浪作为最主要的海洋动力因素，其在珊瑚礁海岸陡变地形上的传播变形、破碎、增水、波生流、爬高等水动力过程有其复杂性和特殊性（姚宇，2019），在海岸动力学理论基础上，需要对珊瑚礁海岸独特的水动力环境有更深刻的认识。我国在珊瑚礁海岸水动力学基础研究方面起步晚，南海填礁成陆工程在国际上也无先例可循，出现了基础理论远远落后于工程实际需求的状况，亦急需相关的水动力学理论的支撑。
　　1.2研究意义
　　1.2.1生态系统维持
　　珊瑚礁海岸水动力学涉及的流体运动范围十分广泛，大至数十公里区域范围内的潮汐运动，中至水平礁面尺度几百米到几千米范围内的波浪运动，小至数米范围内珊瑚冠层及其内部分支结构中的湍流运动，它们无一不对珊瑚礁生态系统的繁衍和珊瑚礁海岸生态环境的维持具有重要意义。最先，在广袤的全球海域内由海洋动力作用产生的区域性环流和不同理化性质的水团通过控制海洋生境和珊瑚礁幼虫的扩散范围，从而控制珊瑚生物体的地理分布（Lowe and Falter，2015）。其次，对于中等尺度下（与珊瑚礁坪规模相当）的波浪运动，以往现场观测研究表明，波浪在礁缘附近破碎产生的增水驱动了礁坪上的向岸流；同时由于礁坪在沿岸方向的分布往往是不连续的，间隔存在连通潟湖和外海的口门，因此沿岸分布不均的增水会在礁坪上和潟湖内驱动沿岸流，并汇入口门内以裂流的形式返回外海，形成水平二维的波生环流（Monismith，2007）。该近岸环流是珊瑚礁海域营养物质、幼虫、珊瑚砂（coral sand）等发生水平输运的主要物理驱动力，对于维持珊瑚礁生态系统的健康和珊瑚礁海岸岸线演变均具有重要的意义。最后，对于珊瑚礁海岸水环境中最小尺度的湍流而言，它通过控制礁床与上覆水体之间的垂向交换，决定了热量、食物、珊瑚幼虫等的垂向运输（Davis et al.，2021），这对于维持底栖生物生长、光合作用、呼吸作用等关键新陈代谢过程至关重要（Lowe，2005）。
　　1.2.2海岸防灾减灾
　　当今全球气候变化，南海附近强台风频发，南海也是我国海啸灾害高风险区，相对于大陆沿岸，风暴潮、海啸影响下的南海岛礁工程防浪建筑物的安全面临更为巨大的挑战。尽管学术界普遍认为珊瑚礁是海岸线的天然屏障，但是文献中时常有低海拔珊瑚礁沿岸在风暴潮的作用下发生洪涝灾害的报道（Hoeke et al.，2013；Merrifield et al.，2014）。波浪爬高是评估海岸洪水最重要的指标，珊瑚礁海岸波浪爬高一般由短波、低频长波（又称亚重力波）和增水成分构成，其中低频长波运动对爬高的贡献起主要作用（Merrifield et al.，2014）。这是因为珊瑚礁在垂直于海岸的方向是半封闭地形，低频波在某些条件下特别是台风暴带来的水位升高条件下会发生共振现象，即在岸线附近产生增水放大效应，反而加剧海岸洪涝灾害的风险。传统的珊瑚礁海岸的洪涝灾害风险评估一般采用基于水动力过程的预测模型，存在计算速度慢，对水动力计算基础资料要求高的特点。我国南海岛礁地处远海，现场观测资料获取困难，基础水文地质资料匮乏。如何利用先进的手段基于有限的实测资料实现对台风风暴潮等引起的极端波浪进行快速和准确预报，对于有效地指导远海岛礁防浪护岸工程实践同样具有十分重要的意义。
　　1.2.3海岸演变预测
