斜坡非淹沒柔性植物對船行波消減效能的試驗研究

李佳皓 拾兵 倪錦遠

摘 要：本文借助物理模型試驗，研究了船行波與斜坡上種植非淹沒柔性植物的相互作用。通過對不同植物分布密度、不同航速的組合試驗，分析了船行波經(jīng)過植物后的爬高、回落、流速的變化趨勢。經(jīng)試驗資料分析，擬合得到了植物分布密度與船行波爬高與回落的消減關(guān)系的經(jīng)驗公式，可為生態(tài)航道護岸設(shè)計提高技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：柔性植物;船行波;消波;試驗研究

中圖分類號：U617.8? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0062-03

1引言

在內(nèi)河航道或狹窄的人工運河中航行的船會形成典型的淺水船行波。船行波會造成岸坡塌損、航道淤積等一系列不利影響?，F(xiàn)有研究表明，船行波是造成岸坡破壞的最重要的因素。柔性植物的擺動效應(yīng)、壅水效應(yīng)、波能耗散效應(yīng)等能夠有效的消減船行波的能量，起到碎波、挑流等作用。

在植物消波領(lǐng)域，學者們做了大量的研究。姚宇、杜睿超等研究了斜坡上剛性植物對孤立波的爬高作用[1]。 何飛等研究了不規(guī)則波作用下植物消波特性，得出葉的消波效果明顯強于根部的試驗結(jié)論[2]。黃本勝等研究了植物護岸對大堤波浪爬高影響，指出在岸灘上種植植物可以有效消減波浪的能量保護岸坡[3]。吳迪等針對柔性植物消浪及沿程阻流特性開展物理模型試驗，分析了柔性植物的消浪及阻流特性[4]。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，在前人試驗的基礎(chǔ)上設(shè)計新試驗，充分考慮柔性植物的根、莖、葉的影響以及波浪作用下柔性植物的擺動，開展了斜坡上非淹沒柔性植物對船行波的響應(yīng)的研究。

2 理論分析

研究表明，柔性植物可以對波浪產(chǎn)生積極的響應(yīng)[5-6]。合理種植斜坡上的植物，可以起到消減波浪能量的作用。探索柔性植物對船行波爬高、回落的消減作用可以為植物生態(tài)護岸提供重要的參考。船行波水體經(jīng)過植物帶后的流速變化可以反映出柔性植物的消能作用。

式中：? ? ? —斜坡糙滲系數(shù)。m為斜坡坡度，? ?由公式（1）分析，船行波爬高主要取決于波要素、水深、岸坡糙率等。內(nèi)河航道岸坡糙率是影響船行波爬高的主要因素。相關(guān)研究表明[7]，種植植物可以有效的改變河道的糙度。

試驗探索的是柔性植物對船行波的響應(yīng)，故需要對植物消波的能力進行分析。柔性植物的消波能力受到多種因素的影響。與統(tǒng)一概化的剛性植物相比，柔性植物的消波機理比較復雜。結(jié)合已有的研究結(jié)論，本試驗采用下式分析植物消減波浪的能力[8]：

式中： 為水深;為入射波波高; 為波長;為植物樹干型心高度;為植物根部高度;為植物樹冠型心高度;為植物分布密度; 為植物群寬度。

由于自然界中岸坡柔性植物通常具有相同的排布方式和相似的根、莖、葉等部位，所以對船行波的響應(yīng)方面選擇植物分布密度為主要研究因素。試驗中使用的船模是滿足弗勞德相似的內(nèi)河航船，各種船體要素是固定的。所以試驗主要探索的是船航速對船行波的影響。

3 試驗布置

試驗采用改變主要因素、忽略次要因素的方式，探索不同的植物分布密度及航速下植物消減船行波的效能。

為考慮波浪作用下柔性植物的擺動，試驗植物是考慮根、莖、葉的比尺1：10的按照重力相似準則和剛度相似準則設(shè)計的柔軟塑料制成的柔性植物，統(tǒng)一按照均勻交錯布置。

試驗斷面按照1：10的正態(tài)比尺進行縮放，在3m×1m×0.5m（長×寬×深）的靜水船池中進行。試驗航道按照五級航道的標準建立。試驗航道底寬0.35m，長3m，邊坡坡度為1：2。試驗水深13cm。順船航行方向在航道中部斜坡上0.1m×1m（0.1㎡）的斜坡坡面上種植區(qū)均勻交錯布置植物。船邊、植物帶后設(shè)有電磁流速儀;岸坡上設(shè)置精度為0.01mm的水位測針，采用CCD高速相機和水位測針共同測量波浪的爬高。（見圖1）

