水深與剛性植被高度的相對(duì)關(guān)系對(duì)防浪林消浪效果的影響

孫 飚，董增川，韋一鳴，周月嬌，王詩韻，任 杰

(1.河海大學(xué)，南京 210098；2.中共綏化市委，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

近年來，植被消浪技術(shù)在江河湖泊的堤防護(hù)岸工程營造中得到了廣泛應(yīng)用。防浪林作為堤防前抵御風(fēng)浪的一道屏障，不僅可以獲得削減波浪保護(hù)堤防的技術(shù)效果，還可以改善濱岸帶生態(tài)環(huán)境以及區(qū)域小氣候，為流域內(nèi)動(dòng)植物提供優(yōu)良的生存環(huán)境，從而增強(qiáng)濱岸帶局部生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研究識(shí)別植被對(duì)波浪的影響機(jī)理成為了近年來國內(nèi)外專家學(xué)者們一直關(guān)注的熱點(diǎn)。

對(duì)植被消浪機(jī)理的研究手段主要包括現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)等方面。Yoshihiro Mazda(2006)[1]通過對(duì)越南北部文泉灣海岸的實(shí)地觀測(cè)，定量分析了一種紅樹林在阻力作用下的減浪特性。Moller(2006)[2]對(duì)英國東海岸鹽沼進(jìn)行了觀測(cè)，研究了水動(dòng)力控制和植被密度及類型在引起大潮汐鹽沼上入射波衰減中的相對(duì)作用。然而考慮到植被消浪的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)需要在同一地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)所帶來的高額成本問題以及復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)波浪條件和制備特征，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究的開展具有一定的局限性。Tomohiro Suzuki(2012)[3]通過在全譜swan模型中實(shí)現(xiàn)Mendez and Losada公式，描述了植被場(chǎng)上的波耗散，并對(duì)植被的垂直層模式進(jìn)行了擴(kuò)展。Y.P.Zhao(2014)[4]基于有限體積法，采用運(yùn)動(dòng)邊界作為波浪發(fā)生器，建立了二維數(shù)值波浪水槽，利用流體體積法(VOF)對(duì)波面進(jìn)行跟蹤，通過與理論結(jié)果的比較，驗(yàn)證了數(shù)值波浪水槽的精度。Marsooli，Reza(2014)[5]采用有限體積法對(duì)植被對(duì)波浪的衰減進(jìn)行了數(shù)值研究。植被消波的數(shù)值模擬往往受限于紊流模型的精度、計(jì)算網(wǎng)格的尺度和計(jì)算量等因素，使得現(xiàn)有的數(shù)值模型難以對(duì)植物與波浪的相互作用過程進(jìn)行有效模擬，存在一定的局限性。在物理實(shí)驗(yàn)中，通常把植被分為剛性植被和柔性植被，剛性植被主要包括熱帶紅樹林海域和河流兩岸灘地的水生喬木[6]，柔性植被主要包括互花米草，大米草等草本植物[7-8]。 在最初的物理模型試驗(yàn)研究中，學(xué)者們傾向于將剛性植被和柔性植被均概化為剛性圓柱進(jìn)而揭示植物消波機(jī)制，而事實(shí)上，柔性植被的消波機(jī)制更為復(fù)雜，一般而言，同種情況下柔性植被較剛性植被的消波能力更弱[9，10]。因此。目前在河流堤防前主要種植以楊樹和柳樹為主的剛性防浪林，實(shí)驗(yàn)研究也主要針對(duì)剛性防浪林的消波機(jī)制。通過對(duì)剛性植被干部和冠部消波的模擬，發(fā)現(xiàn)剛性植被的消波機(jī)制依賴于植物的幾何特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及剛度[6]。