　　珊瑚砂是由多孔的珊瑚礁在外力作用（风浪和潮流等）和风化作用（侵蚀、破碎、打磨）下形成的钙质碎屑物，某些鱼类（如鹦嘴鱼）啃噬珊瑚礁所产生的排泄物亦是其重要来源。特殊的海洋生物成因和海洋沉积环境，使其宏观物理力学特性与陆源石英砂性质迥异。这些物理性质的差异再加上珊瑚礁特有的地形地貌导致波浪作用下的珊瑚礁海岸附近珊瑚砂的运动特性与一般的沙质岸滩有着显著不同。珊瑚砂岛（reef island）通常是环礁上由珊瑚沉积物、生活在珊瑚礁上死亡的微生物和珊瑚礁周围的卵石堆筑的岛屿，其大小、形态不一，是岛礁区适合人类生活的栖息地之一（Kench et al.，2012），较大的珊瑚砂岛还可供植被生长。近年来，因全球气候变化带来的海平面上升和强台风多发导致的极端波浪事件会影响低海拔珊瑚砂岛的稳定性（Ford and Kench，2016），且有研究表明，海平面上升可能使低洼砂岛在未来几十年后不再适合居住（Storlazzi et al.，2018）。南海的珊瑚砂岛是我国重要的海上国土资源，涉及我国的领土权益，而珊瑚砂的运动作为珊瑚砂岛海岸冲淤演变过程的关键环节，对岛屿既有岸线的维持具有重要的影响。由于南海珊瑚砂岛地理位置偏远，现场资料获取困难，长期以来对珊瑚砂的运动规律、珊瑚砂流失的部位、路径和流失机理等缺乏足够的认识，关于砂岛水文条件、地貌特征等方面的资料积累甚少，因此开展天然和人工珊瑚砂岛周围泥沙输运和岸线演变问题研究具有十分重要的现实意义。
　　1.2.4岛礁开发与保护
　　我国在南海珊瑚岛礁周围进行的填礁造陆工程已接近完成，此类工程多建设在珊瑚环礁上。工程建成后基础设施在远海复杂海洋动力环境下的安全性问题和附近的生态环境修复问题日益受到关注。目前，我国在南海新填筑的岛礁上尚存在亟待解决的两个技术瓶颈问题：第一，岛礁人工防浪建筑物一般建设在新填筑的礁坪上，工程建设周期短，地质条件相对薄弱，此类人工岸线面临台风风暴潮等极端自然灾害及长期自然力（包括风、浪、流、潮）的侵蚀、掏蚀过程，局部地区已发生地基液化和珊瑚砂的流失进而出现坍塌、崩岸等影响基础稳定性的问题；第二，被誉为海洋中的“热带雨林”的珊瑚礁是极其宝贵的生态系统。当前全世界包括我国南海在内的众多珊瑚礁由于全球气候变化和人类活动的影响正面临严重的退化问题，急需进行生态恢复。2016年国家海洋局印发《全国生态岛礁工程“十三五”规划》，明确了生态岛礁工程建设的指导思想、基本原则和工程目标。因此，大力倡导生态岛礁建设，对珊瑚礁生态系统开展系统修复工程，是面向海洋绿色开发利用的重点内容之一。而运用新技术和新材料设计人工生态礁块，不仅能减轻礁后岸线的波浪荷载，还能兼顾生态效益，是一种十分有前景的技术解决方案。
　　1.3研究思路
　　本书重点介绍珊瑚礁海岸水沙动力学的基本理论及其最新研究进展，主要涉及珊瑚礁海岸复杂动力地貌环境下水动力基本规律研究、珊瑚礁海岸水动力模拟新型数值模式研究、珊瑚礁海岸防灾减灾机理及其对工程活动的响应机制研究和珊瑚礁海岸新型生态护岸技术研究四大方面的内容，本书共由10章组成，各章节主要内容如下。
　　第1章主要讲述本书所涉及领域的研究背景，论述珊瑚礁海岸水沙动力学在珊瑚礁生态系统维持、海岸防灾减灾、海岸演变预测、岛礁开发与保护方面的意义。
　　第2章分别从波浪破碎特性和波浪传播特性（折射、反射、透射、能量耗散等）两个方面总结了国内外珊瑚礁海岸波浪运动特性的研究现状。
　　第3章主要总结了国内外珊瑚礁海岸波浪增水与波生流的研究现状，同时探讨了潮流对于增水和波生流的影响。
