規(guī)則波和不規(guī)則波在剛性植物區(qū)波能衰減的試驗研究

張明亮,張洪興,徐紅印,李晉,趙楷賓,喬會婷(.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連603;.盤錦鴛鴦溝國家級海洋公園管理辦公室,遼寧盤錦400)

規(guī)則波和不規(guī)則波在剛性植物區(qū)波能衰減的試驗研究

張明亮1,張洪興1,徐紅印1,李晉2,趙楷賓1,喬會婷1
(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;2.盤錦鴛鴦溝國家級海洋公園管理辦公室,遼寧盤錦124010)

為深入了解濕地植物對近岸波浪的耗散作用,通過物理模型方法,對規(guī)則波和不規(guī)則波越過岸坡前剛性植被水域的波能衰減進行了試驗研究。結(jié)果表明:當(dāng)波浪通過植物區(qū)時,有效波高在植物區(qū)內(nèi)逐漸衰減,規(guī)則波和不規(guī)則波波高消減率分別為29.8%和31.4%;在植物分布密度、波浪周期等參數(shù)相同的情況下,剛性植物高度為40 cm,有效波高為8、6、4 cm時,不規(guī)則波衰減率分別為41.3%、37.3%和31.3%,規(guī)則波有效波高衰減率分別為35%、30.8%和26.1%,無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,可見入射波浪的波高越大,消波作用越明顯;剛性植被高度為40、20 cm植物區(qū)的波高(6 cm)衰減率分別為32.3%和21.0%,植物高度越大,波能消減作用效果越好,同樣的參數(shù)條件,波高h=30 cm的波高衰減率為14.6%,h=40 cm的波高衰減率為9.9%,水深為30 cm時的消波作用優(yōu)于水深為40 cm時的消波作用,隨著水深的增加消波效果降低。本研究結(jié)果對于濕地剛性植物與波浪間的相互作用研究提供了參考依據(jù)。

規(guī)則波;不規(guī)則波;波浪傳播;剛性植物;波能衰減

近岸海域是人類活動及海洋工程開發(fā)建設(shè)的重要區(qū)域,由于水深的變化、水流作用,以及海底地形和障礙物等因素的影響,近岸海域波浪的傳播會發(fā)生一系列的變化,產(chǎn)生波浪折射、反射、繞射、波浪破碎等現(xiàn)象[1]。近岸海域的波浪不僅直接對海岸建筑物的安全構(gòu)成威脅,并且通過其與水流、泥沙的共同作用改變了近岸的水動力環(huán)境,因此,護岸工程應(yīng)運而生。以往的護岸建設(shè)工程中,水庫護岸多用大型的混凝土預(yù)制板,河道護岸多用混凝土直立墻,海岸護岸則多用離岸式防浪堤[2]。最近,學(xué)界提出了一種新的生態(tài)護岸工程模式,如在岸灘前種植一定寬度的植被群就是一種頗為有效的“軟工程方法冶。生態(tài)護岸是利用水生植被改變波浪形態(tài),以此改善灘上的水流波浪等動力條件,從而消減波浪能量、影響泥沙的傳輸,進一步保護海灘免受極端風(fēng)浪的破壞,該方式是一種有效的可再生生物防護措施[3]。

有植被作用的波浪問題特殊而復(fù)雜,是研究近海濕地眾多問題的焦點之一。目前,在實驗室進行小尺度的植物消波試驗研究較多:如劉達等[4]通過模型試驗研究了海岸防浪林帶種植寬度、排列方式、樹種高度和灘地坡度等對消浪效果的影響;姚宇等[5]、吉紅香等[6]、楊建民[7]等通過物理模型試驗研究了灘地植被對波浪變形、波高衰減、波浪爬高和防波堤波壓力的影響;Mei等[8]、Zeng等[9]、Maza等[10]分別研究了孤立波、不規(guī)則波越過植被的波能衰減過程和速度的變化。Irtem等[11]研究了在沙質(zhì)斜坡上種植人造樹木對海嘯爬坡的影響。Thuy等[12]在沿岸植被帶中僅僅存在一個裂口的情況下研究了波浪的爬高情況。但是關(guān)于灘地斜坡前規(guī)則波、不規(guī)則波越過植物的消浪問題鮮有報道。

本試驗中,對規(guī)則波和不規(guī)則波越過植被水域的波高變化進行了研究,對植被前后的波高進行定量分析,探討剛性植物在不同周期、波高、水深植被高度和密度條件下對波能消減效果的影響,進而解析了植被對波浪傳播的影響規(guī)律。