4 試驗結(jié)果討論

4.1 植物分布密度與船行波相對爬高的關(guān)系

試驗中的高航速船行波初始爬高為0.030m，回落為0.054m;低航速船行波初始爬高為0.020m，回落為0.050m。

試驗所用的相對爬高、相對回落的概念定義如下：相對回落定義與相對爬高相同。

植物分布密度（單位：株/㎡）是指單位面積上的植物個數(shù)，其概念如下：

圖2、圖3分別顯示了采用1.5m/s、2m/s兩種航速條件下植物對船行爬高的響應(yīng)。根據(jù)水深弗勞德數(shù)進行計算并觀察船行波的形態(tài)，船行波為典型的淺水船行波。分析可知，隨著植物密度增加船行波的相對爬高顯著減小。在植物分布密度超過200株/㎡時，高航速船行波相對爬高的消減降低至0.5以下。在植物分布密度超過400株/㎡時，低航速船行波的相對爬高消減降低至0.5以下。爬高與植物分布密度的關(guān)系總體呈現(xiàn)線性函數(shù)圖像和性質(zhì)。運用MATLAB進行公式擬合得到

，由公式分析，低航速船行波的相對爬高函數(shù)圖像比高航速船行波的相對爬高函數(shù)圖像緩。從而可以得出結(jié)論，植物對高航速船所造成的高能量船行波的消減作用更明顯，即植物對大波的消減效果要強于對小波的消減。但植物分布密度增加到一定程度后，兩種船行波的相對爬高會逐漸接近。在植物分布密度較高時，植物對不同船行波的消減能力更加趨于一個穩(wěn)定的值，此時船行波波要素的變化對植物消減船行波的效能影響較小。

4.2 植物分布密度與船行波相對回落的關(guān)系

圖4、圖5分別反映了植物分布密度與高航速、低航速船行波相對回落之間的關(guān)系。由圖分析可以得出結(jié)論，斜坡上種植柔性植物植物對船行波在岸坡上的回落也有顯著的消減。運用MATLAB對試驗數(shù)據(jù)進行分析，可以擬合出高航速、低航速船行波的相對回落與植物分布密度函數(shù)分別為

綜合分析植物分布密度與船行波相對爬高、相對回落的關(guān)系可以得到植物分布密度與船行波相對爬高（回落）的經(jīng)驗公式：

4.3 植物分布密度與水體相對流速的關(guān)系

定義相對流速的概念：

植物分布密度的增加可以顯著消減船行波帶動的水體經(jīng)過植物的流速。植物對流速的消減非常明顯，100株/㎡的植物就可以消減一半以上的流速。總體分析可知，植物分布密度的增加會降低流速?？傮w上呈現(xiàn)出隨植物密度增加，相鄰兩個點之差的變化逐漸減緩的態(tài)勢。通過對曲線的分析，在植物分布密度400株/㎡之前，植物對高航速船行波流速的消減能力要顯著強于低航速船行波。植物分布密度到一定的值之后，兩種船行波的流速逐漸接近，說明植物分布密度對流速不再有明顯的消減。

船行波經(jīng)過植物前后流速變化的對比說明植物可以有效消減船行波的能量。合理布置植物，能夠起到有效保護岸坡，消減船行波對岸坡的淘刷、侵蝕等作用。

5? 結(jié)語

斜坡上種植植物可以有效的消減船行波。試驗通過在斜坡上種植植物的物理模型試驗，得到了斜坡上種植植物時不同植物分布密度下對船行波的不同響應(yīng)。研究表明，船行波分布密度與船行波相對爬高、回落有線性函數(shù)的關(guān)系，該公式可以為護岸的設(shè)計提供技術(shù)上的參考。同時發(fā)現(xiàn)在植物密度增加到一定程度后，再繼續(xù)增加植物密度對船行波的消減影響不明顯。該結(jié)論可以為植物護岸經(jīng)濟合理的布置植物提供參考。故通過在斜坡上種植植物，利用植物與現(xiàn)有護岸工程結(jié)合，能夠構(gòu)筑經(jīng)濟高效的生態(tài)型植物護岸，有助于我國新提出的“綠色水運”目標的實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]姚宇，杜睿超，袁萬成，蔣昌波.斜坡非淹沒剛性植被影響下孤立波爬高的研究[J].水動力學研究與進展A輯，2015，30（05）：506-515.

[2]何飛. 不規(guī)則波作用下植物消波特性實驗研究[A]. 中國海洋學會海洋工程分會.第十八屆中國海洋（岸）工程學術(shù)討論會論文集（上）[C].中國海洋學會海洋工程分會：中國海洋學會海洋工程分會，2017：5.

[3]黃本勝，吉紅香.植物護岸對大堤波浪爬高影響試驗初探[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2005（03）：43-46.

[4]吳迪，馮衛(wèi)兵，石麒琳.柔性植物消浪及沿程阻流特性試驗研究[J].人民黃河，014，36（12）：79-81+84.

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[8]何飛，陳杰，蔣昌波，趙靜.考慮根莖葉影響的剛性植物消浪特性實驗研究[J].水動力學研究與進展（A輯），2017，32（06）：770-778.