浮式植物體消浪效果的試驗研究

趙東梁1,韓梅2,喻國良1

(1. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海200240; 2. 中國環(huán)境科學研究院,北京100012)

摘要：通過大量水槽試驗,研究植物消浪裝置消浪效率與植物密度、植物帶相對寬度、波陡之間的關系,分析植物高度大于波高的前提下影響浮式植物規(guī)則波作用下消浪效率的因素。結果表明,浮式植物消浪裝置具有良好的消浪效果,在植物帶高度大于波高的前提下,植物帶密度和相對寬度是影響消浪效果的最重要因素。

關鍵詞：浮式植物帶;消浪效率;規(guī)則波;防波堤

基金項目:國家水體污染控制與治理重大科技專項(GUO100007)

作者簡介:趙東梁(1987─),男,碩士研究生,研究方向為港口海岸工程。E-mail: zhao_dongliang@126.com

中圖分類號：TV139.2

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0053-05

Abstract：By studying the connection among the efficiency of the floating vegetation wave dissipater device,the density and region width of vegetation and gradient of the wave with sufficient flume experiments,the effectiveness of floating vegetation on wave dissipation was studied and the factors that influence the efficiency of wave dissipation,under the condition of the height of vegetation being higher than the wave height and under the effect of floating vegetation regular wave,were analyzed. The results show that floating vegetation wave dissipater device works efficiently. Under the condition of the height of vegetation being higher than the wave height,the density and the relative width of the vegetation region are the most important factors that influence the wave dissipation efficiency.

收稿日期：(2014-11-08編輯：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.011

Experimental study on effectiveness of floating vegetation on wave dissipater

ZHAO Dongliang1,HAN Mei2,YU Guoliang1

(1.SchoolofNavalArchitecture,Ocean&CivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,

Shanghai200240,China;

2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

Key words： floating vegetation region; wave dissipation efficiency; regular wave; breakwater

波浪是擾動底泥,增加水體濁度,直接降低水體水質的根源,也是造成岸線、灘涂侵蝕的一個主要動力因素,近岸破碎波浪掀沙往往危及堤岸安全。波浪還是近岸帶和湖濱帶水生植物的破壞因子,大波浪不但使水生植物無法根植,而且可直接損毀已有水生植物。因此,有必要減少波浪作用,以保護湖泊水質、岸線、海濱和湖濱水生帶。

工程上常用的消浪方法有實體壩(堤)消浪、透空壩(堤、樁)消浪、植物消浪。在植物消浪方面,國內外就剛性植物和柔性植物兩方面開展了不少研究,這仍然是一個熱點課題。文獻[1]提出了一種植被地區(qū)波浪計算模型,包括對不同水深下植被地區(qū)的消波和波浪破碎的計算。M?ller[2]針對英國東海岸濕地植物發(fā)展了一種通過數(shù)字照相技術評估植物密度的方法,進而調查了大片濕地植物對孤立波波高的削減作用。Augustin等[3]利用水槽試驗和數(shù)值模擬研究了挺水和非挺水濕地植物的消浪作用。Charlotta等[4]對淺水湖泊中蘆葦?shù)南ㄐЧM行了現(xiàn)場實測和模型試驗。Kassi等[5]利用天然海濱濕地觀測數(shù)據評估剛性植物消浪模型和植物波浪耦合運動模型時,發(fā)現(xiàn)柔性植物的消浪效果是剛性植物的一半;模型必須選擇合適的拖曳力系數(shù)。Paul等[6]結合生物特性和潮汐流影響,探討了潛水植物的消波效果,發(fā)現(xiàn)波浪衰減與海草植物葉片剛度、密度、長度密切相關。Jadhav等[7]研究了臺風期間海濱濕地削減波高的發(fā)布概率。Akgul等[8]探討了挺水植被的波浪衰減和波動力的影響。Hu等[9]在實驗室內研究了波流同時存在情況下的植物消浪問題。Philip等[10]通過水槽試驗和數(shù)值模擬,研究了非均勻植物波高的削減規(guī)律。在國內,早在1965年,南京水利科學研究院的章家昌[11]在室內模擬平臺上和野外平緩的灘地上種植防波林,考慮了林木主干和林木枝葉的消波作用,以及林木枝葉沿樹干分布,提出了計算林木的消波性能公式。顏學恭等[12]對長江中下游防浪林不同類型林帶結構進行了原型的消浪效果觀測試驗,根據實測數(shù)據,防浪林排數(shù)在6～9排可消浪33%～38%,10～15排可消浪49%～57.6%,20～25排可消浪64%～71%,消浪效果顯著。胡嵋等[13]對在岸坡上種植檜柏樹進行了模型試驗,發(fā)現(xiàn)防浪林的寬窄影響防浪護岸效果,并認為斜坡消浪效果好于平坡消浪。1989年宋連清等[14-15]在浙江南部沿海生物促淤海岸防護研究中,通過現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn),護花米草因其植株高大、桿莖粗壯、生長密集而具有良好的消浪護岸作用,當風浪通過草帶寬度為10～40m時,消浪能力為45%;40m以上寬草帶,消浪能力為 67%;60m以上寬草帶,消浪能力為78%;200m以上草帶寬可消減臺風浪高達89%。陳德春等[16]探討了人工水草緩流的消波作用。楊建明[17]對護岸植物消浪效果進行的試驗表明:植物帶的寬度越大,消浪效果越好;水淹植物越深(不及植物頂),消浪效果越明顯;當波浪周期達到某一值時,植物搖擺和波浪趨于同步,此時消浪作用幾乎消失。

