破碎波條件下海岸防浪林對(duì)波浪爬高消減的試驗(yàn)研究

劉 達(dá)，黃本勝，邱 靜，吉紅香，譚 超，王 珍

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

破碎波條件下海岸防浪林對(duì)波浪爬高消減的試驗(yàn)研究

劉 達(dá)1，2，3，黃本勝1，2，3，邱 靜1，2，3，吉紅香1，2，3，譚 超1，2，3，王 珍1，2，3

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610）

海岸防浪林對(duì)于抵御風(fēng)暴潮襲擊作用巨大，可以有效削減風(fēng)暴潮災(zāi)害。以往的研究多偏重于植物消浪的微觀機(jī)理研究，模型試驗(yàn)選取的波浪條件一般為非破碎波，防浪林一般采用剛性桿進(jìn)行概化模擬，這與實(shí)際海岸的破碎波條件及實(shí)際種植的防浪林的外形條件差異都很大。本文為了能夠使模擬結(jié)果更符合沿海實(shí)際情況，在樹種的概化模擬上以目前沿海實(shí)際種植的防浪林樹種為模擬對(duì)象，同時(shí)，模擬了近岸破碎波對(duì)海岸的沖擊，波浪條件上與實(shí)際更為接近。通過(guò)物理模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了海岸防浪林帶種植寬度、種植排列方式、樹種高度和灘地坡度等對(duì)消浪效果的影響，同時(shí)還研究了樹干與樹冠的消浪效果貢獻(xiàn)比。

植物消浪；消浪系數(shù)；影響因素；物理模型

1 研究背景

華南沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，特殊的地理位置使得該地區(qū)頻繁遭遇臺(tái)風(fēng)暴潮的襲擊，每年由此帶來(lái)的損失是巨大的。目前，用于抵抗臺(tái)風(fēng)暴潮的工程措施主要是海堤，建設(shè)海堤常常需要巨大的投入，即便如此，當(dāng)遇到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面襲擊時(shí)，海堤往往也受到不同程度的損毀。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們逐步認(rèn)識(shí)到在海堤外灘地種植生物防浪林，能夠形成柔性的消浪體系，使波浪在到達(dá)海堤前得到最大程度的消減，減輕對(duì)海堤的危害。2004年12月的印度洋地區(qū)海嘯災(zāi)難中，在茂密的紅樹林保護(hù)之下的岸邊房屋完好無(wú)損，而與它相距僅70 km、沒(méi)有紅樹林保護(hù)的地區(qū)，村莊、民宅都被夷為平地，70%居民遇難。我國(guó)廣東省珠江三角洲的珠海市、江門市和中山市等部分地區(qū)種植的堤外灘地防浪林也在歷次臺(tái)風(fēng)暴潮襲擊中充分發(fā)揮了防御作用。

鑒于沿海防浪林對(duì)海岸防護(hù)的重要作用，國(guó)內(nèi)外均開展了相關(guān)研究。章家昌［1］在20世紀(jì)60年代開展了室內(nèi)試驗(yàn)，指出枝葉部分對(duì)消波也起著很重要的作用。黃本勝、吉紅香等［2-4］通過(guò)概化模型試驗(yàn)，研究了珠江三角洲內(nèi)河堤的植物消浪問(wèn)題。白玉川等［5］用裁減的檜柏枝模擬防浪樹，研究了非破碎波條件下的防浪林消浪效果。Knutson［6］和M?ller等［7］研究都發(fā)現(xiàn)波高在植物區(qū)內(nèi)是指數(shù)級(jí)衰減的。Muslesh等［8］采用剛性桿模擬剛性未淹沒(méi)植物，研究了植物桿徑與橫縱排列對(duì)水深及流速的影響。White等［9］也采用剛性桿通過(guò)試驗(yàn)及實(shí)地觀測(cè)詳細(xì)研究了植物的拖曳力作用。Bouma等［10］通過(guò)柔性以及剛性植物的規(guī)則波試驗(yàn)，研究了植物剛性對(duì)波浪的影響。

