侵蝕浪條件下沉水植被對沙壩-潟湖海岸的沖淤影響研究

叢新, 匡翠萍, 武云龍, 夏子龍

同濟(jì)大學(xué), 上海 200092

潟湖海岸是地球上最具生產(chǎn)力和價值的生態(tài)系統(tǒng)之一, 而全球氣候變化正對海岸帶基礎(chǔ)設(shè)施等產(chǎn)生顯著影響(Hanley et al, 2020)。我國發(fā)展改革委和自然資源部2020 年發(fā)布的《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035 年)》中, 明確提出對典型海岸生態(tài)類型系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)。處于受侵蝕海岸前沿的植被是一種天然的海岸生態(tài)防護(hù)形式, 它在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用, 且與硬防護(hù)工程相比具有明顯的經(jīng)濟(jì)性(Morris et al, 2018), 但人們對海岸生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的生境適宜性及其動力地貌響應(yīng)的了解還十分匱乏, 因此植被對海岸動力地貌影響機(jī)制的研究變得十分迫切。

植被-波浪相互作用在波能衰減和海岸侵蝕中起著重要作用。眾多學(xué)者使用木棒或塑料棒(套管、薄片、纖維等)等材料模擬出不同植株部分的形態(tài)特征, 通過物理模型試驗, 發(fā)現(xiàn)莖密度、莖長與水深之比、柔性有效葉片長度等特征參數(shù)都對波浪衰減具有重要影響(Anderson et al, 2014; Lei et al, 2019)。為了綜合考慮植物布置特征, 蔣昌波等(2017)將植物排布方式及植被密度統(tǒng)一為1 個參數(shù)——植物綜合系數(shù), 并研究了規(guī)則波作用下植被對岸灘沖淤演變特征的影響。但是, 模擬植物始終不能全面反映真實植物特征, 因此活體植物也成為了關(guān)注點之一。研究發(fā)現(xiàn), 植被密度和生物量、植物柔韌性與高度、波浪條件和水深都是影響植被-波浪相互作用的重要因素(Maza et al, 2015; Rupprecht et al, 2017)。另外, 潮流作用也不可忽視, 植物可降低布置區(qū)域的流速, 增加冠層頂部以下的紊動強(qiáng)度(Wang et al, 2016)。

為了捕捉與海岸風(fēng)暴影響相關(guān)的一系列形態(tài)動力學(xué)過程, Sallenger (2000)提出了4 種風(fēng)暴影響模式(沖流、擊岸、越流和淹沒), 這些模式已被作為風(fēng)暴對海岸線影響的標(biāo)準(zhǔn)衡量方法(Jackson et al, 2020)?；谶@4 種風(fēng)暴影響模式, 眾多學(xué)者就植被對海岸沙丘侵蝕和穩(wěn)定的影響進(jìn)行了研究?？傮w來看, 在不同風(fēng)暴、剖面和侵蝕模式下, 植被總能減少海岸沙丘的凈侵蝕(Silva et al, 2016), 并在初始沖流和擊岸模式(Odériz et al, 2020)中發(fā)揮較好的作用。

目前的研究多集中在植被-波浪相互作用上, 植被對海岸系統(tǒng)侵蝕影響的研究相對較少, 且不同動力地貌環(huán)境(剖面結(jié)構(gòu)、波浪條件、泥沙特征等)與不同植被特征(密度、分布、根、莖、葉等)之間的相互作用機(jī)制仍缺乏深入探討。本文將基于極具社會生態(tài)價值且目前研究極為稀少的典型潟湖海岸——沙壩-潟湖系統(tǒng), 考慮侵蝕浪條件, 采用動床水槽試驗的方法, 研究沉水植被對該系統(tǒng)泥沙輸運的影響。

1 研究方法

本次動床試驗在同濟(jì)大學(xué)水利港口工程實驗室的波浪水槽(長50m, 寬0.8m, 高1.2m)中進(jìn)行。試驗布置如圖1 所示, 沙壩長1m、高0.48m, 所有坡度均設(shè)置為1∶2, 海岸前丘后側(cè)采用高0.8m 的PP 板支撐。波浪數(shù)據(jù)由7 臺電容式浪高儀(W1—W7)及4 臺聲波式浪高儀(Wa—Wd)測得, 測量時首先需要調(diào)零(以靜水面為零刻度), 采樣頻率均為50Hz, 具體浪高儀布置位置已在圖1 中標(biāo)出。試驗過程由3 臺單反相機(jī)記錄, 分別架設(shè)在沙壩、潟 湖及海岸前丘附近。植被布置范圍為距壩頂水平距離0.68m 的壩前坡。試驗數(shù)據(jù)處理過程中, 皆按照以下坐標(biāo)系: 橫坐標(biāo)x以W1 位置為零刻度, 縱坐標(biāo)z以水槽底為零刻度。