筆者認為,隨著我國對生態(tài)環(huán)境和生態(tài)景觀的日益重視,為實現(xiàn)工程價值與環(huán)境景觀的效益最大化,宜將消浪技術與生態(tài)景觀有機結合。本文擬對浮式植物消浪裝置的消浪效果展開試驗研究。

1試驗介紹

1.1試驗設計

試驗在上海交通大學多功能水槽內進行,水槽長12m,寬1m,深0.8m,造波周期范圍0.5～5s,兩端有良好的消波設施。浮式植物消浪裝置如圖1所示,植物種植在由高分子材料制成的矩形植物生長框內,生長框高7.5cm，長98cm。生長框兩側浮筒為兩端封閉的PVC管,為生長框提供漂浮力。試驗中選用高22cm、頭徑為6.046cm的圓葉聚乙烯剛性植物,在試驗條件下植物不倒伏,且高出生長框上沿8.5cm,確保入射波高小于植物高度。根據消波裝置尺寸,試驗水深范圍取30～52.5cm,入射波高范圍0.45～0.85cm。

圖1　試驗中漂浮式植物消浪裝置

試驗的整體布置如圖2所示,植物生長框浮于水面,生長框迎浪側和背浪測分別對稱布置兩根錨繩,錨繩中部懸掛重物,底端固定于底床;在錨繩中部適當增加重量以保持裝置在波浪作用下的穩(wěn)定性;適當增加生長框內碎石重量,使生長框在靜水條件下其上緣與水面齊平。漂浮式植物消浪裝置距離造波機5m,在波浪作用下在水槽中做二維運動。裝置前后1.5m處各布置兩個浪高儀,用于記錄波面變化。浪高儀1號、2號的間距與浪高儀3號、4號的間距均為0.25m,測量數(shù)據采用Goda兩點法[18]分離反射波高和透射波高,進而求得反射系數(shù)及透射系數(shù),據此分析消浪效率。試驗開始前,對所用量測儀器進行標定校準,以保證測量數(shù)據的準確性。

圖2　試驗整體布置

1.2試驗工況

試驗中,水深0.35m,分別針對兩種入射波高,4種周期(0.881s、0.784s、0.693s、0.640s)的規(guī)則波,5種不同植物生長框寬度,9種不同植物密度開展了試驗,試驗共計360組,試驗工況匯總見表1。波高采集采用SDA100傳感器數(shù)據采集系統(tǒng),采樣間隔為0.01s,每次采樣時間取120s,每組試驗至少重復3次,試驗結果取平均值。

表1　試驗工況匯總

2消浪效率試驗結果分析

影響植物生長框消浪效果的因素有:植物剛度、植物密度、植物莖葉情況、植物生長框寬度、入射波高、植物生長框入水深度及挺水高度、植物根須入水情況等。植物的消浪情形非常復雜,為簡化起見,模擬植物挺水高度均大于越浪高度,挺水部分莖葉分布均勻,植物生長框挺水高度為0,模擬植物在消浪過程中基本沒有發(fā)生倒伏,植物生長框入水深度、植物根須入水情況保持不變,且入水深度所占水深的比例小于1/7。為了反映裝置的消浪效果,本文將消浪裝置對波高的削減程度定義為消浪效率,則生長框消浪效率β與各影響因素之間的關系可以表示為

(1)

式中:β為裝置的消浪效率(從0到1的無量綱數(shù));Ct為透射系數(shù);Ht為消浪裝置后透射波高;Hi為消浪裝置前入射波高;ρ為植物密度;B為裝置寬度;L為波長;H為波高。

為便于無量綱化和簡化測量與計算,定義植物密度ρ為植物頭徑面積之和與植物生長框底板面積的比值,即

(2)

式中：D為單棵植物的頭徑；N為矩形框內植物棵數(shù)；s為植物生長框底板面積。

將式(1)函數(shù)中的變量表示為無量綱形式:

(3)