對(duì)于剛性植被，其結(jié)構(gòu)特征的主要參數(shù)包括冠部和干部的特征(如高度，半徑和剛度)、植物分布密度和植被的排列方式等。對(duì)植被的冠部研究通常在密度較小時(shí)將其視為大糙率的摩阻耗散層來表達(dá)冠部消波作用[11]，在密度較大時(shí)，將其視為形阻耗散效應(yīng)[12]。植物分布密度表征了單位面積上植物對(duì)波浪水體的阻水面積大小。Augustin(2009)[13]和 Ozeren(2010)[7]的研究表明，在水平方向上植物分布密度越大，植被的消浪效果越好。植被密度的變化不僅體現(xiàn)在水平方向上還體現(xiàn)在垂直方向上，在垂直方向上，分布密度的變化主要體現(xiàn)在植物間的垂直高度差的變化。此外，植被的排列方式對(duì)植被的消浪效果也具有一定的影響，目前對(duì)齊分布、交錯(cuò)分布和隨機(jī)分布是主要的三種排列形式。在構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，學(xué)者們往往力求依據(jù)植被的實(shí)際特征，采用人工植物或原生植物作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚14]，但如何量化植物的幾何特征以及形態(tài)結(jié)構(gòu)卻是此類模型的難點(diǎn)所在。在試驗(yàn)的布置形式上，主要是根據(jù)研究需要來設(shè)計(jì)，主要包括平底型[15]和斜坡型[16]。此外，根據(jù)現(xiàn)階段的研究經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中植物帶內(nèi)部應(yīng)至少布置3個(gè)浪高儀，一方面可用來分析沿程波衰減規(guī)律，另一方面為數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證提供依據(jù)。

然而植被消浪特性不僅依賴于植被特性還同時(shí)依賴于入射波要素，包括水深、波高和波周期。綜合考慮植被特征和水深對(duì)植被消波的影響，Nepf(2000)[17]提出了植物淹沒度的定義，由于植被的幾何特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)在水深方向上并不一致，導(dǎo)致植物在不同淹沒度時(shí)其消波效果不同[18]，這說明剛性植被的高度與水深的相對(duì)關(guān)系是影響植被消浪效果的重要因素，本研究根據(jù)樹干高度、樹冠高度與水深的相對(duì)關(guān)系構(gòu)建物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?，定義防浪林的相對(duì)水深，從而探究植被高度與水深的相對(duì)關(guān)系對(duì)剛性防浪林消浪效果的影響規(guī)律，討論了相對(duì)水深在防浪林工程設(shè)計(jì)規(guī)劃中的參考意義。

1 研究區(qū)概況

老龍口堤自巴彥花南的山崗至烏拉爾基崗，長(zhǎng)1.21km，老龍口河段的河底地形較平坦，水面寬闊，水位變幅大，其中0+200斷面20a一遇水深為2.53m，50a一遇灘地平均水深達(dá)3m,100a一遇灘地平均水深達(dá)3.53m。其水面寬度為10-15km，現(xiàn)狀防浪林種植于底腳前10m處，沿堤線方向長(zhǎng)1km，垂直于堤線方向的種植寬度為40m。根據(jù)堤防超高計(jì)算成果的要求，考慮到0+200段堤防所處位置風(fēng)浪較大，需要對(duì)該段堤防新建防浪林。為了便于比較植被在不同水深條件下消浪效果的差異，選取水位變幅大的老龍口堤防作為研究區(qū)域，研究區(qū)概化圖如圖1所示。

圖1 老龍口堤防示意圖

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過前人對(duì)數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和理論研究的分析可知，剛性植被的消波特性不僅與植物特征有關(guān)，同時(shí)依賴于水深和波要素條件。植被帶寬度、植被排列方式、植被種植密度、植被高度以及水深等均是影響剛性防浪林消浪效果的主要因素。而對(duì)于水位季節(jié)性變化較大的河流，植被垂向高度分布的影響則尤為重要。因此，在防浪林設(shè)計(jì)規(guī)劃中，應(yīng)當(dāng)綜合考慮植被高度和水深的相對(duì)關(guān)系對(duì)植被消波的影響。

2.1 理論基礎(chǔ)

Kobayashi指出，波浪在植物帶中傳播時(shí)，在植物作用下波能將發(fā)生衰減。在線性波理論前提下，利用水平及垂直方向動(dòng)量方程捕捉植物帶中波浪自由液面為：

(1)

式中：H0為x=0處波高；kv為波能衰減系數(shù)；k為波數(shù)；σ為角頻率。假設(shè)微幅波在x方向上以相速在植物帶中傳播(c=σ/k)，實(shí)際波高分布將滿足式(2)：

H=H0exp(-kvx)

(2)

波能衰減系數(shù)kv常用來表示植被的消浪效果，若取整段植被帶作為研究對(duì)象，一般將H取為植被帶末端波高。先前研究中多以消浪系數(shù)α來表示防浪林的消浪效果，即：

(3)

相較于消浪系數(shù)σ，波能衰減系數(shù)kv還考慮了植被帶長(zhǎng)度的影響，因而采用kv來表示剛性防浪林的消浪效果更加全面。

為了綜合系統(tǒng)研究植被高度和水深對(duì)植物消浪的影響，Nepf和Vivoni提出了植被淹沒度的定義，即：

(4)