定義侵蝕浪為原型研究區(qū)域秦皇島七里海波浪測站的全年數(shù)據(jù)中前 10%有效波高范圍內(nèi)的特征值。采用2019 年4 月至12 月的浮標(biāo)測站波浪數(shù)據(jù), 統(tǒng)計分析后得到有效波高大于1.0m 的時刻約占總數(shù)據(jù)量的9%, 選取了實際特征有效波高1.3m和1.6m。考慮侵蝕浪及試驗設(shè)備條件, 并利用局部擬合法, 結(jié)合動力相似(弗勞德數(shù)相等)、泥沙起動相似(希爾茲數(shù)相等)與沉降相似(羅斯數(shù)相等)理論(尹碩 等, 2017; Ma et al, 2020), 確定幾何比尺lλ、相對密度比尺λs1-、粒徑比尺Dλ及沉速比尺ωλ間需滿足如下式(1)和式(2)的關(guān)系, 最終確定試驗比尺為 1∶10。試驗入射波高(即輸入波高, 定義為IWH)設(shè)置為0.13m 和0.16m, 分別對應(yīng)實際波高1.3m 和1.6m。海岸系統(tǒng)模型由輕質(zhì)樹脂砂堆置而成, 其 中 值 粒 徑 為 0.15～0.18mm, 密 度 為1.40～1.45g·cm-3, 對應(yīng)原型中值粒徑約為0.11mm。

式中:l為幾何長度;s為砂粒相對密度;D為泥沙粒徑;ω為泥沙沉速。

考慮有無植被情況, 水深設(shè)置為0.48m, 共設(shè)計實施了 4 種工況(見表 1)。入射不規(guī)則波采用JONSWAP 譜生成, 空槽情況下湊譜(湊譜位置為W0 處, 電容式浪高儀)得到的理論靶譜及4 種工況下W1 位置處得到的波譜如圖2 所示。由圖可見, 布置沙壩及植被后, 由于該系統(tǒng)的反射作用及試驗過程中其形態(tài)上的時變特征等因素影響, 譜峰被削弱, 高頻域增大(T1—T4), 植被則促使譜峰進(jìn)一步略微削弱(T2、T4), 但此現(xiàn)象對該處的有效波高基本未產(chǎn)生影響。

表1 工況設(shè)計 Tab. 1 Design of experimental tests

沉水植物采用有機(jī)玻璃管和光纖制成,模擬葉片(光纖)直徑為0.5mm, 長5cm, 每8 根光纖通過皮套捆綁作為一株植物固定在有機(jī)玻璃管中(圖3a)。按照密度為2500 株·m-2、每株間隔2cm的矩形布置形式(圖 3b)安插固定在沙壩底部預(yù)制的PP 塑料板上,埋砂后只露出光纖部分,圖3c 為沖刷后的植被形態(tài),具體的布置過程參照了黃光瑋等(2021)的發(fā)明專利。由于塑料板水平放置在沙壩前坡下方,板上砂層厚度不一,因此根據(jù)砂層厚度設(shè)計了不同有機(jī)玻璃管長度的植株。

本文基于MATLAB 完成所有數(shù)據(jù)處理, 有效波高H1/3采用波面的統(tǒng)計特征與波譜的關(guān)系求得, 首先對波浪時間序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 即用原始時間序列減去移動平均后的時間序列, 移動平均函數(shù)中滑動窗口參數(shù)值取為一個波周期內(nèi)的采樣點數(shù), 再通過快速傅里葉變換方法得到波浪譜, 最后利用波譜對原點的零階矩m0計算有效波高H1/3=4.004m01/2(邱大洪, 2011)。波浪反射系數(shù)根據(jù)Goda 等(1976)提出的方法分離入射和反射波高(基于W2 和W3 處 的波浪數(shù)據(jù))后求出。根據(jù)入射波和反射波各組成波的振幅ai(m)和ar(m), 可求得波浪反射系數(shù)Kr:

式中:M為樣本總數(shù)的一半;m為各樣本編號。

入射波高Hi(進(jìn)入沙壩-潟湖系統(tǒng)時的計算波高, 與IWH 不同)和反射波高Hr可由Kr和實測的合成波高Hs(W2 和W3 位置處的波高均值)算得:

透射波高Ht采用W5 處的波浪數(shù)據(jù), 透射系數(shù)Kt由式Kt=Ht/Hi計算得到。耗散系數(shù)Kd代表能量損失, 可根據(jù)能量守恒定律計算得到(Yin et al, 2016):

剖面變化及輸沙量的計算均通過圖像像素分析方法得到。首先截取并校正視頻中特征時刻對應(yīng)的輪廓形態(tài)圖像, 然后使用紅色單像素點將每幅圖片的沙壩-潟湖系統(tǒng)剖面形態(tài)輪廓描繪出來, 使用MATLAB 提取紅色單像素點坐標(biāo), 將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實際坐標(biāo)系, 即可得到剖面形態(tài)的變化特征。通過計算剖面形態(tài)與初始形態(tài)所包圍的面積, 即可得到單寬輸沙量的變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 波浪傳播特征

通過將波面的統(tǒng)計特征與波譜聯(lián)系起來, 利用波譜的原點零階矩求得各工況有效波高的沿程變化, 如圖4 所示。從圖中可以看出, 波高經(jīng)過沙壩前后總體表現(xiàn)出先略減小后增大, 緊接著急劇減小的趨勢。種植沉水植被后, 沙壩前坡的波高增大幅度明顯降低, 以Wa 處數(shù)據(jù)為基準(zhǔn), 植被影響下的波高衰減百分比分別為9.34% (IWH=0.13m)、7.81% (IWH=0.16m)。經(jīng)過沙壩后, 植被明顯使波高進(jìn)一步削弱, 以W5 處數(shù)據(jù)為基準(zhǔn), 植被影響下的波高衰減百分比分別為20.33% (IWH=0.13m)、10.11%(IWH=0.16m)?？傮w來說, 入射波高較小時, 植被對波高衰減貢獻(xiàn)更多, 即植被的消浪效率更大。

表2 為各工況下波浪的反射系數(shù)、透射系數(shù)及耗散系數(shù), 整體表現(xiàn)為反射系數(shù)Kr＜透射系數(shù)Kt＜耗散系數(shù)Kd。植被作用使反射系數(shù)和透射系數(shù)減小, 耗散系數(shù)增大。耗散系數(shù)增大的百分比分別為8.33%(IWH=0.13m)、7.50%(IWH=0.16m), 這與植被造成的波高衰減結(jié)果一致; 反射系數(shù)減小的百分比分別為21.43%(IWH=0.13m)、19.44%(IWH=0.16m); 透射系數(shù)減小的百分比分別為 21.74%(IWH= 0.13m)、12.50%(IWH=0.16m)。

表2 不同工況下波浪的反射、透射和耗散系數(shù) Tab. 2 Wave reflection, transmission and dissipation coefficients

2.2 沙壩-潟湖系統(tǒng)剖面變化特征

從試驗過程視頻中截取特征時刻(均選取8192個采樣點對應(yīng)時刻, 約164s)的剖面形態(tài)圖像, 并提取坐標(biāo)信息, 得到如圖 5 所示的沙壩(x=6.88～ 9.60m) 、潟 湖(x=9.60～11.44m)及海岸前丘(x=11.44～ 12.74m)的剖面變化特征?？傮w來看, 沙壩壩頂沖刷較明顯, 潟湖內(nèi)呈淤積趨勢, 海岸前丘受波浪沖刷形成陡坎。同等條件下波高較大時, 沙壩侵蝕較多, 潟湖內(nèi)淤積較多且陡坎侵蝕厚度較大。沉水植被總體上可減少沙壩侵蝕, 減少潟 湖內(nèi)淤積以及陡坎侵蝕厚度。但在沙壩前坡坡肩處出現(xiàn)了植被造成沖刷厚度略有增大的現(xiàn)象, 這是由試驗設(shè)計的模型效應(yīng)造成的: 沖刷后模擬植被下的有機(jī)玻璃管出露, 產(chǎn)生局部較強(qiáng)的水流紊動現(xiàn)象, 且隨著出露高度變大, 有機(jī)玻璃管隨波浪擺動幅度增大, 泥沙較易起動。但是, 這種沖刷增大的結(jié)果, 與邊緣區(qū)域植物由于較強(qiáng)波浪持續(xù)作用而“連根拔起”時產(chǎn)生的局部較大沖刷的結(jié)論一致(Feagin et al, 2019)。 為了定量分析植被對沙壩-潟湖系統(tǒng)剖面變化的影響, 分別求得沙壩、 潟湖及前丘區(qū)域的最大淤積厚度和最大沖刷厚度, 如表3 所示。植被影響下沙壩上的最大淤積厚度(沙壩前坡壩趾處)增大, 這說明沉水植被具有促淤的功能, 而在 潟湖及前丘范圍內(nèi), 植被使入射波高為0.13m 時的最大淤積厚度減小, 入射波高為0.16m 時的最大淤積厚度基本不變。 潟湖內(nèi)總是表現(xiàn)為淤積, 無侵蝕區(qū)域。植被作用下, 沙壩和前丘區(qū)域的最大侵蝕厚度均減小, 當(dāng)入射波高為0.13m 時, 沙壩、前丘的最大侵蝕厚度減小值分別為1.09cm(減小了7.96%)和1.62cm(減小了10.95%); 當(dāng)入射波高為0.16m 時, 減小值分別為1.85cm(減小了11.12%)和1.40cm(減小了9.16%)?？梢钥闯? 波高為0.13m 時, 植被作用對減少前丘最大侵蝕厚度的效率較高, 這與耗散系數(shù)在0.13m波高時增大的百分比較大及波能耗散較多相一致; 波高為0.16m 時, 植被對減少沙壩最大侵蝕厚度的效率較高, 這主要是因為植被造成其邊緣區(qū)域在IWH=0.16m 時沖刷更明顯, 使泥沙落淤在植被后側(cè)區(qū)域, 造成侵蝕厚度減小較多。