下面將著重從植物密度、消浪裝置的相對寬度B/L、波陡H/L這3方面討論該裝置的消浪效果。

2.1植物密度對消浪效率的影響

如圖3所示,在水深0.35m,波高為0.08m、0.06m,入射波周期T為0.881s、0.784s、0.693s、0.640s和植物生長框寬度為0.35m的情況下,消波效率都是隨植物密度的增大而增大,當植物密度大于1.6時,消浪效率增大的趨勢逐漸變緩,最后趨于一個常數(shù)。這說明,當植物密度大到一定程度之后,裝置的消波效果進一步提升的空間小,即,繼續(xù)增加植物密度對改善裝置的消波效果影響不大。本組試驗表明,無論入射波高為0.08m還是0.06m,都是在入射波周期為0.693s、植物密度接近2.0時消浪效果最好,消浪效率大約為66%。

圖3　消浪效率β與植物密度ρ的關系

2.2相對寬度對消波效率的影響

圖4　消浪效率β與相對寬度B/L的關系

如圖4所示,在水深0.35m,波高0.08m,入射波周期為0.881s、0.640s,植物生長框寬度分別為0.45m、0.35m、0.25m、0.20m、0.15m的情況下,消浪效率總是隨相對寬度的增大而增大,當相對寬度增大到某一值時,消浪效率將達到某一平衡值,說明對于此時的相對寬度,裝置的消浪效果趨于最佳。圖4(a)中消浪效率在相對寬度大于0.33時達到穩(wěn)定,圖4(b)中消浪效率在相對寬度大于0.38時達到穩(wěn)定。在消浪效率達到穩(wěn)定之后,消浪效率隨植物密度的增加而增大,這與圖3反映的變化關系相符合。值得注意的是,當周期不同時,消浪效率趨于穩(wěn)定時的臨界點不同;同一入射波周期下,植物密度不相同,消浪效率趨于穩(wěn)定時的臨界點也會不同。正因為如此,圖4(a)中4條曲線出現(xiàn)交叉。結合其他組次試驗，發(fā)現(xiàn)當相對寬度大于0.4時,消浪效果均趨向于穩(wěn)定。此外,從圖3的兩幅圖也可以看出,消浪效率并不與入射波周期呈反比關系。入射波周期為0.640s的消浪效率小于周期為0.693s時的消浪效率。這說明植物生長框的消浪作用在某一波長范圍內效果最佳,消浪裝置的最佳效果取決于波浪的某一特定周期。這點與楊建明[17]的結論類似。

2.3入射波波高對消浪效率的影響

如圖5所示,在水深0.35m,入射波周期為0.881s、0.640s,植物密度為2.01、0.804,入射波波高分別為0.08m、0.06m的情況下,無論入射波周期為0.881s還是0.640s,在同一植物密度下,波高為0.08m時的消浪效率均大于波高為0.06m時的消浪效率,入射波高越大,消浪效果越明顯。這可能是植物下部莖多葉少的原因。當然,前提是挺水植物的高度必須大于波浪高度。

圖5　消浪效率β與波高H的關系

2.4消浪效率公式

通過以上對消浪效率與其影響因素關系的分析,從360個試驗工況中選取160個,對其試驗數(shù)據做回歸分析,得到透射系數(shù)的無量綱公式為

(4)

則消浪效率公式為

(5)

從圖6可知,試驗實測的消浪效率值與由公式(5)得到的計算值基本吻合,實測值與計算值的相關系數(shù)為0.87,96%的實測值與計算值的誤差在20%以內。公式及試驗數(shù)據表明,足夠的植物密度和植物寬度前提下,該消浪裝置可以削減來波的波高達65%。

圖6　消浪效率計算值與實測值比較

該消浪裝置的消浪效果與顏學恭等[12]介紹的長江中下游不同結構防浪林的消浪效果相當,但略低于浙江南部沿海的生物促淤海岸防護工程中護花米草的消浪效果。導致消浪效果偏低的原因,可能在于植物生長框在水面上水平方向的固定欠佳,植物生長框的前后運動導致了次生波的出現(xiàn),以及植物后方產生的尾渦相對于固定在床面上的剛性植物而言要小,因此,其消浪效率相對偏低。但與M?ller[2]的野外調查結果相比,該裝置的削減來波效率比英國東海岸濕地植物的消浪效率高,后者最大約35%。英國東海岸鹽沼植物為草類,在波浪作用下的剛度小,能夠隨波逐流,因此,其消浪效率低于剛性植物。

值得指出的是,式(5)存在一些局限性,如對植物莖葉分布、框體和植物根入水的相對深度、植物剛度等因素沒有作進一步考慮。同時,本次試驗中相對植物寬度的范圍為0.143～0.692m,波陡的范圍為0.057～0.123,因此,植物寬度及波高的試驗組次也應增加。植物生長框的水平固定、錨繩的受力等有待深入開展研究。