由于植物的幾何特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)在水深方向上并不一致，植物在不同淹沒度時(shí)的消浪效果具有明顯差異，剛性植被通常包含樹干和樹冠兩部分作為主要的消浪結(jié)構(gòu)，為了深入剖析水深與剛性植被高度的相對(duì)關(guān)系，在淹沒度的基礎(chǔ)上，定義剛性防浪林植被的相對(duì)水深τ，即為水深與剛性植被高度的比值。

(5)

式中：τ為相對(duì)水深；hw為水深；hv為植被高度。

hv=ht+hc

(6)

式中：hv為植被高度；ht為樹干高度；hc為樹冠高度。

即有：

(7)

文章在上述理論分析的基礎(chǔ)上借助Kobayashi經(jīng)驗(yàn)公式(2)結(jié)合試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)求得波能衰減系數(shù)kv，并建立其與相對(duì)水深τ的變化關(guān)系曲線，分析相對(duì)水深對(duì)剛性防浪林消浪效果的影響規(guī)律，進(jìn)而討論相對(duì)水深在防浪林設(shè)計(jì)規(guī)劃中的的工程參考意義。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)浪流實(shí)驗(yàn)水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽尺寸為78m×0.5m×0.8m(長(zhǎng)×寬×高)，如圖2和圖3所示。考慮重力相似和幾何相似準(zhǔn)則，結(jié)合前人對(duì)植被消浪的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面和模型樹。綜合考慮試驗(yàn)斷面尺寸、制備尺寸以及造波機(jī)和實(shí)驗(yàn)水槽的性能要求，設(shè)計(jì)模型的幾何比尺為1：10。老龍口斷面現(xiàn)狀防浪林栽種的主要為楊樹，考慮到東北地區(qū)的氣候和水土條件，楊樹為適宜的防浪林植被物種。本研究根據(jù)楊樹的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)模型樹。楊樹樹枝有長(zhǎng)、短枝之分，一般呈圓柱狀或具棱線，葉片多為卵圓形、卵圓狀披針形或三角狀卵形，齒狀緣；葉柄長(zhǎng)。因此文章采用圓形木棒模擬防浪林剛性植物的樹干，聚乙烯仿真枝模擬不同長(zhǎng)度的枝干，聚乙烯仿真樹葉模擬植被的樹葉，裁剪為卵圓形、卵圓狀披針形或三角狀卵形，隨機(jī)分布于長(zhǎng)短枝干上，模型樹底部鉆孔采用硬質(zhì)塑料板固定于水槽中，以保證波浪作用下植物根部的穩(wěn)定，模型樹如圖4所示。

圖2 試驗(yàn)布置示意圖

圖3 試驗(yàn)布置實(shí)景圖

圖4 植被模型實(shí)景圖

通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，老龍口研究斷面灘地寬度較短，剛性防浪林種植寬度一般在20-40m，植被高度一般在3-6m，因此選取試驗(yàn)?zāi)M防浪林林帶寬度為40m，設(shè)計(jì)剛性模型樹分三種樹型：小樹、中樹和大樹，排列方式選為等邊三角形排列，種植密度為17株/m2。植被帶排列如圖5所示。依據(jù)嫩江干流老龍口斷面多年一遇水位及波浪要素值的推算結(jié)果，得出研究區(qū)波浪周期在2-4s之間，平均波高在0.1-0.6m之間。因此在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)入射波的周期均設(shè)為2.0s，設(shè)計(jì)模型來水水深從0.14m開始，滿足水深hw,t=0.14+0.005i，(i=0,1,2,…,91)，共92組來水水深條件。試驗(yàn)水深在0.14-0.25m時(shí)，入射波高為0.04m，試驗(yàn)水深在0.25-0.35m時(shí)，入射波高為0.05m，試驗(yàn)水深在0.35-0.45m時(shí)，入射波高為0.55m，試驗(yàn)水深在0.45-0.58m時(shí)，入射波高為0.06m。在無植被試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行三種樹型在不同相對(duì)水深條件下的防浪林消浪試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)如表1所示。

圖5 植被帶排列示意圖

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

續(xù)表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

試驗(yàn)首先放置植被模型，隨后對(duì)造波機(jī)預(yù)熱，保證造波機(jī)性能穩(wěn)定，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保浪高儀性能良好。然后調(diào)整水槽中水位至試驗(yàn)水位，待水面平靜后開始造波，測(cè)量波面時(shí)間序列。波高測(cè)量采用YWS200-XX型數(shù)字浪高儀，浪高儀連接水工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(DJ800型)，數(shù)據(jù)采樣頻率為100Hz。