由上可見，植物消浪問(wèn)題較為復(fù)雜，植物因素及波浪因素對(duì)消浪效果影響的系統(tǒng)研究還鮮有述及，且在以往研究中，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，波浪條件一般選取的是非破碎波，防浪林則用剛性桿群進(jìn)行高度概化，這與沿海的實(shí)際情況差異較大。本文以目前沿海實(shí)際種植的防浪林樹種為模擬對(duì)象，模擬了近岸破碎波對(duì)海岸的沖擊，波浪條件上與實(shí)際更為接近。通過(guò)物理模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了海岸防浪林帶種植寬度、種植排列方式、樹種高度和灘地坡度等對(duì)消浪效果的影響，同時(shí)還研究了樹干與樹冠的消浪效果貢獻(xiàn)比。

由于本文選擇的相對(duì)波高較大，故波浪在向近岸灘地傳播的過(guò)程中發(fā)生變形以致破碎。波浪破碎后，一部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，波能以部分波高及沖擊流（動(dòng)能）的形式向前傳播，進(jìn)而沿斜坡海堤堤面爬高。因此，破碎波條件下，防浪林帶后的波高并不能完全代表波能經(jīng)過(guò)植物區(qū)衰減后的余能，而波浪在斜坡海堤上的爬高卻在相當(dāng)程度上代表了經(jīng)植物區(qū)衰減后的剩余波能最終轉(zhuǎn)化后的勢(shì)能。因此，在消浪系數(shù)的計(jì)算上采用波浪爬高值作為衡量指標(biāo)。消浪系數(shù)K的值越大表示消浪效果越好，K表達(dá)式如下：

式中：Ha0為無(wú)防浪林時(shí)的波浪爬高；Ha為有防浪林時(shí)的波浪爬高。

2 物理模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺本次試驗(yàn)是在波浪水槽中進(jìn)行，依據(jù)華南沿海典型樹種紅樹林的外型參數(shù)及波浪要素的特征值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室波浪水槽的實(shí)際情況，按照重力相似原則確定模型的比尺lr=20。

2.2 波浪要素特征值的選取由于華南沿海波浪大部分能量集中在周期為4～12 s的重力波內(nèi)，波浪周期一般為4～8 s，故試驗(yàn)選取了6 s、8 s和10 s三種波周期，在此基礎(chǔ)上選擇了4個(gè)原體波高值，分別為1m（波周期6 s）、2m（波周期6 s）、3m（波周期8 s）和4m（波周期10 s）。根據(jù)波高比尺和波周期比尺，相應(yīng)的四組模型波浪條件分別為波高5 cm（波周期1.34 s）、波高10 cm（波周期1.34 s）、波高15 cm（波周期1.79 s）和波高20 cm（波周期2.24 s）。由于植物消浪的復(fù)雜性，為抓住主要矛盾，試驗(yàn)采用規(guī)則波。

2.3 灘地坡度及近岸水深的選取灘地坡度的變化選擇1∶15的華南沿海灘地的典型坡度（3.4節(jié)除外）。近岸水深為14m，根據(jù)模型比尺換算的造波板前水深為70 cm。

2.4 防浪樹模擬設(shè)計(jì)按照紅樹林的外型幾何相似和樹冠區(qū)孔隙率相似來(lái)控制模擬精度。根據(jù)模型幾何比尺，選擇了外形特征與原體紅樹林基本相似的模型樹。模型樹的外形特征為樹高20 cm、胸徑0.5 cm、樹干高10 cm、冠高10 cm、冠幅5 cm，原體及模型的紅樹林見圖1和圖2。原體紅樹林樹冠的平均孔隙率約為0.85～0.95，模型樹的樹冠孔隙率選取為0.84，孔隙率的測(cè)定采用量筒排水法。

2.5 模型布置與量測(cè)設(shè)備試驗(yàn)在河口水利技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)66m、寬1.0m、高1.6m的波浪水槽中進(jìn)行，模型上安裝有波高儀、爬高儀及壓力傳感器等量測(cè)設(shè)備。模型布置見圖3。

圖1 華南沿海典型紅樹林

圖2 本次試驗(yàn)的紅樹林模型樹

圖3 模型布置示意

圖4 防浪林寬度變化對(duì)消浪系數(shù)的影響

圖5 無(wú)防浪林時(shí)堤前波浪破碎沖擊流態(tài)