3結語

基于波浪水槽試驗,對浮式植物消浪裝置的消浪效果展開了研究。結果表明,該浮式植物消浪裝置具有良好的消浪效果,在足夠的植物密度和裝置寬度情況下,消浪效率接近65%。在受規(guī)則波作用下,消浪裝置的植物密度和植物生長框相對寬度是影響消浪效果的主要因素。在本試驗條件下,植物密度越大,消浪效果越好,當植物密度超過1.6時,消浪效果趨于穩(wěn)定;相對寬度越大,消浪效果越好,當相對寬度大于0.4時,消浪效果趨向于穩(wěn)定。本研究成果可為我國湖泊和海岸的消浪工程設計提供參考。

參考文獻：

[1] FERNANDO J M,INIGO J L.An empirical model to estimate the propagation of random breaking and nonbreaking waves over vegetation fields[J].Coastal Engineering,2004,51(2):103-118.

[2] M?LLER I.Quantifying saltmarsh vegetation and its effect on wave height dissipation: results from a UK East coast salt marsh[J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2006,69(3): 337-351.

[3] AUGUSTIN L N,IRISH J L,LYNETT P.Laboratory and numerical studies of wave damping by emergent and near-emergent wetland vegetation[J].Coastal Engineering,2009,56(3): 332-340.

[4] CHARLOTTA B L,MAGNUS L.Wave damping in reed: field measurementsand mathematical modeling[J].Journal of Hydraulic Engineering,2010,136: 222-233.

[5] KASSI C R,STEPHEN M H,JULIA C M.Wave dissipation by flexible vegetation[J].Geophysical Research Letters,2011,38(18): 1029-1033.

[6] PAUL M,BOUMA T J,AMOS C L.Wave attenuation by submerged vegetation: combining the effect of organism traits and tidal current[J].Marine Ecology Progress Series,2012,444: 31-41.

[7] JADHAV R S,CHEN Q.Probability distribution of wave heights attenuated by salt marsh vegetation during tropical cyclone[J].Coastal Engineering,2013,82: 47-55.

[8] AKGUL M A,YILMAZER D,OGUZ E,et al.The effect of an emergent vegetation (i.e.Phragmistes Australis) on wave attenuation and wave kinematics[J].Journal of Coastal Research,2013,65: 147-152.

[9] HU Z T,SUZUKI,ZITMAN T,et al.Laboratory study on wave dissipation by vegetation in combined current-wave flow[J].Coastal Engineering,2014,88: 131-142.

[10] PHILIP J B,DANIEL T C,WU W C.Laboratory observations and numerical simulations of wave height attenuation in heterogeneous vegetation[J].Journal of Waterway,Port,Coastal,and Ocean Engineering,2014,140(1): 56-65.

[11] 章家昌.防波林的消波性能[J].水利學報,1965,12(2):49-52.(ZHANG Jiachang.Wave dissipation performance for wave break forest[J].Journal of Hydraulic Engineering,1965,12(2):49-52.(in Chinese))

[12] 顏學恭,曾祥培,徐德新.長江中游防浪林消能效益分析與研究[J].武漢水利電力大學學報,1997,30(3):51-53.(YAN Xuegong,ZENG Xiangpei,XU Dexin.Investigation on energy dissipation benefit of wind-wave protection forests in middle reach of Changjiang River[J].Engineering Journal of Wuhan University,1997,30(3):51-53.(in Chinese))

[13] 胡嵋,白玉川,楊建民.利用植被消浪護岸的模型實驗研究[J].實驗室研究與探索,2007,26(12):37-40.(HU Mei,BAI Yuchuan,YANG Jianmin.Model test research of the shore protection with vegetation for wave reduction[J].Research and Exploration in Laboratory,2007,26(12):37-40.(in Chinese))

[14] 宋連清.互花米草及其對海岸的防護作用[J].東海海洋,1997,15(1):11-19.(SONG Lianqing.Spartina alterniflora and its effects of the coastal protection[J].Donghai Marine Science,1997,15(1):11-19.(in Chinese))

[15] 傅宗甫.互花米草消浪效果試驗研究[J].水利水電科技進展,1997,17(5):45-47.(FU Zongfu.Experimental study on the effectiveness of wave dissipater with spartina alterniflora[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,1997,17(5):45-47.(in Chinese))

[16] 陳德春,周家苞.人工水草緩流和消波研究[J].河海大學學報,1998,26(5):99-103.(CHEN Dechun,ZHOU Jiabao.A study of the effect of artificial seaweeds on current slowing and wave absorbing[J].Journal of Hohai University,1998,26(5):99-103.(in Chinese))

[17] 楊建明.植物消浪護岸動力機制理論分析與模型試驗研究[D].天津: 天津大學,2003.

[18] GODA Y,SUZUKI Y.Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments[C]//Proceedings of 15th Conference on Coastal Engineering.New York:ASCE,1976:828-845.