表3 最大淤積厚度和最大侵蝕厚度 Tab. 3 Maximum deposition thickness and maximum erosion thickness

2.3 沙壩-潟湖系統(tǒng)輸沙量變化特征

輸沙量變化對沙壩-潟湖系統(tǒng)的地貌演變具有重要意義, 本文以提取出的剖面形態(tài)為基礎(chǔ), 求出典型時刻沙壩、潟湖及前丘剖面與初始剖面形態(tài)所圍成的面積, 區(qū)分沖刷和淤積, 定義該面積數(shù)值為單寬輸沙量(單位: cm3·cm-1), 以此值表示系統(tǒng)輸沙特征。其中, 侵蝕量和淤積量都為正值, 表示僅包含侵蝕或淤積的輸沙量大小。凈輸沙量則區(qū)分正負(fù), 表示該區(qū)域淤積量與侵蝕量的差值(凈輸沙量=淤積量-侵蝕量), 正值代表淤積, 又叫凈淤積量; 負(fù)值則代表沖刷, 其絕對值稱為凈侵蝕量?？傒斏沉恳矃^(qū)分正負(fù), 表示整個系統(tǒng)的淤積量與侵蝕量之差, 由于沙壩-潟湖系統(tǒng)的總輸沙量皆為負(fù)值, 表現(xiàn)為沖刷, 因此下文中使用離岸輸沙量來表示總沖刷量的大小。

經(jīng)計算, 各區(qū)域單寬輸沙量結(jié)果如表4 所示。當(dāng)入射波高為0.13m 時, 整個系統(tǒng)的淤積量、侵蝕量、凈侵蝕量、凈淤積量及離岸輸沙量都在植被的影響下有所減小, 其中前丘凈侵蝕量減小的百分比最大, 達(dá)45.52%, 侵蝕量減小的百分比也較大, 為32.94%。當(dāng)入射波高為0.16m 時, 除淤積量外, 其他量值均表現(xiàn)為不同程度的減小, 且淤積量在前丘區(qū)域增大較明顯, 前丘區(qū)域凈侵蝕量減少的百分比較大, 達(dá)37.99%, 但仍較波高為0.13m 時效率低, 這是由于波高為0.13m 時的波浪衰減百分比較高。離岸輸沙量減少的百分比分別為 19.96%(IWH= 0.13m)、12.23%(IWH=0.16m)。整體來看, 植被可減少沙壩凈侵蝕量、 潟湖內(nèi)淤積速率及離岸輸沙量, 因此對海岸前丘有較好的保護(hù)作用。

表4 沙壩-潟湖系統(tǒng)各區(qū)域單寬輸沙量 Tab. 4 Sediment transporting load per unit width in the sandbar-lagoon system