圖6 寬度1.5m的防浪林消波流態(tài)

3 防浪林帶對(duì)波浪爬高消減的試驗(yàn)成果

3.1 防浪林帶寬度對(duì)消浪效果的影響不同寬度植物帶的消浪效果對(duì)比見圖4，有無(wú)防浪林的波浪狀態(tài)對(duì)比見圖5和圖6。由圖可見，隨著防浪林帶寬度的增加，消浪系數(shù)在一定范圍內(nèi)會(huì)線性增大，在防浪林寬度增長(zhǎng)到100 cm寬度（原體20m寬），消浪系數(shù)的增長(zhǎng)明顯趨緩，至150 cm寬度（原體30m寬），消浪系數(shù)基本不再變化，達(dá)到0.70～0.89，也就是說(shuō)原體30m寬的沿海防浪林帶基本能夠保證削減約70%的波浪能量。

3.2 防浪林帶內(nèi)部樹木排列方式對(duì)消浪效果的影響在沿海地區(qū)，人工防浪林在種植上通常需要綜合考慮景觀功能、行船功能以及生態(tài)功能等因素，不宜種植的過(guò)密，但為了保證消浪效果，又不能種植得過(guò)于稀疏。灘地坡度保持1∶15、模型防浪林帶寬度為150 cm不變的前提下，分別研究了橫向株間距5 cm、排距5 cm（模型樹總數(shù)為279棵），橫向株間距10 cm、排距5 cm（模型樹總數(shù)為144棵），橫向株間距5 cm、排距10 cm（模型樹總數(shù)為124棵），橫向株間距10 cm、排距10 cm（模型樹總數(shù)為64棵）4種不同的林木排列方式下的消浪效果，對(duì)比結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，當(dāng)防浪林寬度不變，防浪林內(nèi)部的植物量對(duì)消浪效果的影響最敏感，排列方式的影響很小。消浪系數(shù)隨著植物量的減少而線性降低，4種波高條件下的平均消浪系數(shù)由0.81分別降低到0.68、0.64和0.53。當(dāng)植物量基本相同時(shí)，防浪林帶內(nèi)部林木排列方式的改變對(duì)消浪效果的影響差異不大，如橫向株間距10 cm、排

距5 cm和橫向株間距5 cm、排距10 cm兩種內(nèi)部林木排列方式在4種波高條件下的消浪系數(shù)均較為接近（前者0.68、后者0.64），消浪系數(shù)上存在的較小差異主要也是植物量不同造成的。因此，當(dāng)防浪林總寬一定時(shí)，消浪效果取決于內(nèi)部總植物量的多少，防浪林帶內(nèi)部的林木排列方式對(duì)消浪效果的影響較小。

3.3 樹種高度對(duì)消浪效果的影響當(dāng)灘地坡度1∶15、防浪林帶寬度為150 cm及橫向株間距10 cm、排距10 cm的排列方式條件下，選擇造波板前水深70 cm和80 cm兩種水深下比較了兩種高度不同的防浪樹（紅樹林模型樹高為20 cm、落羽杉（也是一種常見的防浪林）模型樹高50 cm）對(duì)消浪效果的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示（見圖8和圖9），在造波板前水深70 cm時(shí)，紅樹林的消浪效果明顯好于落羽杉，紅樹林平均消浪系數(shù)為0.53，而落羽杉平均消浪系數(shù)0.38；當(dāng)造波板前水深80 cm時(shí)，規(guī)律則相反，落羽杉的消浪效果要好于紅樹林，落羽杉平均消浪系數(shù)為0.61，而紅樹林的平均消浪系數(shù)0.38。