1 物理模型試驗

試驗在大連海洋大學(xué)遼寧省海岸工程重點實驗室完成,玻璃水槽規(guī)格為35 m伊0.7 m伊0.6 m,右側(cè)設(shè)有一個岸坡(坡度比1頤7),并設(shè)有海綿層進行消波,如圖1所示。采用直徑為2.5 mm的竹簽代替剛性植物,扎結(jié)在鉆孔塑料薄板上(1.2 m伊0.7 m),與波向正交并固定在水槽底坡上,剛性植物株高分別為20、40 cm。植被的排列分為疏密兩種方式:a方式為植物中心間距在長寬上的分布為2 cm伊1 cm;b方式為植物中心間距在長寬上的分布為2 cm伊2 cm。在1.2 m伊0.7 m塑料薄板上,密度高的植物分布方式共放置3500株植物,密度低的放置1750株植物(圖2)。

圖1 試驗水槽及植物位置示意圖Fig.1Sketch map of the experimental flume and the vegetation location

圖2植物的排列方式Fig.2Vegetation arrangement in the experiment

圖1 中,G1、G2、G4、G5分別為4個波高儀的安裝位置,用于各觀測點記錄波高的變化情況。波高儀之間間隔分別為40、60、25 cm,植物模型位于岸坡之前,植物區(qū)長度(植被寬度)為1.2 m。G1波高儀在植物模型前20 cm處,G2、G4被安置于植被模型中間部分。G5位于植被區(qū)域后,記錄波浪經(jīng)過植被后的波高變化。以G1為原點、波浪傳播為正方向建立坐標(biāo)系,用于標(biāo)定波高儀位置。試驗選取的規(guī)則波和不規(guī)則波是由JONSWAP頻譜生成。水深(h)為30、40 cm時,共采用3種入射波高(H1),分別為4、6、8 cm,相同水深、波高條件下又采用3種不同周期(T),在周期為1.0、1.2、1.4 s下分別進行試驗。

試驗過程中,依次安排波高和周期由小到大,目的是降低波形變化對數(shù)據(jù)采集的影響。通過4個站點的波浪數(shù)據(jù)對有無植被條件的波浪進行分析,用最小平方法分離入射和反射波要素,評估右側(cè)斜坡的波浪反射系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn),盡管有海綿層吸收波浪,但還有一部分波浪會發(fā)射回波浪水槽,總體在4%之內(nèi),其對植物區(qū)波高衰減影響較小。

2 植被消波作用分析

本試驗中,布設(shè)的植物高度(VH)分別為20、40 cm,試驗水深h分別為30、40 cm,形成植物非淹沒和淹沒兩種狀態(tài)。

(1)工況1——非淹沒狀態(tài)。在該工況中,水深h為30 cm,植物高度VH為40 cm,植物密度為高密度,采用不同的波高、周期對植物消波性能進行探討。圖3為規(guī)則波及不規(guī)則波(入射波浪的周期T為1.0 s、波高H1為4 cm)在有、無植被條件下有效波高變化的對比。從圖3可知:無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,無植被作用時,有效波高(H)沿程變化不大;有植被作用下,當(dāng)波浪通過植物區(qū)時,有效波高在植物區(qū)內(nèi)逐漸衰減,規(guī)則波和不規(guī)則波波高消減率分別為29.8%和31.4%。

圖4為植物區(qū)內(nèi)規(guī)則波和不規(guī)則波(T=1.2 s)在不同入射波高條件下有效波高衰減的對比。對不規(guī)則波而言,在剛性40 cm植物區(qū)中入射波高H1為8、6、4 cm時,有效波高衰減率分別為41.3%、37.3%和31.3%;對規(guī)則波而言,在剛性40 cm植物區(qū)中入射波高H1為8、6、4 cm時,有效被高衰減率分別為35%、30.8%和26.1%。由此可見,無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,隨著入射波高的增大,植物區(qū)內(nèi)沿程波高逐漸衰減。

圖3有、無植被作用下的波高變化(非淹沒狀態(tài))Fig.3W ave height variation w ith and w ithout vegeta-tion(non-submerged)

圖5 為剛性植被高度VH為40、20 cm時植物區(qū)的波高衰減對比,其衰減率分別為32.3%和21.0%,可以看出,在不規(guī)則波條件下,波浪消減作用依次為剛性植被高度為40 cm時>剛性植被為20 cm時>無植被時。因此,消浪效果和剛性植被的高度有關(guān),即植物高度越大消浪效果越明顯。圖6為不同植物密度條件下植物區(qū)內(nèi)有效波高衰減的對比,結(jié)果顯示,植被密度越大消波效果越明顯。

圖4 不同入射波高條件下的波高變化(非淹沒狀態(tài))Fig.4W ave height variation under the conditions of different incident wave heights(nonsubmerged)