2.4 討論

本文針對沉水植被對沙壩-潟湖系統(tǒng)泥沙輸運的影響開展了試驗研究, 以秦皇島七里海沙壩-潟湖為原型, 基于動力相似、泥沙起動和沉降相似條件, 根據(jù)原型研究區(qū)的砂質(zhì)中值粒徑, 按照相似條件計算得到試驗?zāi)Ｐ偷纳傲?。限于波浪水槽條件, 僅能產(chǎn)生單向波, 無法考慮波浪入射角度。本試驗研究主要考慮了不同波高的影響, 而植被本身特征以及其他水沙動力條件等因素的變化可能都會對試驗 產(chǎn)生影響。例如, 對于竹棒模擬的挺水植物, 考慮了壩頂和壩坡組合布置情況, 總體表現(xiàn)為植被密度越大, 波浪衰減越大(Kuang et al, 2021); 對于以富貴竹作為挺水植被布置在壩頂?shù)那闆r而言, 水深對波譜形態(tài)產(chǎn)生影響, 尤其是水深較大時, 產(chǎn)生除主頻外的另一較明顯高頻譜峰, 且植被對海岸沙丘的保護(hù)效率比水深較小時減弱(Cong et al, 2021)。

為了在有限范圍內(nèi)更好地使用單反相機(jī)捕捉剖面變化, 試驗僅根據(jù)泥沙水下休止角選擇了較大坡度, 這樣可使波浪作用下沙壩剖面向平衡狀態(tài)發(fā)展更快, 沖淤更明顯, 從而減小了測量沖淤的誤差。泥沙粒徑、波陡及坡度間有著復(fù)雜的關(guān)系, 董鳳午(1981)曾提出平衡狀態(tài)下一個適用于原型、模型及水槽試驗的岸灘坡度的經(jīng)驗關(guān)系式, 但該關(guān)系式僅適用于長時間下的平衡狀態(tài), 而不適用于本文的短周期波浪作用。因此, 研究短周期波浪作用下砂質(zhì)粒徑、岸坡與波浪之間的變化過程及相互關(guān)系也是未來的一個研究方向。

潮流在沙壩-潟湖系統(tǒng)中是一個重要的動力因素, 但實驗室水槽需通過水流循環(huán)系統(tǒng)造流, 而沙壩-潟湖海岸系統(tǒng)中沙壩阻擋了水流的通過, 也就是在水槽中無法實現(xiàn)波流耦合, 但這可以通過港池試驗來實現(xiàn)。因此, 針對復(fù)雜的沙壩-潟湖海岸系統(tǒng), 今后的研究需要通過水槽動床和定床試驗、港池動床試驗和數(shù)學(xué)模型多手段相結(jié)合, 綜合考慮潮流和波浪動力條件、泥沙和岸灘特征及植被分布特征, 系統(tǒng)地探究沙壩-潟湖海岸的沖淤機(jī)理。

3 結(jié)論

本文通過設(shè)計實施物理模型動床水槽試驗, 基 于沙壩-潟湖系統(tǒng)的海岸剖面形態(tài), 研究了侵蝕浪條件下沉水植被對該系統(tǒng)海岸沖淤的影響, 主要得到以下幾點結(jié)論:

1) 沉水植被明顯削弱了沙壩前坡波浪破碎區(qū)前緣的波高增大幅度, 植被影響下的波高衰減百分比分別為9.34%(IWH=0.13m)、7.81%(IWH=0.16m); 經(jīng)過沙壩后, 植被也造成明顯的波高衰減, 衰減百分比分別為 20.33%(IWH=0.13m)、10.11%(IWH= 0.16m), 表明植被對IWH=0.13m 時的波高影響效率較高。

2) 植被作用使反射系數(shù)和透射系數(shù)減小, 耗散系數(shù)增大, 其中耗散系數(shù)增大百分比分別為8.33%(IWH=0.13m)、7.50%(IWH=0.16m), 與波高衰減百分比特征一致。

3) 波浪作用下, 沙壩壩頂沖刷較明顯, 潟湖內(nèi)則呈淤積趨勢, 海岸前丘受波浪沖刷而形成陡坎。植被影響下沙壩和前丘區(qū)域的最大侵蝕厚度均減小, 其中波高為 0.13m 時, 波能在沙壩處耗散較多, 植被作用對減少前丘最大侵蝕厚度的效率較高; 波高為 0.16m 時, 由于植被邊緣區(qū)域沖刷增多, 以及被沖刷的泥沙落淤到壩頂受侵蝕較強(qiáng)處, 故植被作用對減少沙壩最大侵蝕厚度的效率較高。

4) 植被可減少沙壩的凈侵蝕量、 潟湖內(nèi)淤積量及離岸輸沙量, 對海岸前丘有較好的保護(hù)作用。由于植被作用下的波高衰減和波能耗散, 海岸前丘凈侵蝕量減小的百分比分別達(dá) 45.52%(IWH= 0.13m)、37.99%(IWH=0.16m); 離岸輸沙量減少的百分比分別為19.96%(IWH=0.13m)、12.23% (IWH =0.16m)。