圖9 水深80cm時(shí)落羽杉與紅樹林消浪系數(shù)的比較

圖8 水深70cm時(shí)落羽杉與紅樹林消浪系數(shù)的比較

圖7 不同林木排列方式時(shí)的消浪效果比較

通過(guò)試驗(yàn)觀察，經(jīng)分析認(rèn)為紅樹林和落羽杉消浪效果不同的原因在于防浪林的外形特征與灘地水深條件的配合關(guān)系，具體而言，由于樹冠區(qū)為防浪林主要的消浪區(qū)域，樹冠區(qū)與破碎波立面沖擊區(qū)的重合度決定了消浪效果。當(dāng)水深70 cm時(shí)，靜水水面剛好淹沒(méi)至紅樹林帶的中部，此時(shí)紅樹林的樹冠區(qū)剛好一半被淹沒(méi)且露出的一半在來(lái)波條件下也剛好被淹沒(méi)；而對(duì)于落羽杉，則在靜水時(shí)剛好淹沒(méi)樹干區(qū)、來(lái)波條件下淹沒(méi)至樹冠區(qū)下部，因此，在該組次下，紅樹林的樹冠區(qū)基本與破碎波立面沖擊區(qū)重合，而落羽杉則基本上是用樹干消浪，樹冠消浪僅占很小的一部分，因此消浪效果明顯差于紅樹林。當(dāng)水深80 cm時(shí)，紅樹林在靜水時(shí)樹冠區(qū)剛好完全淹沒(méi)，在來(lái)波條件下則處于10～40 cm的淹沒(méi)深度，而此時(shí)落羽杉的樹冠區(qū)在來(lái)波條件下剛好與破碎波沖擊區(qū)完全重合，因此消浪效果在這個(gè)灘地水深組次下明顯好于紅樹林。

綜上所述，不同防浪林樹種在不同灘地水深條件下具有不同的消浪效果；消浪效果不能僅從防浪林是否被淹沒(méi)及其淹沒(méi)度來(lái)衡量；樹冠區(qū)作為主要消能區(qū)域，該樹種的樹冠區(qū)與破碎波立面沖擊區(qū)的重合度對(duì)消浪效果的影響很大，重合度越高消浪效果越好，反之越差。

3.4 灘地坡度對(duì)消浪效果的影響灘地坡度對(duì)消浪效果影響的研究和討論由來(lái)已久，國(guó)內(nèi)天津大學(xué)白玉川等［5］研究了波浪未破碎條件下平坡和斜坡上種樹時(shí)消浪系數(shù)的對(duì)比，認(rèn)為在同等條件下將防浪林種植在斜坡上能夠取得更佳的消浪效果。南京水利科學(xué)研究院章家昌［1］在計(jì)算消浪系數(shù)的公式中則沒(méi)有引入灘地坡度這一項(xiàng)。本文在防浪林帶（紅樹林）總寬150 cm、橫向株間距和排距均為5 cm時(shí)，對(duì)比了灘地坡度1∶15和1∶20的消浪效果，見圖10。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者的消浪系數(shù)平均相差3%，消浪效果差別較小。因此，在消浪效果的評(píng)價(jià)中基本可以忽略灘地坡度變化的影響，以便抓住主要影響因素。

3.5 樹干與樹冠消浪效果對(duì)比研究防浪林對(duì)海堤的保護(hù)是通過(guò)消減波浪實(shí)現(xiàn)的，主要是依靠樹干及茂盛的枝葉來(lái)削減波浪，但是樹干區(qū)與樹冠區(qū)各自對(duì)消浪效果的貢獻(xiàn)多大，相差多少，這方面的研究對(duì)于更加深入的認(rèn)識(shí)防浪林的消浪機(jī)理具有重要的理論意義及實(shí)際價(jià)值。為此，試驗(yàn)研究比較了防浪林寬度均為150 cm且同等排列方式下（均為橫向株間距5 cm、排距5 cm排列），群桿與帶枝葉的模型樹（模型樹樹干直徑與剛性桿相同、樹高與桿高相同）消浪效果的差異。