圖5 不同植物高度條件下的波高對比(非淹沒狀態(tài))Fig.5Comparison of wave height under different plant height conditions(non-submerged)

(2)工況2——淹沒狀態(tài)。水深h為30 m,植物高度為20 cm,植物密度為低密度,采用不同的波高、周期對植物消波性能進行試驗。圖7為T=1.2 s時不同波高條件下植被區(qū)有效波高衰減的對比。從圖7可以看出,在不規(guī)則波淹沒植被的條件下,隨著入射波高增大,沿程有效波高不斷衰減。在不規(guī)則波條件下,當(dāng)H1=4 cm、T=1.0 s、VH=20 cm時,在變化水深條件下,有效波高在植物區(qū)的衰減對比見圖8,h為30、40 cm時,有效波高的衰減率分別為14.6%、9.9%,表明h為30 cm時波高消減作用要大于h為40 cm時。

圖6 不同植物密度條件下的波高變化(非淹沒狀態(tài))Fig.6W ave height variation under the different plant densities(non-submerged)

圖7 不同入射波高條件下波高的衰減變化(淹沒狀態(tài))Fig.7W ave height attenuation under different incident wave height conditions(submerged)

圖8 不同水深條件下波高的衰減變化(淹沒狀態(tài))Fig.8W ave height attenuation under different water depth conditions(submerged)

3 結(jié)論

本研究中,在植物區(qū)布設(shè)若干波高儀,測量波浪通過剛性植物區(qū)時的波高變化并進行定量分析,得出剛性植被波浪消減效果。具體結(jié)論如下:

(1)植物非淹沒狀態(tài)下,無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,剛性植被對波浪具有消減作用,隨著剛性植物區(qū)長度的增加,有效波高逐漸減小,在其他因素(周期、植被高度、水深等)不變的條件下,入射波高越高,植被寬度越大,對波浪的衰減作用越大。

(2)水深、波高、周期和植物密度相同的條件下,無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,淹沒植物(植被高度20 cm)的消浪效果不及非淹沒狀態(tài)(植被高度40 cm)的消浪效果,可見,植物高度越大,波能消減效果越好。

(3)植被淹沒狀態(tài)(植被高度20 cm)下,水深為30 cm時的波能消減效果好于水深40 cm時的波能衰減效果;植物分布形式相同的情況下,植物密度越大,波能衰減效果越明顯;無論是規(guī)則波還是不規(guī)則波,在周期、植被高度、水深等不變的條件下,入射波高越高,淹沒植被對波浪的衰減作用越大。

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Energy attenuation of regular and irregular waves in rigid vegetated waters

ZHANG Ming-liang1,ZHANG Hong-xing1,XU Hong-yin1,LIJin2,ZHAO Kai-bin1,QIAO Hui-ting1
(1.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Yuanyanggou National Ocean Park,Panjin 124010,China)

A physicalmodel experiment was carried out to investigate energy attenuation of regular and irregular waves including differentwave heights,wave periods,water depths,and vegetation heights and densities over the rigid vegetation waters before a sloping beach to understand the dissipation effect of wetland plants on near shore waves.The results showed that thewave heightwas found to be gradually decayed significantly in the vegetation ar-ea,with wave attenuation rate of 29.8%in regular wave and 31.4%in irregular wave.The attenuation rate was 41.3%,37.3%,and 31.3%for irregularwave and 35%,30.8%and 26.1%for regular wave atwave height of 8,6,and 4 cm under the same plant density and wave period parameters in 40 cm height rigid plants,respective-ly.Themore significant effect of wave attenuation was observed as the wave height of incidentwave was increased for both regular wave and irregular wave.Thewave height attenuation rate was 32.3%and 21.0%at rigid vegeta-tion height of40 cm and 20 cm(irregularwave,T=1.2 s,H1=6 cm,h=30 cm),respectively,the taller vegeta-tion height leading to the larger wave attenuation as well.Under the same parameters,the wave attenuation rates were 14.6%and 9.9%atwater depth of 30 cm and 40 cm(H1=40 cm,T=1.0 s,VH=20 cm),respectively. There was higher wave attenuation atwater depth of 30 cm than that atwater depth of40 cm,indicating thatwave energy attenuation was declined with the increase in water depth.The findings provide reference with research on relationship between rigid vegetation and wave in a wetland.

regular wave;irregular wave;wave propagation;rigid plant;wave attenuation

P753

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.03.018

2095-1388(2017)03-0369-04

2016-07-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51579030);遼寧省自然科學(xué)基金優(yōu)秀人才培育項目(2014020148);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才成長計劃項目(LJQ2013077);水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室開放基金資助項目(SKHL1517)

張明亮(1976—),男,博士,副教授。E-mail:zhmliang_mail@126.com