3 結(jié)果與分析討論

通過防浪林前后架設(shè)的波高儀測(cè)量防浪林前實(shí)際的入射波高H0及經(jīng)植被消浪后的防浪林后波高H，計(jì)算波能衰減系數(shù)kv。每組模型對(duì)應(yīng)每一水深條件進(jìn)行兩次試驗(yàn)，波能衰減系數(shù)kv的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 老龍口斷面相對(duì)水深對(duì)剛性防浪林的消浪效果影響

3.1 相對(duì)水深對(duì)波浪衰減系數(shù)的影響分析

由圖6可知，對(duì)于樹型1(ht+hc=1.6+2.4)，當(dāng)相對(duì)水深τ≤0.40時(shí)，此時(shí)防浪林的波能衰減系數(shù)隨相對(duì)水深的增加不斷減小。直至水深逐漸增大至τ=0.40時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的水深hw=ht=1.6，此處整個(gè)植被的波能衰減系數(shù)發(fā)生突變，出現(xiàn)臨界值即最大值。當(dāng)水深繼續(xù)增加，即0.4<τ<1，對(duì)應(yīng)水深為1.61時(shí)，對(duì)應(yīng)水深滿足hw>4.0，此時(shí)隨著相對(duì)水深增大，防浪林的波浪衰減系數(shù)下降更為明顯。同樣地，對(duì)于樹型2和樹型3均有相似的結(jié)論。

當(dāng)水深增加至淹沒整個(gè)樹冠部分，即hw≥ht+hc，對(duì)應(yīng)的相對(duì)水深τ≥1.0時(shí)，隨著水深的增加，由于整個(gè)植被均被淹沒，樹干與樹冠部分對(duì)波浪傳播的紊動(dòng)耗散作用下降幅度增大，防浪林的波浪衰減系數(shù)隨水深的增大快速減小。

3.2 相對(duì)水深對(duì)防浪林設(shè)計(jì)的啟示

圖7 相對(duì)水深對(duì)樹型1的消浪效果影響分布

圖8 相對(duì)水深對(duì)樹型2的消浪效果影響分布

圖9 相對(duì)水深對(duì)樹型3的消浪效果影響分布

4 結(jié) 論

基于嫩江干流老龍口堤防的實(shí)際情況，對(duì)40m寬的三種樹型的剛性防浪林進(jìn)行了92組不同來水條件下的物理模型試驗(yàn)。根據(jù)Kobayashi經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了每種樹型的剛性防浪林在各種水深條件下的波浪衰減系數(shù)，定義了剛性植被的相對(duì)水深，分析了每種樹型在不同的相對(duì)水深條件下波浪衰減系數(shù)的變化規(guī)律，以及在相同相對(duì)水深下，不同樹型的波浪衰減系數(shù)變化規(guī)律，得出如下結(jié)論，可為嫩江干流老龍口堤防及其他類似河流的堤防防浪林工程規(guī)劃提供理論參考。

3)在防浪林的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，依據(jù)相對(duì)水深對(duì)波浪衰減系數(shù)的影響規(guī)律，可推求出合適高度的植被類型。即選取植被的樹干高度ht略低于設(shè)計(jì)洪水條件下標(biāo)準(zhǔn)來水水深hwp1，以保證在大部分來水條件下樹冠均能發(fā)揮消浪效果。選取更高標(biāo)準(zhǔn)洪水下的來水水深hwp2作為參照，為了滿足在特大洪水來臨時(shí)，樹冠部分仍能發(fā)揮優(yōu)良的消浪性能，則樹冠高度則應(yīng)滿足hc≥hwp2-ht，選擇合適的冠干比，則可得出樹冠的高度hc。基于此，選擇出嫩江干流老龍口堤段0+200斷面剛性植被的樹干高度ht=2.2m,樹冠高度hc=3.3m，此時(shí)τ=0.46，可以保證防浪林充分發(fā)揮樹冠部分的消浪作用，保護(hù)堤防和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

4)根據(jù)老龍口堤段0+200斷面設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和多年實(shí)際來水資料做參考，選取老龍口堤段0+200斷面剛性植被的樹干高度ht=2.2m,樹冠高度hc=3.3m，此時(shí)τ=0.46，可以保證防浪林充分發(fā)揮樹冠部分的消浪作用，保護(hù)堤防和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。