圖10 灘地坡度1∶15與1∶20時(shí)消浪系數(shù)的比較

圖11 帶樹冠層的模型樹與群桿消浪效果對(duì)比

圖11為兩者消浪效果的比較。由圖可見，群桿的消浪效果明顯比帶枝葉冠層的模型樹差，前者的消浪系數(shù)平均值為0.24，后者的消浪系數(shù)平均值為0.83，通過(guò)計(jì)算可知，樹冠區(qū)的平均消浪效果占防浪林總消浪效果約60%。從試驗(yàn)觀察及定性的原因分析上看，主要是因?yàn)闃涓蓞^(qū)消波更多的是依靠拖曳力，而樹冠區(qū)消波不但由于枝葉產(chǎn)生的拖曳力來(lái)消波，還由于其豐富茂盛的細(xì)小枝葉造成水體紊動(dòng)強(qiáng)度加大，會(huì)產(chǎn)生非常多的小尺度漩渦，能夠大量消耗波浪能量，此外在冠層中可將波浪沖擊流變?yōu)榭紫读?，進(jìn)一步削減波能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以目前沿海實(shí)際種植的防浪林樹種為模擬對(duì)象，同時(shí)，模擬了近岸破碎波對(duì)海岸的沖擊過(guò)程，無(wú)論是防浪林的外形條件還是波浪條件均與實(shí)際更為接近。通過(guò)物理模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了海岸防浪林帶種植寬度、種植排列方式、樹種高度和灘地坡度等對(duì)消浪效果的影響，同時(shí)還研究了樹干與樹冠的消浪效果貢獻(xiàn)比。主要結(jié)論如下：（1）在海岸灘地種植30m寬的防浪林帶基本能夠保證削減約70%的波浪能量；（2）當(dāng)防浪林寬度不變，防浪林內(nèi)部的植物量對(duì)消浪效果的影響最敏感，排列方式的影響很??；（3）防浪林樹冠區(qū)與破碎波立面沖擊區(qū)的重合度對(duì)消浪效果的影響很大，重合度越高消浪效果越好，反之越差；（4）灘地坡度1∶15和1∶20的消浪效果十分接近，因此，在消浪效果的評(píng)價(jià)中基本可以忽略灘地坡度變化的影響，以便抓住主要影響因素；（5）樹干和樹冠消浪效果的對(duì)比研究結(jié)果表明，樹冠區(qū)消浪貢獻(xiàn)占比約60%。

此外，由試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消浪系數(shù)與種植密度密切相關(guān)，由于模型樹很難使種植密度達(dá)到其對(duì)消浪系數(shù)的敏感拐點(diǎn)，這需要在數(shù)模中利用植物區(qū)孔隙率的逐級(jí)變化對(duì)此問(wèn)題進(jìn)一步的研究。

參 考 文 獻(xiàn)：

［ 1］ 章家昌.防波林的消波性能［J］.水利學(xué)報(bào)，1966（2）：49-52.

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［ 3］ 吉紅香，黃本勝，邱秀云，等.灘地植物對(duì)波浪變形及消浪效果影響試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2008（8）：14-18.

［ 4］ 吉紅香，黃本勝，邱秀云，等.植物護(hù)岸對(duì)波壓力的影響試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2006（2）：17-19.

［ 5］ 白玉川，楊建民，胡嵋，等.植物消浪護(hù)岸模型實(shí)驗(yàn)研究［J］.海洋工程，2005，8（3）：65-68.

［ 6］ Knutson P L，Brochu R A，Seelig W N，et al.Wave damping in Spartinaalterniflora marshes［J］.Wetlands，1982，2（1）：87-104.

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（責(zé)任編輯：王成麗）

Experimental investigation on the effects of the counter-wave plants under the condition of broken waves

LIU Da1，2，3，HUANG Bensheng1，2，3，QIU Jing1，2，3，JI Hongxiang1，2，3，TAN Chao1，2，3，WANG Zhen1，2，3
（1.Guangdong research instituteofwater resourcesand hydropower，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Key Laboratory of Hydrodynam ic Research，Guangzhou 510610，China；3.State Joint Engineering Laboratory of Estuary Hydraulics，Guangzhou 510610，China）

Counter-wave plants constructed along sea walls can maximally counteract the waves before they reach the banks to decrease the dangers caused by typhoon.However，systematic research，statistical analy?sis and scientific scheduling，especially module experiments are still lack of further investigation.In order to make the simulation as practical as possible，the simulated p lants are adopted from the real tree species planted in coastal regions.Meanwhile，the impacts exerted by fragmentized waves along shore was consid?ered to ensure the high approximation of the real boundary conditions.The effects of both bio and non-bio elements in counter-wave system were compared by using p lastic trees to represent the mangrove commonly planted in coastal regions.

biological wave counteracting；counter-wave coefficient；range of influence；physical model

U656

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.003

1672-3031（2015）05-0333-06