　　第4章主要总结了国内外珊瑚礁海岸低频长波运动的研究现状，同时还介绍了基于机器学习方法在珊瑚礁海岸防灾减灾方面的一些应用。
　　第5章主要介绍了珊瑚礁在抵御海啸中发挥积极作用以及对于海啸波与珊瑚礁海岸相互作用的实验方法。
　　第6章主要从波流耦合模型、Boussinesq模型、非静压模型和基于直接求解Navier-Stokes方程的模型这四类模型出发，总结了珊瑚礁海岸水动力特性的模拟方法。
　　第7章主要从碳酸盐沉积物物理特性、运动特性、输运过程以及珊瑚砂岛的演变过程总结了珊瑚礁海岸泥沙动力学的研究现状。
　　第8章主要从冠层附近流动特性、冠层阻力特性、冠层阻力的模拟方法以及冠层附近泥沙输运特征四个方面总结了珊瑚礁冠层水沙动力学的研究现状。
　　第9章主要介绍了珊瑚礁海岸分别存在的两种工程活动（防浪建筑物和人工采掘坑）影响下的珊瑚礁海岸水动力学。
　　第10章主要总结了人工礁的选材和结构设计、人工礁的水动力特性和生态效应研究以及人工礁的工程应用。
　　参考文献
　　姚宇.2019.珊瑚礁海岸水动力学问题研究综述.水科学进展，30（1）:139-152.
　　Burke L，Reytar K，Spalding M，et al.2011.Reefs at Risk Revisited.Wash

目录
前言
第1章绪论1
1.1研究背景1
1.2研究意义2
1.3研究思路4
参考文献5
第2章珊瑚礁海岸波浪传播变形7
2.1引言7
2.2波浪破碎特性8
2.3波浪传播特征10
2.4总结与展望14
参考文献15
第3章珊瑚礁海岸波浪增水与波生流19
3.1引言19
3.2现场观测20
3.3物理模型实验22
3.4理论模型24
3.5潮汐流的影响27
3.6总结与展望28
参考文献29
第4章珊瑚礁海岸低频长波运动33
4.1低频长波的产生和共振33
4.2基于机器学习的方法预测海岸爬高38
4.3总结与展望39
参考文献40
第5章海啸波与珊瑚礁海岸的相互作用43
5.1研究背景43
5.2现场观测43
5.3物理模型实验45
5.4总结与展望45
参考文献45
第6章珊瑚礁海岸水动力学数值模拟47
6.1引言47
6.2波流耦合模型47
6.3Boussinesq模型52
6.4非静压模型57
6.5基于直接求解Navier-Stokes方程的模型61
6.6总结与展望66
参考文献67
第7章珊瑚礁海岸沉积物运动及珊瑚砂岛演变76
7.1引言76
7.2珊瑚礁沉积物的物理特性和分布特征77
7.3沉积物的起动和沉降78
7.4沉积物的输运79
7.5珊瑚砂岛的演变84
7.6总结与展望87
参考文献88
第8章珊瑚礁冠层水沙动力学93
8.1研究背景93
8.2珊瑚礁冠层内外的流动特性94
8.3珊瑚礁冠层的阻力特性98
8.4珊瑚礁冠层阻力的模拟方法102
8.5珊瑚礁冠层内的泥沙输运105
8.6总结与展望107
参考文献108
第9章工程活动影响下珊瑚礁海岸水动力学113
9.1引言113
9.2波浪与珊瑚礁海岸防浪建筑物的相互作用114
9.3人工采掘活动影响下的珊瑚礁海岸水动力学116
9.4总结与展望117
参考文献118
第10章人工礁与生态防浪设施120
10.1引言120
10.2人工礁的选材和结构设计121
10.3人工礁的水动力特性和生态效应研究127
10.4人工礁的工程应用132
10.5总结与展望138
参考文献139